汽車發動機原理主講教師：李云伍工程技術學院1換氣過程排氣過程進氣過程換氣過程的任務排除廢氣吸入盡可能多的新鮮工質研究的內容方向與措施了解換氣過程的進行情況

分析影響換氣量的各種因素

提高充氣量減少換氣損失找出換氣的要求：排氣徹底、進氣充分、換氣損失小第二章發動機的換氣過程減少換氣損失的前提下2第一節

四行程發動機的換氣過程換氣過程組成排氣過程進氣過程自由排氣強制排氣1.1換氣過程四行程發動機的換氣過程指上一循環排氣門開啟到下一循環進氣門完全關閉的整個時期，約占410o～480o曲軸轉角。（四行程內燃機每一循環曲軸旋轉720℃）3換氣過程4配氣相位：用曲軸轉角表示的實際進、排氣門開閉時刻和開啟持續時間，稱為配氣相位。相關知識復習5原因①氣門的開、閉有個過程：開啟總是由小→大；關閉總是由大→??；影響：進氣不足；排氣不凈②氣體慣性的影響：隨著活塞的運動，進氣由小→大；排氣由小→大；進氣門由小→大→??；排氣門由小→大→小；同樣造成進氣不足、排氣不凈

③發動機速度的要求：實際發動機曲軸轉速很高，活塞每一行程歷時都很短，當轉速為5600r/min時一個行程只有60/（5600×2）=0.0054s，即使轉速為1500r/min，一個行程也只有0.02s，這樣短的進氣或排氣過程，使發動機進氣不足，排氣不凈。6因此，為了最大限度地吸進新鮮空氣和排盡廢氣，盡可能地減少換氣損失，必須設法延長進、排氣的時間。因此，進、排氣門都相對于每個沖程開始或結束的上止點或下止點時刻提前開啟，滯后關閉，從而在進排氣時進排氣門都有較大的流通面積，減少進排氣阻力，充分進氣和排氣。7

進氣提前角：1)定義：從進氣門開始開啟到上止點所對應的曲軸轉角稱為進氣提前角(或早開角)，α一般為10°～30°。2)作用：增大了進氣行程開始時氣門的開啟高度，減小進氣阻力，增加進氣量。8進氣遲后角：

1)定義：從下止點到進氣門關閉所對應的曲軸轉角稱為進氣遲后角(或晚關角)。β一般為40°～80°。2)作用：延長了進氣時間，在大氣壓和氣體慣性力的作用下，增加進氣量。9

排氣提前角：1)定義：從排氣門開始開啟到下止點所對應的曲軸轉角稱為排氣提前角(或早開角)。γ一般為40°～80°。2)作用：借助氣缸內的高壓自行排氣，大大減小了排氣阻力，使排氣干凈。10

排氣遲后角：1)定義：從上止點到排氣門關閉所對應的曲軸轉角稱為排氣遲后角(或晚關角)。δ一般為10°～30°。2)作用：延長了排氣時間，在廢氣壓力和廢氣慣性力的作用下，使排氣干凈。氣門重疊排氣門晚關進氣門早開11氣門疊開：氣門疊開定義：由于進氣門提前打開而排氣門晚關，因此在排氣行程上止點出現進、排氣門同時開啟的特殊現象。氣門重疊會產生串氣嗎？12從排氣門開啟到排氣門完全關閉的這段時間。約占220o～290o曲軸轉角。1、排氣過程13（1）自由排氣階段

排氣門開啟到氣缸壓力接近于排氣管壓力的這一時期，稱為自由排氣階段。14自由排氣階段分為兩個階段超臨界狀態亞臨界狀態①超臨界狀態排氣門開啟時，氣缸內廢氣壓力較高（0.2～0.5Mpa），缸內壓力與排氣管壓力之比＞1.9，排氣流動處于超臨界狀態，可利用廢氣自身的壓力自行排出。15通過排氣門口廢氣的流速等于該狀態下的音速（m/s）式中

K——絕熱指數；

T——氣體的絕對溫度；

R——氣體常數〔N?m/（kg·K）〕。當T=700～1100K（420～827℃）時，c=500～700m/s。此時，廢氣流量與排氣管內的壓力無關，只取決于氣缸內的氣體狀態、時間和氣門開啟截面積。并且因排氣流速甚高，在排氣過程中伴有刺耳的噪聲，所以排氣系統必須裝有消聲器。16②亞臨界狀態缸內壓力與排氣管內壓力之比下降到1.9以下時，排氣流動轉入亞臨界狀態，廢氣流速降低，產生的噪音較小。排出的廢氣量決定于氣缸內及排氣管內的壓力差。壓力差越大排出廢氣越多。當到某一時刻氣缸內與排氣管內壓力相等，自由排氣階段結束（一般下止點后10o~30o曲軸轉角）。此階段雖然歷程很短，但因排氣流速甚高，排出廢氣量達60%以上。17高速發動機其排氣提前角要大還是小一些？

在自由排氣階段中，排出的廢氣量與發動機轉速無關。發動機轉速高時，在同樣的排氣時間（以秒計）所相當的曲軸轉角增大，因此，高速發動機排氣提前角要大。但不宜過大，否則會使排氣損失加大。18（2）強制排氣階段：活塞上行強制推出廢氣的階段。特點：缸內平均壓力高于排氣管平均壓力（克服排氣門、排氣道處的阻力，一般高出10kpa左右。氣體的流速越高，此壓差越大，消耗的功越多）。排氣門關閉時刻：排氣遲閉角，一般為10o~35o曲軸轉角（慣性排氣）。192、進氣階段：

進氣門開始開啟到進氣門完全關閉的全過程。

準備進氣：進氣提前角，一般為0o~30o曲軸轉角正常進氣：活塞下行殘余廢氣膨脹，新鮮氣體充入氣缸。慣性進氣：進氣遲閉角，一般為40o～70o曲軸轉角。特點：缸內壓力呈負壓，進氣終了時有所提高。203、掃氣過程：在氣門疊開期間，可利用新鮮空氣或混合氣來進一步掃除缸內廢氣，這稱為燃燒室掃氣。燃燒室掃氣的作用：1）利用氣流壓差和慣性清除殘余廢氣，增加新鮮充量。2）降低燃燒室內零件溫度。21二、換氣損失定義：換氣過程中理論循環換氣功與實際循環換氣功的之差。組成：排氣損失和進氣損失兩部分組成。Xy221、排氣損失排氣損失是從排氣門提前打開，直到進氣行程開始，氣缸內壓力到達大氣壓力之前，循環功的損失。1）提前排氣損失（圖中面積W）：是由于排氣門提前打開而引起的膨脹功的減少。2）強制排氣損失（圖中面積Y+d）：是活塞上行強制推出廢氣所消耗的功。Xy23⑴e′（排氣門太早開啟）膨脹功損失：面積e′

bb′太大，且不可能由排氣所消耗的絕對功的減少來補償?？梢姡喝绻艢馓崆敖恰?，則w↑，y↓

排氣提前角↓，則w↓，y↑所以：最有利的排氣提前角，必須是使（w+y）最小。⑵e″（排氣門太晚開啟）膨脹功損失：面積e″bb″較小，但在b″r″期間排出廢氣所需要的功較多。如何使排氣損失最小?e′e″242、進氣損失（面積X）

進氣損失：因進氣系統的阻力而引起的功的損失（進氣過程氣缸壓力低于進氣管壓力造成的損失）。Xy進氣損失不僅體現在進氣過程所消耗的功上，更重要的是體現在進氣過程所吸入的新鮮充量上。與排氣損失相比，所占的比例相對較小。

進氣損失的大小直接影響到充氣效率，可通過多種方法降低進氣損失。換氣損失由進氣損失和排氣損失組成，包括x、y、w之和。253、泵氣損失泵氣損失又稱為泵氣過程功，是發動機在進、排氣兩個行程中，活塞因排氣和進氣所付出或獲得的功，此功可正、可負。PkPk為壓氣機出口壓力Pr為渦輪機入口處壓力26一、充量系數ηv。

ηv是衡量發動機進氣過程完善程度的重要指標，它定義為每缸每循環實際吸入氣缸的新鮮空氣質量與進氣狀態下充滿氣缸工作容積的進氣量比值。第二節

四沖程發動機的充量系數循環燃料量27進氣終了的壓力和溫度排氣終了的壓力和溫度（殘余廢氣系數）大氣壓力和溫度壓縮比配氣相位

二、影響充量系數ηv

的因素281、進氣終了時的壓力PaPa對ηv有重要影響，Pa愈高，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Pa（kPa）n（r/min）PoPa△式中:

λ——管道阻力系數；

ρ——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、高時，△pa增加，使pa下降。29轉速對進氣壓力的影響

負荷不變，轉速變化時轉速↑，則△p↑↑，從而pa↓，ηv

↓△30負荷對進氣壓力的影響轉速不變，負荷變化時柴油機：

△p基本不變，從而pa基本不變，ηv基本不變汽油機：負荷↑，則△p↓，從而pa↑，ηv

↑△312、進氣終了的溫度Ta

Ta↑→ρ↓→ηv

↓。

Ta總是高于進氣狀態溫度。引起Ta升高的原因是:1）高溫零件加熱工質。

2）新鮮工質與高溫殘余廢氣混合而被加熱。

3）在汽油機上，常采用廢氣或冷卻水對進氣進行預熱，以改善混合氣的形成。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，均有利于降低Ta。在實際中，主要注意對冷卻系加強維護，防止過熱。32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。333、排氣終了壓力和溫度(殘余廢氣系數）1）排氣系統阻力大，排氣壓力高，廢氣多。（阻力取決于排氣通道阻力系數和發動機轉速）2）Pr↑→殘余廢氣↑→ηv

↓（燃燒惡化，油耗、排放↑）3）壓縮比↑→殘余廢氣↓→ηv

↑。4）Tr↑→ηv變化不大（排氣溫度上升→進氣溫度上升）344、大氣壓力和溫度理論：P0↓，T0↑→ηv

↑實際：充氣量減少，發動機性能下降。原因：大氣壓力和溫度同時影響實際充氣量和理論充氣量。P0↓，T0↑→理論充氣量減少P0↓，T0↑→新鮮氣體密度降低→實際充氣量減少理論充氣量減少幅度比實際大→ηv

↑355、壓縮比壓縮比↑→燃燒室容積↓→殘余廢氣量↓→ηv

↑366、配氣相位

對充氣效率影響最大的是進氣門的遲后關閉，其次是排氣門的遲后關閉。進氣門遲閉小，充分進氣下降；進氣門遲閉大，新鮮氣體被壓出，實際充氣減少，充氣效率下降。排氣門遲閉角小，充分排氣下降；排氣遲閉角大，殘余廢氣增加，實際充氣減少，充氣效率下降。最佳應根據氣流慣性來確定，而氣流慣性取決于發動機轉速。37結論進氣終了壓力提高，充氣效率提高。進氣終了溫度提高，充氣效率下降。排氣終了壓力提高，充氣效率下降。排氣終了溫度變化對充氣效率影響不大。大氣壓力降低、大氣溫度升高，充氣效率提高。壓縮比提高，充氣效率提高。配氣相位：進、排氣遲后角過大或過小，充氣效率降低。38第三節提高發動機充量系數的措施1、減少進氣阻力（最為重要的影響因素）2、減少排氣阻力3、降低進氣溫度4、合理選擇配氣相位393.1減少進氣阻力進氣系統組成：空氣濾清器或加進氣消聲器、節氣門、進氣管、進氣道和進氣門（及座）等組成。進氣系統的流動阻力：

（1）沿程阻力：實際為管道摩擦阻力（2）局部阻力：由流通截面大小、形狀、流動方向變化所引起。主要損失：進氣門座處、空氣濾清器和流道轉彎處

減少各段通道的阻力，增大其流通能力，是提高充氣效率，改善發動機性能的主要途徑。40（一）減少進氣門處的流動損失

流通截面最小、流速最高的地方。與阻力系數和流動速度有關。關鍵是：降低流速；改善氣門座處的流動情況。1、增大進氣門直徑，選擇合適的排氣門直徑進氣門直徑增大，擴大氣流通路截面積增加，ηv提高。

雙氣門（一進一排）：進氣門直徑可達活塞直徑的45%~50%，氣門與活塞面積之比為0.2~0.25，進氣門比排氣門大15%~20%。受結構限制，進一步增大比例已很困難。

41（1）增大進氣門開啟時的時面值

氣門開啟斷面與對應開啟時間的乘積稱為氣門開啟的時面值。它表示氣體流過氣門的通過能力。氣門開啟時間長，開啟斷面大，則氣門開啟時面值大，氣流通過能力越強，阻力越小。

增大進氣門頭部直徑，減小氣門頭部錐角，增大氣門升程，延長氣門開啟時間，均可擴大氣門開啟時面值。42（2）合理控制進氣馬赫數Ma

進氣馬赫數Ma是進氣門氣流平均速度Vm與該處音速C之比，即Ma=Vm/C。

Ma是決定氣流流動性質的重要參數。

Ma值反映氣體流動和氣門結構尺寸的關系，對充氣效率有重要的影響。43根據一系列的試驗發現，在正常的配氣定時條件下，當Ma超過一定數值時，大約在0.5左右，ηv便急劇下降。所以當內燃機轉速增加時，n上升，（Cm=Sn/30），Cm上升，所以Ma上升。故為了使Ma值不超過一定的數值，在高轉速內燃機上必須考慮加大進氣閥直徑d。改善氣門處的流動，使流量系數μm

增加。Ma在最高轉速時不超過0.5442、采用多氣門結構：增大進氣流通截面積，減少阻力系數的有效措施缸徑大于80mm時，采用二進二排結構；缸徑小于80mm時，采用三進二排結構。45五氣門或三氣門發動機簡介：

三進兩排：充分利用氣缸外圍尺寸，又能利用氣缸中心布置火花塞。兩進一排：增大進氣面積。46賽車用高比功率的發動機采用多個小氣門結構后，功率可提高70%，扭矩可提高30%，且響應性比增壓機好，故是汽車發動機高功率化的有力措施。47DOHC（雙頂置凸輪軸）四氣門發動機特點

優點：

（1）進排氣面積大，充量系數高；（2）火花塞或噴油器布置在中央，利于提高壓縮比和改善燃油霧化質量，提高經濟性；（3）可減輕氣門系統運動零部件的質量，適應高轉速的要求。采用四氣門技術后，發動機功率可增加15％~30％，扭矩增加大約5％~10％缺點：

（1）氣門機構零部件數目增加，使制造成本和維修成本增加；（2）頂置凸輪軸使缸蓋高度增加。發動機高度尺寸加大。

483、改善進氣門處流體動力性能，減少氣門處流動損失適當增大氣門升程、改進配氣凸輪型線、減小運動件質量、增加零件剛度，在慣性力允許條件下使氣門開閉盡可能快；適當加大氣門桿與頭部的過渡圓弧，減少氣門座密封面的寬度，修圓氣門密封錐面的尖角等措施，可提高充氣效率。最大氣門升程與閥盤直徑之比L/d取0.26~0.28。494、采用較小的S/D（短行程）

n一定→S/D↓→Cm↓→Ma↓

另D↑→采用大的氣門直徑，使ηv

↑50（二）減少整個進氣管道的流動損失

（1）進氣道和進氣管

足夠的流通截面，表面光滑，拐彎小減小阻力，多段連接對中，并能形成渦流；汽油機：燃料的霧化、蒸發、分配、壓力波的利用（保證較高流速和各缸均勻性。）柴油機：形成進氣渦流

高轉速、大功率時，進氣管宜短粗；中、低速，進氣管宜細長。（2）空氣濾清器

選用阻力小的，注意維護，及時更換。513.2減小排氣阻力

減小排氣門座、排氣道、排氣管、消聲器的阻力，對降低排氣壓力和減少殘余廢氣系數均有利。

效果不如減少進氣系統阻力有效。523.3降低進氣溫度影響因素大部分是運轉因素凡能降低活塞、氣門等熱區零件的溫度和減小接觸面的措施都有利于減小對新鮮充量的加熱。增壓發動機燃燒室掃氣、油冷活塞、進排氣管分側布置均有利。533.4合理選擇配氣相位在配氣相位角度中，對換氣過程影響最大的是進氣門遲閉角，其次是排氣門提前角和氣門疊開角。54（一）進氣遲閉角利用氣流的慣性來增加每循環氣缸充量，氣流慣性取決于發動機轉速。轉速低時，應減小遲閉角。

ηv在某一轉速下達到最高值，此轉速下能最好地利用氣流的慣性充氣。進氣遲閉角增大，ηv最大值對應的轉速增加。應注意進氣門遲閉角對發動機不同轉速下轉矩特性的影響。

n↑→進氣門遲關角↑

n↑→排氣門遲關角↑

最佳進氣遲閉角應隨轉速變化55（二）進排氣門重疊角

試驗表明：40°以下，基本無燃燒室掃氣作用；有重疊角時充氣效率提高（節流損失減少）。增壓發動機的氣門重疊角大，可加強掃氣，冷卻熱區零件，能提高充氣效率，減少NOx

排放。（三）排氣提前角

保證在排氣損失最小的前提下，盡量晚開排氣門。

轉速增加，排氣提前角增大。

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（四）配氣相位的選擇

應根據發動機的高速性來決定，從以下方面評定：1）充氣效率高，保證發動機動力性能；2）必要的燃燒室掃氣（降低熱負荷，使運行可靠）；3）合適的排氣溫度；4）充氣效率隨轉速的變化特性良好，適應發動機的轉矩特性；5）較小的換氣損失，保證經濟性。進氣遲閉角決定排氣提前角決定氣門重疊角決定57理想的配氣系統應滿足以下要求：

（1）低速時，較小的疊開角和氣門升程。（2）高速時，最大的氣門升程和進氣門遲閉角。（3）最佳的進氣定時，進氣門開啟到關閉的持續期也應進行調整。58固定配氣相位的限制：無法兼顧高速工況動力性的要求和部分負荷、中低轉速工況下油耗的要求;為了提高高速性能，配氣相位按高速設定時，滿足高速充氣效率的要求，當在低速時，由于進氣門關閉時刻與高速時一樣遲，而在低速時氣流沒有足夠的慣性，不能實現慣性充氣，反而導致倒流現象，充氣效率下降。※VVT——滿足不同工況下的配氣正時要求（五）可變配氣相位控制系統

59VVT功能實現方式60進氣VVT61DVVT相位實例——D20VVT發動機B樣標定：功率點：