发动机原理.docx
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发动机原理.docx
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发动机原理
1-5为什么发动机性能指标有指示指标与有效指标的分别?
两种指标各在什么场合使用?
为什么一般不把净指示功作为常用的指示功指标?
解:
指示指标:
不受循环过程中机械摩擦、附件消耗以及进排气和扫气流动损失的影响,直接反应缸内热功转换进行的好坏,因而在内燃机工作过程分析中广泛应用;有效指标:
被用来直接评定发动机实际工作性能的优劣,因而在发动机生成和试验研究中广泛应用。
因为净指示功难以直接测算得出,所以一般不把净指示功作为常用的指示功指标
1-6发动机的动力、经济性能在生产使用中主要用哪几个指标来表示?
如果要进行不同机型性能的对比,应该使用何种动力、经济性能指标?
解:
动力性:
功率P、扭矩T、速度V;
经济性:
有效效率、燃油消耗率、润滑油消耗率。
不同机型对比常用:
有效平均压力、升功率和be。
1-13影响有效燃料消耗率be的因素有哪些?
降低be的途径有哪些?
解:
影响因素:
燃烧效率、机械效率、循环热效率等。
降低途径:
增压小排量技术、稀薄燃烧、增大压缩比等。
1-15什么是燃料燃烧时的化学计量比?
具有化学计量比的可燃混合气的过量空气系数Øa是多少,其空燃比α又是多少?
解:
燃料和空气恰好能够完全反应时两者的比值。
具有化学计量比的可燃混合气的过量空气系数Øa为1,其空燃比α为14.2。
第二章
2-1缸内工质是从哪几个方面影响发动机的性能及其燃烧模式的?
解:
(1)工质的各种热力参数——质
(2)燃料热值(可燃混合气的热值)——量
(3)燃料的理化特性——不同工作方式
(4)燃料的组份——燃烧和排放
2-13常规汽油机和柴油机在混合气形成、着火和负荷调节三方面有何差异?
形成这些差异的主要原因是什么?
解:
(1)混合气形成方式不同:
汽油—易气化,缸外低压喷射蒸发,与空气形成预制均质混合气柴油—难气化,缸内高压喷雾成细小液滴,与空气形成非均质(分层)混合气
(2)着火及燃烧方式不同:
汽油—难自燃,易点燃(SI),用高压电火花点燃预混燃烧,火焰传播,可在ϕa=1的条件下完全燃烧柴油—难点燃,易压燃(CI),扩散燃烧,即边喷-边混-边燃,为了完全燃烧,必须ϕa>1.2
(3)负荷调节方式不同:
汽油机—预混合,ϕa基本保持不变,量调节(控制节气门开度)柴油机—分层混合,ϕa变化范围大(0~∞),质调节(控制循环喷油量)原因:
燃料的理化特性不同。
2-14汽油可以压燃吗?
如果可以,汽油压燃有什么优缺点?
如果不可以,请说出理由。
解:
汽油可压燃。
例如稀混合气条件下的汽油匀质混合气压燃HCCI,以实现汽油机的高效低污染燃烧。
2-15为什么汽油机的残余废气系数ϕr一般比柴油机的大?
而增压柴油机的ϕr很小?
答:
汽油机ϕr偏高是因为压缩比ε小,压缩容积大,低负荷时进气节流强使新鲜充量下降;增压柴油机ϕr小是因为扫气效果强。
第三章
3-2发动机的理论循环、理想循环和真实循环三者之间有何差别?
为什么要把发动机的工作循环划分为三种循环进行分析?
答:
理论循环:
理想气体,理想循环
理想循环:
真实气体,理想循环
真实循环:
真实气体,真实循环
理论循环最简化而又能突出发动机工作过程本质特征,理想循环是理论循环和真实循环之间的中间模型。
为了完善循环分析,所以建立了三种模型。
3-6如何计算涡轮增压发动机和机械增压发动机的指示效率ηit和机械效率ηm?
两者的ηit和ηm有何差别?
与自然吸气原型机相比,增压发动机的ηit和ηm是加大了还是减小了?
为什么?
解:
指示效率可用指示功与消耗燃料的放热量的比值求得。
机械效率为有效功与指示功的比值。
涡轮增压发动机的机械效率一般比相应的自然吸气发动机的高。
指示效率两者差别不大。
指示效率变化不大,机械效率增大。
3-12机械损失由哪几部分组成?
每部分损失的特点及其起主要作用的因素是什么?
解:
(1)机械摩擦损失(50%~80%):
活塞组件、轴承、气门机构等。
(2)附件驱动消耗(~10%):
水泵、机油泵、燃油泵、点火装置等运转必不可少的辅助机构。
(3)泵气损失(5%~40%)。
3-13简述各种机械损失测定方法的原理和适用范围。
为什么说除示功图法外,其余三种方法都不可避免地将泵气损失包括在测定值之内?
解:
内燃机机械损失的主要测定方法有:
(1)示功图法:
由示功图计算得到的净指示功(增压机)或动力过程功(非增压机)Wi减去台架上测得的有效功We即得到机械损失功Wm,该方法适用于各种机型,但由于对上止点位置的标定精度要求很高,所以只适用于研发工作;
(2)倒拖法:
是在发动机正常运转后断油或断火,用电机反拖发动机,从而测得的反拖功率即为机械损失功率,该方法适用于压缩比不高的汽油机和小型柴油机;
(3)灭缸法:
此法仅适用于自然吸气式多缸柴油机,当内燃机调整到给定工况稳定工作后,先测出其有效功率Pe,然后依次将各缸灭火,灭火前后测功机测得的有效功率差值即为该缸的指示功率,各缸相加可得整台发动机的指示功率Pi,再减去发动机的有效功率Pe即得机械损失功率Pm;
(4)油耗线法:
在转速不变的情况下,测出整机油耗随负荷的变化曲线。
将此线外延直到与横坐标相交,则坐标原点与交点间的连线即为机械损失值,该方法适用于自然吸气式柴 油机和低增压柴油机。
上面这四种测定发动机机械损失的方法中只有示功图法可以得到净循环指示功,因而可以将泵气损失排除在机械损失之外;
高增压发动机:
示功图法;低增压发动机:
可用油耗线法;涡轮增压发动机:
不能用倒拖法和灭缸法;自然吸气:
用油耗线法;小型柴油机:
用灭缸法和倒拖法;汽油机:
多用倒拖法
4-1什么是发动机的换气过程?
合理组织换气过程的目的是什么?
为什么说发动机的充量系数是研究换气过程的核心问题?
解:
发动机排出废气和充入新鲜空气或可燃混合气的全过程叫换气过程。
合理组织换气过程的目的包括:
(1)保证在标定工况和全负荷工况下,吸入尽可能多的新鲜充量,以获得尽可能高的输出功率和转矩;
(2)保证多缸机各缸循环进气量的差异不超出应有的范围,以免对整机性能产生不利影响。
(3)应尽量减小换气损失,特别是占最大比例的排气损失。
(4)进气后在缸内所形成的湍流场,应能满足组织快速合理燃烧的要求。
发动机充量系数指单缸每循环吸入缸内的新鲜空气质量与按进气状态计算得到的理论充气质量的比值,该参数是决定发动机动力性能和进气过程完善程度的极为重要的评定指标,是换气过程的核心问题。
4-5进气和排气为什么要早开和晚关?
4个相位角中,哪两个角最重要?
这两个角对发动机性能有何影响?
气门重叠的作用是什么?
比较汽油机与柴油机、增压发动机与自然吸气发动机气门重叠角的大小,并说明造成差异的原因。
解:
早开晚关:
进气充足、排气干净。
进气晚关角和排气早开角被认为是最重要的两个,这是因为进气晚关角对进气充量影响最大,排气早开角对换气损失影响最大。
气门重叠角:
扫气以降低缸内的残余废气系数;降低发动机的热负荷。
汽油机的气门重叠角一般要比柴油机的小,这是因为若进气门开启过早,废气会倒入进气管,出现“回火”现象,且气门重叠角过大时可能造成新鲜可燃充量直接排出排气管。
增压发动机的气门叠开角一般会比非增压发动机的大,这是因为增压发动机进气门外的压力高于排气背压,因而能够更好地实现燃烧室扫气,达到增加新鲜进气充量和降低燃烧室热负荷的目的。
4-6为什么进、排气门开启和关闭4个相位角都存在最佳值?
为什么4个相位角的最佳值都随转速上升而加大?
请逐一从物理概念上定性加以说明。
解:
(1)排气早开角:
当排气早开角小时,自由排气损失小而泵气损失大;排气早开角大时,自由排气损失大而泵气损失小。
由于转速对膨胀线影响不大,但是经历相同自由排气时间所对应的转角必然是高转速时大,因此转速上升时,排气早开角的最佳值加大。
(2)排气晚关角:
排气晚关角过小,排气惯性利用不足;排气晚关角过大,因活塞下行较多,造成废气倒流,排气量也会减少。
所以排气晚关角也存在最佳值。
转速上升时,经历相同的利用排气惯性排气的时间所对应的转角也会增大,因此转速上升时,排气晚关角的最佳值加大。
(3)进气早开角:
过大会回火,过小则进气不足,故存在最佳值。
转速上升时,进气早开角的最佳值加大。
(4)进气晚关角:
过小不能充分利用进气惯性,过大则有可能把已充入缸内的新鲜充量推回进气管,故存在最佳值。
4-8涡轮增压发动机与自然吸气原型发动机相比,由于循环进气量大幅度增加,所以它的ϕc也必然大幅度增加,这种说法对不对?
为什么?
涡轮增压发动机较自然吸气原型机的ϕc一般来说是加大还是减小?
请列举主要影响因素加以说明。
解:
这种说法不对。
因为自然吸气发动机的理论吸气量计算时空气密度按照环境状态下的空气密度计算,增压发动机的理论吸气量计算时空气密度按照压气机后的空气密度计算。
所以增压后循环进气量大幅增加不能说明充量系数也一定大幅增加。
涡轮增压发动机比自然吸气原型机的充量系数增大。
因为:
进气终了压力提高,扫气降低了残余废弃系数,同时减少了进气加热作用,使充气系数提高
4-12 进气终了前工质温度的上升对发动机性能有什么影响?
一般来说,有哪些因素影响进气终了工质温度的变化量?
影响大小及趋势如何?
解:
进气工质的温升加大,必然降低缸内工质的密度,从而降低充量系数,影响发动机的动力输出。
影响进气终了工质温度的变化量的因素包括:
进气过程中高温壁面传热;进气过程中压力损失变为摩擦热;残余废气与新鲜充量混合;进气过程中燃料气化吸热。
其中,前3个因素引起进气工质温度上升,第4个因素引起进气工质温度下降。
在4个因素中,进气过程中高温壁面传热对进气温升的影响最大。
且转速越低,负荷越大,高温壁面传热引起的温升越大。
4-23 为什么涡轮增压柴油机的机械效率一般比原型自然吸气式发动机的高?
是不是所有工况都高?
有没有机械效率反而低的情况?
为什么?
解:
增压后发动机由于利用废气能量做功增加了一块泵气正功,使其机械效率有所提高。
不是所有工况都高。
低速工况和动态工况下机械效率可能机械效率反而低。
低速工况时,涡轮增压效果较弱,机械效率较低,且低速转矩特性不足。
动态工况下,气流响应需要时间,增压器叶片也有较大惯性,动态过渡过程过长,影响发动机排放和经济性能。
4-24为什么涡轮增压发动机会出现压气机后增压压力pb小于涡轮机前入口压力pk的情况?
哪些工况会是这样?
pb大于pk是否就意味着会出现理论和实际泵气正功?
为什么?
解:
起动工况、加速工况、低速小负荷工况下,可能压气机后增压压力反而小于涡轮机前入口压力。
起动工况时,涡轮增压没有介入;加速工况时,由于压气机需要的响应时间较长,增压压力上升比涡轮机前入口压力的上升存在一定的迟滞;低速小负荷工况时,涡轮增压效率低。
pb大于pk意味着理论泵气正功,但实际泵气不一定是正功,因为可能存在较大的泵气损失,使实际泵气功为负。
5-1 汽车发动机的面工况是由哪些工况线所限定的?
在Pe-n或Ttq-n工况面上画出各限制线,并标出常用的典型工况点。
解:
上缘的各转速最大功率限制线;右侧各负荷条件下的最高转速限制线;左侧的发动机最低稳定工作转速限制线;下方的空转怠速线。
5-3 什么是汽车发动机的标定工况?
轿车汽油机和重型载货车柴油机确定标定工况时的出发点是什么?
二者的标定功率,哪一个更接近发动机的极限最大功率?
解:
标定工况:
发动机铭牌上规定的最大输出功率Pemax及其对应转速所确定的工况。
轿车使用15min功率。
适用于短时间使用最大功率的发动机。
重型载货车柴油机使用1h功率。
适用于较长时间的重在使用。
轿车更接近。
5-4 什么是发动机的运行特性和调整特性?
研究运行特性和调整特性的意义各是什么?
解:
运行特性:
发动机稳态工况条件下的特性。
为了了解发动机的性能指标与特性参数随着各种可变因素变化的规律。
调整特性:
发动机转速和油量调节位置不变下,各种性能指标随调整参数变化的规律。
对发动机性能进行优化。
5-6 为什么汽油机和柴油机的指示效率ηit随转速n变化的速度特性曲线总是在高、低速两端降低一些?
为什么二者的ηit随负荷变化的趋势又相反?
解:
对汽油机,低速时,缸内气流运动减弱,火焰传播速度降低,漏气和散热损失增加。
高速时,燃烧所占的曲柄转角增大,等容度变小,燃烧不充分。
对柴油机,低速时,燃料喷射压力减小,缸内气流运动减弱,对混合气形成和燃烧不利,且传热增加。
高速时,喷油及燃烧持续期增加,充量系数下降,过浓。
对汽油机,小负荷时节气门开度小,残余废气增加,燃烧速度变慢,负荷减小,过量空气系数降低,燃烧不完全,气化条件恶化和传热增加。
对柴油机,一方面小负荷意味着喷油量下降,喷油和燃烧持续期都降低,等容度上升;另一方面混合气变稀,k上升。
5-9 画出汽油机和柴油机在全、中、小负荷三种情况下,Pe和Ttq的速度特性曲线(汽油机及柴油机各画一图)。
对比说明两种机型的速度特性曲线的变化特点,并解释造成差异的主要原因。
两种机型外特性线形状对整车动力性是有利还是不利?
如不利,可采用什么措施加以改进?
画出改进后的特性曲线。
解:
汽、柴油机在全、中负荷和小负荷三种情况下Pe和Ttq的速度特性曲线分别如下图所示:
汽油机Ttq线总体上向下倾斜较大,低负荷时倾斜更大;而柴油机Ttq线总体变化平坦,低负荷时甚至上扬。
这主要是由于汽油机的转矩Ttq主要取决于充量系数和机械效率的影响,而柴油机的转矩主要由循环供油量gb和机械效率ηm决定。
汽油机Pe外特性存在最大值点,该点一般就是标定功率点,而柴油机Pe外特性可达到的最大值点的转速很高。
这种变化特点也同样是由于传统汽油机的φc速度特性和传统柱塞式喷油泵的gb速度特性所决定的。
就同一排挡的加速和克服阻力的能力而言,相同标定点前提下,汽油机的动力性能明显优于柴油机,因为在低于标定转速下各点的转矩与功率,汽油机都比柴油机高;就最高挡可达到的最高转速而言,柴油机比汽油机更远离标定转速点,这是因为汽油机的Ttq线下降急剧,而柴油机比较平缓的缘故,而这恰恰是汽油机的优点,因为标定转速本来就足够高,过多超越就会带来超速或“飞车”的危险。
汽油机的外特性线要比柴油机外特性线的动力适应性好,所以汽油机一般不进行外特性线的改造;而柴油机则往往要在低于标定转速段处进行“校正”,使Ttq加大;在高于标定转速段处进行“调速”,以避免超速飞车,如下图所示。
5-12 什么是发动机的转矩适应系数和转速适应系数?
为什么这两个系数加大时,汽车的动力性能都有所提高?
为何载重车发动机对这些系数的要求比轿车发动机高?
解:
转矩适应系数:
发动机转矩外特性上最大转矩与标定功率点转矩之比。
转速适应系数:
标定转速与外特性曲线上的最大转矩点对应转速之比。
因为这两个系数增大时,发动机克服阻力的能力增强。
重载车对动力性的要求比轿车高。
5-14 为什么说汽油机的速度特性具有良好的自我调节能力以致于不需要进行任何的校正和调速?
形成这种良好的速度特性线的主要原因是什么?
解:
汽油机的转矩速度特性曲线具有良好的自我调节能力。
因为在任何节气门位置,向下倾斜的转矩速度特性曲线与向上倾斜的阻力矩线的交点都是能够稳定运行、转速变动不大的工况点。
即使是外特性曲线的最高空车转速,也不会高到不能接受的程度。
不存在飞车危险。
5-15 为什么柴油机的速度特性曲线不进行调速时会出现高速“飞车”以及低速运行不稳定的危险?
“飞车”是否是由于理论上无法稳定运行而造成的?
形成柴油机这种外特性线的主要原因是什么?
解:
柴油机油量调节杆固定在较大油量位置时,虽然理论上能稳定在某一工况运行,但因曲线较平坦,较小的负荷变化就会导致转速大幅度变化。
此时,即使转速能稳定,也会因转速高而出现飞车。
当油量调节杆固定在较小油量位置时,将无法稳定运行。
不是。
柴油机的转矩速度特性曲线是在油量调节杆的位置不变时获得的。
这条曲线受到循环供油量速度特性控制,变化平缓,在低速和小油量位置时,甚至呈上升趋势。
5-16 柴油机调速器最基本的功能是什么?
实现调速的基本原理又是什么?
解:
主要作用是当加速踏板位置不变而发动机高于一定转速后,转矩会随着n上升自动下降。
供油量在某一设定的转速范围内能够随着转速的升高而自动大幅下降。
5-17 什么是两极调速模式?
什么是全程调速模式?
并简要说明两极调速和全程调速的优缺点及应用场合。
解:
两级调速:
供油量在高速和低、怠速时随转速升高迅速下降的调试模式。
全程调速:
在加速踏板的任意位置,随着转速的上升,供油量先沿外特性变化到对应转速后开始调速的调试模式。
两级调速:
优点:
操作轻便,加速平稳,烟度较小。
缺点:
加速踏板位置频繁切换,作业效率低。
一般用于车用柴油机。
全程调速:
优点:
不必经常踩加速踏板,作业效率高。
缺点:
加减速不平稳,烟度高。
一般用于工程机械和拖拉机。
6-5 柴油机着火准备过程包含哪两种准备?
汽油机和柴油机的着火过程各有什么特点?
解:
柴油机着火准备过程包括雾化、蒸发、扩散、与空气混合等物理准备阶段,以及低温多阶段着火的化学准备阶段。
柴油机的压缩着火属于低温多阶段着火;汽油机的火花点燃属于高温单阶段着火,即不经过冷焰阶段,直接进入蓝焰-热焰阶段。
贯穿特性与雾化特性有哪些评价指标?
它们对柴油机性能会产生什么影响?
评价指标包括贯穿距离、喷雾锥角和喷雾粒径。
贯穿距离影响燃料的空间区域分布情况,贯穿距离过大或过小都会对燃烧造成不利影响。
喷雾锥角过小时燃油雾化程度变差,且不能有效地在燃烧室空间中分布;喷雾锥角过大时,贯穿距离会减少,火焰变得短而粗。
喷雾粒径的大小表征了燃油的雾化程度,雾化程度越好,则可以大大增加油粒与周围空气接触的表面积,加速吸热和气化过程,对燃烧放热规律和着火点位置都有重要影响。
7-1 柴油机燃烧初期的预混合燃烧阶段与汽油机的预混合燃烧有何异同?
解:
同:
都是燃烧开始前油气先混合的燃烧过程。
异:
柴油机的预混相比于汽油机不够均匀,且柴油机的燃烧过程是多点自燃,而汽油机则是火花点火,火焰传播的过程。
7-7 比较柴油机空间雾化混合方式与壁面油膜混合方式的原理差异;简述促进空间雾化混合的基本原则。
解:
空间雾化将燃油喷射到空间进行雾化,通过燃油与空气的相对运动和扩散,在空间形成可燃混合气。
因此混合能量主要来源于喷油射束,空气被动参与混合,油找气的方式。
混合一般不够均匀。
壁面油膜蒸发混合方式在燃烧室壁面上形成很薄的薄膜,在强烈涡流作用下,油膜边蒸发变燃烧。
采用多空高压喷油,合理组织涡流。
7-8为什么柴油机的燃烧噪声要比汽油机大得多?
降低柴油机燃烧噪声的主要技术对策是什么?
解:
柴油机的燃烧的冲击性和运动件惯性质量明显大于汽油机。
柴油机速燃期内放热率远大于汽油机,且柴油机的燃烧室和运动部件一般也较大。
用预喷、晚喷或EGR等。
8-2 什么是汽油机的爆燃?
它出现时有何特征?
有何危害?
如何解释这一不正常的燃烧现象?
解:
汽油机爆燃常在压缩比较高和大负荷时出现;爆燃发生时,缸内压力曲线出现高频大幅度波动(锯齿波),同时发动机会产生一种高频金属敲击声。
爆燃发生时伴随的特征包括:
(1)缸压曲线出现锯齿波;
(2)发出3000-7000Hz的金属振音;
(3)轻微爆燃时,发动机功率略有增加;强烈爆燃时,发动机功率和转速下降,工作不稳定,机身有较大振动;
(4)冷却系统过热,气缸盖温度、冷却水温度和润滑油温度均明显上升; (5)爆燃严重时,汽油机甚至冒黑烟。
爆燃的危害:
(1)热负荷及散热损失增加;
(2)机械负荷增大; (3)动力性和经济性恶化; (4)磨损加剧; (5)排气异常。
爆燃机理解释:
爆燃是由于末端混合气在火焰前锋面到达之前,由于受到燃烧产生的压力波的压缩以及热辐射的作用,以低温多阶段的方式开始自燃,从而产生极快的放热速率,使局部区域的温度和压力陡升。
8-3 控制汽油机出现爆燃的基本原则是什么?
根据这些原则,可以采取哪些具体措施?
汽油机在什么转速和负荷最容易出现爆燃?
解:
如果由火核形成至火焰传播到末端混合气为止所需时间为t1,由火核形成至末端混合气自燃着火所需时间为t2,因而不发生爆燃的充分必要条件是t1 因此凡是使t1缩短和t2延长的因素均可以抑制爆燃倾向。 为了在尽可能保证燃烧热效率的前提下减少爆燃,作为最主要和最有效的方法是,适当减小点火提前角、降低压缩比、优化燃烧室设计、提高燃料抗爆性。 汽油机在高转速、大负荷时最容易出现爆燃。 8-4 柴油机粗暴燃烧和汽油机爆燃在现象和机理上有何异同? 为什么? 由此说明汽、柴油机对燃料自燃性能要求截然相反的原因。 解: 同: 现象上,都会在缸压曲线上出现“锯齿波”;机理上,都是由于不正常燃烧造成的; 异: 现象上,柴油机粗暴燃烧“锯齿波”出现在Pmax之前,而汽油机爆燃“锯齿波”出现在Pmax之后;机理上,柴油机粗暴燃烧是由于燃烧和放热速率过快,造成压升率过高产生的;汽油机爆燃是由于末端混合气自燃,造成大面积的可燃混合气自发点火燃烧造成的。 由于以上机理,汽油机要求燃料辛烷值高,具有较好的抗爆性,而自燃性差,从而抑制爆燃的发生;而柴油机要求燃料十六烷值高,具有较好的自燃性能,从而减少滞燃期,避免滞燃期内形成过多的预混合气量,从而防止粗暴燃烧。 所以,造成了汽、柴油机对燃料自燃性能要求截然相反。 工质: 机械能和热能相互转化的媒介物质。 (三态中气态最合适) 系统: 分为闭口系和开口系 闭口系: (控制质量CM)——没有质量越过边界(与单纯的质量不变有区别),但能量可以交换 开口系: (控制体积CV)——通过边界与外界有可质能交换。 (V不变) 绝热系——与外界无热量交换; 孤立系——与外界无任何形式的质能交换。 开度(K)=摄氏度+273
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- 发动机 原理