第二章 发动机的换气过程
Process in Engine Exchanging Gas
教师：许兆棠
淮阴工学院
主要内容
第一节 四冲程发动机的换气过程
第二节 四冲程发动机的充量系数
第三节 提高发动机充量系数的措施
• 作业及复习题
下止点
上止点
第一节 四冲程发动机的换气过程
一、换气过程：
• 四冲程发动机的换气过程包括从排气门
开启到进气门关闭的整个时期。约占
410º~ 480º曲轴转角。p25
• 换气过程可分作自由排气、强制排气、
进气和燃烧室扫气四个阶段。
1、自由排气阶段
从排气门开启到气缸压力接近于排气管内压力的
时期，称为自由排气阶段自由排气阶段。
排气提前角：从排气门开启到活塞行至下止点
所对应的曲轴转角称为，一般为30º~80º曲轴转角。
2、强制排气阶段
自由排气阶段结束后，气缸内的废气将被上行
活塞强制推出，这一过程就是强制排气阶段强制排气阶段。
排气提前角：从上止点到排气门完全关闭终了所
对应的曲轴转角，一般为10º~35º曲轴转角。
3、进气过程
•从进气门开启到关闭的全过程
•准备进气：进气提前角一般为0º~40º(CA)。
•正常进气 ：新鲜气体充入气缸。
•惯性进气：进气迟闭角一般为40º~70º(CA)。
4、气门重叠和燃烧室扫气过程
在排气行程上止点附近出现进、排气门同时开启
的特殊现象，称为气门重叠气门重叠，相应的角度是气门重
叠角，它是排气迟闭角与
进气提前角之和。
• 气门重叠角的选择以新鲜
充量不流入排气管为原则。
• 增压柴油机的气门重叠角
一般为80º~160º(CA)；
• 非增压柴油机的气门叠开
角在20º~60º(CA)范围内。
二、排气损失
• 定义:从排气门提前开启，
直到进气行程开始、缸内
压力到达大气压力之前,
所损失的循环功。
• 构成:
a.自由排气损失W：由
于排气门提前打开而引起
的膨胀功的减少。
b.强制排气损失Y：活
塞上行强制推出废气所消
耗的功。
三、进气损失X
• 进气损失主要是指进
气过程中，因进气系
统的阻力面引起的功
的损失，与排气损失
相比进气损失较小。
•合理调整配气定时，加大进气门的流通截面、
正确设计进气管及进气道的流动路径以及降
低活塞平均速度等，都会使进气损失减少。
• 排气损失与进气损失
之和称为换气损失
(W十Y十X) 。
• 泵气损失（X+Y-u）：
在实际循环示功图中
把面积(x+y- u)相当
的负功称为泵气损失。
这部分损失放在机械
损失中加以考虑。
第二节 四冲程发动机的充量系数
• 换气的目的是尽量排净废气，最大限
度充入新气，以完善燃烧，提高效率。
• 评价发动机的换气质量，可用充量系
数(充量效率、容积效率) 、残余废气
系数来衡量。
一、充量系数φ
c
• 定义：内燃机每缸每循环实际进入气缸的新
鲜空气质量与进气状态下理论计算充满气缸
工作容积的空气质量比值。
进气状态：指空气滤清器后进气管内的气体
状态，即进人气缸前气体的热力学状态，如
温度与压力等。
非增压：通常取为当地的大气状态。
增 压：增压器出口状态。
式中：
ma 实际进入气缸的新鲜空气质量
V1 实际进入气缸的新鲜空气在进气状态
下的体积
ms 进气状态下理论计算充满气缸工作容
积的空气质量
Vs 气缸工作容积
＜1充量系数
一般非增压发动机在全负荷时的φ
c
汽油机
顶置气门：~
侧置气门：~
柴油机 ~
二、影响充气效率的因素:
1．进气终了时缸内压力Pa’
Pa’对φ
c
有重要影响，Pa’愈高，φ
c
值愈大
Pa’=Ps－△Pa
式中，△pa为气体流动时，克服进气系统阻力
而引起的压降(kPa)。
一般可写成
式中 ——管道阻力系数；
——进气状态下气体的密度；
V——管道内气体的流速（m/s）。
可见，△pa主要取决于各段管道的阻力
系数和气体流速。若 大、 V高时，△pa增加，
使pa’下降。
•管道阻力系数、转速和负荷对进气压力的
影响
1）管道阻力系数
管道阻力大，管道阻力系数大， △pa大，Pa’
降低。
2）管道内气体的流速
负荷减小，发动机转速高，气体流速增
加， △pa大，引起Pa’下降。
2．进气终了的温度Ta’
Ta’高于进气状态温度， Ta’越高，充入气
缸的工质密度越小，φ
c
值愈低。
•引起Ta’升高的原因是:
1）新鲜工质进入发动机与高温零件接触而
被加热。
2）新鲜工质与高温残余废气混合而被加热。
•转速和负荷对Ta’的影响
1）转速：当负荷不变而转速增加时，由于
新鲜工质与缸壁等接触时间短，传热量少，所
以Ta’稍有下降。
2）负荷：当转速不变而增加发动机负荷时，
缸壁等零件温度升高，Ta’有所上升。
•措施：
将高温排气管与进气管分置于气缸两侧，
控制进气预热，适当加大气门叠开角等， 降低
Ta’。
3.残余废气系数
1） 增加， φ
c
降低，燃烧恶化，油耗、
排放增加，
2）压缩比提高，残余废气系数减小。
3）排气压力高，废气多，充气效率降低。
4）排气系统阻力大，排气压力高，废气多。
4．进排气相位角
由于进气门迟闭而 ＜1 ,新鲜充量的容积减
小,但Pa’值却可能因有气流惯性而使进气有所增
加,合适的配气定时应考虑ξPa’具有最大值。
5．压缩比
压缩比增加,压缩容积减小,残余废气量随之
减小,因而φ
c
有所增加。
6. 进气状态
进气温度升高，进气压力下降均会使进入气
缸充量的密度减小，绝对进气量减少，对充量
系数影响不大。
提高充量系数措施
降低进气系统的阻力
降低排气系统流通阻力
减少对进气充量的加热
结构一定结构一定,,
即即εεcc一定一定
合理选择进、排气相位角
谐振进气与可变进气支管
第三节 提高发动机充量系数的措施
一、降低进气系统的流动阻力
1．降低进气门处的流动损失
进气马赫数：进气门处气流平均速度
与该处声速 之比
进气马赫数反映气体流动对充量系数
的影响。
当M超过一定数值时，大约在左右，
充量系数急剧下降。
减小气门
流动损失的具体措施
加大进加大进
气门直径气门直径
增加增加
进气门进气门
数目数目
改改进进
配气配气
凸轮凸轮
型线型线
改善
气门处
流体
动力性能
减少进气道的阻力：
气道通路断面应有足够的面积，各断面要避免突变。
进气道内部过渡圆角半径应大一些，避免急剧转弯等。
减少进气管的阻力：
进气管必须保证足够的流通截面积，管道表面光洁，
避免急转弯及流通截面突变，以减少阻力。为保证各气缸
进气均匀，各缸进气管独立，长度尽可能一致。进气管的
整体走势和内壁断面形状要满足使新鲜充量在气缸中形成
涡流的要求。
减少空气滤清器的阻力：
加大通过断面，改进滤清性能，创制低阻高效滤清器
等。在使用中要经常清洗滤清器，特别要避免纸芯的油污
堵塞，及时更换滤芯等。
２．减少进气道、进气管和空气滤清器的阻力
二、降低进气系统的流动阻力
新鲜充量在吸入过程中，受到进气管、
进气道、气门、气缸壁和活塞等一系列受
热零件的加热，引起温升。
进排气管两侧分开布置，可以避免或
减少高温排气管对进气的加热，有利提高
充量系数。
三、降低进气系统的流动阻力
降低排气系统流通阻力，使气缸内废气
压力下降，减少泵气功。
将排气道的一部分做成扩压形，降低了
气缸内与排气管内的压力差，降低了气缸内
废气压力，降低泵气功。
选择良好的排气支管的流型，避免排气
道内截面突变、急转弯和凸台，有助于降低
整个流通阻力。
在满足必要的消声效果要求下，降低消
声器的流通阻力。
四、合理选择进排气相位角
转速一定，存在相应的最佳进气门迟闭
角度。
利用气门可变正时技术，在全部转速范
围内提高充量系数。
具体措施：
１、无凸轮的电磁气门驱动机构
２、液压气门驱动机构。
３、可变凸轮机构(VCS，Variable Camshaft
System)
４、可变气门定时(VVT，Variable Valve
Timing )。
五、谐振进气与可变进气歧管
谐振进气和可变进气歧管，都是利用进
气管的动态效应来提高充量系数。
具体措施：
１、适当调整进气管长度、直径等进气系统
参数。
２、可变长度进气歧管。
３、双通道可变进气歧管。
可变长度进气管
双通道可变长度进气管
1—空气滤清器 2—节气门 3—转换阀
4—转换阀控制装置 5—发动机电子控制单元
1短进气通道 2—旋转阀 3—长进气道
4—喷油器 5—进气道 6—进气门
1. 为什么发动机进气门迟后关闭、排气门提
前开启。提前与迟后的角度与那些因素有
关？
3. 影响充量系数的主要因素有哪些？
4. 提高发动机工作转速，从换气方面会遇到
哪些阻碍因素，如何克服？
5. 什么是进气管动力效应，怎样利用它来提
高充量系数。
6. 什么叫进气马赫数?
7. 选做4题
作业
