发动机原理课后习题

作业与答案第二章1简述发动机的实际工作循环过程。发动机的实际循环是由进气、压缩、燃烧、膨胀和排气五个过程组成的，较理论循环复杂很多。1）进气过程。为了使发动机连续运转，必须不断吸入新鲜工质，此时进气门开启，排气门关闭，活塞由上止点向下止点移动。、2）压缩过程。此时进排气门均关闭，活塞由下止点向上止点移动，缸内工质受到压缩，温度、压力不断上升，增大作功过程的温差，获得最大限度的膨胀比，提高热功转化效率，为燃烧过程创造有利条件。3）燃烧过程。此时进排气门均关闭，活塞处在上止点前后，作用是将燃料的化学能转变为热能，使工质的压力、温度升高。4）膨胀过程。也称作功过程，此时进排气门均关闭，高温、高压的工质推动活塞，由上止点向下止点移动而膨胀作功，气体的压力和温度也随即迅速降低。5）排气过程。当膨胀过程接近终了时排气门打开，废气开始靠自身压力自由排气，膨胀过程结束后，活塞由下止点返回上止点，将气缸内的废气排除。2画出四冲程发动机实际循环的示功图，它与理论示功图有什么不同？说明指示功的概念和意义。a) b)图a、b分别为柴油机和汽油机实际循环和理论循环的示功图比较，理论循环中假设工质比热容是定值，而实际气体随温度等因素影响会变大，而且实际循环中还存在泄露损失。换气损失燃烧损失等，这些损失的存在，会导致实际循环放热率低于理论循环。指示功时指气缸内完成一个工作循环所得到的有用功Wi,指示功Wi反映了发动机气缸在一个工作循环中所获得的有用功的数量。3什么是发动机的指示指标与有效指标主要有哪些？以工质对活塞所作之功为计算基准的指标称为指示性能指标。它主要有：指第七章1研究发动机特性的意义是什么？发动机的特性是发动机性能的综合反映，在一定条件下，发动机性能指标或特性参数随各种可变因素的变化规律就是发动机的特性。研究发动机的特性是为了分析发动机在不同工况下运行的动力性能指标、经济性能指标、排放指标以及反映工作过程进行的完善程度指标等。2发动机的性能包括哪几方面？如何评价发动机性能？发动机性能包括：动力性能指标、经济性能指标和排放性能指标。评价其性能需要对发动机的特性进行分析和研究。用来表示发动机特性的曲线就是特性曲线，它是评价发动机的一种简单、直观、方便的形式，时分析和研究发动机的一种最基本的手段。3发动机的负荷特性如何测取？在测取过程中应该注意哪些内容？负荷特性是指当转速不变时，发动机的性能指标随负荷而变化的关系。用曲线的形式表示，就是负荷特性曲线。发动机的负荷特性曲线是在发动机试验台架上测取的。测取前，将发动机冷却液温度、润滑油温度保持在最佳值；调节测功器负荷并改变循环供油量，使发动机的转速稳定在某一常数。4试分析汽油机和柴油机负荷特性的特点1）汽油机的燃油消耗率普遍较高，且在从空负荷向中小负荷段过渡时，燃油消耗率下降缓慢，仍维持在较高水平，燃油经济性明显较差。2）汽油机排气温度普遍较高，且与负荷关系较小。3）汽油机的燃油消耗量曲线弯度较大，而柴油机的燃油消耗量曲线在中、小负荷段的线性较好。5根据实验条件的不同，发动机的外特性有几种形式？当油量控制机构在最大位置时，测得的特性为全负荷速度特性（简称外特性）。车用汽油机常用15分钟，1小时或12小时功率中的两种作为铭牌功率。作为特性实验时，应把两种标定功率的外特性全做出来。一般柴油机只作外特性就可以了。车用柴油机除作外特性外，还应作标定功率的90%、75%、50%、25%的部分速度特性实验。6对比分析汽油机和柴油机速度特性的特点1）柴油机在各种负荷的速度特性下的转矩曲线都比较平坦。汽油机的速度特性的转矩曲线的曲率半径较小，节气门开度越小，转矩峰值向低速移动，且随转速变化的斜率越大。2）汽油机的有效功率外特性线的最大值点，一般在标定功率点；柴油机可以达到的最大值点的转速很高，而标定点要比其低很多。3）柴油机的燃油消耗率曲线在各种负荷的速度特性下都比较平坦，仅在两端略有翘起，最经济区的转速范围很宽。汽油机则不同，其油耗曲线的翘曲度随节气门开度减小而剧烈增大，相应最经济区的转速范围越来越窄。7什么是发动机的万有特性？汽油机、柴油机各有什么特点？能够表达发动机多参数的特性称为万有特性。汽油机万有特性的特点包括：1）最低耗油率偏高，并且经济区域偏小。2）等耗油率曲线在低速区向大负荷收敛。3）汽油机的等功率线随转速升高而斜穿等耗油率线，转速愈高愈费油。柴油机的万有特性的特点包括：1）最低耗油率偏低，并且经济区域较宽。2）等耗油率曲线在高低速均不收敛，变化比较平坦。3）相对汽车变速工况的适应性好。示功和平均指示压力。指示功率。指示热效率和指示燃油消耗率。以曲轴输出功为计算基准的指标称为有效性能指标。主要有：1）发动机动力性指标，包括有效功和有效功率。有效转矩。平均有效压力。转速n和活塞平均速度；2）发动机经济性指标，包括有效热效率。有效燃油消耗率；3）发动机强化指标，包括升功率PL。比质量me。强化系数PmeCm。4、什么是发动机的平均有效压力、油耗率、有效热效率？各有什么意义？平均有效压力pme是发动机单位气缸工作容积输出的有效功。反映了发动机输出转矩Ttq的大小。油耗率be是指每小时单位有效功率所消耗的燃料，与有效热效率成反比。有效热效率是实际循环的有效功与为得到此有效功所消耗的热量的比值。有效热效率和油耗率是衡量发动机经济性能的重要指标。5、简述汽油机与柴油机工作循环的区别。汽油机与柴油机最大的区别在与引燃方式。以四冲程的发动机为例，四冲程发动机的工作过程：四冲程发动机是活塞往复四个行程完成一个工作循环，包括进气、压缩、作功、排气四个过程。四行程柴油机和汽油机一样经历进气、压缩、作功、排气的过程。但与汽油机的不同之处在于：汽油机是点燃，柴油机是压燃。第三章1画出发动机配气相位图，并说明为什么发动机进气门迟后关闭。排气门提前开启？提前与迟后的角度与哪些因素有关？进气门迟后关闭是为了充分利用高速气流的动能，从而实现在下止点后继续充气，增加进气量。排气门提前开启是由于配气机构惯性力的限制，若在活塞到下止点时才打开排气门，则在排气门开启的初期，开度极小,废弃不能通畅流出，缸内压力来不及下降，在活塞向上回行时形成较大的反压力，增加排气行程所消耗的功。在发动机高速运转时，同样的自由排气时间所相当的曲轴转角增大，为使气缸内废气及时排出，应加大排气提前角。2四冲程发动机换气过程包括哪几个阶段，这几个阶段时如何界定的？1）自由排气阶段：从排气门打开到气缸压力接近于排气管内压力的这个时期。强制排气阶段：废气是由活塞上行强制推出的这个时期。2）进气过程：进气门开启到关闭这段时期。3）气门重叠和燃烧室扫气：由于排气门迟后关闭和进气门提前开启，所以进。排气门同时打开这段时期。3影响充量系数的主要因素有哪些?1）进气门关闭时气缸内压力P*其值愈高，巾c值愈大。进气门关闭时气缸内气体温度其值愈高，逝愈低。残余废气系数上其值增大会使也下降。2）进排气相位角：合适的配气相位应使Pa具有最大值。3）压缩比：压缩比8C增加，巾C会有所增加。4）进气状态：其对巾c影响不大。4提高发动机工作转速，从换气方面会遇到哪些阻碍因素？该如何克服?发动机转速提高，气体流速增大，？Pa显著增加，（?Pa=L♦pv2/2）,使迅速下降（Pa三Ps—?Pa）,从而使充量系数4）c下降。同时，进气门进气阻力、排气门排气终了废气压力增大，降低了充量系数，增加了排气损失。可适当加大进气门迟闭角，利用废气再循环系统，降低进排气系统的阻力，减少对进气充量的加热，合理选择进、排气相位角。5什么是进气管动力效应？怎样利用它来提高充量系数?进气管具有较长的长度时，由于管内气体具有相当惯性和可压缩性，所以在活塞变速运动以及进气过程间歇而又周期性的作用下，进气管内的气体压力、流速、密度、声速、温度等物理量做周期性的变动叫进气管动力效应。利用：如果进气管长度适当，使从膨胀波发出到压缩波回到气缸处所经过的时间，正好与进气门从开启到关闭所需的时间配合，即压缩波到达气缸时，进气门正好处于关闭前夕，则能把较高压力的空气关在气缸内，得到增压效果。第四章1我国的汽油和轻柴油时分别根据哪个指标来确定牌号的？汽油根据辛烷值来确定牌号；轻柴油按凝点来确定牌号。2蒸发性不好和太好的汽油，在使用中各有什么缺点和可能产生的问题？蒸发性过强的汽油在炎热夏季以及大气压力较低的高原和高山地区使用时、容易使发动机的供油系统产生“气阻”，甚至发生供油中断。另外，在储存和运输过程中的蒸发损失也会增加；蒸发性若的汽油，难以形成良好的混合气，这样不仅会造成发动机启动困难，加速缓慢，而且未气化的悬浮油粒还会使发动机工作不稳定，油耗上升。如果未燃尽的油粒附着在气缸壁上，还会破坏润滑油膜,甚至窜入曲轴箱稀释润滑油，从而使发动机润滑遭破坏，造成机件磨损增大。3试述汽油辛烷值和柴油十六烷值的意义。辛烷值用来表示汽油的抗爆性，抗爆性时指汽油在发动机气缸内燃烧时抵抗爆燃的能力。辛烷值是代表点燃式发动机燃料抗爆性的一个约定数值。在规定条件下的标准发动机试验中通过和标准燃料进行比较来测定。采用和被测定燃料具有相同的抗爆性的标准燃料中异辛烷的体积百分比来表示。柴油十六烷值时用来评定柴油的自燃性。将十六烷值规定为100的正十六烷和规定十六烷值为0的a-甲基蔡按不同比列混合得出不同十六烷值的标准燃料,其十六烷值为该混合气中正十六烷的体积百分比。如果某种柴油与某标准燃料的自燃性相同，则该标准燃料的十六烷值即为该柴油的十六烷值。4什么是过量空气系数？它与混合气浓度有什么关系？发动机工作过程中，燃烧1kg燃油实际共给的空气量与理论空气量之比，称为过量空气系数。过量空气系数大于1称为稀混合气，等于1称为标准混合气,小于1称为浓混合气。5.燃料的热值与发热值有何不同？热值是指单位量的燃料完全燃烧时所发生的热量。发热值是燃烧一个单位数量的燃料所释放出的热量第五章1说明汽油机燃烧过程各阶段的主要特点，以及对它们的要求。1）着火落后期。从火花塞点火到火焰核心形成的阶段。为了提高效率，希望尽量缩短着火落后期。为了发动机运转稳定，希望着火落后期保持稳定。2）明显燃烧期。指火焰由火焰中心烧遍整个燃烧室的阶段，因此也可称为火焰传播阶段，是燃烧的主要时期。3）补燃期。从最高压力点开始到燃料基本燃烧为止称为补燃期。为了保证高的循环热效率和循环功，应使补燃期尽可能短。2爆燃燃烧产生的原因是什么？它会带来什么不良后果？爆燃和早燃有什么区别？燃烧室边缘区域混合气也就是末端混合气燃烧前化学反应过于迅速，以至在火焰锋面到达之前即以低温多阶段方式开始自然，引发爆燃爆燃会给柴油机带来很多危害，发生爆燃时，最高燃烧压力和压力升高率都急剧增大，因而相关零部件所受应力大幅增加，机械负荷增大;爆燃时压力冲击波冲击缸壁破坏了油膜层，导致活塞、气缸、活塞环磨损加剧，爆燃时剧烈无序的放热还使气缸内温度明显升高，热负荷及散热损失增加，这种不正常燃烧还使动力性和经济性恶化。早然是指在火花塞点火之前，炽热表面点燃混合气的现象。爆燃是指末端混合气在火焰锋面到达之前即以低温多阶段方式开始自然的现象。早燃会诱发爆燃,爆燃又会让更多的炽热表面温度升高，促使更加剧烈的表面点火。两者相互促进，危害更大。另外，与爆燃不同的时，表面点火即早燃一般是在正常火焰烧到之前由炽热物点燃混合气所致，没有压力冲击波，敲缸声比较沉闷，主要是由活塞、连杆、曲轴等运动件受到冲击负荷产生震动而造成。3爆燃的机理是什么？如何避免发动机出现爆燃？爆燃着火方式类似于柴油机，同时在较大面积上多点着火，所以放热速率极快，局部区域的温度压力急剧增加，这种类似阶越的压力变化，形成燃烧室内往复传播的激波，猛烈撞击燃烧室壁面，使壁面产生振动，发出高频振音（即敲缸声）。避免方法：适当提高燃料的辛烷值；适当降低压缩比，控制末端混合气的压力和温度；调整燃烧室形状，缩短火焰前锋传播到末端混合气的时间，如提高火焰传播速度、缩短火焰传播距离。4何谓汽油机表面点火？防止表面点火有什么主要措施？在汽油机中，凡是不靠电火花点火而由燃烧室内炽热表面点燃混合气的现象,统称为表面点火。防止措施：1）适当降低压缩比。2）选用沸点低的汽油和成焦性小的润滑油。3）要避免长时间的低负荷运行和汽车频繁加减速行驶。4）应用磷化合物为燃油添加剂使沉积物中的铅化物成为磷酸铅从而使碳的着火温度提高到560℃且氧化缓慢，放出热量少，从而减少表面点火的产生。5何谓汽油机燃烧循环变动？燃烧循环变动对汽油机性能有何影响？如何减少燃烧循环变动？燃烧循环变动是点燃式发动机燃烧过程的一大特征，是指发动机以某一工况稳定运转时，这一循环和下一循环燃烧过程的进行情况不断变化，具体表现在压力曲线、火焰传播情况及发动机功率输出均不相同。影响：由于存在燃烧循环变动，对于每一循环，点火提前角和空燃比等参数都不可能调整到最佳，因而使发动机油耗上升、功率下降，性能指标得不到充分优化。随着循环变动加剧，燃烧不正常甚至失火的循环次数逐渐增多，碳氢化合物等不完全燃烧产物增多，动力性、经济性下降。同时，由于燃烧过程不稳定，也使振动和噪声增大，零部件寿命下降，当采用稀薄燃烧时，这种循环变动情况加剧。减少措施：1）尽可能使4）a=0o8〜1。0,此时的循环变动最小。2）适当提高气流运动速度和湍流程度可改善混合气的均匀性，进而改善循环变动。3）改善排气过程，降低残余废气系数丫。4）避免发动机工作在低负荷、低转速工况下。5）多点点火有利于减少循环变动。6）提高点火能量，优化放电方式，采用大的火花塞间隙。6提高汽油机压缩比对提高性能有何意义？如何保证在汽油机上使用较高的压缩比？提高汽油机压缩比可以提高汽油机的功率和经济性，特别是对经济性有显著的效果。但压缩比过高，会导致汽油机爆燃，为保证汽油机较高的压缩比，应该合理的设计燃烧室，缩短火焰传播行程，合理选用火花塞位置，适当利用湍流,降低终燃混合气温度等。7分析使用因素对燃烧过程的影响。1）点火提前角。点火提前角是从发出电火花到上止点的曲轴转角，电火过迟，则燃烧延长到膨胀过程，燃烧最高压力和温度下降，传热损失增多，排温升高，热效率降低，但爆燃倾向减少，NOx升高，功率排放量降低。2）混合气浓度。当6a=0.8〜0.9时，由于燃烧温度最高，火焰传播速度最大Pe达最大值，但爆燃倾向增大。当6a=1.03~1.1时，由于燃烧完全，be最低。使用6a<1的混合气工作，由于必然会产生不完全燃烧所以CO排放量明显上升。当@2<0.8及6a>1.2时，火焰速度缓慢，部分燃料可能未及完全燃烧，因而经济性差HC排放量增多且工作不稳定，热效率和功率都降低。3）负荷。负荷减小，最佳点火提前角随负荷减小而增大。4）转速。转速增加，气缸中湍流增加，火焰传播速率大体与转速成正比例增加。此外，由于散热损失减少，进气被加热，使气缸内混合的更均匀，有利于缩短滞燃期。8试说明汽油机燃烧室设计的一般要求。1）结构紧凑。2）具有良好的充气性能。3）火花塞位置安排得当。4）要产生适当的气体流动。5）适当冷却末端混合气。9比较汽油机集中典型燃烧室的优缺点及使用场合。1）楔型燃烧室。楔形燃烧室侧剖面为楔型，结构较紧凑，火焰传播距离较短;燃烧室气门直径较大,充气性能较好;楔形燃烧室的火花塞布置在楔形高处，对着进、排气门之间，有利于新鲜混合气扫除火花塞附近的废气；混合气过分集中在火花塞处，使得初期燃烧速度大，工作粗暴，NOx排出量较高。由于挤气面积内的熄火现象，废气中HC的含量亦较多。2）浴盆型燃烧室。浴盆形燃烧室的特点是有一定的挤气面积，但挤流效果差；火焰传播距离较长，燃烧速度较低，燃烧时间长，经济性、动力性不高，HC排量多。但NOx的排量较少，工艺性好。3）半球型燃烧室。半球形燃烧窒结构紧凑，火焰传播距离也是最短的。气门直径较大，气道转弯较小，充气效率高，且对转速变化不敏感。有较好的动力性和经济性，HC排放量低。缺点是由于火花塞附近有较大容积，使燃烧速率大，压力升高率大，工作粗暴。NOx排放较多。10在汽油机上燃烧均质稀混合气有什么优点？它所面临的主要困难时什么？目前解决的途径有哪些？优点：混合气均匀，燃烧较完全。对燃油共给及喷射系统没特别高的要求。困难：1为防止爆燃采用较低压缩比导致热效率较低。2）浓混合气的比热容比低导致热效率低。3）只能用进气管节流方式对混合气量进行调节即所谓量调节使得泵气损失较大。4）在化学剂量比附近燃烧，导致有害排放特别是NOx排放较高。5）用三元催化转换器的汽油机，它的过量空气系数必必须控制在1左右，从而限制其性能进一步提高。解决途径：采用稀薄燃烧汽油机。一类是非直喷式稀燃汽油机，包括均质稀燃和分层稀燃式汽油机，另一类是缸内直喷式稀燃汽油机。11分析过量空气系数和点火提前角对燃烧过程的影响。在过量空气系数为0.8~0.9时，Pe达最高值，且爆燃倾向最大；在过量空气系数为1.03〜1.1时，be最低；当过量空气系数为小于0.8或大于1.2时，经济性差，HO排放量增多且工作不稳定。对应于每一工况都存在一个最佳点火提前角，这时汽油机功率最大，耗油率最低。点火提前角过大，则大部分混合气在压缩过程中燃烧，活塞上行所消耗的压缩功增加，发动机容易过热，有效功率下降。点火提前角过小，则燃烧延长到膨胀过程，燃烧最高压力和温度下降，传热损失增多，排气温度升高，功率下降，耗油量增多。第六章1什么是喷油嘴流通特性？说明喷油嘴流通截面对喷油过程和柴油机性能的影响。喷孔流通截面积与针阀升程的关系称为喷油器的流通特性。喷油嘴的流通截面积随针阀的上升而增大，其增大的速度与着火后期的喷油量有直接关系。若初期的流通面积增长快，则着火后期喷油量增多，低压油喷入气缸的量增多，燃油雾化变差，燃烧不充分，易产生积碳堵塞喷油孔的现象，降低柴油机的性能。2柴油机有哪些异常喷射现象和他们可能出现的工况？简述二次喷射产生的原因和危害及消除方法。柴油机有二次喷射、断续喷射、不规则喷射、隔次喷射和滴油这几种异常喷射现象。二次喷射易发生在高速、大负荷工况下；断续喷射常发生于某一瞬间喷油泵的供油量小于喷油器喷出的油量和填充针阀上升空出空间的油量之和。不规则喷射和隔次喷射易发生在柴油机怠速工况下。二次喷射是因为喷油系统内的压力高、变化快，喷油峰值压力高达100MP甚至200MP,而谷值压力由于出油阀减压容积中的作用接近零甚至真空，在压力波动影响下针阀落座后再次升起造成的。由于二次喷射是在燃油压力较低的情况下喷射的，导致这部分燃油雾化不良,燃烧不完全，碳烟增多，并易引起喷孔积炭堵塞。止匕外，二次喷射还使整个喷射持续时间拉长，则燃烧过程不能及时进行，造成经济性下降，零部件过热等不良后果。为避免出现不正常喷射现象，应尽可能地缩短高压油管的长度，减小高压容积，以降低压力波动，减小其影响。并合理选择喷射系统的参数。3喷雾特性与雾化质量的指标和参数有哪些？油束射程L、喷雾锥角小油束的最大宽度B、贯穿率。油束的雾化质量一般时指油束中液滴的细度和均匀度。评价喷雾粒径的指标有平均粒径、索特粒径和粒径分布。.试述柴油机燃烧过程，说明压力升高率的大小对柴油机性能的影响。柴油发动机的燃烧过程一般分为着火延迟期、速燃期、缓燃期和补燃期四个阶段。着火延迟期是指从燃料开始喷射到着火，其间经过喷散、加热蒸发、扩散、混合和初期氧化等一系列物理的和化学的准备过程。它是燃烧过程的一个重要参数，对燃烧放热过程的特性有直接影响。在着火延迟期内喷入燃烧室的燃料，在速燃期内几乎是同时燃烧的，所以放热速度很高，压力升高也特别快。缓燃期阶段中燃料的燃烧取决于混合的速度。因此，加强燃烧室内的空气扰动和加速空气与燃料的混合，对保证燃料在上止点附近迅速而完全地燃烧有重要作用。柴油机的混合和燃烧时间很短，以致有些燃料不能在上止点附近及时烧完，而拖到膨胀行程