第二章 发动机的换气过程
燃烧是做功之本。
燃烧需要空气与燃料。 重量比 容积比
燃料 1 1 液态
空气 15 1000 气态
燃料受机械控制，容易加入。而汽缸容积就那么大，要想多加空气就要困难得多。因此，对发动机换气过程的研究就显得尤为重要了。
§2-1 四冲程发动机的换气过程一 配气定时
与工程热力学中介绍的不同,进排气门的开启、关闭也需要时间,故在下止点前排气－排气提前角40(～80(
在上止点后关闭－排气迟闭角10(～35(
在上止点前吸气－进气提前角 0(～40(
在下止点后关闭－进气迟闭角40(～80(
进气提前角+排气迟闭角－气门叠开角
二 换气过程
（一） 排气过程
1 自由排气阶段 A
排开 p >>p’ ( p = p’
靠缸内压力将气体挤出气缸，其中
p－缸内压力,p’－排气管内压力。
2 强制排气阶段 B
p = p’ ( p ( p’
靠活塞上行将废气挤出气缸。
3 超临界排气 C
排开 ( p = 1.9 p’
在气阀最小截面处,气体流速等于该地音速 m/s。其流量与压差 （p - p’）无关,只决定于排气阀开启面积和气体状态。
4 亚临界排气 D
p = 1.9 p’ ( 排闭。
其流量取决于压差 （p - p’）。
（二） 进气过程和气门叠开角
由于节流作用,缸内产生负压；（）使新鲜介质进入缸内。
气阀叠开角：非增压：20(～60( CA。
太大（引起） ( 废气回流进气道。
太小 ( 扫气作用不明显。
增压：110(～140( CA。
进气管p(,扫气明显,气阀叠开角可以增大很多。如6135
型高柴：非增压：40(,增压：124(。
扫气的作用：
1 清除废气,增加气缸内的新鲜充量。
2 降低排气温度。
3 降低热负荷最严重处（如气阀、活塞等）的温度。
三 换气损失
理论循环换气功与实际循环换气功之差。
如图：换气损失功－X+（Y+W）,其中（W+Y）
为排气损失功，X为进气损失功。
（一） 排气损失功Y
W是因排气门提前开启而损失的膨胀功,
称为自由排气损失。Y是活塞作用在废气上的推出功,称为强制排气损失功。
排气提前角( ( W(，Y( 。
综合效果,要求（Y+W）(,故（W+Y）有一个最佳值（W+Y）min 。对应排气提前角亦有一个最佳值,n( ( （W+Y）min( 。
（二） 进气损失功X
进气损失功小于排气损失功，即X < Y
（三） 泵气损失功 （X+Y-D）
在实际示功图中,把（W+d） 归到指示功中考虑。而把泵气损失功 （X+Y-d） 归到机械损失中考虑。
§2-2 四冲程发动机的充气效率一 充气效率
（一） 定义
为比较不同大小、不同类型发动机的充气品质和换气过程的完善程度,不受气缸工作容积Vh 的影响,引入充气效率的概念。
由于有进气阻力等因素的影响,实际进入气缸中的新鲜充量必然小于理论上进气状态下充满工作容积的新鲜充量。二者之比称为充气效率,即
其中：－实际充量的重量，质量和体积；
－理论充量的重量，质量和体积；
进气状态：非增压：空气滤清器后进气管内的气体状态,通常取为当地的大气
状态。
增 压：增压器出口状态。
严格地说，充气效率应为
更合理。这样，在后面将要讲到的大气修正中，不同的压力和温度下进气量的比值就等于其充气效率之比。否则，按照前头的定义式，大气温度越高，充气效率反而会越高，讲起来似乎无法接受。而且也不具备可比性。
（二） 实际测量
其中：－实际测量 [ /h ]
充气效率是衡量换气过程进行得完善程度的重要指标。
柴油机 0.75～0.90
汽油机 0.70～0.85
二 充气效率的分析式
充入汽缸的新鲜充量 = 缸内气体的总质量－缸内残余废气质量
（一） 进气门关闭时缸内气体的总质量
其中－余隙容积；－进气门关闭时缸内工作容积；
－进气终了缸内气体密度。
（二） 排气门关闭时缸内残余废气的质量
其中－排气门关闭时缸内容积；－排气门关闭时缸内残余废气密度。
（三） 充入汽缸的新鲜充量
其中－大气状态下气体密度。
（四） 充气效率的分析式
其中－压缩比；－有效压缩比；。
一般～。若假设，有
带入理想气体状态方程式，得
其中－大气压力和温度；－进气终了时缸内的压力和温度；
－排气终了时残余废气的压力和温度。
；。
的分析式为定性分析的影响因素提供了依据。
§2-3 影响充气效率的各种因素一 进气终了压力
（一） 进气阻力
( ( ( ( (
对的影响最大。进气系统的沿程阻力和局部阻力均会使增大。
（二） 转速
n ( ( (( ( ( ( (
（三） 负荷
汽油机：负荷 ( ( 节气们开度 (（质调节） ( ( ( ( ( (
柴油机：负荷 ( ( 循环供油量 ( （量调节）（与无关） (
热负荷 ( (( ( ( （不大）
二 进气终了温度
（一） 转速
负荷一定：n( (
综合、的影响,n ( ( (。
（二） 负荷
转速一定：负荷 ( ( 热负荷 ( (( ( (
柴油机：进、排气管分置。
避免排气管对进气管加热，使( ( (
汽油机：进、排气管同置。
虽然( ( (，但燃油受热增发快，可以改善混合气形成。
三 排气终了压力
( ( 残余废气量( ((
( 排气门处的阻力 ( ，所以
n( ( ( ( ( （影响较小）
四 排气终了温度
( ( (
五 压缩比(
(( ( (
公式仅为定性分析用的，是粗略的。还有许多因素未予考虑。如：压力升高比(，绝热指数k，进气马赫数Ma，热传输和过量空气系数(等。
§2-4 提高充气效率的措施
减小进气系统阻力。
沿程阻力，局部阻力（节流阻力）。
汽油机：空气滤清器 ( 化油器 ( 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
一 减小流动阻力
（一） 进气门
1 进气门直径
一般,0.20～0.25
( ( ( ( ( （影响大）
( ( ( ( ( （影响小）
一般： >
2 四气门
流通面积( 40%左右。但结构复杂，造价较高。
(( ( (( ( (( （可达30%）,((
3 气门升程h
h(，时面值( ( (
4 阀顶过渡圆角R
R(( ( ( ( (
R(( ( 流动阻力( ( (
R应适中。
（二） 进气管
1 表面光洁度和流通面积
表面光洁度(，流通面积( ( 沿程阻力( ( (
2 转弯和节流阻力
转弯半径R(，截面突变( ( (
3 截面形状
考虑汽油机的雾化，蒸发，则
管壁面积( ( 沉积( ( 蒸发( ( 混合气分配不均匀
截面形状 圆形 矩形 D形
流动阻力 小 大 中
底部蒸发 小 中 大
柴油机不存在底部蒸发问题，故多采用流动阻力小的圆形进气管。
（三） 进气道
转弯半径R(，表面光洁度(，各管口与垫片孔口对中 ( 流动阻力( ( (
设计时还要考虑组织进气涡流。
（四） 空气滤清器
通道面积(，除尘效果( ( 流动阻力( ( (
经常清洗，更换纸芯。
（五） 化油器
喉口截面积( ( 流动阻力( ( (，但雾化效果( 。
解决这对矛盾，采用双喉口。小喉口：雾化；大喉口：进气。
二 合理选择配气定时
（一） 配气定时的综合评定
1 良好的充气效率以保证发动机的动力性能。
2 合适的充气效率以适应发动机的扭矩特性。
3 较小的换气损失以适应发动机的经济性能。
4 必要的燃烧室扫气以保证高温零件的热负荷得以适当降低，达到可靠运行。
5 合适的排气温度。
调整：1，2－进气迟闭角；3－排气提前角；4，5－气门叠开角
（二） 进气迟闭角
1 转速n一定时，总有一个进气迟闭角使得充气效率为最大。
2 n(( ( 气流惯性 ( ( 缸内气体易倒流进气管 ( (
n(( ( 一部分气体来不及进入汽缸 ( (
3 ( ( 对应的n(
所以，高速发动机转速大，要获得好的充气效率和动力性，进气迟闭角应大
一些。
4 n( ( (
（三） 排气提前角
( ( (( ( (, 其中(－后期膨胀比。
考虑经济性，在排气损失最小的前提下，尽量减小排气提前角。
（四） 气门叠开角
(( ( 缸内气体易倒流进气管；(( ( (，(( (
增压发动机气门叠开角应大一些。
§2-5 进气管内的动态效应一 现 象
195柴油机：进气管长度L = 300 mm L = 1140 mm
气体在进排气管中有压力波动现象，有效组织、利用压力波动，可以提高充
气效率。
进气门开闭时：( ( pa( ( (
排气门开闭时： ( ( pr( ( (
动态效应与进排气管的长度和直径有关。
二 波的动态机理
闭口端：进：压缩波 ( 反射,压缩波 －同型波
进：膨胀波 ( 反射,膨胀波 －同型波
开口端：进：压缩波 ( 反射,膨胀波 －异型波
进：膨胀波 ( 反射,压缩波 －异型波
三 进气动态效应
（一） 惯性效应
阶段：进气门开 ( 进气门闭
( 膨胀波
( 压缩波 （进气门闭）
（二） 波动效应
阶段：进气门闭 ( 下一循环进气门开
( 压缩波
( 膨胀波
( 膨胀波
( 压缩波 （进气门开）
压力波动是周期性的。
压力波固有频率： [ 1/s ] 其中a－进气管内声速。
发动机吸气频率： [ 1/s ]
令：
当q = 1，2，3… 时，进气门开，则pa( ( (。
当q = … 时，进气门开，则pa( ( (。
四 结 论
1 惯性效应 （本循环），振幅大，衰减小。
波动效应 （两循环），振幅小，衰减大。
2 高速发动机，进气管短；低速发动机，进气管长。
3 进气管直径(( ( 流动阻力( ( 压力波强度(
进气管直径(( ( 压力波振幅( ( 压力波强度(
4 多缸机上，进气管应分支，且等长。
5 避免急转弯，则压力波振幅不会衰减太大。
6 排气管需要膨胀波，则pr( ( 扫气作用( ( (
§2-6 单位时间充气量与循环充气量
单位时间充气量 G [ kg/h ]，
循环充气量 (G [ kg ]，则
[ kg/h ]
n( ( G(，但n( ( pa( ( (G(
G( ( 单位时间供油量g( ( 与功率有关。
(G( ( 循环供油量(g( ( 与扭矩有关。
图中虚线为不考虑进气损失的G和(G曲线；
实际的G和(G曲线如图中实线所示。
燃烧是做功之本。
燃烧需要空气与燃料。 重量比 容积比
燃料 1 1 液态
空气 15 1000 气态
燃料受机械控制，容易加入。而汽缸容积就那么大，要想多加空气就要困难得多。因此，对发动机换气过程的研究就显得尤为重要了。
§2-1 四冲程发动机的换气过程一 配气定时
与工程热力学中介绍的不同,进排气门的开启、关闭也需要时间,故在下止点前排气－排气提前角40(～80(
在上止点后关闭－排气迟闭角10(～35(
在上止点前吸气－进气提前角 0(～40(
在下止点后关闭－进气迟闭角40(～80(
进气提前角+排气迟闭角－气门叠开角
二 换气过程
（一） 排气过程
1 自由排气阶段 A
排开 p >>p’ ( p = p’
靠缸内压力将气体挤出气缸，其中
p－缸内压力,p’－排气管内压力。
2 强制排气阶段 B
p = p’ ( p ( p’
靠活塞上行将废气挤出气缸。
3 超临界排气 C
排开 ( p = 1.9 p’
在气阀最小截面处,气体流速等于该地音速 m/s。其流量与压差 （p - p’）无关,只决定于排气阀开启面积和气体状态。
4 亚临界排气 D
p = 1.9 p’ ( 排闭。
其流量取决于压差 （p - p’）。
（二） 进气过程和气门叠开角
由于节流作用,缸内产生负压；（）使新鲜介质进入缸内。
气阀叠开角：非增压：20(～60( CA。
太大（引起） ( 废气回流进气道。
太小 ( 扫气作用不明显。
增压：110(～140( CA。
进气管p(,扫气明显,气阀叠开角可以增大很多。如6135
型高柴：非增压：40(,增压：124(。
扫气的作用：
1 清除废气,增加气缸内的新鲜充量。
2 降低排气温度。
3 降低热负荷最严重处（如气阀、活塞等）的温度。
三 换气损失
理论循环换气功与实际循环换气功之差。
如图：换气损失功－X+（Y+W）,其中（W+Y）
为排气损失功，X为进气损失功。
（一） 排气损失功Y
W是因排气门提前开启而损失的膨胀功,
称为自由排气损失。Y是活塞作用在废气上的推出功,称为强制排气损失功。
排气提前角( ( W(，Y( 。
综合效果,要求（Y+W）(,故（W+Y）有一个最佳值（W+Y）min 。对应排气提前角亦有一个最佳值,n( ( （W+Y）min( 。
（二） 进气损失功X
进气损失功小于排气损失功，即X < Y
（三） 泵气损失功 （X+Y-D）
在实际示功图中,把（W+d） 归到指示功中考虑。而把泵气损失功 （X+Y-d） 归到机械损失中考虑。
§2-2 四冲程发动机的充气效率一 充气效率
（一） 定义
为比较不同大小、不同类型发动机的充气品质和换气过程的完善程度,不受气缸工作容积Vh 的影响,引入充气效率的概念。
由于有进气阻力等因素的影响,实际进入气缸中的新鲜充量必然小于理论上进气状态下充满工作容积的新鲜充量。二者之比称为充气效率,即
其中：－实际充量的重量，质量和体积；
－理论充量的重量，质量和体积；
进气状态：非增压：空气滤清器后进气管内的气体状态,通常取为当地的大气
状态。
增 压：增压器出口状态。
严格地说，充气效率应为
更合理。这样，在后面将要讲到的大气修正中，不同的压力和温度下进气量的比值就等于其充气效率之比。否则，按照前头的定义式，大气温度越高，充气效率反而会越高，讲起来似乎无法接受。而且也不具备可比性。
（二） 实际测量
其中：－实际测量 [ /h ]
充气效率是衡量换气过程进行得完善程度的重要指标。
柴油机 0.75～0.90
汽油机 0.70～0.85
二 充气效率的分析式
充入汽缸的新鲜充量 = 缸内气体的总质量－缸内残余废气质量
（一） 进气门关闭时缸内气体的总质量
其中－余隙容积；－进气门关闭时缸内工作容积；
－进气终了缸内气体密度。
（二） 排气门关闭时缸内残余废气的质量
其中－排气门关闭时缸内容积；－排气门关闭时缸内残余废气密度。
（三） 充入汽缸的新鲜充量
其中－大气状态下气体密度。
（四） 充气效率的分析式
其中－压缩比；－有效压缩比；。
一般～。若假设，有
带入理想气体状态方程式，得
其中－大气压力和温度；－进气终了时缸内的压力和温度；
－排气终了时残余废气的压力和温度。
；。
的分析式为定性分析的影响因素提供了依据。
§2-3 影响充气效率的各种因素一 进气终了压力
（一） 进气阻力
( ( ( ( (
对的影响最大。进气系统的沿程阻力和局部阻力均会使增大。
（二） 转速
n ( ( (( ( ( ( (
（三） 负荷
汽油机：负荷 ( ( 节气们开度 (（质调节） ( ( ( ( ( (
柴油机：负荷 ( ( 循环供油量 ( （量调节）（与无关） (
热负荷 ( (( ( ( （不大）
二 进气终了温度
（一） 转速
负荷一定：n( (
综合、的影响,n ( ( (。
（二） 负荷
转速一定：负荷 ( ( 热负荷 ( (( ( (
柴油机：进、排气管分置。
避免排气管对进气管加热，使( ( (
汽油机：进、排气管同置。
虽然( ( (，但燃油受热增发快，可以改善混合气形成。
三 排气终了压力
( ( 残余废气量( ((
( 排气门处的阻力 ( ，所以
n( ( ( ( ( （影响较小）
四 排气终了温度
( ( (
五 压缩比(
(( ( (
公式仅为定性分析用的，是粗略的。还有许多因素未予考虑。如：压力升高比(，绝热指数k，进气马赫数Ma，热传输和过量空气系数(等。
§2-4 提高充气效率的措施
减小进气系统阻力。
沿程阻力，局部阻力（节流阻力）。
汽油机：空气滤清器 ( 化油器 ( 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
一 减小流动阻力
（一） 进气门
1 进气门直径
一般,0.20～0.25
( ( ( ( ( （影响大）
( ( ( ( ( （影响小）
一般： >
2 四气门
流通面积( 40%左右。但结构复杂，造价较高。
(( ( (( ( (( （可达30%）,((
3 气门升程h
h(，时面值( ( (
4 阀顶过渡圆角R
R(( ( ( ( (
R(( ( 流动阻力( ( (
R应适中。
（二） 进气管
1 表面光洁度和流通面积
表面光洁度(，流通面积( ( 沿程阻力( ( (
2 转弯和节流阻力
转弯半径R(，截面突变( ( (
3 截面形状
考虑汽油机的雾化，蒸发，则
管壁面积( ( 沉积( ( 蒸发( ( 混合气分配不均匀
截面形状 圆形 矩形 D形
流动阻力 小 大 中
底部蒸发 小 中 大
柴油机不存在底部蒸发问题，故多采用流动阻力小的圆形进气管。
（三） 进气道
转弯半径R(，表面光洁度(，各管口与垫片孔口对中 ( 流动阻力( ( (
设计时还要考虑组织进气涡流。
（四） 空气滤清器
通道面积(，除尘效果( ( 流动阻力( ( (
经常清洗，更换纸芯。
（五） 化油器
喉口截面积( ( 流动阻力( ( (，但雾化效果( 。
解决这对矛盾，采用双喉口。小喉口：雾化；大喉口：进气。
二 合理选择配气定时
（一） 配气定时的综合评定
1 良好的充气效率以保证发动机的动力性能。
2 合适的充气效率以适应发动机的扭矩特性。
3 较小的换气损失以适应发动机的经济性能。
4 必要的燃烧室扫气以保证高温零件的热负荷得以适当降低，达到可靠运行。
5 合适的排气温度。
调整：1，2－进气迟闭角；3－排气提前角；4，5－气门叠开角
（二） 进气迟闭角
1 转速n一定时，总有一个进气迟闭角使得充气效率为最大。
2 n(( ( 气流惯性 ( ( 缸内气体易倒流进气管 ( (
n(( ( 一部分气体来不及进入汽缸 ( (
3 ( ( 对应的n(
所以，高速发动机转速大，要获得好的充气效率和动力性，进气迟闭角应大
一些。
4 n( ( (
（三） 排气提前角
( ( (( ( (, 其中(－后期膨胀比。
考虑经济性，在排气损失最小的前提下，尽量减小排气提前角。
（四） 气门叠开角
(( ( 缸内气体易倒流进气管；(( ( (，(( (
增压发动机气门叠开角应大一些。
§2-5 进气管内的动态效应一 现 象
195柴油机：进气管长度L = 300 mm L = 1140 mm
气体在进排气管中有压力波动现象，有效组织、利用压力波动，可以提高充
气效率。
进气门开闭时：( ( pa( ( (
排气门开闭时： ( ( pr( ( (
动态效应与进排气管的长度和直径有关。
二 波的动态机理
闭口端：进：压缩波 ( 反射,压缩波 －同型波
进：膨胀波 ( 反射,膨胀波 －同型波
开口端：进：压缩波 ( 反射,膨胀波 －异型波
进：膨胀波 ( 反射,压缩波 －异型波
三 进气动态效应
（一） 惯性效应
阶段：进气门开 ( 进气门闭
( 膨胀波
( 压缩波 （进气门闭）
（二） 波动效应
阶段：进气门闭 ( 下一循环进气门开
( 压缩波
( 膨胀波
( 膨胀波
( 压缩波 （进气门开）
压力波动是周期性的。
压力波固有频率： [ 1/s ] 其中a－进气管内声速。
发动机吸气频率： [ 1/s ]
令：
当q = 1，2，3… 时，进气门开，则pa( ( (。
当q = … 时，进气门开，则pa( ( (。
四 结 论
1 惯性效应 （本循环），振幅大，衰减小。
波动效应 （两循环），振幅小，衰减大。
2 高速发动机，进气管短；低速发动机，进气管长。
3 进气管直径(( ( 流动阻力( ( 压力波强度(
进气管直径(( ( 压力波振幅( ( 压力波强度(
4 多缸机上，进气管应分支，且等长。
5 避免急转弯，则压力波振幅不会衰减太大。
6 排气管需要膨胀波，则pr( ( 扫气作用( ( (
§2-6 单位时间充气量与循环充气量
单位时间充气量 G [ kg/h ]，
循环充气量 (G [ kg ]，则
[ kg/h ]
n( ( G(，但n( ( pa( ( (G(
G( ( 单位时间供油量g( ( 与功率有关。
(G( ( 循环供油量(g( ( 与扭矩有关。
图中虚线为不考虑进气损失的G和(G曲线；
实际的G和(G曲线如图中实线所示。
