发动机换气损失及其影响分析

前述发动机的理论循环没有考虑换气过程，或认为换气过程是在严格的稳态下完成的，换气过程没有任何损失，对缸内封闭循环过程没有影响。发动机实际的换气过程却存在由排气门早开造成的膨胀功损失、活塞强制排气的推出功损失和缸内负压造成的吸气功损失等。理论循环与实际循环的换气功之差称为换气损失。图2.3与图2.4所示分别为四冲程发动机在自然吸气与增压条件下的换气损失。

在自然吸气发动机中，理论循环的换气过程[图2.3（a）]可以认为是排气过程与进气过程缸内压力线重合于大气压力，换气功为零。而在实际循环中，有排气门早开造成的膨胀功损失（W），活塞要消耗一定的功来推出缸内废气（推出功损失X），发动机还要消耗掉一定的功来克服吸气时因缸内真空度所形成的阻力（吸气功损失Y）。从排气门开启直到进气门关闭，发动机消耗在换气过程的功（其值为负），如面积W、X和Y[图2.3（b）]代表了在换气过程中损失的功。

图2.3　四冲程发动机在自然吸气条件下的换气损失

（a）理论循环；（b）实际循环

图2.4　四冲程发动机在增压条件下的换气损失

（a）理论循环；（b）实际循环

对于定压（增压）发动机而言，理论换气过程[图2.4（a）]是将压缩的新鲜充量以增压压力等压流入气缸，而废气则用气缸内压力排出，进气与排气压力值均高于大气压力，且增压压力大于气缸压力。这样换气过程所获得的功（其值为正）如图2.4（a）中ps、pr所围成的矩形面积所示，而在实际的换气过程中[图2.4（b）]，换气损失为图中W、X和Y的面积，换气过程所获得的换气功大约为图中矩形面积内部非阴影面积，它小于理论循环值。

一、排气损失

按照缸内气体对活塞做功的性质，从排气门提前开启到下止点这一时期，提前排气造成了缸内压力下降，使膨胀功减少，我们称之为膨胀损失。活塞在由下止点向上止点的强制排气过程中所消耗的功称为推出损失，在图2.3（b）和图2.4（b）中分别以面积W和X来表示，两者之和称为排气损失。

如图2.5所示，在发动机转速一定且排气提前角较小时，发动机的膨胀损失W小，但活塞的推出损失X又会增加。随着排气提前角的增大，膨胀损失W增加，而推出损失X则减小。在排气提前角由小变大的过程中，存在一个最佳的排气提前角使发动机排气损失最小。

发动机的转速对排气损失的影响如图2.6所示。发动机的转速增加，相同的排气提前角所对应的排气时间就变短，通过排气门排出的废气量减少，膨胀损失减少，但使得缸内压力水平提高，因而活塞推出功大大增加。一般而言，发动机转速增高时排气损失总体上呈现增加的趋势，所以排气提前角应随转速的增加而适当加大。

减少排气损失的方法除合理确定排气提前角外，还可以增加排气门数目、增加流通截面积。

图2.5　排气提前角对排气损失的影响

图2.6　转速对排气损失的影响(www.xing528.com)

二、进气损失

与理论循环相比，发动机在进气过程中所造成的功的减少称为进气损失，如图2.3和图2.4的阴影面积Y所示。由于进气道、进气门等处存在流动阻力损失，发动机缸内进气压力线或增压压力线之下两线所围成的阴影部分面积就代表了进气损失。

图2.7　某发动机在不同转速下测量的换气损失

图2.7所示为某发动机在不同转速下测量的平均排气损失和平均进气损失，两者相比，在数值上进气损失明显小于排气损失。但与排气损失不同，进气损失不仅体现在进气过程消耗的功上，更重要的是它影响发动机的充量系数，对发动机的性能有显著的影响。合理调整配气定时、加大进气门的流通截面积、正确设计进气管及进气的流动路径以及适当降低活塞平均速度等，都会使进气损失减少，从而提高发动机的充量系数，改善发动机的性能。

三、泵气功与泵气损失

泵气功是指缸内气体对活塞在强制排气过程和吸气过程中所做的功，泵气损失是指与理论循环相比，发动机的活塞在泵气过程中所造成的功的损失。从图2.3可以看出，对于自然吸气发动机，其泵气功的大小可用图中面积Y+X表示，对整个循环来说为负功，泵气损失等于它的泵气功。对于增压发动机，由于进气压力高于排气背压，因此它的泵气功大于零，其泵气损失依然可以用图中面积Y+X来表示，其值为负。

对于自然吸气发动机，泵气功Wpw与泵气损失Wp在数值上相等，故有：

式中　Lp——示功图的比例系数。

对于增压发动机，泵气损失的计算同式（2-1），而泵气过程所获得的泵气功则由增压压力ps和排气压力pr所围成的矩形面积与实际换气过程损失X和Y的面积之差。对定压增压发动机，换气过程所获得的功可以表示为：

注意：式中的ps、pr和Vh是示功图上的尺寸，而非它们物理量本身的数值大小。

参照平均指示压力的概念，用平均泵气损失压力pw来表示泵气损失的大小，其定义为

规定平均泵气损失压力pw的符号为正，即Wp取绝对值。