《內(nèi)燃機學(xué) 第5版》 -劉圣華 練習(xí)題及解答 第5章

PAGE17PAGE《內(nèi)燃機學(xué)》第五章53.何謂進氣渦流？進氣渦流是指在進氣過程中形成的繞氣缸軸線有組織的氣流運動。54.進氣渦流是如何形成的？切向氣道形狀比較平直，在氣門座前收縮，以提高氣流速度并引導(dǎo)進氣以氣道方向進入氣缸，再在氣缸套壁面的導(dǎo)流作用下，形成繞氣缸軸線的進氣渦流。螺旋氣道是將氣門上方的進氣道做成螺旋形狀，使氣流在此螺旋氣道內(nèi)就具有一定的繞氣門中心的動量矩。具有一定動量矩的進氣進入氣缸后，進氣旋渦不斷向外擴展，到1.5~2倍缸徑處形成繞氣缸軸線旋轉(zhuǎn)的渦流運動。55.影響進氣渦流大小的主要因素是什么？是進氣道形狀和發(fā)動機轉(zhuǎn)速。56.進氣渦流對燃燒過程的影響有哪幾個方面？進氣渦流可以持續(xù)到燃燒膨脹過程，因而對：燃油噴射霧化及其與空氣的混合產(chǎn)生重要的影響；對擴散燃燒過程有重要的影響；對柴油機的排放有重要的影響；對傳熱有主要的影響57.實際柴油機中進氣渦流的組織方法有哪幾種？柴油機的進氣道有直氣道、螺旋氣道和切向氣道三種，用于組織進氣渦流的氣道是螺旋氣道和切向氣道。在4氣門結(jié)構(gòu)的柴油機中，一般使用螺旋氣道在前切向氣道在后的方式產(chǎn)生進氣渦流。58.氣道的評定有哪些方法？穩(wěn)流氣道試驗臺的方法和發(fā)動機的性能試驗。59.穩(wěn)流氣道試驗評價的參數(shù)有哪些？通過一定壓差條件下，在不同的氣門升程下測量進氣流量和渦輪葉片轉(zhuǎn)速或進氣的角動量矩，計算試驗氣道的流量系數(shù)和渦流比，反映了氣道的流動阻力和渦流的成能力。60.何謂擠流？在發(fā)動機的壓縮過程后期，活塞表面的某一部分和氣缸蓋底面彼此靠近時所產(chǎn)生的徑向或橫向氣流運動稱為擠流。61.何謂逆擠流？與擠流相反，當(dāng)活塞下行時，燃燒室中的氣體產(chǎn)生向外的膨脹流動稱為逆擠流。62.影響擠流大小因素有哪些？主要由擠氣面積和擠氣間隙的大小決定。63.內(nèi)燃機中擠流有何作用？柴油機的燃燒室一般加工在活塞頂內(nèi),在活塞的壓縮行程后期，大量氣體被壓入燃燒室內(nèi)，形成強度較高的壓縮擠流，這有利于油束的擴散與混合。而當(dāng)活塞通過上止點下行后，逆擠流則幫助燃燒室內(nèi)的混合氣流出，進一步促進了與空氣的混合和燃燒?，F(xiàn)代汽油機多采用蓬頂形的燃燒室，通常采用較弱的擠流運動來增強燃燒室內(nèi)的湍流強度，促進混合氣的快速燃燒。汽油機更加重視滾流破碎的方式，提高燃燒過程的湍流強度，促進缸內(nèi)燃燒過程。64.試說明內(nèi)燃機缸內(nèi)氣體湍流能量耗散過程。內(nèi)燃機在進氣過程中，進氣射流在燃燒室壁面的作用下形成氣缸直徑相當(dāng)?shù)拇蟪叨蠕鰷u，大尺度的漩渦破裂后形成小尺度漩渦。大尺度的旋渦不斷地從主流獲得能量，通過漩渦間的相互作用，能量逐漸向小的漩渦傳遞，最終在流體粘性的作用，隨著小尺度渦的不斷消失而耗散。在燃燒室壁面邊界作用、燃燒擾動及速度梯度等作用下，又不斷產(chǎn)生新的小尺度的渦。65.汽油機混合氣空燃比是如何確定的？為了獲得良好的運轉(zhuǎn)特性，發(fā)動機的空燃比在怠速工況時應(yīng)控制在10~12，在中低負(fù)荷運行時的經(jīng)濟混合氣的空燃比在16~17，而當(dāng)發(fā)動機在進氣門接近全開時，為保證動力性，應(yīng)該提供空燃比在12~14的功率混合氣。但是，為使燃用均質(zhì)混合氣的車用汽油機的排放達(dá)標(biāo)，必須使用三效催化轉(zhuǎn)化器對排氣中的CO、HC和NOx進行催化轉(zhuǎn)化，需要在絕大部分工況下控制混合氣的空燃比在化學(xué)計量比附近。66.汽油噴油器的選擇原則是什么？對于某一噴油器而言，其噴孔流通面積和流通特性是一定的，當(dāng)加在噴孔前后的壓差一定時，其最小和最大供油量應(yīng)滿足發(fā)動機的使用工況要求，且通常二者之比為1:10。為了保證各缸的均勻性，噴嘴的穩(wěn)態(tài)噴油量誤差應(yīng)該控制在1%以內(nèi)。67.簡要描述汽油機氧傳感器的工作原理。常用的窄域氧傳感器有氧化鋯式和氧化鈦式兩種。氧化鋯式氧傳感器利用與空氣導(dǎo)通的內(nèi)側(cè)與接觸排氣的外側(cè)氧離子濃度差產(chǎn)生的電池電壓測量混合氣的濃度。在溫度超過300℃時，混合氣稍濃時氧傳感器產(chǎn)生約800mV的高電壓信號，當(dāng)混合氣稍稀時產(chǎn)生約100mV的低電壓信號，平均值約450mV。半導(dǎo)體型氧化鈦式氧傳感器的工作原理，其在高溫富養(yǎng)時呈電阻狀態(tài)，貧氧時呈低電阻導(dǎo)通狀態(tài)。通過一個2V的穩(wěn)壓電路設(shè)計，可產(chǎn)生同氧化鋯式氧傳感器相當(dāng)?shù)碾妷禾匦暂敵觥?8.汽油機為何要進行空燃比的閉環(huán)控制？為滿足排放控制的要求，現(xiàn)代汽車普遍在發(fā)動機排氣總管后加裝三效催化轉(zhuǎn)化器。三效催化轉(zhuǎn)化器是在化學(xué)計量空燃比為中心的某一狹小范圍內(nèi)同時使CO、HC氧化和NOx還原的高效凈化裝置。因此使用三效催化轉(zhuǎn)換器時，必須在盡可能多的工況下，精確控制空燃比在化學(xué)計量空燃比附近很窄的范圍內(nèi)。無論是基于模型還是基于MAP控制的發(fā)動機空燃比，由于各種誤差的存在，69.試比較低壓氣道噴射和高壓缸內(nèi)直噴的優(yōu)缺點。汽油機氣道噴射存在噴射壓力低、壁面油膜等，不利于發(fā)動機的瞬態(tài)過程控制。結(jié)構(gòu)簡單，成本低。采用汽油缸內(nèi)直噴就是將汽油以較高的壓力(10～20MPa)直接噴入氣缸，借助高壓噴射霧化以及缸內(nèi)空氣運動形成可燃混合氣，具有響應(yīng)迅速，冷起動性能好等優(yōu)點。燃油系統(tǒng)復(fù)雜，成本高，易產(chǎn)生顆粒排放。70.常見的汽油分層燃燒系統(tǒng)有哪幾種組織方式？按照混合氣形成特點可以分為噴霧主導(dǎo)型、噴霧配合燃燒室壁面形狀的壁面導(dǎo)流型和空氣導(dǎo)流型三類。71.何謂著火界限？在一定的溫度、壓力及散熱程度下，存在著一個著火濃度界限，過濃的混合氣由于缺乏氧氣燃燒不完全，放熱量少，過稀的混合氣因其熱值低，放出的熱量少，因而均不能形成火焰?zhèn)鞑?。要使混合氣正常著火燃燒，必須保證混合氣濃度在稀限與濃限之間，這兩個混合氣濃度界限稱為著火界限。72.火花點火的火核生成哪個階段？火花點火過程可以分為擊穿階段、電弧階段和輝光放電三個階段?；鹧?zhèn)鞑ラ_始于電弧階段。73.何謂層流火焰?zhèn)鞑ニ俣?？假定在一絕熱圓管內(nèi)，可燃混合氣以SL的速度流動，能夠使與管子軸線垂直平面狀的火焰前鋒面固定不動，這個氣流速度SL就是層流火焰?zhèn)鞑ニ俣取?4.簡述R-W計算汽油機放熱規(guī)律的方法。按照一定的曲軸轉(zhuǎn)角間隔利用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集氣缸壓力，壓力升高是由活塞運動導(dǎo)致氣缸容積改變而引起的壓力變化和缸內(nèi)氣體燃燒引起的壓力升高組成。通過計算間隔內(nèi)的活塞運動導(dǎo)致的氣缸容積改變而引起的壓力變化，從而確定由燃燒引起的壓力升高，并假定與它與燃料燃燒量成正比。這樣，累積整個燃燒期內(nèi)各計算間隔的已燃燃料質(zhì)量，就可以求出已燃質(zhì)量分?jǐn)?shù)的燃燒放熱規(guī)律75.汽油機缸內(nèi)燃燒過程各階段是如何劃分的？汽油機缸內(nèi)的燃燒過程劃分為0~10%的火焰發(fā)展期，10%~90%的快速燃燒期和90%以后的后燃期三個階段。76.何謂汽油機燃燒過程的火焰發(fā)展期？火焰發(fā)展期是指從火花塞跳火到形成火焰中心這一時間階段或曲軸轉(zhuǎn)角。在電弧階段火焰?zhèn)鞑ルm然已經(jīng)開始，但此時的火焰?zhèn)鞑ゲ⒉环€(wěn)定，受點火能量影響也比較大，且放熱對缸內(nèi)壓力幾乎沒有影響。只有當(dāng)火核增大到一定程度，燃燒了相當(dāng)數(shù)量的混合氣后，缸內(nèi)壓力才能出現(xiàn)與倒拖壓力線明顯的改變，一般將10%已燃質(zhì)量所對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角作為火焰發(fā)展期的終點。77.如何調(diào)節(jié)汽油機燃燒過程的火焰發(fā)展期？火焰發(fā)展期是由點火提前角來調(diào)整的。78.快速燃燒期結(jié)束的標(biāo)志是什么快速燃燒期是指10%到90%混合氣燃燒所對應(yīng)的時間或曲軸轉(zhuǎn)角。火焰?zhèn)鞅檎麄€燃燒室，放熱率驟然下降為快速燃燒期結(jié)束的標(biāo)志。79.何謂汽油機的點火提前角特性？保持汽油機節(jié)氣門開度、轉(zhuǎn)速以及混合氣濃度一定，發(fā)動機的功率、燃油消耗率等隨點火提前角的變化稱為汽油機點火提前特性。80.何謂最佳點火提前角？對于發(fā)動機每一工況，都存在一個最小的點火提前角，使發(fā)動機功率最大，燃油消耗率最低，而不發(fā)生嚴(yán)重的爆震，這個點火提前角稱為最佳點火提前角（minimumadvanceforbesttorque，MBT）81.試分析發(fā)動機轉(zhuǎn)速對點火提前角的影響？在節(jié)氣門開度一定的條件下，當(dāng)轉(zhuǎn)速增加時，氣缸中湍流增加，火焰?zhèn)鞑ニ俾蚀篌w與轉(zhuǎn)速成正比例增加，因而以曲軸轉(zhuǎn)角計的快速燃燒期變化不大。轉(zhuǎn)速升高使進排氣流動阻力增加，導(dǎo)致缸內(nèi)混合氣殘余廢氣系數(shù)增加，使火焰發(fā)展期變長，因此需要隨轉(zhuǎn)速的升高適當(dāng)增大點火提前角。82.試分析發(fā)動機負(fù)荷對對點火提前角的影響？汽油機是通過改變節(jié)氣門開度，調(diào)節(jié)進入氣缸的混合氣量來滿足不同的轉(zhuǎn)矩需求。當(dāng)節(jié)氣門關(guān)小時，充量系數(shù)下降，使殘余廢氣系數(shù)增加，火焰發(fā)展期增加，此時由于火焰?zhèn)鞑ニ俾氏陆?，還使得燃燒持續(xù)期延長，因此當(dāng)發(fā)動機轉(zhuǎn)速一定時，隨著負(fù)荷的減小，最佳點火正時要提前。83.何謂汽油機的循環(huán)變動？采集點燃式發(fā)動機的缸內(nèi)壓力可以發(fā)現(xiàn)，即使是在穩(wěn)定工況下運行，連續(xù)的不同循環(huán)之間及多缸機不同氣缸之間的缸內(nèi)壓力時間歷程各不相同，這一現(xiàn)象稱為點燃式發(fā)動機的循環(huán)變動。84.循環(huán)變動產(chǎn)生的原因是什么？可以細(xì)分為以下3個方面的原因：1)氣缸內(nèi)氣體運動狀況的循環(huán)變動。在進氣過程中形成的不同尺度的湍流是不規(guī)則的，特別是在湍流火焰?zhèn)鞑ミ^程，火焰前鋒面的不穩(wěn)定性進一步促進了缸內(nèi)氣體湍流運動強度的變化，使火焰向整個燃燒室發(fā)展的進程以及燃燒速率等隨之發(fā)生較大變動。2)氣缸內(nèi)混合氣成分和量的循環(huán)變動。由于發(fā)動機高速運行，空氣、燃料、EGR和殘余廢氣不可能在每一缸的每一循環(huán)都相同，由此造成燃燒過程的循環(huán)變動。3）火核形成及燃燒過程的循環(huán)變動。氣缸內(nèi)必然存在混合氣成分的不均勻，使點火時刻火花塞電極間隙附近混合氣成分不同，影響到早期火焰中心的形成和后期的火焰發(fā)展傳播，造成循環(huán)變動。85.循環(huán)變動對點燃式發(fā)動機性能的不利影響有哪些？1）即使是最佳點火正時，也不保證對每個循環(huán)均是最佳，因此影響發(fā)動機的動力性和經(jīng)濟性等性能。2）潛在的影響發(fā)動機的壓縮比和燃料辛烷值的選用。循環(huán)變動極端情況下，如燃燒速度快的早火循環(huán)，有可能導(dǎo)致爆震等不正常燃燒的發(fā)生，發(fā)動機因此必須選用較低的壓縮比或提高使用燃料的辛烷值。相反的，對于燃燒速度慢的晚火循環(huán)，則影響發(fā)動機的EGR率或稀燃空燃比的設(shè)計等。3）循環(huán)變動還易導(dǎo)致較高的排氣污染。對于燃燒快的循環(huán)，將增加NOx排放，而對于燃燒慢的循環(huán)，將增加HC和CO的排放。4）循環(huán)變動使發(fā)動機的轉(zhuǎn)速和輸出轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生波動，使車輛的驅(qū)動性能變差。86.何謂汽油機的爆震燃燒？一定空燃比的混合氣在超過某一溫度后，經(jīng)過一段時間的感應(yīng)期后，活化分子的積累使反應(yīng)速度加快，就會產(chǎn)生自燃。汽油機的爆震燃燒是一部分末端混合氣在正常傳播的火焰前鋒達(dá)到之前發(fā)生的自燃。87.汽油機的爆震燃燒有什么特征？氣缸壓力高頻大幅波動。自燃的火焰?zhèn)鞑ニ俣群芨?，火焰前鋒形狀變化急劇?？焖僮匀嫉娜紵艧釋?dǎo)致局部溫度和壓力的陡升，產(chǎn)生沖擊波，并進一步促進了末端混合氣的自燃。沖擊波在燃燒室內(nèi)傳播、反射，導(dǎo)致了缸內(nèi)壓力的大幅波動，同時產(chǎn)生了如同金屬敲擊般的聲音，故汽油機爆震燃燒被形象的稱為敲缸。88.爆震燃燒對發(fā)動機有哪些危害？（1）發(fā)動機功率下降，運轉(zhuǎn)不穩(wěn)。雖然在輕微爆燃時，快速燃燒期縮短，燃燒過程的定容度提高，使發(fā)動機功率和效率略有提高，但當(dāng)發(fā)生強烈爆燃時，沖擊波造成的壓力震蕩并不對外發(fā)出功率，反而使發(fā)動機功率下降，工作不穩(wěn)。（2）發(fā)動機溫度升高，冷卻損失增加。爆震時產(chǎn)生的壓力波對燃燒室表面的附面層造成了破壞，使傳熱量激增，這樣一方面是發(fā)動機的零部件的溫度水平，另一方面還使大量的熱量從壁面流向冷卻系統(tǒng)，造成冷卻系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)和帶走的熱量增加。潤滑系統(tǒng)的過熱、部零件因溫升變形過大，將導(dǎo)致運動件磨損加劇。（3）發(fā)動機內(nèi)部零部件的損毀。爆震燃燒使氣缸蓋、活塞頂面處邊界層破壞，傳熱增加，零部件的溫度上升，局部過熱和爆震燃燒相互促進，最終導(dǎo)致輕合金的氣缸蓋、活塞的破壞。（4）發(fā)動機內(nèi)部積炭和排放的增加。爆震燃燒時的溫度很高，引起燃料和燃燒產(chǎn)物加速離解，排氣因為顆粒析出而呈現(xiàn)黑煙狀，缸內(nèi)形成積碳等。89.如何控制汽油機的爆震燃燒？發(fā)動機的壓縮比；燃燒室形狀；火花塞位置；氣道結(jié)構(gòu)及滾流性能；氣缸蓋的冷卻；燃料的辛烷值；發(fā)動機運行過程中點火提前角的控制90.何謂汽油機的低速早燃爆震？汽油機高增壓及提高壓縮比后，在低速高負(fù)荷工況下，混合氣在火花點火之前發(fā)生自燃燃燒，產(chǎn)生了比末端混合氣自燃形成的爆震更高的爆震燃燒現(xiàn)象。由于峰值壓力甚至可超過40MPa，壓力震蕩幅度可超過20MPa,因此也有叫做超級爆震。91.低速早燃爆震燃燒有什么特點？（1） 早燃爆震和正常燃燒循環(huán)之間的轉(zhuǎn)換沒有先兆，是隨機的；（2） 早燃爆震循環(huán)壓力過程也是不相同的，沒有重復(fù)性；（3） 早燃爆震循環(huán)次數(shù)及間隔沒有規(guī)律，通常是一次出現(xiàn)，則可能間隔著連續(xù)出現(xiàn)數(shù)次，總的頻率在萬分之幾。92.低速早燃爆震產(chǎn)生的原因是什么？（1）燃燒室內(nèi)的熾熱點；（2）通過油環(huán)上竄的潤滑油；（3）燃燒室沉積物；（4）汽油噴霧飛濺到缸套上的燃油。93.油滴著火需要什么條件？1)形成的燃料蒸氣與空氣的比例要在著火界限內(nèi)。2)可燃混合氣溫度必須達(dá)到某一臨界溫度。94.柴油機中燃料的自燃著火溫度與十六烷值有什么關(guān)系？通常把燃料不用外部點燃而能自己著火的最低溫度稱為自燃溫度。壓燃式內(nèi)燃機燃料的著火特性用十六烷值來定義。當(dāng)十六烷值小于50時,自燃溫度隨十六烷值降低陡然上升,表明燃料的自燃性能明顯變差；另一方面,當(dāng)十六烷值大于50時,隨著十六烷值增加,自燃溫度降低程很少。因此，現(xiàn)在柴油燃料的十六烷值要求在50左右。95.試述柴油機噴霧油束著火過程。自然吸氣柴油機正常工作時，燃料的噴射溫度大約60℃，而缸內(nèi)的空氣在壓縮上止點時的狀態(tài)大致為壓力4.5MPa、溫度700℃、密度16kg/m3。低溫燃油噴入高溫空氣環(huán)境后（ASI：afterstartofinjection），隨著油束射程的增加，越來越多的熱空氣被卷吸進入，燃油被加熱蒸發(fā)，形成一個蒸汽/空氣混合物的外鞘，包圍在油束的外圍。熱空氣的卷入使燃油蒸發(fā)，油束達(dá)到一個有限的