內燃機第2版學習題答案周龍保.doc

2-1 內燃機的動力性能和經濟性能指標為什么要分為指示指標和有效指標兩大類？表示動力性能的指標有哪 些？它們的物理意義是什么？它們之間的關系是什么？表示經濟性能的指標有哪些？它們的物理意義是什么？它 們之間的關系是什么？答：1）指示指標是用來評定實際循環(huán)進行情況的好壞，而有效指標是代表內燃機的整機性能的指標。2）動力性能指標有平均指示壓力、指示功率。有效性能指標包括有效功率、有效扭矩和平均有效壓力。3）平均指示壓力pmi是發(fā)動機單位氣缸工作容積的指示功。 指示功率Pi是指發(fā)動機單位時間內所做的指示功。 有效功率Pe是指發(fā)動機對外輸出的功率，即指示功率Pi-機械損失功率Pm。 有效扭矩Ttq是指發(fā)動機工作時由功率輸出軸輸出的扭矩。 平均有效壓力pme是發(fā)動機單位氣缸工作容積輸出的有效功。4） 5）經濟性能指標有循環(huán)熱效率、燃料消耗率、有效熱效率和有效燃料消耗率。 指示熱效率i是指實際循環(huán)功與所消耗的燃料熱量的比值。 指示比油耗bi是指單位指示功的耗油量。 有效熱效率e是發(fā)動機的有效功與所消耗的燃料熱量的比值。 有效燃油消耗率be是單位有效功的耗油量。 2-2、怎樣求取發(fā)動機的指示功率、有效功率、平均指示壓力和平均有效壓力？答：1）指示功率：設發(fā)動機的氣缸數為i，缸徑為D（cm），行程S（cm），每缸工作容積為Vs（L），轉速為n（r/min），平均指示壓力為pmi（MPa），則每循環(huán)工質所做的指示功Wi（kj）為： 則發(fā)動機指示功率為：2）有效功率Pe即指示功率-機械損失功率，由試驗測得。3）平均指示壓力pmi：是發(fā)動機單位氣缸工作容積指示功。4)平均有效壓力pme：是發(fā)動機單位氣缸工作容積輸出的有效功。6） 2-4 平均有效壓力和升功率在作為評定發(fā)動機的動力性能方面有何區(qū)別？答平均有效壓力是一個假想不變的壓力，其作用在活塞頂上使活塞移動一個行程所做的功等于每循環(huán)所做的有效功，升功率是在標定的工況下，發(fā)動機每升氣缸工作容積所發(fā)出的有效功率。 區(qū)別：前者只反應輸出轉矩的大小，后者是從發(fā)動機有效功率的角度對其氣缸容積的利用率作出的總評價，它與Pme和n的乘積成正比。（Pl=Pmen/30T）2-5充量系數的定義是什么？充量系數的高低反映了發(fā)動機哪些方面性能的好壞？答（1）充量系數每個循環(huán)吸入氣缸的空氣量換算成的進氣管狀態(tài)下的體積。V1與活塞排量Vs之比（c =V1/Vs）（2）充量系數高低反映換氣過程進行完善程度。2-6、試推導由吸入的空氣量來計算平均有效壓力的解析式及升功率的解析式，并分析提高發(fā)動機升功率的途徑。答：已知充量系數 ，過量空氣系數，所以每循環(huán)供油量（其中s為進氣管狀態(tài)下的空氣密度）而，其中：，所以（Hu(J/kg)是燃料低熱值, s(kg/m3),pme單位是（Pa）。將代入，Ts單位為K，R=287J/(kg.K),得，因為燃料（Hu/l0）的比值變化不大，所以提升途徑：1）采用增壓技術，2）合理組織燃燒過程，提高循環(huán)指示效率，3）改善換氣過程，提高氣缸的充量系數，4）提高發(fā)動機的轉速，5）提高內燃機的機械效率，6)采用二沖程提高升功率，7）增加排量2-8 過量空氣系數的定義是什么？在實際發(fā)動機上怎樣求得？1）過量空氣系數：燃燒1kg燃料的實際空氣量與理論空氣量之比。（2）實際發(fā)動機中a 可由廢氣分析法求得，也可用儀器直接測得；對于自然吸氣的四沖程內燃機，也可由耗油量與耗氣量按下式求得（a=Aa/BLo ）2-9 內燃機的機械損失由哪些部分組成？詳細分析內燃機機械損失的測定方法，其優(yōu)缺點及適用場合。答（1）機械損失組成：1活塞與活塞環(huán)的摩擦損失。2軸承與氣門機構的摩擦損失。3.驅動附屬機構的功率消耗。4風阻損失。5驅動掃氣泵及增壓器的損失。（2）機械損失的測定：1示功圖法：由示功圖測出指示功率Pi，從測功器和轉速計讀數中測出有效功率Pe，從而求得Pm,pm及m 的值。優(yōu)：在發(fā)動機真實工作情況下進行，理論上完全符合機械損失定義。缺：示功圖上活塞上止點位置不易正確確定，多缸發(fā)動機中各缸存在一定的不均勻性。應用：上止點位置能精確標定的場合。2倒拖法：發(fā)動機以給定工況穩(wěn)定運行到冷卻水，機油溫度達正常值時，切斷對發(fā)動機供油，將電力測功器轉換為電動機，以給定轉速倒拖發(fā)動機，并且維持冷卻水和機油溫度不變。這樣測得的倒拖功率即為發(fā)動機在該工況下的機械損失功率。缺點：1倒拖工況與實際運行情況相比有差別2求出的摩擦功率中含有不該有的Pp這一項。3在膨脹，壓縮行程中，p-v圖上膨脹線與壓縮線不重合。4上述因素導致測量值偏高。應用：汽油機機械損失的測定。3滅缸法：在內燃機給定工況下測出有效功率Pe，然后逐個停止向某一缸供油或點火，并用減少制動力矩的辦法恢復其轉速。重新測定其有效功率。則各缸指示功率為（Pr）x=（Pe-Pe）x?？傊甘竟β省i=(Pi)x。然后可求出Pm和m.優(yōu)點：無須測示功圖，也無須電力測功器。缺點：要求燃燒不引起進排氣系統的異常變化。應用：只適用于多缸發(fā)動機，且對增壓機及汽油機不適用。4油耗線法：將負荷特性實驗時獲得的燃油消耗率曲線延長并求出橫坐標的交點，就可得到Pmm。優(yōu)點：無須電力測功器和燃燒分析儀。缺點：只是近似方法，低負荷附近才可靠。應用：除節(jié)氣門調節(jié)的汽油機和中高增壓的柴油機。2-10、要設計一臺6缸四沖程高速柴油機，設平均指示壓力pmi=0.85MPa，平均機械損失壓力pmm=0.15MPa，希望在2000r/min時能發(fā)出功率為73.5KW。解：1）為將活塞平均速度控制在8m/s，缸徑與行程比取多大？2）為使缸徑行程比為1：1.2，缸徑與行程取多大？解：1）由由又，所以所以D/S=10.55/12=0.882)由題意知，和D/S=1：1.2得2-11、有一臺6135Q-1柴油機，D*S=135mm*140mm，6缸，在2200r/min，發(fā)動機的有效功率154KW，be=217g/（kW*h）。 1）求發(fā)動機的pme、Ttq和et。 2）當m=0.75時，試求bi、it、Pi、和Pm的值。 3）當it、c、a均未變，m由0.75提高到0.8，此時PL、Pe和be的值。 4）若通過提高c使Pe提高到160kW，而it、Pm均未變化，則Pi、m、be值是多大？ 5）通過以上計算，你可以得出哪些結論？解：1）由查表得Hu=42500kj/kg2）由和得3）因為it、c、a均未變，所以指示功率Pi不變。又：4)因為Pm不變，所以又5）當機械效率提高時，功率增加，燃油消耗率下降，升功率增高。當充量系數提高時，功率提高。3-2 試推導混合加熱理論循環(huán)熱效率的表達式。答：3-7 內燃機的實際循環(huán)與理想循環(huán)相比，存在著哪些損失？試述各種損失形成原因。答：工質的影響；實際工質不是理想氣體，其中CO2.水蒸氣等三原子氣體在燃燒過程中不斷增強，使工質比熱容增大，且隨溫度升高而增大，使氣體溫度下降，同時燃燒產物存在高溫分解及在膨脹過程中復合放熱現象。傳熱損失：實際循環(huán)中，缸套內壁面、活塞頂面以及氣缸蓋底面等與缸內工質直接相接觸的表面，始終與工質發(fā)生著熱量交換，在壓縮初期，缸壁對工質加熱，但燃燒和膨脹期，工質大量向壁面?zhèn)鳠?。換氣損失：理論循環(huán)中不考慮氣體流動阻力損失實際循環(huán)中，在吸入新鮮充量及排出廢氣時有膨脹損失，活塞推出功損失和吸氣功損失。燃燒損失：燃燒速度的有限性使壓縮負功增加及最高壓力下降 另外還存在不完全燃燒損失。4-1 試分析內燃機進、排氣門提前開啟和遲后關閉的原因。其數值的大小與哪些因素有關？答：排氣提前：排氣門提前開啟可以增大在膨脹行程下止點時的流通面積，使排氣順暢，減小排氣沖程的活塞推出功。排氣門遲后關閉可避免排氣流動截面積的過早減小而造成的排氣阻力增加，使活塞推出功和缸內殘余廢氣增加，另外還可以利用排氣管內氣體流動的慣性抽吸一部分廢氣，實現過后排氣。進氣門提前開啟可增大開始充量進氣時的進氣截面積，減小氣流阻力，增加進氣氣缸的新鮮充量。進氣門遲后關閉可利用氣流慣性實現向氣缸的過后充氣，增加缸內充量。汽油機排氣門提前角小些，柴油機大些，增壓柴油機更大。節(jié)氣門調節(jié)的內燃機（點燃式）的進氣提前角較小，柴油機進氣提前角較大，增壓則更大。另外，轉速高的發(fā)動機有較大的氣門提前角及遲閉角。所以影響因素有：機型，是否增壓，轉速高低。4-3試述影響充量系數的各個主要因素以及提高充量系數的技術措施。(1)影響充量系數的主要因素：進氣阻力損失，排氣阻力損失，高溫零件對進氣過程中新鮮充量的加熱，配氣正時及氣門升程規(guī)律的影響。(2)提高充量系數的技術措施：1.降低進氣系統的流動阻力。2.采用可變配氣系統技術（可變凸輪機構，可變氣門正時）。3.合理利用進氣諧振。4.降低排氣系統的流動阻力。5.減少對進氣充量的加熱。4-7分析說明幾種典型的二沖程發(fā)動機掃氣方案的優(yōu)缺點：答：橫流掃氣:優(yōu)點:結構簡單，制造方便，可以降低內燃機高度尺寸。缺點：氣缸頂部易殘留廢氣，掃排氣口之間易產生新鮮充量短路，掃氣效果差，進排氣口兩側缸壁熱負荷不同，易造成 活塞與氣缸受熱不均。回流掃氣：無新鮮充量短路，掃氣效果比橫流掃氣好，結構簡單，制造方便。直流掃氣：優(yōu)點：掃氣品質最好，新鮮充量不與廢氣參混，工作條件好（掃氣空氣冷卻）。缺點：保留了四沖程內燃機的氣門結構，結構復雜。4-9增壓前后發(fā)動機的性能參數是如何變化的？答：增壓后內燃機性能參數的變化：指示熱效率略有增加，機械效率提高。（升）功率增加。燃油消耗率降低。當轉速不變時，則轉矩增加。5-2 何謂缸內滾流？滾流對燃燒過程有何影響？答：（1）缸內滾流：在進氣過程中形成的繞氣缸軸線垂直線旋轉的有組織的空氣旋流。影響：滾流在壓縮過程中，動量衰減較少；可保持到壓縮行程末期；活塞接近上止點時，大尺度滾流破裂成眾多小尺度渦流，使湍流強度和湍流動能增加，大大提高火焰?zhèn)鞑ニ俾?，改善發(fā)動機性能。5-6 爆燃的機理是什么？如何避免發(fā)動機出現爆燃？答：機理：爆燃是終燃混合氣的快速自燃，在正?；鹧嫖吹竭_前，終燃混合氣內部最宜著火部位出現火焰中心，這些火焰中心以很高的速率傳播火焰，迅速將終燃混合氣燃燒完畢，使得壓力升高率dp/dt急劇波動，出現爆燃。防止發(fā)動機爆燃措施：1推遲點火。2合理設計燃燒室形狀及布置火花塞位置，縮短火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x。3終燃混合氣冷卻。4增加流動，使火焰?zhèn)鞑ニ俣仍黾印?利用燃燒室掃氣和冷卻作用。5-12 何謂稀燃、層燃系統？稀燃、層燃對汽油機有何益處？答：（1）稀燃系統：采用稀薄混合氣并用一定措施組織混合氣快速燃燒的系統。層燃系統：在火花間隙周圍布局形成具有良好著火條件的較濃混合氣，而在燃燒室大部分區(qū)域是較稀的混合氣，混合氣濃度從火花室開始由濃到稀逐步過渡的燃燒系統。（2）稀燃、層燃可以提高循環(huán)熱效率，降低油耗，適當提高壓縮比而不至引起爆燃，還可以降低排放。5-15 柴油機燃燒過程滯燃期定義是什么？柴油機滯燃期的影響因素有哪些？答：（1）滯燃期：從噴油開始到壓力開始急劇升高為止的這一段時間。（2）影響因素：壓縮溫度、壓力、噴油提前角、轉速、燃料性質等。5-19 分析比較直噴式和分隔式柴油機的優(yōu)缺點。答：直噴式和分隔式可通過燃燒室的不同而確定。直噴式：1）淺盆式：（1）混合氣形成主要靠燃油的油噴霧化，對噴霧要求高；（2）要求油束與燃燒室形狀相配合，燃料要盡可能地分布到整個燃燒室空間；(3)燃燒室中一般不組織空氣渦流運動；（4）燃燒室基本上是一個空間，形狀簡單，結構緊湊；（5）最高燃燒壓力及壓力升高率較高，工作粗暴；（6）對轉速和燃料較敏感；（7）過量空氣系數較大。2）深坑式：對燃油系統要求較低，空氣利用率大大增加，并保持燃油消耗率低和起動容易的優(yōu)點。3)渦流式：（1）利用強壓縮渦流對噴霧質量要求低；（2）對轉速變化不敏感；（3）空氣利用率高；（4）排放低；（5）冷啟動困難。分隔式：（1）可以在較小的過量空氣系數下工作，對供油系統要求不高；（2）混合氣對轉速敏感性不高；（3）氣流流動產生強烈的渦流，使主燃燒室壓力升高大大緩和；（4）對燃料種類不敏感，有害排放低；（5）流動散熱損失大經濟性差。7-1 對壓燃式內燃機燃料供給與調節(jié)系統的基本要求是什么？答：（1）能產生足夠高的噴射壓力，以保證燃料良好的霧化，混合氣形成以及燃燒；（2）對每一工況應精確，及時地控制每個循環(huán)噴入氣缸的燃料量，當工況一定時，每個循環(huán)噴油量應一致，各缸噴油量應當均勻；（3）在整個工況范圍內盡量保持最佳的噴油時刻，噴油的持續(xù)期和理想的噴油規(guī)律；（4）能保證柴油機安全，可靠的工作。7-10 說明壓燃式內燃機有哪些異常噴射現象和它們可能出現的工況。簡述二次噴射產生的原因、造成的危害及 消除方法。答：（1)可能出現的工況：二次噴射：大負荷高速運轉的情況下；氣穴和穴蝕：小負荷；不穩(wěn)定噴射：低怠速工況 （2）二次噴射的原因：燃油在高壓的作用下的可壓縮性和壓力波在高壓油路中的傳播和反射；危害：噴油持續(xù)期延長，霧化質量差，燃燒不完全且后燃嚴重，燃油消耗率及煙度增加，排溫升高，性能惡化，零件過熱，甚至產生噴孔積碳堵塞；消除措施：減少高壓油路的容積，適當增大噴孔直徑，適當增大出油閥彈簧剛度與開啟壓力，加大出油閥減壓容積，采用阻尼或者等壓式出油閥。7-11 噴油泵速度特性校正方法有哪幾種？簡述各種校正方法的原理。答：液力校正和機械校正兩種。液壓校正：通過改變出油閥結構和形狀，利用出油閥上下小孔或者出油閥與閥座之間間隙的節(jié)流作用，削弱出油閥在柴油機低速范圍內的減壓作用，達到增加油噴量；改善噴油泵速度特性的目的。機械矯正：利用調速彈簧或凸輪機構改變柱塞的有效行程，以增加低速時的循環(huán)油量。7-12 分析兩極式和全程式機械調速器工作特性不同的原因。答：兩者調速彈簧的預緊力剛度不同，全程式調速器在怠速彈簧起作用即飛錘走完怠速行程以后，調速彈簧能連續(xù)參加工作，可保證調速范圍的連續(xù)性，而兩級式調速器要等到轉速升到標定轉速時，調速彈簧才起作用。兩級式調速器轉動操縱桿能拉動噴油泵油量調節(jié)齒桿，而全程式調速器只是改變了牽引桿的轉動點與杠桿比。7-14壓燃式內燃機電控高壓噴射有哪兩大類，比較位移控制方式與時間控制方式的特點。答分類：位移控制方式，時間控制方式。特點：位移控制方式：在原來機械控制循環(huán)噴油量和噴油正時的基礎上，用線位移或角位移的電磁執(zhí)行機構或電磁液壓執(zhí)行機構來控制循環(huán)供油量，還可以用來改變柱塞行程的辦法，改變噴油正時和供油速率。時間控制方式：在高壓油路中用高速電磁閥的啟閉來控制噴油泵和噴油器的噴油過程。噴油量的多少由噴油壓力和噴油器針閥的開啟時間長短決定，噴油正時由控制電磁閥的開啟時刻確定。7-16 簡述電控汽油噴射系統的組成和各部分的主要功用。電控汽油噴射系統的組成：傳感器，電控器，執(zhí)行器 傳感器：將發(fā)動機工況與環(huán)境的多種信號及時并盡可能真實的傳遞給電控器。電控器：接收和處理傳感器的所有信息，發(fā)出各種控制指令給執(zhí)行器或直接顯示控制參數。執(zhí)行器：根據電控器發(fā)出的信號，產生相應的動作以實現所要求的控制。7-17試對汽油機多點噴射系統于單點噴射系統進行比較，并分析其應用前景。（1）進氣道多點噴射：對噴油壓力要求不高，有利于降低制造成本，能實現燃油供給量的精確控制及在各缸之間的均勻分配。目前發(fā)展成為轎車汽油機的主流產品且應用范圍不斷擴大。（2）中央單點噴射：在進入各缸的燃油量的控制精度與均勻性方面達不到進氣道多點噴射的水平，但其功能優(yōu)于化油器，且制造成本低。在經濟型轎車上有較廣泛的應用。7-19試述電控器的功能。功能：根據來自各傳感器的輸入信號及其他開關信號，用控制軟件并結合存儲的各種標定數據與圖表進行分析計算，決定如何控制，并以相應的電信號向執(zhí)行器發(fā)出各種控制指令。8-2 CO、HC 和 NOx 對環(huán)境和人體的危害作用在什么地方？它們的危害各自有何特殊性？（1）CO:與血紅蛋白的結合生成羰基血紅蛋白，相對減少了氧血紅蛋白，損害血紅蛋白對人體組織的供氧能力，危害極大。（2）HC：烷烴對人體健康無直接影響。烯烴經代謝后變成對基因有毒的環(huán)氧衍生物，是造成光化學煙霧因素之一。芳香烴對血液，肝臟和神經系統有害。多環(huán)芳香烴及其衍生物有致癌作用。醛類對眼黏膜，呼吸道和血液有害。（3）NOx：NO本身毒性不大，但在大氣中氧化成NO2后，被人體吸入后與水結合成硝酸，引起咳嗽哮喘肺氣腫和心肌損傷。NOx是形成光化學煙霧因素之一。8-4點燃式與壓燃式內燃機之間在 CO、HC 和 NOx 生成機理方面有何異同？（1）CO：點燃機主要是怠速加濃、加速加濃、加速加濃及全負荷時功率混合氣偏濃時生成較多CO。壓燃機是由于混合氣混合不均，燃燒室中局部缺氧或a過大，燃燒室溫度過低而產生較多CO。（2）HC：點燃機生成HC與壁面淬熄，狹隙效應，潤滑油膜的吸附和解吸，燃燒室中沉積物有關。柴油機生成HC主要是噴柱的外圍形成過稀的混合氣，使燃料始終不能完全燃燒，另外，壓力室容積對排放影響較大。（3）NOx：都是高溫富氧下的產物，點燃機是在a從0.9增加時，氧分壓增大效應大于溫度下降效果而使NOx排放增大，在a=1.1時出現峰值，壓燃機是隨負荷增大時，平均空燃比 減小而溫度升高時，NOx排放增加。點燃機中推遲點火與壓燃機中推遲噴油均可降低NOx排放。8-6為針對 NOx 排放優(yōu)化點火和噴油定時，要對燃燒系統進行怎樣的改進？答：點火與噴油正時后，對燃燒系統的調整應是優(yōu)化燃燒過程，加速燃燒，使燃燒更完全。對汽油機，可采用更緊湊的半球形，帳篷形燃燒室，用較大的行程缸徑比S/D和多氣門結構與火花塞中置。對柴油機，直噴式燃燒室可增大燃燒室的有效容積比，用長行程、低轉速柴油機，另外，可適當提高壓縮比和加強缸內氣流湍運動。8-8柴油機的微粒與 NOx 排放之間存在什么矛盾？如何緩解此矛盾？答：（1）增壓的同時采取推遲噴油措施，增壓可降低PM，推遲噴油又防止NOx排放增加。（2）優(yōu)化噴油規(guī)律，初期用低噴油速率以抑制NOx的生成，噴油中期急速噴油，加速擴散燃燒，防止DS大量生成。（3）用低排放噴油器，合理安裝噴油器，使每束油霧獲得相同的與空氣混合的條件，使燃料混合均勻，則PM和NOx均減少。（4）提高噴油壓力，改善噴霧質量，也可使燃料與空氣混合較好。（5）氣流組織與多氣門技術，使燃料與空氣混合更均勻。（6）適當提高壓縮比與推遲噴油相配合。8-17合