内燃机的换气过程.docx

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内燃机的换气过程

内燃机的换气过程

内燃机的换气过程是内燃机排出本循环的已燃气体和为下一循环吸入新鲜充量（空气或可燃混合气）的进排气过程,它是工作循环得以周而复始不断进行的保证。

对四冲程内燃机而言，换气过程是指从排气门开启到进气门关闭的整个过程。

对大部分二冲程内燃机而言，换气过程即为从排气口打开到关闭的整个过程。

在内燃机换气过程中，有时为了控制内燃机的NOx有害排放，还需要进行排气再循环（可分为外部ECR和内部EGR）。

内燃机采用增压技术可以提高进气密度，从而提高发动机的功率，并改善经济性和排放［1］。

内燃机的性能很大程度上依赖其换气过程,为提高动力性和经济性指标，需要研究减少进排气流动阻力损失和提高充量系数的措施及方法，以及如何为燃烧提供一个合适的缸内气体流场，并保证多缸机的各缸均匀性等.

第一节四冲程内燃机的换气过程

图4—1所示是四冲程内燃机换气过程的示意图,其中图4—1a为内燃机的配气相位与换气过程p—V示功图。

排气门在下止点前1点开启，由于缸内压力高，燃气快速流出，缸内压力随即迅速下降。

在进排气上止点前，进气门在3点打开，此时，排气门尚未关闭，出现一段时间的气门叠开期，排气门在上止点后2点关闭。

进气门打开初期，由于进气道与缸内压差小，进气流量小，随着活塞运动的加快，造成了缸内较大的真空度，使得中后期的进气速度提高，最后进气门在下止点后4点关闭。

进排气门迟闭角的设计，同它们提前开启一样,是为了增加进排气过程的时面值或角面值,利用气体流动的惯性，增加进气充量或废气的排出量。

四冲程内燃机的换气过程可分为排气、气门叠开、进气三个阶段，图4—1b表示了进排气门的升程和气缸压力随曲轴转角的变化情况。

图4-1四冲程内燃机换气过程的示意图

a）配气相位与低压p—V示功图b）气门升程与p—

示功图

IVO一进气门开启角IVC一进气门关闭角EVO一排气门开启角EVC一排气门关闭年

Vc一余隙容积Vs一气缸工作容积

一、排气过程

由于受配气机构及其运动规律的限制，排气门不可能瞬时完全打开，气门开启有一个过程，其流通截面只能逐渐增加到最大；在排气门开启的最初一段时间内，排气流通截面积很小，废气排出的流量小。

如果排气门刚好在膨胀行程的下止点才开始打开，气门升程小，排气流通截面积小，排气不畅,气缸压力下降迟缓，活塞在向上止点运动强制排气时,将大大增加排气冲程的活塞推出功。

所以内燃机的爿汽门都在膨胀行程到达下止点前的某一曲轴转角位置提前开启，这一角度称为排气提前角。

排气提前角的范围为30º-80º（CA），视发动机的工作方式、转速、增压与否而定，一般汽油机的排气提前角小些，柴油机的大些,增压柴油机的更大一些。

按燃气对活塞做功的性质,排气过程可分为自由排气和强制排气两个阶段;按排气流动的性质,排气过程又可分为超临界排气和亚临界排气两个阶段[2]。

从排气门打开到排气下止点这段曲轴转角内，缸内气体压力高于排气管内的排气背压，缸内气体一边对活塞做功，一边可以自动地排出缸外，称为自由排气阶段。

活塞经过下止点后向上止点运动，活塞推动缸内气体，强制排出机外。

从下止点到上止点的排气过程又称为强制排气过程。

强制排气过程需要消耗发动机的有效功.

在排气过程的初期，由于缸内压力较高，排气管内气体压力与气缸压力之比往往小于临界值［2／（k+1）］k/（k—1）,排气流过排气门时的流动呈超临界状态,这段排气时期称为超临界排气阶段。

此时缸内气体以当地声速流过排气门,排气的流量只取决于缸内气体状态和排气门有效流通面积的大小，而与排气管内的气体状态无关。

随着排气的进行,缸内气体压力不断下降，排气管压力与气缸压力之比增加,当比值大于临界值［2／（k+1）]k/（k—1）后，气体流动呈亚临界流动状态。

在亚临界流动阶段，气体流出的质量，不仅与排气门的有效流动截面有关,还与缸内和排气管内气体的压差有关。

两种流动状态下缸内气体排出的质量或体积流量计算参见第三章内燃机的热力学模型中有关内容.

在自由排气和强制排气初期，发动机缸内气体压力高,有可能处于超临界排气状态，而在其余大部分曲轴转角上是处于亚临界排气状态。

在超临界排气阶段中排出的废气量与内燃机的转速无关，因而发动机在高速运转时，同样的超临界排气时间对应的曲轴转角将大大增加,为了使气缸压力及时下降，必须适当加大排气提前角，否则将使超临界排气阶段（以曲轴转角计）延长，势必增加活塞强制排气功的消耗。

超临界排气阶段虽然占整个排气时间的比例不大，但由于废气流速高，排出的废气量可以达到60％以上,一般可持续到下止点后10º—30º（CA）.

内燃机的排气门也不是在活塞的排气上止点关闭的,而是有一个滞后角。

一方面可以避

免因排气流动截面积过早减小而造成的排气阻力的增加，使活塞强制排气所消耗的推出功与

缸内的残余废气量增加；另一方面还可以利用排气管内气体流动的惯性从气缸内抽吸一部分

废气，实现过后排气。

排气门在上止点后关闭的角度，叫排气门迟·闭角。

理想的排气门迟闭角是缸内废气流出刚刚停止的时刻或曲轴转角，排气门迟闭角一般为上止点后10º-70º（CA），视发动机的类型而定。

二、进气过程

从进气门开启到关闭，内燃机吸人新鲜充量的整个过程称为进气过程。

为了增加进入气缸的新鲜充量,进气门在吸气上止点前要提前开启，在吸气下止点后应推迟关闭.进气门提前开启的角度称为进气提前角，一般在上止点前10º~40º（CA）之间。

尽管进气门提前开启，新鲜充量的真正吸入还是要等到气缸内残余废气膨胀，压力降至低于进气压力后才开始。

活塞在由上止点向下运动一定角度后速度增加,而此时气门开启还不够充分，缸内的压力迅速降低,这为新鲜充量的顺利流人创造了条件.随着进气门流通面积的加大，以及较高的进气流速，进入气缸的新鲜充量不断增加,再加上燃烧室表面和残余废气对新鲜充量的加热作用，气缸压力逐渐升高。

活塞到达下止点时，进气门并未马上关闭，而是推迟到下止点后某一曲轴转角才关闭，这个滞后角度称为进气门迟闭角.在这段曲轴转角内，活塞虽然已经上行，但进气系统向缸内充气的气流速度依然较高，进气门迟闭正是利用了在进气过程中形成的气流惯性，实现向气缸的过后充气，增加缸内充量。

这样，有可能使得进气过程终了时，缸内压力等于或略高于进气管压力.发动机高速运转时进气流速高，惯性大，进气门迟闭角应相应增大一些。

进气门迟闭角-—般在20º~60º（CA）范围内。

尽管利用过后充气可以有效地增加进入气缸的空气量，但过大的进气门迟闭角，会使得在低速时发生缸内气流倒流进入进气管的现象，也会影响有效压缩比，从而影响压缩终了温度，使发动机的冷起动困难。

因此，合理的配气正时是十分重要的.

三、气门叠开和燃烧室扫气过程

四冲程内燃机换气过程还存在一个特殊的阶段:

在进排气上止点前后，由于进气门的提前开启与排气门的延迟关闭，使内燃机从进气门开启到排气门关闭这段曲轴转角内，出现进排气门同时开启的状态，这一现象称为气门叠开.在气门叠开期间，进气管、气缸、排气管三者直接相通，此时的气体流动方向就取决于三者间的压力差。

气门叠开所对应的曲轴转角叫气门叠开角，因此气门叠开角等于排气迟闭角与进气提前角之和。

内燃机的形式不同,对气门叠开角大小的要求也有所不同.

对于自然吸气发动机，若气门叠开角过大，会出现部分气体倒流的现象，即排气管内废气倒流回缸内,缸内废气倒流至进气管。

对于点燃式内燃机,它是采用节气门来调节发动机的功率，进气管内压力总是低于大气压，在小负荷小节气门开度时更是如此，若进气提前角过大,高温废气有可能倒流进入进气管，引起进气管回火，故这类发动机的气门叠开角一般都比较小.在自然吸气柴油机中，进气管内压力始终接近大气压力，因此可以采用较大的气门叠开角，以提高柴油机在常用转速范围内充量系数。

此外，无论点燃式还是压燃式，转速高的发动机宜采用较大的气门叠开角和气门开启持续期,以提高发动机的充量系数。

对于增压柴油机，由于进气压力高,新鲜充量在正向压差的作用下流入气缸进行扫气，一部分还将流出气缸,进入排气管.增压发动机较大的气门叠开角，一方面有利于扫除缸内的残余废气，增加进入气缸的新鲜充量，另一方面还可以用新鲜充量降低燃烧室内气缸盖、排气门、活塞顶、缸套的温度以及排气的温度,从而减小了发动机及增压器那些受热严重且冷却困难的关键零部件的热负荷，对提高发动机可靠性有显著的效果。

但是过大的叠开角易造成气门与活塞运动的干涉，需在活塞上加工避气门坑,从而影响到燃烧室内气体运动的组织以及发动机的压缩比.此外，过多的扫气还会加重增压器的负担。

增压柴油机气门叠开角一般在80º~140º（CA）之间。

第二节四）中程内燃机的换气损失

前述内燃机的理论循环没有考虑换气过程，或认为换气过程是在严格的稳态下完成的，换气过程没有任何损失,对缸内封闭循环过程没有影响.发动机实际的换气过程却存在因为排气门早开所造成的膨胀功损失、活塞强制排气的推出功损失和缸内负压造成的吸气功损失等.理论循环与实际循环的换气功之差称为换气损失。

图4—2所示为四冲程内燃机在自然吸气与增压条件下的换气损失示意图。

在自然吸气内燃机中，理论循环的换气过程（图4-2a）可以认为是排气行程与进气行程缸内压力线重合于大气压力，换气功为零.而在实际循环中，有排气门早开造成的膨胀功损失（Ⅳ），活塞要消耗一定的功来推出缸内废气（推出功损失X），内燃机还要消耗一定的功来克服吸气时因缸内真空度所形成的阻力（吸气功损失Y）。

从排气门开启直到进气门关闭，发动机消耗在换气过程的功（其值为负）如面积W,X和Y所示（图4—2b），它代表了在换气过程中损失的功。

图4—2四冲程内燃机的换气损失

a）自然吸气内燃机理论换气过程b）自然吸气内燃机实际换气过程

c）增压内燃机理论换气过程d）增压内燃机实际换气过程

W-膨胀损失X一推出损失Y—吸气损失

对于（定压）增压内燃机而言,理论换气过程（图4—2c）是经过压缩的新鲜充量以增压压力

户b等压流人气缸，而废气则以户，等压排出,进气与排气压力值均高于大气压力，且

。

这样，换气过程所获得的功（其值为正）如图中

、

所围成的矩形面积所示。

而在实际的换气过程中（图4—2d），换气损失为图中的W、X和r的面积，泵气过程所获得的泵气功大约为图中矩形面积内部非阴影面积，它小于理论循环值。

一、排气损失

从排气门提前开启到下止点这一时期，由于提前排气造成了缸内压力下降，使膨胀功减少,称为膨胀损失。

活塞由下止点向上止点的强制排气行程所消耗的功称为推出损失,在图2b和图4—2d中分别以面积Ⅳ和X来表示，两者之和称为排气损失。

如图4—3a所示，在发动机转速一定且排气提前角较小时，内燃机的膨胀损失W小，但活塞的推出功损失X将会增加,随着排气提前角的增大,膨胀损失W增加,而推出功损失X则减小。

在排气提前角由小变大的过程中,存在一个最佳的排气提前角，使发动机的排气损失最小。

图4-3排气提前角和转速对排气损失的影响

a）转速不变时排气提前角的影响b）排气提前角不变时转速的影响

发动机的转速对排气损失影响如图4—3b所示。

发动机的转速增加，相同的排气对应的排气时间就变短，通过排气门排出的废气量减少,膨胀损失减少,但却使得缸内压力水平提高，因而活塞推出功大大增加。

一般而言，发动机转速增高时排气损失总体上呈现增加的趋势，所以排气提前角应随转速的增加而适当加大。

减少排气损失的方法除合理确定排气提前角外，还可增加排气门数目，增加流通截面

积。

二、进气损失

与理论循环相比，内燃机在进气过程中所造成的功的减少称为进气损失,如图4—2b、d所示的阴影面积Y。

由于进气道、进气门等处存在流动阻力损失，发动机缸内进气压力线位于大气压力线P0（图4-2b）或增压压力线Pb（图4-2d）之下，两线所围成的阴影部分面积就代表了进气损失.

图4-4换气损失随内燃机转速的变化

图4-4所示是某发