《汽車發(fā)動(dòng)機(jī)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(jī)增壓的優(yōu)勢(shì)。答：增壓具有以下優(yōu)點(diǎn)：1）增壓能夠有效提高發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性能。2）增壓可以使發(fā)動(dòng)機(jī)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(jià)。3）增壓柴油機(jī)一般采用較大的過(guò)量空氣系數(shù)，HC、CO和碳煙排放降低。4）柴油機(jī)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(duì)補(bǔ)償高原功率損失十分有利。2比較內(nèi)燃機(jī)不同增壓方式的結(jié)構(gòu)和性能特點(diǎn)。答：根據(jù)壓氣機(jī)能量的來(lái)源分類，可以分為機(jī)械增壓、氣波增壓、廢氣渦輪增壓和復(fù)合增壓：1）機(jī)械增壓發(fā)動(dòng)機(jī)輸出軸直接驅(qū)動(dòng)機(jī)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(jī)），實(shí)現(xiàn)對(duì)進(jìn)氣的壓縮。機(jī)械增壓的特點(diǎn)是響應(yīng)速度快，缺點(diǎn)是要消耗發(fā)動(dòng)機(jī)的部分功率。2）氣波增壓利用排氣系統(tǒng)中的壓力波動(dòng)效應(yīng)來(lái)壓縮進(jìn)氣，如氣波增壓器（Comprex）?？勺冮L(zhǎng)度進(jìn)氣管可以直接利用進(jìn)氣壓力波和氣流慣性來(lái)增加缸內(nèi)進(jìn)氣量，某種意義上也是一種氣波增壓。氣波增壓的特點(diǎn)是利用了廢氣能量，效率高。3）廢氣渦輪增壓壓氣機(jī)與渦輪同軸相連，構(gòu)成渦輪增壓器，渦輪在內(nèi)燃機(jī)排氣能量的推動(dòng)下旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)壓氣機(jī)工作，實(shí)現(xiàn)進(jìn)氣增壓。內(nèi)燃機(jī)廢氣渦輪增壓系統(tǒng)包含壓氣機(jī)、渦輪機(jī)、中冷器等部件。廢氣渦輪增壓的特點(diǎn)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(diǎn)是在發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)和低速時(shí)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(guò)程。答：發(fā)動(dòng)機(jī)排氣經(jīng)過(guò)渦輪機(jī)后，廢氣的熱能、壓力能和動(dòng)能轉(zhuǎn)換成為渦輪機(jī)軸的機(jī)械能；渦輪機(jī)與壓氣機(jī)同軸，從而渦輪機(jī)的機(jī)械能傳遞給壓氣機(jī)；在壓氣機(jī)中，壓氣機(jī)的機(jī)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(jī)和渦輪機(jī)中的變化情況。答：空氣在壓氣機(jī)中的流動(dòng)時(shí)，整個(gè)變化過(guò)程如圖7-4所示，并且有以下結(jié)論：1）通過(guò)壓氣機(jī)后，氣體的壓力升高，，達(dá)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(guò)壓氣機(jī)壓縮的氣體進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道后壓力升高，進(jìn)氣密度增加，達(dá)到增壓的目的。2），壓氣機(jī)出口的氣體溫度升高，不利于氣體密度的提高，故需降低進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道的氣體溫度，所以在壓氣機(jī)出口到發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)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(jī)通道的變化燃?xì)庠跍u輪機(jī)中的流動(dòng)時(shí)，由發(fā)動(dòng)機(jī)排氣管中排出的氣體具有壓力、溫度、并以速度經(jīng)進(jìn)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?xì)饨?jīng)過(guò)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(jī)工作輪。葉片間的通道面積是漸縮的，使部分壓力勢(shì)能轉(zhuǎn)變?yōu)闅怏w的動(dòng)能，即氣體的壓力降低到,溫度降低到，氣體流動(dòng)的速度增加到（見(jiàn)圖7-11）。圖7-11渦輪機(jī)中氣流參數(shù)的變化由于氣流在工作輪中是向心流動(dòng)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(shí)氣體的絕對(duì)速度下降到，工作輪后氣體的絕對(duì)速度遠(yuǎn)小于，這說(shuō)明燃?xì)庠趪娮熘信蛎浰@得的動(dòng)能已大部分傳給了工作輪。燃?xì)怆x開(kāi)工作輪時(shí)還具有一定的速度，即還有一部分動(dòng)能未能在渦輪機(jī)中得到充分利用，這部分動(dòng)能損失稱為余速損失。5何謂壓氣機(jī)特性曲線？為什么要采用通用特性曲線？答：壓氣機(jī)流量特性指壓氣機(jī)的轉(zhuǎn)速不變時(shí)，壓氣機(jī)增壓比和絕熱效率隨空氣流量的變化關(guān)系。將壓氣機(jī)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(jī)的特性曲線。壓氣機(jī)特性曲線中的參數(shù)（）都是在實(shí)驗(yàn)條件的外界大氣狀況下測(cè)得的。當(dāng)大氣狀況變化時(shí)，這些參數(shù)以及由這些參數(shù)作出的壓氣機(jī)特性曲線也跟隨變化。為了使實(shí)驗(yàn)曲線與實(shí)踐應(yīng)用一致，引進(jìn)了相對(duì)的折合參數(shù)的概念，就是把實(shí)驗(yàn)測(cè)得的上述參數(shù)根據(jù)氣流動(dòng)力相似理論來(lái)?yè)Q算成標(biāo)準(zhǔn)大氣狀況（標(biāo)準(zhǔn)大氣壓p=101.33kPa，標(biāo)準(zhǔn)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(jī)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(dá)到某一最大值以后，增壓比便下降，當(dāng)流量減小到低于一定數(shù)量時(shí)，壓氣機(jī)工作開(kāi)始變得不穩(wěn)定，流過(guò)壓氣機(jī)的氣流開(kāi)始出現(xiàn)強(qiáng)烈的脈動(dòng)，引起壓氣機(jī)產(chǎn)生強(qiáng)烈的振動(dòng)，并有可能導(dǎo)致壓氣機(jī)的破壞，這個(gè)現(xiàn)象稱為壓氣機(jī)的喘振。7分析廢氣渦輪增壓系統(tǒng)廢氣的利用方式，并進(jìn)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(diǎn)是渦輪前排氣管內(nèi)壓力基本恒定。它把發(fā)動(dòng)機(jī)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(shí)際上起了集氣箱的作用，這時(shí)雖然各氣缸的排氣時(shí)間是岔開(kāi)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(diǎn)是使排氣管中的壓力造成盡可能大的壓力變動(dòng)。為此，把渦輪增壓器盡量靠近氣缸，把排氣管做得短而細(xì)，并且?guī)讉€(gè)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(gè)連續(xù)的互不干擾的排氣脈沖波（或稱排氣壓力波）進(jìn)入廢氣渦輪機(jī)中。同時(shí)把渦輪的噴嘴環(huán)，根據(jù)排氣管的數(shù)目分組隔開(kāi)，使它們互不干擾。8分析恒壓渦輪增壓四沖程柴油機(jī)的理論示功圖。答：恒壓系統(tǒng)四沖程渦輪增壓柴油機(jī)的理論示功圖（見(jiàn)圖7-13）說(shuō)明了發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣能量的利用情況。圖中是柴油機(jī)的吸氣過(guò)程，進(jìn)氣壓力為。是柴油機(jī)氣缸中的壓縮、燃燒、膨脹過(guò)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(jìn)入柴油機(jī)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(jī)消耗的總能量為。因?yàn)樵趶U氣渦輪增壓柴油機(jī)中，壓氣機(jī)由渦輪驅(qū)動(dòng)，而與柴油機(jī)無(wú)任何機(jī)械聯(lián)系，因此壓氣機(jī)消耗的功率必須等于渦輪機(jī)發(fā)出的功率。圖7-13四沖程增壓柴油機(jī)的理論示功圖排氣閥開(kāi)始打開(kāi)時(shí)，氣缸中燃?xì)鉅顟B(tài)。如果讓這些燃?xì)庠诶硐氲膬?nèi)燃機(jī)或渦輪機(jī)中（所謂理想的內(nèi)燃機(jī)或渦輪機(jī)指燃?xì)庠谄渲心軐?shí)現(xiàn)等熵膨脹而不出現(xiàn)任何損失的理想動(dòng)力機(jī)）完全膨脹到大氣壓力時(shí)，燃?xì)馑哂械淖鳈C(jī)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(shí)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(lái)作功的最大能量。恒壓渦輪前的燃?xì)鈪?shù)以點(diǎn)表示。這是由于氣缸中的燃?xì)饨?jīng)過(guò)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(lái)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(qiáng)制推出廢氣所做的推出功，系發(fā)動(dòng)機(jī)活塞所給予；3）真正自廢氣中取得的能量?jī)H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(jiǎn)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(dòng)機(jī)能夠良好地配合，使它們?cè)诟鞣N工況下合理工作，首先是根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)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(jī)特性曲線上的位置（即根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)選用合適型號(hào)的增壓器）；其次是要解決發(fā)動(dòng)機(jī)在整個(gè)運(yùn)行區(qū)與增壓器實(shí)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(jī)受喘振限制；在大流量范圍，壓氣機(jī)因效率下降過(guò)多，亦受到限制；在增壓器的高速、高負(fù)荷范圍內(nèi)，可能由于廢氣能量過(guò)高，使渦輪增壓器超過(guò)機(jī)械強(qiáng)度允許的轉(zhuǎn)速，或者由于排氣溫度過(guò)高，超過(guò)了渦輪機(jī)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(jī)在結(jié)構(gòu)上的變動(dòng)。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(guò)量空氣系數(shù)；設(shè)置分支排氣管；冷卻增壓空氣；其他改動(dòng)部分。11分析增壓柴油機(jī)的性能特點(diǎn)。答：低速轉(zhuǎn)矩性能變化；加速性能變差；經(jīng)濟(jì)性有所改善；降低了排氣污染及噪聲；起動(dòng)與制動(dòng)有一定困難。12分析汽油機(jī)增壓的困難和解決方案。答：汽油機(jī)增壓的困難1）爆燃傾向增大增壓使壓縮終點(diǎn)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(fù)荷增高受爆燃限制，汽油機(jī)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?yàn)槠蜋C(jī)混合氣的濃度范圍窄（），與柴油機(jī)相比，燃燒時(shí)的過(guò)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(jī)又不能用加大掃氣來(lái)冷卻受熱零件。因此導(dǎo)致增壓后的熱負(fù)荷偏高。3）汽油機(jī)增壓系統(tǒng)比柴油機(jī)復(fù)雜車用汽油機(jī)的轉(zhuǎn)速和功率范圍寬廣，工況變化頻繁，轉(zhuǎn)矩儲(chǔ)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(dòng)機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。4）存在著“反應(yīng)滯后”現(xiàn)象非增壓汽油機(jī)的加速性一般比柴油機(jī)好，但采用增壓后，反應(yīng)滯后的現(xiàn)象卻比柴油機(jī)嚴(yán)重，因?yàn)樵鰤浩髟谶M(jìn)氣系統(tǒng)中與進(jìn)行負(fù)荷調(diào)節(jié)的節(jié)氣門串接在一起，當(dāng)節(jié)氣門突然開(kāi)啟，要求混合氣量迅速變化時(shí)，增壓器供氣往往跟不上，特別是從節(jié)氣門關(guān)閉到全開(kāi)，空氣流量變化很大，也促使渦輪機(jī)的反應(yīng)滯后。隨著增壓汽油機(jī)強(qiáng)化水平的提高，發(fā)動(dòng)機(jī)加速性問(wèn)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(jī)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(jī)上應(yīng)用，成功地?cái)[脫了增壓器與化油器匹配的困難，為汽油機(jī)增壓技術(shù)奠定了基礎(chǔ)。通過(guò)電控技術(shù)的