1、汽车发动机原理,同学们好,汽车发动机原理,第二章,发动机的换气过程,第二章 发动机的换气过程 四行程发动机的充气效率,2.3 四行程发动机的充气效率,2.3.1 充气效率的定义,充气效率是实际进入气缸的新鲜工质质量与进气状态下充满气缸工作容积的新鲜工质质量的比值：,m1 、V1实际进入气缸的新鲜工质质量、体积（进气状态）；ms 、Vs 进气状态下充满工作容积的新鲜工质质量、气缸工作容积。,式中,第二章 发动机的换气过程 四行程发动机的充气效率,2.3 四行程发动机的充气效率,2.3.2 充气效率hv的表达式,进气门关闭时缸内气体的总质量ma,进气门关闭时气缸容积为（Vs +Vc），此时缸内气体
2、压力、温度、密度为Pa、Ta、a，则缸内气体的总质量为,第二章 发动机的换气过程 四行程发动机的充气效率,2.3 四行程发动机的充气效率,2.3.2 充气效率hv的表达式,排气门关闭时缸内残余废气的质量mr,排气门关闭时缸内体积为Vr，残余废气的压力、温度、密度为Pr、Tr、 r ，则残余废气的质量为,第二章 发动机的换气过程 四行程发动机的充气效率,2.3 四行程发动机的充气效率,2.3.2 充气效率hv的表达式,充入气缸新鲜充量质量m1,进关质-排关质,第二章 发动机的换气过程 四行程发动机的充气效率,2.3 四行程发动机的充气效率,2.3.2 充气效率hv的表达式,即,从而,第二章 发动
3、机的换气过程 四行程发动机的充气效率,2.3 四行程发动机的充气效率,2.3.2 充气效率hv的表达式,经变换推导得,第二章 发动机的换气过程 四行程发动机的充气效率,2.3 四行程发动机的充气效率,2.3.2 充气效率hv的表达式,pa、 Ta 进气终了时气体压力和温度ps 、 Ts 进气状态下气体压力和温度,式中,进气门迟闭影响系数； g 残余废气量与气缸中新鲜充气量的比值（系数）,e 压缩比,第二章 发动机的换气过程 四行程发动机的充气效率,2.3 四行程发动机的充气效率,2.3.2 充气效率hv的影响因素,1、进气系统阻力 pa,进气终了压力pa为 pa = ps pa pa 为气体流
4、动时克服进气系统阻力而引起的压强.,由充气效率hv的表达式可知， pa 越低， pa 越高，充气效率hv越高。,第二章 发动机的换气过程 四行程发动机的充气效率,2.3 四行程发动机的充气效率,2.3.2 充气效率hv的影响因素,1、进气系统阻力 pa,进气系统阻力 pa 表达为,式中 l 管道阻力系数，r 进气状态下气体密度（kg / m 3 ），C 进气平均流速（m / s）,第二章 发动机的换气过程 四行程发动机的充气效率,2.3 四行程发动机的充气效率,2.3.2 充气效率hv的影响因素,2、进气终了温度Ta,由充气效率hv的表达式可知，进气终了温度Ta 越高， 充气效率hv越低。,进
5、气终了的温度Ta高于进气状态温度Ts 。,第二章 发动机的换气过程 四行程发动机的充气效率,2.3 四行程发动机的充气效率,2.3.2 充气效率hv的影响因素,2、进气终了温度Ta,引起Ta升高的原因:( 1 ) 新鲜工质被加热。新鲜工质高温零件接触被加热。化油器式汽油机为了使燃料容易蒸发，与空气均匀地混合，用废气或冷却水对进气管加热，故空气经过进气管温度升高。( 2 ) 新鲜工质与高温残余废气混合。( 3 ) 流动摩擦将动能转化为热能。,第二章 发动机的换气过程 四行程发动机的充气效率,2.3 四行程发动机的充气效率,2.3.2 充气效率hv的影响因素,3、残余废气系数g,由充气效率hv的表
6、达式可知，残余废气系数g增加，充气效率hv 降低。压缩比 e 提高，残余废气系数 g 减小；排气系统阻力大，排气压力高，残余废气系数 g 增加。,第二章 发动机的换气过程 四行程发动机的充气效率,2.3 四行程发动机的充气效率,2.3.2 充气效率hv的影响因素,4、配气定时,由充气效率hv的表达式可知，因进气门迟闭， 1 ，新鲜充量的容积减小，但进气终了压力pa 和气缸的实际充量却可能因气流惯性提高，使充气效率hv有所增加。配气定时应考虑 pa 具有最大值。,第二章 发动机的换气过程 四行程发动机的充气效率,2.3 四行程发动机的充气效率,2.3.2 充气效率hv的影响因素,5、压缩比 e,
7、由充气效率hv的表达式可知，单独看压缩比 e 提高，则充气效率hv 有所下降；但压缩比 e 提高，残余废气系数 g 减小。压缩比 e 对充气效率hv 影响不大，提高压缩比 e ，充气效率hv 略微提高。,第二章 发动机的换气过程 四行程发动机的充气效率,2.3 四行程发动机的充气效率,2.3.2 充气效率hv的影响因素,6、进气（或大气）状态,由充气效率hv的表达式看， ps 提高或 Ts 下降，则充气效率hv 有所降低；但实际上进入气缸的气体同步增加，故进气（或大气）状态只影响实际进气量，对充气效率hv 影响不大。,第二章 发动机的换气过程 四行程发动机的充气效率,2.3 四行程发动机的充气
8、效率,2.3.3 工况对充气效率hv的影响,1、转速,当油门位置不变时，转速增加，进气流速提高， pa 降低，充气效率hv 减小。,转速增加，新鲜工质被加热时间短，传热量少， Ta下降，对充气效率hv 减小有补偿作用。,第二章 发动机的换气过程 四行程发动机的充气效率,2.3 四行程发动机的充气效率,2.3.3 工况对充气效率hv的影响,2、负荷,对汽油机，负荷减小，节气门关小，（混合气流量减少）节流损失增加， pa 降低，充气效率hv 减小。,第二章 发动机的换气过程 四行程发动机的充气效率,2.3 四行程发动机的充气效率,2.3.3 工况对充气效率hv的影响,2、负荷,对柴油机，负荷调节方
9、式为“质调节”（喷油量改变进气量不变），没有节气门，负荷变化与节流损失关系不大， pa 基本不变，在不考虑负荷增加引起Ta升高的前提下，充气效率hv 也不变。,但是，实际上，所有发动机都会因为负荷增加使得Ta升高，导致充气效率hv下降。,第二章 发动机的换气过程 减少进、排气系统阻力,2.4 减少进、排气系统阻力,改进换气过程，即减小换气损失，提高充气效率hv 。这方面的措施，主要是减少进气系统和排气系统的流动阻力。进气系统从空气滤清器开始，包括节气门、进气总管、进气歧管、进气道和进气门等。排气系统由排气门、排气道、排气歧管、排气总管、排气净化装置和消音器等组成。其中，影响最大的环节是气门处的
10、流动阻力。,第二章 发动机的换气过程 减少进、排气系统阻力,2.4 减少进、排气系统阻力,此外，减少对进气充量的加热、合理选择配气定时、合理利用换气系统的动态效应以及采取可变配气技术都是改进换气过程的重要措施。减少对进气充量的加热、合理选择配气定时、换气系统的动态效应和可变配气技术在后面介绍。,第二章 发动机的换气过程 减少进、排气系统阻力,2.4 减少进、排气系统阻力,2.4.1 减小气门处的流动损失,气门处的流动阻力与该处的流通截面、气流速度和几何形状有关。1、提高气门时面值气门处的流通能力不仅与流通截面有关，也和流通截面开启时刻有关。因此用两者的乘积评价。,第二章 发动机的换气过程 减少
11、进、排气系统阻力,2.4 减少进、排气系统阻力,2.4.1 减小气门处的流动损失,气门流通截面随气门升程变化。,第二章 发动机的换气过程 减少进、排气系统阻力,2.4 减少进、排气系统阻力,2.4.1 减小气门处的流动损失,定义：气门开启时的流通截面与对应开启时间的乘积称为气门的时面值。,时面值表示气门的通过能力。气门开启时间长，开启断面大，则气门开启时面值大，气流通过能力越强，阻力越小。,第二章 发动机的换气过程 减少进、排气系统阻力,2.4 减少进、排气系统阻力,2.4.1 减小气门处的流动损失,增大气门直径，减小头部锥角，增大升程，延长气门开启时间，均可扩大气门时面值。2、增加气门直径和
12、气门数气门处的流通截面与气门直径和气门数有关。气门直径增大, 流通截面增加，流动阻力减少。气门数目增加, 流通截面也变大。进气门的直径和数目比排气门大。,第二章 发动机的换气过程 减少进、排气系统阻力,2.4 减少进、排气系统阻力,2.4.1 减小气门处的流动损失,受结构限制，单纯增大进气门的直径很难进一步减小换气损失，提高充气效率hv 。因此，现代发动机大多采用多气门结构。对多气门结构缸径大于80 mm 时，采用二进二排结构；缸径小于80 mm 时，采用三进二排结构。,第二章 发动机的换气过程 减少进、排气系统阻力,2.4 减少进、排气系统阻力,2.4.1 减小气门处的流动损失,第二章 发动
13、机的换气过程 减少进、排气系统阻力,2.4 减少进、排气系统阻力,2.4.1 减小气门处的流动损失,四气门机与二气门机相比，功率可提高70%，扭矩可提高30%，且响应性比增压机好，故是汽车发动机高功率化的有力措施。,第二章 发动机的换气过程 减少进、排气系统阻力,2.4 减少进、排气系统阻力,2.4.1 减小气门处的流动损失,3、改进气门升程规律通过改进凸轮型线，可增加气门升程；在惯性力允许条件下可使气门开闭尽可能快，以增大时面值，提高充气效率，减小换气损失。但这样需要减小运动件质量，增加零件刚度。最大气门升程与阀盘直径之比 L / d 取0.26 0.28。,第二章 发动机的换气过程 减少进
14、、排气系统阻力,2.4 减少进、排气系统阻力,2.4.1 减小气门处的流动损失,4、减少气门处的流动损失改善气门处几何形状，如气门头部形状，气门头部到杆身的过渡曲线，气门座处曲线以及结合部的平滑等，减少气流的脱离，防止或减少流动中出现涡流，都可以提高充气效率，减小换气损失。改善气门处流通能力的一些措施综合反映在下图。,第二章 发动机的换气过程 减少进、排气系统阻力,2.4 减少进、排气系统阻力,2.4.1 减小气门处的流动损失,5、降低进气门处的流动速度（进气马赫数Ma)气门处的流动阻力与该处的气流速度有很大关系。但是，为了尽快排出废气，一般不考虑降低排气门处的流动速度，只注意减小进气门处的流
15、速。这正是进气门的直径和数目比排气门大的原因。,第二章 发动机的换气过程 减少进、排气系统阻力,2.4 减少进、排气系统阻力,2.4.1 减小气门处的流动损失,进气门处的流动速度用进气马赫数表示。进气马赫数Ma是进气门气流平均速度Cfma与该处音速a之比,Ma是决定气流流动性质的重要参数。,第二章 发动机的换气过程 减少进、排气系统阻力,2.4 减少进、排气系统阻力,2.4.1 减小气门处的流动损失,进气马赫数 Ma 反映气体流动和气门结构尺寸的关系，对充气效率有重要的影响。根据一系列试验可知，在正常的配气定时条件下，当超过一定数值时，大约在0.5左右，充气效率急剧下降。因此在最高转速时应控制
16、Ma不超过一定数值。,第二章 发动机的换气过程 减少进、排气系统阻力,2.4 减少进、排气系统阻力,2.4.1 减小气门处的流动损失,DS=83x86mm,DS=42x35mm,第二章 发动机的换气过程 减少进、排气系统阻力,2.4 减少进、排气系统阻力,2.4.2 减小气道和气管的流动损失,气道和气管的流动阻力与管道的流通截面、内表面粗糙度、几何形状和气流速度有关。气道和气管应有足够的流通面积，一定的表面光洁程度，避免转弯及截面突变。尽量采用直的气管和气道现代发动机的进气管较多采用直气管。在条件许可时，排气管也应减少转弯。,第二章 发动机的换气过程 减少进、排气系统阻力,2.4 减少进、排气
17、系统阻力,2.4.2 减小气道和气管的流动损失,此外，应该注意进气道和进气管还有其他作用。汽油机：进气管内实现燃料的雾化、蒸发和形成混合气，完成混合气分配，组织进气涡流。柴油机：完成新鲜空气分配，形成进气涡流。发动机工况不同，对进气管的要求也不同。高转速、大功率时，进气管宜短粗；中低速与小负荷时，进气管宜细长。有些发动机的进、排气管还存在压力波的利用。,第二章 发动机的换气过程 减少进、排气系统阻力,2.4 减少进、排气系统阻力,2.4.3 减小换气系统附件的流动损失,进气系统还包括空气滤清器、节气门和化油器等附件。排气系统中有消声器、排气后处理装置，如三元催化净化器和微粒捕集器等附件。这些装
18、置本身的流动阻力较大。减小空气滤清器、节气门和消声器等附件流动阻力的基本原则是：在保证功能和效率的前提下，尽可能地降低其流动阻力。,第二章 发动机的换气过程 减少进、排气系统阻力,2.4 减少进、排气系统阻力,2.4.3 减小换气系统附件的流动损失,现代发动机空气滤清器的体积较大，这样就可以增加流通面积，达到既增强过滤效果，又减小流动阻力的目的。同时，空气滤清器结构、滤芯的结构和材料也有很大的进步。,第二章 发动机的换气过程 减少对进气充量的加热,2.5 减少对进气充量的加热,改进换气过程的另一重要方面是减少对进气充量的加热。新鲜充量被各种高温表面加热而温度升高，从而导致进气密度下降，充气效率
19、降低。新鲜充量温度高还可能使发动机整体热负荷提高和不正常燃烧的发生。进气温升受到各种结构与运行参数的影响，如进气管结构、发动机转速、负荷、冷却水温度等。,第二章 发动机的换气过程 减少对进气充量的加热,2.5 减少对进气充量的加热,化油器式汽油机，除非需要加热进气来保证在进气管中形成混合气，否则进气管与排气管应避免布置在同一侧。燃油喷射式汽油机以及柴油机，进、排气管均布置在两侧。对于高速内燃机，有时也采用进气冷却、隔热等技术，以降低进气温度。增压内燃机则将进气中冷技术作为进一步提高增压压力、降低热负荷的重要途径之一。,第二章 发动机的换气过程 合理选择配气定时,2.6 合理选择配气定时,配气定
20、时从影响换气损失和充气效率两个方面影响发动机的性能，前者反映发动机动力性及经济性受到影响，后者影响发动机的燃烧过程，对发动机全部性能产生影响。试验表明，根据不同的工况，存在不同的最佳配气定时。,第二章 发动机的换气过程 合理选择配气定时,2.6 合理选择配气定时,进气迟闭角对hv影响最大图反映hv和转速的关系，并比较进气迟闭角对hv和 Pe的影响。（1）在一定转速下，hv 有最大值。（2）不同的进气门迟闭角， hv 最大值对应的转速、最大有效功率Pe不同。,第二章 发动机的换气过程 合理选择配气定时,2.6 合理选择配气定时,（3）进气门迟闭角加大，hv最大值对应的转速提高。因此，调整进气门迟
21、闭角，可以改变hv的曲线，从而调整发动机扭矩特性以满足使用工况的要求。进气门迟闭角加大，对高转速的功率提高有利，但低速时扭矩变小；进气门迟闭角减小，低速时扭矩增大，但高转速的功率减少。,第二章 发动机的换气过程 合理选择配气定时,2.6 合理选择配气定时,排气门提前角大，有利于增加高速时发动机的功率，但换气损失变大。减小排气门提前角，对减少低速的排气损失有利，可增大低速的扭矩。调整排气门提前角，可以调整发动机特性。,排气门提前角对换气损失影响最大。在排气损失最小的前提小，尽量晚开排气门。,第二章 发动机的换气过程 合理选择配气定时,2.6 合理选择配气定时,对换气过程有影响的还有气门叠开角。发动机不同工况对配气定时的要求不同。在气门叠开期间，可以利用排气管的压力波增加hv，新鲜工质流过高温零件，降低热负荷，减少NOx，故应安排适当的气门叠开角。在高速发动机，特别是二气门机中，为保证足够的进、排气门时面值，也会有较大的叠开角。当发动机在低速、小负荷时，进气管真空度大，且同样的叠开角相当长的时间长，会产生废气导流，故为改善低速性能及怠速稳定性，要求气门叠开角小。,再见,
