汽车发动机原理
制作人：张振东
目
录
前言： 课程绪论
第一章：发动机性能
第二章：发动机换气过程
第三章：燃料与燃烧
第四章：汽油机混合气的形成与燃烧
第五章：柴油机混合气的形成与燃烧
第六章：发动机的特性
第七章：车用发动机废气涡轮增压
第八章：排气污染机及控制
第二章：发动机的换气过程
2-1 内燃机换气过程的特点及要求
2-2 四冲程内燃机的换气过程
2-3 四冲程内燃机的充气效率ηv
2-4 减小进气系统阻力
2-5 合理选择配气定时
2-6 进气管的气体动力学效应
2-7 可变技术
2-8 二行程发动机换气过程
2-1 内燃机换气过程的特点及要求
进气和排气过程的总称，任务：
1．排除缸内废气，干净彻底；
2．在有限的气缸工作容积下，充入更多的新鲜
充量。
2-2 四冲程内燃机的换气过程
一、按三个流动状态分：
1．超临界（pc/pr ）
以音速流出，流量取决于气体状态和流通面积，与压差无关。
2．亚临界（1<pc/pr <）
流量取决于气体状态、流通面积和压差，下止点后10-30度结束。
二、按流动特点：
1．自由排气阶段：超临界和亚临界
2． 强制排气阶段：靠活塞上行强制推出废气
排气门在下止点前打开，在上止点后关闭
3. 进气过程：进气门上止点前打开，在下止点后
关闭
4． 气门叠开：排气门迟闭，进气门早开,两气门
处于同时开启的阶段
作用：
（1）扫气：减少废气，增加新鲜充量；
（2） 冷却高温零件。
汽油机：进气压力低，20-30CA，过大易引起回火；
非增压柴油机：进气压力较大， 20-80CA；
增压柴油机：进气压力大于大气压， 80-160CA
三、进气过程
配气相位: 4个角
排气门早开：排气提前角
1.使排气流畅
2.排气功减小
排气门晚关：排气迟闭角
1.使排气彻底
2.排气惯性
进气门早开：进气提前角
1.减小阻力
2.增加流通面积
进气门晚关：进气迟闭角
1.惯性进气
由于活塞下行, 缸内产生负压，使新鲜介质充入缸内。
四、换气损失
1、自由排气损失 W
2、强制排气损失 Y
(W+Y)→min→确定最佳
排气提前角。
3、进气损失 X
4、换气损失 W+Y+X
5、泵气损失 W+Y -d
发动机换气损失图
进气损失和排气损失组成。
2-3 四冲程内燃机的充气效率ηv
一、充气效率ηv的定义
m1、v1：实际进入气缸的新鲜工质的质量、体积；
ms 、vs：进气状态下充满工作容积的新鲜工质的质量、
气缸的工作容积。
表征进气过程的完善程度及气缸利用率。
进气状态下充满气缸工作容积的工质质量
实际进入气缸的新鲜工质质量
进气状态： 非增压：环境大气状态P0、T0
增压：压气机出口状态Pk、Tk
若大气状态，气缸工作容积Vs，理论上进入气缸充气量ms:
由于，进气终了时pa<p0, Ta>T0, <Vs ,实际进气量m1：
v的测量方法：
（1） 流量计测量发动机每小时的实际进气量V1[m3/h]；
（2）计算每小时的理论充气量V：
（3）充气效率
1．进气终点压力Pa
Pa=Ps-ΔP ，ΔP=λρv2/2，
其中，λ：管道阻力系数；ρ：进气密度；v：流速
ΔP是各段管道所产生压降的总和，进气门处截面最小，产生的流阻最大。
(1) 油门一定，n流速Pa
(2) n一定，Pa的变化与负荷调节方式有关：
柴油机：质调节，进气无节流，由喷油量改变负荷， Pa基本不变
汽油机：改变节气门调节负荷
负荷节气门关小节流损失 Pa
二、ηv的数学分析表达式
2. 进气终点温度Ta
新鲜工质被高温零件加热，Ta>Ts，导致ρ↓ηv↓
柴油机：排气管和进气管分置于发动机两侧。
汽油机：为了汽化混合气，需加热新鲜混合气，进
排气管同侧。
3．残余废气系数
↑ηv↓
ε↑ ↓
柴油机比汽油机↓
低负荷时, 汽油机↑
4. 配气定时
ξ，Pa→ max
关太早，惯性作用未利用
关太迟，发生倒流
5. 压缩比ε
ε↑→ηv↑
6. 大气状态
Po↑→ Pa↑→ 进气量↑
To↑→ Ta↑ →进气量↓
2-4 减小进气系统阻力
一、减少进气系统的流动损失
进气系统阻力分为
汽油机：空气滤清器 化油器 节气门进气管
进气道 进气门
柴油机：空气滤清器 进气管 进气道 进气门
沿程阻力
局部阻力（节流阻力）
二、进气门处的流动阻力
1. 时面值
气门处气体流量dm：
dm=ρvm fdt
开启过程的气体流量:
m =∫dm =ρvm ∫fdt = ρvm 1/6n∫fdφ
式中，∫fdt称为时面值, ∫fdφ称为角面值
2．进气马赫数Ma
Ma定义：进气门处气体的平均速度vm与该处声速c的比值。
vm定义：实际进入气缸的新鲜充量与进气门有效时面值之比。
其中：D、d：活塞及进气阀盘直径；
Cm：活塞平均速度；
m：进气门开启过程的平均流量系数；
o、c：进气门开关角度。
当Ma>时， ηv↓↓，此时n增加，功率也不增加。
减小Ma：
（1） d气门通过面积
（2） m
（3）配气相位（ c - o）
3．气门直径和气门数
a. 增大进气门直径，减小排气门直径
1、进气门直径d进 一般:
d进 Pa ηv
d排 Pr ηv
一般： d排> d进
b. 多气门，流通面积f 40%左右。
D>80mm,常用二进二排；D<80mm，常用三进二排。
f ηv Pe （可达30%），be
～
c. 圆滑过渡（其中R为阀顶过渡圆角）
（1）过渡圆角R 流动阻力 ηv
（2）锐边光滑
d. 增大气门升程
h，时面值 ηv
三、进气道和进气管
1. 进气管截面大：阻力小，流速低，汽油易沉积于管壁；
2. 表面光洁 减小沿程阻力；
3. 管道转弯少，截面不突变减小局部阻力。
四、 空气滤清器
1. 加大截面减小阻力；
2. 清洗、更换。
2-5 合理选择配气定时
进气迟闭角θ进闭对ηv 影响最大
1．对于固定θ进闭，n ↑， ηv变化，在某一转速ηv →max；
2. 不同的迟闭角， ηmax对应的转速不同。
迟闭角大， ηmax对应的转速高
3．改变θ进闭，可调整内燃机的工作特性满足不同要求:
（1）如要求提高最大Pe，则θ进闭↑，但对中低速不利；
（2）如要求提高低速Me，则θ进闭↓，但会减小最大功率。
2-6 进气管的动态效应
进气和排气是间歇式过程，内部存在压力波；
利用压力波提高ηv，称为动态效应；
压力波动：气流惯性效应和波动效应。
一、进气管惯性效应
进气门打开初期，由于活塞向下运动和气流惯
性，气缸内和进气管内产生负压。气体流入气
缸，同时从气缸中传出膨胀波，向外端 A 传
播，速度为（a-u）。
当传到 A 端后，变成压缩波从 A 端又向气缸
方向传播，速度为（a+u）。反射到气缸后，
使气缸压力上升。
若进气管长度适当，使膨胀波发出到压缩波返
回气缸所经历时间，与进气门从开启到关闭的
时间恰好配合，即压缩波到达气缸时，进气门
正好处于关闭前夕，缸内气体密度最大。此时
关闭进气门就可以利用进气惯性效应，获得增
压效果，使循环充量增加，提高充气效率。
从图3-14中（b）可以看出，如果波动一
周期正好与进气门开启持续时间相等，则
进气门关闭时正是 B 点压力处于波峰位置，
也正是惯性效应最大的时候。如果进气门
关闭比此相位早或晚， B 点压力都不会处
于波峰位置，因此都得不到最高充气效果。
二、进气管波动效应
当进气门关闭之后，进
气管内的气柱还在继续波动，
对下一个进气循环的进气量
产生影响，这一影响称为波
动效应。
当进气门关闭时，进气管内流动的空气受到压缩，在进气门处产生压缩
波，向进气管开口端A传播，传播速度为(a-u)；
当压缩波传到管端A时，将要产生反射波，反射波与入射波性质相反，
即为膨胀波，并以(a+u)的速度向进气门处传播（图中a）。
如果进气门尚未打开仍处于封闭时，从进气门处返回的仍是膨胀波，此
膨胀波又向管端A传播，在开口端再次反射时又变成压缩波向进气门处
传播。
这样，气波在进气管中周而复始的来回传播，使进气门处的压力也时
高时低形成压力波（图中b）。如果下一循环的进气过程与正压力波重合，
进气门关闭时压力高，使充量系数提高，如果与负压力波重合，则进气门
关闭时压力低，使充量系数下降。
压力波动的固有频率 f1 为：
式中： α —进气管内音速，m/s； L—进气管长度，m。
当内燃机转速为n (r/min)时，进气频率 f2 为：
f1 与 f2之比为：
q1 表示波动次数。
q1说明进气管内压力波动的固有频率和内燃机进气频率之间的配合关系，
主要是进气管长度和内燃机转速的配合。
当 q1 = 、……时，下一次气门开启期间正好与正的压力波相重合，
使进气充量增加。
当 q =1、2、……时，进气频率与压力波频率合拍，下一次气门开启期间与
负的压力波重合，使进气充量减少。
这样，就可利用进气管的动态效应增大充气量，提高发动机的动力性。实
践证明，利用进气管动态效应可提高功率10%～20%，最低耗油率下降3%～
5%。并且还能降低排气温度和减少碳烟的排出量。
2-7 可变技术
一、可变进气管
1．要求: 高速：粗短管
低速：细长管
2．措施： 改变进气管长度或流通面积。
二、可变气门定时
1．使凸轮轴转过一定角度；
2．使用高、低速不同的凸轮。
发动机的一些结构参数随工况而变化，增强发动机的工
况适应范围，提高经济性、动力性和工作稳定性。
可变进气管
传统配气机构
传统配气机构缺点：
气门正时固定不变，很
难兼顾发动机不同转速
的工作需求。
可变气门定时
1、凸轮相位可变
双顶置凸轮轴，使进气凸轮转过一定角度。
2、进气持续期可变
两组凸轮由控制装置进行切换工作。
（1）中低速采用短行程、短持续期进气凸轮；
（2）高速采用长行程、长持续期进气凸轮。
2-8 二行程发动机换气过程
二行程发动机是曲轴回转一圈，活塞上下两个行程，
即压缩（及换气）行程和燃烧膨胀（及换气）行程，就完
成一个工作循环。它与四行程发动机的区别，主要是换气
过程。
h
fb
a
二行程发动机的示功图
p
V
p0 d
扫气口
排气口 进气口
c
z
Vs Ve
V' s
Vc
扫气泵
曲轴箱扫气
密闭曲轴箱，容积大压力低。
单独扫气泵
转子泵或离心泵，曲轴驱动，
扫气压力=109-150kpa。
废气涡轮增压
最好，扫气压力=140-200kpa。
扫气系统形式
一、横流扫气
二、回流扫气
三、直流扫气
扫气效果评价
1、扫气效率
m0：换气后留在缸内的新鲜充量质量；
mg：换气后缸内气体总质量；
mr：换气后缸内残余废气质量。
s高，表示缸内残余废气少，换气质量高。
扫气效果评价
2、过量扫气系数（给气比）
mt：换气中所用新气总质量；
ms：大气状态充满气缸工作容积Vs的新气质量；
0表示向气缸供给新气的多少。
扫气效果评价
3、给气效率
m0：换气后留在缸内的新鲜充量质量；
mt：换气中所用新气总质量；
t表示新气损失的多少。
谢谢欣赏
