发动机进排气系统.docx
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发动机进排气系统
汽车构造教案
课程名称
汽车构造
课时
授课班级
教学方式
讲授多媒体教学
课题
发动机的进、排气系统
任课教师
教学目
的与要求
1．了解进、排气系统功用；
2．掌握轿车空气滤清器、消声器结构特点；
3．理解曲轴箱强制通风工作原理，废气再循环装置（EGR）工作过程；
4．了解机外净化采用催化反应器净化原理；
5．理解废气涡轮增压工作原理；
6．掌握涡轮增压器结构；
7．了解气波增压、机械增压工作特点；
8．了解了解带放气阀的涡轮增压系统调整过程。
9．了解曲柄连杆机构组成及功用；。
重、难点
曲轴箱强制通风工作原理，废气再循环装置（EGR）工作过程；
机外净化采用催化反应器净化原理；
废气涡轮增压工作原理；
掌握涡轮增压器结构；
气波增压、机械增压工作特点
主要
内容
第一讲
5.1概述
1．进、排气系统作用：
进、排气系统是在内燃机工作循环时，不断地将新鲜空气或可燃混合气送入燃烧室，又将燃烧后的废气排到大气中，保证内燃机连续运转。
2．进、排气系统的组成：
基本装置是由空气滤清器、进气管、排气管和排气消声器等组成。
3．增压和增压技术：
由于排放与噪声法规的要求，现代车用内燃机除了采取完善的燃烧等机内净化措施外，在传统的进、排气系统中又增加了不少机外净化的附件与装置。
并且广泛地采用了增压和增压技术，成为发动机的重要组成部分
5.2进气排气系统
5.2.1进、排气管
一．空气滤清器
空气滤清器功用：
就是滤去空气中的尘埃和杂质，将清洁的空气（或空气与燃油的可燃混合气）送入燃烧室，以减少活塞与气缸套之间、活塞组之间和气门组之间的磨损。
抑制内燃机的进气噪声。
对于汽油机，还可防止化油器回火时火焰向外扩展。
在一些汽油机上，为了降低有害气的排放。
空气滤清分为三种基本的滤清方法：
空气滤清器有惯性式、油浴式、过滤式三类。
惯性式是利用空气中所含尘土与杂质密度比空气大的特点，在空气吸入气缸的途径中使其急速旋转或改变方向，在离心力或惯性力的作用下，将尘土与杂质甩到外围而与空气分离；
油浴式它利用油浴把空气流在转折时甩出的尘土与杂质粘住，避免二次尘土与杂质吸入；
过滤式是引导气流通过带有细小孔的滤芯把尘土与杂质挡在滤芯外面，如纸质滤芯，金属丝滤芯．纤维，多孔陶瓷等。
惯性式空气滤清器以惯性原理构成的旋流器，它对清除空气中较大颗粒的尘土特别有效，其滤清效率约50％一60％，常用作多尘土地区工作的车用内燃机上的空气粗滤器。
油浴式原理构成的油浴式空气滤清器，综合了惯性式和过滤式两种滤清原理，其滤清效率达95％~97％；
过滤式原理构成的纸质等空气滤清器，是在汽车，特别是在小轿车上用得十分广泛的一种，其滤清效率可达99．5％以上，且性能稳定。
纸质空气滤清器在标准含尘条件下正常使用寿命为2一5万千米。
二、进气管
1．进气管是连接空气滤清器和气缸盖进气道之间的管子。
在汽油机上，有时把化油器或电子喷射节气门阀体与气缸盖进气道间的管子称为进气管。
进气管，特别是自然吸气车用高速内燃机进气管，对内燃机的油耗、功率、扭矩、排放等有重要。
2．分类：
因而出现多种结构型式。
大致可归结为：
简单进气管、共振式进气管和带谐振腔的进气管三种（图6—13）。
简单进气管常用在车用柴油机和前几年的汽油机上，这种进气管结构简单，但由于进入各气缸的气流阻力、路程长短和气流方向、速度的差异，致使各气缸进气不均匀。
在电控喷射汽油机上由于喷油器直接在进气门附近喷射汽油，喷射的油雾颗粒细小，进气管无需采取预热措施。
共振式进气管较细长，与各气缸相连的各个管于长度大体一致，能很好的匹配。
共振式进气管与各气缸单独连接，可利用进气气流的脉动效应以增强进气效果。
进气效果的强弱取决于进气管长度，直径和内燃机转速。
带谐振腔的进气管如图5－2c所示，有一个容积较大的谐振腔和无需过长的进气管，就可得到较低的谐振频率。
它与共振式进气管的区别在于其谐振频率不必与进气冲程频率相同（或整数倍），但与谐振腔相连的各个短的进气管间的进气间隔必须相等。
改变谐振腔的容积，可调节内燃机的最大扭矩和相应的转速，但不可能在内燃机整个转速范围内增加扭矩。
带谐振腔的进气管还能降低进气噪声。
5.2.2排气消声器
1．组成;
排气系统常由排气歧管、排气总管、催化反应器、排气消声器、排气尾管等组成。
目前在轿车上流行的排气消声器（图5—4）由前消声器2，中消声器4和后消声器6以及连接管等组成，并焊接成一个整体，以保持消声器的坚固性。
2．消音器原理：
前消声器采用谐振原理（图5－4a）．由三个大小不同的谐振室，彼此由穿孔管8贯通。
穿孔管、隔板和断面的突变是谐振室内的基本声学元件，它们作为声源的发射体．彼此间利用声波的相互干涉和在谐振室内传播的声波又向这些声源反射，从而达到消声的效果。
谐振器对抑制低频声波特别有效。
中消声器采用谐振器和吸声原理（图5－4b）。
两室之间为突然膨胀，从反射孔流出的气体再在穿孔管中折返后排出。
采用吸声原理的后消声器（图5—4c），在穿孔管外面装填了吸声材料。
轿车和载货汽车排气消声器的总容积分别相当于内燃机排量的4~10倍和3~8倍内燃机排量和排气消声器型式而不同。
5.2.3排气的净化装置
1.排气系统中的主要有害物质：
汽车的排放有害物质主要是HC、CO、NOx。
在有害物中，从发动机排气管排出的废气中有HC（约占总HC量的55％）、CO、NOx等。
从曲轴箱的窜气中有HC（约占25％），从油箱和化油浮子室蒸发的HC（约占20％）。
2.在净化排放有害物的方法
主要采用机内净化处理和机外净化两种方法处理。
机内净化处理方法主要是从改善燃料的雾化、蒸发、混合及分配以改善燃烧层进气稀薄燃烧等。
机外净化采用催化反应器净化排放有害物，催化反应器是采用面容比很大的载体表面上的催化剂作为触媒介质，像滤清器那样通过排气将有害成分CO、HC和NOx进行反应而转化为无害的CO2、H2O的一种净化器装置。
3.排气催化反应器的种类：
排气催化反应器可分为两种，即还原型催化反应器和氧化型催化反应器。
催化反废器分为濒粘型的触媒反应器和锭钵型的触媒反应器（图6—33）。
它们是在氧化铝的颗粒（多孔件）表面镀上铂、铑等催化剂或者在格状的氧化铝上镀上催化剂（整体型）。
4。
催化器的材料：
国外所使用的催化剂均系贵重金届，净化率高，寿命长但成本高。
因此一般使用在对排放控制很严的国家。
通常在排气温度为150ºC时催化剂便起作用。
若温度过高就会影响净化器的寿命和效果。
因此，在反应器中部装有温度传感器，当温度达到危险温度时（930ºC）可发出报警信号并使旁通阀自动开启，使高温度气体经催化反应器而直接流入排气消声器。
国内以陶瓷（多孔）作骨架，用氧化铝溶胶浸泡在骨架上经烧结而成，以稀土金属作催化剂的净化装置。
其净化率达80％~90％，寿命达50000km以上。
催化反应器要使用无铅汽油．因排气中的铅化物会堵塞载体和覆盖催化剂表面而使活性下降。
5．废气再循环装置（EGR）
作用：
废气再循环装置（EGR）主要用于净化NOx，是利用废气中的—部分（5％~20％）再引入进气管到气缸。
由于废气中含有H2O、CO2，使混合气热容量提高，从而使燃烧最高温度下降，NOx排出浓度减少。
一般当α＝1左右，废气循环量为20％时，NOx可下降60％~70％，但油耗增加3％。
一般再循环废气量不应越过20％，这种办法在美国使用较多。
废
组成：
气再循环系统装置由EGR阀、EGT调制阀、延迟阀、三向螺线管等组成，如图5－6所示。
它是利用水温传感器感知进气管或散热器水温来控制三向螺线管通电的开、闭，以控制负压通路。
当进气管水温在68ºC以上和散热器的水温在17ºC以上时，螺线管的通电关闭，节气门上的负压通道开通，然后再由EGT调制阀来控制EGR阀。
如图5－7所示。
当排气管背压P′增加或通向EGT调制阀的No.2管的负压作用时，空气（新气）泄漏通道被关闭，负压仅通过No.1管进入，No.3管流出，再通过延迟阀使负压平滑，最后作用于EGT阀的膜片上面的空间，当此负压克服弹簧的压力时．EGR阀开启、废气便从排气管，通过开启的EGR阀开启进入进气管。
当GER阀开启时．若P′变小（小负荷、低速、怠速等），这时空气泄漏阀开启，从NO管来的负压由于泄漏到大气中，这时EGR阀关闭，停止工作。
总之，它是通过排压来控制与吸气空气量成比例的EGR阀。
6。
曲轴箱通风：
目前，多用闭式曲轴箱强制通风装置防止窜气，简称PCV装置，
如图5－8所示。
新鲜空气自空气滤清器1经管C和闭式通气口6进入曲轴箱和窜气混合，从气缸盖罩通入管4，由计量阀3计量后，被吸入进气管。
因此有适量的窜气在气缸内再次燃烧。
计量阀可随发动机运转状况自动调节吸入气缸的窜气量，其结构和原理，如图5－9所示。
在低速或小负荷时，窜气量少，此时，由于进气管真空度较高，阀门被吸向右方（图5—9a），气流通路关小，吸入气缸的窜气量较少。
在加速或大负荷时，窜气量增多，此时进气管真空度变低，计量阀的气流通路开大（图5—9b），因而有较多的窜气量进入气缸再燃烧。
在图5—8所示的闭式通风系统中，当发动机高速大负荷运转时，一旦窜气量过多而不能完全被吸尽时，窜气会从曲轴箱经闭式通气口倒流入空气滤清器，经过化油器2被吸入进气管。
PCV装置可将窜入曲轴箱内的HC完全处理干净，现已得到广泛应用。
7．油箱汽油蒸发气的排出控制装
油箱汽油蒸发气的排出控制装置是将油箱蒸发的气体通过装满活性碳的容器（碳罐）贮藏（吸附）起来，然后再导入进气系统并参加燃烧、防止排入大气污染环境，如图5－10所示。
在燃油箱内产生的蒸气将燃油关断阀的主浮动阀推上，阀关闭。
当阀关闭则液体部分被遮挡。
蒸气部分推开副浮动阀，若蒸气压力超过倾斜阀内的双向阀的设定压力时，双向阀开通．蒸气流向贮藏容器内贮存。
贮藏容器的蒸气在低温时，包括发动机起动时，怠速时，仍向容器中贮存，当发动机低速运转时，根据ECU的信号，循环控制CPC阀（容器清除控制螺线阀）。
使容器内蒸气导入节气门下方进气管，进人燃烧室参加燃烧。
其中，CPC阀的循环控制，是根据在ECU中的存储的程序进行控制的．因此能正确的进行清除蒸气的控制。
5.2.4混合气的预热装置
为促进混合气中燃油颗粒的蒸发，并防止油气在进气管壁凝结，常利用排气管中高温废气的热量对进气管入口处的可燃混合气进行预热。
汽油发动机进、排气管铸在一起，是依靠废气直接对进气管壁进行预热的，其预热作用不能调节。
进气电加热器受安装于水套回流出口处的热酸开关和进气预热继电器控制，当发动机出水温度低于65℃时，热敏开关闭合，进气预热继电器工作。
刚开始，电加热器电阻较小．瞬时加热电流很大，温度迅速升高，1min左右即达60~80℃，3min内即可达到175℃，提高了进气温度，确保发动机起动顺利。
随着进气电加热器温度升高，电阻阻值迅速增大，电流趋于零，电加热器温度不再升高。
待发动机冷却水温达到65℃以上．热敏开关将电路断开。
上海桑塔纳JV型发动机在化油器下面进气歧管内设有冷却水道。
在缸盖安装进排气歧管的平面上，有一斜孔通缸盖水套，在进气歧管上，有一水道与化油器下方混合室周围水套相通。
随发动机温度升高，热的冷却液流经化油器底座下进气歧管内的水套，对吸入气缸的可燃混合气进行预热，促进汽油蒸发、提高油气混合均匀性。
5.3发动机的增压
1。
发动机增压的优点：
降低油耗
提高功率
降低排放本
2．增压技术：
内燃机的功率与转化燃料热能的多少，与供入气缸内的空气（或混合气）的数量成正比。
在气缸容积和内燃机转速不变条件下，供入气缸内的空气（或混合气）的数量与空气密度成正比。
因此，可对进入气缸前的空气进行预压缩来提高内燃机的功率。
凡是能将内燃机进气的空气密度提高到高于周围环境的空气密度的一切方法，统称为“增压”。
实现增压的装置称为压气机或增压器。
3．增压的类型有不同的分类方法
按实现增压所提供的能量
，可分机械增压、废气涡轮增压和气波增压三种基本类型。
机械增压是利用内燃机的一部分机械功驱动压气机。
废气涡轮增压是利用内燃机的一部分排气能量驱动增压器。
废气涡轮增压器与内燃机只有流体联系。
气波增压则是根据压力波的气动原理，利用废气能量直接压缩空气。
由内燃机皮带驱动的增压器转子只是控制并维持气波增压过程。
它与内燃机的传动比是不变的。
一．机械增压
机械增压装置由曲轴驱动的压气机1和相应的传动箱2组成，如图5－13所示。
机械增压压力越高，压气机消耗功率越大。
轿车用的机械增压内燃机，驱动压气机消耗功率10~15kw，为保证内燃机机械效率．增压压力不能过高。
机械增压所用的压气机除离心式压气机外，在车用内燃机还常用罗茨式（Roots－type）、螺杆式和转子活塞式等多种容积式压气机。
罗茨式压气机的主要工作部件是装在两极平行轴上的两个转子，如图5－14所示。
它们彼此不接触，与外体也有间隙（o．25~o．5mm）。
两个转子由一对齿轮同步转动。
工作时，转子凹面与外体间的空气由进气口移向出气口。
转子有两叶和三叶的，其中又分直线型和螺旋型。
两叶转子每旋转一周产生四次供气，三叶转子则为六次供气，罗茨式压气机结构简单、工作可靠，寿命长。
在小气量时增压空气压力不下降，没有不稳定工作区。
供气量与转速成线性关系。
压力增加比（压比）可达到1．8。
机械增压结构紧凑，和内燃机容易匹配，内燃机的加速性好，但传动复杂，油耗高。
二．气波增压
气波增压不同于废气涡轮增压、机械增压。
它是利用气体质点和压力波以及压力波的反射特性，使排气和进气之间进行直接的能量交换，以增大进气的密度。
气波增压器由转子、外体和前、后端盖等组成如图5－15。
在转子上装有纵向叶片，两个叶片间形成梯形截面通道。
转子两端有空气室和排气室，并通过端盖形成专门的定时窗口。
空气沿管路进入气缸。
而通道中的废气在能量转换及膨胀后，压力下降，这时，正好转了转到与排气口接通，低压的废气排出。
膨胀波立即波及转子通道，形成—定负压，并吸入新鲜空气。
如此不断循环，完成进、排气的能量交换。
在转子通道内，废气与空气直接接触，压力波以音速的速度传播，它是废气温度的函数，所以它比空气流动速度快得多，空气被压缩。
气波增压器转子内气体的能量交换是以压力波（音速）的形式进行，它对内燃机工况反应迅速，使气波增压内燃机的加速性好。
低速时空气的压缩程度高，所以扭矩特性也好，能满足车辆的动力性要求。
通道内交替通过废气和新鲜空气，工作温度不太高，不需采用耐热材料，不需冷却。
但体积大，噪声大，安装位置受到一定限制。
三．废气涡轮增压和增压器的冷却
1．废气涡轮增压器工作原理
废气涡轮增压器工作原理如图5－16所示。
柴油机排出的具有800~1000K高温和一定压力的废气，经排气管1进入涡轮壳4里的喷嘴环2。
由于喷嘴环的通过面积是逐渐收缩，因而废气的压力和温度下降，速度被提高，使其动能增加。
这股高速废气流，按一定的方向冲击涡轮3，使其高速旋转。
废气的压力、温度和速度越高，祸轮转得就越快，通过涡轮的废气最后排人大气。
因涡轮3和离心式压气机叶轮8固装在同一转于轴5，所以两者同步旋转。
这样，就将经过空气滤清器的空气吸人压气机壳，高速旋转的压气机叶轮把空气甩向叶轮的外缘，使其速度和压力增加，并进入扩压器7。
扩压器的形状做成进口小出口大，因此气流的流速下降、压力升高，这些压缩的空气经进气管10进入气缸。
2．涡轮增压器
概念：
涡轮增压器是利用内燃机排出的部分废气能量，通过涡轮，驱动压气机，使空气增压的一个装置。
结构：
废气涡轮增压器（图5－17）由压气机（包括压气机叶轮12、压气机蜗壳[等]、涡轮（包括涡轮叶轮5、涡轮蜗壳2等）和中间体3三部分。
中间体内有轴承4，以支承转子总成（压气机叶轮、涡轮叶轮和轴等），还有密封、润滑油路和冷却腔等。
叶片形状
压气机叶轮的叶片形状（图5－18）有前弯叶片、径向叶片和后弯叶片。
前弯叶片压比高，后弯叶片效率高，径向叶片强度高。
叶轮常用铝合金精密铸造。
叶轮通道不需加工。
特点：
车用涡轮增压器广泛使用径流式涡轮（图5—19），废气从涡轮叶轮外缘径向流入涡轮，轴向流出。
因此，也称径流内心式涡轮。
在小流量工作条件下，径流式涡轮效率高，结构简单，可精密铸造，转动惯量小．适于变工况工作。
涡轮叶轮、压气机叶轮、锁紧螺母及密封套等零件装在一根轴上构成涡轮增压器的转子。
涡轮叶轮和压气机叶轮广泛采用背对背、轴承内置结构（图5—17）。
这种结构不影响压气机进口和涡轮出口的流道，气流通畅。
涡轮的高温对压气机影响小，平衡性好。
涡轮叶轮加工后，用氩弧焊、摩擦焊、电子束焊等方法与轴焊接成一体，再最后加工、动平衡。
转子的动平衡精度和轴承的结构是车用小型高速度气涡轮增压器可靠性的关键。
浮动轴承的工作原理：
浮动轴承内、外间隙对轴承工作性能影响很大。
一般内间隙为0．05mm左右，外间隙为0．1mm左右，外间隙约为内间隙的2倍。
浮动轴承的壁厚约3~4．5mm。
浮动轴承分整体式和分开式两种。
整体式浮动轴承是增压器的转子间只用一个轴承。
其结构简单，零件少，止推轴承大为简化。
但工艺要求高，旋转惯性大。
分开式浮动轴承是在转子内侧的两边各放一个轴承。
其尺寸小，旋转惯性小，加工简单，在小型增压器上应用较多。
漏气会降低涡轮增压器效率，而且高温燃气窜入轴承后．使其工作温度上升，引起机油结胶或烧毁轴承。
漏油会堵塞与污染压气机及通往内燃机的进气管和附件。
为阻止机油窜入涡轮和压气机的气体流通部分以及高压空气和高温燃气窜入润滑油道内，在中间体内设有既能封油，又能封气的密封装置。
现代涡轮增压器多采用活塞环密封，活塞环分别装在涡轮和压气机端的密封环槽中，如图5－23所示。
增压器轴承的润滑、冷却（图5－24）都采用内燃机润滑系内的机油，不再单独设置润滑系。
从发动机机油滤清后的压力机油，分出一路进入涡轮增压器中问体上方的机油进口处，到主油道，然后并联的进入两个浮动轴承和推力轴承，流入中间体下部，再回到发动机油底壳。
放气阀的阀门固定在膜片上。
膜片上部通大气，并受弹簧的作用，下部与压气机出口的增压空气相通。
平时，弹簧将放气阀的阀门压在阀座上。
内燃机排气管来的废气不能经阀门旁通到涡轮出口的排气管内。
一旦增压压力对膜片的作用力超过弹簧预压紧力，阀门打开，一部分废气不经涡轮作功而直接从涡轮出口排入大气中，使压气机压缩空气的增压压力回落，以达到空气的增压压力自动调节。
但这种调节只限于在全负荷时的增压空气压力调节。
除机械式的放气阀增压压力调节装置以外，最近又开发出电子增压压力调节装置。
这种调节装置可保证内燃机在部分负荷时仍能调节最佳的增压空气压力。
本章小结
进、排气系统的基本装置是由空气滤清器、进气管、排气管和排气消声器等组成。
现代轿车上普遍使用的纸质空气滤清器，带谐振腔的进气管，焊接成一个整体的排气消声器由前消声器、中消声器和后消声器以及连接管等组成，以保持消声器的坚固性。
在净化排放有害物的方法中，主要采用机内净化处理和机外净化处理两种方式。
废气再循环装置（EGR）主要用于净化NOx，闭式曲轴箱强制通风装置防止窜气，油箱汽油蒸发气的排出控制装置将油箱蒸发的气体通过装满活性碳的容用贮藏起来，然后再导入进气系统并参加燃烧，防止排入大气污染环境。
废气涡轮增压利用废气能量直接压缩空气，提高内燃机的功率。
废气涡轮增压器由压气机、涡轮和中间体三部分组成。
中间体内有轴承、密封、润滑油路和冷却腔等。
采用浮动轴承，降低轴与轴承间的相对速度。
带放气阀的涡轮增压系统对改善柴油机的加速性和低速扭矩特性有良好效果。
备注
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