汽车发动机原理课件.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第,1,章 工程热力学基础知识,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第,2,章 发动机循环与性能指标,2.1,发动机的理论循环,第,2,章 发动机循环与性能指标,2.1,发动机的理论循环,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第三章 发动机换气过程,4.1,发动机换气过程,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第,5,章 汽油机混合气的形成和燃烧,SDJT UNIVERSITY,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,SDJT UNIVERSITY,第,6,章 柴油机混合气的形成与燃烧,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第,7,章 发动的机特性,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,SDJT UNIVERSITY,第,8,章 发动机废气涡轮增压,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,SDJT UNIVERSITY,第,1,章 工程热力学基础知识,热力学是研究能量（特别是热能）性质及其转换规律的科学。它的主要内容包括三部分：,（,1,）工质的性质。,（,2,）热力学基本定律。,（,3,）热力过程和热力循环。,状态参数,:,描述气体热力状态的物理量。,第一节,热工转换的基础知识,一、工质及其状态参数,基本状态参数：压力 ；温度 ；比体积 。,工质：热、功转换的“媒介”。,常用的状态参数：压力 ；温度 ；比体积 ；内能 ；焓 ；熵 。,（一）,压力,p,2,单位：,Pa,，,3,压力的表示,压力,绝对压力,相对压力,状态参数：绝对压力,1,单位面积上所作用的垂直力称为压力,p,。,工程上常用,kPa,与,Mpa,。,1,Pa=1N/m,2,，,1.1,热工转换的基础知识,（二）,温度,T,2,单位：,开尔文（,K,）,热力学温度与摄氏温度：,T=t+T,o,状态参数：热力学温度（绝对温度）。,式中：,T,o,=273.15K,（水的冰点的热力学 温度,),。,1,温度表示气体冷热的程度。气体分子运动速度愈高，平均动能愈大，温度愈高。,1.1,热工转换的基础知识,（三）,比体积,v,单位：,m,3,/kg,单位质量的物质所占有的体积。,式中：,比体积；,mkg,的工质占有的体积；,工质的质量。,1.1,热工转换的基础知识,二、,理想气体状态方程式,1,理想气体,假设：（,1,）分子不占有体积；（,2,）分子间无吸引力。,发动机所用工质都近似地看作理想气体。,.,理想气体状态方程,1kg,理想气体：,pv=RT,mkg,理想气体：,pV=mRT,式中：,R,气体常数,J/(kgK),。,3.pv,图（示功图）,p,v,p,1,v,1,v,2,p,2,1.1,热工转换的基础知识,三、热力过程及其功量,（一）热力系统和热力过程,热力系统：,某宏观尺寸范围内的工质作为研究对象，称为热力系统。,热力过程：,工质由某一状态变化到另一个状态所经历的全部过程的总和。,（二）,热力过程的功量（示功图）,工质由上止点膨胀到下止点，此过程的功量。,p,v,1.1,热工转换的基础知识,设：,A,活塞截面面积；,dx,活塞移动距离。,工质对活塞作的功为：,v,增大,w,为“,+”,工质对活塞作功。,v,减小,w,为“,-”,活塞对工质作功。,工质膨胀过程：,dw,=,pAdx,=,pdv,1.1,热工转换的基础知识,四、工质的比热容,C,（一）定义,单位量的物质作单位温度变化时所吸收或放出的热量。,式中：,dq,工质在某一状态下温度变化,dT,时所吸收或放出的热量。,1.1,热工转换的基础知识,1,比定容热容,C,v,：,比定容热容,:,加热时气体容积不变。,2,比定压热容,C,p,：,比定压热容,:,加热时气体压力不变。,（二）比定容热容和比定压热容,1.1,热工转换的基础知识,定容加热,工质的比热：,加入的热量,:,Q,1,=mC,v,(T,2,T,1,),定压加热,工质的比热：,加入的热量,:,Q,2,=mC,p,(T,2,T,1,),分析加热过程,温度升高相同,1.1,热工转换的基础知识,同样使温度升高,1,（或,1K,），而定压加热过程需要加入的热量要比定容加热过程大，即,C,p,C,v,。,绝热指数,:K=C,p,/C,v,1.1,热工转换的基础知识,（三）,真实比热容和平均比热容,比热容与压力无关，是温度的函数。,式中：,a,、,b,、,c,是常数。,相应于每一温度下的比热容称为真实比热容。,1.1,热工转换的基础知识,C,m,称为平均比热容。,（四）定比热容：,温度变化不大，把比热容看成常数。,1.1,热工转换的基础知识,第二节 热力学第一定律,一、功、热量和内能,（一）工质的功量,W,（二）热量,Q,（三）工质的内能,外界给系统加热,Q,为“,+”,，系统放热,Q,为“”。,1,工质内部所具有的总能量。,p,v,1.2,热力学第一定律,分子热运动的动能，,分子间的吸引作用的位能,内能,理想气体分子间无吸引力，无位能。,是,T,的函数。,是,v,的函数。,内能是温度的单值函数。,1.2,热力学第一定律,内能为状态参数。只与工质的初、终状态有关，与工质由状态,1,变化到状态,2,所经历的过程无关。,mkg,Q,T,1,T,2,定容加热,mkg,Q,2,T,1,T,2,G,定压加热,p,v,1,2,1.2,热力学第一定律,2,内能的计算,1.2,热力学第一定律,（一）热力学第一定律,（二）封闭系统能量方程式,二、热力学第一定律,式中：,q,外界加给,1kg,工质的热量（,J/kg,）；,w,1kg,工质对外界作的功（,J/kg,）；,u,1kg,工质内能的增量（,J/kg,）。,能量守恒定律,1.2,热力学第一定律,三、熵及温熵图,熵是一个导出的状态参数，它的定义式是：,式中：,d,q,系统与外界交换的微元热量；,T,热力过程时的温度。,熵的定义：熵的增量等于系统在热力过程中交换的热量除以传热时的热力学温度所得的商。,熵是状态参数。,1.2,热力学第一定律,1.2,热力学第一定律,温熵图,1.2,热力学第一定律,第三节 气体的热力过程,（二）气体状态参数的变化,v,1,=,v,2,或,绝对压力与绝对温度成正比,式中,为压力升高比。,一、定容过程,（一）定容过程方程式为,：,v,=,常数,pv=RT,1.3,气体的热力过程,定容过程的膨胀功,（三）能量变化,因,dv=0,，所以,W=0,。,2,内能,1,功量,1.3,气体的热力过程,3,热量,：根据比热容的定义,1.3,气体的热力过程,4.,熵,熵的定义：,熵变,S,为,1.3,气体的热力过程,二、定压过程,（一）过程方程式,p=,常数,（二）气体状态参数的变化,比体积与绝对温度成正比。,预膨胀比,pv=RT,1.3,气体的热力过程,（三）能量变化,1,功量：,定压过程中气体所作的膨胀功为：,2,内能：,1.3,气体的热力过程,3,热量,：根据比热的定义,及,C,p,=,常数,1.3,气体的热力过程,4.,熵,熵的定义：,熵变,S,为,1.3,气体的热力过程,三、定温过程,（一）过程方程式,T,=,常数，即,pv,=,常数,（二）气体状态参数的变化,1.3,气体的热力过程,四、绝热（等熵）过程,系统与外界无热交换,（一）过程方程式,=,常数,K,绝热指数,1.3,气体的热力过程,公式推导,对,求微分：,1.3,气体的热力过程,上式乘,得：,常数,常数,常数,1.3,气体的热力过程,（二）气体状态参数的变化,绝热压缩终了温度：,同理，绝热膨胀终了温度：,1.3,气体的热力过程,（三）能量变化,1.,功量：,2,内能：,3,热量,：,4.,熵：,1.3,气体的热力过程,五、多变过程,常数,多变指数,=0,，,常数,定压过程,=1,，,常数,定温过程,常数,绝热过程,常数,定容过程,1.3,气体的热力过程,第四节 热力学第二定律,一、热力循环与热效率,（一）热力循环,1.4,热力学第二定律,（二）热效率,1.4,热力学第二定律,二、热力学,第二定律,不可能创造出只从热源吸收热量作功而不向冷源放热的热机。,热量不可能自发地从冷物体转移到热物体。,1.4,热力学第二定律,第,2,章 发动机工作循环与性能指标,发动机循环,理想循环,实际循环,发动机性能,经济性,动力性,可靠耐久性,使用维修性,排放噪声性,加工工艺性,经济性、动力性、排放、振动、噪声,主要研究,第一节 发动机理论循环,第,2,章 发动机循环与性能指标,一、三种基本循环,（一）简化条件：,（,1,）假设工质为理想气体，其比热容为定值。,（,2,）假设工质在闭口系统中作封闭循环。,（,3,）假设压缩与膨胀过程是绝热等熵过程。,（,4,）假设燃烧是定容或定压加热。工质放热为定容放热。,（二）理论循环,ac,绝热压缩；,cz,定容加热,zz,定压加热；,zb,绝热膨胀,ba,定容放热。,高速柴油机近似为混合加热循环。,燃烧过程基本上由定容燃烧和定压燃烧两个阶段组成。,1,混合加热循环,2,定容加热循环,汽油机中混合气燃烧迅速，近似为定容加热循环。,ac,绝热压缩；,cz,定容加热,zb,绝热膨胀；,ba,定容放热。,3,定压加热循环,高增压和低速大型柴油机，工作循环近似为定压加热循环。,受燃烧最高压力的限制，大部分燃料在上止点后压力基本上一定的情况下燃烧。,ac,绝热压缩；,cz,定压加热,zb,绝热膨胀；,ba,定容放热。,二、评定指标,循环热效率,循环平均压力,1,循环热效率,评定循环经济性,式中,W,循环所做的功,（,J,）,；,循环加热量（,J,）；,Q,2,循环放出的热量（,J,）。,2,循环平均压力,评定循环的做功能力,式中,W,循环所做的功（,J,）；,V,s,气缸工作容积（,L,）。,式中,压缩比,；,压力升高比；,预膨胀比；,K,绝热指数。,混合加热循环,；,混合加热循环循环平均压力,式中,压缩始点的压力（,kPa,）。,定容加热循环,预膨胀比：,=1,定压加热循环,压力升高比：,=1,循环平均压力,循环热效率,三、理论循环分析,1,压缩比,T,z,相同,高的,aczba,比,低的循环,aczba,具有较大的平均吸热温度和较低的平均放热温度，所以,高的 较高。,定容加热循环热效率与压缩比的关系,较低时，提高 ，增长很快；在 较大时，再增加 ，增加缓慢。,汽油机：，爆燃,10,2,绝热指数,K,K,值越大，,愈高。空气,K=1.4,，稀混合气,K,值增大，而混合气中燃料蒸气较多时，,K,值减小。,3,压力升高比,定容加热循环：,Q,1,增加，,正比增大，,若不变，则膨胀比不变，,Q,2,也增加，,Q,2/,Q,1,不变，,不变，但 增大。,T,S,混合加热循环：,和,不变时，,增大,减小,，,减小,t,提高,也提高。,4,预膨胀比,定压加热循环：,Q,1,增加，,增大，,若不变，平均膨胀比减小，,Q,2,增加，,t,下降。,b,Z,b,混合加热循环：,和,不变时，,增大,减小,，,增大,t,下降,也下降。,5.,三种理论循环比较,（）初态相同，,Q,1,和,相等,.,Q,1,和循环最高压力相等,第二节 四行程发动机的实际循环,第,2,章 发动机循环与性能指标,示功图：气缸内工质的压力,p,随气缸工作容积,v,或曲轴转角,变化的图形称为示功图。,一、实际循环进行过程,第,2,章 发动机循环与性能指标,2.2,发动机的实际循环,实际循环过程,进气过程,rr,a,压缩过程,ab,c,c,燃烧过程,c,cz,膨胀过程,zb,b,排气过程,b,bb,r,第,2,章 发动机循环与性能指标,2.2,发动机的实际循环,进气过程,rr,a,p,r,高于大气压,p,0,：残余废气。,进气终了压力,p,a,：,一般小于大气压力,p,0,或增压压,p,k,。,进气终了的温度,Ta,总高于大气温度,T,0,或增压器出口温度,T,k,高温机件及残余废气加热。,进气系统的阻力。,第,2,章 发动机循环与性能指标,2.2,发动机的实际循环,压缩过程,ab,c,c,压缩过程为多变过程。,作用,:,增大温差，,增大膨胀比，,热功转换效率提高，,有利着火和燃烧。,第,2,章 发动机循环与性能指标,2.2,发动机的实际循环,工质被压缩的程度用压缩比,表示,式中,气缸总容积（气缸最大容积）；,燃烧室容积,(,气缸余隙容积）。,压缩比的大致范围是：,汽油机,=712,柴油机,=1422,增压柴油机,=1215,第,2,章 发动机循环与性能指标,2.2,发动机的实际循环,燃烧过程,c,cz,作用：化学能转变为热能，使工质的压力及温度升高，为膨胀创造条件。,放热量越多,放热时越接近上止点，则热效率越高。,第,2,章 发动机循环与性能指标,2.2,发动机的实际循环,燃烧的最高爆发压力,pz,（,pmax,）及最高温,Tz,（,Tmax,）的数值范围是：,pz,（,MPa,）,Tz,（,K,）汽油机,3.06.5 22002800,柴油机,4.59.0 18002200,增压柴油机,9.013.0,柴油机：压缩比高，燃烧的最高爆发压力,pz,很高；但相对于燃油的空气量大，最高燃烧温度,Tz,值反而比汽油机低。,第,2,章 发动机循环与性能指标,2.2,发动机的实际循环,膨胀过程,zb,b,非绝热过程，有散热损失，漏气损失，补燃和高温热分解；,实际膨胀过程为多变过程。,第,2,章 发动机循环与性能指标,2.2,发动机的实际循环,膨胀终点,b,的压力,p,b,及温度,T,b,的范围是：,p,b,（,MPa,）,T,b,（,K,）,汽油机,0.30.6 12001500,柴油机,0.20.5 10001200,柴油机膨胀比大，转化为有用功的热量多，热效率高，膨胀终了的温度和压力均比汽油机小。,第,2,章 发动机循环与性能指标,2.2,发动机的实际循环,排气终了压力,p,r,高于大气压,p,o,；,压力差,p,r,p,o,克服排气系统阻力。,排气过程,bbr,第,2,章 发动机循环与性能指标,2.2,发动机的实际循环,二、循环指示功,完成一个循环，工质对活塞所做的功。,第,2,章 发动机循环与性能指标,2.2,发动机的实际循环,循环指示功：,czb bc c,代表工质对活塞做的功，故是正功。,r,b,ar r,称为泵气损失，非增压发动机为负功，增压发动机为正功。,增压发动机示功图,第,2,章 发动机循环与性能指标,2.2,发动机的实际循环,第三节 发动机的指示指标,是以工质对活塞做功为基础，用于评定实际循环的好坏。,第,2,章 发动机循环与性能指标,循环指示功：,一、平均指示压力,p,mi,循环指示功,循环质量,气缸工作容积,式中,示功图面积；,示功图纵坐标比例尺；,示功图横坐标比例尺。,第,2,章 发动机循环与性能指标,2.3,发动机的指示指标,平均指示压力：,式中,指示功（,kJ,）；,气缸工作容积,(L),。,单位气缸工作容积的指示功。,第,2,章 发动机循环与性能指标,2.3,发动机的指示指标,二、指示功率,P,i,单位时间所做的指示功。,i,气缸数；,每缸工作容积（,L,）；,发动机转速（,r/min,）；,平均指示压力（,MPa,）。,每缸、每循环工质做的指示功（,kJ,）：,发动机指示功率,(kW),（,i,个气缸每秒所作的指示功）为：,四行程发动机,二行程发动机,行程数,。,式中,第,2,章 发动机循环与性能指标,2.3,发动机的指示指标,单位指示功所消耗的燃油量,g/(kWh),。,三、指示燃油消耗率,b,i,式中,指示功率（,kW,）；,每小时耗油量,(kg/h),。,b,i,值的大致范围是：,柴油机,170205 g/(kWh),汽油机,205320 g/(kWh),第,2,章 发动机循环与性能指标,2.3,发动机的指示指标,是实际循环的指示功与所消耗燃料热量之比值。,四、指示热效率,式中,得到指示功,（,kJ,）,所消耗燃料的热量。,1kWh=3.610,3,kJ,，,1kWh,的功需要消耗的热量是,kJ,，,为燃料的低热值,(kJ/kg),。,低热值：不计汽化潜热，,1kg,燃油完全燃烧所放出的热量。,第,2,章 发动机循环与性能指标,2.3,发动机的指示指标,第四节 发动机的有效指标,1,有效功率,P,e,发动机曲轴输出的功率称为有效功率。,一、发动机动力性能,式中,指示功率（,kW,）；,机械损失功率（,kW,）。,2,有效扭矩,功率输出轴输出的扭矩。,：从活塞顶到曲轴输出端功率传递中损失的功率。,摩擦损失、,驱动附件损失、,泵气损失等。,第,2,章 发动机循环与性能指标,2.4,发动机的有效指标,3,平均有效压力,发动机单位气缸工作容积输出的有效功。,值的一般范围是：,汽油机,0.71.3MPa,柴油机,0.61.0 MPa,增压柴油机,0.92.2 MPa,第,2,章 发动机循环与性能指标,2.4,发动机的有效指标,4,转速,n,和活塞平均速度,C,m,单位时间作功次数发动机体积,，,重量,，,功率,式中,S,活塞行程,（,m,）；,活塞平均速度,（,m/s,）。,活塞组的热负荷,曲柄连杆机构的惯性力,磨损,寿命。,不大,燃烧室高度,混合气形成,燃烧,第,2,章 发动机循环与性能指标,2.4,发动机的有效指标,二、发动机经济性能,式中,每小时的耗油量（,kg/h,）；,有效功率,(kW),。,1.,有效燃油消耗率,单位有效功（,1kWh,）的耗油量（,g,）。,第,2,章 发动机循环与性能指标,2.4,发动机的有效指标,2,有效热效率,发动机的有效功 （,kJ,）与所消耗燃油热量 之比值,及 的大致范围是：,汽油机,0.250.3 270325,柴油机,0.30.45 190285,g/kWh,第,2,章 发动机循环与性能指标,2.4,发动机的有效指标,三、发动机强化指标,1,升功率 和比质量,的措施：,提高 和,：衡量发动机容积利用率,表征质量利用率和结构紧凑性,：发动机每升工作容积所发出的有效功率。,：发动机干质量与标定功率之比。,第,2,章 发动机循环与性能指标,2.4,发动机的有效指标,和 值的大致范围：,汽油机,3070 1.44.0,汽车柴油机,1830 2.59.0,第,2,章 发动机循环与性能指标,2.4,发动机的有效指标,2,强化系数,的大致范围是：,汽油机,817MPam/s,小型高速柴油机,611MPam/s,重型汽车柴油机,915MPam/s,数值增大是技术进步的标志。,第,2,章 发动机循环与性能指标,2.4,发动机的有效指标,2.5,发动机环境指标,发动机环境评价指标主要指排气品质、噪声和车内空气污染。由于它关系到人类生存的环境和健康，因此必须制定相应的法规，给予严格控制。,发动机排放对大气的污染已成公害，各国均采取对策并制定相应的控制法规，以限制发动机的排放污染。,一、排放性能,第,2,章 发动机循环与性能指标,2.5,发动机的环境指标,1,排出有害气体,目前主要限制一氧化碳（,CO,）、各种碳氢化合物（,HC,）及氮氧化合物（,NO,x,）三种危害最大的气体排放量。,2,排气微粒,排气中除水以外的任何液态或固体微粒。,一、排放性能,第,2,章 发动机循环与性能指标,2.5,发动机的环境指标,二、噪声,噪声,：指人们不需要并希望设法加以控制和消除掉的声音的总称。,噪声危害,（,1,）,其作用于人的中枢神经系统，使大脑皮层兴奋，抑制失调，产生头疼、脑胀、昏晕、耳鸣、失眠和心慌等症状；,（,2,）影响人的消化系统和内分泌系统。在一定强度的噪声影响下，人们会出现心跳过速、心律不齐、血压增高等症状。,第,2,章 发动机循环与性能指标,2.5,发动机的环境指标,二、噪声,噪声限值,我国噪声标准中规定，轿车噪声不得大于,84dB,。,小汽车（,M1,类车辆）车外噪声限值为,74 dB(A),。,第,2,章 发动机循环与性能指标,2.5,发动机的环境指标,三、车内空气污染,车内空气污染,研究表明，车内空气污染有时会高于车外,10,倍以上，为此，不少国家的环保机构制定了汽车车内环境标准，使得汽车车内各种有害气体的含量有了明确的限值，以确保车内空气污染没有达到对驾乘人员健康产生影响的程度。,第,2,章 发动机循环与性能指标,2.5,发动机的环境指标,三、车内空气污染,车内污染物,主要有甲醛、甲苯及二甲苯、氮氧化物、二氧化硫、二氧化碳、一氧化碳、甲苯二异氰酸酯、总挥发性有机物、可吸入微粒物及细菌等。,第,2,章 发动机循环与性能指标,2.5,发动机的环境指标,2.6,机械损失与机械效率,1,发动机内部运动件的摩擦损失。约占总机械损失的,62%75%,。,2,驱动附属机构的损失。约占总机械损失的,10%20%,。,3,泵气损失。约占总机械损失的,10%20%,。,一、机械损失,：,机械损失而消耗的功率称为机械损失功率。,第,2,章 发动机循环与性能指标,2.6,机械损失与机械效率,二、机械效率,曲轴输出的有效功率与指示功率之比值,式中,平均机械损失压力（,MP,a,）。,第,2,章 发动机循环与性能指标,2.6,机械损失与机械效率,三、机械损失的测定,机械损失功率可通过发动机台架实验测定，常用的实验方法有倒拖法和灭缸法，柴油机还可用油耗线法。,.,1,.,倒拖法,2.,灭缸法,3.,油耗线法（负荷特性法）,第,2,章 发动机循环与性能指标,2.6,机械损失与机械效率,四、影响机械效率的主要因素,1,发动机转速,摩擦副间相对速度,摩擦损失,惯性力,侧压力和轴承负荷均,摩擦损失,泵气损失加大,驱动附件的机械损失增加,第,2,章 发动机循环与性能指标,2.6,机械损失与机械效率,四、影响机械效率的主要因素,负荷一定，变化不大。,由公式可知：转速机械效率。,第,2,章 发动机循环与性能指标,2.6,机械损失与机械效率,2,发动机负荷,变化不大。,，,怠速：,负荷,一定，负荷,，,第,2,章 发动机循环与性能指标,2.6,机械损失与机械效率,3,润滑油品质,润滑油的粘度即稠稀程度，它表示了流体分子之间内摩擦力的大小。,选用润滑油粘度的基本原则是：在保证可靠润滑的条件下，尽量选用粘度小的润滑油。,4,冷却水温度,保证发动机水温正常。,第,2,章 发动机循环与性能指标,2.6,机械损失与机械效率,5.,发动机的技术状况,活塞环与缸套磨损后，间隙增大，漏气增多，指示功率,P,i,下降；,轴与轴承之间的磨损，使机油泄露增加，油压下降，运动件工作表面的润滑不良；,水道中水垢增多，使气缸工作表面温度升高，破坏油膜。,以上都会使机械效率下降。,第,2,章 发动机循环与性能指标,2.6,机械损失与机械效率,第三章 发动机的换气过程,换气过程,排气过程,进气过程,换气过程的任务,排除废气,充入尽可能多的新鲜工质,研究的内容,换气过程的进行情况,分析影响充气效率的各种因素,提高充气效率,减少换气损失,方向与措施,。,找出,第一节,四行程发动机的换气过程,一、换气过程,四行程发动机的换气过程包括从排气门开启到进气门关闭的整个时期，约占,410480,曲轴转角。,换气过程,自由排气,强制排气,进气,气门叠开,1,自由排气阶段,排气门开启到气缸压力接近了排气管压力的这一时期，称为自由排气阶段。,排气提前角：从排气门开启到活塞行至下止点所对应的曲轴转角称为，一般为,30,80,曲轴转角。,自由排气阶段,超临界状态,亚临界状态,（,1,）超临界状态,排气门开启时，气缸内废气压力较高（,0.2,0.5Mpa,），缸内压力与排气管压力之比,1.9,，排气流动处于超临界状态，可利用废气自身的压力自行排出。,通过排气门口废气的流速等于该状态下的音速（,m/s,）,在超临界排气时期，废气流量与排气管内压力,p,r,无关，只与气缸内的气体状态及气门开启截面积有关。并且因排气流速甚高，在排气过程中伴有刺耳的噪声，所以排气系统必须装有消声器。,式中,K,绝热指数；,T,气体的绝对温度；,R,气体常数,N,m/,（,kg,K,）,。,排出的废气量决定于气缸内及排气管内的压力差。压力差越大排出废气越多。当到某一时刻气缸内与排气管内压力相等，自由排气阶段结束（一般下止点后,1030,曲轴转角）。此阶段虽然历程很短，但因排气流速甚高，排出废气量达,60%,以上。,（,2,）亚临界状态,缸内压力与排气管内压力之比下降到,1.9,以下时，排气流动转入亚临界状态，废气流速降低，产生的噪音较小。,高速发动机其排气提前角要大一些：在自由排气阶段中，排出的废气量与发动机转速无关。发动机转速高时，在同样的排气时间（以秒计）所相当的曲轴转角增大，因此，高速发动机排气提前角要大。但不宜过大，否则会使排气损失加大。,2,强制排气阶段：活塞上行强制推出废气。,缸内平均压力高于排气管平均压力：克服排气门、排气道处的阻力，一般高出,10kpa,左右。气体的流速越高，此压差越大，消耗的功越多。,惯性排气。排气迟闭角，一般为,10,35,曲轴转角。,正常进气：活塞下行残余废气膨胀，新鲜气体充入气缸。,惯性进气。进气迟闭角：一般为,40,70,曲轴转角。,准备进气。进气提前角：一般为,0,30,曲轴转角,4.,气门叠开：进、排气门同时开启。,作用：由于进气管、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。,叠开角：进、排气门同时开启时对应的曲轴转角，一般为,20,80,曲轴转角。在增压发动机可达,80,160,的曲轴转角。因其进气压力高。,二、换气损失,换气损失由排气损失和进气损失两部分组成。,1.,排气损失,排气损失是从排气门提前打开，直到进气行程开始，气缸内压力到达大气压力之前，循环功的损失。,（,1,）自由排气损失（图中面积,W,），是由于排气门提前打开而引起的膨胀功的减少。,（,2,）强制排气损失（图中面积,Y,），是活塞上行强制推出废气所消耗的功。,减少排气损失的主要措施是：减小排气系统阻力和排气门处的流动损失。,随着排气提前角增大，自由排气损失面积增加，强制排气损失面积减小，如图中,b,曲线，如排气提前角减少则强制排气损失面积增加，如图中,c,曲线。所以最有利的排气提前角应使面积（,W+Y,）之和最小。,2,进气损失,进气损失：因进气系统的阻力而引起的功的损失。,排气损失与进气损失之和称换气损失，即图中面积,(W+X+Y),。在实际循环示功图中把面积,(x+y-d),相当的负功称为泵气损失。这部分损失放在机械损失中加以考虑。,第二节 四行程发动机的充气效率,第三章 发动机的换气过程,式中,m,1,、,V,1,实际进入气缸的新鲜工质的质量、体积（进气 状态）；,m,s,、,V,s,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。,一、充气效率,充气效率是实际进入气缸的新鲜工质的质量与进气状态下充满气缸工作容积的新鲜工质的质量的比值。,第三章 发动机换气过程,4.2,发动机的充气效率,二、影响充气效率的因素,（一）充气效率,v,的表达式,1,）进气门关闭时缸内气体的总质量,m,a,假定进气门关闭时气缸容积为（,Vs,+Vc,），此时缸内气体压力、温度、密度为,Pa,、,Ta,、,a,，则缸内气体的总质量为,2,）排气门关闭时缸内残余废气的质量,假定排气门关闭时缸内体积为,Vr,，残余废气的压力、温度、密度为,Pr,、,Tr,、,r,，则残余废气的质量为,第三章 发动机换气过程,4.2,发动机的充气效率,3,）充入气缸新鲜充量的质量为,第三章 发动机换气过程,4.2,发动机的充气效率,经变换推导得,式中,Pa,、,Ta,进气状态的温度和压力；,Ts,、,Ps,进气终了时的气体温度和压力；,残余废气系数，即进气过程结束时气缸内残余废气量与气缸内新鲜充量的比值；,压缩比。,第三章 发动机换气过程,4.2,发动机的充气效率,（二）影响充气效率的因素,1,进气终了时的压力,Pa,Pa,对 有重要影响，,Pa,愈高，值愈大,Pa=Ps-Pa,式中，,p,a,为气体流动时，克服进气系统阻力而引起的压降,(kPa),。一般可写成,式中,管道阻力系数；,进气状态下气体的密度；,V,管道内气体的流速（,m/s,）。,可见，,p,a,主要取决于各段管道的阻力系数和气体流速。若大、高时，,p,a,增加，使,p,ca,下降。,第三章 发动机换气过程,4.2,发动机的充气效率,转速和负荷对进气压力的影响,1,）转速,当节气门位置一定时，,n,增加，,Pa,降低。,2,）负荷,汽油机：当节气门关小时，节流损失增加，引起,Pa,下降。,且,Pa,随转速的增加而下降的愈快，即曲线变化愈陡。,柴油机：负荷调节为“质调节”，负荷减小时,Pa,变化很小。,第三章 发动机换气过程,4.2,发动机的充气效率,2,进气终了的温度,Ta,进气终了的温度,Ta,高于进气状态温度。引起,Ta,升高的原因是,:,1,）新鲜工质进入发动机与高温零件接触而被加热。,2,）新鲜工质与高温残余废气混合而被加热。,3,）在化油器式汽油机上，为了使液体燃料在进气管中蒸发，以便均匀地与空气混合而进入气缸，一般都采用废气或冷却水热量对进气管加热，故空气经过进气管时受热而温度升高。,措施：将高温排气管与进气管分置于气缸两侧，控制进气预热，适当加大气门叠开角等，均有利于降低,T,ca,。,第三章 发动机换气过程,4.2,发动机的充气效率,转速和负荷对,Ta,的影响,1,）转速：当负荷不变而转速增加时，由于新鲜工质与缸壁等接触时间短，传热量少，所以,Ta,稍有下降。,2,）负荷：当转速不变而增加发动机负荷时，缸壁等零件温度升高，,Ta,有所上升。,3.,残余废气系数,1,）增加，降低，燃烧恶化，油耗、排放增加，,2,）压缩比提高，残余废气系数减小。,3,）排气压力高，废气多，充气效率降低。,4,）排气系统阻力大，排气压力高，废气多。,第三章 发动机换气过程,4.2,发动机的充气效率,4.,配气定时,由 的计算公式可见，由于进气门迟闭而 ,1,新鲜充量的容积减小,但,Pa,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,Pa,具有最大值。,5.,压缩比,压缩比增加,压缩容积减小,残余废气量随之减小,因而有所增加。,第三章 发动机换气过程,4.2,发动机的充气效率,第三节 提高充气效率的措施,进气系统：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、进气道和进气门等组成。,减少各段通道的阻力，增大其流通能力，是提高充气效率，改善发动机性能的主要途径。,一、进气门,1.,时面值,气门开启断面与对应开启时间的乘积称为气门开启的时面值。它表示气体流过气门的通过能力。气门开启时间长，开启断面大，则气门开启时面值大，气流通过能力越强，阻力越小。,增大进气门头部直径，减小气门头部锥角，增大气门升程，延长气门开启时间，均可扩大气门开启时面值。,第三章 发动机换气过程,4.3,提高充气效率的措施,2.,进气马赫数,M,进气马赫数,M,是进气门气流平均速度,Vm,与该处音速,C,之比，即,M=Vm/C,。,M,是决定气流流动性质的重要参数。,M,值,反映气体流动和气门结构尺寸的关系，对充气效率有重要的影响。,第三章 发动机换气过程,4.3,提高充气效率的措施,根据一系列试验可知，在正常的配气定时条件下，当超过一定数值时，大约在,0.5,左右，充气效率急剧下降。因此在可能条件下应控制在最高转速时不超过一定数值，以达到提高充气效率的目的。,第三章 发动机换气过程,4.3,提高充气效率的措施,3.,气门直径和气门数,进气门直径增大，扩大气流通路截面积增加，,v,提高。,双气门（一进一排）：进气门直径可达活塞直径的,45%50%,，气门与活塞面积之比为,0.20.25,，进气门比排气门大,15%20%,。,受结构限制，进一步增大比例已很困难。,第三章 发动机换气过程,4.2,提高充气效率的措施,多气门结构,：,缸径大于,80mm,时，采用二进二排结构；,缸径小于,80mm,时，采用三进二排结构。,第三章 发动机换气过程,4.3,提高充气效率的措施,四气门机与二气门机相比，功率可提高,70%,，扭矩可提高,30%,，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。,第三章 发动机换气过程,4.3,提高充气效率的措施,4.,气门升程,气门升程增加、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尽可能快，以增大时面值，提高充气效率。,最大气门升程与阀盘直径之比,L/d,取,0.260.28,。,第三章 发动机换气过程,4.3,提高充气效率的措施,5.,减少气门处的流动损失,第三章 发动机换气过程,4.3,提高充气效率的措施,二、进气道和进气管,保证足够的流通面积，避免转弯及截面突变，改善表面的光洁程度。,汽油机：燃料的雾化、蒸发、分配、压,力波的利用,柴油机：形成进气涡流,高转速、大功率时，进气管宜短粗；,中、低速，进气管宜细长。,三、空气滤清器,第三章 发动机换气过程,4.3,提高充气效率的措施,第四节 合理选择配气定时,在配气定时各参数中，进气门迟闭角的改变，对充气效率,v,影响最大。,v,在某一转速下达到最高值，此转速下能最好地利用气流的惯性充气。,进气迟闭角增大，,v,最大值对应的转速增加,第三章 发动机换气过程,4.4,合理选择配气定时,排气提前角：保证排气损失最小的前提下，尽量,晚开 排气门。,转速增加，排气提前角增大。,气门叠开角：可以增加循环充量，提高充气效率，,降低高温零件的热负荷，减少,NOx,。,第三章 发动机换气过程,4.4,合理选择配气定时,第五节,进气管的动态效应及进气管长度,动态效应,由于间歇进、排气，进、排气管存在压力波，在用特定的进气管条件下，可以利用此压力波来提高进气门关闭前的进气压力，增大充气效率。,压力波增压系统具有结构简单、惯性小、响应快等优点，适于频繁变工况的车用。,分为惯性效应与波动效应两类,。,第三章 发动机换气过程,4.5,进气管的动态效应及进气管长度,（,1,）进气管的惯性效应,在进气行程前半期，由于活塞下行的吸入作用，气缸内产生负压，新鲜工质从进气管流入，同时传出负压波，经气门、气道沿进气管向外传播，传播速度为声速。当负压波传到稳压室等空腔的开口端时又从开口端向气缸方向反射回正压波，如果进气管的长度适当，从负压波发出到正压波返回进气门所经历的时间，正好与进气门从开启到关闭所需时间配合，即正压波返回进气门时，正值进气门关闭前夕，从而提高了进气门处的进气压力，达到增压效果。,1.,进气管的动态效应,第三章 发动机换气过程,4.5,进气管的动态效应及进气管长度,（,2,）进气管波动效应,当进气门关闭后，进气管的气柱还在继续波动，对各气缸的进气量有影响，这称为波动效应。,进气门关闭时，进气管内流动的空气因急速停止而受到压缩，在进气门处产生正压波，该波在进气管内来回传播。如果使正压波与下一循环的进气过程重合，就能使进气终了时压力升高，因而提高充气效率。,第三章 发动机换气过程,4.5,进气管的动态效应及进气管长度,转速与管长（一）,压力波的固有频率,f,1,（,1/s,）为,:,当发动机转速为,n,（,r,min,）时，进气频率,f,2,（,1,s,）为,:,第三章 发动机换气过程,4.5,进气管的动态效应及进气管长度,转速与管长（二）,对惯性效应，发动机进气周期应与压力波半周期相配，即,:,对波动效应,:,当 时，正好与正的压力波相重合，使,v,增加。当,q,