4第四章内燃机的换气过程详解.ppt

第四章 内燃机的换气过程 第一节 四冲程内燃机的换气过程 第二节 四冲程内燃机的换气损失 第三节 提高内燃机充量系数的措施 第四节 内燃机的增压 第五节 二冲程内燃机的换气 引言 内燃机的充量更换过程是指从排气门或排气口开启(对二冲程内燃机而言)至进气门或排气口关闭的整个阶段，亦即为四冲程发动机的进排气过程或二冲程发动机的扫气过程。 内燃机充量更换过程的目的是将已燃气体排出并为下一循环吸入新鲜充量。 判断充量更换过程是否完善的指标，是已燃气体是否排尽以及进入气缸的新鲜充量是否充分，这不仅取决于与充量更换过程有关的各种附属系统的设计是否合理、有效，而且也与发动机的运行状态有关。 采用增压可以提高进气密度，改善换气质量，提高发动机的升功率。 第一节 四冲程内燃机的换气过程 图4-1是四冲程内燃机在换气过程中，气缸压力、排气管中的压力随曲轴转角的变化情况以及相应的低压示功图(p-V图)、从图中可以看出，排气门开启后，燃气从气缸急速流人排气管，气缸压力很快下降，直到排气下止点后的某一位置排气门关闭为止。进气门在上止点前开启，新鲜充量流入气缸，直到进气下止点后的某一位置关闭为止。在排气上止点附近，近、排气门同时开启。四冲程内燃机的换气过程可分为自由排气、强制排气、气门叠开、进气等阶段，本节分别介绍各阶段的特点，并在分析换气损失的基础上提出提高充量系数的措施。 一、自由排气阶段 排气提前开启的必要性分析 一、自由排气阶段 由于受配气机构的结构限制，气门在开启过程中只能逐渐加大其流通截面：如果排气门刚好在膨胀行程下止点时开启，则排气门流通截面增加过缓，气缸压力下降迟缓，活塞在向上止点回行时将造成较大的反压力，增加排气行程所消耗的功。所以，内燃机的排气门往往都在膨胀行程到达末期前，即活塞到达下止点前的某一位置提前开启，称为排气提前：排气提前角为30o~80o(CA)。 排气门刚打开时，缸内压力远高于排气管内压力，随着排气过程进行以及排气门流通截面的逐渐增大，排气管内的压力将逐渐升高，直至在某一时刻达到或接近缸内压力：这一阶段由于有正向压力差的存在，排气可以自发地进行，故把从排气门开启到气缸压力达到排气背压(排气管内压力)的时期，称为自由排气阶段。 在气门开启时间内，流经气门的气体质量与气门前后的状态关系式为 （4-1） 式中，下标I表示上游流动参数(相应地，II表示下游的流动参数)；μ与A分别为气门处的流量系数与流通截面积，可分别根据试验结果和气门的几何参数确定；Ψ为流函数，与上、下游的流动状态有关，其计算式为 （4-2） 在自由排气阶段的初期，由于排气门刚刚开启，缸内压力较高，排气管压力与气缸压力之比往往小于临界值 ，流动呈现超临界状态，缸内气体以当地声速流过排气门。此时,排气质量流量只取决于缸内气体状态和排气门有效开启截面的大小，与排气管内的气体状态无关。 随着排气的进行，排气门流通截面不断增大，排气管压力与气缸压力之比超过临界值 之后，气体流动逐渐进入亚临界状态；直到某一时刻气缸压力与排气管内的气体压力接近相等，自由排气阶段结束。在该阶段中流出的气体质量，不仅与排气门的有效流通截面有关，还与缸内和排气管内的压力差有关。 由此可见，自由排气阶段中排出的废气量与内燃机的转速无关，但在高速时，同样的排气时间对应的曲轴转角将大为增加。为使气缸压力及时下降，必须加大排气提前角，否则将使自由排气阶段(以曲轴转角计)延长、排气消耗功增加。所以，随发动机转速的增加应相应增大排气提前角。 自由排气阶段虽然占整个排气时间的比例不大，但由于排气流速很高，排出的废气量可达60%以上，一般持续到下止点后10o~30o(CA)结束。 二、强制排气阶段 自由排气阶段结束后，气缸内的废气将被上行活塞强制推出，直到排气门关闭．这一过程就是强制排气阶段。由于气体在流动过程中要克服排气门、排气道以及消声器等处的流动阻力，缸内的气体压力要略高于排气管内的平均压力，而且气体流速越高，压力差也就越大。另一方面，由于气体在排气管内的压力波动，有可能形成压力逆差，即气缸压力低于排气管内的压力，这种情况往往出现在排气管较长时强制排气开始的初期。因此，缸内气体的状态由活塞的运动速度与位置、气门有效流通截面的变化规律以及排气管内的气体状态等共同决定。 排气迟闭的必要性分析 随着活塞的上行，排气门流通截面开始逐渐减小，气体流经气门的节流作用加强，因而在上止点附近，气缸压力再次升高，其直接后果是，排气所消耗的功与缸内的残余废气量都增加了，这对于换气与燃烧过程都不利。