1.2.2 換氣過程

發動機的換氣過程對發動機的性能有著極為重要的影響。主要包括排氣過程和進氣過程。發動機對換氣過程的要求是：進氣充分、排氣徹底、換氣損失小。四沖程發動機的換氣過程包括從排氣門開啟到進氣門關閉的全過程，約占410°～480°曲軸轉角。換氣過程可分為自由排氣、強制排氣、進氣和燃燒室掃氣四個階段。圖1-8所示為四沖程發動機換氣過程的典型曲線。

1.換氣過程

（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的這各時期，稱為自由排氣階段。

圖1-8 換氣過程

1）超臨界狀態流動。排氣門開啟是在活塞運動到下止點前30°～80°曲軸轉角（CA），此時氣缸內廢氣壓力較高，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。排氣流動處于超臨界狀態，流速為當地聲速c（m/s），此階段廢氣流量與排氣管內壓力無關，只決定于氣缸內的氣體狀態和氣門最小開啟截面。

2）亞臨界狀態流動。隨著氣體大量流出，缸內壓力迅速下降，氣體流速小于聲速，轉入亞聲速流動狀態，此時廢氣流量決定于氣缸內和排氣管內的壓力差。到某一時刻缸內壓力與排氣管內壓力相近時，自由排氣階段結束。自由排氣在下止點后10°～30°CA結束。

自由排氣階段雖然時間不長，但因為速度高，此階段排出的廢氣量達60%以上。

（2）強制排氣階段 此階段廢氣被上行活塞推出。因為要克服排氣系統阻力，缸內壓力略高于排氣管內壓力約10kPa。流速越高，壓差越大，消耗功亦越多。排氣過程一直進行到上止點之后10°～35°CA，排氣門才完全關閉。

（3）進氣過程 為保證活塞下行時進氣門有足夠的開啟面積，新鮮工質可以順利進入氣缸，一般進氣門在上止點前0°～40°CA開始打開，到下止點后40°～70°CA關閉，延續時間為220°～290°CA。由于活塞下行及進氣門座處節流，使氣缸內呈負壓，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，進入氣缸的充量增加，使得缸內壓力上升。到進氣終了時，氣流動能部分轉為壓力能，使氣缸壓力又有所提高，接近或略高于進氣管內壓力。一般情況下，進氣過程中氣缸壓力低于進氣管內壓力，這是由于進氣系統存在阻力的緣故。氣體速度越高，阻力越大。

（4）進、排氣門早開、晚關，氣門重疊和燃燒室掃氣 進、排氣門的實際開、閉時刻和持續時間，稱為配氣相位，通常用曲軸轉角（CA）表示。

為了實現最大限度的吸進新鮮空氣和排凈廢氣，盡可能地減小換氣損失，必須設法延長進、排氣的時間。因此，進、排氣門都是提前開啟，滯后關閉。進、排氣過程比一個活塞行程長得多。進、排氣門同時開啟的現象，稱為氣門重疊。在氣門重疊開啟期內，可利用氣流壓差和慣性清除殘余廢氣，增加充氣量，特別是增壓發動機，進氣壓力和氣門重疊角都較大，可以更好地利用新鮮空氣來幫助清除廢氣。這種利用新鮮空氣清除廢氣的現象，通常稱為燃燒室掃氣。

2.充氣效率和殘余廢氣系數

換氣過程進氣是否充分，排氣是否徹底，一般用充氣效率和殘余廢氣系數來評定。

1）充氣效率。充氣效率是指發動機每一工作循環的實際充氣量m與理論充氣量m₀的比值（質量比或者體積比），用符號η_v表示。實際充氣量指實際進入氣缸內的混合氣（或空氣）數量，理論空氣量指進氣狀態下，理論計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，充氣效率越高，則每循環的實際充氣量越多，進氣越充分，發動機的動力性和經濟性能也越好。

非增壓發動機的充氣效率的計算式為

式中p₀，T₀——大氣壓力、溫度；

p_a，Ta——進氣終了的壓力、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、進氣終了、排氣終了的壓力和溫度以及壓縮比的大小。其中對發動機進氣效率影響最大的是進氣終了的壓力和溫度。

2）殘余廢氣系數。殘余廢氣系數是指發動機每循環進氣過程結束時，氣缸內殘余廢氣量與實際充氣量的比值（質量比或體積比），一般用符號r表示。實際充氣量是指每循環實際充入氣缸的新鮮氣體（混合氣或空氣）數量。即

式中m_r、V_r——進氣終了時缸內殘余廢氣的質量或所占的體積；

m、V——進氣終了時缸內新充入氣體的質量或所占的體積。

殘余廢氣系數的推導計算公式為

式中p_a、T_a——進氣終了壓力、溫度；

p_r、T_r——排氣終了的壓力、溫度；

ε——壓縮比；

m_r——殘余廢氣量；

m_a——進氣結束時缸內氣體總量。

殘余廢氣系數主要用來比較不同發動機殘余廢氣量多少，以評價發動機換氣過程的好壞。殘余廢氣系數越高說明發動機排氣越不充分、進氣越不徹底；反之，殘余廢氣系數越低說明發動機排氣越充分，進氣越徹底。從殘余廢氣系數的推導公式可以看出，影響殘余廢氣系數的主要因素有進氣終了的壓力和溫度、排氣終了的壓力和溫度、壓縮比等。同時配氣相

位的狀況也會影響其值的大小。對于不同類型的發動機，其殘余廢氣系數的值也相應不同。一般說來，非增壓柴油機比

汽油機的殘余廢氣系數小，而增壓柴油機比非增壓柴油機的殘余廢氣系數小。其殘余廢氣系

數的值一般為

汽油機 r=0.06～0.16

非增壓柴油機 r=0.03～0.06

增壓柴油機 r=0.00～0.03