《内燃机学》考研复习大题

《内燃机学》2012考研复习简答题

1、简述汽油机与柴油机瞬态排放的差异。

车用内燃机在实际使用中常出现瞬态运转状态，例如起动、加速、减速等工况。转速、负荷不断变化，零部件的温度以及工作循环参数不断变化。所以，这时内燃机排放量与稳定工况往往有很大不同。

1）汽油机

（1）冷起动

汽油机冷起动时，由于进气系统和气缸温度低，汽油蒸发不好，较多的汽油沉积在进气管壁上，流速低造成油气混合不好，因此需要增加供油量，以使使汽油机能正常起动。

汽油机冷起动时混合气的φa <1。混合气中的汽油以部分蒸气状态、部分液体状态进入气缸。很浓的混合气导致较高的CO排放。

部分液态汽油在燃烧结束后从壁面蒸发，未燃烧就被排出气缸，造成HC的大量排放。

由于温度低及混合气过浓．冷起动时的NOx排放量很低。

（2）暖机

汽油机起动以后，冷却系和润滑系以及主要零部件仍未达到正常的温度水平，需要一个暖机过程。

这时仍需要φa <1的浓混合气，以弥补燃油在气缸壁和进气管壁上的冷凝。

暖机过程CO和HC的排放仍然很高，NOx的排放随着温度的提高逐渐增大。

（3）加速

用化油器的汽油机这时往往供给很浓的混合气，造成较高的CO和HC排放。汽油喷射的汽油机不产生过浓的混合气，其排放值与相应的各稳定工况点相似。

（4）减速

节气门关闭，发动机反拖高速运转。

化油器式发动机如果没有特殊措施，由于进气管中突然的高真空状态，使壁上的液态燃油蒸发，形成过浓混合气而造成较高的HC和CO排放。

汽油喷射式发动机在减速时不再供油，气管内液态油膜少。

2）柴油机

冷起动时，部分燃油以液态分布在燃烧室壁上。着火之前，喷入缸内的燃油会以末燃HC 形式直接排出气缸。着火以后，吸附在壁面上的燃油也不能完全燃烧，有一部分在蒸发后被排出。柴油冷起动时排放的高浓度HC 表现为白烟。

非增压机的正常加速几乎是各稳定工况点的连续。

增压机突加负荷时，增压器需要一段时间，才能达到高负荷所对应的转速和增压压力。若未采取专门措施，增压柴油机常会加速冒黑烟。

2、简述内燃机负荷特性、速度特性的实验方法以及实验应记录的参数

1）负荷特性

（1）完成实验准备并了解实验操作规程后，即可起动发动机进行预热，观察是否有漏水、漏气、漏油等不正常现象。待水温、机油温度升至70℃以上，即可开始实验。

（2）调节测功机自控系统，设定至所选定的发动机转速，在转速不变的条件下，分别从小负荷至大负荷测定负荷改变时（即移动喷油泵齿条或拉杆位置，改变每循环供油量g b ）发动机的经济性指标B 、b e 随P e （或T tq 、P me ）的变化关系。

实验中，一般做6—8个工况点，为确保找到最低油耗点，在油耗经济区域应增加1-2个实验点，在小负荷区域可减少1-2个实验点。

（3）实验期间，每一实验工况稳定1分钟后，测量和记录下列参数：转速n 、功率P e 、扭矩T tq 、小时耗油量B 、比油耗b e 、冷却水Tw 、机油温度To 、机油

压力Po ，排气温度Tr 等数据。实验开始和结束时，分别记录大气压力P a （观测值），环境温度T a （进气温度）和相对湿度 。

（4）实验进行中，应在坐标纸上同步对实验工况点绘制实验监督曲线，其横坐标为P e （或T tq 、P me ），纵坐标为b e ，以监督实验数据曲线的各点连线是否平

滑和符合规律，如发现实验点明显脱离规律，应在全部实验点结束后补测该点。

（5）实验完成后，逐渐减少发动机负荷，怠速运转5分钟后停车。

2）速度特性

（1） 起动发动机进行预热，观察是否有漏水、漏气、漏油等不正常现象。待水温、机油温度升至70℃以上，即可开始实验。

（2） 速度特性实验（发动机油门开度为100%时为外特性）：设定至所选定

的发动机油门开度（20%、35%、50%、75%、100%），调节测功机自控系统，在油门不变的条件下，分别从高转速至低转速（每200转）测定负荷随转速改变时（即固定喷油泵齿条或拉杆位置，改变发动机转速n ）发动机的经济性指标B 、b e 和动力性指标随P e （或T tq 、P me ）随转速的变化关系。实验中，一般做6—8个工况

点。

（3） 实验期间，每一实验工况稳定1分钟后，测量和记录下列参数：转速n 、功率P e 、扭矩T tq 、小时耗油量B 、比油耗b e 、冷却水Tw 、机油温度To 、机油

压力Po ，排气温度Tr 等数据。实验开始和结束时，分别记录大气压力P a （观测值），环境温度T a （进气温度）和相对湿度 。

（4） 实验进行中，应在坐标纸上同步对实验工况点绘制实验监督曲线，其横坐标为转速n ，纵坐标为P e 、T tq 、b e 、B 、Tr 等，以监督实验数据曲线的各点

连线是否平滑和符合规律，如发现实验点明显脱离规律，应在全部实验点结束后补测该点。

（5） 实验完成后，逐渐减少发动机负荷，怠速运转5分钟后停车。 注：

一、实验准备

l. 实验前，应了解试验内容、有关技术标准和资料,较准和调试传感器 和二次仪表，确保测量值满足国家标准的精度要求。

2. 在实验台的各安装过程中，确保发动机和测功器均符合技术要求： 在发动机未联接之前，检查测功机转子是否运转灵活，传动间隙是否 符合说明书技术要求；

发动机联接轴与测功器法兰的同轴度不大于0.20mm ，两法兰之间的平 行度不大于0.15mm ；

检查测功机水压稳压系统工作是否正常，能否满足测功器工作要求； 发动机安装完成后，手转动发动机，应运转灵活，不得有干涉和异常 响声；

联接水温、油温、排温、进气温、油压、进排气压等传感器。

二、实验操作规程

1、发动机启动前

检查发动机燃油、机油、冷却水、测功机润滑油系统是否正常和足够；

打开测试仪器电源，预热十五分钟，根据仪表说明书要求进行零点检查；

为符合环保降噪要求，实验前务必关闭发动机实验间的门窗；

开启引风机和排风机对室内进行换气，并启动排气烟道的引射风机；

2、启动发动机

观察机油压力，必须大于100kPa；

检查发动机循环冷却水液面，确保冷却水正常循环；

怠速运行5分钟，将测功器带上小负荷，并在40%额定转速内运行；

检查各机油油道和部件联接处是否有机油泄漏；各柴油或汽油油路联接处

是否有柴、汽油泄漏；

发动机循环冷却水接口是否漏水；

发动机进气管、排气管接口及气缸体与气缸盖接合处是否有漏气现象。

3、简述汽油机缸内直喷技术(GDI)的优势（优点）

1）、缸内燃油喷射定时和进气运动更易实现混合气稀薄和分层燃烧；

2）、燃油雾滴较细，混合气形成质量改善，不同采用进气管加热来促使燃油蒸发，提高冲量系数，提高发动机动力性能；

3）、进气温度较低，可采用高压缩比，从而改善发动机经济性；或同等情况下降低对燃料辛烷值的要求，提高发动机抗爆性；或采用增压技术，提高动力性能；

4）、取消节气门，减少泵气损失，发动机的经济性改善；部分负荷实现质调节；

5）燃油雾化好，燃烧室壁面沉积物少，对工况变化反应较快，提高怠速稳定性和瞬态响应；

6）、高压缩比时缸内混合气的温度压力提高，改善了点火和燃烧条件，可降低冷起动时未燃碳氢排放；

7）、便于采用多次喷射、后喷射等冷起动排放控制策略；

以上归结为：1、提高发动机经济性，部分负荷经济性改善30～50，一般情况下改善20左右，同时降低二氧化碳排放 2、提高发动机动力性 3、改善发

动机瞬态响应 4、起动时间短 5、冷起动HC排放改善

4、高压共轨柴油机的高压供油系统主要有哪几个关键部件组成，简要论述高压共轨柴油机的优点。

1）组成：

主要由电控单元（ECU）、高压油泵、蓄压器（共轨管）、电控喷油器以及各种传感器等组成。

2）优点：

a、共轨系统中的喷油压力柔性可调，对不同工况可确定所需的最佳喷射压力，从而优化柴油机综合性能；

b、可独立地柔性控制喷油正时，配合高的喷射压力（ 120Mpa～200MPa ），可同时控制 NOx 和微粒（ PM ）在较小的数值内，以满足排放要求；

c、柔性控制喷油速率变化，实现理想喷油规律，容易实现预喷射和多次喷射，既可降低柴油机 NOx ，又能保证优良的动力性和经济性；

d、由电磁阀控制喷油，其控制精度较高，高压油路中不会出现气泡和残压为零的现象，因此在柴油机运转范围内，循环喷油量变动小，各缸供油不均匀可得到改善，从而减轻柴油机的振动和降低排放。

e、系统结构移植方便，适应范围广，与小、中型及重性柴油机均能很好匹配。

5、从发动机的换气、混合气的形成、燃烧及性能等方面综合比较汽油机柴油机的异同，并指出各自的优势及发展方向。

1）换气过程：四冲程发动机换气过程指从排气门打开到进气门关闭的整个时期

在换气过程中，汽油的排气提前角小些，柴油机的大些，增压柴油机的更大些，且气门叠开角从小到大为：汽油机、柴油机、增压柴油机。

2）混合气形成：

a、汽油机的混合气形成方式有两类：化油器式和汽油喷射式，除GDI外都

属于在气缸外部形成混合气，都依靠控制节流阀开闭来控制混合气的数量。

b、柴油机的混合气形成方式分为：空间雾化混合和油膜蒸发混合两种，柴油机在进气过程中进入气缸的是纯空气，在压缩过程接近终了时才喷入柴油。

c、优缺点比较：柴油机混合气形成的时间比汽油机短，很难形成均匀的混合气，燃烧室的工质随时间和地点而变化

3）燃烧方式和燃烧过程比较：

a、燃烧方式：汽油机靠火花塞火花点火，属点燃式内燃机；柴油机是压缩点燃，在高温高压下多点自燃着火，属于压燃式内燃机。

b、燃烧过程：汽油机燃烧过程分为：着火阶段（滞燃期）、急燃期、后燃期；柴油机的燃烧过程分为：着火延迟期（滞燃期）、急燃期、缓燃期、后燃期。

4）性能比较

汽油机：升功率高；转速高；起动比柴油机容易；比质量小；振动和噪声小；燃油消耗率高，经济性差；排放污染物为：一氧化碳，未燃碳氢，氮氧化合物，且三者的排放比柴油机高。

柴油机：升功率低；转速低；工作可靠，寿命长；燃油消耗率低，经济性好；功率储备大，可以短期超载工作；比质量大；振动和噪声大。排放污染物：一氧化碳，未燃碳氢，氮氧化合物和微粒。

6、汽油机根据运转工况不同提供不同浓度的混合气，简述不同工况的混合气浓度变化情况并解释原因，同时说明汽油机的过量空气系数为什要控制在1左右？

汽油机不同工况下对混合气浓度的要求：

1)当汽油机在部分负荷范围内运行时，应当供给较稀的混合气（1.03～1.1），以保证较高的燃油经济性；

2）当汽油机节气门接近全开或全开的大负荷或全负荷工况时，应当供给较浓的混合气（0.85～0.95）。以保证良好的动力性能；

3）汽油机采用三效催化转化器降低有害排放，因此，应在从部分负荷到接近全负荷的大部分工况下，供给化学计量比混合气。因为三效催化转化器只有在空燃比为化学计量比的一个狭小“窗口”范围内才能保持较高的转化效率；

4）为保证汽油机怠速的运转稳定性以及过度工况（起动与加速）的需要，

应当对混合气的浓度做相应的调整，如：怠速加浓、起动与加速补偿等。

过量空气系数为0.8～0.9时，滞燃期短，火焰传播平均速率最高。此外，由于过量空气系数小于1时，混合气燃烧以后的实际物质的量变化等增大，以及由于蒸发增多，使进气温度下降，冲量系数增大。因此，最高燃烧压力、最高燃烧温度、压力升高率都达到最大值，使发动机动力性良好。

过量空气系数在1.03～1.1时，由于混合气稍稀，最高燃烧温度下降，使燃烧产物高温分解减少，有利于提高热效率。因此，这是燃油消耗率达到最佳。

=1时才能有效地同时转化CO、HC和NOx三种污染三效催化转化器只有在φ

a

物。所以，为满足三效催化转化剂的高效转化效率的要求，需将过量空气系数控制在1左右。

7、简要论述着火延迟期、喷油提前角对柴油机性能的影响

1）对最高燃烧压力和最大压力升高率的影响

着火延迟期长，则在此期间喷入缸内的燃料量增加，着火前可燃混合气量增加，导致急燃期压力升高率增大;最高燃烧压力升高。

着火延迟期过长→则压力升高过大，最高燃烧压力大大增加，使冲击载荷增大，工作粗暴，柴油机寿命降低。滞燃期过短，混合气形成欠佳，柴油机性能。

2）对示功图图形的影响

当燃料相同而喷油提前角不同时，即喷油时气缸内的温度和压力不同，喷油提前角大时，着火延迟长，示功图图形大，压力、温度、压力升高比高，有时甚

至会发生燃烧压力振荡。当喷油提前角相同而燃料的着火延迟期不同时，则τ

i

长的燃料示功图小，峰值低而后移，后燃严重。短的示功图图形大而丰满，τ

i

3）对平均有效压力和功率的影响

τi <τiop时，着火延迟期过短，最高燃烧压力在上止点前过早出现，使压

下降；

缩过程中消耗的负功过大，散热损失增加，使P

e

τi >τiop时，示功图的峰值位置将在上止点后过迟出现，燃烧过程推迟，热效率降低，使Pe下降；

4）对经济性的影响

由于在燃烧过程中存在一个着火延迟期，所以，若喷油提前角过大和过小都将使柴油经济变差，燃油消耗率升高。一般喷油提前角为14°左右为最佳。

5）对烟度和排气温度的影响

着火延迟期对排气温度的影响趋势与对燃油消耗率的影响趋势大致相同；对烟度的影响趋势则相反，着火延迟期过短，则预混合燃烧阶段烧掉的燃料量减少，而扩散燃烧阶段燃烧的燃油量增多，后燃增加，故烟度升高。

8、目前VVT技术是为提高发动机充量系数而产生的一种技术，其根据发动机不同工况调整配气正时，请简述VVT技术的配气正时原理。

1、起动、怠速，气门重叠角最小，防止气流向进气侧回流，使起发动机容易起动，保证怠速稳定，降低怠速油耗；

2、中负荷，排气提前角增大，进气提前小幅提前，排气门关闭时刻提前，气门重叠角仍保持较小，负荷增加相应增加气门重叠角，减少泵气损失，提高内部EGR率，降低油耗，减小NOX、HC；

3、中低转速、高负荷，排气相位滞后，进气相位滞后，进气门关闭时刻提前，提高冲量系数，提高中速段扭矩，EGR调节到最大。

4、高转速、高负荷，排气相位滞后，进气相位滞后，为提高充气效率，推迟进气门晚关角。

优点：

a、改善怠速稳定性和低速平稳性；

b、提高发动机功率和扭矩；

c、扩大发动机转速范围；

d、降低部分负荷燃油消耗率；

e、改善排放。

9、分层燃烧技术的优点。

在火花塞间隙周围局部形成具有良好着火条件的较浓混合气，空燃比的12～13.4左右，而在燃烧室的大部分区域是较稀的混合气，两者之间，为了有利于火焰传播，混合气浓度从火花塞开始由浓到稀逐步过渡。这就是分层燃烧系统。

分层燃烧的好处在于热效率高、节流损失少、有限的燃料尽可能多地转化成工作能量。燃油消耗率低，改善排放，可以提高压缩比以提高发动机的动力性。

优点：

1、热效率高，降低油耗，改善发动机的经济性。

2、采用稀混合气，最高燃烧温度下降，限制了氮氧化合物的生成，同时，HC、CO排放也减少。

3、猝息面积大大减少，减少燃料浪费和污染物。

4、油门控制与转速反应灵敏。

10、发动机EGR的控制要点。

1)由于NOx排放量随负荷增大而增大，因此废气回流量应随负荷而增大；

2)暖机过程中，冷却水温度和进气温度均较低，NOx排放不高。为防止废气回流破坏燃烧的稳定性，一般在冷却水温低于50℃时，不进行EGR；

3)怠速和小负荷时，NOx排放也不高，也不进行EGR；

4)接近全负荷时，为保持足够的动力性能，不进行EGR；

5）为了实现EGR的最佳效果，要保证各缸的EGR率一致。

11、电控技术对发动机性能的影响

（1）提高发动机的动力性

通过减小进气阻力，提高充气效率，电控系统使得进入气缸中的空气得到充分的利用。高的燃油喷射压力，改善雾化质量，提高燃油利用率。

（2）提高发动机燃油经济性

通过电控系统来精确的控制在各种运行工况下发动机所需的混合气浓度，使燃烧更为充分。燃油雾化质量高，燃烧充分。

（3）降低排放污染

通过电控系统的优化控制，提高燃烧质量，应用排放控制系统，降低排放污染。

（4）改善发动机的加速和减速性能

（5）改善发动机的起动性能

（6）在电控喷射系统中，通过改换输入装置的程序和数据，可以改变控制特性。

12、进排气门早开晚关的目的和优点。

进气门早开：为了使进气开始时进气门有较大的开度或有较大的进气流通面积，以减小进气阻力，使进气顺畅；

进气门晚关：为了充分利用气流的惯性，在进气迟后角内继续进气，以增加进气量。进气阻力减小不仅可以增加进气量，还可以减少进气过程消耗的功率；

排气门早开：为了在排气门开启时气缸内有较高的压力，使废气能以较高的流速自由排出，并在极短的时间内排出大量废气。当活塞开始排气行程时，气缸内的压力已大大下降，排气开度或排气门流通面积明显增大，从而使强制排气的阻力和排气消耗的功率大为减小。

排气门晚关：为了利用废气流动的惯性，在排气迟后角内继续排气，以减少气缸内的参与废气量。

13、降低内燃机有害排放的措施

一、降低HC排放

主要措施有：

(1) 采用小压力室或无压力室（VCO）的喷油嘴偶件

(2) 减小活塞顶的压缩余隙、第一道活塞环岸的高度和气门凹坑深度

(3) 取消活塞顶上的避阀坑等措施减小活塞顶上燃烧室的死区（有害）容积

(4) 采用氧化型催化器。

二、减少CO排放

主要措施有：

1、提高充气效率、采用增压或增压中冷等方法提高过量空气系数

2、燃油喷射系统参数和燃烧系统参数优化匹配改进油气混合质量促进燃烧，使混合气充分完全燃烧

3、采用氧化型催化器

三、降低NOx排放

（一）控制燃烧温度的方法包括：

1、采用增压中冷技术降低进气温度

2、降低压缩比

3、推迟喷油时间

4、采用EGR控制燃烧速度和温度、降低氧浓度

5、在缸内喷水

6、采用掺水乳化柴油

7、采用低温燃烧控制方法以及其它方法。

（二）减少NOx排放的后处理装置主要:

1、采用尿素溶液作还原剂的SCR系统

2、被动型的DeNOx氧化催化器

3、储存NOx的催化装置

4、利用燃烧后期喷油或向催化器前的排气中喷油的HC-DeNOx催化器和等离子体装置等。

四、降低PM排放

（一）PM成份

1、机油消耗产生的可溶（挥发性）有机颗粒物（SOF）

2、燃油消耗产生的可溶有机颗粒物、硫酸盐和水以及不可溶的有机颗粒物（INSOL）等。

（二）主要措施：

1、采用增压或增压中冷技术、多气门技术、对气道和进排气管进行优化设计、改进增压器设计与匹配、改进配气机构设计、提高充气效率等措施来增加进入气缸的空气量，提高过量空气系数；

2、改进喷油系统设计，提高喷油压力和喷油速率，提高喷油器和喷油嘴偶件的流量系数以及喷孔中的流速，提高喷油能量，改善燃油流动过程和雾化质量；

3、改进燃烧系统设计，采用先进的缩口燃烧室，提高涡流的保持性，促进油气混合；

4、优化喷射提前角度，控制喷油持续期；

5、增强扩散燃烧，改进燃烧过程；

6、减小喷油嘴对燃烧室中心、燃烧室对气缸中心的偏心，喷油嘴尽可能垂直布置优化油线空间分布和燃烧室形状以及喷油参数与燃烧室和涡流比之间的匹配；

7、提高中冷器冷却效果，控制进气温度。

（三）机内净化PM排放最重要的措施是：

1、优化发动机的本体结构设计

2、采用高压喷射

3、控制机油消耗

4、选用良好的油品等。

（四）在后处理净化PM排放最重要的措施是：

1、对于可溶性的有机颗粒可采用氧化催化器。

2、对不可溶颗粒物可采用颗粒捕集器（有主动型和被动型）或颗粒过滤器（DPF）。

五、机油消耗及控制

（一）机油消耗的源头

柴油机的机油消耗除了由于缸体、缸盖、油底壳、齿轮室罩等零部件结合面处密封不良向外部泄漏以外，主要来自以下四个方面：

①通过活塞、活塞环与气缸套之间窜入燃烧室；

②通过气门导管、气门座进入燃烧室；

③通过增压器进入进气流再进入燃烧室；

④通过曲轴箱扫气通风或经进气系统进入燃烧室或经呼吸器直接排入大气。（二）控制机油消耗的关键技术

1、优化活塞和活塞环的结构形状；

2、通过气缸套珩磨使缸套表面形成合理的平台网纹；

3、优化发动机机体结构、提高机体刚度、减小机械变形；

4、优化冷却系设计、使水流场、温度场分布合理、减小热变形，从而使活塞、活塞环和缸套良好配合；

5、通过提高气门导管和气门杆配合表面的制造精度，优化配合间隙，减少通过气门导管、气门座圈进入燃烧室的机油；

6、优化增压器轴承的结构或配合，改进增压器密封效果，控制通过增压器消耗的机油；

7、对曲轴箱扫气通风进行油气分离，优化油气分离器的设计，减少从曲轴箱通风管路进入燃烧室的机油消耗。