1. 第三章 发动机的换气过程 本章要求： 了解：二冲程发动 机的换气过程。 理解：配气相位， 充气效率和影 响因素。 掌握：四冲程发动 机的换气过程 和换气损失 。

2. 第一节 四行程发动机的换气过程 一、换气过程 分五个阶段： 1 、自由排气阶段 2 、强制排气阶段 3 、进排气重叠阶段 4 、进气阶段 5 、惯性进气阶段 发动机的换气过程是排气过程和进气过程的通称 ; 包括从排气门 开启直到进气门关闭的整个时期 ; 约占 410 ～ 480° 曲轴转角。 换气过程的任务： 将缸内空气排出干净, 并充入尽量多的新鲜充量。 换气过程进行的完善程度是提高发动机动力性的重要因素。

3. 二、换气损失 排气损失 图 3-2 四行程发动机的换气损失 w: 膨胀损失； x: 推出损失； 进气损失 y: 进气损失； 换气损失： x+y+w 泵气损失： x+y-u

4. 随着排气提前角的 增大, 膨胀损失增加, 推出损失减小。 图 3-3 四行程发动机的换气损失 a-- 提前角适当； b-- 提前角过大； c-- 提前角过小； d-- 排气阻力过大。 适当的排气提前角 应使两者之和最小， 即 W+X 最小。

5. 第二节 充气效率 ( 充气系数 ) 一、扫气效率 η sc 指封存在气缸内的空气质量 m a 与封存在气缸内的总气体 质量 (m a +m r ) 之比 η sc =m a /(m a +m r )=1/(1+r) (η sc 大则残余废气少 ) m r — 残余废气质量； r=m r /m a 残余废气系数 二、容积效率 η v 指封存在气缸内的总气体质量与在进气状态下（ P s 、 T s ） 封存在气缸内的空气质量 m’ 之比 η v =(m a +m r )/m’ 4对4对非增压发动机，进气状态指空气滤清器后进气管内的气体状态。 对增压发动机，指压气机后进气管内的气体状态。

6. 三、充气效率 η CH 指封存在气缸内的空气质量（混合气） m a 与在进气状态 下（ P s 、 T s ）封存在气缸内的空气质量（混合气） m’ 之 比 η CH =m a /m’ =V s /V h η CH = η SC η V ( 由于进气阻力、气缸压力和温度的影响， η CH <1 ：汽 o.7~0.85; 柴 0.75~0.9) 四、扫气比  k 在进气状态下（ P s 、 T s ）, 供入气缸的空气质量 m s 与在进 气状态下（ P s 、 T s ）封存在气缸内的空气质量 m’ 之比  k =m s /m’ 五、扫气系数  S 在进气状态下（ P s 、 T s ）, 供入气缸的空气质量 m s 与封存 在气缸内的空气质量 m a 之比。  S =m s /m a

7. 第三节 影响充气量的因素 1 、使用因素 （ 1 ）转速 n n  进气流速   流动阻力   Pa   η CH  图 3-4 不同节气门开度、不同 转速时的进气压力 n 过低, 惯性进气   η CH  。 一定的进气系统， 一定负荷下，有一 个转速对应的充量 系数最大。 ( 图 3-5( 图 3-5)

8. （ 2 ）负荷 汽油机的负荷调 节属于量调节， 负荷  ，节气门开 度  ， 进气阻力  ，进气 终了压 Pa   η CH  。 图 3-7 汽油机的充量系数随 负荷的变化关系 1- 全负荷 2 、 3 、 4 、 5 、部分负荷 柴油机的负荷调 节属于质调节， 负荷的变化对充 气系数无明显的 影响。

9. （ 3 ）大气状态 大气压力 P 0 ： P 0  Pa  ，但 P a /P 0 基本不变，故 η CH 不变。 大气温度 To ： To 变化， Ta 也变化， To/Ta 基本不变，故 η CH 不变 但 P 0 ↓(To↑)=>ρ 0 ↓=>m a ↓=> 发动机功率  。

10. (1) 进气系统 一般包括进气门、进气管、空滤器、化油器、进 气道等部件。要尽量减少各部件的流动阻力，以 增大进气终了的压力，提高充量系数。 试验证明，增大进气终了的压力比降低残余废气 系数对充量系数的影响大，所以设计成进气门直 径大于排气门直径，气门顶部的形状呈流线型。 （ 2 ）压缩比   ↑ ， Vc ↓ ， r↓ ， η CH ↑ 。 2 、结构因素

11. （ 3 ）配气相位 配气相位是进排气门启闭角与曲轴转角的关系。 配气相位中，进气滞后角 对 η CH 的影响最大。改变进 气滞后角可以改变 η CH 随转 速变化的趋向，用以 调整发动机的扭矩和有效 功率。 （图 3-8 ）图 3-8 高速发动机进气滞后角 较大，以提高高速下的充 量系数。 配气相位是靠选定的凸轮 型线来进行控制的。

12. 四、提高充气系数的措施 1 、减小进气系统的阻力 Pa↑ η CH ↑ （ 1 ）减小空滤器的阻力 设计低阻高效，使用保养清洁。 （ 2 ）减小化油器的阻力 化油器喉管的阻力，取消化油器，采用汽油喷射 （ 3 ）减小进气管、道的阻力 汽油机歧管矩形断面小流速快汽化好阻力大 柴油机歧管圆形断面大流速慢汽化差阻力小 设计合理选择断面，弯少避免突变。使用清除积 炭、安装正确、保持畅通。 （ 4 ）减小进气门的阻力 ①增大进气门直径 ②增加进气门数目 ③增加进气门升程 ④改善气门头与杆的过渡形状

13. 2 、减小排气系统的阻力 使用清除积炭、安装正确、保持畅通。 3 、合理进气予热 柴油机进、排气管分两侧布置 4 、合理配气相位 —— 进气迟闭角 5 、可变进气系统 可变配气相位 低速，进气滞后角小防止新气倒流 高速，进气滞后角大充分利用气体流动惯性 可变进气管道 低速与小负荷进气管道细而长 高速与大负荷进气管道粗而短 可变进气门（ VVT ） 低速与小负荷仅开一个主进气门 高速与大负荷时开几个进气门。 这一过程由凸轮轴控制进气道的转换阀来实现。

14. 四冲程发动机的充量系数 图 3-5 η CH 随 n 的变化关系图 3-6 四行程发动机 充量系数的范围

15. 在实际使用中， 如果进气门间隙过 大，不仅使气门的 时间 - 断面值减少， 还使进气滞后角减 小，改变充量系数 随转速的变化趋向， 影响车辆的使用。 图 3-8 进气滞后角对充量系数、 扭矩、功率的影响

16. 自由排气阶段： 从排气门打开到气缸压力接近于排气管压力的这个时期, 称为自由 排气阶段。 缸内压力与排气管压力之比大于临界值，排气流动出于超临界状 态，废气以当地音速 a 排出，流量与排气管压力无关。 临界值 :( ２ /(K+1)) (K/(K-1) ), a = (KRT) 1/2 (m/s) （当 T=700~1100K 时。 A 可达 500~700m/s) 。 废气的６０％～７０％排出 排气门提前开，一般排气提前角设计为 30-80  CA 曲轴转角。高速 机中，应加大排气提前角。 如 CA6102 ， n ＝ 3300r/min ，排气提前角 42  ； 切诺基,n ＝ 5600r/min ，排气提前角 56 

17. 强制排气阶段： 气缸内压力下降到接近排气管内压力 时（下止点后 10~30  CA ），压力差很小， 废气需依靠活塞上行被强制推出。 此阶段在整个排气过程中持续的时间 最长，但排出的废气量少于自由排气阶 段排出的废气量。

18. 进排气重叠阶段： 由于排气门迟后关闭，进气门提前开启，因此存在进 排气门同时打开的现象，称为气门叠开，也称扫气阶 段，清除残余废气，增加进气。 排气滞后角一般为 10 ～ 35°CA ，进气提前角一般为 10 ～ 40°CA 。 非增压进排气门重叠角一般为 20-60° ，增压柴油机， 因其进气压力高，故需较大的气门重叠角，一般为 80- 160° 。

19. 进气阶段： 排气门关闭后，活塞继续下行，新鲜气体 被吸入气缸。 由于进气系统有一定的阻力，因此进气阶段 气缸内的压力低于大气压力。 新鲜气体在进气管中，受到排气管的加热 （汽油机中），流入气缸内的气体受到缸内残 余废气的加热，其温度高于大气温度。

20. 惯性进气阶段： 利用气流的惯性进气，进气门滞后关。转 速越高，活塞平均速度和进气流速越大， 进气气流动能越大，故高速内燃机进气滞 后角较大。 从活塞行至下止点到进气门完全关闭时的曲 轴转角，称为进气滞后角，一般为 40 ～ 70°CA.

22. 1 、排气损失 由于排气门提前开启，造成循环功的损失 w （膨 胀损失或自由排气损失）；和活塞将废气推出的损 失 x （推出损失或强制排气损失）。 2 、进气损失 由于进气系统存在阻力, 造成循环功的损失。 实际示功图中, 把图 3-2 中的（ x+y-u ）部分称为泵 气损失, 归入机械损失中；而把图 3-2 中的 w 、 u 部分 归到指示效率中考虑。