内燃机学课后思考题及习题答案

内燃机
2-1内燃机的动力性能和经济性能指标为什么要分为指示指标和有效指标两大类？表示动力性能的指标有哪些？它们的物理意义是什么？它们之间的关系是什么？表示经济性能的指标有哪些？它们的物理意义是什么？它们之间的关系是什么？
答：（1）指示性能指标是以工质对活塞做功为基础的指标。

能评定工作循环进行的好坏。

有效性能指标是以曲轴的有效输出为基础的指标，能表示曲轴的有效输出。

（2）动力性能指标：功率、转矩、转速、平均有效压力、升功率。

（3）功率：内燃机单位时间内做的有效功。

转矩：力与力臂之积。

转速：内燃机每分钟的转数。

Pe=Ttq.n/9550
（4）经济性能指标：有效热效率，有效燃油消耗率be。

（5）有效热效率:实际循环的有效功与为得到此有效功所消耗的热量之比值。

ηet=We/Q1 有效燃油消耗率：单位有效功的耗油量。

关系：be=3.6*106/ηet.Hu
2-4 平均有效压力和升功率在作为评定发动机的动力性能方面有何区别？
答：平均有效压力是一个假想不变的压力，其作用在活塞顶上使活塞移动一个行程所做的功等于每循环所做的有效功，升功率是在标定的工况下，发动机每升气缸工作容积所发出的有效功率。

区别：前者只反应输出转矩的大小，后者是从发动机有效功率的角度对其气缸容积的利用率作出的总评价，它与Pme和n的乘积成正比。

（Pl=Pme·n/30T）
2-5充量系数的定义是什么？充量系数的高低反映了发动机哪些方面性能的好坏？
答（1）充量系数每个循环吸入气缸的空气量换算成的进气管状态下的体积。

V1与活塞排量Vs之比（2）充量系数高低反映换气过程进行完善程度。

2-8 过量空气系数的定义是什么？在实际发动机上怎样求得？
1）过量空气系数：燃烧1kg燃料的实际空气量与理论空气量之比。

2）实际发动机中Φa 可由废气分析法求得，也可用仪器直接测得；
对于自然吸气的四冲程内燃机，也可由耗油量与耗气量按下式求得（Φa=Aa/BLo ）
2-9 内燃机的机械损失由哪些部分组成？详细分析内燃机机械损失的测定方法，其优缺点及适用场合。

答（1）机械损失组成：1活塞与活塞环的摩擦损失。

2轴承与气门机构的摩擦损失。

3.驱动附属机构的功率消耗。

4风阻损失。

5驱动扫气泵及增压器的损失。

（2）机械损失的测定：
1示功图法：由示功图测出指示功率Pi，从测功器和转速计读数中测出有效功率Pe，从而求得Pm,pm及ηm 的值。

优：在发动机真实工作情况下进行，理论上完全符合机械损失定义。

缺：示功图上活塞上止点位置不易正确确定，多缸发动机中各缸存在一定的不均匀性。

应用：上止点位置能精确标定的场合。

2倒拖法：发动机以给定工况稳定运行到冷却水，机油温度达正常值时，切断对发动机供油，将电力测功器转换为电动机，以给定转速倒拖发动机，并且维持冷却水和机油温度不变。

这样测得的倒拖功率即为发动机在该工况下的机械损失功率。

缺点：1倒拖工况与实际运行情况相比有差别2求出的摩擦功率中含有不该有的Pp这一项。

3在膨胀，压缩行程中，p-v图上膨胀线与压缩线不重合。

4上述因素导致测量值偏高。

应用：汽油机机械损失的测定。

3灭缸法：在内燃机给定工况下测出有效功率Pe，然后逐个停止向某一缸供油或点火，并用减少制动力矩的办法恢复其转速。

重新测定其有效功率。

则各缸指示功率为（Pr）x=（Pe-Pe）x。

总指示功率。

Pi=∑(Pi)x。

然后可求出Pm和ηm.
优点：无须测示功图，也无须电力测功器。

缺点：要求燃烧不引起进排气系统的异常变化。

应用：只适用于多缸发动机，且对增压机及汽油机不适用。

4油耗线法：将负荷特性实验时获得的燃油消耗率曲线延长并求出横坐标的交点，就可得到Pmm。

优点：无须电力测功器和燃烧分析仪。

缺点：只是近似方法，低负荷附近才可靠。

应用：除节气门调节的汽油机和中高增压的柴油机。

3-7 内燃机的实际循环与理想循环相比，存在着哪些损失？试述各种损失形成原因。

答：工质的影响；实际工质不是理想气体，其中CO2.水蒸气等三原子气体在燃烧过程中不断增强，使工质比热容增大，且随温度升高而增大，使气体温度下降，同时燃烧产物存在高温分解及在膨胀过程中复合放热现象。

传热损失：实际循环中，缸套内壁面、活塞顶面以及气缸盖底面等与缸内工质直接相接触的表面，始终与工质发生着热量交换，在压缩初期，缸壁对工质加热，但燃烧和膨胀期，工质大量向壁面传热。

换气损失：理论循环中不考虑气体流动阻力损失实际循环中，在吸入新鲜充量及排出废气时有膨胀损失，活塞推出功损失和吸气功损失。

燃烧损失：燃烧速度的有限性使压缩负功增加及最高压力下降另外还存在不完全燃烧损失。

4-1 试分析内燃机进、排气门提前开启和迟后关闭的原因。

其数值的大小与哪些因素有关？
答：排气提前：排气门提前开启可以增大在膨胀行程下止点时的流通面积，使排气顺畅，减小排气冲程的活塞推出功。

排气门迟后关闭可避免排气流动截面积的过早减小而造成的排气阻力增加，使活塞推出功和缸内残余废气增加，另外还可以利用排气管内气体流动的惯性抽吸一部分废气，实现过后排气。

进气门提前开启可增大开始充量进气时的进气截面积，减小气流阻力，增加进气气缸的新鲜充量。

进气门迟后关闭可利用气流惯性实现向气缸的过后充气，增加缸内充量。

汽油机排气门提前角小些，柴油机大些，增压柴油机更大。

节气门调节的内燃机（点燃式）的进气提前角较小，柴油机进气提前角较大，增压则更大。

另外，转速高的发动机有较大的气门提前角及迟闭角。

所以影响因素有：机型，是否增压，转速高低。

4-3试述影响充量系数的各个主要因素以及提高充量系数的技术措施。

(1)影响充量系数的主要因素：进气阻力损失，排气阻力损失，高温零件对进气过程中新鲜充量的加热，配
气正时及气门升程规律的影响。

(2)提高充量系数的技术措施：1.降低进气系统的流动阻力。

2.采用可变配气系统技术（可变凸轮机构，可变气门正时）。

3.合理利用进气谐振。

4.降低排气系统的流动阻力。

5.减少对进气充量的加热。

4-7分析说明几种典型的二冲程发动机扫气方案的优缺点：
答：横流扫气:优点:结构简单，制造方便，可以降低内燃机高度尺寸。

缺点：气缸顶部易残留废气，扫排气口之间易产生新鲜充量短路，扫气效果差，进排气口两侧缸壁热负荷不同，易造成活塞与气缸受热不均。

回流扫气：无新鲜充量短路，扫气效果比横流扫气好，结构简单，制造方便。

直流扫气：优点：扫气品质最好，新鲜充量不与废气参混，工作条件好（扫气空气冷却）。

缺点：保留了四冲程内燃机的气门结构，结构复杂。

4-9增压前后发动机的性能参数是如何变化的？答：增压后内燃机性能参数的变化：指示热效率略有增加，机械效率提高。

（升）功率增加。

燃油消耗率降低。

当转速不变时，则转矩增加。

5-2 何谓缸内滚流？滚流对燃烧过程有何影响？
答：（1）缸内滚流：在进气过程中形成的绕气缸轴线垂直线旋转的有组织的空气旋流。

影响：滚流在压缩过程中，动量衰减较少；可保持到压缩行程末期；活塞接近上止点时，大尺度滚流破裂成众多小尺度涡流，使湍流强度和湍流动能增加，大大提高火焰传播速率，改善发动机性能。

5-6 爆燃的机理是什么？如何避免发动机出现爆燃？
答：机理：爆燃是终燃混合气的快速自燃，在正常火焰未到达前，终燃混合气内部最宜着火部位出现火焰中心，这些火焰中心以很高的速率传播火焰，迅速将终燃混合气燃烧完毕，使得压力升高率dp/dt急剧波动，出现爆燃。

防止发动机爆燃措施：1推迟点火。

2合理设计燃烧室形状及布置火花塞位置，缩短火焰传播距离。

3终燃混合气冷却。

4增加流动，使火焰传播速度增加。

5利用燃烧室扫气和冷却作用。

5-12 何谓稀燃、层燃系统？稀燃、层燃对汽油机有何益处？
答：（1）稀燃系统：采用稀薄混合气并用一定措施组织混合气快速燃烧的系统。

层燃系统：在火花间隙周围布局形成具有良好着火条件的较浓混合气，而在燃烧室大部分区域是较稀的混合气，混合气浓度从火花室开始由浓到稀逐步过渡的燃烧系统。

（2）稀燃、层燃可以提高循环热效率，降低油耗，适当提高压缩比而不至引起爆燃，还可以降低排放。

5-15 柴油机燃烧过程滞燃期定义是什么？柴油机滞燃期的影响因素有哪些？
答：（1）滞燃期：从喷油开始到压力开始急剧升高为止的这一段时间。

（2）影响因素：压缩温度、压力、喷油提前角、转速、燃料性质等。

5-19 分析比较直喷式和分隔式柴油机的优缺点。

答：直喷式和分隔式可通过燃烧室的不同而确定。

直喷式：1）浅盆式：（1）混合气形成主要靠燃油的油喷雾化，对喷雾要求高；（2）要求油束与燃烧室形状相配合，燃料要尽可能地分布到整个燃烧室空间；(3)燃烧室中一般不组织空气涡流运动；（4）燃烧室基本上是一个空间，形状简单，结构紧凑；（5）最高燃烧压力及压力升高率较高，工作粗暴；（6）对转速和燃料较敏感；（7）过量空气系数较大。

2）深坑式：对燃油系统要求较低，空气利用率大大增加，并保持燃油消耗率低和起动容易的优点。

3)涡流式：（1）利用强压缩涡流对喷雾质量要求低；（2）对转速变化不敏感；（3）空气利用率高；（4）排放低；（5）冷启动困难。

4）分隔式：（1）可以在较小的过量空气系数下工作，对供油系统要求不高；（2）混合气对转速敏感性不高；（3）气流流动产生强烈的涡流，使主燃烧室压力升高大大缓和；（4）对燃料种类不敏感，有害排放低；（5）流动散热损失大经济性差。

7-1 对压燃式内燃机燃料供给与调节系统的基本要求是什么？
答：（1）能产生足够高的喷射压力，以保证燃料良好的雾化，混合气形成以及燃烧；（2）对每一工况应精确，及时地控制每个循环喷入气缸的燃料量，当工况一定时，每个循环喷油量应一致，各缸喷油量应当均匀；（3）在整个工况范围内尽量保持最佳的喷油时刻，喷油的持续期和理想的喷油规律；（4）能保证柴油机安全，可靠的工作。

7-10 说明压燃式内燃机有哪些异常喷射现象和它们可能出现的工况。

简述二次喷射产生的原因、造成的危害及消除方法。

答：（1)可能出现的工况：二次喷射：大负荷高速运转的情况下；气穴和穴蚀：小负荷；不稳定喷射：低怠速工况（2）二次喷射的原因：燃油在高压的作用下的可压缩性和压力波在高压油路中的传播和反射；危害：喷油持续期延长，雾化质量差，燃烧不完全且后燃严重，燃油消耗率及烟度增加，排温升高，性能恶化，零件过热，甚至产生喷孔积碳堵塞；
消除措施：减少高压油路的容积，适当增大喷孔直径，适当增大出油阀弹簧刚度与开启压力，加大出油阀减压容积，采用阻尼或者等压式出油阀。

7-11 喷油泵速度特性校正方法有哪几种？简述各种校正方法的原理。

答：液力校正和机械校正两种。

①液压校正：通过改变出油阀结构和形状，利用出油阀上下小孔或者出油阀与阀座之间间隙的节流作用，削弱出油阀在柴油机低速范围内的减压作用，达到增加油喷量；改善喷油泵速度特性的目的。

②机械矫正：利用调速弹簧或凸轮机构改变柱塞的有效行程，以增加低速时的循环油量。

7-12 分析两极式和全程式机械调速器工作特性不同的原因。

答：①两者调速弹簧的预紧力刚度不同，全程式调速器在怠速弹簧起作用即飞锤走完怠速行程以后，调速弹簧能连续参加工作，可保证调速范围的连续性，而两级式调速器要等到转速升到标定转速时，调速弹簧才起作用。

②两级式调速器转动操纵杆能拉动喷油泵油量调节齿杆，而全程式调速器只是改变了牵引杆的转动点与杠杆比。

7-14压燃式内燃机电控高压喷射有哪两大类，比较位移控制方式与时间控制方式的特点。

答①分类：位移控制方式，时间控制方式。

②特点：位移控制方式：在原来机械控制循环喷油量和喷油正时的基础上，用线位移或角位移的电磁执行机构或电磁液压执行机构来控制循环供油量，还可以用来改变柱塞行程的办法，改变喷油正时和供油速率。

时间控制方式：在高压油路中用高速电磁阀的启闭来控制喷油泵和喷油器的喷油过程。

喷油量的多少由喷油压力和喷油器针阀的开启时间长短决定，喷油正时由控制电磁阀的开启时刻确定。

7-16 简述电控汽油喷射系统的组成和各部分的主要功用。

①电控汽油喷射系统的组成：传感器，电控器，执行器②传感器：将发动机工况与环境的多种信号及时并尽可能真实的传递给电控器。

电控器：接收和处理传感器的所有信息，发出各种控制指令给执行器或直接显示控制参数。

执行器：根据电控器发出的信号，产生相应的动作以实现所要求的控制。

7-17试对汽油机多点喷射系统于单点喷射系统进行比较，并分析其应用前景。

（1）进气道多点喷射：对喷油压力要求不高，有利于降低制造成本，能实现燃油供给量的精确控制及在各缸之间的均匀分配。

目前发展成为轿车汽油机的主流产品且应用范围不断扩大。

（2）中央单点喷射：在进入各缸的燃油量的控制精度与均匀性方面达不到进气道多点喷射的水平，但其功能优于化油器，且制造成本低。

在经济型轿车上有较广泛的应用。

7-19试述电控器的功能。

功能：根据来自各传感器的输入信号及其他开关信号，用控制软件并结合存储的各种标定数据与图表进行分析计算，决定如何控制，并以相应的电信号向执行器发出各种控制指令。

9-5试比较柴油机和汽油机在负荷特性曲线和速度特性曲线走向的差异，并分析其原因。

（1）负特性曲线：汽油机负特性曲线（be曲线）在柴油机上面，汽油机的曲线较陡，柴油机平坦，二者都是在中等偏大的负荷范围下，be最低；原因：汽油机的压缩性比柴油机低，be大，be曲线在柴油机之上，在小负荷区，汽油机由于节气门的节流作用，造成较大的泵气损失，使be的上升比柴油机更快。

（2）速度特性曲线：转矩：汽油机转矩随转速的增加而较快的降低，柴油机则较缓慢；功率：汽油机功率随转速的增大非线性增加，柴油机基本上呈线性增加；燃油消耗率：汽油机的be随转速的增加先缓慢下降，然后上升，柴油机类似变化但较平坦；原因：汽油机Ttq变化取决于φc、ηm、η的乘积，随η的变化而ηit在中等转速时达到最大值，低速和高速均有下降，φc在中等低速达到最大值，n大φc下降，n低φc也下降，ηm随n增大降低，所以汽油机外特性Ttq曲线随n的提高而下降，只是在最低速度范围才有一小段随n下降而下降的情况，汽油机be取决于ηit、ηm，由上分析也知汽油机be曲线随n变化的走向。

9-7请根据汽油机和柴油机的特性曲线，综合评价两种发动机的动力性和经济性。

（1）动力性：柴油机能输出较大的转矩汽油机能达到较大的转速，相同转速下柴油机能发出较大的功率。

（2）经济性：柴油机经济性优于汽油机且柴油机经济工作范围较宽，且靠近中等负荷，汽油机经济工作区则靠近高负荷区。