内燃机的换气过程教学课件.ppt
2022/12/29,1,第六章 内燃机的换气过程,61 四冲程内燃机的换气过程62 提高充气效率的措施63 二冲程内燃机的换气过程及其品质评定,2022/10/101第六章 内燃机的换气过程61,2022/12/29,2,61 四冲程内燃机的换气过程,换气过程将燃烧产物排出气缸和把新鲜充量充入气缸的过程。,主要任务：,尽量将燃烧产物排除干净，尽可能多地充入新鲜充量。,2022/10/10261 四冲程内燃机的换气过程,2022/12/29,3,一、换气过程分析,根据换气过程的特征，可将四冲程内燃机的换气过程分为：,（一）自由排气阶段（二）强制排气阶段（三）进气阶段（四）气门重叠和燃烧室扫气,2022/10/103一、换气过程分析 根据换气过,2022/12/29,4,（一）自由排气阶段,自由排气阶段自排气门在b点开启时至缸内压力p和排气管内压力pr相等时止，其特点是利用缸内和排气管内的压差排气。,2022/10/104（一）自由排气阶段 自由排,2022/12/29,5,分析：,1）排气门刚开启，超临界流动状态。,2）排气门流通截面积不断增大，亚临界流动状态。,2022/10/105分析：1）排气门刚开启，超临界流动状态,2022/12/29,6,注意：,一般情况下，排气门都在下止点前某一曲轴转角提前开启，称为“排气提前”。相应的曲轴转角称为排气提前角，其范围约在下止点前3060A。,2022/10/106注意： 一般情况下，排气门都,2022/12/29,7,（二）强制排气阶段,强制排气阶段自缸内气体压力和排气管内气体压力相等时起至排气门关闭的点r止，其特点试依靠活塞强制推挤将燃气排除气缸。,2022/10/107（二）强制排气阶段 强制排,2022/12/29,8,注意：,1）一般情况下，排气门在上止点后关闭，称为“排气延迟”。相应的曲轴转角称为排气延迟角，其范围约在上止点后1080 A 。,2）排气延迟期间，可以利用排气系统内的气流惯性从气缸中抽吸废气，但要防止废气倒流入气缸。,3）废气从气缸向排气管的流动刚停止，倒流还没有发生的时刻，是排气门关闭的理想时刻。,2022/10/108注意：1）一般情况下，排气门在上止点后,2022/12/29,9,（三）进气阶段,进气阶段自进气门在点r开启时起至点g关闭时止，其特点是下行的活塞把充量吸入气缸。,2022/10/109（三）进气阶段 进气阶段自,2022/12/29,10,注意：,1）一般情况下，进气门在上止点前1070 A 开启，称为“进气提前”，相应的曲轴转角称为进气提前角。,2）一般情况下，进气门在下止点后3060 A关闭，称为“进气延迟”，相应的曲轴转角称为进气延迟角。,3）对于某一确定转速，只有一个最佳进气延迟角；转速越高，最佳进气延迟角越大。,2022/10/1010注意：1）一般情况下，进气门在上止点,2022/12/29,11,（四）气门重叠和燃烧室扫气,活塞在上止点附近时进排气门同时开启，称为“气门重叠”，进气提前角和排气延迟角的和称为气门重叠角。,缸内形成的空间就是活塞在上止点附近形成的燃烧室空间，也称为燃烧室扫气。,2022/10/1011（四）气门重叠和燃烧室扫气,2022/12/29,12,注意：,1）气门重叠期间，新鲜充量在压力差作用下流入气缸，与缸内残余废气混合后，部分可以直接进入排气管；,2）内燃机换气形式不同，气门重叠角的大小也不同；,3）气门重叠角较大时，应注意避免气门和活塞发生碰撞。,2022/10/1012注意：1）气门重叠期间，新鲜充量在压,2022/12/29,13,二、换气过程的损失和泵气功,非增压内燃机的理想换气过程的泵气功为零；增压内燃机的理想换气过程的泵气功为正功。,2022/10/1013二、换气过程的损失和泵气功,2022/12/29,14,（一）换气损失,换气过程的损失为进气损失和排气损失之和，其大小主要取决于进、排气系统流动阻力的大小和气门定时。,对于增压增压柴油机还与废气涡轮增压器的匹配有关。,2022/10/1014（一）换气损失 换气过程,2022/12/29,15,1、排气损失,从排气门提前开启，到吸气行程开始、气缸内达到或接近进气管压力之前，这一阶段所损失的功称为排气损失。,2022/10/10151、排气损失 从排气门提,2022/12/29,16,W自由排气损失，是排气门提前开启而引起的膨胀功的减少；,X强制排气损失，是活塞把燃气推出气缸所消耗的功。,2022/10/1016 W自由排气损失，是排气门提前,2022/12/29,17,2、进气损失,进气过程中缸内气体的压力低于进气管内气体的压力，损失的功相当于Y所表示的面积，称为进气损失。,2022/10/10172、进气损失 进气过程中缸,2022/12/29,18,（二）泵气功,四冲程内燃机，在进气行程和排气行程中缸内气体对活塞做功的代数和就称为泵气功。,常用平均泵气压力表示泵气功的大小，其定义为：,2022/10/1018（二）泵气功 四冲程内燃,2022/12/29,19,泵气功就是示功图下方进、排气曲线所包围的面积X+Y-U。,2022/10/1019 泵气功就是示功图下方进、,2022/12/29,20,三、换气过程的评价参数,1、残余燃气系数r2、补充进气比3、充气效率v4、扫气系数s5、平均进气马赫数Maim,2022/10/1020三、换气过程的评价参数1、残余燃气系,2022/12/29,21,1、残余燃气系数r,残余燃气系数进气过程结束时，气缸内的残余燃气质量mr与气缸内的新鲜空气质量之比mL，即,2022/10/10211、残余燃气系数r 残余,2022/12/29,22,2、补充进气比,补充进气比进气门关闭时气缸内的混合气质量mg与进气过程到下止点时气缸内的混合气质量mg之比，即,说明：补充进气比表示进气门延迟关闭期间补充进气对气缸充量的影响。,2022/10/10222、补充进气比 补充进,2022/12/29,23,3、充气效率（或充气系数） v,充气效率进气过程结束时，实际进入气缸的新鲜空气质量mL与在进气状态下能充满气缸工作容积的新鲜空气质量ms之比，即,说明：充气效率是衡量进入气缸充量的多少和换气过程的完善程度的参数。,2022/10/10233、充气效率（或充气系数） v,2022/12/29,24,注意：,对于非增压内燃机，进气状态取大气状态；对于增压内燃机，进气状态取增压器或中冷器之后的进气管状态。,2022/10/1024注意： 对于非增压内燃机，,2022/12/29,25,4、扫气系数s,扫气系数每循环流经气缸总的空气质量mk与进气过程结束时实际进入气缸的新鲜空气质量mL之比，即,说明：扫气系数是衡量扫气过程中新鲜空气利用程度的参数，一般在1.42.0之间选取。,2022/10/10254、扫气系数s 扫气系,2022/12/29,26,5、平均进气马赫数Maim,平均进气马赫数进气门开启截面Fv处的平均流速vvm与该处的音速a之比，即,式中，Tv进气门开启截面处的气体温度； Fvte进气门有效时间截面值。,2022/10/10265、平均进气马赫数Maim,2022/12/29,27,式中， Fvte进气门有效时间截面值； Fvtm平均有效时间截面值； 1、2进、排气门开启和关闭时刻，对应的曲轴转角。,2022/10/1027式中， Fvte进气门有效时间截面,2022/12/29,28,说明：,1）平均进气马赫数考虑了进气过程的主要影响因素，是表示进气流动的特征参数。,2） Maim接近0.5时进气门周围的流动到达临界状态，进气总管内产生气流阻塞现象。,3）为保证进缸充量的数量，一般不允许Maim大于或等于0.5。,2022/10/1028说明：1）平均进气马赫数考虑了进气过,2022/12/29,29,62 提高充气效率的措施,影响充气效率的主要参数是进气过程到下止点时充量的压力pg和温度Tg，残余燃气系数r和补充进气比。,2022/10/102962 提高充气效率的措施,2022/12/29,30,相应地提高充气效率的措施主要从四方面着手：,1）降低进气系统的阻力损失，以增加pg；,2）降低排气系统的阻力损失，以降低r；,3）减少高温零件在进气过程中对新鲜充量的加热，以降低Tg，提高g；,4）合理利用换气过程的动态效应，提高 ，以增加pg ；,此外，涡轮增压加中冷技术，也是提高v的有效措施。,2022/10/1030 相应地提高充气效率的措施,2022/12/29,31,一、降低进气系统流通阻力,进气流通阻力包括管道摩擦阻力和局部阻力。,1）内燃机的流道不长，壁面较光滑，其摩擦阻力不大；,2）局部阻力是进气系统主要流动损失。,2022/10/1031一、降低进气系统流通阻力 进,2022/12/29,32,（一）降低进气门处的流动损失,1、增大进气门处流通面积。,2、改善气门和气门座处的气体流动特性。,2022/10/1032（一）降低进气门处的流动损失1、增大,2022/12/29,33,（二）减少进气管道和空气滤清器的阻力,1）对于进气管和进气道，应保证其有足够的流通截面，并合理设计通道型线，避免急转弯和流通截面积突变而产生阻力。,2）对空气虑清器，应该在保证虑清效果的前提下，尽可能减小流通阻力。,3）对于增压中冷内燃机，应注意设计流阻低、冷却效果好的中冷器。,2022/10/1033（二）减少进气管道和空气滤清器的阻力,2022/12/29,34,二、降低排气系统流通阻力,降低排气阻力，可以减少换气过程的排气损失，使缸内残余燃气压力下降，有利于提高充气效率和排气能量的利用。,2022/10/1034二、降低排气系统流通阻力,2022/12/29,35,三、减少对进气充量的加热,新鲜充量在进气过程中，受到受热零件的加热，使进气终了时的充量温度Tg上升，密度g下降，从而导致充气效率下降。,2022/10/1035三、减少对进气充量的加热,2022/12/29,36,1）柴油机均采用进、排气管在气缸盖两侧布置的方案。,2）汽油机常采用进、排气管同侧布置方案，但也有一些高速汽油机，为获得较高的v，而采用进、排气管在气缸盖两侧布置的方案。,3）增压及中冷不仅可提高内燃机的动力性、经济性和排放性能，而且还可提高v。,2022/10/10361）柴油机均采用进、排气管在气缸盖两,2022/12/29,37,四、合理利用换气过程中的动态效应,（一）进排气管中的动态效应（二）可变进、排气系统（三）谐振充气系统（四）可变配气定时控制机构,2022/10/1037四、合理利用换气过程中的动态效应（一,2022/12/29,38,（一）进排气管中的动态效应,1、进气管中的动态效应2、排气管动态效应3、多缸内燃机中的动态效应,2022/10/1038（一）进排气管中的动态效应1、进气管,2022/12/29,39,（二）可变进、排气系统,1、可变进气管长度进气系统2、可变进气道截面进气系统3、可变排气道截面排气系统,2022/10/1039（二）可变进、排气系统1、可变进气管,2022/12/29,40,1、可变进气管长度进气系统,一个长度固定的进气管，只能在一定的转速范围内有较好的动态充气效果：,较短的进气管，在高速时有充气效果较好，较长的进气管，在低速时充气效果较好。,可变长度的进气管，可使内燃机在较宽的转速范围内都有较好的充气效果。,2022/10/10401、可变进气管长度进气系统,2022/12/29,41,2022/10/1041,2022/12/29,42,2022/10/1042,2022/12/29,43,2、可变进气道截面进气系统,低速时，较小的进气道流通截面，使气体流速增加，有较好的动态充气效果，v较高；高速时，较大的进气道流通截面，使气体的流动阻力减小，v也较高。,2022/10/10432、可变进气道截面进气系统,2022/12/29,44,2022/10/1044,2022/12/29,45,2022/10/1045,2022/12/29,46,3、可变排气道截面排气系统,2022/10/10463、可变排气道截面排气系统,2022/12/29,47,可变节流阀的开启度随汽油机转速而变化，以便提供最优的流通截面，在气门重叠期间，在排气门处产生负压，利用惯性清扫燃气，多进新鲜充量，提高v，从而改善怠速稳定性和高速、强化汽油机的低中速范围内的扭矩特性。,2022/10/1047 可变节流阀的开启度随汽,2022/12/29,48,（三）谐振充气系统,谐振充气系统是将一组点火间隔相等的气缸，通过较短的进气管和谐振箱连接在一起，在进气波动的频率和进气系统固有频率相等时，取得较好的充气效果。,2022/10/1048（三）谐振充气系统 谐,2022/12/29,49,注意：,1）为了保证各缸的进气不发生干扰，谐振充气系统一般要求气缸的点火间隔为240CA。,2）对于不可变进气系统，谐振充气只有在很窄的转速范围内才有较好的充气效果；对于可变进气系统，谐振充气可在较大的转速范围内具有较好的充气效果。,2022/10/1049注意：1）为了保证各缸的进气不发生干,2022/12/29,50,图（a），两个谐振箱由两个谐振管连接在一起，其中一个谐振管可以关闭。当这个谐振管打开时，谐振管的截面增加，谐振频率提离。,图（b），气波充气和谐振充气相结合，在中、低转速时，中间阀门关闭，进气系统是两个谐振转速较低的谐振充气系统；在高转速时，阀门打开，进气系统是短进气道的气波充气系统。,2022/10/1050 图（a），两个谐振箱,2022/12/29,51,（四）可变配气定时控制机构,1、VTEC机构,2022/10/1051（四）可变配气定时控制机构1、VTE,2022/12/29,52,VTEC系统由中间摇臂，主、副摇臂及同步活 塞A、 B，以及三种不同的凸轮等组成。中间摇臂高速用，主、副摇臂低速用。设有空动机构弹簧，用于低速时消除游隙，高速时使气门工作圆滑。,2022/10/1052 VTEC系统由中间摇臂,2022/12/29,53,发动机低速工作时，在二个低速凸轮中间布置一个高速凸轮，低速凸轮单独驱动气门，高速凸轮虽然也驱动中间摇臂，但中间摇臂并不驱动气门。 发动机高速工作时，液压油的压力驱动液压活塞，使三个摇臂结合合成一体，这时三个摇臂都被高速凸轮所驱动，高速凸轮的气门开启时间长，升程大。,2022/10/1053 发动机低速工作时，在,2022/12/29,54,2、电磁控制全可变气门机构,德国EFV内燃机技术公司发明的电磁控制全可变气门机构，结构简单，能耗低，不仅能改变进气定时也能改变气门最大升程和升程曲线。,2022/10/10542、电磁控制全可变气门机构,2022/12/29,55,63 二冲程内燃机的换气过程及其品质评定,一、二冲程与四冲程内燃机换气过程的比较二、换气系统的基本类型三、换气过程四、二冲程内燃机换气质量的评价指标,2022/10/105563 二冲程内燃机的换气过程,2022/12/29,56,一、二冲程与四冲程内燃机换气过程的比较,二冲程内燃机的工作循环是由换气压缩和膨胀换气行程来完成的。,在整个换气过程中，几乎不存在活塞的吸排作用。,利用废气能量排气，并以曲轴箱或单独的扫气泵将新鲜充量压入气缸，扫除残余燃气。,2022/10/1056一、二冲程与四冲程内燃机换气过程的比,2022/12/29,57,1、换气角度小，时间短，但气门重叠角大，耗气量大，采用纯燃气涡轮增压较困难。,2、换气质量较差，残余燃气系数较大，排气压力波动强烈。,3、排吸能力强，但变工况适应性差。,4、无泵气损失，但机械效率较低。,2022/10/10571、换气角度小，时间短，但气门重叠角,2022/12/29,58,总的来看，二冲程内燃机适用于工况较稳定的低速大型船用动力和大型发电机组动力；四冲程内燃机适用于变工况运行的车用动力。,小型内燃机结构简单、重量轻、零件少，可以采用曲轴箱扫气的二冲程内燃机方案。,2022/10/1058 总的来看，二冲程内燃机适,2022/12/29,59,二、换气系统的基本类型,根据二冲程内燃机气缸内新鲜充量流动的性质，换气系统可分为：,横流扫气 弯流扫气 回流扫气 半回流扫气 气口气门直流扫气 直流扫气 气口气口直流扫气,2022/10/1059二、换气系统的基本类型,2022/12/29,60,（一）弯流扫气,2022/10/1060（一）弯流扫气,2022/12/29,61,弯流扫气的特点：,1）弯流扫气通过气口进行，气口集中在缸套的一端，扫气空气先从下向上流动，到缸盖后转180从上向下流动。,2）换气过程中一部分新鲜空气与燃气掺混，而在气缸上部的死角处燃气得不到清扫，扫气效果较差。,3）弯流扫气没有气门及其传动机构，零部件少，缸盖结构简单，容易布置，制造成本低，在大中小型内燃机上都得到应用。,2022/10/1061弯流扫气的特点：1）弯流扫气通过气口,2022/12/29,62,1、横流扫气,扫气口及排气口在气缸圆周下部的两侧对置，活塞顶与扫气口的倾斜角使气流可扫到气缸顶部，以利于减少残余燃气。,2022/10/10621、横流扫气 扫气口及排气,2022/12/29,63,横流扫气系统的主要缺点是：,1）容易产生额外排气损失，新鲜充量损失较多。,2）气缸和活塞受热不均，易变形。,3）活塞组产生单边磨损。,2022/10/1063横流扫气系统的主要缺点是：1）容易产,2022/12/29,64,2、回流扫气,扫、排气口均布置在气缸同侧，排气口在扫气口上部，也存在额外排气损失。,2022/10/10642、回流扫气 扫、排气口,2022/12/29,65,说明：,1）也存在额外排气损失，但是扫气效果较横流扫气好；,2）适用于高速内燃机，在大功率内燃机上也有较多应用；,3）扫、排气口布置在气缸同侧，气道布置困难，且失效行程较大。,2022/10/1065说明：1）也存在额外排气损失，但是扫,2022/12/29,66,3、半回流扫气,在气缸壁上，有两个扫气口、一个排气口，简称“三口回流扫气”，实质上是回流扫气和横流扫气的复合方式，扫气效果介于两者之间。,2022/10/10663、半回流扫气 在气缸壁,2022/12/29,67,（二）直流扫气,其主要特点是，扫气气流沿气缸轴线由下向上运动，并流过整个气缸断面，新鲜充量与废气的参混较少，换气质量较高。,2022/10/1067（二）直流扫气 其主要特,2022/12/29,68,1、气口气门直流扫气,在气缸盖上设置排气门以替代排气口；扫气口在气缸下部圆周均匀分布，并与气缸半径成一定角度，缩短了气口高度，减少了失效行程。,2022/10/10681、气口气门直流扫气 在,2022/12/29,69,说明：,1）气缸内的充量形成旋转向上的“气垫”，避免与废气掺混；,2）可实现过后充气；,3）结构复杂，排气门的开闭频率高，惯性力较大，气门弹簧容易损坏。,2022/10/1069说明： 1）气缸内的充,2022/12/29,70,2、气口气口直流扫气,一般在对置活塞式内燃机中采用气口气口直流扫气方式，扫气口与排气口分别布置在气缸的两端，并由相反运动的两个活塞分别控制启闭。,2022/10/10702、气口气口直流扫气 一,2022/12/29,71,说明：,1）气口面积最大；,2）扫气空气与燃气掺混较少，缸内没有燃气死区，换气效果较好，排吸能力强，适合高速强载内燃机的需要；,3）活塞的不对称运动，可避免额外排气损失，也可实现过后充气；,4）上、下曲轴的传动机构复杂，整机高度尺寸增大，制造成本高，且缸套热负荷严重，制约了该机型的发展。,2022/10/1071说明： 1）气口面积最,2022/12/29,72,三、换气过程,根据气流运动情况，通常把二冲程内燃机的换气过程分为三个阶段：,1、自由排气阶段2、扫气与强制排气阶段3、额外充气或额外排气阶段,2022/10/1072三、换气过程 根据气流运动,2022/12/29,73,1、自由排气阶段,自由排气阶段从排气口开启到缸内压力等于扫气阶段气缸内的平均压力pmg点这一时期。,2022/10/10731、自由排气阶段 自由排气,2022/12/29,74,2）扫气口在点D打开，缸内压力大于扫气压力，但不会引起大量的燃气倒流入扫气室。,说明：,1）大部分燃气是依靠较大的压力差排出气缸，而不是被扫气空气扫出去的；,2022/10/10742）扫气口在点D打开，缸内压力大于扫,2022/12/29,75,2、扫气与强制排气阶段,RC段即为扫气与强制排气阶段。,2022/10/10752、扫气与强制排气阶段RC段即为扫气,2022/12/29,76,说明：,1）主要依靠扫气压力将燃气强制排出缸外，活塞推挤燃气的排出作用较小；,2）曲轴箱中的新鲜充量充入气缸，完成向气缸的充气过程。,3）前一段RRR 中缸内压力变化较大，后一段R C缸内压力比较稳定；,4）在R C段，扫气空气经扫气口进入气缸将缸内燃气从排气口挤压向排气管，实现扫气。,2022/10/1076说明：1）主要依靠扫气压力将燃气强制,2022/12/29,77,3、额外充气或额外排气阶段,根据换气型式及配气定时的不同而定，CE段为额外充气或额外排气阶段。,2022/10/10773、额外充气或额外排气阶段,2022/12/29,78,在点C扫气口先关闭而排气口依然打开，直到点E关闭，则是额外排气。,在点C排气口先关闭而扫气口依然打开，直到点E关闭，则是额外充气。,2022/10/1078 在点C扫气口先关闭而排气口依然,2022/12/29,79,四、二冲程内燃机换气质量的评价指标,1、扫气效率s2、残余燃气系数r3、给气效率u4、扫气过量空气系数0和k5、充气系数v6、总过量空气系数7、结论,2022/10/1079四、二冲程内燃机换气质量的评价指标1,2022/12/29,80,1、扫气效率s,扫气效率换气过程结束后，留在气缸内的新鲜空气质量mL与气缸内全部混合气质量mg的比值，即,说明：扫气效率是衡量扫气效果优劣的重要标志，越大扫气效果越好，其最大值是1。,2022/10/10801、扫气效率s 扫气效率,2022/12/29,81,2、残余燃气系数r,与四冲程内燃机残余燃气系数的定义相同，即,将式（6-4）代入（6-29），得到扫气效率与残余燃气系数的关系：,2022/10/10812、残余燃气系数r,2022/12/29,82,3、给气效率u,给气效率换气过程结束时实际进入气缸的新鲜空气质量mL与每循环流经气缸总的空气质量mk之比，即,说明：给气效率表示新鲜空气被利用的程度，与扫气系数互为倒数。,2022/10/10823、给气效率u 给气效率,2022/12/29,83,4、过量扫气系数0和k,系数0是指在环境状态（p0、T0）下每循环流过扫气口的新鲜充量的质量mk与相同状态下充满气缸工作容积的充量质量ms之比，即,注意：适用于扫气压力较低的二冲程内燃机（pk0.113MPa），一般01.21.5。,2022/10/10834、过量扫气系数0和k,2022/12/29,84,系数k是指在进气状态（pk、Tk）下每循环流过扫气口的新鲜充量的质量mk与相同状态下充满气缸工作容积的充量质量ms之比，即,注意：适用于扫气压力较高或增压二冲程内燃机，一般k1.01.3。,2022/10/1084 系数k是指在进气状态（,2022/12/29,85,说明：,1）过量扫气系数是指扫气总量占进气量的比值，又称为给气比。,2）扫气系统越完善，过量扫气系数越小，消耗于驱动扫气泵的功率也越小。,3）完善的扫气系统应该在尽可能小的过量扫气系数的前提下，获得尽可能高的扫气效率。,2022/10/1085说明：1）过量扫气系数是指扫气总量占,2022/12/29,86,5、充气系数v,与四冲程内燃机充气系数v的定义相同，即,式中，s冲程失效系数,2022/10/10865、充气系数v 与四冲程,2022/12/29,87,6、总过量空气系数,总过量空气系数每循环流过扫气口的实际空气量与喷入缸内的燃料完全燃烧所需要的理论空气量之比，即,的一般范围：对于二冲程中速内燃机， 2.83.3；对于二冲程低速内燃机， 3.03.6。,2022/10/10876、总过量空气系数 总,2022/12/29,88,7、结论,1）u 、 0和k 、 s 、都是从不同的方面来评价扫气过程所消耗的新鲜空气量的参数。,2）s 、v、r是评价换气过程的质量指标。,2022/10/10887、结论 1）u 、 0和k,2022/12/29,89,2022/10/1089,
