发动机原理 第二章2.ppt
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1、第二章发动机的换气过程一、四冲程发动机的换气过程一、四冲程发动机的换气过程 1.1.换气过程换气过程 分为自由排气、强制排气、进气和气门叠开四个阶段分为自由排气、强制排气、进气和气门叠开四个阶段 1 1)自由排气阶段自由排气阶段 从排气门打开到气缸压力接近了排气管压力的这个时期,从排气门打开到气缸压力接近了排气管压力的这个时期,称为自由排气阶段。到某一时刻,气缸内和排气管内的压力称为自由排气阶段。到某一时刻,气缸内和排气管内的压力接近,则自由排气阶段结束。当排气门开启,废气涌向排气接近,则自由排气阶段结束。当排气门开启,废气涌向排气管时,排气管压力急剧上升,产生正压力波并在管内往复传管时,排气
2、管压力急剧上升,产生正压力波并在管内往复传播和反射。播和反射。1.换气过程换气过程四冲程发动机的换气过程四冲程发动机的换气过程 从排气门开始打开到下止点这段曲轴转角,称为排气提从排气门开始打开到下止点这段曲轴转角,称为排气提前角,一般为前角,一般为30308080曲轴转角。自由排气约在下止点后曲轴转角。自由排气约在下止点后10103030曲轴转角结束,由于此阶段废气流速很高,故排出废曲轴转角结束,由于此阶段废气流速很高,故排出废气量达气量达60%60%以上。以上。2)2)强制排气阶段强制排气阶段 此阶段废气是由上行活塞强制推出。由于要克服排气门、排此阶段废气是由上行活塞强制推出。由于要克服排气
3、门、排气道处的阻力,缸内平均压力比排气管平均压力略高一些,一般气道处的阻力,缸内平均压力比排气管平均压力略高一些,一般高出高出10kPa10kPa左右。气流的速度愈高,此压差愈大,耗功愈多。左右。气流的速度愈高,此压差愈大,耗功愈多。为了利用高速气流的惯性排除废气,排气门是在活塞过了上为了利用高速气流的惯性排除废气,排气门是在活塞过了上止点后才关闭。从上止点到排气门完全关闭这段曲轴转角,称为止点后才关闭。从上止点到排气门完全关闭这段曲轴转角,称为排气迟闭角,一般为排气迟闭角,一般为10103535曲轴转角。曲轴转角。3)3)进气过程进气过程 进气门是在上止点前开始打开,以保证活塞下行时有足够大
4、进气门是在上止点前开始打开,以保证活塞下行时有足够大的开启面积,新鲜工质可以顺利流入气缸。一般进气门提前开启的开启面积,新鲜工质可以顺利流入气缸。一般进气门提前开启角为上止点前角为上止点前004040曲轴转角。曲轴转角。进气门也必须在下止点后才关闭,因为需要利用高速气流的进气门也必须在下止点后才关闭,因为需要利用高速气流的惯性,在下止点后继续充气,以增加进气量。一般进气门迟闭角惯性,在下止点后继续充气,以增加进气量。一般进气门迟闭角为下止点后为下止点后40407070曲轴转角。曲轴转角。1.换气过程换气过程四冲程发动机的换气过程四冲程发动机的换气过程4)4)气门叠开气门叠开1.换气过程换气过程
5、四冲程发动机的换气过程四冲程发动机的换气过程 由于排气门的迟后关闭和进气门的提前开启,存在进、由于排气门的迟后关闭和进气门的提前开启,存在进、排气门同时开着的现象,称为气门叠开,此时,进气管、气排气门同时开着的现象,称为气门叠开,此时,进气管、气缸、排气管互相连通,可以利用气流的压差、惯性或进、排缸、排气管互相连通,可以利用气流的压差、惯性或进、排气管压力波的帮助,清除残余废气,增加进气量,降低高温气管压力波的帮助,清除残余废气,增加进气量,降低高温零件的温度,但注意不应产生废气倒流现象。在增压发动机零件的温度,但注意不应产生废气倒流现象。在增压发动机中,因其进气压力高,可以有较大的气门叠开角
6、。在非增压中,因其进气压力高,可以有较大的气门叠开角。在非增压发动机中,叠开角一般为发动机中,叠开角一般为0 08080曲轴转角,增压柴油机可达曲轴转角,增压柴油机可达8080160160曲轴转角。曲轴转角。发动机类型不同,所占的曲轴转角也个不相同,一般发动机类型不同,所占的曲轴转角也个不相同,一般是由以往的产品及试验决定的。是由以往的产品及试验决定的。(1)(1)自由排气阶段自由排气阶段 A A 排开排开 p p p p p=p p=p 靠缸内压力将气体挤出气缸,其中靠缸内压力将气体挤出气缸,其中p p缸内压力缸内压力,p,p排气管内压力。排气管内压力。(2)(2)强制排气阶段强制排气阶段
7、B B p=p p=p p p p p靠活塞上行将废气挤出气缸。靠活塞上行将废气挤出气缸。(3)(3)超临界排气超临界排气 C C 排开排开 p=1.9 pp=1.9 p在气阀最小截面处在气阀最小截面处,气体流速等于该气体流速等于该地音速地音速 m/sm/s。其流量与压差。其流量与压差 (p-pp-p)无关)无关,只决定于排气阀只决定于排气阀开启面积和气体状态。开启面积和气体状态。(4)(4)亚临界排气亚临界排气 D D p=1.9 p p=1.9 p 排闭。排闭。其流量取决于压差其流量取决于压差 (p-pp-p)。)。1.换气过程换气过程四冲程发动机的换气过程四冲程发动机的换气过程2.换气损
8、失换气损失 换气损失是由排气损失和进气损失两部分组成。换气损失是由排气损失和进气损失两部分组成。1 1)排气损失)排气损失 从排气门提前打开直到进气行程开始,缸内压力到达从排气门提前打开直到进气行程开始,缸内压力到达大气压力前循环功的损失,称为排气损失。它可分为:大气压力前循环功的损失,称为排气损失。它可分为:自由排气损失,它是因排气门提前打开,排气压力线自由排气损失,它是因排气门提前打开,排气压力线偏离理想循环膨胀线,引起膨胀功的减少。偏离理想循环膨胀线,引起膨胀功的减少。强制排气损失,它是活塞将废气推出所消耗的功。强制排气损失,它是活塞将废气推出所消耗的功。减小排气系统阻力及排气门处的流动
9、损失,是降低排减小排气系统阻力及排气门处的流动损失,是降低排气损失的主要方法。气损失的主要方法。四冲程发动机的换气过程四冲程发动机的换气过程 随随着着排排气气提提前前角角增增大大,自自由由排排气气损损失失面面积积增增加加,强强制制排排气气损损失失面面积积减减小小,如如图图中中 b b曲曲线线,如如排排气气提提前前角角减减少少则则强强制制排排气气损损失失面面积积增增加加,如如图图中中 c c曲曲 线线。所所以以最最有有利利的的排排气气提提前前角角应应使使面面 积积(W W+Y Y)之之 和和 最最 小小。2.换气损失换气损失四冲程发动机的换气过程四冲程发动机的换气过程 减减少少排排气气损损失失的
10、的主主要要措措施施是是:减减小小排排气气系系统统阻阻力力和和排排气气门处的流动损失。门处的流动损失。2.换气损失换气损失四冲程发动机的换气过程四冲程发动机的换气过程2 2 进气损失进气损失 由于进气系统的阻力,进由于进气系统的阻力,进气过程的气缸压力低于进气管气过程的气缸压力低于进气管压力而产生的损失。与排气损压力而产生的损失。与排气损失相比,它相对较小。失相比,它相对较小。如图所示,排气损失与进如图所示,排气损失与进气损失之和称为换气损失,由气损失之和称为换气损失,由面积面积(Y+X+W)(Y+X+W)所示。在实际示所示。在实际示功图中,将面积功图中,将面积(Y+X-d)(Y+X-d)所表所
11、表示的负功为泵气损失。示的负功为泵气损失。二、四行程发动机的充气效率二、四行程发动机的充气效率 充气效率v是实际进入气缸的新鲜工质量与进气状态下充满气缸工作容积的新鲜工质量的比值 充气效率越大,表明发动机换气质量越好,残留于气充气效率越大,表明发动机换气质量越好,残留于气缸内的废气越少。每循环进入一定气缸容积的新鲜工质量多,缸内的废气越少。每循环进入一定气缸容积的新鲜工质量多,则发动机功率和扭矩可增加,动力性能好。则发动机功率和扭矩可增加,动力性能好。式中 m1、V1实际进入气缸的新鲜工质的质量、体积(进气状态);ms、Vs 进气状态下充满工作容积的新鲜工质的质量、气缸工作容积。1.1.充气效
12、率的概念充气效率的概念 实际发动机充气效率可直接测定,用流量计测出发动机实际发动机充气效率可直接测定,用流量计测出发动机每小时实际充气量每小时实际充气量(m(m3 3/h)/h),理论充气量,理论充气量V(mV(m3 3/h)/h)由下面的公式由下面的公式算出算出式中 vs 气缸工作容积(L);i气缸数;n发动机转速(r/min)。四行程发动机的充气效率四行程发动机的充气效率1.充气效率的概念充气效率的概念2.影响充气效率的因素影响充气效率的因素 影响充气效率的因素有:进气影响充气效率的因素有:进气(或大气或大气)的状态、进气的状态、进气终了的气缸压力和温度、残余废气系数、压缩比及气门正终了的
13、气缸压力和温度、残余废气系数、压缩比及气门正时等。时等。1 1)进气终了的压力)进气终了的压力PaPa 进气终了的压力越高,充气效率越大。四行程发动机的充气效率四行程发动机的充气效率2.影响充气效率的因素影响充气效率的因素 四行程发动机的充气效率四行程发动机的充气效率 对汽油机来讲:节气门开度直接影响对汽油机来讲:节气门开度直接影响PaPa值,当节气门开值,当节气门开度变小,度变小,PaPa不仅下降,且随转速的增加而下降的越快。当节不仅下降,且随转速的增加而下降的越快。当节气门开度一定时,转速增加气门开度一定时,转速增加PaPa下降,充气效率下降。下降,充气效率下降。PaPa主要取决于进气管的
14、阻力系数和气体流速。主要取决于进气管的阻力系数和气体流速。2 2)进气终了温度)进气终了温度TaTa 进气终了温度高于进气状态温度。引起进气终了温度高于进气状态温度。引起TaTa升高的原因是:升高的原因是:1)1)新鲜工质进入发动机与高温零件接触而被加热。新鲜工质进入发动机与高温零件接触而被加热。2)2)新鲜工质与高温残余废气混合而被加热。新鲜工质与高温残余废气混合而被加热。解决方法是,对于增压发动机采用进气中冷;将高温排解决方法是,对于增压发动机采用进气中冷;将高温排气管与进气管分置于气缸两侧;控制进气预热,适当加大气气管与进气管分置于气缸两侧;控制进气预热,适当加大气门叠开角等。门叠开角等
15、。2.影响充气效率的因素影响充气效率的因素3 3)残余废气系数)残余废气系数四行程发动机的充气效率四行程发动机的充气效率 气气缸缸中中残残余余废废气气增增多多,不不仅仅使使 v v下下降降,而而且且使使燃燃烧烧恶恶化化。特特别别是是在在汽汽油油机机低低负负荷荷运运转转时时,因因节节气气门门关关小小,新新鲜鲜充充量量减减少少,会会大大大大增增加加,稀稀释释可可燃燃混混合合气气,使使燃燃烧烧过过程程缓缓慢慢,从从而而造造成成汽汽油油机机低低负负荷荷工工作作不不稳稳定定,经经济济性性和和排排放放性能变差。性能变差。排排气气终终了了时时,排排气气管管内内废废气气的的压压力力高高,说说明明残残余余废废气
16、气密密度度大大,上上升升。与与进进气气过过程程同同理理,P Pr r主主要要决决定定于于排排气气系系统统各各段段管管路路的的阻阻力力和和气气体体流流速速,转转速速增增高高则则 P P r r增增 加加。2.影响充气效率的因素影响充气效率的因素 四行程发动机的充气效率四行程发动机的充气效率4 4)配气正时)配气正时 合理的配气定时可增加合理的配气定时可增加v v。由于进气门迟闭而使。由于进气门迟闭而使1 1,新鲜充量的容积减小,但,新鲜充量的容积减小,但PaPa值却可能因有气流惯性而值却可能因有气流惯性而使进气有所增加,合适的配气定时应考虑使进气有所增加,合适的配气定时应考虑PaPa具有最大值。
17、具有最大值。5 5)压缩比)压缩比 压缩比压缩比增加,压缩面积减小,残余废气量随之减少,增加,压缩面积减小,残余废气量随之减少,因而因而vv有所增加。有所增加。6 6)进气)进气(或大气或大气)状态状态 进气或大气压力高,进气或大气压力高,PaPa也随之增加,新鲜工质密度增也随之增加,新鲜工质密度增大,虽然变化大,虽然变化vv不大,但实际进气量增多。同理,进气或不大,但实际进气量增多。同理,进气或大气温度降低,大气温度降低,TaTa也随之有所下降,工质密度增大,实际也随之有所下降,工质密度增大,实际进气量亦增多。进气量亦增多。三、减少进气系统的阻力三、减少进气系统的阻力 1.1.进气门进气门
18、在整个进气系统中,进气门处的流通截面最小且截面在整个进气系统中,进气门处的流通截面最小且截面变化最大,因此,增大此处的流通能力并减少流动损失,变化最大,因此,增大此处的流通能力并减少流动损失,一直是人们关注的重点。一直是人们关注的重点。非增压四行程发动机的进气系统,是由空气滤清器或加进气消声器、化油器或喷油器、节气门、进气管、进气道和进气门组成;减少各段通路的阻力,增大其流通能力,可以提高充气效率。气门开启的三个阶段简图气门开启的三个阶段简图三、减少进气系统的阻力三、减少进气系统的阻力 1 1)时面值)时面值 表示气门的通过能表示气门的通过能力;与气门的形状和气力;与气门的形状和气门升程有关;
19、随转速的门升程有关;随转速的增加,时面值变小。增加,时面值变小。为气门的时面值dt时间内气门的开启截面积曲轴转角 右图给出的是角面右图给出的是角面值,不随转速变化,而值,不随转速变化,而时面值随速度增加而减时面值随速度增加而减小。小。进进气气马马赫赫数数 M Ma a是是进进气气门门处处气气体体的的平平均均速速度度 V Vm m与与该该处处声声速速c c的的比比值值(M Ma aV Vm m/c c)。它它能能反反映映流流动动对对充充气气效效率率的的影影响响,成成为为分分析析充充气气效效率率的的一一个个特特征征数数。平平均均流流速速 V Vm m定定义义为为:实实际际进进入入气气缸缸的的新新鲜
20、鲜充充量量与与进进气气门门有有效效时时面面值值 F F(t t)之之 比比。根根据据一一系系列列试试验验可可知知,在在正正常常的的配配气气条条件件下下,当当 M Ma a超超过过一一定定数数值值(0 0.5 5左左 右右)时时,便便 v v急急剧剧下下降降,如如下下图图所所示示。当当v v急急剧剧下下降降后后,即即使使提提高高转转速速,因因单单位位时时间间充充气气量量无无法法增增加加,功功率率也也不不能能增增加加。因因此此,必必须须注注意意控控制制 M Ma a值值。解解决决办办法法:增增大大气气门门的的相相对对通通过过面面积积;改改善善气气门门处处的的气气体体流流动动,提提高高流流量量系系数
21、数;合合理理的的配配气气相相位位,是是限限制制 M Ma a值值、提提高高 v v的的有有效效方方法法,这这对对于于高高速速发发动动机机尤尤为为重重要要。2)进气马赫数)进气马赫数减少进气系统的阻力减少进气系统的阻力充气效率与平均进气马赫数的关系图充气效率与平均进气马赫数的关系图2)进气马赫数)进气马赫数减少进气系统的阻力减少进气系统的阻力3)气门直径和气门数气门直径和气门数 增大进气门直径可以扩大气流通路截面积,提高效率。增大进气门直径可以扩大气流通路截面积,提高效率。在双气门在双气门(一进一进排排)结构中,进气阀盘直径可达活塞直径的结构中,进气阀盘直径可达活塞直径的45%-50%45%-5
22、0%,气门与活塞面积之比为,气门与活塞面积之比为0.2-0.250.2-0.25,进气门比排气,进气门比排气门一般大门一般大15%-20%15%-20%,但由于受到结构限制,进一步增大比例,但由于受到结构限制,进一步增大比例已很困难。已很困难。为了进一步增大进气门流通截面,采用了多气门结构,为了进一步增大进气门流通截面,采用了多气门结构,如下图所示。根据优化气门数和进气门开启面积的关系可知,如下图所示。根据优化气门数和进气门开启面积的关系可知,缸径大于缸径大于80mm80mm时,采用二进二排结构;缸径小于时,采用二进二排结构;缸径小于80mm80mm时,采时,采用三进二排结构,可获得最大开启面
23、积,进气体积流量可大用三进二排结构,可获得最大开启面积,进气体积流量可大幅度增加。由此可知,四气门机与二气门机相比,功率可提幅度增加。由此可知,四气门机与二气门机相比,功率可提高高70%70%,扭矩可提高,扭矩可提高30%30%,且响应性比增压机好,故是汽车发,且响应性比增压机好,故是汽车发动机高功率化的有力措施。动机高功率化的有力措施。减少进气系统的阻力减少进气系统的阻力气门数与进气门开启面积的关系气门数与进气门开启面积的关系 另外,另外,多气门机构还具有易实现可变技术,改善低速、低负荷性能;布置多气门机构还具有易实现可变技术,改善低速、低负荷性能;布置紧凑燃烧室,火花塞紧凑燃烧室,火花塞(
24、或喷油嘴或喷油嘴)放置在燃烧室中央,从而改善燃烧,减小运动放置在燃烧室中央,从而改善燃烧,减小运动件质量,利于高速化等优点。因此,国外轿车件质量,利于高速化等优点。因此,国外轿车3/43/4以上均采用多气门机构以上均采用多气门机构。3)气门直径和气门数气门直径和气门数减少进气系统的阻力减少进气系统的阻力 四四气气门门机机与与二二气气门门机机相相比比,功功率率可可提提高高70%70%,扭扭矩矩可可提提高高30%30%,且且响响应应性性比比增增压压机机好好,故故是是汽汽车车发发动动机机高高功功率率化化的的有有力力措施。措施。3)气门直径和气门数气门直径和气门数减少进气系统的阻力减少进气系统的阻力
25、适当增加气门升程,改进凸轮型线,减小运动件质量,适当增加气门升程,改进凸轮型线,减小运动件质量,增加零件刚度,在惯性力允许条件下使气门开闭得尽可能快,增加零件刚度,在惯性力允许条件下使气门开闭得尽可能快,从而增大时面值,提高通过能力。最大气门升程与阀盘直径从而增大时面值,提高通过能力。最大气门升程与阀盘直径之比之比L/dL/d取取0.26-0.280.26-0.28。4)气门升程气门升程减少进气系统的阻力减少进气系统的阻力 应注意改善气门处流体动力性能,如气门头部到杆身的过应注意改善气门处流体动力性能,如气门头部到杆身的过渡形状,气门和气门座的锐边等,都会影响气流的剥离,从渡形状,气门和气门座
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