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1、第三章第三章 发动机的换气过程发动机的换气过程换气过程：从排气门开启到进气门关闭的整个过程换气过程：从排气门开启到进气门关闭的整个过程。 包括排出本循环已燃废气本循环已燃废气过程和为下一循环吸入新鲜充量下一循环吸入新鲜充量的进气过程。换气过程的作用换气过程的作用: : 排除缸内废气并充入尽可能多的新鲜工质,同时功耗要少。换气过程对性能的影响换气过程对性能的影响 影响发动机的动力性、经济性、排放等主要内容主要内容l第一节第一节 四冲程发动机换气过程四冲程发动机换气过程 l第二节第二节 充气效率及影响因素充气效率及影响因素l第三节第三节 提高充气效率的措施提高充气效率的措施l第四节第四节 增压技术
2、增压技术l第五节第五节 废气再循环（废气再循环（EGREGR）系统系统3-13-1 四冲程发动机换气过程四冲程发动机换气过程自由排气强制排气进气气门叠开换气过程换气过程基本任务：尽可能基本任务：尽可能排净废气，充入更多新鲜气体。排净废气，充入更多新鲜气体。实际上：进排气系统存在流动损失流动损失，发动机结构上压缩容积压缩容积的存在。一、排气过程一、排气过程从排气门开启到排气门关闭的过程从排气门开启到排气门关闭的过程排气门一般在膨胀行程到达下止点前的某一曲轴转角位置提前打开。排气门一般在膨胀行程到达下止点前的某一曲轴转角位置提前打开。1 1、自由排气阶段、自由排气阶段-废气根据自身的压力自行排出
3、从排气门打开到气缸压力接近了排气管压力的这个时期称为自由排气阶段1) 超临界状态2) 亚临界状态超临界流动状特点：超临界流动状特点：流出速度高，排量达（流出速度高，排量达（60-70）%，伴随有特殊刺耳的噪声。，伴随有特殊刺耳的噪声。从排气门开始打开到下止点这段曲轴转角，称为排气提前角(一般为30-80曲轴转角)当气缸压力与排气背压之比大于临界值时，缸内气体以当地声速排出排出的废气量只取决于缸内气体的状态和排气门有效流通截面积废气量只取决于缸内气体的状态和排气门有效流通截面积的大小。与发动机转速和排气背压无关。2 2、 强制排气阶段强制排气阶段-废气是由活塞上行强制推出 克服排气系统阻力，通过
4、活塞强制排出废气在排气终了，因排气门将要关闭，气门开度很小，节流作用增强，为此，常使排气迟后关闭，从上止点到排气门完全关闭这段曲轴转角，称为排气迟排气迟闭角闭角，一般为10-35曲轴转角。为利用高速流经排气门的气流惯性尽可能多的排出废气，排气门在上止点之后某一时刻关闭。-排气迟闭角排气迟闭角。二、二、 进气过程进气过程 是活塞下行，缸内容积增加，同时使缸内压力下降使得环境压力-缸内压力进气阻力，从而吸入新鲜工质。 为保证进气门有足够大的流通截面积，有尽可能更多的新鲜充量顺利进入气缸，进气门在上止点前提前某一角度开启。 进气提前角进气提前角：进气门一般在上止点前0-40曲轴转角开始打开。 在进气
5、下止点时气门处仍有高速气流流入气缸，为了充分利用气流的惯性而多进气，进气门在活塞下止点后关闭。 进气迟闭角：进气迟闭角：进气门一般在下止点后20-70曲轴转角才关闭。三、配气定时及气门叠开现象三、配气定时及气门叠开现象气门重叠 排气门迟闭 气门叠开 进气门早开 非增压发动机中，重叠角一般为20-60曲轴转角。 增压发动机重叠角一般为80-160曲轴转角 气门重叠的作用：气门重叠的作用： 通过同时开启的进排气门用新鲜工质将残余废气清扫干净，这个过程为扫气过程。扫气过程。扫气过程的作用: 清除残余废气，减少残余废气系数；减低高温零件的温度。 气门重叠角以新鲜工质不进入排气管为原则四、换气损失四、换
6、气损失 换气损失由排气损失和进气损失组成。换气损失由排气损失和进气损失组成。1.1.排气损失：排气损失：排气损失排气损失= =自由排气损失自由排气损失W +强制排气损失强制排气损失Y 自由排气损失自由排气损失W相当于膨胀功的减少相当于膨胀功的减少； 强制排气损失强制排气损失Y是把废气推出气缸所消耗的功是把废气推出气缸所消耗的功 。W-自由排气损失 Y-强制排气损失X-进气损失 Y+X-d-泵气损失四、换气损失四、换气损失（排气损失（排气损失+ +进气损失）进气损失）1.1.排气损失：排气损失：排气损失排气损失= =自由排气损自由排气损失失W W + +强制排气损失强制排气损失Y Y自由排气损失
7、自由排气损失W W相当于膨胀功的减少；相当于膨胀功的减少；强制排气损失强制排气损失Y Y是把废气推出气缸所是把废气推出气缸所消耗的功消耗的功 。e（排气门太早开启）如果排气提前角，则w，y 所以：最有利的排气提前角，必须是使（所以：最有利的排气提前角，必须是使（w+yw+y） 最小最小。e（排气门太晚开启）排气提前角，则w，y 如何使排气损失最小如何使排气损失最小? ?ee”2. 2. 进气损失进气损失 由于进气阻力的存在使进气过程中气缸压力低于大气由于进气阻力的存在使进气过程中气缸压力低于大气压力的部分压力的部分。 与排气损失相比，进气损失较小，它影响发动机的充气效率。 排气损失与进气损失之
8、和称排气损失与进气损失之和称为为换气损失换气损失 (W(W十十Y Y十十X) X) 。 泵气损失泵气损失（X+Y-dX+Y-d）：在实际）：在实际循环示功图中把面积循环示功图中把面积(x+y-d)(x+y-d)相当的负功称为泵气损失。相当的负功称为泵气损失。这部分损失放在这部分损失放在机械损失机械损失中中加以考虑。加以考虑。 充气效率计算公式：11cshsmVmV m1、v1：进气状态下，实际进入气缸的新鲜工质质量、体积msh、vs：进气状态下，充满工作容积的新鲜工质质量、气缸工作容积一、一、充气效率充气效率 实际进入气缸的新鲜工质量（m1）与进气状态进气状态下充满气缸工作容积的新鲜工质量（m
9、sh）的比值。3-23-2充气效率及影响因素充气效率及影响因素非增压柴油机：指大气状态增压柴油机：压气机的出口状态二、影响充气效率的因素二、影响充气效率的因素 理论上在进气状态下（ps,Ts)下，每循环充满气缸工作容积Vs的新鲜充量为：ssshssssp VmVR T 假设在进气门关闭时，气缸内气体的状态为pa,Va,Ta,则气缸内气体的总质量ma为aaaaaaap VmVR T acrs111 aaa1cshshrrssmVmmm (1)(1)V rr1mm sacrsaTP111PT 残余废气系数ma=m1+mra0V /V 气缸总容积Vc：为燃烧室容积影响充气效率的因素 进气终了的压力P
10、a和温度Ta 残余废气系数r 气门正时引起的有效进气体积系数 压缩比 环境的压力Ps和温度Ts 进气终了的压力进气终了的压力P Pa asacrsaacaSaTP111PTPPPP 流动阻力公式：管内气体流速：管道阻力系数22vPasaasaTTTTT进气终了温度对充气进气终了温度对充气效率的影响效率的影响高温零件要给进气加热残余废气给进气加热改善冷启动性进气加热l进气终了状态的密度进气终了状态的密度影响充气效率的因素l残余废气系数对充气效率的影响残余废气系数对充气效率的影响c l压缩比对充气效率的影响压缩比对充气效率的影响ccV 余 气量l配气定时配气定时( (主要是进气迟关角的影响主要是进
11、气迟关角的影响) ) 在低速时,由于进气惯性小,而进气迟关角一定,产生进气倒流现象,导致 。c当进气迟闭角一定时，Va也随之确定，为常数l进气的大气状态进气的大气状态 环境温度增加，进气密度降低，环境温度与气缸壁的温差降低，Ts/Ta升高，Ta降低，充气效率有所增加。课后习题1 1、为什么排气门是在活塞到达下止点之前开启？、为什么排气门是在活塞到达下止点之前开启？2 2、为什么排气门是在活塞到达上止点之后关闭？为什么排气门是在活塞到达上止点之后关闭？3 3、为什么进气门是在活塞到达上止点之前开启？为什么进气门是在活塞到达上止点之前开启？4 4、为什么进气门是在活塞到达下止点之后关闭？为什么进气
12、门是在活塞到达下止点之后关闭？5 5、气门重叠会不会产生废气倒流进气管或新鲜工质气门重叠会不会产生废气倒流进气管或新鲜工质随废气排出的现象？为什么？随废气排出的现象？为什么？6 6、影响充气效率的主要因素？影响充气效率的主要因素？1 1、为什么排气门是在活塞到达下止点之前开启？、为什么排气门是在活塞到达下止点之前开启？2 2、为什么排气门是在活塞到达上止点之后关闭？为什么排气门是在活塞到达上止点之后关闭？3 3、为什么进气门是在活塞到达上止点之前开启？为什么进气门是在活塞到达上止点之前开启？4 4、为什么进气门是在活塞到达下止点之后关闭？为什么进气门是在活塞到达下止点之后关闭？5 5、气门重叠
13、会不会产生废气倒流进气管或新鲜工质随废气排出的现象？为什么？气门重叠会不会产生废气倒流进气管或新鲜工质随废气排出的现象？为什么？6 6、影响充气效率的主要因素？影响充气效率的主要因素？1 1、a.a.增加流通截面积，降低气缸压力；增加流通截面积，降低气缸压力；b.b.减少排气时所消耗的活塞推出功；减少排气时所消耗的活塞推出功；c.c.高温废气的早排，还可以防止发动机过热。高温废气的早排，还可以防止发动机过热。2 2、a.a.减少活塞消耗功减少活塞消耗功, ,利用缸内外压力差继续排气；利用缸内外压力差继续排气；b.b.利用惯性继续排气利用惯性继续排气。3 3、增大进气通道截面，减少气阻。增大进气
14、通道截面，减少气阻。4 4、利用压差和惯性继续进气。利用压差和惯性继续进气。5 5、a. a. 叠开时气门开度小，重叠时间极短；叠开时气门开度小，重叠时间极短；b. b. 进、排气流各自有自己的进、排气流各自有自己的流动方向和流动惯性；流动方向和流动惯性；c. c. 进气流有助于更好地排气。进气流有助于更好地排气。6 6、进气终了的压力进气终了的压力PaPa和温度和温度TaTa；残余废气系数残余废气系数；气门正时引起的有效进气门正时引起的有效进气体积系数气体积系数；压缩比压缩比；环境的压力环境的压力PsPs和温度和温度Ts Ts 。 l第三节第三节 提高充气效率的措施提高充气效率的措施 第四节
15、第四节 增压技术增压技术 第五节第五节 废气再循环（废气再循环（EGREGR）系统系统主要内容主要内容3-33-3提高充气效率的措施提高充气效率的措施sacrsaTP111PT acrs111 提高充量系数措施提高充量系数措施降低进气系统的阻力损失，提高气缸内进气终了时的压力pa降低排气系统的阻力损失，以减小缸内的残余废气系数r减少高温零件在进气系统中对新鲜充量的加热，以降低进气终了时的充量温度Ta合理选择相位角有效利用进气管内压力波的动态波动效应一、减少进气系统阻力一、减少进气系统阻力（一）、进气门（一）、进气门 是整个进气系统中气流通道截面最小，也是整个进气系统中气流通道截面最小，也是气流
16、阻力最大的地方。因而，提高进气门的是气流阻力最大的地方。因而，提高进气门的流通能力是提高充气效率的主要措施之一。流通能力是提高充气效率的主要措施之一。进气系统包括：空滤器、进气总管、进气支管、进气道及进气门进气系统进气系统的阻力的阻力沿程阻力沿程阻力：主要指管道的摩擦阻力。与管道长度、表面粗糙 度及气流速度有关。局部阻力：局部阻力：主要指流动截面大小、形状及流动方向变化造成的损失。1 1、气门的流通能力气门的流通能力气门的流通能力常用时面值时面值和角面值角面值来表示。 在气门开启期间随气门升程的变化，气门的开启截面积开启截面积对时间时间（或曲曲轴转角轴转角）的积分积分。在时间微元dt内通过气门
17、的气体流量 整个气门开启时间内进入气缸的气体流量 流经气门的气体密度 进气门处气体的平均流速Afdt时间内的气门开启截面积mfdmA dt2c1otmmfftmA dtA d6n mff1A dtA d6n6nt 角面值不随转速变化，只与气门升程规律（凸轮型线）有关，所以高速时时面值减小。 提高气门的角面值是提高不同提高气门的角面值是提高不同转速下进气量的主要措施。转速下进气量的主要措施。 角面值的提高受配气动力学的限制。角面值的提高受配气动力学的限制。2 2、进气马赫数、进气马赫数MaMa 气门处的流动损失，与其开启截面积的大小有关；对一定的气门处的流动损失，与其开启截面积的大小有关；对一定
18、的开启面积，还与该处的流动状态有关。开启面积，还与该处的流动状态有关。 进气马赫数进气马赫数MaMa是进气门处气体的平均速度是进气门处气体的平均速度mm与此处的声与此处的声速速 c c的比值，它能反应进气流动（流速）对充气效率的影响。的比值，它能反应进气流动（流速）对充气效率的影响。 2mmvmc0vCDMa()cdc() CmCm活塞平均速度活塞平均速度D D、d dv v活塞与进气阀盘的直径活塞与进气阀盘的直径mm进气门开启期间的平均流量系数进气门开启期间的平均流量系数cc气门处声速气门处声速 当进气马赫数当进气马赫数MaMa超过一定值时（超过一定值时（0.50.5），充气效率急剧下降。）
19、，充气效率急剧下降。 设计进气系统时，需要通过活塞平均速度、气缸直径及气门设计进气系统时，需要通过活塞平均速度、气缸直径及气门直径优化匹配来控制马赫数直径优化匹配来控制马赫数MaMa。 控制进气马赫数的措施：控制进气马赫数的措施：增大气门的相对通过面积、改善气门处的气体流动，提高流量系数、合理的配气相位，是限制Ma值，提高充气效率的有效方法。限制限制M Ma a值对于高速发动机尤为重要。值对于高速发动机尤为重要。2mmvmc0vCDMa()cdc() 3 3、多气门结构、多气门结构 在相同条件下，增加进气门的流通面积是降低进气阻力，减小马赫数，提高充气效率的重要手段。 增大进气门直径，可以扩大
20、气流通路截面积扩大气流通路截面积，提高充气效率。进气门直径可达活塞的45-50%（双气门结构），气门与活塞面积之比0.2-0.25。但由于受到结构限制，进一步增大比例非常困难。为进一步增大进气门截面积，采用了多气门多气门结构结构。4 4、改善配气机构改善配气机构多气门方案一般采用顶置凸轮轴驱动方式。单顶置凸轮轴（SOHC：Single Overhead Camshaft）双顶置凸轮轴（DOHC：Double Overhead Camshaft）（二）、 进气道形状及进气管长度2、进气管l转弯半径R，表面光洁度，截面突变，流通横截面积充气效率l进气管长度，流动阻力 ，但由于发动机进气过程为动态，
21、不同转速下为充分利用进气管道内的气流波动效应气流波动效应，要求进气管长度设计合理长度设计合理，高速时高速时尽可能缩短长度缩短长度以减小高速损失；低速时低速时适当延长进气管长度延长进气管长度，有利于利用进气波动效应。1、进气道l转弯半径R，表面光洁度，各管口与垫片孔口对中 流动阻力 充气效率 l柴油机设计时还要考虑组织进气涡流，但大的涡流比会影响充气效率。 l电控高压喷射技术的发展，可改善进气道形状，适当减小进气涡流比，提高充气效率。总要求总要求：保证足够的流通截面足够的流通截面，避免急转弯急转弯及截面突变截面突变，改善管道表面的光洁度光洁度（三）、 空气滤清器l 在保证滤清效果的前提下，尽在保
22、证滤清效果的前提下，尽可能的减少它对空气的阻力。可能的减少它对空气的阻力。l 在使用中应经常进行清洗，及在使用中应经常进行清洗，及时更换滤芯也可以减小进气流时更换滤芯也可以减小进气流动阻力。动阻力。l 流动阻力流动阻力 充气效率 二、合理选择配气正时二、合理选择配气正时l进气门迟闭角对充气效率的影响最大。l在一定的配气定时下，充气效率是在某一转速下达到最大值。ln 气流惯性缸内气体易倒流进气管充气效率；ln气流惯性没充分的利用充气效率不同的进气迟闭角，不同的进气迟闭角，充气效率的最大处所对应的转速不同。的最大处所对应的转速不同。加大进气门迟闭角,高转速时充气效率增加，可以提高最大功率。减少进气
23、迟闭角，能防止低速倒喷，有利于提高扭矩,但降低了最大功率。对于配气定时不能改变的发动机，应根据常用工况确定进气迟闭角。 理想的气门定时和升程应当是根据发动机的工作情况及时作出调整，应具有一定程度的灵活性。 传统的凸轮挺杆气门机构，无法作出相应的调整，难于达到上述要求，因而限制了发动机性能的进一步提高。 为了接近理想的气门定时，采用可变配气系统采用可变配气系统采用可变配气系统 可变技术可变技术(VVT,Variable Valve Timing)(VVT,Variable Valve Timing)是发动机可变气门正时技术的简称。 发动机可变气门正时技术是近些年来被逐渐应用于现代轿车上的新技术中
24、的一种，发动机采用可变气门正时技术可以提高进气充量，使充量系数增加，发动机的扭矩和功率可以得到进一步的提高。 相位连续可变，但升程不可变Toyota VVT-i可变相位奥迪可变相位技术宝马电子气门：连续可变气门升程三、进气管长度及气流的动态效应三、进气管长度及气流的动态效应 利用动态效应增加进气量 由于进、排气是间歇进行的，这使得进、排气管存在压力波，在特定的进气管条件下，可以利用此压力波来提高进气门关闭前的进气压力，增大充气效率。 压力波增压系统具有结构简单、惯性小、响应快等优点，适于频繁变工况的车用。 分为惯性效应与波动效应两类 。（一）可变进气管长度1 1、进气管的惯性效应、进气管的惯性
25、效应 在进气行程前半期，在进气行程前半期，由于活塞下行的吸入作用，气缸内产生负压，由于活塞下行的吸入作用，气缸内产生负压，新新鲜工质从进气管流入，同时传出负压波，经气门、气道沿进气管向外鲜工质从进气管流入，同时传出负压波，经气门、气道沿进气管向外传播，传播速度为声速。传播，传播速度为声速。 当负压波传到进气管口等空腔的开口端时，又从开口端向气缸方向反当负压波传到进气管口等空腔的开口端时，又从开口端向气缸方向反射回正压波，如果进气管的长度适当，从负压波发出到正压波返回进射回正压波，如果进气管的长度适当，从负压波发出到正压波返回进气门所经历的时间正好与进气门从开启到关闭所需时间配合，即气门所经历的
26、时间正好与进气门从开启到关闭所需时间配合，即正压正压波返回进气门时，正值进气门关闭前夕，从而提高了进气门处的进气波返回进气门时，正值进气门关闭前夕，从而提高了进气门处的进气压力，达到增压效果。压力，达到增压效果。2 2、进气管波动效应、进气管波动效应 当进气门关闭后，进气管的气柱还在继续波动，对各气缸的当进气门关闭后，进气管的气柱还在继续波动，对各气缸的进气量有影响，这称为进气量有影响，这称为波动效应波动效应。 进气门关闭时，进气门关闭时，进气管内流动的空气因急速停止而受到压缩，进气管内流动的空气因急速停止而受到压缩，在进气门处产生正压波在进气门处产生正压波 ，该波在进气管内来回传播。如果使，
27、该波在进气管内来回传播。如果使正压波与下一循环的进气过程重合，就能使进气终了时压力正压波与下一循环的进气过程重合，就能使进气终了时压力升高，因而提高充气效率。升高，因而提高充气效率。四、排气管的波动效应四、排气管的波动效应 排气管内也存在压力波。排气管内也存在压力波。 排气压力和温度高，排气能量大，故与进气相比，排气压力波排气压力和温度高，排气能量大，故与进气相比，排气压力波的振幅大，传播速度快的振幅大，传播速度快 。 若能在排气过程后期，特别是气门叠开期，使排气管的气门端形若能在排气过程后期，特别是气门叠开期，使排气管的气门端形成稳定的负压，便可减少缸内残余废气和泵气损失，并有利于新成稳定的
28、负压，便可减少缸内残余废气和泵气损失，并有利于新气进入气缸。气进入气缸。 需要配以长的管路，需要配以长的管路，应考虑排气管与消声器、排放装置的组合及应考虑排气管与消声器、排放装置的组合及车体的安装空间。车体的安装空间。3-43-4增压技术增压技术根据驱动压气机的方式不同，发动机的增压方式可分为：1）机械增压机械增压：通过发动机曲轴直接驱动压气机，实现对进气的压缩。2）废气涡轮增压废气涡轮增压：利用排气能量驱动增压器。主要由涡轮机和压气机组成。3）气波增压：气波增压：利用排气压力波使空气受到压缩。3-5 EGR3-5 EGR系统系统 在换气过程中换气过程中，将已排出气缸的废气的废气的一部分再次引入进气管一部分再次引入进气管与新鲜气体一起进入气缸的过程。 EGR是用来调节混合气的组成成分，控制燃烧速度，降低最高燃烧温度，在保持动力性和经济性不变的前提下，降低氮氧排放降低氮氧排放。作业：1、试根据充气效率的分析式，说明影响充气效率的各个主要因素以及提高充气效率的具体措施。
