发动机原理练习题

发动机原理思考题1、为何要分析发动机的理想循环？简述发动机实际循环向理想循环的简化条件。

●理论循环对研究和改善动力、经济性能的指导意义理论循环是发动机工作过程最本质的模型。

影响理论热效率的主要参数和规律，同样是影响实际发动机动力、经济性能的关键环节。

初学发动机原理，如果能较深入地理解理论循环的物理实质，对于进一步掌握实际循环有很好的指导作用，主要由以下两个方面：●（1）指出了改善发动机动力、经济性能的基本原则和实施方向●1在允许和可能条件下，提高发动机的压缩比ε●ⅱ，合理组织燃烧，提高循环加热的“等容度”● ⅲ，保证系统工质具有较高的绝热指数к（2）提供了发动机之间进行动力、经济性能对比的理论依据实际循环向理想循环的简化条件1 忽略进、排气过程2 压缩、膨胀过程 （复杂的多变过程） 简化为绝热过程3 燃烧过程简化为定容加热过程 （2～3） 和定压加热过程 （3～4）4 排气放热简化为定容放热过程5 假定工质为定比热的理想气体2、做出自然吸气四冲程柴油机理想循环和实际循环P-V 图，并标明各项损失。

答案：图1-2 P93、写出机械效率的定义式，并分析影响机械效率的因素。

1、机械效率 ：有效功率与指示功率的比值。

i mi mi e i em p p W Wp p W W -=-===11η影响机械效率的因素P264、试述过量空气系数、空燃比和分子变更系数的概念。

1 过量空气系数 αα=LL 0=燃烧燃料实际供给的空气量完全燃烧燃料理论上所需要的空气量11k g k g表示混合气的浓稀程度。

α 大 → 混合气稀；α 小 → 混合气浓2 空燃比 A/FA F L /=α0 =空气量燃料量表示混合气的浓稀程度。

A/F 大 → 混合气稀；A/F 小 → 混合气浓三、分子变化系数1 理论分子变更系数 μ0 μ021=M M =燃烧后工质的摩尔数燃烧前工质的摩尔数μ0↑ → 容积变化大 → 膨胀做功好 → ηt ↑5、 简述汽油和柴油发动机混合气的着火和燃烧方式，并比较之。

（一）柴油机－低温多级自燃阶段－混合阶段1 t1在压缩过程终了时，燃料喷入汽缸内形成可燃混合气。

燃料遇到温度较高的空气，开始氧化，但速度缓慢，示功图上的压缩线没有明显的变化。

混合阶段，为着火做准备。

阶段－第一级反应2 t2燃烧的实质是燃料的氧化反应，当反应速度很快时，火焰就会出现。

经过t时间后，反1应加剧，出现冷火焰，缸内压力超过压缩压力。

在这一阶段，反应生成醛类、过氧化物和一氧化碳等中间产物。

要求混合气较浓，α = 0.4～0.5。

阶段－第二级反应3 t3温度、压力升高较大，产生许多化学反应的活性中心，出现蓝火焰。

混合气稀得多，α略小于1。

4 t t t++时间后－第三级反应123活性中心剧增，化学反应加速，热积累剧烈，发生爆炸，出现热火焰。

混合气更稀，α≈ 1。

++－着火延迟期t t t123（二）汽油机－高温单级点燃1 压缩的是燃料与空气的混合气体, 在此过程中, 已经进行了一些化学反应。

2 火花点火, 局部温度高达20000℃以上, 该处燃料分子直接分裂成大量的自由原子与自由基, 迅速反应出现热火焰, 瞬间扩大到整个燃烧室内。

所以, 汽油机着火过程：压缩混合气→点火（经短暂着火延迟期）→热火焰三燃烧方式（一）同时爆炸燃烧取某一部分为系统, 着火前后整个系统各个部分的相完全均匀一致。

即相只随t（时间）座标变化, 而不随x （位移）座标变化, 为单相系, 均匀系。

柴油机上, 由于混合气分配不是十分均匀, 总有某一部分混合气最先着火（一般在喷油嘴附近）, 取这一部分为系统, 则系统内实现的就是同时爆炸燃烧。

汽油机上, 由于火焰有传播速度（虽然很快, 但相对同时爆炸燃烧却很小）, 传播逐次进行, 故显然不是同时爆炸燃烧。

但火花塞间隙处的少量混合气在电火花作用下, 可实现同时爆炸燃烧，从而形成火焰中心。

（二）逐渐爆炸燃烧汽油机－火焰传播。

两相系－混合气相（未燃区），燃烧产物相（已燃区）。

加热从火花塞开始，紧靠火花塞的那一部分混合气首先被加热, 使氧化或活性中心增多, 发生燃烧。

燃烧又加热下一层……, 一层一层传播。

燃烧主要在火焰前锋面内进行。

火焰前锋面前方的未燃区中是混合气，火焰前锋面后方的已燃区中为燃烧产物和一小部分在火焰前锋面中没有燃烧掉的燃料继续燃烧。

（三）扩散燃烧柴油机的燃烧方式, 三相－燃料相, 空气相, 燃烧产物相。

柴油燃点比汽油低, 但在日常生活中汽油却比柴油易燃, 原因就在于汽油的挥发性好, 油与空气形成混合气较快, 物理准备过程已经就绪, 一点即燃。

柴油机中燃烧的快慢却主要取决于物理准备过程进行的快慢。

油滴遇热蒸发形成燃料蒸汽, 然后才能燃烧, 并非油滴与空气接触就可燃烧。

为防止燃烧产物将油滴与空气隔开, 将组织空气相对于油滴的气流运动, 将燃烧产物抛在后面。

6、推倒充量系数的表达式，并简要说明影响充量系数的主要因素。

7、思考并比较各种燃烧室的优缺点。

柴油机燃烧室•根据混合气形成及燃烧室结构特点，柴油机燃烧室基本上分为两大类：直接喷射式燃烧室（开式、半分开式、球形油膜以及复合式燃烧室等）；分隔式燃烧室（涡流室和预燃室等）。

•各种燃烧室中，开式燃烧室的经济性最好•车用柴油机一般为中、小型、中、高速柴油机。

这类柴油机的燃烧室多为半分开式燃烧室和分隔式燃烧室两类•半分开式燃烧室的经济性仅次于开式燃烧室，它在燃烧时间的长短和燃烧空间大小、燃烧室周围热状态以及增压等方面的条件也仅次于开式燃烧室，而优于分隔式燃烧室。

•分隔式燃烧室一般用于小型高速柴油机•汽油机燃烧室⏹1 . L 型然烧室⏹这种燃烧室的经济性、动力性均较差，在新设计的汽油机上几乎不被采用。

2 楔型燃烧室⏹楔型燃烧室属紧凑型燃烧室,气门顶臵，单列倾斜传动约有 30 ％的燃烧室投影面积为挤气面积⏹3 ．倒盆型燃烧室⏹盆室偏在活塞顶部的一边，另一边成为挤气面积。

火花塞臵于燃烧室顶侧靠近排气门的地方。

气门顶臵，单列正臵传动这种燃烧室的挤气面积（投影面积）一般不能少于活塞顶面积的 l / 3.4 .半球型燃烧室⏹半球型燃烧室全部在气缸盖内，呈半球形，其活塞为平顶或凸顶。

气门顶臵，进、排气门分别斜列，构成双列驱动气门⏹5.篷型燃烧室⏹这种燃烧室的性能与半球型燃烧室相仿，由于组织气流运动要比半球型燃烧室容易，故其高速性要比半球型燃烧室更好些。

8、画出发动机的配气相位图，并标明各部分名称。

9、简述柴油机混合气形成的基本方式。

柴油机混合气形成方式从原理上来分，有空间雾化混合和油膜蒸发混合两种。

1 ．空间雾化混合将燃油喷向燃烧室空间，形成雾状，雾状油滴从高温空气中吸热蒸发并扩散，与空气形成混合气。

为了使混合均匀，要求喷出的燃油与燃烧室形状配合，并利用燃烧室中空气的运动与其混合2.油膜蒸发混合将大部分燃油喷到燃烧室壁面上，形成一层油膜，油膜受热汽化蒸发，在燃烧室中强烈的涡流作用下，燃油蒸气与空气形成均匀的可燃混合气，这种混合气形成方式，由于油膜有一定厚度，在进气涡流和压缩涡流的吹拂下可沿燃烧室壁面扩展，从而可扩大其受热与汽化面积；燃烧室壁面上的油膜逐步蒸发、汽化、然后分层、分批投入燃烧，使混合和燃烧过程呈现出明显的热分层效应。

从而有利于空气的有效利用。

10、简述汽油机的燃烧特点及各阶段的特点 P12011、简述一氧化碳CO，氮氧化合物NOx 和碳氢化合物HC的生成机理和主要防治措施。

（一）一氧化碳 CO1 形成C + O → CO [ + O ] → CO2[ 中间产物 ]产生的原因是缺氧，主要受混合气浓度的影响。

对于过量空气系数¢α< 1 的浓混合气工况；由于缺氧使燃料中的碳不能完全氧化为二氧化碳，一氧化碳作为其中间产物产生，对于过量空气系数¢α > 1的浓混合气工况，理论上不会由一氧化碳的产生，但由于混合不均匀产生局部过浓的混合气¢α < 1，由局部燃烧不完全产生一氧化碳；或者由于二氧化碳在高温时产生热裂解反应，生成一氧化碳。

3 防治（1）稀薄燃烧与高能点火使混合气的¢α↑，而又能够正常燃烧。

（2）缩小燃烧室的激冷区（二）氮氧化合物N Ox1 形成内燃机排放的氮氧化合物包括一氧化氮NO ，二氧化氮2NO 和氧化二氮O N 2，总称为N O x 。

发动机的燃烧过程中，主要生成NO ，另有少量的2NO ，一般情况下O N 2极少可忽略不计，所以我们一般只讨论NO 的生成机理，NO 的生成途径有三种，高温NO ，激发NO 和燃料NO 。

（1）高温NO （只有在大于1600。

C 的高温才能产生高温NO ）1） 燃烧温度高，温度越高，反应速度越快，NO 的浓度越高，因而生成的NO 越多。

2） 高温持续时间长；反应时间的影响，由于NO 的生成速度慢，高温时间持续长，生成的NO 越多3） 火焰前锋面中氧气的浓度高，如混合气浓度过大，则参与生成NO 的氧气不够。

（2）激发NO 和燃料NO激发NO 是由于碳氢化合物裂解出的CH 和CH2与N2反应，生成HCN 和NH 等中间产物，并与N 反应，最终生成NO ，激发NO 只占极小的比例。

燃料NO 燃料中的碳氢化合物裂解出的CH 和CH2与N2反应，生成HCN 和NH 等中间产物，并与N 反应，最终生成NO ，燃料中的含氮率很小，柴油为0.002%~0.03%，汽油基本不含，现阶段不考虑燃料NO 。

汽车产生NO 的原因是高温。

3 防治（1）降低压缩比 ε → 缸内温度↓ → N O x ↓。

（2）减小点火提前角 θ → 缸内温度↓ → N O x ↓。

（3）废气再循环，缸内喷水，采用乳化油， 缸内温度↓ → N O x ↓。

（4）分层燃烧 → 降低混合气的均匀性 → 缸内温度↓ → N O x ↓。

（5）加强燃烧室内气流运动→混合气混合、燃烧迅速→高温持续时间↓→N O x ↓。

（三） 碳氢化合物 HC1、HC 在汽油机中的生成机理（1）不完全燃烧（2）壁面淬熄效应及缝隙效应3)壁面油膜和积碳的吸附2、HC 在柴油机中的生成机理1)混合不均匀2)喷油器压力室容积的影响。

3、非排气HC的生成机理1)曲轴箱窜气 2)燃油蒸发5 防治（1）降低压缩比ε→膨胀冲程中燃烧室壁面温度和排气温度↑→ HC↓。

（2）改善燃烧室形状，降低面容比→散热损失↓→ HC↓。

（3）稀薄燃烧与高能点火→燃烧完全程度↑→ HC↓。

（4）减小点火提前角θ→ HC在膨胀和排气冲程中燃烧掉。

（5）缩小燃烧室的激冷区→燃烧易于完全→ HC↓。

（6）加强燃烧室内气流运动→混合气混合、燃烧完全→ HC↓。

（7）曲轴箱强制通风12、增压技术为什么能够提高发动机的功率？废气涡轮增压有什么好处？1．涡轮增压柴油机的性能优势涡轮增压柴油机与自然吸气机型相比，其性能优势在以下几方面。