1、第五講 2013年9月25日提高充量系數的措施時面值二沖程內燃機的換氣提高充量系數的措施（一）降低進氣系統的阻力損失，提高氣缸進氣終點的壓力；（二）降低排氣系統的阻力損失，減小缸內殘留廢氣系數；（三）減小高溫零件在進氣過程中對空氣的加熱，降低進氣終點溫度。 研究表明，在上述影響因素中，以第一個因素最為重要。換言之，降低進氣過程的流動阻力損失，提高進氣終了壓力是提高充量系數最有效的措施。 進氣系統的流動阻力，按其性質可分為兩進氣系統的流動阻力，按其性質可分為兩類，一類是類，一類是沿程阻力，另一類是另一類是局部阻力。沿程阻力：沿程阻力： 實際上是管道摩擦阻力，與管長和管內流實際上是管道摩擦阻力，與

2、管長和管內流動面上的表面質量有關動面上的表面質量有關；局部阻力：局部阻力： 它是由于流通截面大小、形狀以及流動方它是由于流通截面大小、形狀以及流動方向變化，在局部產生禍流損失所引起的；向變化，在局部產生禍流損失所引起的；進氣系統的流動阻力進氣系統的流動阻力進氣系統的流動阻力 在內燃機進氣流動中，由于管道較短，在內燃機進氣流動中，由于管道較短，壁面比較光滑，其壁面比較光滑，其沿程阻力并不大；而局部阻沿程阻力并不大；而局部阻力是流道中的主要損失力是流道中的主要損失、它由它由系列的局部阻系列的局部阻力疊加而成，尤其力疊加而成，尤其在進氣門座處、空氣濾清器在進氣門座處、空氣濾清器和流道轉彎處，流動損失

3、更為明顯和流道轉彎處，流動損失更為明顯 。因此，降。因此，降低這些地方的局部阻力損失，對降低進氣系統低這些地方的局部阻力損失，對降低進氣系統的流動阻力，提高充量系數有顯著的意義。的流動阻力，提高充量系數有顯著的意義。降低進氣系統阻力降低進氣系統阻力的措施的措施1.降低進氣門處的流動損失2.采用可變進氣系統技術1降低進氣門處的流動損失 進氣門座處的流通截面，是進氣流道中截面最小、流速最高的地方，因而該處的局部阻力最大，而且與該處的流動速度的平方成正比。因此,降低進氣門處的流動損失，可以從降低氣門座處的流速和改善氣門座處的流動情況以提高流量系數入手解決。 過高的氣體流速，還會發生氣體阻塞現過高的氣

4、體流速，還會發生氣體阻塞現象?？疾鞖忾T座處的流動情況，并定義平均進象?？疾鞖忾T座處的流動情況，并定義平均進氣馬赫數氣馬赫數Ma，進氣平均馬赫數，進氣平均馬赫數Ma綜合了進氣綜合了進氣門大小、形狀、升程規律以及活塞速度等因素，門大小、形狀、升程規律以及活塞速度等因素，并且其大小與發動機的轉速成正比。研究發現，并且其大小與發動機的轉速成正比。研究發現，對于小型對于小型 四沖程發動機，當進氣平均馬赫數四沖程發動機，當進氣平均馬赫數Ma超過超過0.5后，充量系數急劇下降：這后，充量系數急劇下降：這結論，結論，對于設計和評價氣門機構是很有用的。對于設計和評價氣門機構是很有用的。 平均進氣馬赫數與充氣效率

5、 平均進氣馬赫數定義為進氣門開啟截面處的平均流速V與該處的音速Cs之比。 Ma= ssmmssCVdDCV2 (1)加大進氣門直徑： 一般應盡可能布置較大尺寸的進氣門，以降一般應盡可能布置較大尺寸的進氣門，以降低流經進氣門截面時的氣體流速從而降低局部低流經進氣門截面時的氣體流速從而降低局部流動阻力。在現代高速內燃機流動阻力。在現代高速內燃機2氣門結構中，進氣氣門結構中，進氣門直徑門直徑d與缸徑與缸徑D的比值可達的比值可達45%一一50%，面積比，面積比為為0.20.25，這樣排氣門不得不縮小，但過小的，這樣排氣門不得不縮小，但過小的排氣門又會導致排氣阻力的增大。因此，通過加排氣門又會導致排氣阻

6、力的增大。因此，通過加大進氣門直徑的方式來提高充量系數，是受到限大進氣門直徑的方式來提高充量系數，是受到限制的。制的。降低進氣門處流動損失的具體措施(2)增加進氣門數目： 增加進氣門數量，可以取得與加大進氣門直徑同樣的效果即增大了進氣門的有效流通截面積。高速柴油機以往僅在缸徑大于120mm時才考慮采用兩進氣門，二排氣門（即4氣門）?，F在對于D80一90mm的柴油機，也認為采用4氣門利大于弊。除了換氣損失小、充量系數高以外，噴油器的垂直中置對混合氣形成極為有利，另外，4氣門柴油機對具有進氣中冷的高增壓系統也非常合適；對于汽油機來說，其效果也是相當好的。(3)合理設計進氣道及氣門的結構： 改善進氣

7、門座、進氣道以及氣門頭部的結構，也有助于降低局部阻力，提高氣門流通截面的流量系數，一般在高速內燃機中，均利用氣道使進氣在其中發生彎曲和旋轉，以便在氣缸中形成定向的空氣運動，以利于燃燒的進行，但這勢必影響氣門的流量系數，增大流動損失。因此，在設計及制造中，應盡可能保證氣道內壁面的過渡圓滑、平穩，避免氣流急轉彎現象。 2采用可變進氣系統技術 從獲得最大充量系數的角度出發，比較理想的配氣系統應當滿足以下要求： 1)低速時，采用較小的氣門疊開角以及較小的氣門升程，防止出現缸內新鮮充量向進氣系統的倒流，以便增加轉矩，提高燃油經濟性。 2)高速時應具有最大的氣門升程和進氣門遲閉角，以最大限度地減小流動阻力

8、，充分利用過后充氣，提高充量系數，以滿足動力性要求。 3)配合以上變化，對進氣門從開啟到關閉的持續期(又稱作用角)也應進行調整，以實現最佳的進氣定時。 總之，理想的氣門定時應當是根據發動機的工作情況及時作出調整，應具有一定程度的靈活性。顯然，對于傳統的凸輪挺桿氣門機構，由于在工作中無法作出相應的調整，也就難于達到上述要求，因而限制了發動機性能的進一步提高。(1)可變凸輪機構 可變凸輪機構技術一般都是通過兩套凸輪或搖臂來實現的。即在高速時采用高速凸輪，其升程與作用角都較大；而在低速時切換到低速凸輪，升程與作用角均較小。采用可變進氣系統技術具體措施采用可變進氣系統技術具體措施(2)可變氣門定時 相

9、對于可變凸輪機相對于可變凸輪機構，可變氣門定時技術的構，可變氣門定時技術的應用較多應用較多些。些。 由于進、由于進、排氣門是分別通過兩根凸排氣門是分別通過兩根凸輪軸單獨驅動的，可以通輪軸單獨驅動的，可以通過過套特殊的機構將進氣套特殊的機構將進氣凸輪軸按要求轉過一定的凸輪軸按要求轉過一定的角度，從而達到改變進氣角度，從而達到改變進氣相位的目的。根據實現機相位的目的。根據實現機構的不同，這種改變可以構的不同，這種改變可以分成分級可變與連續可變分成分級可變與連續可變兩類，很多高性能的汽油兩類，很多高性能的汽油發動機均采用了這發動機均采用了這技術。技術。 降低排氣系統阻力，可以使氣缸內的殘余廢氣壓力下

10、降低排氣系統阻力，可以使氣缸內的殘余廢氣壓力下降，這樣不僅可以減少殘余廢氣系數，有利于提高充量系數，降，這樣不僅可以減少殘余廢氣系數，有利于提高充量系數，而且可以減少泵氣損失，提高指示效率。而且可以減少泵氣損失，提高指示效率。 排氣系統的設計目標是：降低排氣背壓，減小排氣噪聲。排氣系統的設計目標是：降低排氣背壓，減小排氣噪聲。 與進氣系統一樣，排氣流通截面最小處是排氣門座處，與進氣系統一樣，排氣流通截面最小處是排氣門座處，此處的流速最高、壓降最大故在設計時應保證氣門及其座此處的流速最高、壓降最大故在設計時應保證氣門及其座面的良好結構。排氣道應當是漸擴型，以保證排出氣體的充面的良好結構。排氣道應

11、當是漸擴型，以保證排出氣體的充分膨脹，從而降低氣缸與排氣管內的壓力差，使得氣缸內的分膨脹，從而降低氣缸與排氣管內的壓力差，使得氣缸內的廢氣壓力得以迅速下降，達到提高充量系數和降低泵氣損失廢氣壓力得以迅速下降，達到提高充量系數和降低泵氣損失的目的的目的。(二二)降低排氣系統的流動阻力降低排氣系統的流動阻力 在進氣的過程中，進入氣缸的新鮮充量將會被各種高溫表面所加熱而溫度升高、從而導致進氣密度下降，充量系數減小，還可能促使發動機整體熱負荷提高和不正常燃燒的發生。進氣溫升受到各種結構與運行參數的影響，如進氣管結構、發動機轉速、負荷、冷卻水溫度等。 對于化油器式汽油機來說，由于需要進氣加熱來保證部分液

12、態燃料在進氣管中的蒸發，所以進氣管與排氣管布置在同一側。對于進氣道噴射的汽油機以及柴油機，均采用進、排氣管兩側布置的方案，以提高充量系數。對于高速內燃機，有時也采用進氣冷卻技術，以降低進氣溫度。增壓內燃機則將進氣中冷技術作為進一步提高增壓壓力、降低熱負荷的重要途徑之一。(三三)減少對進氣充量的加熱減少對進氣充量的加熱Low Bore/StrokeHigh Bore/StrokeTwo Bore-to-Stroke Ratios Same Swept VolumeMean Piston SpeedThe relative speed of an engine can be expressed u

13、sing the concept of mean piston speed.This parameter is calculated as:SpeedEngine*Stroke*2SpeedPistonMeanIt is important to consider the mean piston speed during the engine design process becausemechanical friction, stress and wear scale with mean piston speed (rather than engine speed).Expressed in

14、 English units 6N*Sin12ft*minrevN*inS*2minftMPSPiston travels2 stroke lengthsfor each crankrevolutionExpressed in SI units000,30)(*)(1000*sec*2secrpmNmmSmmmrevNmmS*mMPS051015202530354045500.00.20.40.60.81.01.21.41.61.82.02.22.4Influence of B/S on Mean Piston SpeedMean Piston Speed 100 ft/minBore/Str

15、okeRPM = 1800Increasing frictionand wear(10 m/s)02468100.00.20.40.60.81.01.21.41.61.82.02.22.4Pressure Drop Across Intake Valve psiBore/StrokeInfluence of B/S on Intake Valve PRPM = 1800Air Flow = 63 lbm/minIncreasing gasvelocities(70 kPa)02040608010012014004590135180Combustion Chamber Volume in3Cra

16、nk Angle C.A.Bore = 5, Stroke = 6.00Bore = 6, Stroke = 4.17Effect of B/S on Instantaneous Chamber Volume020406080100120140160Bore = 5, Stroke = 6.00Bore = 6, Stroke = 4.1704590135180Combustion Chamber Surface Area in2Crank Angle C.A.Effect of B/S on Instantaneous Chamber Surface AreaRPM = 1800Increa

17、sing frictionand wear0246810120.00.20.40.60.81.01.21.41.61.82.02.22.4Area/Volume axis relative for p drop & frictionBore/StrokeIncreasingHeat TransferCR = 16.0Influence of B/S on Area/VolumeAir Flow = 63 lbm/minIncreasing gasvelocitiesnn660360ndtd6由：可得fd稱為氣門開啟時的時面值稱為氣門開啟時的角面值角面值由配氣機構的設計決定的，對于給定的

18、設計，其值一定。由此可見，隨著轉速提高，氣門時面值成反比下降，空氣進氣量隨轉速增加而減小。 二沖程內燃機的換氣 二沖程內燃機與四沖程內燃機同樣具有進氣、壓縮、燃燒、膨脹和排氣過程，不同的是這些過程只用兩個活塞行程來完成，其中差別最大的是換氣過程。二沖程內燃機換氣的工作順序： 在膨脹行程的末期，活塞下行，首先打開排氣在膨脹行程的末期，活塞下行，首先打開排氣口，開始排氣，而后掃氣口開啟，具有一定壓力的口，開始排氣，而后掃氣口開啟，具有一定壓力的新鮮充量由掃氣口流入氣缸，并強迫廢氣由排氣口新鮮充量由掃氣口流入氣缸，并強迫廢氣由排氣口流出，進行充量更換，然后活塞到達下止點后又流出，進行充量更換，然后活

19、塞到達下止點后又上行，依次將掃氣口和排氣門關閉，換氣過程結束。上行，依次將掃氣口和排氣門關閉，換氣過程結束。新鮮充量由掃氣泵提供，掃氣泵的作用是對新鮮充新鮮充量由掃氣泵提供，掃氣泵的作用是對新鮮充量進行壓縮，使其壓力提高后再進入氣缸。通常量進行壓縮，使其壓力提高后再進入氣缸。通常把二沖程內燃機的換氣過程分為三個階段，即自由把二沖程內燃機的換氣過程分為三個階段，即自由排氣階段、掃氣與強制排氣階段以及過后排氣或過排氣階段、掃氣與強制排氣階段以及過后排氣或過后充氣階段。后充氣階段。 從排氣口開啟直到新鮮充量進入氣缸為止，從排氣口開啟直到新鮮充量進入氣缸為止，稱為自由排氣階段。排氣口一般在下止點前稱為

20、自由排氣階段。排氣口一般在下止點前60-75(CA)開啟，排氣口剛開啟時，氣缸內壓力較高，開啟，排氣口剛開啟時，氣缸內壓力較高，約為約為300-600kPa，壓力比超過臨界值，氣缸內的燃，壓力比超過臨界值，氣缸內的燃氣以聲速流出。在該階段，排氣流量與排氣管內的氣以聲速流出。在該階段，排氣流量與排氣管內的氣體狀態無關，只取決于缸內氣體的狀態和排氣口氣體狀態無關，只取決于缸內氣體的狀態和排氣口流通截面的大小。流通截面的大小。 在自由排氣階段，缸內燃氣可以流出大約在自由排氣階段，缸內燃氣可以流出大約70%-80%，所以它是二沖程內燃機換氣過程的重要階段。，所以它是二沖程內燃機換氣過程的重要階段。1自

21、由排氣階段 當氣缸壓力下降到稍微低于掃氣壓力時，掃氣當氣缸壓力下降到稍微低于掃氣壓力時，掃氣口開啟，新鮮充量進入氣缸，直到活塞下行到下止口開啟，新鮮充量進入氣缸，直到活塞下行到下止點后再上行將掃氣口關閉為止，即是所謂的掃氣與點后再上行將掃氣口關閉為止，即是所謂的掃氣與強制排氣階段。在這一階段，除利用掃氣氣體強制強制排氣階段。在這一階段，除利用掃氣氣體強制將廢氣排出氣缸外，還要充入新鮮充量。本階段的將廢氣排出氣缸外，還要充入新鮮充量。本階段的前期缸內壓力一般前期缸內壓力一般波動較大波動較大，這是由于廢氣向排氣，這是由于廢氣向排氣支管高速流動所產生的流動慣性，形成較強的抽吸支管高速流動所產生的流動

22、慣性，形成較強的抽吸作用；與此同時，掃氣口的開度不大，新鮮充量不作用；與此同時，掃氣口的開度不大，新鮮充量不可能通暢地進入氣缸；另外，活塞此時還在下行，可能通暢地進入氣缸；另外，活塞此時還在下行，缸內氣體還繼續膨脹，更加重了這種現象。缸內氣體還繼續膨脹，更加重了這種現象。2.掃氣與強制排氣階段 隨著活塞的下行及廢氣的迅速隨著活塞的下行及廢氣的迅速外流，缸內氣體壓力驟降，有可能外流，缸內氣體壓力驟降，有可能形成相當高的真空度，此時由于掃形成相當高的真空度，此時由于掃氣口開度也已經加大，可以使新鮮氣口開度也已經加大，可以使新鮮充量急速流入氣缸中，氣流抽吸作充量急速流入氣缸中，氣流抽吸作用的迅速削弱

23、，缸內壓力很快回升。用的迅速削弱，缸內壓力很快回升。 隨后，掃氣口與排氣口開度均較大，隨后，掃氣口與排氣口開度均較大，掃氣氣流經過掃氣口進入氣缸，將掃氣氣流經過掃氣口進入氣缸，將缸內廢氣從排氣口壓向排氣管，實缸內廢氣從排氣口壓向排氣管，實現氣缸掃氣?，F氣缸掃氣。 從掃氣口關閉到排氣口關閉期間稱為過后排氣階段，從排氣口關閉到掃氣口關閉期間稱為過后充氣階段。 一般二沖程內燃機掃氣口的關閉時刻早于排氣口 ，由于活塞上行的排擠和排氣氣流的慣性作用，一部分廢氣或新鮮充量與廢氣的混合氣可以繼續被排出，直到排氣口關閉為止。 3. 過后排氣或過后充氣階段過后排氣或過后充氣階段 本階段持續時間較短，由于活本階段

24、持續時間較短，由于活塞已經開始上行，缸內氣體受到壓塞已經開始上行，缸內氣體受到壓縮而壓力提高，這對過后排氣是有縮而壓力提高，這對過后排氣是有利的而不利于過后充氣。要達到過利的而不利于過后充氣。要達到過后充氣的目的，就必須提高掃氣泵后充氣的目的，就必須提高掃氣泵的掃氣壓力，相應地增加掃氣泵的的掃氣壓力，相應地增加掃氣泵的機械功。機械功。 一、二沖程內燃機的換氣時間比四沖程內燃機短得多。 由于換氣角度小，時間短，清除廢氣、充填新氣的困難遠比四沖程內燃機大。 二、二沖程柴油機活塞不具備吸、排氣作用。 四沖程內燃機的進、排氣除依靠氣體的自由流動外還依靠活塞的吸氣、排氣作用來完成。二沖程內燃機的活塞不具

25、備這種作用，換氣只能完全依靠自由排氣和用新鮮充量實施掃氣來完成，不如四沖程內燃機那樣可靠。為此，二沖程內燃機無論增壓或無增壓都必須設置專門的壓氣機、掃氣泵或能起相應作用的裝置，以提供換氣所必需的新鮮充量，使換氣過程得以正常進行。四沖程與二沖程柴油機換氣過程的差異四沖程與二沖程柴油機換氣過程的差異三、二沖程內燃機空氣消耗量較多 二沖程內燃機在換氣過程中，進排氣過程同時進行，新鮮充量與廢氣不可避免地會產生一定程度的摻混。為使廢氣排除干凈，必須將摻混的氣體也排出一些以保證足夠的新鮮充量的充填量和降低殘余廢氣量。這樣必然使新鮮充量的耗量要比四沖程內燃機多。1橫流掃氣： 這是二沖程內燃機較早出現的一種掃

26、氣型式，它的特點是進氣孔和排氣孔設置在氣缸套下部相對的兩側，氣孔中心線互相平行或通過氣缸中心，氣孔的開啟與關閉都由活塞的筒面控制。這種掃氣方式的突出特點是結構簡單，制造方便，工作可靠。但缺點也較多，主要是：換氣效果差；氣缸套、活塞受熱和磨損不均勻。二沖程內燃機換氣系統的基本型式2回流掃氣： 回流掃氣的主要特點是進、排氣孔不是互相正對著，而是在氣缸的同一側，新氣的主流進入氣缸后沿缸壁、缸蓋回轉，拐一個彎后再將廢氣排走這樣可以部分地克服新氣直接從排氣孔跑掉的缺點，掃氣效果優于橫流掃氣。為了克服橫、回流掃氣的氣孔正時對稱于下止點所帶來的額外排氣的缺點，現代多數橫回流掃氣二沖程內燃機都在排氣孔或進氣孔

27、上裝有控制閥，使排氣孔先開又先關。但是，裝了控制閥將使結構復雜，相應的故障增多。 由于橫流和回流兩種掃氣型式中新氣的流動路線都彎曲轉折，所以又統稱為“彎流掃氣”。 （1）氣閥直流掃氣）氣閥直流掃氣 其結構特點是進氣孔在氣缸下部開關由活塞其結構特點是進氣孔在氣缸下部開關由活塞控制，氣缸蓋上的排氣閥由凸輪軸控制，其傳動方控制，氣缸蓋上的排氣閥由凸輪軸控制，其傳動方式與四沖程內燃機的氣閥傳動方式相同。這種掃氣式與四沖程內燃機的氣閥傳動方式相同。這種掃氣型式的優點是：型式的優點是： 氣缸下部的整個圓周上，只安置進氣孔，總寬氣缸下部的整個圓周上，只安置進氣孔，總寬度可以占氣缸周長的度可以占氣缸周長的75%，大大超過彎流掃氣，若，大大超過彎流掃氣，若再與適當的氣口高度相配合，進氣孔的流通能力比再與適當的氣口高度相配合，進氣孔的流通能力比橫