第二章發動機的換氣過程ProcessinEngineExchangingGas主要內容第一節四沖程發動機的換氣過程第二節四沖程發動機的充量系數第三節提高發動機充量系數的措施下止點上止點第一節四沖程發動機的換氣過程一、換氣過程：四沖程發動機的換氣過程包括從排氣門開啟到進氣門關閉的整個時期。約占410o~480o曲軸轉角。p25換氣過程可分作自由排氣、強制排氣、進氣和燃燒室掃氣四個階段。1、自由排氣階段

從排氣門開啟到氣缸壓力接近于排氣管內壓力的時期，稱為自由排氣階段。

排氣提前角：從排氣門開啟到活塞行至下止點所對應的曲軸轉角稱為，一般為30o~80o曲軸轉角。2、強制排氣階段

自由排氣階段結束后，氣缸內的廢氣將被上行活塞強制推出，這一過程就是強制排氣階段。

排氣遲閉角：從上止點到排氣門完全關閉終了所對應的曲軸轉角，一般為10o~35o曲軸轉角。3、進氣過程從進氣門開啟到關閉的全過程準備進氣：進氣提前角一般為0o~40o(CA)。正常進氣：新鮮氣體充入氣缸。慣性進氣：進氣遲閉角一般為40o~70o(CA)。4、氣門重疊和燃燒室掃氣過程

在排氣行程上止點附近出現進、排氣門同時開啟的特殊現象，稱為氣門重疊，相應的角度是氣門重疊角，它是排氣遲閉角與進氣提前角之和。氣門重疊角的選擇以新鮮充量不流入排氣管為原則。增壓柴油機的氣門重疊角一般為80o~160o(CA)；非增壓柴油機的氣門疊開角在20o~60o(CA)范圍內。二、排氣損失定義:從排氣門提前開啟，直到進氣行程開始、缸內壓力到達大氣壓力之前,所損失的循環功。構成:a.自由排氣損失W：由于排氣門提前打開而引起的膨脹功的減少。

b.強制排氣損失Y：活塞上行強制推出廢氣所消耗的功。排氣損失

圖2.4排氣門提前角和排氣損失

a—最合適b—過早c—過晚d—排氣門面積過小排氣提前角

W，Y

。綜合效果,要求（Y+W）,故（W+Y）有一個最佳值（W+Y）min

。三、進氣損失X進氣損失主要是指進氣過程中，因進氣系統的阻力面引起的功的損失，與排氣損失相比進氣損失較小。合理調整配氣定時，加大進氣門的流通截面、正確設計進氣管及進氣道的流動路徑以及降低活塞平均速度等，都會使進氣損失減少。排氣損失與進氣損失之和稱為換氣損失

(W十Y十X)。泵氣損失（X+Y-u）：在實際循環示功圖中把面積(x+y-u)相當的負功稱為泵氣損失。這部分損失放在機械損失中加以考慮。第二節四沖程發動機的充量系數換氣的目的是盡量排凈廢氣，最大限度充入新氣，以完善燃燒，提高效率。評價發動機的換氣質量，可用充量系數(充量效率、容積效率)、殘余廢氣系數來衡量。一、充量系數φc定義：內燃機每缸每循環實際進入氣缸的新鮮空氣質量與進氣狀態下理論計算充滿氣缸工作容積的空氣質量比值。進氣狀態：指空氣濾清器后進氣管內的氣體狀態，即進入氣缸前氣體的熱力學狀態，如溫度與壓力等。非增壓：通常取為當地的大氣狀態。

增壓：增壓器出口狀態。式中：ma實際進入氣缸的新鮮空氣質量V1實際進入氣缸的新鮮空氣在進氣狀態下的體積ms進氣狀態下理論計算充滿氣缸工作容積的空氣質量Vs氣缸工作容積＜1充量系數一般非增壓發動機在全負荷時的φc汽油機頂置氣門：0.75~0.85側置氣門：0.70~0.80柴油機0.75~0.90充量系數表達式的推導進氣門關閉時氣缸容積為

排氣門關閉時缸內工質的質量

此時缸內工質的質量

假定氣缸排氣門關閉時關閉點體積為

每循環充入氣缸的新鮮混合氣質量

由空燃比的關系得

進入氣缸的混合氣質量

令則

混合氣的空氣量比例系數

考慮到進、排氣門遲閉，令

則假定殘余廢氣與新鮮充量的氣體常數近似相等，應用氣體狀態方程式，代入上式，得殘余廢氣數系數；

二、影響充氣效率的因素:1．進氣終了時缸內壓力Pa

Pa對φc有重要影響，Pa愈高，φc值愈大

Pa=Ps－△Pa式中，△pa為氣體流動時，克服進氣系統阻力而引起的壓降(kPa)。一般可寫成

式中——管道阻力系數；

——進氣狀態下氣體的密度；

V——管道內氣體的流速（m/s）。

可見，△pa主要取決于各段管道的阻力系數和氣體流速。若大、V高時，△pa增加，使pa下降。管道阻力系數、轉速和負荷對進氣壓力的影響1）管道阻力系數管道阻力大，管道阻力系數大，△pa大，Pa’降低。2）管道內氣體的流速負荷減小，發動機轉速高，氣體流速增加，△pa大，引起Pa’下降。

2．進氣終了的溫度Ta

Ta高于進氣狀態溫度，Ta越高，充入氣缸的工質密度越小，φc值愈低。引起Ta升高的原因是:1）新鮮工質進入發動機與高溫零件接觸而被加熱。

2）新鮮工質與高溫殘余廢氣混合而被加熱。轉速和負荷對Ta的影響

1）轉速：當負荷不變而轉速增加時，由于新鮮工質與缸壁等接觸時間短，傳熱量少，所以Ta稍有下降。

2）負荷：當轉速不變而增加發動機負荷時，缸壁等零件溫度升高，Ta有所上升。措施：將高溫排氣管與進氣管分置于氣缸兩側，控制進氣預熱，適當加大氣門疊開角等，降低Ta’。3.殘余廢氣系數

1）增加，φc降低，燃燒惡化，油耗、排放增加，

2）壓縮比提高，殘余廢氣系數減小。

3）排氣壓力高，廢氣多，充氣效率降低。

4）排氣系統阻力大，排氣壓力高，廢氣多。4．進排氣相位角由于進氣門遲閉而＜1,新鮮充量的容積減小,但Pa’值卻可能因有氣流慣性而使進氣有所增加,合適的配氣定時應考慮ξPa’具有最大值。5．壓縮比壓縮比增加,壓縮容積減小,殘余廢氣量隨之減小,因而φc有所增加。6.進氣狀態

進氣溫度升高，進氣壓力下降均會使進入氣缸充量的密度減小，絕對進氣量減少，對充量系數影響不大。

提高充量系數措施降低進氣系統的阻力降低排氣系統流通阻力減少對進氣充量的加熱結構一定,即εc一定合理選擇進、排氣相位角諧振進氣與可變進氣支管第三節提高發動機充量系數的措施一、降低進氣系統的流動阻力

1．降低進氣門處的流動損失進氣馬赫數：進氣門處氣流平均速度與該處聲速之比進氣馬赫數反映氣體流動對充量系數的影響。當M超過一定數值時，大約在0.5左右，充量系數急劇下降。1.降低進氣系統的阻力

1)減少進氣門處的流動損失

進氣馬赫數是進氣門處氣流平均速度與該處聲速之比進氣門處氣流平均速度定義為實際進入氣缸的新鮮空氣與進氣門有效時間截面值F(t)之比有效時間截面值F(t)

式中:F—活塞面積；Cm—活塞平均速度；

D、d—活塞直徑和氣門頭部直徑。進氣馬赫數M與氣門大小、形狀、升程規律、氣門開關時間等有關。增大氣門直徑可擴大氣流通過斷面積，提高充量系數。根據一系列試驗可知，在正常的配氣定時條件下，當M超過一定數值時，大約在0.5左右，充量系數急劇下降，如圖3-10所示。因此在可能條件下應控制在最高轉速時不超過一定數值。以達到提高充量系數的目的。增大氣門相對通過面積，提高氣門處流量系數以及合理的配氣相位是限制M值，是提高充量系數的主要方法。增加氣門的數目改進配氣凸輪型線增加氣門升程改善氣門處的流體動力性能，可以降低流動阻力減小氣門

流動損失的具體措施加大進氣門直徑增加進氣門數目改進配氣凸輪型線改善氣門處流體動力性能減少進氣道的阻力：

氣道通路斷面應有足夠的面積，各斷面要避免突變。進氣道內部過渡圓角半徑應大一些，避免急劇轉彎等。

減少進氣管的阻力：

進氣管必須保證足夠的流通截面積，管道表面光潔，避免急轉彎及流通截面突變，以減少阻力。為保證各氣缸進氣均勻，各缸進氣管獨立，長度盡可能一致。進氣管的整體走勢和內壁斷面形狀要滿足使新鮮充量在氣缸中形成渦流的要求。減少空氣濾清器的阻力：

加大通過斷面，改進濾清性能，創制低阻高效濾清器等。在使用中要經常清洗濾清器，特別要避免紙芯的油污堵塞，及時更換濾芯等。２．減少進氣道、進氣管和空氣濾清器的阻力二、減少對進氣沖量的加熱新鮮充量在吸入過程中，受到進氣管、進氣道、氣門、氣缸壁和活塞等一系列受熱零件的加熱，引起溫升。進排氣管兩側分開布置，可以避免或減少高溫排氣管對進氣的加熱，有利提高充量系數。

三、降低排氣系統的流動阻力降低排氣系統流通阻力，使氣缸內廢氣壓力下降，減少泵氣功。

將排氣道的一部分做成擴壓形，降低了氣缸內與排氣管內的壓力差，降低了氣缸內廢氣壓力，降低泵氣功。

選擇良好的排氣支管的流型，避免排氣道內截面突變、急轉彎和凸臺，有助于降低整個流通阻力。

在滿足必要的消聲效果要求下，降低消聲器的流通阻力。

四、合理選擇進排氣相位角

轉速一定，存在相應的最佳進氣門遲閉角度。

利用氣門可變正時技術，在全部轉速范圍內提高充量系數。

具體措施：

１、無凸輪的電磁氣門驅動機構

２、液壓氣門驅動機構。

３、可變凸輪機構(VCS，VariableCamshaft

System)

４、可變氣門定時(VVT，VariableValve

Timing)。五、諧振進氣與可變進氣歧管

諧振進氣和可變進氣歧管，都是利用進氣管的動態效應來提高充量系數。具體措施：

１、適當調整進氣管長度、直徑等進氣系統

參數。

２、可變長度進氣歧管。

３、雙通道可變進氣歧管。

利用進氣管的動態效應來提高充量系數

發動機在換氣過程中，由于間斷進氣而引起進氣管內發生壓力波動，這種現象稱為進氣管的動態效應。分析其原因，可歸納為慣性效應和波動效應兩類。影響進氣管動態效應的結構因素是進氣管長度、直徑和形狀。

利用進氣管的動態效應，可以有效地提高高轉速時充量系數和改善扭矩特性。利用進氣管的動態效應來提高充量系數

壓力波動的固有頻率

進氣頻率用q來表示波動次數，則有

當q=1，2，…時，進氣頻率與壓力波動頻率合拍，下一次氣門開啟期間與負的壓力波重合，使充氣量減少。

當q=，…時，下一次氣門開啟期間正好與正的壓力波相重合，使充量系數增加可變長度進氣管雙通道可變長度進氣管1—空氣濾清器2