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《汽車發(fā)動機原理》課后習題答案
第一章
1-1 圖1-2示出了自然吸氣與增壓四沖程發(fā)動機的示功圖,請問:
(1)各自的動力過程功、泵氣過程功指的是圖中哪塊面積?功的正負如何?
(2)各自的理論泵氣功、實際泵氣功和泵氣損失功指的是圖中哪塊面積?功的正負如何?
(3)各自的凈指示功和總指示功又是由圖中哪些面積組成?功的正負如何?
(4)造成自然吸氣與增壓發(fā)動機示功圖差異的原因是什么?
解:由圖1-2,
(1)自然吸氣:動力過程功=面積aczbaWt=W1+W3,正功
泵氣過程功=面積 W2+W3,負功
增壓:動力過程功=面積aczbaWt=W1,正功
泵氣過程功=面積brab Wt=W2,正功
(2)自然吸氣:理論泵氣功=0
實際泵氣功=W2+W3,負功
泵氣損失功W2+W3負功
增壓:理論泵氣功=pk和pb間的矩形面積,正功
實際泵氣功=W2,正功
泵氣損失功=陰影面積,負功
(3)自然吸氣:總指示功=W1+W3,正功
凈指示功=(W1+W3)-(W2+W3)=W1-W2,正功
增壓:總指示功=W1+(pb-pk)*Vs ,正功
凈指示功=W1+W2,正功
(4)差異的原因:增壓發(fā)動機的進氣壓力高于排氣壓力,因此泵氣過程功為正。
1-2 增壓四沖程發(fā)動機在中、小負荷工況運轉時,有可能出現壓氣機后進氣壓力pb小于渦輪前排氣壓力pk的情況,請畫出此時發(fā)動機一個循環(huán)的p-V圖,標出上下止點、進排氣門開關和著火時刻的位置,以及理論泵氣功和泵氣損失功面積,并判斷功的正負。
解:p-V圖如下圖所示:
理論泵氣功:綠線包圍的矩形面積,負功
實際泵氣功:進排氣線包圍的面積,負功
泵氣損失功:兩塊面積之差,負功
1-3假設機械增壓與渦輪增壓四沖程發(fā)動機的動力過程功Wt和壓氣機后壓力pb均相同,請問兩者的示功圖有何異同?二者的泵氣過程功有何差異?為什么?
解:渦輪增壓的理論排氣線為pk,機械增壓的理論排氣線為p0;且渦輪增壓的實際排氣線位于機械增壓實際排氣線的上方。機械增壓的泵氣功大,因為機械增壓的排氣壓力更低。
1-4圖1-4曲軸箱掃氣二沖程發(fā)動機的示功圖兩塊面積各表示什么含義?說明曲軸箱換氣功的形成過程,并判別功的正負。
解:上圖-缸內工質對活塞做的功;下圖-曲軸箱內工質對活塞做的功。對于氣缸,排氣門先開啟排氣,然后掃氣門開啟開始掃氣,掃氣門關閉時掃氣結束,排氣門關閉后整個氣缸的換氣過程結束。對于曲軸箱,進氣門從開啟到關閉為進氣過程,掃氣門從開啟到關閉為掃氣過程。曲軸箱換氣功為負功。
1-5為什么發(fā)動機性能指標有指示指標與有效指標的分別?兩種指標各在什么場合使用?為什么一般不把凈指示功作為常用的指示功指標?
解:指示指標:不受循環(huán)過程中機械摩擦、附件消耗以及進排氣和掃氣流動損失的影響,直接反應缸內熱功轉換進行的好壞,因而在內燃機工作過程分析中廣泛應用;有效指標:被用來直接評定發(fā)動機實際工作性能的優(yōu)劣,因而在發(fā)動機生成和試驗研究中廣泛應用。因為凈指示功難以直接測算得出,所以一般不把凈指示功作為常用的指示功指標。
1-6 發(fā)動機的動力、經濟性能在生產使用中主要用哪幾個指標來表示?如果要進行不同機型性能的對比,應該使用何種動力、經濟性能指標?
解:動力性:功率、扭矩、速度;
經濟性:有效效率、燃油消耗率、潤滑油消耗率。
不同機型對比常用:有效平均壓力、升功率和be。
1-7為什么發(fā)動機原理把有效平均壓力pme當作一個極為重要的性能指標?
解:因為pme與整機的功率、扭矩和功都成正比,又是可比指標,是表示動力性能的最具代表指標。
1-8為什么說活塞平均速度νm是比轉速n更為本質的動力性能速度指標?
解:因為轉速n只能作為同一機型的速度指標,不能用來判斷不同機型運動速度的快慢。
1-9 試推導以有效平均壓力pme表示的有效輸出功率Pe和有效轉矩Ttq的計算公式(標出各參數的量綱);比較同為動力性指標的Pe和Ttq有何區(qū)別;分析在發(fā)動機結構參數不變的前提下提高輸出功率Pe的途徑。
解:和,
其中:pme量綱為MPa,Pe量綱為kW,Ttq量綱為N.m。
提高輸出功率Pe的途徑:提高轉速,增大平均有效壓力(增壓,提高效率等)。
1-10為什么說發(fā)動機轉速n確定后輸出功率Pe(或轉矩Ttq)主要取決于有效效率ηet和循環(huán)可燃混合氣進氣量(汽油機)或循環(huán)供油量(柴油機)?而有效燃料消耗率be則主要取決于有效效率ηet?
解:當轉速n確定后,單位時間內做功的次數一定。決定做功快慢的主要因素變?yōu)橐淮巫龉Φ亩嗌?。而循環(huán)可燃混合氣量和循環(huán)噴油量所產生的熱量與有效效率的乘積即為每循環(huán)做的功。因此,當n確定后,循環(huán)可燃混合氣量和循環(huán)噴油量所產生的熱量與有效效率成為影響Pe主要指標。
1-11燃料低熱值Hu和混合氣熱值Hum有何異同?決定混合氣熱值的因素有哪些?
解:燃料熱值:單位質量的燃料在標準狀態(tài)下,完全燃燒所能釋放的熱量??扇蓟旌蠚鉄嶂禐閱挝毁|量或體積的可燃混合氣在標準狀態(tài)下燃燒所釋放的熱量。取決于燃料的熱值和空燃比。
1-12發(fā)動機有效效率計算公式het=hc·ht·hm中,hc、ht、hm各自的物理含義是什么?自然吸氣、渦輪增壓和機械增壓四沖程發(fā)動機的hc、ht和hm有何區(qū)別?
解:燃燒效率:燃料化學能通過燃燒轉化為熱能的百分比。
循環(huán)熱效率:燃燒加熱量經過發(fā)動機工作循環(huán)轉化為對活塞的指示功的百分比。
機械效率:指示功減去機械損失后,轉化為有效功的百分比。
一般增壓發(fā)動機大于自然吸氣發(fā)動機。對于機械效率,渦量增壓大于機械增壓。
1-13影響有效燃料消耗率be的因素有哪些?降低be的途徑有哪些?
解:影響因素:燃燒效率、機械效率、循環(huán)熱效率等。
降低途徑:增壓小排量技術、稀薄燃燒、增大壓縮比等。
1-14可燃混合氣的濃與稀可以用哪幾個指標表示?各指標的意義為何?彼此間如何換算?
解:空燃比:混合氣中空氣和燃料的質量比。
過量空氣系數:實際空氣量比理論空氣量。燃空當量比:理論與實際空氣量之比。
空燃比與當量比互為倒數。過量空氣系數為空燃比與理論空燃比的比值。
1-15什么是燃料燃燒時的化學計量比?具有化學計量比的可燃混合氣的過量空氣系數fa是多少,其空燃比α又是多少?
解:燃料和空氣恰好能夠完全反應時兩者的比值。具有化學計量比的可燃混合氣的過量空氣系數fa為1,其空燃比α為14.2。
1-16基于Pe的綜合表達式(1-40)分析:
(1)哪些參數屬于“質”環(huán)節(jié)參數?哪些參數屬于“量”環(huán)節(jié)參數?
(2)發(fā)動機在結構參數不變的情況下,由自然吸氣改為渦輪增壓時,式中各種參數怎樣變化?
解:
(1):上式中,、、三者為“質”環(huán)節(jié)參數,其余為“量”環(huán)節(jié)參數。
(2):發(fā)動機由自然吸氣改為渦輪增壓時,如果燃燒組織得較好,、、、略有增加,、大幅增加,、、不變。
1-17一臺4缸四沖程火花點火發(fā)動機(缸徑D=80mm,沖程s=76.5mm)節(jié)氣門全開時在臺架上的測量結果如下:發(fā)動機轉速n=5900 r/min;有效轉矩Ttq=107.1 N·m;指示平均壓力pmi=1.19 MPa。計算:
(1)循環(huán)指示功Wi;
(2)指示功率Pi和有效功率Pe;
(3)有效平均壓力pme;
(4)機械效率hm;
(5)機械損失功率Pm和機械損失平均壓力pmm。
解:
(1)
(2)
(3)
(4)
(5)
1-186135Q-1四沖程柴油機的沖程s=140mm,在發(fā)動機轉速n=2200r/min時的機械效率為hm =0.75,有效輸出功率Pe=154kW,有效燃料消耗率為be=217g/(kW·h)。已知柴油機低熱值為Hu=42500kJ/kg。求此時發(fā)動機的pme、Ttq、Pm、het和Wi各值。
解:
1-19一臺6缸四沖程柴油機(缸徑D=102mm;沖程s=125mm),在全負荷時的臺架測量結果如下:21.22 s內消耗燃料體積200 cm3,燃料密度0.83 kg/dm3;30.1 s內消耗空氣體積5m3;環(huán)境空氣壓力0.1 MPa;環(huán)境空氣溫度300 K;有效轉矩424 N·m;發(fā)動機轉速2650 r/min;機械損失平均壓力0.1758 MPa;柴油低熱值42500 kJ/kg。計算該測試條件下:
(1)燃料體積流量和質量流量;
(2)空氣體積流量和質量流量;
(3)有效功率Pe;
(4)有效燃料消耗率be和有效熱效率het;
(5)指示燃料消耗率bi和指示熱效率hit。
解:
1-20一臺排量為4.6 L的四沖程V8汽油機采用了斷缸技術,當功率需求減小時,切換成2.3 L排量的V4工作模式。該發(fā)動機在轉速為1750 r/min時,采用V8工作模式,此時發(fā)動機的充量系數為0.51,機械效率為0.75,空燃比為14.5,發(fā)出的有效功率是32.4 kW。發(fā)動機在更高的轉速下切換成V4工作模式時,充量系數為0.86,機械效率為0.87,空燃比為18.2。假定不同轉速下的指示熱效率相同,且燃燒效率為100%,空氣是在20℃和0.1MPa的條件下吸入氣缸的。計算:
(1)1750 r/min時,V8工作模式的進氣質量流量(kg/s);
(2)1750 r/min時,V8工作模式的燃料消耗質量流量(kg/s);
(3)1750 r/min時,V8工作模式的有效燃料消耗率(g/(kW·h));
(4)V4工作模式發(fā)出與V8工作模式相同有效功率所需的轉速(r/min);
(5) 上述V4工作模式時發(fā)動機的有效燃料消耗率(g/(kW·h))。
解:
(1)根據pv=nRT,有以下關系式
(2)
(3)
(4)
因為只是熱效率相等,所以:
(5)be*0.75/0.87=268g/kW.h
第二章
2-1 缸內工質是從哪幾個方面影響發(fā)動機的性能及其燃燒模式的?
解:(1) 工質的各種熱力參數—質
(2) 燃料熱值(可燃混合氣的熱值)—量
(3) 燃料的理化特性—不同工作方式
(4) 燃料的組份—燃燒和排放
2-2 什么是發(fā)動機的常規(guī)燃料和代用燃料?代用燃料是如何分類的?為什么要加強代用燃料的研究和應用?
解:常規(guī)燃料:汽油、柴油。
代用燃料:除石油汽油、柴油以外的烴類/醇類/醚類/酯類/氫氣等燃料;分類詳見表2-1。
加強代用燃料研究主要出于能源安全和環(huán)境保護考慮。
2-3 醇、醚和酯類燃料都是含氧燃料,它們的分子結構各有什么特點?分別列出1~2種常用的醇、醚和酯類代用燃料及其燃燒模式。
解:醇類是烴類物質中的氫被羥基取代的產物。常見醇類燃料有甲醇和乙醇。因其辛烷值較高,一般為點燃;
醚類物質是兩個烴基通過氧原子連接起來的化合物。常見醚類燃料為二甲醚,其十六烷值較高,一般為壓燃;
酯類物質是烴類物質中的氫被羧基取代的產物。常見酯類燃料為生物柴油,其十六烷值較高,一般為壓燃。
2-4 分子結構相同的烴燃料,其分子中碳原子數的多少對發(fā)動機的性能有何影響?原因何在?
解:C越多,化學穩(wěn)定性差,著火溫度低,易自燃;但物理穩(wěn)定性好,不易氣化。因為高C烴結構龐大冗長,易于裂解;但相對分子量較大,不易氣化。
2-5成分相同但分子結構不同的烴燃料對發(fā)動機的性能有何影響?原因何在?
解:(1)鏈與環(huán)— 環(huán)化學穩(wěn)定性好,不易自燃;
(2)直鏈與支鏈(或正烷與異烷)—支鏈(異烷)的化學穩(wěn)定性好,抗爆好(如正庚烷C7H16和異辛烷C8H18的辛烷值分別為0和100);
(3)單鍵和多鍵—多鍵非飽和烴不易斷鏈,不易自燃,但安定性差,貯存中易氧化結膠(如烯烴)。
2-6 為什么對壓燃式柴油機是優(yōu)良的燃料,對點燃式汽油機則一般是不良的燃料?綜合考慮發(fā)動機的動力、經濟性和排放要求,理想的汽油和柴油應由何種結構和成分的烴燃料組成?
解:因為柴油機燃料一般有較高的十六烷值以便壓燃,高十六烷值意味著容易自燃,如果應用在點燃式汽油機上,會引起嚴重的爆震,造成發(fā)動機性能及壽命下降。汽油機使用的燃料要求有較高的辛烷值,以抑制爆震產生。另外柴油燃料一般不易氣化,不利于火焰?zhèn)鞑?,會造成排放升高。從何考慮發(fā)動機的各種性能,理想的柴油機燃料應由碳原子數為16左右的直鏈烷烴構成,而汽油機燃料應由碳原子數為8左右的異構烷烴或環(huán)烷烴構成。
2-7 正十六烷與α-甲基萘的十六烷值分別為多少?為什么兩者的著火特性有顯著差別?
解:十六烷值CN = 100,自燃性很好; α-甲基萘 CN = 0,自燃性很差。其著火特性與C原子數密切相關。
2-8 測定辛烷值時,為什么有的燃料的辛烷值會大于100?為什么有的燃料的RON>MON,而有的燃料卻是RON
MON;反之,RON1.2
(3)負荷調節(jié)方式不同:
汽油機—預混合,?a基本保持不變,量調節(jié)
柴油機—分層混合,?a變化范圍大(0~∞),質調節(jié)
原因:燃料的理化特性不同。
2-14汽油可以壓燃嗎?如果可以,汽油壓燃有什么優(yōu)缺點?如果不可以,請說出理由。
解:汽油可壓燃。例如稀混合氣條件下的汽油勻質混合氣壓燃HCCI,以實現汽油機的高效低污染燃燒。
2-15影響工質比熱容的主要因素有哪些?影響趨勢如何?比熱容為什么對發(fā)動機的動力、經濟性有重大影響?
解:影響因素:溫度和分子的自由度數。
cp、cV隨溫度T上升而增加,K隨溫度T上升而下降。分子自由度(原子數)增大,cp和cV增大,K減小。K越大,cp和cV越小,相同加熱量下,工質溫升越高,循環(huán)熱效率高。
2-16 影響殘余廢氣系數fr的主要因素有哪些?為什么汽油機的fr一般比柴油機的大?而增壓柴油機的fr很???
解:影響殘余廢氣系數的主要因素:進排氣壓力、轉速、壓縮比、配氣相位和排氣系統動態(tài)特性。汽油機fr偏高是因為ε小,壓縮容積大,低負荷時進氣節(jié)流強使新鮮充量下降;增壓柴油機fr小是因為掃氣效果強。
2-17燃料燃燒后分子數大于燃燒前分子數的主要原因是什么?為什么汽油機的分子變化系數比柴油機大?
解:柴油機分子系數較小原因:一是由于平均過量空氣系數較大,混合氣中有較多空氣不參與反應;另外,柴油含H量低。
2-18可燃混合氣熱值有哪幾種表示方法?各自的物理意義是什么?哪一種表示方法更能反映工質作功能力的大???
解:單位質量或單位體積可燃混合氣發(fā)出的熱量(kJ/kg或kJ/m3)。
(Hum)V代表混合氣的能量密度,越高則相同工作容積發(fā)出的功率越高(即pme高)。
2-19為什么含氧液體燃料的熱值比汽、柴油低得多,但其可燃混合氣熱值卻相差不大?為什么天然氣的熱值比汽油大,但其可燃混合氣熱值反而低?
解:氣體烴 H/C高,Hu高,但本身是氣體(密度?。?,加上H燃燒要求空氣多,Hum小。
含氧燃料(甲、乙醇)本身含O,Hu低,但需空氣也少(l0?。?,Hum與汽、柴油相近。
2-20氫的可燃混合氣熱值很低,因此實用上都是向缸內噴射液態(tài)氫以提高發(fā)動機的有效平均壓力,這是不是意味著增大了氫的可燃混合氣熱值呢?
解:缸內直接噴液態(tài)氫提高平均有效壓力,相當于增壓的效果使混合氣的密度上升,每循環(huán)的發(fā)熱量也上升。
2-21 計算并對比汽油、柴油、天然氣、乙醇四種燃料的單位kJ發(fā)熱量對應的CO2產生量。為減少CO2排放量和改善全球溫室效應,應如何選擇汽車燃料?
解:燃燒釋放單位kJ的熱量,汽油、柴油、天然氣和乙醇分別生成的的CO2質量分別為:
從以上數據可以看出,四種燃料中,天然氣燃燒釋放單位kJ的熱量所產生的CO2最少,從改善溫室效應的角度看,車用燃料應使用天然氣。
2-22一臺小型3缸渦輪增壓車用發(fā)動機燃用異辛烷燃料,發(fā)動機吸入的空氣量為化學計量比空氣量的120%。計算此時混合氣的:(1)過量空氣系數;(2)空燃比;(3)燃空當量比。
解:(1)?α=l/l0=1.2
(2) 異辛烷C8H18 l0=(8/3gc+8gH-go)/0.232=15.1
(3) 空燃比α=?α* l0=15.1*1.2=18.2
(4) 燃空當量比
2-23 一種燃料的組分構成如下:40%(wt)正己烷(C6H14);30%(wt)異辛烷(C8H18);25 %(wt)環(huán)己烷(C6H12);5%(wt)苯(C6H6)。如果燃料混合氣的空燃比是17,計算此時混合氣的燃空當量比。
解:C6H14完全燃燒的化學反應方程式為:
C8H18完全燃燒的化學反應方程式為:
C6H12完全燃燒的化學反應方程式為:
C6H6完全燃燒的化學反應方程式為:
又由O2的摩爾質量為32g/mol,O2在空氣中的質量百分比為23.2%,所以1kg該種燃料完全燃燒所需要的理論空氣質量為:
即該種燃料的化學計量比為l0=14.9895,因而其過量空氣系數為:
從而可得該種燃料的燃空當量比為:
2-24 計算由甲醇和汽油組成的混合燃料(甲醇占20%體積,汽油占80%體積)燃燒時所需的化學計量空燃比,以及混合燃料的可燃混合氣質量熱值和體積熱值。假設過量空氣系數為1.1,環(huán)境溫度為293K,環(huán)境壓力為0.1MPa,汽油密度為0.760kg/L,甲醇密度為0.795kg/L。
解:混合燃料中甲醇的質量分數為:
則汽油的質量比為:
g汽油=1-0.207=0.793
混合燃料的化學計量空燃比為:
混合氣的單位質量低熱值為:
查表取汽油的相對分子質量為107.5,則混合燃料形成的混合氣在題目給定條件時的密度為:
所以,單位體積混合氣熱值為:
2-25 甲烷(CH4)與空氣按化學計量比混合并完全燃燒,燃燒產物中只有二氧化碳(CO2)、水(H2O)和氮氣(N2),分別計算該燃燒反應在定壓和定容條件下的絕熱燃燒溫度,并分析兩者產生差異的原因。假設初始反應狀態(tài)為標準熱狀態(tài)(298K,101.3kPa),燃燒產物CO2、H2O和N2的定壓比熱容在絕熱燃燒條件下分別取56.21、43.87和33.71kJ/(kmol·K)。
解:(1)
查得各物質生成焓如下:
; ;
; ;
由解得,該燃燒反應在定壓條件下的絕熱燃燒溫度為
(2)
由解得定容條件下的絕熱燃燒溫度為
,這是因為在定容條件下無膨脹功之故。
第三章
3-1應用工程熱力學的公式和曲線對封閉熱力學系統熱力過程和狀態(tài)進行分析時,應該滿足哪些必要的理想條件?分析發(fā)動機的動力過程時,能否滿足這些要求?
解:準穩(wěn)態(tài)過程、內部可逆。事實上,雖然導致發(fā)動機喪失狀態(tài)平衡的物理過程很快,但是瞬間恢復平衡的弛豫時間更短。因此,缸內工質可以作準平衡態(tài)處理。缸內不可逆因素不可避免,但因不可逆損失值與整個系統對外的熱功交換值相比極小,因此發(fā)動機缸內可以作內可逆過程處理。
3-2發(fā)動機的理論循環(huán)、理想循環(huán)和真實循環(huán)三者之間有何差別?為什么要把發(fā)動機的工作循環(huán)劃分為三種循環(huán)進行分析?
解:(1)理論循環(huán):
工質——理想氣體(空氣),物性參數(比熱比,κ)為常數,不隨溫度變化;
循環(huán)——理想循環(huán);封閉熱力循環(huán):系統加熱→燃燒放熱;系統放熱→氣體交換(進、排氣);特殊熱力過程:絕熱壓縮和膨脹;等容或等壓加熱和放熱;
(2)理想循環(huán):
工質——真實工質;
循環(huán)——理想循環(huán);
(3)真實循環(huán):
工質——真實工質;
循環(huán)——真實循環(huán);
理論循環(huán)最簡化而又能突出發(fā)動機工作過程本質特征,理想循環(huán)是理論循環(huán)和真實循環(huán)之間的中間模型。為了完善循環(huán)分析,所以建立了三種模型。
3-3分別在同一張p-V圖和T-S圖上畫出在加熱量和壓縮比相同條件下的等容循環(huán)、等壓循環(huán)和混合循環(huán),比較它們的循環(huán)熱效率大小,并說明原因。
解:加熱量和壓縮比相同條件下. q2,p>q2,s>q2,v?ηt,p<ηt,s<ηt,v。因為壓縮比相同時,等容循環(huán)的熱效率最高。
3-4依據循環(huán)理論和汽、柴油機相關參數的實際范圍,利用T-S圖解釋為什么柴油機比汽油機熱效率高?
解:從T-S圖上可以看到,如果初始條件相同,由于柴油機的壓縮比較高,壓縮終點的溫度也相對較高。高溫提高了能量的品質,使總的吸熱量/散熱量大大降低,因而,柴油機的熱效率高。
3-5什么是發(fā)動機循環(huán)加熱的等容度?等容度與等容加熱是一回事嗎?等容度與預膨脹比是什么關系?為什么提高等容度可以提高循環(huán)熱效率?
解:混合循環(huán)的等容度:各微循環(huán)真實壓縮比的算術平均值與理論壓縮比的比值。等容度反映了真實燃燒加熱過程接近上止點等容燃燒加熱的程度。等容度不等同于等容加熱,等容度與預脹比成反比。等容度越高,各個微循環(huán)的真實壓縮比就越大,因而每個微循環(huán)的熱效率就越高,綜合的熱效率也就越高。
3-6如何計算渦輪增壓發(fā)動機和機械增壓發(fā)動機的指示效率ηit和機械效率ηm?兩者的ηit和ηm有何差別?與自然吸氣原型機相比,增壓發(fā)動機的ηit和ηm是加大了還是減小了?為什么?
解:指示效率可用指示功與消耗燃料的放熱量的比值求得。機械效率為有效功與指示功的比值。渦輪增壓發(fā)動機的機械效率一般比相應的自然吸氣發(fā)動機的高。指示效率兩者差別不大。指示效率變化不大,機械效率增大。
3-7柴油機的壓縮比比汽油機高很多,但為什么汽油機的燃燒最高溫度比柴油機高?為什么在相同條件下也是汽油機的有效平均壓力高于柴油機?
解:雖然汽油機壓縮比較低,但由于混合氣較濃而且等容度也較高,所以最高燃燒溫度較高。且柴油機使用稀燃,空燃比較高,總的熱容比較大。
3-8 簡述理論循環(huán),分析對改善內燃機動力、經濟性能的指導意義。
解:(1)指出了改善發(fā)動機動力性、經濟性的基本原則和方向:提高壓縮比;提高等容度;增加等熵指數等。
(2)提供了發(fā)動機之間進行動力性、經濟性對比的理論依據。
3-9若將真實工質特性替代理論循環(huán)的理想工質特性,將在哪幾個方面對熱效率產生影響?影響趨勢如何?考慮真實工質特性之后,高、低負荷條件下,汽油機和柴油機的熱效率的差距是加大了還是減小了?為什么?
解:真實工質對熱效率的影響:
(1) 比熱容:真實工質κ <理想工質κ →真實工質ηt↓
(2) 高溫熱分解:燃燒放熱時間拉長→等容度σ↓→ηt↓。
(3) 工質分子變化系數:影響不大
(4)過量空氣系數:?a<1,未燃碳氫↑→多原子↑→ T↑→κ ↓→ηt↓;
?a>1,空氣↑→單雙原子↑→ T↓→ κ↑→ηt↑;
考慮真實工質特性后,汽、柴油機熱效率差距加大。
3-10什么是相對熱效率ηrel?引入ηrel有何現實意義?
解:相對熱效率是真實循環(huán)的指示效率與理想循環(huán)的熱效率之比,它反映了發(fā)動機的真實動力循環(huán)接近理想動力循環(huán)的程度。
3-11 真實循環(huán)比理想循環(huán)多增加了哪些損失?這些損失是怎樣產生的?
解:(1)傳熱損失:真實循環(huán)并非絕熱過程, 通過氣缸壁面、缸蓋底面、活塞頂面向外散熱。
(2)時間損失:實際燃燒及向工質加熱不可能瞬間完成,因為:存在點火(噴油)提前,使有用功面積下降,ηt↓;pz出現在TDC后10°CA,而非等容加熱,使有用功面積減小。
(3)換氣損失:排氣門早開,造成膨脹功損失。
(4)不完全燃燒損失:正常燃燒時,也有ηc≠100%;不正常燃燒、?a<1等,η t ↓↓。
(5)缸內流動損失:流動增強以及提高渦流與湍流程度,ηt↓,因為:造成能量損失、散熱損失。
(6)工質泄漏損失。
3-12機械損失由哪幾部分組成?每部分損失的特點及其起主要作用的因素是什么?
解:(1)機械摩擦損失(50%~80%):活塞組件、軸承、氣門機構等。
(2)附件驅動消耗(~10%):水泵、機油泵、燃油泵、點火裝置等運轉必不可少的輔助機構。
(3)泵氣損失(5%~40%)。
3-13簡述各種機械損失測定方法的原理和適用范圍。為什么說除示功圖法外,其余三種方法都不可避免地將泵氣損失包括在測定值之內?
解:內燃機機械損失的主要測定方法有:
(1)示功圖法:由示功圖計算得到的凈指示功(增壓機)或動力過程功(非增壓機)Wi減去臺架上測得的有效功We即得到機械損失功Wm,該方法適用于各種機型,但由于對上止點位置的標定精度要求很高,所以只適用于研發(fā)工作;
(2)倒拖法:是在發(fā)動機正常運轉后斷油或斷火,用電機反拖發(fā)動機,從而測得的反拖功率即為機械損失功率,該方法適用于壓縮比不高的汽油機和小型柴油機;
(3)滅缸法:此法僅適用于自然吸氣式多缸柴油機,當內燃機調整到給定工況穩(wěn)定工作后,先測出其有效功率Pe,然后依次將各缸滅火,滅火前后測功機測得的有效功率差值即為該缸的指示功率,各缸相加可得整臺發(fā)動機的指示功率Pi,再減去發(fā)動機的有效功率Pe即得機械損失功率Pm;
(4)油耗線法:在轉速不變的情況下,測出整機油耗隨負荷的變化曲線。將此線外延直到與橫坐標相交,則坐標原點與交點間的連線即為機械損失值,該方法適用于自然吸氣式柴油機和低增壓柴油機。
上面這四種測定發(fā)動機機械損失的方法中只有示功圖法可以得到凈循環(huán)指示功,因而可以將泵氣損失排除在機械損失之外;而其余三種測定方法由于無法排除泵氣過程的影響,所以只能將泵氣損失包含在機械損失的測定值內。
3-14說明油耗線法測量機械損失的原理。為什么汽油機不能應用油耗線法測機械損失?
解:油耗線法測量機械損失的原理:在轉速不變的情況下,測出整機油耗隨負荷的變化曲線。將此線外延直到與橫坐標相交,則坐標原點與交點間的連線即為機械損失值,該方法適用于自然吸氣式柴油機和低增壓柴油機。汽油機的燃油消耗率和負荷不成比例關系,故不適用。
3-15 自然吸氣汽油機、自然吸氣柴油機和渦輪增壓發(fā)動機各適于使用何種機械損失測定方法?為什么?
解:(1)汽油機多用倒拖法,不適合用滅缸法(影響進氣均勻性)和油耗線法(不成直線);
(2)自然吸氣柴油機適合滅缸法、油耗線法,小型柴油機可以用倒拖法;
(3)廢氣渦輪增壓柴油機無法使用倒拖法和滅缸法(廢氣渦輪不能正常工作),低增壓可以用油耗線法(接近自然吸氣柴油機)。
3-16發(fā)動機轉速(或活塞平均速度)和負荷對機械效率有何規(guī)律性的影響?這一影響規(guī)律對發(fā)動機的性能提高和使用提出什么新的要求?
解:(1)活塞平均速度:cm↑,摩擦阻力↑,泵氣損失↑,單靠提高轉速來提高功率受限;
(2)負荷:負荷Pe↓,ηm↓;怠速ηm=0;增壓機型ηm↑。提高發(fā)動機工作時的負荷率及降低中低負荷的機械損失,對發(fā)動機節(jié)能有重要意義。
3-17發(fā)動機潤滑油是如何進行分類的?為保證發(fā)動機正常良好地運行,對潤滑油的黏度提出什么要求?潤滑油的選擇和使用當中如何滿足上述要求?
解:發(fā)動機潤滑油分類涵蓋粘度等級和質量等級。選用原則:保證可靠潤滑的前提下,盡量選用低粘度的潤滑油以減少摩擦損失。
3-18 說明圖3-24能量轉換的各環(huán)節(jié)中能量利用效率下降的物理實質,并指出提高各環(huán)節(jié)能量利用效率的可能途徑。
解:A-B :受卡諾循環(huán)熱效率的限制——提高燃燒溫度,降低放熱溫度;
B-C :考慮真實工質特性稀燃——低溫燃燒;
C-D :相對熱效率采用壓燃提高等容度——絕熱燃燒;
D-E :機械效率降低摩擦損失——可變配氣相位。
3-19 Miller循環(huán)與Atkinson循環(huán)有何異同?Miller循環(huán)在實際應用時是如何實現節(jié)能的?為什么Miller循環(huán)發(fā)動機一般都采用增壓技術?
解:Atkinson循環(huán)是增加發(fā)動機的膨脹沖程;Miller循環(huán)的實質是膨脹比大于壓縮比,不增加沖程,靠控制進氣終點提高熱效率。Miller循環(huán)常采用VVT技術實現節(jié)能,并采用增壓技術以彌補進氣門早關或晚關造成的進氣充量損失。
3-20為什么小排量“Downsizing”都同時采用增加技術?其節(jié)能的主要原因是什么?
解:Downsizing并通過增壓,在保證輸出功率不變的前提下,提高發(fā)動機的有效效率。節(jié)能的原因:排量減小,泵氣損失減少;機械損失減少;增壓還可回收排氣能量。
3-21增壓發(fā)動機每循環(huán)排氣的最大可利用能量是由哪幾部分組成的?為什么渦輪增壓發(fā)動機不可能全部利用這些能量?缸內每循環(huán)燃燒廢氣所具有的最大可利用能量是不是就是排氣的最大可利用能?為什么?
解:見圖3-30,排氣可用能量包括:
(1)bf1b :廢氣能夠絕熱等熵膨脹至大氣壓力點所做的功;
(2)54215:排氣過程中活塞推擠廢氣所做的功;
(3)3g’i23:掃氣部分轉入排氣中的能量。
廢氣在到達渦輪機前總免不了有節(jié)流、不可逆膨脹、摩擦等損失。
廢氣最大可用能不是排氣中可利用的總能量。廢氣最大可用能還包括活塞的推動和掃氣部分的能量。
3-22若渦輪增壓發(fā)動機按定壓系統的理論循環(huán)運行,請問輸入渦輪機的能量是否與壓氣機輸出能量相當?渦輪機輸入能量最終消耗在哪幾個方面?
解:實際進入渦輪機的能量要比壓氣機輸出的能量大很多。因為有發(fā)動機泵氣過程中的各種流動和機械損失的存在。
3-23發(fā)動機由冷卻介質帶走的能量約占燃料總能量的1/3,如果燃燒系統能全部絕熱,是否就可以把此1/3熱量變?yōu)橛行Ч??請就此問題作一個全面分析,并從理論上解釋絕熱能提高有效效率的原因和存在的限制。
解:絕熱發(fā)動機可提高熱量的品質,減少冷卻系統消耗的功率,從而提高有效效率。但同時廢氣帶走的能量也增加,降低了充氣系數,增大了壓縮功,并需要高溫材料,帶來潤滑等問題。
3-24依據圖3-23所示的自然吸氣發(fā)動機熱平衡圖,分析:
(1)燃料總能量最終分為哪幾部分輸出去了?
(2)總的機外傳熱及輻射損失熱量由哪幾部分構成?
解:(1)燃料的總能量分配:
a.1/3弱為有效動力輸出;
b.1/3廢氣排出;
c.1/3弱冷卻系統帶走;
d.其余為驅動附件、傳熱和輻射消耗。
(2)排氣系統向機外傳熱和輻射熱量;冷去系統和水套壁面向嘰歪傳熱和輻射熱量;機體、曲軸箱和其他部件向機外傳熱和輻射熱量;輔助機構傳給冷卻水的熱量。
3-25回熱發(fā)動機從理論上為什么能大幅度提高循環(huán)熱效率?為什么到目前為止還沒有開發(fā)出實用的回熱發(fā)動機?
解:回熱發(fā)動機直接把高溫熱能回收作為缸內加熱量,可提高循環(huán)熱效率。但沒有實際開發(fā)是因為回熱裝置復雜、回熱效率較低等原因。
3-26一臺壓燃式發(fā)動機的壓縮比為15,計算具有相同壓縮比的Otto理論循環(huán)和Diesel理論循環(huán)的熱效率。假設Diesel理論循環(huán)壓縮始點溫度為18oC,空氣的加熱量等于燃料完全燃燒提供的能量,燃料燃燒時的空燃比28,燃料低熱值為44MJ/kg,空氣的定壓比熱容為1.01kJ/(kg·K),等熵指數為1.4。
解:忽略因燃料加入而對工質(空氣)熱物理性質的影響,則
(1)Otto循環(huán):
(2)Diesel循環(huán):
壓縮至上止點時,工質溫度T2為
燃料等壓放熱后,工質的溫度T3為
則預脹比ρ為
則Diesel循環(huán)的熱效率為:
3-27一臺高性能四沖程火花點火發(fā)動機的排量是875cm3,壓縮比為10:1,指示效率是Otto理論循環(huán)效率的55%。在8000r/min時,發(fā)動機的機械效率是85%,充量系數0.9,空燃比13,燃料低熱值44MJ/kg。在溫度為20oC和壓力為0.1MPa的環(huán)境條件下空氣被吸入氣缸。計算發(fā)動機的:(1)有效效率和燃料消耗率;(2)空氣流量、功率和有效平均壓力。
解:(1)
有效熱效率ηet為:
燃料消耗率be為:
(2)
空氣流量Aa為:
有效功率Pe為:
有效平均壓力pme為:
3-28某一柴油機的理論工作循環(huán)相關參數如下:壓縮開始時的氣缸壓力為0.1 MPa,溫度為296K;最大允許的氣缸壓力為9.5 MPa;在燃燒期加入的總熱量為2120 kJ/kg;壓縮比為17;工質的摩爾質量為28.97 kg/kmol;等熵指數為1.4。
(1)確定該理論循環(huán)的類型;
(2)在p-V圖和T-S圖上畫出該理論循環(huán)過程;
(3)計算該理論循環(huán)允許達到的峰值溫度和熱效率。
解:(1)
若按等容循環(huán)運行則等熵壓縮終點的壓力pc和溫度Tc為:
等容加熱后的pz’和溫度Tz’為:
很明顯最高壓力將超過容許壓力,所以不能按等容循環(huán)運行,而按照等等壓循環(huán)運行,則最高壓力小于容許壓力,欲使發(fā)動機經濟性最優(yōu),則應按混合循環(huán)運行。
(2)
混合循環(huán)的p-V圖和T-S圖如教材圖3-5所示。
(3)
若按混合循環(huán)運行,在保證安全的前提下,經濟型達到最優(yōu),則pz’應為9.5MPa,此時對應的Tz’為:
工質溫度從Tc定容上升到Tz’需吸收的熱量Q1為:
定壓過程后工質的溫度Tz為:
絕熱膨脹后的溫度Tb為:
3-29計算題3-28中理論工作循環(huán)的火用損失。若該循環(huán)采用下列放熱方式時,其火用損失又是多少?
(1)膨脹到大氣壓力,再進行等壓放熱;
(2)膨脹到大氣溫度,再進行等溫放熱。
在p-V圖和T-S圖上指出不同損失的區(qū)域,并分別計算膨脹到大氣壓力和膨脹到大氣溫度時的熱效率。
解:參考教材圖3-8,則題3-28中理論工作循環(huán)的火用損失為“Ⅰ面積+Ⅱ面積”之和,理論工作循環(huán)(1)的火用損失為“Ⅱ面積”,理論工作循環(huán)(2)的火用損失為0。圖中:
Ⅰ面積+Ⅱ面積+Ⅲ面積
Ⅲ面積
所以,題3-28中理論循環(huán)的火用損失I3-28為:
(1) 膨脹到大氣壓力,再b’-a 定壓放熱:
所以,
Ⅱ面積+Ⅲ面積
故,理論工作循環(huán)(1)的火用損失I(1)為:
熱效率為:
(2) 膨脹到大氣溫度,再b’’-a 定溫放熱:
由圖可知,理論工作循環(huán)(3)的火用損失I(2)為:
熱效率為:
3-30一臺排量為3.3 L的直列6缸柴油機按混合理論循環(huán)工作,其燃料為輕柴油,空燃比20,有一半的燃料在等容階段燃燒,另一半的燃料在等壓階段燃燒,且燃燒效率為100%。該柴油機的壓縮比為14,且壓縮始點的溫度為60℃,壓力為101 kPa。計算:
(1)循環(huán)中各狀態(tài)點的溫度;
(2)循環(huán)中各狀態(tài)點的壓力;
(3)預膨脹比;
(4)壓力升高比;
(5)指示熱效率;
(6)燃燒過程中加入的熱量;
(7)凈指示功。
解:
1-2定熵過程
2-3 定容過程
壓力升高比
3-4定壓過程
預膨脹比
4-5定熵過程
(6)
所以,燃燒過程加入的熱量
(7)
第四章
4-1什么是發(fā)動機的換氣過程?合理組織換氣過程的目的是什么?為什么說發(fā)動機的充量系數是研究換氣過程的核心問題?
解:發(fā)動機排出廢氣和充入新鮮空氣或可燃混合氣的全過程叫換氣過程。
合理組織換氣過程的目的包括:
(1)保證在標定工況和全負荷工況下,吸入盡可能多的新鮮充量,以獲得盡可能高的輸出功率和轉矩;
(2)保證多缸機各缸循環(huán)進氣量的差異不超出應有的范圍,以免對整機性能產生不利影響。
(3)應盡量減小換氣損失,特別是占最大比例的排氣損失。
(4)進氣后在缸內所形成的湍流場,應能滿足組織快速合理燃燒的要求。
發(fā)動機充量系數指單缸每循環(huán)吸入缸內的新鮮空氣質量與按進氣狀態(tài)計算得到的理論充氣質量的比值,該參數是決定發(fā)動機動力性能和進氣過程完善程度的極為重要的評定指標,是換氣過程的核心問題。
4-2 畫出四沖程自然吸氣汽油機的低壓換氣過程p-V圖,標出進、排氣相位角的位置。比較大負荷與小負荷時的換氣損失,說明在膨脹損失、排氣損失以及進氣損失等方面的不同。
解:p-V圖如下圖所示。其中b’為EVO,d為IVO,r’為EVC,a’為IVC。實線為節(jié)氣門全開(亦即大負荷工況),虛線為節(jié)氣門部分開啟(亦即小負荷工況)。
膨脹損失:大負荷時膨脹損失較大。因為大負荷是缸內溫度較高,傳熱損失較大。
排氣損失:從圖上可以看出,小負荷時排氣損失較大。因為大負荷時,自由排氣階段的排氣量較大,從圖上也可以看出大負荷是排氣門開啟后,排氣壓力迅速降低到比小負荷時的排氣壓力略小的水平,故排氣損失較小。
進氣損失:小負荷時進氣損失較大。因為小負荷時節(jié)氣門部分開啟,增加了進氣的泵氣損失。
4-3 自由排氣與強制排氣有何本質差別?簡述超臨界、亞臨界和強制排氣三個階段中影響排氣流量的主要因素??梢圆扇∧男┐胧﹣硖岣吲艢饬髁??
解:自由排氣和強制排氣的本質差別在于,廢氣是在缸內和大氣或渦輪機入口處的壓差作用下自由流出,還是依靠活塞強制推出。
對于超臨界排氣,氣門口流速始終保持當地的音速,故影響排氣量的主要因素是氣門口截面積。
對于亞臨界排氣,氣門口流速小于音速,但排氣速度仍然較高。此時影響排氣量的主要因素是排氣流動阻力。
對于強制排氣,排氣壓力基本上等于排氣背壓。
為了提高排氣量,可以采取的措施包括:
(1)加快排氣門開啟的速度,增加自由排氣階段的排氣量;
(2)減小排期流動損失,降低排氣背壓,增加強制排氣階段的排氣量。
4-4 什么是氣門口壅塞現象?為什么會出現這種現象?進、排氣門口的此種現象會對進、排氣及發(fā)動機性能帶來什么影響?
解:按氣體動力學孔口流動規(guī)律,當孔口上游滯止壓力不變時,在孔口流速達到音速后,無論孔口下游的壓力降到多低,孔口的流量都保持不變。這就是氣流的壅塞現象。
進氣門口壅塞會導致發(fā)動機在提高轉速時進氣流量不會加大,發(fā)動機功率不僅不會加大,反而因機械損失的增加而下降,轉速的提高將失去其提高功率的價值。
排氣門口壅塞會影響正常排氣,造成殘留廢氣系數過大,不利于燃燒的正常進行。
此外,進排氣門壅塞都會增加進排氣過程的換氣損失,影響發(fā)動機的經濟性。
4-5 進氣和排氣為什么要早開和晚關?4個相位角中,哪兩個角最重要?這兩個角對發(fā)動機性能有何影響?氣門重疊的作用是什么?比較汽油機與柴油機、增壓發(fā)動機與自然吸氣發(fā)動機氣門重疊角的大小,并說明造成差異的原因。
解:早開晚關:進氣充足、排氣干凈。
進氣晚關角和排氣早開角被認為是最重要的兩個,這是因為進氣晚關角對進氣充量影響最大,排氣早開角對換氣損失影響最大。
氣門重疊角:掃氣以降低缸內的殘余廢氣系數;降低發(fā)動機的熱負荷。
汽油機的氣門重疊角一般要比柴油機的小,這是因為若進氣門開啟過早,廢氣會倒入進氣管,出現“回火”現象,且氣門重疊角過大時可能造成新鮮可燃充量直接排出排氣管。
增壓發(fā)動機的氣門疊開角一般會比非增壓發(fā)動機的大,這是因為增壓發(fā)動機進氣門外的壓力高于排氣背壓,因而能夠更好地實現燃燒室掃氣,達到增加新鮮進氣充量和降低燃燒室熱負荷的目的。
4-6 為什么進、排氣門開啟和關閉4個相位角都存在最佳值?為什么4個相位角的最佳值都隨轉速上升而加大?請逐一從物理概念上定性加以說明。
解:(1)排氣早開角:排氣損失由提前開啟的自由排氣損失和排氣沖程的泵氣損失組成。當排氣早開角小時,自由排氣損失小而泵氣損失大;排氣早開角大時,自由排氣損失大而泵氣損失小。故排氣早開角必定存在最佳值。
由于轉速對膨脹線影響不大,但是經歷相同自由排氣時間所對應的轉角必然是高轉速時大,因此轉速上升時,排氣早開角的最佳值加大。
(2)排氣晚關角:排氣晚關角過小,排氣慣性利用不足;排氣晚關角過大,因活塞下行較多,造成廢氣倒流,排氣量也會減少。所以排氣晚關角也存在最佳值。
轉速上升時,經歷相同的利用排氣慣性排氣的時間所對應的轉角也會增大,因此轉速上升時,排氣晚關角的最佳值加大。
(3)進氣早開角:過大會回火,過小則進氣不足,故存在最佳值。
轉速上升時,進氣門早開的時間相同,對應的進氣早開角會增大,因此轉速上升時,進氣早開角的最佳值加大。
(4)進氣晚關角:過小不能充分利用進氣慣性,過大則有可能把已充入缸內的新鮮充量推回進氣管,故存在最佳值。
轉速上升時,經歷相同的利用進氣慣性進氣的時間所對應的轉角也會增大,因此轉速上升時,進氣晚關角的最佳值加大。
4-7 增壓發(fā)動機與自然吸氣發(fā)動機的fc定義有何差異?增壓發(fā)動機的理論進氣量如果按大氣環(huán)境條件計算,此時定義的fc反映了什么?
解:自然吸氣發(fā)動機的理論吸氣量計算時空氣密度按照環(huán)境狀態(tài)下的空氣密度計算,增壓發(fā)動機的理論吸氣量計算時空氣密度按照壓氣機后的空氣密度計算。
增壓發(fā)動機的理論進氣量如果按照大氣環(huán)境條件計算,此時定義的充量系數反映了增壓的強度(例如,按照這種方法計算所得的充量系數為1.2,這意味著經過增壓后,實際的進氣量是環(huán)境條件下完全排氣和進氣時的進氣量的1.2倍),但不能反映增壓的效率。
4-8 渦輪增壓發(fā)動機與自然吸氣原型發(fā)動機相比,由于循環(huán)進氣量大幅度增加,所以它的fc也必然大幅度增加,這種說法對不對?為什么?渦輪增壓發(fā)動機較自然吸氣原型機的fc一般來說是加大還是減???請列舉主要影響因素加以說明。
解:這種說法不對。
因為自然吸氣發(fā)動機的理論吸氣量計算時空氣密度按照環(huán)境狀態(tài)下的空氣密度計算,增壓發(fā)動機的理論吸氣量計算時空氣密度按照壓氣機后的空氣密度計算。所以增壓后循環(huán)進氣量大幅增加不能說明充量系數也一定大幅增加。
渦輪增壓發(fā)動機比自然吸氣原型機的充量系數增大。
因為:進氣終了壓力提高,掃氣降低了殘余廢棄系數,同時減少了進氣加熱作用,使充氣系數提高。
4-9 影響穩(wěn)定條件下發(fā)動機fc的主要因素有哪些?它們是如何影響fc的?
解:影響充量系數的主要因素包括:
(1)進氣流動阻力的影響。進氣流動阻力的大小直接影響進氣效率和進氣量。
(2)進氣溫升的影響。進氣工質的溫升加大,必然降低缸內工質的密度,從而降低充量系數。
(3)進排氣相位角的影響。進排氣相位角,特別是進氣晚關角和排氣晚關角,對充量系數有影響。合理的進排氣相位可以使進氣充足、排氣干凈,提高充量系數。
4-10 評價進氣道性能的指標是什么?進氣道的設計準則是什么?旋流進氣道與滾流進氣道所起的作用有何差異?
解:評價進氣道性能的指標是進氣渦流強度和流通阻力。
進氣道的設計準則是在基本滿足進氣渦流要求的前提下,盡可能降低氣道的流動阻力。
旋流進氣道進氣時主氣流出現繞氣門中心的旋轉運動;滾流進氣道產生旋轉中心線與氣缸中心線垂直的縱向滾動氣流。兩者形成的氣流運動形式不同。滾流進氣道主要用于實現稀燃缸內直噴汽油機的分層混合氣。
4-11 什么是氣門口平均進氣馬赫數Mam?說明φc隨Mam變化的規(guī)律及原因,為什么Mam大于0.5就使φc急劇下降?
解:平均進氣馬赫數的定義為通過氣門口的平均流速與當地音速的比值。
充量系數隨馬赫數的增加而下降,特別是馬赫數大于0.5時,充量系數急劇下降。
馬赫數增大時,氣門口流速增大,使流動阻力以平方關系提高,使充量系數下降。當馬赫數達到0.5左右時,雖然總體上未達到音速,但某些小升程段的氣流已接近壅塞,充量系數加速下降。
4-12 進氣終了前工質溫度的上升對發(fā)動機性能有什么影響?一般來說,有哪些因素影響進氣終了工質溫度的變化量?影響大小及趨勢如何?
解:進氣工質的溫升加大,必然降低缸內工質的密度,從而降低充量系數,影響發(fā)動機的動力輸出。
影響進氣終了工質溫度的變化量的因素包括:進氣過程中高溫壁面?zhèn)鳠幔贿M氣過程中壓力損失變?yōu)槟Σ翢?;殘余廢氣與新鮮充量混合;進氣過程中燃料氣化吸熱。
其中,前3個因素引起進氣工質溫度上升,第4個因素引起進氣工質溫度下降。
在4個因素中,進氣過程中高溫壁面?zhèn)鳠釋M氣溫升的影響最大。且轉速越低,負荷越大,高溫壁面?zhèn)鳠嵋鸬臏厣酱蟆?
4-13 為什么近代轎車汽油機普遍采用多氣門機構?它有什么優(yōu)缺點?柴油機為什么較少采用多氣門?2氣門改為4氣門時,為什么功率上升的百分比要比轉矩增加的百分比大得多?
解:優(yōu)點:
(1)增加了進氣流通面積,減小進氣阻力,提高進氣充量;
(2)對于汽油機來說,有利于采用火花塞中置的燃燒室布置。
缺點:
(1)使氣門機構變得復雜。
(2)增加了成本。
對于柴油機,由于柴油機沒有節(jié)氣門,進氣阻力相對較小,而汽油機在中小負荷時節(jié)氣門節(jié)流作用明細,所以柴油機對進氣流通面積的要求比汽油機低。
2氣門改為4氣門時,功率上升的百分比比轉矩增加的百分比大得多。這是因為:對于轉矩來說,改用4氣門主要的影響是增加了進氣充量,從而對最大輸出轉矩有所提升。對于功率來說,除了在相同轉速的條件下增加了輸出轉矩,使功率上升之外,2氣門改為4氣門還有一項重要的影響:在發(fā)動機高速工況下,由于進氣壅塞現象,發(fā)動機功率反而下降;而2氣門改用4氣門后,由于氣門流通面積大大增加,防止了進氣壅塞現象,使得在高轉速下也能夠輸出較大扭矩,這樣由于轉速的提高,功率大大增加。在這兩種影響的綜合作用下,功率上升的百分比比轉矩增加的百分比大得多。
4-14 為什么說fc—n進氣外特性曲線是發(fā)動機特別是汽油機極為重要的性能曲線之一?一般發(fā)動機的fc—n外特性曲線的變化趨勢有何特點?由哪些因素決定?進
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