换气过程与进气充量

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换气系统充量系数配气相位进排气

换气过程与进气充量

搞懂气门重叠、配气相位与充量系数如何决定进气量

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换气系统充量系数配气相位进排气

换气过程与进气充量

搞懂气门重叠、配气相位与充量系数如何决定进气量

1第 1 页 · 换气过程与进气充量

换气过程导论

人憋气十几秒就头晕——大脑需要新鲜氧气。发动机同样如此:燃烧需要氧气,排气要清空,否则就跑不动。

换气的核心目的
把新鲜空气送入气缸,把上一轮的废气排出
为燃烧提供氧气
燃料只有跟氧气混合才能爆燃做功
排出废气腾出空间
否则新鲜充量进不来,缸内被旧废气占满
决定动力与经济性
进气越充分、排气越彻底,下一轮做功越多
人呼吸对应 →发动机换气

吸气对应进气,呼气对应排气,呼吸深度对应进气充量

2第 2 页 · 换气过程导论

四冲程发动机换气过程

四冲程发动机的换气由四个行程协同完成,曲轴转两圈、活塞往复两次,新气进、旧气出各一次。

1
进气行程
进气门提前开启,活塞下行靠气缸负压把新鲜混合气吸进来
2
压缩行程
进排气门全部关闭,活塞上行把混合气压到高温高压状态
3
做功行程
火花塞点火,燃气膨胀推动活塞下行,化学能变为机械能
4
排气行程
排气门开启,活塞上行将废气推出;下止点后还提前关闭以配合下次进气
3第 3 页 · 四冲程发动机换气过程

配气相位概念

上节讲到气缸要吸新气、排废气。那气门到底何时开、开多久?这就是配气相位要回答的事。

进气门早开晚闭
进气门在活塞到上止点前就打开,过下止点后才关闭
排气门早开晚闭
排气门在下止点前打开,过上止点后才关闭
配气相位
用曲轴转角度量气门开闭时刻,单位为°CA
气门重叠角
进排气门同时打开的那段曲轴转角区间
十字路口绿灯对应 →配气相位

绿灯早亮让车流提前起步,晚灭让尾部车通过,对应气门利用气流惯性

4第 4 页 · 配气相位概念

配气相位对性能的影响

从左到右读:四个相位参数各自拉高转速动力、却又拖累低速响应,最后汇聚到性能取舍的解决之道。

图解渲染中…
a2进排气门同时打开的曲轴转角h2靠废气惯性把新鲜气吸进缸t同一参数难两全:高转好则低转差s2VVT = 可变气门正时,按转速实时调
5第 5 页 · 配气相位对性能的影响

充量系数的定义

上一页我们看到,实际进气充量往往低于理论上限——但到底低多少、怎么量化?这就需要一把尺:充量系数 ηv。

定义与本质
实际进入气缸的新鲜充量质量与理论最大充量质量之比,衡量气缸实际"装得多满"
数学含义
分子是实际空气质量,分母是大气密度乘排量得到的理论最大空气质量
典型取值
自然吸气约 0.7~0.9;增压或谐振进气时局部可超过 1.0
关键影响因素
节气门开度、进气温度、配气相位、进气惯性效应(ram effect)
往矿泉水瓶灌水对应 →充量系数

瓶子标称 500ml 是上限,实际灌入量受瓶口粗细、倒水速度限制

ηv=maρsVh\eta_v = \frac{m_a}{\rho_s \cdot V_h}
6第 6 页 · 充量系数的定义

充量系数的解析式

从定义式展开为四个影响因子的乘积,每个因子对应一种独立的物理机制。

图解渲染中…
Am_a 实际充量,ρ₀ 进气密度,V_h 工作容积B残余废气加热使气缸内 T 高于 T₀C进气阻力使气缸内 p 低于 p₀E特定转速下进气管惯性可形成动态增压
7第 7 页 · 充量系数的解析式

进气阻力对充量系数的影响

沿阻力源→流动阻力→缸内压降→充量减少→η_v 降低的因果链,从源头读起。

图解渲染中…
a1代表 a1~a4 四类阻力源,叠加而非互斥c1缸内压力低于大气压,空气被部分阻隔在缸外e1η_v 解析式中分子变小,分数下降
8第 8 页 · 进气阻力对充量系数的影响

其他因素对充量系数的影响

中心是充量系数ηv,三条支路分别讲温度、压力、残余废气如何把它拉低。

图解渲染中…
a1本页的中心量:体积充量系数a2通过气体密度间接影响有效充量a3常指排气背压,排气不畅时升高a4上一循环未排净的高温废气
9第 9 页 · 其他因素对充量系数的影响

充量系数的速度特性

沿转速轴看三个速度区间,每个区间由不同主导因素决定 ηv 走向,最终汇成 ηv-n 曲线。

图解渲染中…
x1ηv-n 曲线整体呈先升后降的驼峰形c2峰值通常出现在中高速段,而非最高转速b2低速上升阻力主导,与 s8 进气阻力直接相关
10第 10 页 · 充量系数的速度特性

压力波与波动特性

上一节看到充量系数随转速起伏——某些转速下充得满,某些明显不足。这不是偶然,而是进气管里「看不见的波」在起作用。

声速传播
压力扰动以声速传播,往返管长2L所需时间 t=2L/a
惯性效应
管内气流有动量,气门关闭后惯性产生压力波往管内传播
反射与叠加
开口端反射稀疏波,封闭端反射压缩波,往返波与下一次进气叠加
调谐效应
管长L匹配转速,反射压缩波恰好在下一进气时加强充量
吹瓶口的呜呜声对应 →进气管压力波共振

瓶内空气柱以固有频率振动,开口端反射使压力波来回;管长匹配转速时,反射波在进气时叠加强化充量

t=2Lat_{波} = \frac{2L}{a}
11第 11 页 · 压力波与波动特性

单缸机进排气动态效应

沿进气管追踪一次压力波的旅程:产生→传播→管口反射→返回气门,时机决定充量被推高还是压低。

图解渲染中…
a7开口端反射:正压波→膨胀波,压力幅值降低a10惯性充量:气体动能额外推入,η_v可超过1a11回流:膨胀波过早到达,气体倒灌出气缸
12第 12 页 · 单缸机进排气动态效应

多缸机动态效应与进气不均匀性

左→右读因果链:共用总管→压力波叠加与管路差→缸间相位错开→充量不均→性能恶化。

图解渲染中…
b1反射波与新进波叠加形成驻波c1各缸进气管长度由结构决定d1同瞬时不同缸处压力波相位不同
13第 13 页 · 多缸机动态效应与进气不均匀性

四冲程发动机增压系统

高转速下充量系数会被进气阻力拖下来。要在同样排量下榨出更多功率,最直接的办法就是把空气「压」进去——这叫增压。两条路线:借排气余能 vs 直接问曲轴要功。

增压目的
提高进气密度以补偿充量系数下降,突破自然吸气功率上限
涡轮增压
废气驱动涡轮→同轴压气机压缩进气,回收排气能量
机械增压
曲轴经皮带/齿轮直驱压气机(罗茨/螺杆/离心式)
涡轮迟滞
油门突变时增压器转速跟不上,需小惯量涡轮或VNT缓解
中冷环节
压缩升温反使密度下降,必须冷却后才能真正提升进气密度
工厂余热回收发电对应 →涡轮增压回收排气能量

排气本是要排掉的废热,现在顺带驱动压气机加压——免费但启动慢

ρb=ρ0pbp0T0Tb\rho_b = \rho_0 \cdot \frac{p_b}{p_0} \cdot \frac{T_0}{T_b}
14第 14 页 · 四冲程发动机增压系统

增压系统性能分析

增压系统通过提升进气压力改变充量系数,进而影响发动机性能。下方分支展示副作用。

图解渲染中…
a4增压使ηv可大于1a7驱动增压器消耗功a8压缩空气温升加剧a10高增压比易爆震
15第 15 页 · 增压系统性能分析

二冲程发动机换气过程

二冲程一次换气分四阶段,全靠活塞位置控制气口开闭。

1
先期排气
活塞下行到排气口下缘,缸内高压废气先自行冲出
2
扫气口开启
活塞继续下行露出扫气口,扫气泵把新鲜充量压入气缸
3
驱气换气
新气在缸内流动把残余废气推向排气口,完成新旧气置换
4
气口关闭
活塞上行越过气口下缘,所有气口关闭,进入压缩行程
16第 16 页 · 二冲程发动机换气过程

二冲程换气质量评价

换气质量指标与影响因素

二冲程换气质量评价
换气质量指标与影响因素
17第 17 页 · 二冲程换气质量评价

知识要点回顾

  • 进气迟闭角让惯性气流继续充量,是中高转速ηv峰值的物理来源
  • ηv是阻力、温升与压力波综合结果,速度特性呈中间高两头低
  • 增压靠提高进气密度突破ηv上限,但需与换气相位和管长匹配
  • 二冲程扫气用新气吹出废气,短路损失使其换气品质天生劣于四冲程
延伸主题:可变气门定时与米勒/阿特金森循环EGR对充量系数的反向影响缸内滚流与燃烧匹配的协同设计
18第 18 页 · 知识要点回顾

课后思考

先合上笔记自己想几分钟,再对照参考答案——问题没有标准答案,思路比结论更重要。

1为什么气门重叠角同时改善高速充量又导致新鲜充量逃逸?矛盾的物理根源是什么?

参考答案同一物理过程的两面。进气气流惯性在重叠期把新鲜气"灌"进气缸,但排气背压低时部分新鲜气被倒推回排气管——"惯性增充"与"短路回流"是同一硬币的两面。

2自然吸气发动机在极低与极高转速下充量系数都会下降——这两种下降是同一机制吗?

参考答案机制不同。低速下降主因是缸内残余废气比例升高(气流弱、挤流不足);高速下降主因是进气管内气体来不及响应,活塞吸气速度超过气体实际流速——一个是"余气稀释",一个是"惯性失配"。

3若同时设计一台高速赛车四冲程机和一台低速船用二冲程机,换气策略会如何根本不同?

参考答案赛车四冲程追求高转速,倾向大重叠角+延长进气门开启期,把进气惯性榨干;船用二冲程不靠气门而靠气口定时,追求"扫气效率"而非充量系数,且曲轴一转就完成一次换气,时间窗口极紧。

19第 19 页 · 课后思考
换气过程与进气充量 · 知识图解