第三章發(fā)動機的換氣過程第三章發(fā)動機的換氣過程發(fā)動機的排氣過程和進氣過程的總和，統稱為換氣過程。換氣過程的任務:是將缸內的廢氣排凈，吸入盡可能多的新鮮工質。

目錄第一節(jié)四沖程發(fā)動機的換氣過程第二節(jié)充氣與充氣系數第三節(jié)影響充氣系數的因素第四節(jié)提高充氣系數的措施一、換氣過程發(fā)動機運行時，在如此短的換氣時間內，要使排氣干凈，進氣充足是比較困難的。為了增加氣門開啟時間，充分利用氣流的流動慣性以及減少換氣損失，改善換氣過程，提高發(fā)動機性能。進、排氣門一般都提前開啟，遲后關閉，不受活塞行程的限制。整個換氣過程超過兩個行程，約占曲軸轉角410°～480°。一、換氣過程

根據氣體流動特點和進排氣門運動規(guī)律，換氣過程分為：

自由排氣階段；強制排氣階段；進氣過程階段。

強制排氣進氣過程自由排氣一、換氣過程從排氣門在下止點前開始開啟，到氣缸內壓力接近于排氣管壓力這個時期，稱為自由排氣階段。如圖3—1所示，氣門開啟時，氣缸內壓力較高(大于排氣管壓力2倍以上)，可利用廢氣自身的壓力自行排出。此時，排氣流處于超臨界狀態(tài)，流過排氣門處的氣體流速，等于在該處氣體狀態(tài)下的音速。其流量只決定于氣門開啟面積，并和氣體狀態(tài)有關，與排氣門前后的壓差無關。1．自由排氣階段隨著活塞的推移，缸內壓力不斷下降，當缸內壓力與排氣管壓力之比為1．9以下時，排氣流進入亞臨界狀態(tài)，排氣量由氣缸壓力和排氣管內的壓力差來決定，壓力差越大，排出的廢氣量越大。當到某一時刻，氣缸內壓力與排氣管內壓力相等時，自由排氣階段結束，一般在下止點后10?！?0。曲軸轉角。此階段雖然歷程較短，但廢氣流速很高，排出的廢氣量可達60％以上。1．自由排氣階段1、自由排氣定義：從排氣門打開到氣缸壓力接近排氣管壓力所對應的階段。

分段及詳解前期（超臨界排氣）：Pb/Pr>1.9，廢氣以聲速流經排氣門口，與壓差無干。C=（KRT）1/2，420-827°C時，500m/s-700m/s。中期（亞臨界排氣）：1.9>Pb/Pr>1，流速低于音速且取決于壓差。結束階段：Pb與Pr趨于一致，廢氣不能自由排出，需活塞上行推出廢氣。一、換氣過程1.自由排氣特點排出廢氣量與工況（尤其是轉速）無關僅取決于缸內狀態(tài)及排氣管阻力（結束標志為壓力平衡）。時間極短但有近60％的廢氣在此階段排出。2.強制排氣定義：克服排氣系統阻力活塞強制推出廢氣。一、換氣過程2．強制排氣階段這個階段是由上行的活塞強制將廢氣推出。此時流速取決于氣缸內外的壓力差。壓差越大，氣流速度越大，但耗功也越多。排氣門一般在上止點后10～35°曲軸轉角才關閉，這主要是因為在上止點附近，廢氣尚有一定流動能量，可利用氣流慣性進一步排氣，減少缸內殘余廢氣量，同時還可以減少排氣阻力。為了使新鮮空氣充量更順利地進入氣缸，盡可能保證在活塞下行時有足夠大的進氣截面積，減小進氣阻力，進氣門一般在上止點前0～40°曲軸轉角打開。為了利用高速氣流的慣性，進氣門通常在下止點后40～70°曲軸轉角才關閉，以增加進氣量。3．進氣過程3.進氣過程定義：活塞下行、缸內容積增加、缸內壓力下降、環(huán)境壓力－缸內壓力>進氣系統阻力，吸入新鮮工質。特點：初期缸內容積增加、壓差不足不進氣，進氣系統壓力急劇下降。壓力下降到壓差>＝進氣阻力后壓力幾乎不變。一、換氣過程排氣門的遲后關閉和進氣門的提前開啟，使得在上止點附近一定的曲軸轉角范圍內，存在著進、排氣門同時開啟的現象，稱為氣門疊開。氣門疊開角一般為20～60度曲軸轉角；增加新鮮空氣充量；利用新氣幫助清除廢氣，減少氣缸中廢氣量；疊開角過大可能發(fā)生廢氣倒流入進氣管中。

4．氣門疊開二、換氣損失換氣過程的損失包括：排氣損失進氣損失圖3.3四行程內燃機換氣損失W—膨脹功損失Y—強制排氣損失X—進氣損失Y+X–u—泵氣損失1．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(huán)功的損失。它可分為：

1)自由排氣損失，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，是活塞上行強制推出廢氣所消耗的功。1．排氣損失隨著排氣提前角增大，自由排氣損失增加，強制排氣損失減小；如排氣提前角減少，則強制排氣損失增加。

最有利的排氣提前角應使自由排氣損失與強制排氣損失之和為最小。減少排氣損失的主要措施：減小排氣系統阻力排氣門處的流動損失

（a）鑄造式排氣歧管（b）焊接式排氣歧管常規(guī)型催化器緊耦合式催化器歧管式催化器管板復合式結構歧管式催化器定義：進氣損失主要是指進氣過程中，因進氣系統的阻力而引起的功的損失。與排氣損失相比相對較小排氣損失與進氣損失之和，稱為換氣損失。2．進氣損失泵氣損失定義：在實際換氣過程中，由于工質流動時節(jié)流、摩擦等原因的存在，產生的能量損失，泵氣損失又稱為泵氣過程功。這部分損失放在機械損失中加以考慮。第二節(jié)充量（氣）和充量（氣）系數充量即充氣量，是指在進氣過程中，充入氣缸的新鮮空氣或可燃混合氣。每循環(huán)充量：每循環(huán)充量是指發(fā)動機在每一個循環(huán)的進氣過程中，實際進入氣缸的新鮮氣體(空氣或可燃混合氣)的質量，即循環(huán)實際充量，用△m表示。單位時間充量：單位時間充量是指每小時進入氣缸的新鮮氣體的質量，用△mh表示，

每循環(huán)充量前已分析，由于排氣系統存在阻力，當排氣門關閉時，氣缸內尚有一部分殘余廢氣存在，所占氣缸為vr壓力為pr溫度為Tr則其質量為

進氣終了時，氣缸內既有新鮮充量，又有殘余廢氣，所占比體積為va、壓力為pca溫度為tca，則氣缸內氣體的總質量為每循環(huán)充量充入氣缸的新鮮充量為殘余廢氣系數是指每循環(huán)殘留在氣缸內的廢氣質量△mr與新鮮充量△m之比。

殘余廢氣量有多少？

每循環(huán)充量氣缸內氣體的總質量又可以表示為氣缸內的新鮮充量可表示為

單位時間充量單位時間充量是指每小時進入氣缸的新鮮氣體的質量，用△mh表示。式中：n—發(fā)動機轉速

i—

氣缸數單位時間充量如果每循環(huán)充量△m保持不變，轉速增加；單位時間充量△mh會直線增加，發(fā)動機功率也會不斷增加。當轉速增加時，每循環(huán)充量不可避免地要降低，以至于單位時間充量的增加逐漸緩慢。當轉速增到某一數值后，△mh達到最大值(此時進氣流速達到音速)，充量基本保持不變。充氣效率一、充氣效率（一）定義

由于有進氣阻力等因素的影響,實際進入氣缸中的新鮮充量必然小于理論上進氣狀態(tài)下充滿工作容積的新鮮充量。二者之比稱為充氣效率,即的新鮮充量

其中：－實際充量的重量，質量和體積；

進氣狀態(tài)：非增壓：空氣濾清器后進氣管內的氣體狀態(tài),通常取為當地的大氣狀態(tài)。增壓：增壓器出口狀態(tài)。－理論充量的重量，質量和體積；嚴格地說，充氣效率應為

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氣量的比值就等于其充氣效率之比（二）實際測量其中：－實際測量[/h]

充氣效率是衡量換氣過程進行的完善程度的重要指標。二、充氣效率的分析式充入氣缸的新鮮充量=缸內氣體的總質量－缸內殘余廢氣質量（一）進氣門關閉時缸內氣體的總質量其中－余隙容積；－進氣門關閉時缸內工作容積；－進氣終了缸內氣體密度。（二）排氣門關閉時缸內殘余廢氣的質量其中－排氣門關閉時缸內容積；－排氣門關閉時缸內殘余廢氣密度。（三）充入氣缸的新鮮充量其中－進氣狀態(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；考慮到進排氣門遲閉角的影響，令則充氣效率表達為：將代入，得：殘余廢氣系數γ：指進氣過程結束時氣缸內殘余廢氣量與氣缸中新鮮充量的比值。

影響充氣效率的各種因素一、進氣終了壓力Pa進氣阻力：由于進氣系統的阻力而引起氣體流動時的壓降。（空氣濾清器、進氣管道、進氣門處阻力）

λ——管道阻力系數；ρ——進氣狀態(tài)下氣體的密度（kg/m3）；v——管道內氣體流速（m/s）。2.進氣終了的溫度

的原因：①高溫零件加熱；②殘余廢氣加熱；③進氣預熱。影響因素：負荷↑（接觸時間短）

3、轉速與配氣相位的影響（一）轉速

n

（二）配氣相位

進氣門遲閉角增加（）

新鮮充量的容積減小，但進氣終了壓力值卻可能因有氣流慣性而增大合適的配氣定時應考慮具有最大值。

4、負荷汽油機：負荷

節(jié)氣門開度（量調節(jié)）

柴油機：負荷

循環(huán)供油量

（質調節(jié)）（與熱負荷

（不大）無關）

5.壓縮比壓縮比增大氣缸余隙減小殘余廢氣系數減小提高充量系數殘余廢氣系數

殘余廢氣系數增大，充量系數降低，而且使燃燒惡化。特別是汽油機低負荷運轉時，稀釋可燃混合氣，使燃燒過程緩慢，經濟性和排放性能變差。殘余廢氣系數范圍

四行程非增壓柴油機0.03～0.06

四行程增壓柴油機0～0.03

四行程汽油機0.05～0.166.排氣終了壓力

增大由于新氣和缸壁溫差小提高充量系數

排氣終了壓力高于大氣壓力，充氣效率下降。（排氣阻力）進氣（大氣）狀態(tài)PsPa

，且Ps/

Pa基本不變，對充氣效率影響不大。實際上：Ts升高，Ps下降，均使ρs減少，即進氣量。這與充氣效率增大的結論并不矛盾，因為充氣效率的定義是相對于進氣狀態(tài)而言的。影響充氣效率的因素進氣終了壓力Pa進氣終了的溫度轉速和配氣相位負荷壓縮比排氣終了壓力第四節(jié)提高充量系數的措施一、減少進氣系統的阻力增大進氣門開啟的時面值氣門開啟斷面與對應的開啟時間的乘積稱為開啟時面值。氣門開啟時間長，開啟斷面大，則開啟時面值大，氣流通暢，阻力小。增大進氣門開啟的時面值

增大進氣門開啟的時面值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。從而擴大氣流通過能力，減少阻力提高充氣效率。但增大氣門直徑受到燃燒室結構的限制，因此常用減小排氣門頭部直徑的方法，相應增大進氣門頭部直徑。增大進氣門開啟的時面值現代發(fā)動機單進氣門結構中，進氣門直徑可達活塞直徑的45％-50％，氣門和活塞面積比為0.2～0.25。減小氣門錐角也受到強度剛度的限制，不宜太小。增大氣門升程和延長開啟時間，又受慣性力和配氣相位改變的限制，涉及問題較多，影響也較復雜。2.合理控制進氣門處氣流的平均速度進氣馬赫數Ma定義：進氣門處氣體的平均速度與該處聲速c的比值。它反映流動對充氣效率的影響，成為分析充氣效率的一個特征數。3.增大進氣門直徑，選擇合適的排氣門直徑在雙氣門（一進一排）式中：d——進氣門直徑

D——氣缸缸徑4.增加氣門的數目多氣門結構缸徑大于80mm時，采用二進二排結構；缸徑小于80mm時，采用三進二排結構。優(yōu)點四氣門機與兩氣門機相比，功率可提高70%，扭矩可提高30%。缺點結構復雜，造價高；低速時扭矩小。5.采取較小的S/D值（短行程）轉速不變的情況下S/D值減小活塞平均速度減小馬赫數降低缸徑增大，還可以采用大的氣門直徑一、減少進氣系統的流動損失（二）減小整個進氣管道的流動阻力進氣道進氣管空氣濾清器化油器1.進氣道主要措施改善進氣道形狀，減小阻力改善進氣道形狀，使新鮮工質形成渦流一般應具有足夠的流通面積表面光滑拐彎小多段通道連接對中2.進氣管進氣管道結構、尺寸及表面質量對充量系數有較大影響。進氣管道應保證足夠的氣體流通面積和結構上的要求。汽油機還必須考慮燃料的蒸發(fā)、氣化和分配；柴油機還應利于進氣渦流的形成，以改善混合氣的品質和燃燒等。三種進氣管截面形狀圓形圓形斷面流動阻力最小矩形矩形最大D形D形居中為了改善發(fā)動機低速時動力性和保證高速時進氣充分，現代發(fā)動機還采用可變長度的進氣管。由進氣歧管轉換電磁閥控制轉換輥，在發(fā)動機高轉速范圍，電磁閥工作，使進氣通道變短。在相同截面情況下2.進氣管3.空氣濾清器空氣濾清器阻力隨結構而不同。阻力大小隨使用時間的延長而增大。它必須在保證濾清效果的前提下，盡可能減小阻力，如加大通過斷面，改進濾清器性能。在使用中，應經常清洗濾清器，及時更換濾芯。

二、減小對新鮮工質的加熱新鮮充量被吸入氣缸的過程中，受到進氣管道、氣門、氣缸壁、活塞等一系列受熱零件的加熱，造成進氣溫度升高，氣體密度下降，使循環(huán)充量減少。特別是汽油機，經常把排氣管與進氣管布置在發(fā)動機的同一側。有些發(fā)動機采用調節(jié)預熱裝置，根據季節(jié)溫度不同可調節(jié)預熱程度，在柴油機上采用進排氣管分置于發(fā)動機兩側。三、減小排氣系統的阻力排氣系統包括：排氣門、排氣管、排氣道和消聲器等。排氣系統阻力降低，排出的廢氣量增加，排氣終了壓力pr下降，不僅可以使殘余廢氣系數減小，充量系數提高，而且還能夠減少排氣損失。排氣管道也應與進氣管道同樣注意其結構要求，使用中應注意消除殘留積炭等。

四、合理的選擇配氣相位（一）進氣門遲閉角

進氣門遲閉角利用氣流的過后充氣現象來增加每循環(huán)氣缸充量的。轉速較低（Ma較?。┺D速較高（Ma較大）（二）進、排氣門重疊角高速非增壓發(fā)動機（重疊角在20~60度）重疊角在40度以下，基本無燃燒室掃氣。使充量系數提高，原因是重疊角使進氣初期和排氣后期的節(jié)流損失減小。增壓發(fā)動機（重疊角在110~140度）強烈的燃燒室掃氣。（三）排氣提前角在保證排氣損失最小的前提下，盡量晚開排氣門。加大膨脹比提高熱效率（四）配氣相位的選擇根據發(fā)動機的高速性來決定：充量系數高，保證動力性必要的燃燒室掃氣合適的排氣溫度良好的充量系數特性，適應轉矩特性較小的換氣損失，保證經濟性第五節(jié)進、排氣管的動態(tài)效應由于間歇進、排氣，進、排氣管存在壓力波，在用特定的進氣管條件下，可以利用此壓力波來提高進氣門關閉前的進氣壓力，增大充氣效率，這就是動態(tài)效應。一．進氣管的慣性效應定義：進氣管內的壓力波對本循環(huán)的進氣過程有直接增壓影響。這種影響稱慣性效應。邊界條件：①當波傳到固壁端，反射回來的是同類波。②當波傳到開口端，且管外壓力不變，反射回來的是異類波。二、進氣管的波動效應

定義：當進氣門關閉后，進氣管的氣柱還在繼續(xù)波動，對各氣缸的進氣量有影響，這稱為波動效應。1．本循環(huán)波動效應從進氣