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第二章 發(fā)動(dòng)機的換氣過(guò)程

有 185 人瀏覽 日期：2019-05-09?? 來(lái)源：互聯(lián)網(wǎng) 進(jìn)入發(fā)布者【商鋪】 放大字體??縮小字體

文章摘要：第二章 發(fā)動(dòng)機的換氣過(guò)程 燃燒是做功之本。 燃燒需要空氣與燃料。 重量比 容積比 燃料 1 1 液態(tài) 空氣 15 1000 氣態(tài) 燃料受機械控

第二章 發(fā)動(dòng)機的換氣過(guò)程
 
    燃燒是做功之本。
    燃燒需要空氣與燃料。         重量比     容積比
                            燃料    1          1       液態(tài)
                            空氣   15         1000     氣態(tài)
    燃料受機械控制，容易加入。而汽缸容積就那么大，要想多加空氣就要困難得多。因此，對發(fā)動(dòng)機換氣過(guò)程的研究就顯得尤為重要了。
 
§2-1 四沖程發(fā)動(dòng)機的換氣過(guò)程
一 配氣定時(shí)
    與工程熱力學(xué)中介紹的不同, 進(jìn)排
氣門(mén)的開(kāi)啟、關(guān)閉也需要時(shí)間, 故
在下止點(diǎn)前排氣－排氣提前角40°～80°
在上止點(diǎn)后關(guān)閉－排氣遲閉角10°～35°
在上止點(diǎn)前吸氣－進(jìn)氣提前角 0°～40°
在下止點(diǎn)后關(guān)閉－進(jìn)氣遲閉角40°～80°
進(jìn)氣提前角+排氣遲閉角－氣門(mén)疊開(kāi)角
 
二 換氣過(guò)程
 
（一） 排氣過(guò)程
1 自由排氣階段 A
    排開(kāi) p >>p’ ® p = p’
靠缸內壓力將氣體擠出氣缸，其中
p－缸內壓力,  p’－排氣管內壓力。
2 強制排氣階段 B
    p = p’ ® p £ p’
靠活塞上行將廢氣擠出氣缸。
3 超臨界排氣 C
    排開(kāi) ® p = 1.9 p’
在氣閥最小截面處, 氣體流速等于該地音速   m/s。其流量與壓差 （p - p’）無(wú)關(guān), 只決定于排氣閥開(kāi)啟面積和氣體狀態(tài)。
4 亞臨界排氣 D
    p = 1.9 p’ ® 排閉。
    其流量取決于壓差 （p - p’）。
（二） 進(jìn)氣過(guò)程和氣門(mén)疊開(kāi)角
    由于節流作用, 缸內產(chǎn)生負壓；（ ）使新鮮介質(zhì)進(jìn)入缸內。
氣閥疊開(kāi)角：非增壓：20°～60° CA。
                   太大（引起） ® 廢氣回流進(jìn)氣道。
                   太小 ® 掃氣作用不明顯。
              增壓：110°～140° CA。
                   進(jìn)氣管p­, 掃氣明顯, 氣閥疊開(kāi)角可以增大很多。如6135
                   型高柴：非增壓：40°, 增壓：124°。
掃氣的作用：
1 清除廢氣, 增加氣缸內的新鮮充量。
2 降低排氣溫度。
3 降低熱負荷最嚴重處（如氣閥、活塞等）的溫度。
 
三 換氣損失
    理論循環(huán)換氣功與實(shí)際循環(huán)換氣功之差。
    如圖：換氣損失功－X+（Y+W）, 其中（W+Y）
    為排氣損失功，X為進(jìn)氣損失功。
（一） 排氣損失功Y
    W是因排氣門(mén)提前開(kāi)啟而損失的膨脹功,
稱(chēng)為自由排氣損失。Y是活塞作用在廢氣上的推出功, 稱(chēng)為強制排氣損失功。
    排氣提前角­ ® W­，Y¯ 。
    綜合效果, 要求（Y+W）¯, 故（W+Y）有一個(gè)最佳值（W+Y）min 。對應排氣提前角亦有一個(gè)最佳值, n­ ® （W+Y）min­ 。
（二） 進(jìn)氣損失功X
    進(jìn)氣損失功小于排氣損失功，即X < Y
（三） 泵氣損失功 （X+Y-d）
    在實(shí)際示功圖中, 把（W+d） 歸到指示功中考慮。而把泵氣損失功 （X+Y-d） 歸到機械損失中考慮。
 
§2-2 四沖程發(fā)動(dòng)機的充氣效率
一 充氣效率
（一） 定義
    為比較不同大小、不同類(lèi)型發(fā)動(dòng)機的充氣品質(zhì)和換氣過(guò)程的完善程度, 不受氣缸工作容積Vh 的影響, 引入充氣效率 的概念。
    由于有進(jìn)氣阻力等因素的影響, 實(shí)際進(jìn)入氣缸中的新鮮充量必然小于理論上進(jìn)氣狀態(tài)下充滿(mǎn)工作容積的新鮮充量。二者之比稱(chēng)為充氣效率 , 即
    
      
      
     其中： －實(shí)際充量的重量，質(zhì)量和體積；
           －理論充量的重量，質(zhì)量和體積；
進(jìn)氣狀態(tài)：非增壓：空氣濾清器后進(jìn)氣管內的氣體狀態(tài), 通常取為當地的大氣
                  狀態(tài)。
          增  壓：增壓器出口狀態(tài)。
    嚴格地說(shuō)，充氣效率應為
      
更合理。這樣，在后面將要講到的大氣修正中，不同的壓力和溫度下進(jìn)氣量的比值就等于其充氣效率之比。否則，按照前頭的定義式，大氣溫度越高，充氣效率反而會(huì )越高，講起來(lái)似乎無(wú)法接受。而且也不具備可比性。
（二） 實(shí)際測量
             
                
    其中： －實(shí)際測量 [ /h ]
         
    充氣效率是衡量換氣過(guò)程進(jìn)行得完善程度的重要指標。
    柴油機  0.75～0.90
    汽油機  0.70～0.85
 
二 充氣效率的分析式
    充入汽缸的新鮮充量 = 缸內氣體的總質(zhì)量－缸內殘余廢氣質(zhì)量
（一） 進(jìn)氣門(mén)關(guān)閉時(shí)缸內氣體的總質(zhì)量
                    
     其中 －余隙容積； －進(jìn)氣門(mén)關(guān)閉時(shí)缸內工作容積；
         －進(jìn)氣終了缸內氣體密度。
（二） 排氣門(mén)關(guān)閉時(shí)缸內殘余廢氣的質(zhì)量
                  
    其中 －排氣門(mén)關(guān)閉時(shí)缸內容積； －排氣門(mén)關(guān)閉時(shí)缸內殘余廢氣密度。
（三） 充入汽缸的新鮮充量
                    
    其中 －大氣狀態(tài)下氣體密度。
（四） 充氣效率的分析式
                    
                       
    其中 －壓縮比； －有效壓縮比； 。
    一般 ～ 。若假設 ，有
                     
    帶入理想氣體狀態(tài)方程式，得
                     
    其中 －大氣壓力和溫度； －進(jìn)氣終了時(shí)缸內的壓力和溫度；
        －排氣終了時(shí)殘余廢氣的壓力和溫度。
    ； 。
    的分析式為定性分析 的影響因素提供了依據。
 
§2-3 影響充氣效率的各種因素
一 進(jìn)氣終了壓力
（一） 進(jìn)氣阻力
                    
    ­ ® ¯ ® ¯
    對 的影響最大。進(jìn)氣系統的沿程阻力和局部阻力均會(huì )使 增大。
（二） 轉速
    n ­ ® ­­ ® ¯ ® ¯
（三） 負荷
    汽油機：負荷 ­ ® 節氣們開(kāi)度 ­（質(zhì)調節） ® ¯ ® ­ ® ­
    柴油機：負荷 ­ ® 循環(huán)供油量 ­ （量調節）（與 無(wú)關(guān)） ®
            熱負荷 ­ ® ­ ® ¯ （不大）
 
二 進(jìn)氣終了溫度
   
（一） 轉速
    負荷一定：n­ ®
    綜合 、 的影響， n ­ ® ¯。
（二） 負荷
    轉速一定：負荷 ­ ® 熱負荷 ­ ® ­ ® ¯
    柴油機：進(jìn)、排氣管分置。
            避免排氣管對進(jìn)氣管加熱，使 ¯ ® ­
    汽油機：進(jìn)、排氣管同置。
            雖然 ­ ® ¯，但燃油受熱增發(fā)快，可以改善混合氣形成。
 
三 排氣終了壓力
    ­ ® 殘余廢氣量­ ® ¯
     µ 排氣門(mén)處的阻力 µ ，所以
    n­ ® ­ ® ¯ （影響較?。?/DIV>
四 排氣終了溫度
    ­ ® ­
五 壓縮比e
    e­ ® ­
 
    公式僅為定性分析用的，是粗略的。還有許多因素未予考慮。如：壓力升高比l，絕熱指數k，進(jìn)氣馬赫數Ma，熱傳輸和過(guò)量空氣系數a等。
 
§2-4 提高充氣效率的措施
    減小進(jìn)氣系統阻力。
    沿程阻力，局部阻力（節流阻力）。
    汽油機：空氣濾清器 ® 化油器 ® 進(jìn)氣管 ® 進(jìn)氣道 ® 進(jìn)氣門(mén)
    柴油機：空氣濾清器 ® 進(jìn)氣管 ® 進(jìn)氣道 ® 進(jìn)氣門(mén)
 
一 減小流動(dòng)阻力
（一） 進(jìn)氣門(mén)
1 進(jìn)氣門(mén)直徑
    一般: 0.20～0.25
    ­ ® ­ ® ­ （影響大）
    ­ ® ¯ ® ­ （影響?。?/DIV>
    一般：  >
2 四氣門(mén)
    流通面積 ­ 40%左右。但結構復雜，造價(jià)較高。
    ­­  ® ­­ ® ­­ （可達30%）， ¯¯
3 氣門(mén)升程h
    h­，時(shí)面值­ ® ­
4 閥頂過(guò)渡圓角R
    R­­ ® ¯ ® ¯
    R¯¯ ® 流動(dòng)阻力­ ® ¯
    R應適中。
（二） 進(jìn)氣管
1 表面光潔度和流通面積
    表面光潔度­，流通面積­ ® 沿程阻力¯ ® ­
2 轉彎和節流阻力
    轉彎半徑R­，截面突變¯ ® ­
3 截面形狀
    考慮汽油機的霧化，蒸發(fā)，則
    管壁面積­ ® 沉積­ ® 蒸發(fā)¯ ® 混合氣分配不均勻
    截面形狀     圓形     矩形     D形
    流動(dòng)阻力      小       大       中
    底部蒸發(fā)      小       中       大
    柴油機不存在底部蒸發(fā)問(wèn)題，故多采用流動(dòng)阻力小的圓形進(jìn)氣管。
（三） 進(jìn)氣道
    轉彎半徑R­，表面光潔度­，各管口與墊片孔口對中 ® 流動(dòng)阻力¯ ® ­
    設計時(shí)還要考慮組織進(jìn)氣渦流。
（四） 空氣濾清器
    通道面積­，除塵效果­ ® 流動(dòng)阻力¯ ® ­
    經(jīng)常清洗，更換紙芯。
（五） 化油器
    喉口截面積¯ ® 流動(dòng)阻力­ ® ¯，但霧化效果­ 。
    解決這對矛盾，采用雙喉口。小喉口：霧化；大喉口：進(jìn)氣。
 
二 合理選擇配氣定時(shí)
（一） 配氣定時(shí)的綜合評定
1 良好的充氣效率以保證發(fā)動(dòng)機的動(dòng)力性能。
2 合適的充氣效率以適應發(fā)動(dòng)機的扭矩特性。
3 較小的換氣損失以適應發(fā)動(dòng)機的經(jīng)濟性能。
4 必要的燃燒室掃氣以保證高溫零件的熱負荷得以適當降低，達到可靠運行。
5 合適的排氣溫度。
    調整：1，2－進(jìn)氣遲閉角；3－排氣提前角；4，5－氣門(mén)疊開(kāi)角
 
（二） 進(jìn)氣遲閉角
1  轉速n一定時(shí)，總有一個(gè)進(jìn)氣遲閉角 使得充氣效率 為最大。
2  n¯¯ ® 氣流慣性 ¯ ® 缸內氣體易倒流進(jìn)氣管 ® ¯
   n­­ ® 一部分氣體來(lái)不及進(jìn)入汽缸 ® ¯
3  ­ ® 對應 的n­
   所以，高速發(fā)動(dòng)機轉速大，要獲得好的充氣效率和動(dòng)力性，進(jìn)氣遲閉角應大
   一些。
4  n­ ® ­
 （三） 排氣提前角
     ¯ ® d­ ® ­ ，   其中d－后期膨脹比。
    考慮經(jīng)濟性，在排氣損失最小的前提下，盡量減小排氣提前角。
 
（四） 氣門(mén)疊開(kāi)角
    ­­ ® 缸內氣體易倒流進(jìn)氣管； ¯¯ ® ­， ­® ¯
    增壓發(fā)動(dòng)機氣門(mén)疊開(kāi)角應大一些。
 
§2-5 進(jìn)氣管內的動(dòng)態(tài)效應
一 現  象
195柴油機：進(jìn)氣管長(cháng)度L = 300 mm             L = 1140 mm
    氣體在進(jìn)排氣管中有壓力波動(dòng)現象，有效組織、利用壓力波動(dòng)，可以提高充
    氣效率。
    進(jìn)氣門(mén)開(kāi)閉時(shí)： ­ ® pa­ ® ­
    排氣門(mén)開(kāi)閉時(shí)：  ¯ ® pr¯ ® ­
    動(dòng)態(tài)效應與進(jìn)排氣管的長(cháng)度和直徑有關(guān)。
 
二 波的動(dòng)態(tài)機理
 
    閉口端：進(jìn)：壓縮波 ® 反射: 壓縮波 －同型波
            進(jìn)：膨脹波 ® 反射: 膨脹波 －同型波
    開(kāi)口端：進(jìn)：壓縮波 ® 反射: 膨脹波 －異型波
            進(jìn)：膨脹波 ® 反射: 壓縮波 －異型波
 
三 進(jìn)氣動(dòng)態(tài)效應
（一） 慣性效應
    階段：進(jìn)氣門(mén)開(kāi) ® 進(jìn)氣門(mén)閉
    ¬ 膨脹波
    ® 壓縮波 （進(jìn)氣門(mén)閉）
（二） 波動(dòng)效應
    階段：進(jìn)氣門(mén)閉 ® 下一循環(huán)進(jìn)氣門(mén)開(kāi)
    ¬ 壓縮波
    ® 膨脹波
    ¬ 膨脹波
    ® 壓縮波 （進(jìn)氣門(mén)開(kāi)）
    壓力波動(dòng)是周期性的。
    壓力波固有頻率：  [ 1/s ]  其中a－進(jìn)氣管內聲速。
    發(fā)動(dòng)機吸氣頻率：  [ 1/s ]
    令：
    當q = 1，2，3… 時(shí)，進(jìn)氣門(mén)開(kāi)，則pa¯ ® ¯。
    當q = … 時(shí)，進(jìn)氣門(mén)開(kāi)，則pa­ ® ­。
 
四 結  論
1 慣性效應 （本循環(huán)），振幅大，衰減小。
  波動(dòng)效應 （兩循環(huán)），振幅小，衰減大。
2 高速發(fā)動(dòng)機，進(jìn)氣管短；低速發(fā)動(dòng)機，進(jìn)氣管長(cháng)。
3 進(jìn)氣管直徑¯¯ ® 流動(dòng)阻力­ ® 壓力波強度¯
  進(jìn)氣管直徑­­ ® 壓力波振幅¯ ® 壓力波強度¯
4 多缸機上，進(jìn)氣管應分支，且等長(cháng)。
5 避免急轉彎，則壓力波振幅不會(huì )衰減太大。
6 排氣管需要膨脹波，則pr¯ ® 掃氣作用­ ® ­
 
§2-6 單位時(shí)間充氣量與循環(huán)充氣量
    單位時(shí)間充氣量 G [ kg/h ]，
    循環(huán)充氣量 DG [ kg ]，則
      [ kg/h ]
    n­ ® G­，但n­ ® pa¯ ® DG¯
    G­ ® 單位時(shí)間供油量g­ ® 與功率 有關(guān)。
    DG­ ® 循環(huán)供油量Dg­ ® 與扭矩 有關(guān)。
    圖中虛線(xiàn)為不考慮進(jìn)氣損失的G和DG曲線(xiàn)；
實(shí)際的G和DG曲線(xiàn)如圖中實(shí)線(xiàn)所示。
 
 
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