3.1 四冲程发动机的换气过程
3.1.1 换气过程
图3－1和图3－2为四冲程发动机换气过程气缸中压力变化情况，其中图3－1为换气过程的p－v图，为了简化，没有画出压力波动情况。图3－2为换气过程气缸内压力p、排气管内压力p'0和气门流通截面f k随曲轴转角变化的展开图。根据换气过程气体流动和气门关闭特点，四冲程发动机换气过程可分为自由排气阶段、强制排气阶段、气门重叠阶段、充气阶段和惯性进气阶段五个阶段。
图3－1 换气过程图
图3－2 换气过程压力变化展开图
1.自由排气行程
其流通截面只能逐渐增加到最大;在排气门开启的最初一段时间内，排气流通截面很小，废气排除的流量小。如果排气门刚好在膨胀行程的下止点才开始打开，气门升程小，排气流通截面小，排气不畅，气缸压力下降迟缓，活塞在向上止点运动强制排气时，将大大增加排气冲程所消耗的活塞推出功。所以发动机的排气门都在膨胀行程到达下止点前的某一曲轴转角位置提前开启，这一角度称为排气提前角。排气提前角的范围为30°～80°(CA)，视发动机的工作方式、转速、增压与否而定，一般汽油机的排气提前角小些，柴油机的大些，增压柴油机的更大一些。
排气门开启后，废气在缸内压力差的作用下自由的排出气缸，称自由排气。相当于从排气门开启(b')到气缸内压力下降到接近排气管内压力的这个时刻。这个时刻在下止点以后。根据缸内压力p和排气管内压力p'0之比的不同，自由排气又可分以下两个阶段:
(1)超临界阶段:这时气缸内压力p与排气管内压力p'0之比大于临界值1.9，故称超临界排气。超临界排气的特点是:排气气流通过气门流通截面处的流速等于该处气体状态下的音速，当排气温度为600℃～900℃时，流速可达500～600m/s。排气的流量只取决于气缸内的气体状态和气门流通截面的大小，与排气管内风力无关。
(2)亚临界阶段:随着废气的外流，气缸内压力p和排气流速将不断下降，当p与p'0之比小于临界值时，气体流动就进入所谓亚临界阶段。此时气流通过气门流通截面处的流速低于该处的音速，而排气的流量就和p/p'0有关了，p/p'0愈大，流量愈大。
综上所述，自由排气阶段废气排出量只取决于气缸内气体压力p、温度T和压比p/p'0，同活塞运动大致的关系，自由排气量约占废气量的60%～70%。
2.强制排气阶段
在自由排气以后，气缸内压力已下降接近排气管内压力，出于压差小，气体不再从气缸内自行外流，而是靠活塞由下止点向上止点运动时强制驱入排气管中。这时气缸内压力p主要取决于活塞运动速度、气门流通截面处的流动阻力和排气管内压力波动等情况。在整个排气行程，排气压力基本上都高于大气压力。排气终了时，气缸内压力p T为1.1～1.25; p0排气终了温度T T对于柴油机为700～900K，对于汽油机为750～1000K。
3.气门重叠阶段
在上止点附近，进、排气门同时开启称气门重叠。在图3－1上，点2为进气门开启点，点3为排气门关闭终了时刻，对于非增压柴油机，在这一阶段，废气在惯性作用下继续排出气缸。进气门提前开启可为下一阶段作准备，即在抽吸进气开始时，由于气门提前开启，已经存在有一定的流动截面，使进气阻力减小，进气量增加。如果配气相位安排得当，在某些情况下，在这一阶段中，因为废气的惯性向外流动，对进气管中气体有一种“抽吸”作用，会使换气品质提高。反之则可能出现废气倒流。一般而言，气门重叠角为20°～50°(CA)。
4.充气阶段
充气阶段又称抽吸进气，活塞由上止点移向下止点，气缸内压力从p T变到p de(进气终点压力)。由于进气系统有一定的阻力和大气的部分压力能转化为气体流动的动能，所以整个充气阶段，气缸内的压力都低于大气压力p0。此外，在充气过程中，气体与温度较高的进气系统、气门、缸套和活塞等接触，其温度T d也高于大气温度T a。充气终了时缸内压力为:柴油机p de=(0.8～0.9) p0;汽油机p de=(0.78～0.85) p0;缸内温度:柴油机T d= 320～380K;汽油机T d=390～400K。
5.惯性进气阶段
这一阶段又称补充进气和后进气。从充气阶段终了时到活塞上行初期某一曲轴转角的范围内，缸内压力尚低于大气压力，气体仍可在压力差的作用下继续流入气缸。同时，由于在充气阶段气体获得的流速尚未消失，有一定的流动惯性。为了充分利用上述两个有利条件使进气量增加，进气门不是在下死点关闭，而是在下死点后若干度曲轴转角关闭，惯性进气即由此而得名。
3.1.2 换气损失
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因为排气门早开所造成的膨胀功损失、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3－3所示为四冲程发动机在自然吸气与增压条件下的换气损失示意图。
在自然吸气发动机中，理论循环的换气过程［图3－3(a)］可以认为是排气行程与进气行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所示［图3－3(b)］，它代表了在换气过程中损失的功。
图3－3 四冲程内燃机的换气损失
(a)自然吸气内燃机理论换气过程 (b)自然吸气内燃机实际换气过程
(c)增压内燃机理论换气过程 (d)增压内燃机实际换气过程
W－膨胀损失 X－推出损失 Y－吸气损失
对于(定压)增压发动机而言，理论换气过程［图3－3(c)］是将压缩的新鲜充量以增压压力p b等压流入气缸，而废气则以p T等压排出，进气与排气压力值均高于大气压力，且p b＞p T。这样，换气过程所获得的功(其值为正)如图中p b、p T所围成的矩形面积所示，而在实际的换气过程中［图3－3(d)］，换气损失为图中的W、X和Y的面积，换气过程所获得的换气大约为图中矩形面积内部非阴影面积，它小于理论循环值。
1.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，由于提前排气造成了缸内压力下降，使膨胀功减少，称为膨胀损失。活塞由下止点向上止点的强制排气行程所消耗的功称为推出损失，在图3－3(b)和图3－3(d)中分别以面积W和X来表示，两者之和称为排气损失。
如图3－4(a)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，但活塞的推出功损失X又将会增加，随着排气提前角的增大，膨胀损失W增加，而推出功损失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，使发动机的排气损失最小。
发动机的转速对排气损失影响如图3－4(b)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，但却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。
图3－4 排气提前角和转速对排气损失的影响
(a)转速不变时排气提前角的影响 (b)排气提前角不变时转速的影响
减少排气损失的方法除合理确定排气提前角外，还可增加排气门数目，增加流通截面积。
2.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3－3(b)、(d)所示的阴影面积Y。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位于大气压力线p0［图3－3(b)［或增压压力线pb［图3－3(d)］之下，两线所围成的阴影部分面积就代表了进气损失。
图3－5所示是某发动机在不同转速下测量的平均排气损失和进气损失，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所消耗的功上，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。合理调整配气正时，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。
图3－5 换气损失
3.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行程和吸气行程所做的功，泵气损失则是指与理论循环相比，发动机的活塞在泵气过程所造成的功的损失。从图3－3可以看出，对于自然吸气发动机，它的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来表达，其值为负。
对于自然吸气发动机，泵气功P pw与泵气损失W p在数值上相等，故有
式中，L p为示功图的比例系数。
对于增压发动机，泵气损失的计算同式(3－1)，而泵气过程所获得的泵气功则由增压压力pb和排气压力pT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p b、p T和V h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p w来表示泵气损失的大小，其定义为:
规定平均泵气损失压力P w的符号为正，即W p取绝对值。
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