1.2.2 換氣過(guò)程

發(fā)動(dòng)機(jī)的換氣過(guò)程對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的性能有著極為重要的影響。主要包括排氣過(guò)程和進(jìn)氣過(guò)程。發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)換氣過(guò)程的要求是：進(jìn)氣充分、排氣徹底、換氣損失小。四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)的換氣過(guò)程包括從排氣門開啟到進(jìn)氣門關(guān)閉的全過(guò)程，約占410°～480°曲軸轉(zhuǎn)角。換氣過(guò)程可分為自由排氣、強(qiáng)制排氣、進(jìn)氣和燃燒室掃氣四個(gè)階段。圖1-8所示為四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)換氣過(guò)程的典型曲線。

1.換氣過(guò)程

（1）自由排氣階段 從排氣門開啟到氣缸壓力p接近于排氣管壓力p_r的這各時(shí)期，稱為自由排氣階段。

圖1-8 換氣過(guò)程

1）超臨界狀態(tài)流動(dòng)。排氣門開啟是在活塞運(yùn)動(dòng)到下止點(diǎn)前30°～80°曲軸轉(zhuǎn)角（CA），此時(shí)氣缸內(nèi)廢氣壓力較高，為0.2～0.5MPa，氣缸壓力p與排氣管壓力p_r之比大于臨界值1.9。排氣流動(dòng)處于超臨界狀態(tài)，流速為當(dāng)?shù)芈曀?span id="y84ky4a" class="italic">c（m/s），此階段廢氣流量與排氣管內(nèi)壓力無(wú)關(guān)，只決定于氣缸內(nèi)的氣體狀態(tài)和氣門最小開啟截面。

2）亞臨界狀態(tài)流動(dòng)。隨著氣體大量流出，缸內(nèi)壓力迅速下降，氣體流速小于聲速，轉(zhuǎn)入亞聲速流動(dòng)狀態(tài)，此時(shí)廢氣流量決定于氣缸內(nèi)和排氣管內(nèi)的壓力差。到某一時(shí)刻缸內(nèi)壓力與排氣管內(nèi)壓力相近時(shí)，自由排氣階段結(jié)束。自由排氣在下止點(diǎn)后10°～30°CA結(jié)束。

自由排氣階段雖然時(shí)間不長(zhǎng)，但因?yàn)樗俣雀撸穗A段排出的廢氣量達(dá)60%以上。

（2）強(qiáng)制排氣階段 此階段廢氣被上行活塞推出。因?yàn)橐朔艢庀到y(tǒng)阻力，缸內(nèi)壓力略高于排氣管內(nèi)壓力約10kPa。流速越高，壓差越大，消耗功亦越多。排氣過(guò)程一直進(jìn)行到上止點(diǎn)之后10°～35°CA，排氣門才完全關(guān)閉。

（3）進(jìn)氣過(guò)程 為保證活塞下行時(shí)進(jìn)氣門有足夠的開啟面積，新鮮工質(zhì)可以順利進(jìn)入氣缸，一般進(jìn)氣門在上止點(diǎn)前0°～40°CA開始打開，到下止點(diǎn)后40°～70°CA關(guān)閉，延續(xù)時(shí)間為220°～290°CA。由于活塞下行及進(jìn)氣門座處節(jié)流，使氣缸內(nèi)呈負(fù)壓，因此新鮮充量才能順利流入氣缸。隨氣門升程漸大，氣流通道面積加大，進(jìn)入氣缸的充量增加，使得缸內(nèi)壓力上升。到進(jìn)氣終了時(shí)，氣流動(dòng)能部分轉(zhuǎn)為壓力能，使氣缸壓力又有所提高，接近或略高于進(jìn)氣管內(nèi)壓力。一般情況下，進(jìn)氣過(guò)程中氣缸壓力低于進(jìn)氣管內(nèi)壓力，這是由于進(jìn)氣系統(tǒng)存在阻力的緣故。氣體速度越高，阻力越大。

（4）進(jìn)、排氣門早開、晚關(guān)，氣門重疊和燃燒室掃氣 進(jìn)、排氣門的實(shí)際開、閉時(shí)刻和持續(xù)時(shí)間，稱為配氣相位，通常用曲軸轉(zhuǎn)角（CA）表示。

為了實(shí)現(xiàn)最大限度的吸進(jìn)新鮮空氣和排凈廢氣，盡可能地減小換氣損失，必須設(shè)法延長(zhǎng)進(jìn)、排氣的時(shí)間。因此，進(jìn)、排氣門都是提前開啟，滯后關(guān)閉。進(jìn)、排氣過(guò)程比一個(gè)活塞行程長(zhǎng)得多。進(jìn)、排氣門同時(shí)開啟的現(xiàn)象，稱為氣門重疊。在氣門重疊開啟期內(nèi)，可利用氣流壓差和慣性清除殘余廢氣，增加充氣量，特別是增壓發(fā)動(dòng)機(jī)，進(jìn)氣壓力和氣門重疊角都較大，可以更好地利用新鮮空氣來(lái)幫助清除廢氣。這種利用新鮮空氣清除廢氣的現(xiàn)象，通常稱為燃燒室掃氣。

2.充氣效率和殘余廢氣系數(shù)

換氣過(guò)程進(jìn)氣是否充分，排氣是否徹底，一般用充氣效率和殘余廢氣系數(shù)來(lái)評(píng)定。

1）充氣效率。充氣效率是指發(fā)動(dòng)機(jī)每一工作循環(huán)的實(shí)際充氣量m與理論充氣量m₀的比值（質(zhì)量比或者體積比），用符號(hào)η_v表示。實(shí)際充氣量指實(shí)際進(jìn)入氣缸內(nèi)的混合氣（或空氣）數(shù)量，理論空氣量指進(jìn)氣狀態(tài)下，理論計(jì)算所得充滿氣缸工作容積的新鮮混合氣（或空氣）量：

氣缸工作容積一定時(shí)，充氣效率越高，則每循環(huán)的實(shí)際充氣量越多，進(jìn)氣越充分，發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性能也越好。

非增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的充氣效率的計(jì)算式為

式中p₀，T₀——大氣壓力、溫度；

p_a，Ta——進(jìn)氣終了的壓力、溫度；

p_r，Tr——排氣終了的溫度、壓力；

ε——壓縮比。

從上式可以看出，影響充氣效率的因素主要有大氣、進(jìn)氣終了、排氣終了的壓力和溫度以及壓縮比的大小。其中對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣效率影響最大的是進(jìn)氣終了的壓力和溫度。

2）殘余廢氣系數(shù)。殘余廢氣系數(shù)是指發(fā)動(dòng)機(jī)每循環(huán)進(jìn)氣過(guò)程結(jié)束時(shí)，氣缸內(nèi)殘余廢氣量與實(shí)際充氣量的比值（質(zhì)量比或體積比），一般用符號(hào)r表示。實(shí)際充氣量是指每循環(huán)實(shí)際充入氣缸的新鮮氣體（混合氣或空氣）數(shù)量。即

式中m_r、V_r——進(jìn)氣終了時(shí)缸內(nèi)殘余廢氣的質(zhì)量或所占的體積；

m、V——進(jìn)氣終了時(shí)缸內(nèi)新充入氣體的質(zhì)量或所占的體積。

殘余廢氣系數(shù)的推導(dǎo)計(jì)算公式為

式中p_a、T_a——進(jìn)氣終了壓力、溫度；

p_r、T_r——排氣終了的壓力、溫度；

ε——壓縮比；

m_r——?dú)堄鄰U氣量；

m_a——進(jìn)氣結(jié)束時(shí)缸內(nèi)氣體總量。

殘余廢氣系數(shù)主要用來(lái)比較不同發(fā)動(dòng)機(jī)殘余廢氣量多少，以評(píng)價(jià)發(fā)動(dòng)機(jī)換氣過(guò)程的好壞。殘余廢氣系數(shù)越高說(shuō)明發(fā)動(dòng)機(jī)排氣越不充分、進(jìn)氣越不徹底；反之，殘余廢氣系數(shù)越低說(shuō)明發(fā)動(dòng)機(jī)排氣越充分，進(jìn)氣越徹底。從殘余廢氣系數(shù)的推導(dǎo)公式可以看出，影響殘余廢氣系數(shù)的主要因素有進(jìn)氣終了的壓力和溫度、排氣終了的壓力和溫度、壓縮比等。同時(shí)配氣相

位的狀況也會(huì)影響其值的大小。對(duì)于不同類型的發(fā)動(dòng)機(jī)，其殘余廢氣系數(shù)的值也相應(yīng)不同。一般說(shuō)來(lái)，非增壓柴油機(jī)比

汽油機(jī)的殘余廢氣系數(shù)小，而增壓柴油機(jī)比非增壓柴油機(jī)的殘余廢氣系數(shù)小。其殘余廢氣系

數(shù)的值一般為

汽油機(jī) r=0.06～0.16

非增壓柴油機(jī) r=0.03～0.06

增壓柴油機(jī) r=0.00～0.03