第二章 發(fā)動機(jī)的換氣過程
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第二章 發(fā)動機(jī)的換氣過程
燃燒是做功之本。
燃燒需要空氣與燃料。 重量比 容積比
燃料 1 1 液態(tài)
空氣 15 1000 氣態(tài)
燃料受機(jī)械控制，容易加入。而汽缸容積就那么大，要想多加空氣就要困難得多。因此，對發(fā)動機(jī)換氣過程的研究就顯得尤為重要了。
§2-1 四沖程發(fā)動機(jī)的換氣過程
一 配氣定時
與工程熱力學(xué)中介紹的不同, 進(jìn)排
氣門的開啟、關(guān)閉也需要時間, 故
在上止點(diǎn)后關(guān)閉－排氣遲閉角10°～35°
在上止點(diǎn)前吸氣－進(jìn)氣提前角 0°～40°
在下止點(diǎn)后關(guān)閉－進(jìn)氣遲閉角40°～80°
進(jìn)氣提前角+排氣遲閉角－氣門疊開角
二 換氣過程
（一） 排氣過程
1 自由排氣階段 A
排開 p >>p’ ® p = p’
靠缸內(nèi)壓力將氣體擠出氣缸，其中
p－缸內(nèi)壓力, p’－排氣管內(nèi)壓力。
2 強(qiáng)制排氣階段 B
p = p’ ® p £ p’
3 超臨界排氣 C
排開 ® p = 1.9 p’
在氣閥最小截面處, 氣體流速等于該地音速 m/s。其流量與壓差 （p - p’）無關(guān), 只決定于排氣閥開啟面積和氣體狀態(tài)。
4 亞臨界排氣 D
p = 1.9 p’ ® 排閉。
其流量取決于壓差 （p - p’）。
（二） 進(jìn)氣過程和氣門疊開角
由于節(jié)流作用, 缸內(nèi)產(chǎn)生負(fù)壓；（ ）使新鮮介質(zhì)進(jìn)入缸內(nèi)。
氣閥疊開角：非增壓：20°～60° CA。
太大（引起） ® 廢氣回流進(jìn)氣道。
太小 ® 掃氣作用不明顯。
增壓：110°～140° CA。
進(jìn)氣管p, 掃氣明顯, 氣閥疊開角可以增大很多。如6135
型高柴：非增壓：40°, 增壓：124°。
掃氣的作用：
1 清除廢氣, 增加氣缸內(nèi)的新鮮充量。
2 降低排氣溫度。
3 降低熱負(fù)荷最嚴(yán)重處（如氣閥、活塞等）的溫度。
三 換氣損失
理論循環(huán)換氣功與實(shí)際循環(huán)換氣功之差。
如圖：換氣損失功－X+（Y+W）, 其中（W+Y）
為排氣損失功，X為進(jìn)氣損失功。
（一） 排氣損失功Y
W是因排氣門提前開啟而損失的膨脹功,
稱為自由排氣損失。Y是活塞作用在廢氣上的推出功, 稱為強(qiáng)制排氣損失功。
排氣提前角 ® W，Y¯ 。
綜合效果, 要求（Y+W）¯, 故（W+Y）有一個最佳值（W+Y）min 。對應(yīng)排氣提前角亦有一個最佳值, n ® （W+Y）min 。
（二） 進(jìn)氣損失功X
進(jìn)氣損失功小于排氣損失功，即X < Y
（三） 泵氣損失功 （X+Y-d）
在實(shí)際示功圖中, 把（W+d） 歸到指示功中考慮。而把泵氣損失功 （X+Y-d） 歸到機(jī)械損失中考慮。
§2-2 四沖程發(fā)動機(jī)的充氣效率
一 充氣效率
（一） 定義
為比較不同大小、不同類型發(fā)動機(jī)的充氣品質(zhì)和換氣過程的完善程度, 不受氣缸工作容積Vh 的影響, 引入充氣效率 的概念。
由于有進(jìn)氣阻力等因素的影響, 實(shí)際進(jìn)入氣缸中的新鮮充量必然小于理論上進(jìn)氣狀態(tài)下充滿工作容積的新鮮充量。二者之比稱為充氣效率 , 即
其中： －實(shí)際充量的重量，質(zhì)量和體積；
－理論充量的重量，質(zhì)量和體積；
進(jìn)氣狀態(tài)：非增壓：空氣濾清器后進(jìn)氣管內(nèi)的氣體狀態(tài), 通常取為當(dāng)?shù)氐拇髿?/DIV>
狀態(tài)。
增 壓：增壓器出口狀態(tài)。
嚴(yán)格地說，充氣效率應(yīng)為
更合理。這樣，在后面將要講到的大氣修正中，不同的壓力和溫度下進(jìn)氣量的比值就等于其充氣效率之比。否則，按照前頭的定義式，大氣溫度越高，充氣效率反而會越高，講起來似乎無法接受。而且也不具備可比性。
（二） 實(shí)際測量
其中： －實(shí)際測量 [ /h ]
充氣效率是衡量換氣過程進(jìn)行得完善程度的重要指標(biāo)。
柴油機(jī) 0.75～0.90
汽油機(jī) 0.70～0.85
二 充氣效率的分析式
充入汽缸的新鮮充量 = 缸內(nèi)氣體的總質(zhì)量－缸內(nèi)殘余廢氣質(zhì)量
（一） 進(jìn)氣門關(guān)閉時缸內(nèi)氣體的總質(zhì)量
其中 －余隙容積； －進(jìn)氣門關(guān)閉時缸內(nèi)工作容積；
－進(jìn)氣終了缸內(nèi)氣體密度。
（二） 排氣門關(guān)閉時缸內(nèi)殘余廢氣的質(zhì)量
其中 －排氣門關(guān)閉時缸內(nèi)容積； －排氣門關(guān)閉時缸內(nèi)殘余廢氣密度。
（三） 充入汽缸的新鮮充量
其中 －大氣狀態(tài)下氣體密度。
（四） 充氣效率的分析式
其中 －壓縮比； －有效壓縮比； 。
一般 ～ 。若假設(shè) ，有
帶入理想氣體狀態(tài)方程式，得
其中 －大氣壓力和溫度； －進(jìn)氣終了時缸內(nèi)的壓力和溫度；
－排氣終了時殘余廢氣的壓力和溫度。
； 。
的分析式為定性分析 的影響因素提供了依據(jù)。
§2-3 影響充氣效率的各種因素
一 進(jìn)氣終了壓力
（一） 進(jìn)氣阻力
® ¯ ® ¯
對 的影響最大。進(jìn)氣系統(tǒng)的沿程阻力和局部阻力均會使 增大。
（二） 轉(zhuǎn)速
n ® ® ¯ ® ¯
（三） 負(fù)荷
汽油機(jī)：負(fù)荷 ® 節(jié)氣們開度 （質(zhì)調(diào)節(jié)） ® ¯ ® ®
柴油機(jī)：負(fù)荷 ® 循環(huán)供油量 （量調(diào)節(jié)）（與 無關(guān)） ®
熱負(fù)荷 ® ® ¯ （不大）
二 進(jìn)氣終了溫度
（一） 轉(zhuǎn)速
負(fù)荷一定：n ®
綜合 、 的影響， n ® ¯。
（二） 負(fù)荷
轉(zhuǎn)速一定：負(fù)荷 ® 熱負(fù)荷 ® ® ¯
柴油機(jī)：進(jìn)、排氣管分置。
避免排氣管對進(jìn)氣管加熱，使 ¯ ®
汽油機(jī)：進(jìn)、排氣管同置。
雖然 ® ¯，但燃油受熱增發(fā)快，可以改善混合氣形成。
三 排氣終了壓力
® 殘余廢氣量 ® ¯
µ 排氣門處的阻力 µ ，所以
n ® ® ¯ （影響較小）
四 排氣終了溫度
®
五 壓縮比e
e ®
公式僅為定性分析用的，是粗略的。還有許多因素未予考慮。如：壓力升高比l，絕熱指數(shù)k，進(jìn)氣馬赫數(shù)Ma，熱傳輸和過量空氣系數(shù)a等。
§2-4 提高充氣效率的措施
減小進(jìn)氣系統(tǒng)阻力。
沿程阻力，局部阻力（節(jié)流阻力）。
柴油機(jī)：空氣濾清器 ® 進(jìn)氣管 ® 進(jìn)氣道 ® 進(jìn)氣門
一 減小流動阻力
（一） 進(jìn)氣門
1 進(jìn)氣門直徑
一般: 0.20～0.25
® ® （影響大）
® ¯ ® （影響�。�
一般： >
2 四氣門
流通面積 40%左右。但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價較高。
® ® （可達(dá)30%）， ¯¯
3 氣門升程h
h，時面值 ®
4 閥頂過渡圓角R
R ® ¯ ® ¯
R¯¯ ® 流動阻力 ® ¯
R應(yīng)適中。
（二） 進(jìn)氣管
1 表面光潔度和流通面積
表面光潔度，流通面積 ® 沿程阻力¯ ®
2 轉(zhuǎn)彎和節(jié)流阻力
轉(zhuǎn)彎半徑R，截面突變¯ ®
3 截面形狀
考慮汽油機(jī)的霧化，蒸發(fā)，則
管壁面積 ® 沉積 ® 蒸發(fā)¯ ® 混合氣分配不均勻
截面形狀 圓形 矩形 D形
流動阻力 小 大 中
底部蒸發(fā) 小 中 大
柴油機(jī)不存在底部蒸發(fā)問題，故多采用流動阻力小的圓形進(jìn)氣管。
（三） 進(jìn)氣道
轉(zhuǎn)彎半徑R，表面光潔度，各管口與墊片孔口對中 ® 流動阻力¯ ®
設(shè)計(jì)時還要考慮組織進(jìn)氣渦流。
（四） 空氣濾清器
通道面積，除塵效果 ® 流動阻力¯ ®
經(jīng)常清洗，更換紙芯。
（五） 化油器
喉口截面積¯ ® 流動阻力 ® ¯，但霧化效果 。
解決這對矛盾，采用雙喉口。小喉口：霧化；大喉口：進(jìn)氣。
二 合理選擇配氣定時
（一） 配氣定時的綜合評定
1 良好的充氣效率以保證發(fā)動機(jī)的動力性能。
2 合適的充氣效率以適應(yīng)發(fā)動機(jī)的扭矩特性。
3 較小的換氣損失以適應(yīng)發(fā)動機(jī)的經(jīng)濟(jì)性能。
4 必要的燃燒室掃氣以保證高溫零件的熱負(fù)荷得以適當(dāng)降低，達(dá)到可靠運(yùn)行。
5 合適的排氣溫度。
調(diào)整：1，2－進(jìn)氣遲閉角；3－排氣提前角；4，5－氣門疊開角
（二） 進(jìn)氣遲閉角
1 轉(zhuǎn)速n一定時，總有一個進(jìn)氣遲閉角 使得充氣效率 為最大。
2 n¯¯ ® 氣流慣性 ¯ ® 缸內(nèi)氣體易倒流進(jìn)氣管 ® ¯
n ® 一部分氣體來不及進(jìn)入汽缸 ® ¯
3 ® 對應(yīng) 的n
所以，高速發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速大，要獲得好的充氣效率和動力性，進(jìn)氣遲閉角應(yīng)大
一些。
4 n ®
（三） 排氣提前角
¯ ® d ® ， 其中d－后期膨脹比。
考慮經(jīng)濟(jì)性，在排氣損失最小的前提下，盡量減小排氣提前角。
（四） 氣門疊開角
® 缸內(nèi)氣體易倒流進(jìn)氣管； ¯¯ ® ， ® ¯
增壓發(fā)動機(jī)氣門疊開角應(yīng)大一些。
§2-5 進(jìn)氣管內(nèi)的動態(tài)效應(yīng)
一 現(xiàn) 象
195柴油機(jī)：進(jìn)氣管長度L = 300 mm L = 1140 mm
氣體在進(jìn)排氣管中有壓力波動現(xiàn)象，有效組織、利用壓力波動，可以提高充
氣效率。
進(jìn)氣門開閉時： ® pa ®
排氣門開閉時： ¯ ® pr¯ ®
動態(tài)效應(yīng)與進(jìn)排氣管的長度和直徑有關(guān)。
二 波的動態(tài)機(jī)理
閉口端：進(jìn)：壓縮波 ® 反射: 壓縮波 －同型波
進(jìn)：膨脹波 ® 反射: 膨脹波 －同型波
開口端：進(jìn)：壓縮波 ® 反射: 膨脹波 －異型波
進(jìn)：膨脹波 ® 反射: 壓縮波 －異型波
三 進(jìn)氣動態(tài)效應(yīng)
（一） 慣性效應(yīng)
階段：進(jìn)氣門開 ® 進(jìn)氣門閉
¬ 膨脹波
® 壓縮波 （進(jìn)氣門閉）
（二） 波動效應(yīng)
階段：進(jìn)氣門閉 ® 下一循環(huán)進(jìn)氣門開
¬ 壓縮波
® 膨脹波
¬ 膨脹波
® 壓縮波 （進(jìn)氣門開）
壓力波動是周期性的。
壓力波固有頻率： [ 1/s ] 其中a－進(jìn)氣管內(nèi)聲速。
發(fā)動機(jī)吸氣頻率： [ 1/s ]
令：
當(dāng)q = 1，2，3… 時，進(jìn)氣門開，則pa¯ ® ¯。
當(dāng)q = … 時，進(jìn)氣門開，則pa ® 。
四 結(jié) 論
1 慣性效應(yīng) （本循環(huán)），振幅大，衰減小。
波動效應(yīng) （兩循環(huán)），振幅小，衰減大。
2 高速發(fā)動機(jī)，進(jìn)氣管短；低速發(fā)動機(jī)，進(jìn)氣管長。
3 進(jìn)氣管直徑¯¯ ® 流動阻力 ® 壓力波強(qiáng)度¯
進(jìn)氣管直徑 ® 壓力波振幅¯ ® 壓力波強(qiáng)度¯
4 多缸機(jī)上，進(jìn)氣管應(yīng)分支，且等長。
5 避免急轉(zhuǎn)彎，則壓力波振幅不會衰減太大。
6 排氣管需要膨脹波，則pr¯ ® 掃氣作用 ®
§2-6 單位時間充氣量與循環(huán)充氣量
單位時間充氣量 G [ kg/h ]，
循環(huán)充氣量 DG [ kg ]，則
[ kg/h ]
n ® G，但n ® pa¯ ® DG¯
G ® 單位時間供油量g ® 與功率 有關(guān)。
DG ® 循環(huán)供油量Dg ® 與扭矩 有關(guān)。
圖中虛線為不考慮進(jìn)氣損失的G和DG曲線；
實(shí)際的G和DG曲線如圖中實(shí)線所示。
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