农用柴油机进排气过程影响因素分析

廉广军+辛太国

柴油机的每个实际循环结束必须进行工质的更换，用新鲜空气重新充入气缸代替工作过的燃烧生成物。前一循环的排气过程和后一循环的进气过程在时间上相互衔接并往往有一定重叠，在作用上互相影响，它们的进行特点也有很多相似之处，所以有时合在一起统称之为换气过程。

换气过程的基本要求是吸足排净。吸足就是进入气缸的新鲜空气要尽量充分，排净就是气缸里的废气应尽量排出，排气越彻底，残余在气缸里的废气越少，一方面可以充入更多的新鲜空气，另一方面可以更有利于以后燃烧过程的进行。本文就柴油机的结构因素和运用因素对进排气过程的影响进行分析。

一、大气状况

随着海拔高度的增加，大气压力、大气密度逐渐下降，在山地和高原地区工作的内燃机充量密度随之降低，因而影响到工作性能的发挥。试验指出，海拔3000 m高度的充量密度比海平面减小25%。在海拔150 m以上地区每升高300 m，非增压柴油机的功率下降3.5%。大气温度也影响充量密度，在高温条件下对发动机工作有显著影响，试验指出，进气温度在29.4 ℃以上每增加5.5 ℃，非增压柴油机的功率要下降2%。大气湿度影响充量的含水蒸气量，对发动机工作也有影响。所以国家标准规定，在标定柴油机功率时，应以指定的标准大气状况（可标准进气状态）为准，否则应按公式换算。

应该着重指出，大气压力影响高效能量密度，但充量系数却基本上不随大气压力的变化而变化，这是因为不同大气压力条件下，气缸压力仍以和进气压力相同的比例变化，即进气终点压力与大气压力的比值不变。大气温度升高，使充量和机体的温差减小，充量吸热减少，进气终点温度增长较少，大气温度与进气终点温度比值增大，因而充量系数增大。充量系数和进气状态充量温度的近似关系为

二、配气定时

气门一般都有提前开启、延迟关闭的角度，使它们开启的曲轴转角超过180°，争取更大的开启“时间—断面”。

排气门早开是为了使排气行程开始时，气门已有较大开度，便于废气排出，并降低排气消耗功；但开启过早，则气体尚未充分膨胀即被排出气缸，将使膨胀功减小而降低功率。

排气门迟关是为了充分利用排气的惯性使废气排得更干净。如排气门关闭太早或排气门关闭时排气管的压力波波峰正好进入气缸，则会使气缸内压力增高，残余废气加多。反之，如排气门关闭过迟，则使排气管内废气回流，也增加缸内残余废气。所以排气门的关闭角度对于排气过程的残余废气量影响很大。

进气门早开一方面是为了使进气行程时得到较大的气门通过截面，另一方面也是为了建立起进气气流的惯性，但打开过早会使废气流入进气系统，反而减少充量。有的柴油机希望气缸内建立较强的进气旋流，使进气门早开角减小，在气缸真空度加大后，加大气流流进速度和缸内进气旋流，再使进气门迟关角加大以充分利用气流惯性增加充量，但显然阻力损失是加大的。进气门开启后，一般发动机上都有进排气门重叠开启的角度。如果配置适当，可以起到扫气的作用，反之，则会使废气倒流入进气管。在曲轴转速较高的发动机上，由于气流惯性较大，有可能采用较大的气门开启重叠角以利于清除废气。

进气门迟关角的作用是为了利用进气气流的惯性增加充量，但是迟关角过大会使气缸里的充量被回推出去。试验表明，这个角度对充量的影响最大。

在结构上，配气定时要求定时齿轮安装必须正确，配气凸轮外形符合规定，气门间隙调整必须恰当，间隙过大等于延迟开启和提早关闭，配气机构磨损也将导致配气定时同样变化。

三、进排气系统的结构和阻力

进气管道中的压力波动、气流惯性、摩擦阻力都对充量系数产生影响，在不同的结构条件和运用条件下，各自的影响程度则不同。

改变进气管长度可以影响充量系数，例如195柴油机高转速时长管的气体惯性大，所以充量系数提高得多。但是各种管径的进气管各有最佳长度，管径愈大，最佳长度也愈大。这是因为管径愈大，管道阻力损失相对较小，为充分利用气流惯性，可以允许更长的进气管，所以最佳长度也就愈大。

较短的细管充量系数相对较大，这是因为细管流速大，较短管的阻力损失小，所以充量系数大。还有由于粗管的阻力损失和惯性作用较小，就突出了压力波动的影响，所以越粗管在进气门处的波动越显著。

因此，进气管不长时，用较小管径可以充分利用气流惯性来提高充量系数，进气门迟关角也可稍大些；如进气管较长时，压力波动比较显著，则通过中等管径和管长配合以求提高充量系数；如进气管过长，摩擦阻力将大大增加，一般应该尽量避免。

排气管的情况是类似的，从降低排气消耗考虑，短而粗的排气管阻力较小，但还应同时考虑排得更净，短而粗的具体尺寸仍要通过试验来确定。

在多缸内燃机上，为使各缸进排气过程比较接近，余气和新鲜气体充量比较一致，所以尽量使各支管长度相等、形状相同和流动阻力相同，使各支管承受进排气的间隔均匀，尽量减缓各缸之间的影响和干扰。

在柴油机上一般是把进排气管分置于缸盖两侧，减少进气受热以提高充量系数。

进排气系统的阻力主要和它的零件尺寸、构造形状和使用情况有关。如进气管和进气门处的通道面截面愈大，管道内壁愈光滑，管道拐弯愈少，拐弯处愈圆滑，

则气流阻力愈小。空气滤清器对进气有一定阻力，滤芯堵塞后会使充量系数大大降低，因此必须注意在使用中及时正确的保养。

排气系统的阻力主要与它的零件尺寸、构造形状等有关，情况类似于进气系统。消声器和火花消灭器使排气阻力加大，气缸余气增多，因而不利于功率发挥。

四、转速

换气过程中进排气系统的压力变化，无论是压力波动、气流惯性或流动阻力，都和转速有关。在发动机结构已定的条件下，压力波动和惯性效应都是在一定的转速范围内有利于换气过程。配气定时和进排气系统结构也是在一定转速范围内的最佳试验结果。

转速对充量系数的影响较大，在较高转速时，管道里气体流速加快，因而阻力加大，进气终点压力减小，排气终点压力加大，使残余废气加多，残余废气系数和进气终点温度加大，充量系数下降；反过来，随着转速下降，充量系数先是上升，在某一转速以后，由于配气定时不适应而充量系数下降。

如果顺序加大进气门迟关角，充量系数随转速的变化而变化。进气门迟关角越大，越适宜在气流惯性大、转速高的情况下增加充量，所以低转速的充量系数减小，较高转速时才达到充量系数最大值，但由于转速较高气流阻力较大，所以充量系数最大值比迟关角小的情况量大值要小。

在分析转速对进气过程影响时，还特别应该清楚单位循环充气量和单位时间充气量这两个概念。单位循环充气量即每循环的充气量，它的大小限定了每一循环可能燃烧完全的燃油量，也就基本决定了每一循环的指示功大小，决定了平均指示压力，在其他条件不变的情况下，也就决定了扭矩大小和可能承受的负荷大小。单位时间充气量则是单位时间循环数与单位循环充气量的乘积。单位时间充气量限定了单位时间可能燃烧完全的燃油量，也就基本决定了单位时间做功量的多少，显然，也就决定了其功率大小。可以大致地说，单位循环充气量与充量系数成比例，而单位时间充气量则与充量系数和转速乘积nηv成比例。这两种充气量随转速的变化规律ηv=f（n）和nηv=f（n）也大致反映了扭矩Me和功率Ne随转速n的变化规律Me=f（n）和Ne=f（n）， 这使充量系数特性的分析在柴油机特性的分析中具有了极大的意义。

拖拉机发动机处于农业作业的波动负荷条件下，由于转速波动，使得进气门开启时间—断面处在不断变化之中；进气管道的压力也在波动，使得多缸机上各缸间的充量分配更增加了不均匀性，从而会直接降低扭矩和功率等动力性能指标。

转速因素还对排气消耗功发生影响，转速升高使排气阻力增大，进气终点压力降低，排气终点压力升高，所以泵气损失增加。

五、负荷

柴油机负荷增加，机体、进排气门、活塞顶、气缸壁等处机件的温度上升，废气温度上升，使进气受热增多，密度减小，充量减少，充量系数下降。endprint

柴油机的每个实际循环结束必须进行工质的更换，用新鲜空气重新充入气缸代替工作过的燃烧生成物。前一循环的排气过程和后一循环的进气过程在时间上相互衔接并往往有一定重叠，在作用上互相影响，它们的进行特点也有很多相似之处，所以有时合在一起统称之为换气过程。

换气过程的基本要求是吸足排净。吸足就是进入气缸的新鲜空气要尽量充分，排净就是气缸里的废气应尽量排出，排气越彻底，残余在气缸里的废气越少，一方面可以充入更多的新鲜空气，另一方面可以更有利于以后燃烧过程的进行。本文就柴油机的结构因素和运用因素对进排气过程的影响进行分析。

一、大气状况

随着海拔高度的增加，大气压力、大气密度逐渐下降，在山地和高原地区工作的内燃机充量密度随之降低，因而影响到工作性能的发挥。试验指出，海拔3000 m高度的充量密度比海平面减小25%。在海拔150 m以上地区每升高300 m，非增压柴油机的功率下降3.5%。大气温度也影响充量密度，在高温条件下对发动机工作有显著影响，试验指出，进气温度在29.4 ℃以上每增加5.5 ℃，非增压柴油机的功率要下降2%。大气湿度影响充量的含水蒸气量，对发动机工作也有影响。所以国家标准规定，在标定柴油机功率时，应以指定的标准大气状况（可标准进气状态）为准，否则应按公式换算。

应该着重指出，大气压力影响高效能量密度，但充量系数却基本上不随大气压力的变化而变化，这是因为不同大气压力条件下，气缸压力仍以和进气压力相同的比例变化，即进气终点压力与大气压力的比值不变。大气温度升高，使充量和机体的温差减小，充量吸热减少，进气终点温度增长较少，大气温度与进气终点温度比值增大，因而充量系数增大。充量系数和进气状态充量温度的近似关系为

二、配气定时

气门一般都有提前开启、延迟关闭的角度，使它们开启的曲轴转角超过180°，争取更大的开启“时间—断面”。

排气门早开是为了使排气行程开始时，气门已有较大开度，便于废气排出，并降低排气消耗功；但开启过早，则气体尚未充分膨胀即被排出气缸，将使膨胀功减小而降低功率。

排气门迟关是为了充分利用排气的惯性使废气排得更干净。如排气门关闭太早或排气门关闭时排气管的压力波波峰正好进入气缸，则会使气缸内压力增高，残余废气加多。反之，如排气门关闭过迟，则使排气管内废气回流，也增加缸内残余废气。所以排气门的关闭角度对于排气过程的残余废气量影响很大。

进气门早开一方面是为了使进气行程时得到较大的气门通过截面，另一方面也是为了建立起进气气流的惯性，但打开过早会使废气流入进气系统，反而减少充量。有的柴油机希望气缸内建立较强的进气旋流，使进气门早开角减小，在气缸真空度加大后，加大气流流进速度和缸内进气旋流，再使进气门迟关角加大以充分利用气流惯性增加充量，但显然阻力损失是加大的。进气门开启后，一般发动机上都有进排气门重叠开启的角度。如果配置适当，可以起到扫气的作用，反之，则会使废气倒流入进气管。在曲轴转速较高的发动机上，由于气流惯性较大，有可能采用较大的气门开启重叠角以利于清除废气。

进气门迟关角的作用是为了利用进气气流的惯性增加充量，但是迟关角过大会使气缸里的充量被回推出去。试验表明，这个角度对充量的影响最大。

在结构上，配气定时要求定时齿轮安装必须正确，配气凸轮外形符合规定，气门间隙调整必须恰当，间隙过大等于延迟开启和提早关闭，配气机构磨损也将导致配气定时同样变化。

三、进排气系统的结构和阻力

进气管道中的压力波动、气流惯性、摩擦阻力都对充量系数产生影响，在不同的结构条件和运用条件下，各自的影响程度则不同。

改变进气管长度可以影响充量系数，例如195柴油机高转速时长管的气体惯性大，所以充量系数提高得多。但是各种管径的进气管各有最佳长度，管径愈大，最佳长度也愈大。这是因为管径愈大，管道阻力损失相对较小，为充分利用气流惯性，可以允许更长的进气管，所以最佳长度也就愈大。

较短的细管充量系数相对较大，这是因为细管流速大，较短管的阻力损失小，所以充量系数大。还有由于粗管的阻力损失和惯性作用较小，就突出了压力波动的影响，所以越粗管在进气门处的波动越显著。

因此，进气管不长时，用较小管径可以充分利用气流惯性来提高充量系数，进气门迟关角也可稍大些；如进气管较长时，压力波动比较显著，则通过中等管径和管长配合以求提高充量系数；如进气管过长，摩擦阻力将大大增加，一般应该尽量避免。

排气管的情况是类似的，从降低排气消耗考虑，短而粗的排气管阻力较小，但还应同时考虑排得更净，短而粗的具体尺寸仍要通过试验来确定。

在多缸内燃机上，为使各缸进排气过程比较接近，余气和新鲜气体充量比较一致，所以尽量使各支管长度相等、形状相同和流动阻力相同，使各支管承受进排气的间隔均匀，尽量减缓各缸之间的影响和干扰。

在柴油机上一般是把进排气管分置于缸盖两侧，减少进气受热以提高充量系数。

进排气系统的阻力主要和它的零件尺寸、构造形状和使用情况有关。如进气管和进气门处的通道面截面愈大，管道内壁愈光滑，管道拐弯愈少，拐弯处愈圆滑，

则气流阻力愈小。空气滤清器对进气有一定阻力，滤芯堵塞后会使充量系数大大降低，因此必须注意在使用中及时正确的保养。

排气系统的阻力主要与它的零件尺寸、构造形状等有关，情况类似于进气系统。消声器和火花消灭器使排气阻力加大，气缸余气增多，因而不利于功率发挥。

四、转速

换气过程中进排气系统的压力变化，无论是压力波动、气流惯性或流动阻力，都和转速有关。在发动机结构已定的条件下，压力波动和惯性效应都是在一定的转速范围内有利于换气过程。配气定时和进排气系统结构也是在一定转速范围内的最佳试验结果。

转速对充量系数的影响较大，在较高转速时，管道里气体流速加快，因而阻力加大，进气终点压力减小，排气终点压力加大，使残余废气加多，残余废气系数和进气终点温度加大，充量系数下降；反过来，随着转速下降，充量系数先是上升，在某一转速以后，由于配气定时不适应而充量系数下降。

如果顺序加大进气门迟关角，充量系数随转速的变化而变化。进气门迟关角越大，越适宜在气流惯性大、转速高的情况下增加充量，所以低转速的充量系数减小，较高转速时才达到充量系数最大值，但由于转速较高气流阻力较大，所以充量系数最大值比迟关角小的情况量大值要小。

在分析转速对进气过程影响时，还特别应该清楚单位循环充气量和单位时间充气量这两个概念。单位循环充气量即每循环的充气量，它的大小限定了每一循环可能燃烧完全的燃油量，也就基本决定了每一循环的指示功大小，决定了平均指示压力，在其他条件不变的情况下，也就决定了扭矩大小和可能承受的负荷大小。单位时间充气量则是单位时间循环数与单位循环充气量的乘积。单位时间充气量限定了单位时间可能燃烧完全的燃油量，也就基本决定了单位时间做功量的多少，显然，也就决定了其功率大小。可以大致地说，单位循环充气量与充量系数成比例，而单位时间充气量则与充量系数和转速乘积nηv成比例。这两种充气量随转速的变化规律ηv=f（n）和nηv=f（n）也大致反映了扭矩Me和功率Ne随转速n的变化规律Me=f（n）和Ne=f（n）， 这使充量系数特性的分析在柴油机特性的分析中具有了极大的意义。

拖拉机发动机处于农业作业的波动负荷条件下，由于转速波动，使得进气门开启时间—断面处在不断变化之中；进气管道的压力也在波动，使得多缸机上各缸间的充量分配更增加了不均匀性，从而会直接降低扭矩和功率等动力性能指标。

转速因素还对排气消耗功发生影响，转速升高使排气阻力增大，进气终点压力降低，排气终点压力升高，所以泵气损失增加。

五、负荷

柴油机负荷增加，机体、进排气门、活塞顶、气缸壁等处机件的温度上升，废气温度上升，使进气受热增多，密度减小，充量减少，充量系数下降。endprint

柴油机的每个实际循环结束必须进行工质的更换，用新鲜空气重新充入气缸代替工作过的燃烧生成物。前一循环的排气过程和后一循环的进气过程在时间上相互衔接并往往有一定重叠，在作用上互相影响，它们的进行特点也有很多相似之处，所以有时合在一起统称之为换气过程。

换气过程的基本要求是吸足排净。吸足就是进入气缸的新鲜空气要尽量充分，排净就是气缸里的废气应尽量排出，排气越彻底，残余在气缸里的废气越少，一方面可以充入更多的新鲜空气，另一方面可以更有利于以后燃烧过程的进行。本文就柴油机的结构因素和运用因素对进排气过程的影响进行分析。

一、大气状况

随着海拔高度的增加，大气压力、大气密度逐渐下降，在山地和高原地区工作的内燃机充量密度随之降低，因而影响到工作性能的发挥。试验指出，海拔3000 m高度的充量密度比海平面减小25%。在海拔150 m以上地区每升高300 m，非增压柴油机的功率下降3.5%。大气温度也影响充量密度，在高温条件下对发动机工作有显著影响，试验指出，进气温度在29.4 ℃以上每增加5.5 ℃，非增压柴油机的功率要下降2%。大气湿度影响充量的含水蒸气量，对发动机工作也有影响。所以国家标准规定，在标定柴油机功率时，应以指定的标准大气状况（可标准进气状态）为准，否则应按公式换算。

应该着重指出，大气压力影响高效能量密度，但充量系数却基本上不随大气压力的变化而变化，这是因为不同大气压力条件下，气缸压力仍以和进气压力相同的比例变化，即进气终点压力与大气压力的比值不变。大气温度升高，使充量和机体的温差减小，充量吸热减少，进气终点温度增长较少，大气温度与进气终点温度比值增大，因而充量系数增大。充量系数和进气状态充量温度的近似关系为

二、配气定时

气门一般都有提前开启、延迟关闭的角度，使它们开启的曲轴转角超过180°，争取更大的开启“时间—断面”。

排气门早开是为了使排气行程开始时，气门已有较大开度，便于废气排出，并降低排气消耗功；但开启过早，则气体尚未充分膨胀即被排出气缸，将使膨胀功减小而降低功率。

排气门迟关是为了充分利用排气的惯性使废气排得更干净。如排气门关闭太早或排气门关闭时排气管的压力波波峰正好进入气缸，则会使气缸内压力增高，残余废气加多。反之，如排气门关闭过迟，则使排气管内废气回流，也增加缸内残余废气。所以排气门的关闭角度对于排气过程的残余废气量影响很大。

进气门早开一方面是为了使进气行程时得到较大的气门通过截面，另一方面也是为了建立起进气气流的惯性，但打开过早会使废气流入进气系统，反而减少充量。有的柴油机希望气缸内建立较强的进气旋流，使进气门早开角减小，在气缸真空度加大后，加大气流流进速度和缸内进气旋流，再使进气门迟关角加大以充分利用气流惯性增加充量，但显然阻力损失是加大的。进气门开启后，一般发动机上都有进排气门重叠开启的角度。如果配置适当，可以起到扫气的作用，反之，则会使废气倒流入进气管。在曲轴转速较高的发动机上，由于气流惯性较大，有可能采用较大的气门开启重叠角以利于清除废气。

进气门迟关角的作用是为了利用进气气流的惯性增加充量，但是迟关角过大会使气缸里的充量被回推出去。试验表明，这个角度对充量的影响最大。

在结构上，配气定时要求定时齿轮安装必须正确，配气凸轮外形符合规定，气门间隙调整必须恰当，间隙过大等于延迟开启和提早关闭，配气机构磨损也将导致配气定时同样变化。

三、进排气系统的结构和阻力

进气管道中的压力波动、气流惯性、摩擦阻力都对充量系数产生影响，在不同的结构条件和运用条件下，各自的影响程度则不同。

改变进气管长度可以影响充量系数，例如195柴油机高转速时长管的气体惯性大，所以充量系数提高得多。但是各种管径的进气管各有最佳长度，管径愈大，最佳长度也愈大。这是因为管径愈大，管道阻力损失相对较小，为充分利用气流惯性，可以允许更长的进气管，所以最佳长度也就愈大。

较短的细管充量系数相对较大，这是因为细管流速大，较短管的阻力损失小，所以充量系数大。还有由于粗管的阻力损失和惯性作用较小，就突出了压力波动的影响，所以越粗管在进气门处的波动越显著。

因此，进气管不长时，用较小管径可以充分利用气流惯性来提高充量系数，进气门迟关角也可稍大些；如进气管较长时，压力波动比较显著，则通过中等管径和管长配合以求提高充量系数；如进气管过长，摩擦阻力将大大增加，一般应该尽量避免。

排气管的情况是类似的，从降低排气消耗考虑，短而粗的排气管阻力较小，但还应同时考虑排得更净，短而粗的具体尺寸仍要通过试验来确定。

在多缸内燃机上，为使各缸进排气过程比较接近，余气和新鲜气体充量比较一致，所以尽量使各支管长度相等、形状相同和流动阻力相同，使各支管承受进排气的间隔均匀，尽量减缓各缸之间的影响和干扰。

在柴油机上一般是把进排气管分置于缸盖两侧，减少进气受热以提高充量系数。

进排气系统的阻力主要和它的零件尺寸、构造形状和使用情况有关。如进气管和进气门处的通道面截面愈大，管道内壁愈光滑，管道拐弯愈少，拐弯处愈圆滑，

则气流阻力愈小。空气滤清器对进气有一定阻力，滤芯堵塞后会使充量系数大大降低，因此必须注意在使用中及时正确的保养。

排气系统的阻力主要与它的零件尺寸、构造形状等有关，情况类似于进气系统。消声器和火花消灭器使排气阻力加大，气缸余气增多，因而不利于功率发挥。

四、转速

换气过程中进排气系统的压力变化，无论是压力波动、气流惯性或流动阻力，都和转速有关。在发动机结构已定的条件下，压力波动和惯性效应都是在一定的转速范围内有利于换气过程。配气定时和进排气系统结构也是在一定转速范围内的最佳试验结果。

转速对充量系数的影响较大，在较高转速时，管道里气体流速加快，因而阻力加大，进气终点压力减小，排气终点压力加大，使残余废气加多，残余废气系数和进气终点温度加大，充量系数下降；反过来，随着转速下降，充量系数先是上升，在某一转速以后，由于配气定时不适应而充量系数下降。

如果顺序加大进气门迟关角，充量系数随转速的变化而变化。进气门迟关角越大，越适宜在气流惯性大、转速高的情况下增加充量，所以低转速的充量系数减小，较高转速时才达到充量系数最大值，但由于转速较高气流阻力较大，所以充量系数最大值比迟关角小的情况量大值要小。

在分析转速对进气过程影响时，还特别应该清楚单位循环充气量和单位时间充气量这两个概念。单位循环充气量即每循环的充气量，它的大小限定了每一循环可能燃烧完全的燃油量，也就基本决定了每一循环的指示功大小，决定了平均指示压力，在其他条件不变的情况下，也就决定了扭矩大小和可能承受的负荷大小。单位时间充气量则是单位时间循环数与单位循环充气量的乘积。单位时间充气量限定了单位时间可能燃烧完全的燃油量，也就基本决定了单位时间做功量的多少，显然，也就决定了其功率大小。可以大致地说，单位循环充气量与充量系数成比例，而单位时间充气量则与充量系数和转速乘积nηv成比例。这两种充气量随转速的变化规律ηv=f（n）和nηv=f（n）也大致反映了扭矩Me和功率Ne随转速n的变化规律Me=f（n）和Ne=f（n）， 这使充量系数特性的分析在柴油机特性的分析中具有了极大的意义。

拖拉机发动机处于农业作业的波动负荷条件下，由于转速波动，使得进气门开启时间—断面处在不断变化之中；进气管道的压力也在波动，使得多缸机上各缸间的充量分配更增加了不均匀性，从而会直接降低扭矩和功率等动力性能指标。

转速因素还对排气消耗功发生影响，转速升高使排气阻力增大，进气终点压力降低，排气终点压力升高，所以泵气损失增加。

五、负荷

柴油机负荷增加，机体、进排气门、活塞顶、气缸壁等处机件的温度上升，废气温度上升，使进气受热增多，密度减小，充量减少，充量系数下降。endprint