1.2.2 换气过程

发动机的换气过程对发动机的性能有着极为重要的影响。主要包括排气过程和进气过程。发动机对换气过程的要求是：进气充分、排气彻底、换气损失小。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全过程，约占410°～480°曲轴转角。换气过程可分为自由排气、强制排气、进气和燃烧室扫气四个阶段。图1-8所示为四冲程发动机换气过程的典型曲线。

1.换气过程

（1）自由排气阶段 从排气门开启到气缸压力p接近于排气管压力p_r的这各时期，称为自由排气阶段。

图1-8 换气过程

1）超临界状态流动。排气门开启是在活塞运动到下止点前30°～80°曲轴转角（CA），此时气缸内废气压力较高，为0.2～0.5MPa，气缸压力p与排气管压力p_r之比大于临界值1.9。排气流动处于超临界状态，流速为当地声速c（m/s），此阶段废气流量与排气管内压力无关，只决定于气缸内的气体状态和气门最小开启截面。

2）亚临界状态流动。随着气体大量流出，缸内压力迅速下降，气体流速小于声速，转入亚声速流动状态，此时废气流量决定于气缸内和排气管内的压力差。到某一时刻缸内压力与排气管内压力相近时，自由排气阶段结束。自由排气在下止点后10°～30°CA结束。

自由排气阶段虽然时间不长，但因为速度高，此阶段排出的废气量达60%以上。

（2）强制排气阶段 此阶段废气被上行活塞推出。因为要克服排气系统阻力，缸内压力略高于排气管内压力约10kPa。流速越高，压差越大，消耗功亦越多。排气过程一直进行到上止点之后10°～35°CA，排气门才完全关闭。

（3）进气过程 为保证活塞下行时进气门有足够的开启面积，新鲜工质可以顺利进入气缸，一般进气门在上止点前0°～40°CA开始打开，到下止点后40°～70°CA关闭，延续时间为220°～290°CA。由于活塞下行及进气门座处节流，使气缸内呈负压，因此新鲜充量才能顺利流入气缸。随气门升程渐大，气流通道面积加大，进入气缸的充量增加，使得缸内压力上升。到进气终了时，气流动能部分转为压力能，使气缸压力又有所提高，接近或略高于进气管内压力。一般情况下，进气过程中气缸压力低于进气管内压力，这是由于进气系统存在阻力的缘故。气体速度越高，阻力越大。

（4）进、排气门早开、晚关，气门重叠和燃烧室扫气 进、排气门的实际开、闭时刻和持续时间，称为配气相位，通常用曲轴转角（CA）表示。

为了实现最大限度的吸进新鲜空气和排净废气，尽可能地减小换气损失，必须设法延长进、排气的时间。因此，进、排气门都是提前开启，滞后关闭。进、排气过程比一个活塞行程长得多。进、排气门同时开启的现象，称为气门重叠。在气门重叠开启期内，可利用气流压差和惯性清除残余废气，增加充气量，特别是增压发动机，进气压力和气门重叠角都较大，可以更好地利用新鲜空气来帮助清除废气。这种利用新鲜空气清除废气的现象，通常称为燃烧室扫气。

2.充气效率和残余废气系数

换气过程进气是否充分，排气是否彻底，一般用充气效率和残余废气系数来评定。

1）充气效率。充气效率是指发动机每一工作循环的实际充气量m与理论充气量m₀的比值（质量比或者体积比），用符号η_v表示。实际充气量指实际进入气缸内的混合气（或空气）数量，理论空气量指进气状态下，理论计算所得充满气缸工作容积的新鲜混合气（或空气）量：

气缸工作容积一定时，充气效率越高，则每循环的实际充气量越多，进气越充分，发动机的动力性和经济性能也越好。

非增压发动机的充气效率的计算式为

式中p₀，T₀——大气压力、温度；

p_a，Ta——进气终了的压力、温度；

p_r，Tr——排气终了的温度、压力；

ε——压缩比。

从上式可以看出，影响充气效率的因素主要有大气、进气终了、排气终了的压力和温度以及压缩比的大小。其中对发动机进气效率影响最大的是进气终了的压力和温度。

2）残余废气系数。残余废气系数是指发动机每循环进气过程结束时，气缸内残余废气量与实际充气量的比值（质量比或体积比），一般用符号r表示。实际充气量是指每循环实际充入气缸的新鲜气体（混合气或空气）数量。即

式中m_r、V_r——进气终了时缸内残余废气的质量或所占的体积；

m、V——进气终了时缸内新充入气体的质量或所占的体积。

残余废气系数的推导计算公式为

式中p_a、T_a——进气终了压力、温度；

p_r、T_r——排气终了的压力、温度；

ε——压缩比；

m_r——残余废气量；

m_a——进气结束时缸内气体总量。

残余废气系数主要用来比较不同发动机残余废气量多少，以评价发动机换气过程的好坏。残余废气系数越高说明发动机排气越不充分、进气越不彻底；反之，残余废气系数越低说明发动机排气越充分，进气越彻底。从残余废气系数的推导公式可以看出，影响残余废气系数的主要因素有进气终了的压力和温度、排气终了的压力和温度、压缩比等。同时配气相

位的状况也会影响其值的大小。对于不同类型的发动机，其残余废气系数的值也相应不同。一般说来，非增压柴油机比

汽油机的残余废气系数小，而增压柴油机比非增压柴油机的残余废气系数小。其残余废气系

数的值一般为

汽油机 r=0.06～0.16

非增压柴油机 r=0.03～0.06

增压柴油机 r=0.00～0.03