《内燃机的换气过程》PPT课件.ppt

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1、第四章内燃机的换气过程第一节四冲程内燃机的换气过程第二节四冲程内燃机的换气损失第三节提高内燃机充量系数的措施第四节内燃机的增压第五节二冲程内燃机的换气 第一节四冲程内燃机的换气过程一、排气过程二、进气过程三、气门叠开和燃烧室扫气过程 第一节四冲程内燃机的换气过程 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进气门开启角IVC进气门关闭角EVO排气门开启角EVC排气门关闭角 余隙容积 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 。 在 排 气 门

2、 开 启 的 最 初 一 段 时间 (曲 轴 转 角 )内 ， 气 门 升 程 小 ， 排 气 流 通 截 面 积小 ， 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 ， 则 由 于 排 气 不 畅 造 成气 缸 压 力 下 降 迟 缓 ， 活 塞 在 向 上 止 点 运 动 强 制 排气 时 ， 将 增 加 排 气 冲 程 所 消 耗 的 活 塞 推 出 功 。 所以 内 燃 机 的 排 气 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

3、排 气提 前 角 。 排 气 提 前 角 的 范 围 为 3 0 8 0 (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 。 二、进气过程从 进 气 门 开 启 到 关 闭 ， 内 燃 机 吸 入 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

4、 提 前 开 启 的 角 度称 为 进 气 提 前 角 ， 一 般 在 上 止 点 前 1 0 4 0 (CA)之 间 。 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 。 气 门 叠 开 所对 应 的 曲 轴 转 角 叫 气 门

5、 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 差 异 。 第二节四冲程内燃机的换气损失一、排气损失二、进气损失三、泵气功与泵气损失 第二节四冲程内燃机的换气损失 图4-2四冲程内燃机的换气损失示意图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推出损失Y吸气损失 一、排气损失 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 二、进

6、气损失 图4-4换气损失随内燃机转速的变化 三、泵气功与泵气损失泵 气 功 是 指 缸 内 气 体 对 活 塞 在 强 制 排 气 行 程 和 吸 气 行 程 所 做的 功 ， 泵 气 损 失 则 是 指 与 理 论 循 环 相 比 ， 发 动 机 的 活 塞 在 泵气 过 程 所 造 成 的 功 的 损 失 2 。 从 图 4-2可 以 看 出 ， 对 于 自然 吸 气 发 动 机 ， 它 的 泵 气 功 的 大 小 可 用 图 中 面 积 Y+X表 示 ，对 整 个 循 环 来 说 为 负 功 ， 泵 气 损 失 在 数 值 上 等 于 它 的 泵 气 功 。对 于 增 压 发 动 机 ，

7、 由 于 进 气 压 力 高 于 排 气 背 压 ， 因 此 它 的 泵气 功 大 于 零 ， 其 泵 气 损 失 依 然 可 以 用 图 中 面 积 X+Y来 表 示 ，其 值 为 负 。 第三节提高内燃机充量系数的措施一、四冲程内燃机的充量系数二、提高充量系数的技术措施 一、四冲程内燃机的充量系数1) 降低进气系统的阻力损失，提高气缸内进气终了压力pa。2) 降低排气系统的阻力损失，减小缸内的残余废气系数r。3) 减少高温零件在进气过程中对新鲜充量的加热，以降低进气终了时的充量温4) 合理的配气正时和气门升程规律，在减小mr的同时增加m1，即增加pa，减小r。 二、提高充量系数的技术措施1

8、.降低进气系统的流动阻力2.采用可变配气系统技术3.合理利用进气谐振4.降低排气系统的流动阻力5.减少对进气充量的加热 1.降低进气系统的流动阻力虽 然 充 量 系 数 的 表 达 式 中 不 直 接 反 映 进 气 流 动 过 程 ， 但 所 有 损失 恰 恰 是 由 于 流 动 造 成 的 。 按 进 气 系 统 流 动 阻 力 的 性 质 可 分 为两 类 ， 一 类 是 沿 程 阻 力 ， 即 管 道 摩 擦 阻 力 ， 它 与 流 速 、 管 长 、管 壁 表 面 质 量 等 有 关 ； 另 一 类 是 局 部 阻 力 ， 它 是 由 于 流 通 截 面的 大 小 、 形 状 以 及

9、 流 动 方 向 的 变 化 造 成 局 部 产 生 涡 流 所 引 起 的损 失 。 在 内 燃 机 进 气 流 动 中 ， 由 于 进 气 的 管 道 粗 短 ， 壁 面 比 较光 滑 ， 其 沿 程 阻 力 并 不 大 ， 进 气 流 动 的 局 部 阻 力 损 失 是 主 要 损失 ， 是 一 系 列 不 同 的 局 部 阻 力 叠 加 而 成 ， 尤 其 是 在 空 气 滤 清 器 、流 道 转 弯 处 和 进 气 门 座 圈 处 ， 因 此 ， 降 低 这 些 部 位 的 局 部 阻 力损 失 ， 对 降 低 进 气 系 统 的 流 动 阻 力 ， 提 高 充 量 系 数 有 显

10、著 的 作用 。 1.降低进气系统的流动阻力 图4-5充量系数与平均进气马赫数的关系 1.降低进气系统的流动阻力 图4-6不同进气门数的方案比较I进气门E排气门 1.降低进气系统的流动阻力 0407.tif 1.降低进气系统的流动阻力 0408.tif 2.采用可变配气系统技术1) 低速时，采用较小的气门叠开角以及较小的气门升程，防止出现缸内新鲜充量向进气系统的倒流，以增加低速转矩，提高燃油经济性。2) 高速时应具有最大的气门升程和进气门迟闭角，以最大限度地减小流动阻力，并充分利用过后充气，提高充量系数，满足发动机高速时动力性的要求。3) 配合以上变化，进气门从开启到关闭的进气持续角也进行相应

11、地调整，以实现不同工况下最佳的气门正时，将泵气损失降到最低。 2.采用可变配气系统技术 图4-9发动机转速和进气迟闭角对充量系数的影响 图4-10气门正时和升程变化示意图a) 固定的气门正时和气门升程b) 气门正时不变，气门升程可变c) 气门正时可变，气门升程不变d) 气门正时和气门升程均可变 图4-11三段式凸轮可变配气系统i-VTEC发动机的外特性 3.合理利用进气谐振 图4-12进气管对充量系数的影响a) 进气管长度的影响b) 进气管管径的影响 3.合理利用进气谐振 图4-13可变进气系统及其对发动机性能的影响 4.降低排气系统的流动阻力降 低 排 气 系 统 阻 力 ， 可 以 使 气

12、 缸 内 的 残 余 废 气 压 力 下 降 ， 这 样不 仅 减 小 了 残 余 废 气 系 数 ， 提 高 充 量 系 数 ， 而 且 可 以 减 少 泵 气 损失 ， 提 高 发 动 机 的 热 效 率 。 排 气 系 统 的 设 计 原 则 是 降 低 排 气 背 压 ，减 小 排 气 噪 声 。与 进 气 系 统 一 样 ， 排 气 流 通 截 面 最 小 处 是 排 气 门 座 处 ， 此 处 的流 速 最 高 ， 压 降 最 大 ， 故 在 设 计 时 应 保 证 排 气 门 处 的 良 好 流 体 动力 性 能 。 排 气 道 应 当 是 渐 扩 型 ， 以 保 证 排 出 气

13、 体 的 充 分 膨 胀 。排 气 管 也 存 在 谐 振 现 象 ， 所 希 望 的 谐 振 效 果 是 使 排 气 门 处 的 压力 降 低 ， 以 利 于 排 气 。 良 好 的 歧 管 流 型 与 结 构 也 有 助 于 降 低 排 气流 动 阻 力 ， 特 别 是 对 于 高 速 多 缸 发 动 机 ， 为 避 免 排 气 压 力 波 的 互相 干 涉 ， 用 多 枝 型 排 气 管 或 多 排 气 管 结 构 来 替 代 单 排 气 管 ， 可 以获 得 良 好 的 低 速 转 矩 与 充 量 系 数 。在 排 气 管 中 往 往 还 有 消 声 器 和 排 气 后 处 理 器 (

14、催 化 转 化 器 )， 设 计 时 应 在 保 证 良 好 的 消 声 与 降 污 效 果 的 前 提 下 ， 尽 可 能 降 低 流 动 阻力 。 5.减少对进气充量的加热在 进 气 过 程 中 ， 进 入 气 缸 的 新 鲜 充 量 不 可 避 免 地被 各 种 高 温 表 面 加 热 ， 从 而 导 致 温 度 升 高 ， 使 缸内 进 气 密 度 下 降 ， 充 量 系 数 减 小 。 进 气 温 升 主 要受 发 动 机 的 结 构 与 运 行 参 数 的 影 响 ， 如 进 气 管 结构 、 发 动 机 转 速 、 负 荷 、 冷 却 水 温 度 及 冷 却 水 道设 计 等 。

15、 为 提 高 充 量 系 数 ， 应 尽 量 减 少 对 进 气 的加 热 。 第四节内燃机的增压一、内燃机增压技术概述二、涡轮增压器的工作特性三、排气涡轮增压系统简介四、涡轮增压器与内燃机的匹配五、汽油机的增压技术六、机械增压 一、内燃机增压技术概述1.内燃机的增压方式2.增压对内燃机动力性和经济性的影响3.发动机增压技术的优势与代价 1.内燃机的增压方式(1)机械增压发动机输出轴直接驱动机械增压装置(如螺杆式、离心式、滑片式、涡旋式、转子活塞式等压缩机)，实现对进气的压缩。(2)排气涡轮增压压气机与涡轮同轴相连，构成涡轮增压器，涡轮在排气能量的推动下旋转，带动压气机工作，实现对进气增压。

16、(1)机械增压发动机输出轴直接驱动机械增压装置(如螺杆式、离心式、滑片式、涡旋式、转子活塞式等压缩机)，实现对进气的压缩。 (2)排气涡轮增压 图4-14内燃机增压的几种基本形式a)机械增压b)一级涡轮增压c) 二级涡轮增压d)复合增压E发动机C压气机T涡轮机 3.发动机增压技术的优势与代价优势1) 增压器的质量与尺寸相对发动机而言都很小，增压可以使发动机在总质量和体积基本不变的条件下，输出功率得到大幅度的提高，升功率、比质量功率和比体积功率都有较大增加，因而可以降低单位功率的造价，提高材料的利用率，对于大型柴油机而言，经济效益更加突出。2) 与自然吸气内燃机相比，排气可以在涡轮中得到进一步膨

17、胀，因而排气噪声有所降低。3) 内燃机增压后有利于高原稀薄空气条件下恢复功率，使之达到或接近平原性能。4) 柴油机增压后，缸内温度和压力水平提高，可以使滞燃期缩短，有利于降 低压力升高率和燃烧噪声。5) 增压柴油机一般采用较大的过量空气系数，HC、CO和碳烟排放降低。6) 技术适用性广，适用于从低速到高速的二冲程和四冲程的各种缸径的发动机。 3.发动机增压技术的优势与代价代价1) 增压后缸内工作压力和温度明显提高，机械负荷及热负荷加大，内燃机的可靠性和耐久性受到考验。2) 低速时由于排气能量不足，可能会使发动机的低速转矩受到一定影响，对工程机械和车用造成不利影响。3) 由于在涡轮增压器中，从排

18、气能量的变化到新的进气压力的建立需要一定的时间，所以内燃机的加速响应性能较自然吸气机型差。4) 增压发动机性能的进一步优化，受到增压器及中冷器的限制，其中增压器的问题集中在材料的机械强度、耐热性能、润滑、效率等方面，而对中冷器的要求是体积小、质量轻、效率高。 二、涡轮增压器的工作特性(一) 离心式压气机的工作特性(二) 径流式涡轮机的工作原理 二、涡轮增压器的工作特性 图4-15径流式涡轮增压器结构图1压气机蜗壳2压气机叶轮3推力轴承4压气机端密封座5挡油板6中间壳体7浮动轴承8涡轮叶轮9涡轮蜗壳 (一) 离心式压气机的工作特性1.离心式压气机的工作过程2.压气机中的能量转换3.离心式压气机的

19、特性 1.离心式压气机的工作过程 图4-16离心式压气机工作过程简图a) 离心式压气机简图b) 空气沿压气机通道的参数变化1进气道2工作轮3扩压器4蜗壳 2.压气机中的能量转换 图4-17压气机和涡轮机前后气体状态焓熵图a) 压气机中的焓熵变化b) 涡轮中的焓熵变化 2.压气机中的能量转换 图4-18离心式压气机的流量特性 3.离心式压气机的特性1) 离心式压气机的特性曲线在相同转速的条件下，压气机增压比b和效率b随压气机流量qmb的变化关系，称为压气机的流量特性，简称为压气机的特性。2) 压气机的喘振与堵塞在图4-18中，还有一条压气机的喘振线，是压气机稳定工作的边界。3) 压气机的通用特性

20、压气机特性曲线中的参数，都是在一定的大气状态下测得的。 图4-19压气机损失分析图 图4-20压气机的通用特性曲线 (二) 径流式涡轮机的工作原理1.排气在径流式涡轮机中的流动2.涡轮中的能量转换3.涡轮机特性曲线 (二) 径流式涡轮机的工作原理 图4-21径流式涡轮机的工作简图1进气蜗壳2喷嘴环3工作轮4出气道 1.排气在径流式涡轮机中的流动径 流 式 涡 轮 机 主 要 是 由 进 气 蜗 壳 1、 喷 嘴 环 2、 工作 轮 3以 及 出 气 道 4等 组 成 ， 如 图 4-21所 示 。 涡 轮机 的 工 作 原 理 与 压 气 机 正 好 相 反 ， 内 燃 机 排 气 由进 气

21、蜗 壳 1流 入 喷 嘴 环 2， 喷 嘴 环 是 由 周 向 均 匀 安装 、 带 有 一 定 倾 角 的 多 个 叶 片 组 成 ， 叶 片 之 间 形成 渐 缩 通 道 ， 内 燃 机 高 温 排 气 流 过 喷 嘴 环 时 被 加速 ， 压 力 、 温 度 下 降 ， 速 度 大 大 增 加 ， 一 部 分 排气 能 量 转 化 为 气 流 的 动 能 。 部 分 小 型 涡 轮 常 设 计为 无 叶 喷 嘴 环 结 构 。 2.涡轮中的能量转换与 压 气 机 相 反 ， 涡 轮 机 将 排 气 能 量 通 过 喷 嘴 部 分转 化 为 动 能 ， 并 在 叶 轮 中 进 一 步 膨

22、胀 ， 推 动 涡 轮叶 片 旋 转 ， 从 而 将 排 气 能 量 转 化 为 机 械 功 3.涡轮机特性曲线 图4-22涡轮机的通用特性曲线 三、排气涡轮增压系统简介(一) 定压涡轮增压系统(二) 脉冲涡轮增压系统(三) 定压系统与脉冲系统的比较(四)可变增压系统 三、排气涡轮增压系统简介 图4-23涡轮增压系统的两种基本形式a) 定压系统b) 脉冲系统 (一) 定压涡轮增压系统 图4-24定压涡轮增压柴油机的理论示功图 (二) 脉冲涡轮增压系统脉 冲 涡 轮 增 压 系 统 (简 称 脉 冲 系 统 )旨 在 提 高 在 定 压 系 统 中 损 失 能 量 (面 积 5 -b-e)的 利

23、 用 率 。 这 种 方 案 的 特 点 是 排 气 管 做 得 短 而 细 ， 排 气 系 统 容 积 要 尽 可 能 小 ，使 排 气 能 直 接 迅 速 地 进 入 涡 轮 机 中 膨 胀 做 功 ， 减 少 节 流 损 失 。 此 外 ， 为 减 少各 缸 排 气 压 力 波 的 相 互 干 扰 ， 往 往 采 用 两 根 或 更 多 排 气 支 管 将 相 邻 发 火 气 缸的 排 气 相 互 隔 开 。 图 4 -2 4 b中 ， 发 火 顺 序 为 1 -5 -3 -6 -2 -4 ， 缸 1 、 2 、 3 共 用 一 根 排气 管 ， 缸 4 、 5 、 6 共 用 另 一

24、根 排 气 管 ， 例 如 当 缸 1 开 始 排 气 后 ， 排 气 管 内 的 压力 pT能 够 迅 速 升 高 到 接 近 缸 内 气 体 压 力 p1 ， 因 而 减 少 了 排 气 的 节 流 损 失 ， 而在 缸 1 排 气 过 程 中 ， 同 一 排 气 管 内 其 他 气 缸 尚 无 排 气 门 打 开 ， 与 另 一 排 气 管 中缸 5 排 气 也 不 产 生 排 气 压 力 波 的 相 互 干 扰 。 随 着 排 气 流 入 涡 轮 ， 缸 内 和 排 气 管内 压 力 pT迅 速 下 降 ， 待 到 同 一 排 气 管 内 相 邻 发 火 间 隔 的 缸 3 开 始 排

25、 气 时 ， 缸 1 排 气 门 已 经 关 闭 ， 缸 3 的 排 气 压 力 波 不 会 影 响 缸 1 的 排 气 过 程 。 随 着 缸 3 排 气 的进 行 ， 管 内 的 压 力 pT又 迅 速 升 高 ， 而 后 又 降 低 ， 于 是 形 成 了 排 气 管 内 的 压 力周 期 性 脉 动 。 由 于 排 气 管 内 的 压 力 周 期 性 脉 动 ， 造 成 涡 轮 进 口 压 力 的 周 期 性脉 动 ， 涡 轮 是 在 进 口 压 力 有 较 大 波 动 的 情 况 下 工 作 的 ， 所 以 称 为 脉 冲 涡 轮 增压 系 统 。 (三) 定压系统与脉冲系统的比较1

26、.排气能量的利用2.扫气作用3.内燃机的加速性能4.增压器的效率5.增压系统的结构 1.排气能量的利用脉 冲 系 统 中 ， 由 于 排 气 节 流 所 造 成 的 排 气 能 量 的损 失 比 定 压 系 统 的 小 ， 同 时 还 考 虑 了 对 排 气 脉 冲能 量 的 利 用 ， 而 在 定 压 系 统 中 ， 脉 冲 能 量 由 于 排气 管 容 积 大 而 几 乎 损 失 殆 尽 ， 所 以 脉 冲 增 压 对 排气 能 量 的 利 用 比 定 压 增 压 要 好 。 但 当 增 压 比 提 高时 ， 定 压 系 统 排 气 管 内 的 压 力 也 相 应 提 高 ， 排 气能 量

27、 的 损 失 有 所 下 降 ， 且 脉 冲 能 量 在 排 气 能 量 中所 占 的 比 重 也 随 增 压 比 的 增 加 而 减 小 ， 所 以 两 种系 统 对 排 气 能 量 的 利 用 效 果 将 随 增 压 比 的 提 高 而逐 渐 接 近 。 一 般 而 言 ， 当 增 压 比 小 于 2 .5 时 ， 采用 脉 冲 系 统 对 排 气 能 量 的 利 用 比 较 好 。 2.扫气作用 图4-25排气脉冲波与内燃机的扫气性能a) 脉冲系统b) 定压系统 3.内燃机的加速性能在 脉 冲 系 统 中 ， 由 于 排 气 管 容 积 较 小 ， 当 内 燃 机负 荷 改 变 时 ，

28、排 气 温 度 和 压 力 的 变 化 很 快 传 递 到涡 轮 机 ， 并 由 涡 轮 直 接 反 映 到 压 气 机 ， 从 而 使 增压 器 能 较 快 响 应 发 动 机 负 荷 的 变 化 ， 所 以 采 用 脉冲 系 统 的 内 燃 机 加 速 性 能 好 。 此 外 ， 在 内 燃 机 转速 降 低 时 ， 脉 冲 系 统 的 可 用 能 与 定 压 系 统 的 可 用能 之 比 增 大 ， 有 利 于 改 善 内 燃 机 的 转 矩 特 性 。 在排 气 管 容 积 较 大 的 定 压 系 统 中 ， 涡 轮 机 前 的 压 力变 化 比 较 缓 慢 ， 特 别 是 在 低 增

29、 压 时 ， 排 气 能 量 的利 用 率 低 ， 加 速 性 能 差 。 定 压 系 统 的 转 矩 特 性 也不 如 脉 冲 系 统 。 4.增压器的效率从 排 气 涡 轮 的 效 率 来 看 ， 脉 冲 系 统 的 平 均 等 熵 效率 比 定 压 系 统 略 低 。 这 是 因 为 在 内 燃 机 开 始 排 气时 ， 排 气 以 很 高 的 流 速 进 入 涡 轮 ， 流 动 损 失 增 加 ；涡 轮 前 的 排 气 温 度 和 压 力 都 是 周 期 性 脉 动 的 ， 进入 工 作 轮 叶 片 的 排 气 流 动 方 向 也 是 周 期 性 地 改 变 ，这 使 得 气 流 的

30、撞 击 损 失 增 加 ； 脉 动 的 压 力 有 时 还造 成 涡 轮 机 的 部 分 进 气 现 象 ， 因 此 脉 冲 系 统 的 热效 率 较 低 。 定 压 系 统 的 涡 轮 前 压 力 恒 定 ， 且 涡 轮喷 嘴 环 全 周 进 气 ， 涡 轮 的 效 率 较 高 。 5.增压系统的结构与 定 压 系 统 相 比 ， 脉 冲 系 统 的 尺 寸 较 大 ， 排 气管 的 结 构 也 比 较 复 杂 。综 上 所 述 ， 内 燃 机 在 低 增 压 时 宜 采 用 脉 冲 增 压系 统 ， 高 增 压 时 两 种 系 统 均 可 采 用 。 车 用 发 动 机大 部 分 时 间

31、是 在 部 分 负 荷 下 工 作 ， 对 加 速 性 能 和转 矩 特 性 要 求 较 高 ， 故 较 多 采 用 脉 冲 增 压 系 统 。对 于 船 用 、 发 电 等 场 合 ， 由 于 变 工 况 要 求 并 不 突出 ， 对 增 压 系 统 的 空 间 安 装 位 置 也 无 严 格 限 制 ，且 增 压 度 一 般 较 高 ， 故 多 采 用 定 压 增 压 系 统 。 (四)可变增压系统 图4-26可变流通截面涡轮增压器 四、涡轮增压器与内燃机的匹配(一) 内燃机与涡轮增压器的匹配计算(二) 涡轮增压器与内燃机联合运行特性的调整(三) 内燃机的增压改造 (一) 内燃机与涡轮增压

32、器的匹配计算1) 涡轮机和压气机同轴安装：nT=nC。2) 扣除机械损失，涡轮机的输出功率与压气机的消耗功率相等：Pb=mPT。3) 通过压气机和涡轮机的气体流量有如下关系 (二) 涡轮增压器与内燃机联合运行特性的调整1.流量范围的选择2.联合运行线的调整3.喘振线位置的调整4.压气机堵塞的控制5.涡轮增压器超速和增压压力的调整 (二) 涡轮增压器与内燃机联合运行特性的调整 图4-27柴油机与涡轮增压器联合运行特性1负荷特性2负荷特性3外特性线4螺旋桨特性线5喘振边界6最高转速线7最高排温线8最低效率线 (二) 涡轮增压器与内燃机联合运行特性的调整 图4-28增压器流量范围的调整 1.流量范围

33、的选择每 个 型 号 的 涡 轮 增 压 器 都 有 其 合 适 的 使 用 流 量 范围 ， 它 通 常 是 指 从 喘 振 线 至 某 一 效 率 等 值 线 (例如 b=0 .7 )或 堵 塞 线 所 包 括 的 区 域 。 图 4 -2 8 所 示 是两 种 型 号 的 增 压 器 的 运 行 范 围 示 意 图 ， 型 号 的增 压 器 流 量 特 性 比 型 号 的 小 ， 内 燃 机 的 运 行 线为 AB。 当 内 燃 机 与 型 号 的 增 压 器 配 合 时 ， 联合 运 行 线 AB穿 过 压 气 机 的 喘 振 线 ， 说 明 该 增 压器 对 于 所 匹 配 的 内

34、燃 机 而 言 流 量 偏 大 。 当 与 型 号 匹 配 时 ， 运 行 线 远 离 喘 振 线 而 位 于 压 气 机 低 效率 区 ， 因 此 无 论 选 择 哪 一 个 增 压 器 与 内 燃 机 联 合运 行 ， 都 需 要 进 行 进 一 步 的 调 整 与 匹 配 。 2.联合运行线的调整调 整 涡 轮 增 压 器 的 某 些 结 构 参 数 ， 如 增 大 涡 轮 喷嘴 环 出 口 截 面 积 等 ， 将 内 燃 机 的 联 合 运 行 线 向 右移 动 ， 使 其 离 开 喘 振 线 而 进 入 正 常 的 工 作 区 域 。 3.喘振线位置的调整因 为 喘 振 主 要 是

35、由 叶 片 扩 压 器 引 起 的 ， 所 以 改 变叶 片 扩 压 器 的 结 构 参 数 就 可 以 达 到 移 动 喘 振 线 的目 的 ， 如 改 变 扩 压 器 的 进 口 角 、 喉 口 面 积 等 。 实践 证 明 ， 叶 片 扩 压 器 喉 口 面 积 直 接 影 响 压 气 机 的喘 振 ， 可 以 采 用 改 变 叶 片 扩 压 器 喉 口 面 积 的 办 法来 控 制 喘 振 线 的 左 右 移 动 。 还 可 以 通 过 改 变 涡 轮喷 嘴 环 的 出 口 流 通 面 积 、 改 变 运 行 线 的 方 法 适 应压 气 机 的 特 性 曲 线 。 4.压气机堵塞的控

36、制压 气 机 堵 塞 现 象 的 产 生 ， 是 源 于 在 某 个 流 通 截 面上 ， 气 体 流 动 速 度 达 到 了 声 速 而 导 致 流 量 不 再 增加 。 试 验 表 明 ， 临 界 截 面 一 般 出 现 在 叶 片 扩 压 器的 进 口 喉 部 附 近 ， 但 当 叶 轮 进 口 喉 部 面 积 过 小 时 ，也 可 能 造 成 在 叶 轮 喉 口 附 近 发 生 堵 塞 。 因 此 ， 适当 增 大 叶 片 扩 压 器 喉 口 面 积 和 叶 轮 喉 口 面 积 ， 可以 提 高 压 气 机 的 堵 塞 流 量 ， 从 而 扩 大 压 气 机 工 作的 流 量 范 围

37、。 5.涡轮增压器超速和增压压力的调整涡 轮 增 压 器 在 运 行 过 程 中 可 能 会 出 现 超 速 现 象 ，即 增 压 内 燃 机 的 功 率 尚 未 达 到 额 定 值 时 ， 增 压 器转 速 已 经 达 到 了 允 许 的 最 大 值 ， 若 继 续 增 加 发 动机 功 率 ， 增 压 器 将 处 于 超 速 状 态 ， 这 是 不 允 许 的 。采 用 增 大 涡 轮 喷 嘴 面 积 的 方 法 ， 减 小 涡 轮 前 的 排气 能 量 ， 可 克 服 增 压 器 的 超 速 问 题 。 (三) 内燃机的增压改造1.压缩比与过量空气系数2.供油系统3.配气相位4.进排气系

38、统5.增压空气的冷却 1.压缩比与过量空气系数为 了 降 低 最 高 燃 烧 压 力 ， 增 压 内 燃 机 应 适 当 降 低压 缩 比 。 增 压 度 越 高 ， 压 缩 比 降 低 幅 度 越 大 ， 但过 高 的 降 幅 会 恶 化 内 燃 机 的 经 济 性 能 ， 且 会 造 成冷 起 动 困 难 。 对 于 汽 油 机 而 言 ， 增 压 容 易 诱 发 爆燃 ， 故 降 低 压 缩 比 是 比 较 普 遍 的 选 择 。 2.供油系统为 了 适 应 增 压 后 功 率 增 大 的 要 求 ， 需 要 增 加 每 循环 的 供 油 量 。 对 于 增 压 柴 油 机 而 言 ，

39、为 了 使 供 油持 续 期 近 似 不 变 ， 常 采 用 以 下 方 法 ： 增 大 柱 塞 直径 ， 增 加 供 油 速 率 ， 提 高 喷 油 压 力 ， 加 大 喷 孔 直径 等 ， 这 些 措 施 也 保 证 了 燃 油 喷 射 油 束 在 空 气 密度 提 高 的 情 况 下 有 足 够 的 贯 穿 距 离 。 3.配气相位利 用 增 压 压 力 比 排 气 压 力 高 的 有 利 条 件 ， 合 理 地加 大 气 门 叠 开 角 ， 以 加 强 燃 烧 室 扫 气 ， 从 而 降 低缸 内 受 热 零 件 的 热 负 荷 。 试 验 表 明 ， 气 门 叠 开 角每 增 加 1

40、 0 (CA)， 活 塞 平 均 温 度 降 低 4 。 增 大气 门 叠 开 角 除 降 低 受 热 零 件 的 热 负 荷 以 外 ， 还 有利 于 缸 内 废 气 的 扫 除 和 进 气 终 点 温 度 的 降 低 ， 使充 量 系 数 增 大 。 此 外 ， 一 定 量 的 扫 气 降 低 了 排 气温 度 ， 改 善 了 涡 轮 的 工 作 条 件 。 4.进排气系统进 排 气 系 统 的 设 计 要 与 增 压 系 统 的 要 求 相 一 致 。如 脉 冲 系 统 ， 为 了 使 各 缸 的 排 气 不 至 于 互 相 干 扰 ，要 求 同 一 排 气 支 管 内 所 连 各 缸

41、内 的 排 气 不 能 重 叠或 尽 可 能 地 减 小 重 叠 。 如 发 火 次 序 为 1 -5 -3 -6 -2 -4的 6 缸 机 ， 可 以 采 用 缸 1 、 2 、 3 和 缸 4 、 5 、 6 各 连一 根 排 气 管 ， 每 一 根 管 内 相 邻 两 缸 间 的 工 作 夹 角为 2 4 0 (CA)， 与 排 气 脉 冲 波 的 持 续 时 间 大 致 相同 ， 排 气 干 扰 不 大 。 5.增压空气的冷却对 增 压 器 出 口 空 气 进 行 冷 却 ， 一 方 面 可 以 进 一 步提 高 内 燃 机 进 气 管 内 的 空 气 密 度 ， 从 而 提 高 内

42、燃机 的 功 率 输 出 ， 另 一 方 面 可 以 降 低 内 燃 机 压 缩 始点 的 温 度 和 整 个 循 环 的 平 均 温 度 ， 从 而 降 低 内 燃机 的 排 气 温 度 、 热 负 荷 和 NOx排 放 。 对 增 压 器 出口 空 气 进 行 冷 却 称 为 中 冷 ， 可 以 利 用 循 环 冷 却 水进 行 “ 水 冷 ” 或 用 冷 却 风 扇 进 行 “ 风 冷 ” 。 利 用冷 却 风 扇 加 车 辆 运 行 过 程 中 所 产 生 的 高 速 气 体 流动 来 冷 却 增 压 空 气 的 “ 空 -空 ” 中 冷 方 式 ， 可 以获 得 比 较 好 的 冷

43、却 效 果 ， 且 布 置 较 为 灵 活 ， 近 年来 在 车 用 发 动 机 上 获 得 广 泛 应 用 。 五、汽油机的增压技术1.爆燃2.热负荷3.对增压器的特殊要求 1.爆燃汽 油 机 增 压 后 ， 由 于 混 合 气 的 压 缩 始 点 压 力 、 温度 增 高 ， 以 及 燃 烧 室 受 热 零 件 热 负 荷 提 高 等 原 因 ，将 促 使 爆 燃 的 发 生 。 为 此 ， 必 须 采 用 降 低 压 缩 比 、推 迟 点 火 时 刻 、 采 用 进 气 中 冷 等 技 术 措 施 来 控 制爆 燃 的 发 生 ， 但 却 会 带 来 热 效 率 下 降 、 排 温 过

44、高 、成 本 增 加 等 不 利 影 响 。 正 因 为 如 此 ， 汽 油 机 的 增压 度 一 般 比 柴 油 机 低 得 多 ， 其 增 压 比 一 般 不 超 过2 ， 功 率 最 高 增 加 幅 度 约 为 4 0 % 5 0 %， 而 燃 油 经济 性 则 不 一 定 有 所 改 善 。 目 前 ， 由 于 缸 内 直 喷 技术 、 爆 燃 传 感 器 的 使 用 ， 一 定 程 度 上 缓 解 了 增 压汽 油 机 控 制 爆 燃 的 难 度 。 2.热负荷汽 油 机 的 过 量 空 气 系 数 小 ， 燃 烧 温 度 高 ， 膨 胀 比小 ， 排 气 温 度 也 比 柴 油 机

45、 高 2 0 0 3 0 0 。 增 压 后 ，汽 油 机 的 整 体 温 度 水 平 提 高 ， 热 负 荷 加 重 ， 同 时 ，为 避 免 可 燃 混 合 气 的 损 失 ， 一 般 气 门 叠 开 角 不 大 ，燃 烧 室 的 扫 气 作 用 不 明 显 。 因 此 ， 增 压 汽 油 机 的排 气 门 、 活 塞 、 涡 轮 等 处 的 热 负 荷 均 比 增 压 柴 油机 严 重 。 3.对增压器的特殊要求汽 油 机 增 压 度 低 、 流 量 范 围 广 、 热 负 荷 高 、 最 高转 速 高 且 转 速 变 化 范 围 大 ， 这 就 要 求 增 压 器 体 积要 小 、 耐

46、 高 温 性 能 要 好 、 转 动 惯 量 要 小 ， 同 时 效率 也 要 保 证 在 一 定 的 范 围 内 ， 并 要 求 有 增 压 调 节装 置 等 。 六、机械增压1) 制造工艺水平和材料科学的进步，使现代机械增压器的体积与噪声大幅度降低，效率和使用寿命有很大的提高。2) 小排量发动机采用涡轮增压难度很大，采用机械增压可以比涡轮增压有更好的动力、转矩甚至经济性能。3) 对于排气管中安装有催化转化器或颗粒物捕集器等后处理装置的发动机，机械增压系统中对排气系统不作任何改动。 第五节二冲程内燃机的换气一、二冲程内燃机的换气过程二、二冲程内燃机换气过程的特点三、换气过程质量评价参数四、二

47、冲程内燃机的扫气方案 第五节二冲程内燃机的换气 图4-29二冲程内燃机换气过程示意图 活塞排量 余隙容积 扫气行程 扫气压力BDC下止点 一、二冲程内燃机的换气过程1.自由排气阶段2.扫气阶段3.过后排气或过后充气阶段 1.自由排气阶段二 冲 程 内 燃 机 的 排 气 口 一 般 在 下 止 点 前 6 0 7 5 (CA)开 启 ， 且 早 于 扫 气 口 打 开 。 从 排 气 口 开 启 到 扫 气 口 开 启 ，缸 内 压 力 高 于 排 气 背 压 ， 燃 气 可 以 自 由 地 流 出 缸 外 ， 这一 排 气 时 期 称 为 自 由 排 气 阶 段 。 在 排 气 口 刚 开

48、启 的 一 段时 间 或 曲 轴 转 角 内 ， 气 缸 内 压 力 p较 高 ， 约 为 3 0 0 6 0 0 kPa， 排 气 口 后 的 压 力 pr较 低 ， 排 气 口 前 后 的 压 力 比 prp超 过 临 界 值 ， 出 现 临 界 排 气 。 在 超 临 界 排 气 阶 段 ， 排气 流 量 与 排 气 管 内 的 气 体 状 态 无 关 ， 只 取 决 于 缸 内 气 体的 状 态 和 排 气 口 流 通 截 面 的 大 小 。 在 自 由 排 气 阶 段 ， 缸内 燃 气 可 以 流 出 大 约 7 0 % 8 0 %， 所 以 它 是 二 冲 程 内 燃机 换 气 过

49、 程 的 一 个 重 要 阶 段 。 2.扫气阶段从 扫 气 口 打 开 到 活 塞 运 动 到 下 止 点 后 上 行 将 扫 气口 关 闭 为 止 ， 这 一 时 期 称 为 扫 气 阶 段 。 在 扫 气 阶段 ， 扫 气 和 排 气 同 时 进 行 。 当 气 缸 压 力 下 降 到 接近 于 扫 气 压 力 ps时 ， 扫 气 口 开 启 ， 由 于 压 差 很 小 ，扫 气 口 开 启 面 积 也 很 小 ， 再 加 上 燃 气 的 粘 性 和 惯性 ， 因 而 不 会 造 成 倒 流 。 随 着 活 塞 的 向 下 运 动 和排 气 的 进 行 (排 气 口 已 经 开 大 )，

50、 缸 内 压 力 迅 速 下降 ， 并 形 成 较 大 的 扫 气 压 差 ， 此 时 扫 气 口 也 已 开大 ， 流 通 面 积 增 加 ， 新 鲜 充 量 大 量 进 入 气 缸 ， 并扫 出 缸 内 废 气 。 3.过后排气或过后充气阶段一 般 二 冲 程 发 动 机 排 气 口 的 关 闭 时 刻 迟 于 扫 气 口 ， 这 时 在 活 塞上 行 的 推 挤 和 排 气 气 流 的 惯 性 作 用 下 ， 一 部 分 废 气 (可 能 混 有 少量 的 新 鲜 充 量 )继 续 由 排 气 口 排 出 ， 直 到 排 气 口 关 闭 为 止 。 从 扫气 口 关 闭 到 排 气 口

51、关 闭 这 一 时 期 称 为 过 后 排 气 阶 段 。有 些 二 冲 程 内 燃 机 ， 扫 气 口 关 闭 时 刻 晚 于 排 气 口 ， 以 获 得 额 外的 新 鲜 充 量 。 这 样 ， 从 排 气 口 关 闭 到 扫 气 口 关 闭 这 一 阶 段 称 为 过后 充 气 阶 段 。 由 于 活 塞 上 行 速 度 较 快 ， 缸 内 气 体 受 到 压 缩 而 压 力提 高 ， 这 有 利 于 过 后 排 气 而 不 利 于 过 后 充 气 。 要 达 到 过 后 充 气 的目 的 ， 就 必 须 提 高 扫 气 泵 的 扫 气 压 力 ， 因 此 过 后 充 气 阶 段 持 续

52、 的时 间 较 短 。 二、二冲程内燃机换气过程的特点1.换气时间短2.进排气过程同时进行3.扫气消耗功大4.HC排放高 1.换气时间短二 冲 程 内 燃 机 的 换 气 过 程 持 续 的 时 间 为 120 150 (CA)， 而 四 冲 程 内 燃 机 的 换 气 时 间 为 400 500 (CA)。 二 冲 程 内 燃 机 由 于 换 气 时 间 短 ，换 气 质 量 必 然 较 差 。 从 气 门 叠 开 角 占 整 个 内 燃 机换 气 时 间 的 比 例 来 看 ， 自 然 吸 气 内 燃 机 约 为 3%8%， 增 压 内 燃 机 为 20% 30%， 而 二 冲 程 内 燃

53、 机 达到 了 70% 80%。 这 就 意 味 着 在 扫 气 期 间 ， 将 有 较多 的 新 鲜 充 量 经 过 排 气 口 直 接 流 入 到 排 气 管 中 ，增 加 了 新 鲜 充 量 的 空 气 消 耗 量 (柴 油 机 为 压 缩 空气 ， 汽 油 机 则 为 燃 料 与 空 气 的 混 合 气 )。 2.进排气过程同时进行四 冲 程 内 燃 机 的 换 气 过 程 在 两 个 不 同 的 活 塞 行 程中 进 行 ， 新 鲜 充 量 与 废 气 掺 混 的 机 会 较 少 ， 换 气终 了 时 残 余 废 气 系 数 较 小 ； 而 二 冲 程 内 燃 机 换 气时 ， 进

54、排 气 过 程 同 时 进 行 ， 新 鲜 充 量 与 废 气 易 于掺 混 ， 缸 内 残 余 废 气 系 数 较 大 。 3.扫气消耗功大尽 管 二 冲 程 内 燃 机 换 气 过 程 没 有 泵 气 损 失 ， 但 消耗 的 空 气 量 大 ， 扫 气 泵 耗 功 多 (也 是 一 种 损 失 )，再 加 上 扫 气 损 失 ， 其 指 示 热 效 率 明 显 低 于 四 种 程内 燃 机 ， 因 此 燃 油 消 耗 率 较 高 。 4.HC排放高对 于 化 油 器 式 二 冲 程 汽 油 机 而 言 ， 由 于 在 扫 气 期间 有 较 多 新 鲜 充 量 直 接 流 入 排 气 管

55、， 导 致 其 未 燃HC排 放 较 高 。 三、换气过程质量评价参数最 理 想 的 换 气 过 程 ， 应 当 是 废 气 和 新 鲜 充 量 毫 不相 混 ， 扫 气 气 流 将 废 气 全 部 挤 出 。 事 实 上 ， 废 气与 新 鲜 充 量 的 混 合 是 不 可 避 免 的 ， 因 此 需 要 对 二冲 程 内 燃 机 换 气 过 程 进 行 评 价 。 四、二冲程内燃机的扫气方案1.横流扫气2.回流扫气3.直流扫气 1.横流扫气 图4-30二冲程内燃机的扫气方案a) 横流扫气b) 回流扫气c) 直流扫气 2.回流扫气 图4-31曲轴箱三孔式扫气方案 3.直流扫气直 流 扫 气

56、方 案 的 主 要 特 点 是 扫 气 气 流 沿 气 缸 轴 线 运 动 ， 扫 气 品质 最 好 。图 4 -3 0 c所 示 的 是 直 流 扫 气 方 案 中 的 一 种 ， 即 气 门 -气 孔 扫 气 方 案 。在 该 方 案 中 ， 排 气 门 是 由 凸 轮 机 构 驱 动 ， 因 此 可 以 实 现 不 对 称 换气 ， 排 气 门 较 早 关 闭 ， 可 以 实 现 过 后 充 气 。 为 了 使 新 鲜 充 量 不 与废 气 掺 混 ， 扫 气 口 沿 切 线 方 向 排 列 ， 使 进 入 气 缸 的 充 量 旋 转 ， 形成 一 个 “ 空 气 活 塞 ” ， 可 以 较 好 地 避 免 新 鲜 充 量 与 废 气 的 互 相 混合 ， 并 将 废 气 经 燃 烧 室 顶 部 的 排 气 门 推 出 气 缸 。 活 塞 由 于 受 到 扫气 空 气 的 冷 却 作 用 ， 工 作 条 件 较 好 。 同 时 ， 由 于 扫 气 口 沿 整 个 气缸 圆 周 分 布 ， 气 孔 的 高 度 可 以 缩 短 ， 以 减 少 冲 程 损 失 。 但 由 于 它保 留 了 类 似 四 冲 程 内 燃 机 的 气 门 机 构 ， 结 构 较 为 复 杂 。