《汽車發(fā)動機原理（第5版）》 習(xí)題及答案 第7章 課后習(xí)題答案

第七章復(fù)習(xí)思考題1試分析內(nèi)燃機增壓的優(yōu)勢。答：增壓具有以下優(yōu)點：1）增壓能夠有效提高發(fā)動機的動力性和經(jīng)濟性能。2）增壓可以使發(fā)動機在總質(zhì)量和體積基本保持不變的情況下，輸出功率得到大幅度的提高，升功率、比質(zhì)量功率和比體積功率都有較大增加，因而可以降低單位功率的造價。3）增壓柴油機一般采用較大的過量空氣系數(shù)，HC、CO和碳煙排放降低。4）柴油機增壓后，缸內(nèi)溫度和壓力水平提高，可以使滯燃期縮短，有利于降低壓力升高率和燃燒噪聲。5）增壓有利于高原稀薄空氣條件下恢復(fù)功率，因此增壓對補償高原功率損失十分有利。2比較內(nèi)燃機不同增壓方式的結(jié)構(gòu)和性能特點。答：根據(jù)壓氣機能量的來源分類，可以分為機械增壓、氣波增壓、廢氣渦輪增壓和復(fù)合增壓：1）機械增壓發(fā)動機輸出軸直接驅(qū)動機械增壓裝置（如螺桿式、離心式、滑片式、渦旋式、轉(zhuǎn)子活塞式等壓縮機），實現(xiàn)對進氣的壓縮。機械增壓的特點是響應(yīng)速度快，缺點是要消耗發(fā)動機的部分功率。2）氣波增壓利用排氣系統(tǒng)中的壓力波動效應(yīng)來壓縮進氣，如氣波增壓器（Comprex）。可變長度進氣管可以直接利用進氣壓力波和氣流慣性來增加缸內(nèi)進氣量，某種意義上也是一種氣波增壓。氣波增壓的特點是利用了廢氣能量，效率高。3）廢氣渦輪增壓壓氣機與渦輪同軸相連，構(gòu)成渦輪增壓器，渦輪在內(nèi)燃機排氣能量的推動下旋轉(zhuǎn)，帶動壓氣機工作，實現(xiàn)進氣增壓。內(nèi)燃機廢氣渦輪增壓系統(tǒng)包含壓氣機、渦輪機、中冷器等部件。廢氣渦輪增壓的特點是回收了原具有一定熱能、壓力能以及噪聲的廢氣能量，缺點是在發(fā)動機起動和低速時響應(yīng)性差、能量回收率差。4）復(fù)合增壓復(fù)合增壓將上述多種增壓方式加以組合，以獲得更好的增壓效果。3分析廢氣渦輪增壓系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)化過程。答：發(fā)動機排氣經(jīng)過渦輪機后，廢氣的熱能、壓力能和動能轉(zhuǎn)換成為渦輪機軸的機械能；渦輪機與壓氣機同軸，從而渦輪機的機械能傳遞給壓氣機；在壓氣機中，壓氣機的機械能轉(zhuǎn)化為氣體的壓力能，從而提高新鮮氣體的壓力。4分析廢氣渦輪增壓器中氣體性能參數(shù)在壓氣機和渦輪機中的變化情況。答：空氣在壓氣機中的流動時，整個變化過程如圖7-4所示，并且有以下結(jié)論：1）通過壓氣機后，氣體的壓力升高，，達到增加氣體壓力的目的。氣體壓力升高，則密度增加，所以經(jīng)過壓氣機壓縮的氣體進入發(fā)動機進氣道后壓力升高，進氣密度增加，達到增壓的目的。2），壓氣機出口的氣體溫度升高，不利于氣體密度的提高，故需降低進入發(fā)動機進氣道的氣體溫度，所以在壓氣機出口到發(fā)動機進氣道間可加裝中冷器，冷卻氣體。圖7-4空氣參數(shù)沿壓氣機通道的變化燃氣在渦輪機中的流動時，由發(fā)動機排氣管中排出的氣體具有壓力、溫度、并以速度經(jīng)進氣蝸殼流入噴嘴環(huán)。在噴嘴環(huán)上均勻的安裝了具有一定角度的葉片，這就使燃氣經(jīng)過葉片間的通道后更具有方向性，使氣流更加均勻且有秩序的流入渦輪機工作輪。葉片間的通道面積是漸縮的，使部分壓力勢能轉(zhuǎn)變?yōu)闅怏w的動能，即氣體的壓力降低到,溫度降低到，氣體流動的速度增加到（見圖7-11）。圖7-11渦輪機中氣流參數(shù)的變化由于氣流在工作輪中是向心流動的，所以在工作輪葉片之間的通道也是呈漸縮的形狀，氣體在通道中繼續(xù)膨脹，在工作輪出口處壓力下降到，溫度降低到，此時氣體的絕對速度下降到，工作輪后氣體的絕對速度遠小于，這說明燃氣在噴嘴中膨脹所獲得的動能已大部分傳給了工作輪。燃氣離開工作輪時還具有一定的速度，即還有一部分動能未能在渦輪機中得到充分利用，這部分動能損失稱為余速損失。5何謂壓氣機特性曲線？為什么要采用通用特性曲線？答：壓氣機流量特性指壓氣機的轉(zhuǎn)速不變時，壓氣機增壓比和絕熱效率隨空氣流量的變化關(guān)系。將壓氣機不同轉(zhuǎn)速的流量特性表示在同一幅圖面上，并將效率線轉(zhuǎn)換成等效率線，可得到壓氣機的特性曲線。壓氣機特性曲線中的參數(shù)（）都是在實驗條件的外界大氣狀況下測得的。當大氣狀況變化時，這些參數(shù)以及由這些參數(shù)作出的壓氣機特性曲線也跟隨變化。為了使實驗曲線與實踐應(yīng)用一致，引進了相對的折合參數(shù)的概念，就是把實驗測得的上述參數(shù)根據(jù)氣流動力相似理論來換算成標準大氣狀況（標準大氣壓p=101.33kPa，標準大氣溫度T=293K）下的參數(shù)值。6分析廢氣渦輪增壓器發(fā)生喘振的原因。答：從壓氣機特性曲線圖7-7可以看出，隨著空氣流量的減小，初始階段增壓比增加，達到某一最大值以后，增壓比便下降，當流量減小到低于一定數(shù)量時，壓氣機工作開始變得不穩(wěn)定，流過壓氣機的氣流開始出現(xiàn)強烈的脈動，引起壓氣機產(chǎn)生強烈的振動，并有可能導(dǎo)致壓氣機的破壞，這個現(xiàn)象稱為壓氣機的喘振。7分析廢氣渦輪增壓系統(tǒng)廢氣的利用方式，并進行比較。答：廢氣渦輪增壓系統(tǒng)的兩種基本型式是：1）恒壓系統(tǒng)如圖7-12a所示，這種增壓系統(tǒng)的特點是渦輪前排氣管內(nèi)壓力基本恒定。它把發(fā)動機所有氣缸的排氣管都連接于一根排氣總管，而排氣總管的截面盡可能做得粗。排氣管實際上起了集氣箱的作用，這時雖然各氣缸的排氣時間是岔開的，但是由于集氣箱的穩(wěn)壓作用，因而排氣總管內(nèi)的壓力振蕩較小。a)b)圖7-12渦輪增壓系統(tǒng)的兩種基本形式a)恒壓系統(tǒng)b)變壓系統(tǒng)2）變壓系統(tǒng)（脈沖系統(tǒng)）如圖7-12b所示，這種增壓系統(tǒng)的特點是使排氣管中的壓力造成盡可能大的壓力變動。為此，把渦輪增壓器盡量靠近氣缸，把排氣管做得短而細，并且?guī)讉€氣缸（通常2缸或3缸）接一根排氣管。這樣在每一根排氣管中就形成幾個連續(xù)的互不干擾的排氣脈沖波（或稱排氣壓力波）進入廢氣渦輪機中。同時把渦輪的噴嘴環(huán)，根據(jù)排氣管的數(shù)目分組隔開，使它們互不干擾。8分析恒壓渦輪增壓四沖程柴油機的理論示功圖。答：恒壓系統(tǒng)四沖程渦輪增壓柴油機的理論示功圖（見圖7-13）說明了發(fā)動機廢氣能量的利用情況。圖中是柴油機的吸氣過程，進氣壓力為。是柴油機氣缸中的壓縮、燃燒、膨脹過程。由于廢氣渦輪的存在，排氣背壓為。面積為充量更換正功。圖上為壓縮進入柴油機氣缸空氣所需的能量。則為壓縮掃氣空氣所需的能量（為掃氣系數(shù)），故壓氣機消耗的總能量為。因為在廢氣渦輪增壓柴油機中，壓氣機由渦輪驅(qū)動，而與柴油機無任何機械聯(lián)系，因此壓氣機消耗的功率必須等于渦輪機發(fā)出的功率。圖7-13四沖程增壓柴油機的理論示功圖排氣閥開始打開時，氣缸中燃氣狀態(tài)。如果讓這些燃氣在理想的內(nèi)燃機或渦輪機中（所謂理想的內(nèi)燃機或渦輪機指燃氣在其中能實現(xiàn)等熵膨脹而不出現(xiàn)任何損失的理想動力機）完全膨脹到大氣壓力時，燃氣所具有的作機械功的最大能力可在p－V圖上以三角形面積表示之，即稱此面積為廢氣擁有的可用能量。從物理概念上看，它實際上是代表了廢氣渦輪理論上有可能從廢氣中取得并用來作功的最大能量。恒壓渦輪前的燃氣參數(shù)以點表示。這是由于氣缸中的燃氣經(jīng)過排氣閥節(jié)流和排氣管中不可逆的自由膨脹到所產(chǎn)生的結(jié)果。恒壓渦輪的功以面積表示，面積為掃氣空氣在渦輪中所作的功，因此恒壓渦輪的總功。渦輪所作功的能量來源由三部分組成的：1）面積是掃氣空氣提供的能量；2）面積是活塞強制推出廢氣所做的推出功，系發(fā)動機活塞所給予；3）真正自廢氣中取得的能量僅為面積，而廢氣擁有的可用能量為，因此，在恒壓系統(tǒng)中面積的可用能量是損失掉了。9簡述增壓器匹配的原則以及工作范圍的確定方法。答：為了使渦輪增壓器與車用發(fā)動機能夠良好地配合，使它們在各種工況下合理工作，首先是根據(jù)發(fā)動機的特定工況（如額定工況或最大轉(zhuǎn)矩工況）確定其在壓氣機特性曲線上的位置（即根據(jù)發(fā)動機選用合適型號的增壓器）；其次是要解決發(fā)動機在整個運行區(qū)與增壓器實現(xiàn)良好的配合。每一種渦輪增壓器都有確定的工作范圍。在小流量范圍，壓氣機受喘振限制；在大流量范圍，壓氣機因效率下降過多，亦受到限制；在增壓器的高速、高負荷范圍內(nèi)，可能由于廢氣能量過高，使渦輪增壓器超過機械強度允許的轉(zhuǎn)速，或者由于排氣溫度過高，超過了渦輪機葉片所能承受的溫度，使渦輪增壓器受到了超速或超溫的限制。由此可以大致確定渦輪增壓器的工作范圍。10分析增壓柴油機在結(jié)構(gòu)上的變動。答：增大供油量、調(diào)整供油系；改變配氣相位；減小壓縮比、增大過量空氣系數(shù)；設(shè)置分支排氣管；冷卻增壓空氣；其他改動部分。11分析增壓柴油機的性能特點。答：低速轉(zhuǎn)矩性能變化；加速性能變差；經(jīng)濟性有所改善；降低了排氣污染及噪聲；起動與制動有一定困難。12分析汽油機增壓的困難和解決方案。答：汽油機增壓的困難1）爆燃傾向增大增壓使壓縮終點及燃燒氣體的溫度與壓力升高，致使爆燃的傾向增大。2）熱負荷增高受爆燃限制，汽油機壓縮比較低，因而燃燒的膨脹比亦低，致使排氣溫度較高；其次，因為汽油機混合氣的濃度范圍窄（），與柴油機相比，燃燒時的過量空氣少，造成單位數(shù)量混合氣的發(fā)熱量大，再加上汽油機又不能用加大掃氣來冷卻受熱零件。因此導(dǎo)致增壓后的熱負荷偏高。3）汽油機增壓系統(tǒng)比柴油機復(fù)雜車用汽油機的轉(zhuǎn)速和功率范圍寬廣，工況變化頻繁，轉(zhuǎn)矩儲備大，這些在采用渦輪增壓后，如不采取特殊措施，很難保證車用發(fā)動機的正常運轉(zhuǎn)。4）存在著“反應(yīng)滯后”現(xiàn)象非增壓汽油機的加速性一般比柴油機好，但采用增壓后，反應(yīng)滯后的現(xiàn)象卻比柴油機嚴重，因為增壓器在進氣系統(tǒng)中與進行負荷調(diào)節(jié)的節(jié)氣門串接在一起，當節(jié)氣門突然開啟，要求混合氣量迅速變化時，增壓器供氣往往跟不上，特別是從節(jié)氣門關(guān)閉到全開，空氣流量變化很大，也促使渦輪機的反應(yīng)滯后。隨著增壓汽油機強化水平的提高，發(fā)動機加速性問題更加突出。完全消除增壓后的“反應(yīng)滯后”現(xiàn)象比較困難，但合理的結(jié)構(gòu)可使反應(yīng)滯后減小。汽油機增壓系統(tǒng)的常用措施1）電控汽油噴射系統(tǒng)在增壓汽油機上應(yīng)用，成功地擺脫了增壓器與化油器匹配的困難，為汽油機增壓技術(shù)奠定了基礎(chǔ)。通過電控技術(shù)的