发动机原理及构造热能答案.doc

2010/2011 学年 1 学期 发动机原理及构造（A） 试题标准答案拟 题 人： 王泽鹏 书写标准答案人： 王泽鹏 拟题学院（系）： 机电工程学院 适用专业： 热能工程081-3 （答案要注明各个要点的评分标准）一、名词术语解释。（共20分，每个2分）（1）排量: 发动机所有气缸工作容积之和(L)。设发动机的气缸数为i，则VL=iVh（2）燃烧室容积：活塞在上止点时，活塞上方的空间叫燃烧室，它的容积叫燃烧室容积(L)。（3）平均有效压力：单位气缸工作容积发出的有效功称为平均有效压力，记作 pme，单位为 MPa 。显然，平均有效压力越大，发动机的作功能力越强。（4）燃油消耗率：有效燃油消耗率：指单位有效功的耗油量。 通常以每千瓦小时的耗油量表示。g/(KWh) （5）冒烟界限：在内燃机的负荷特征曲线图中，持续增加gb，a进一步减小燃烧不完全，it降低较快，这是be的曲线随负荷的增加而不断的上升。当喷油量超过2点时，因a太小，燃烧恶化，排气冒黑烟，对这点的供油量称为“冒烟界限”。（6）进气迟后角 ：在进气冲程下止点过后，活塞重又上行一段，进气门才关闭。从下止点到进气门关闭所对应的曲轴转角称为进气迟后角(或晚关角)。进气迟后角用表示，一般为4080。（7）排气提前角：在作功行程的后期，活塞到达下止点前，排气门便开始开启。从排气门开始开启到下止点所对应的曲轴转角称为排气提前角(或早开角)。排气提前角用表示，一般为4080。（8）气门叠开角：由于进气门早开和排气门晚关，就出现了一段进排气门同时开启的现象，称为气门叠开。同时开启的角度，即进气门早开角与排气门晚关角的和(+)，称为气门叠开角。（9）发动机负荷特性: 负荷特性指转速不变时，内燃机的性能指标随负荷而变化的关系。当内燃机推动发电机、压气机和水泵时，就是按负荷特性工作的。必须改变内燃机的有效转矩在适应外界阻力的变化，保持内燃机的转速不变。（10）内燃机特性：内燃机特性是指内燃机综合性能的反应，它是内燃机的性能指标（动力性、经济性、运转性能等）随调整情况或运转情况而变化的关系。二、简答题。（共50分，每个10分）1、柴油发动机中柴油的燃烧过程？答：（2分）备燃期 （滞燃期）（2分） 从喷油开始开始着火燃烧为止。 喷入气缸中的雾状柴油并不能马上着火燃烧，气缸中的气体温度，虽然已高于柴油的自燃点，但柴油的温度不能马上升高到自燃点，要经过一段物理和化学的准备过程。也就是说，柴油在高温空气的影响下，吸收热量，温度升高，逐层蒸发而形成油气，向四周扩散并与空气均匀混合（物理变化）。 随着柴油温度升高，少量的柴油分子首先分解，并与空气中的氧分子进行化学反映，具备着火条件而着火，形成了火源中心，为燃烧作好了准备。这一时期很短，一般仅为0.00070.003 秒。速燃期 （2分）从燃烧开始气缸内出现时为止。火源中心已经形成，已准备好了的混合气迅速燃烧，在这一阶段由于喷入的柴油几乎同时着火燃烧，而且是在活塞接近上止点，气缸工作容积很小的情况下进行燃烧的，因此，气缸内的压力P迅速增加,温度升高很快。 缓燃期 （2分）从出现Pmax 出现 Tmax 为止。这一阶段喷油器继续喷油，由于燃烧室内的温度和压力都高，柴油的物理和化学准备时间很短，几乎是边喷射边燃烧。但因为气缸中氧气减少，废气增多，燃烧速度逐渐减慢，气缸容积增大。所以气缸内压力略有下降，温度达到最高值，通常喷油器已结束喷油。 后燃期 （2分）缓燃期以后的燃烧。 这一时期，虽然不喷油，但仍有一少部分柴油没有燃烧完，随着活塞下行继续燃烧。后燃期没有明显的界限，有时甚至延长到排气冲程还在燃烧。后燃期放出的热量不能充分利用来作功，很大一部分热量将通过缸壁散至冷却水中，或随废气排出，使发动机过热，排气温度升高，造成发动机动力性下降，经济性下降。 因此，要尽可能地缩短后燃期。2、调速器的作用及分类？答：调速器的作用： 当负荷改变时，自动地改变供油量的多少，维持稳定运转。对在良好的道路上行驶的汽车来说，多用于限制柴油机的最高转速nmax和保持稳定的最低转速nmin（怠速）。（1）限制最高转速：全负荷时，由于负荷的减小，转速将升高。当转速超过额定转速nmax时，调速器开始自动减油，使扭矩迅速减小，直到nT（停供转速）时即停止供油。nmax与nT差值一般不大于200r/min。 （2分）（2）保持平稳怠速：由于各种必然原因和偶然原因（水温、油温、机温、内部阻力、气门和喷嘴因积碳影响关闭不严或短暂停喷等），会引起起动力的变化，使怠速升高或降低。随转速的降低调速器自动加油，扭矩增加；又随转速的升高调速器自动减油，扭矩减小，使怠速保持稳定。 （2分）调速器的分类：（1）按工作原理（2分）机械式：结构简单，工作可靠，广泛应用于中小功率柴油机气动式：小功率柴油机 ，其作用转速会改变 液压式：结构复杂，制造精度高，工作稳定，应用于电站和低速大功率柴油机 电子式：调节精度高 （2）按转速范围（每个1分，共4分）两极式（两速调速器）此类调速器只控制最低及最高转速。在最低与最高转速之间，调速器不起作用，此时柴油机的工作转速是由驾驶员通过加速踏板直接操纵喷油泵油量调节机构来实现的。为一般条件下行驶的汽车柴油机所装用，以保持怠速运转稳定及防止高速运转时超速飞车。全程式（全速调速器）此类调速器不仅能控制柴油机的最低和最高转速，而且能控制从怠速到最高限制转速范围内任何转速下的喷油量，以维持柴油机在任一给定转速下稳定运转。单程式调速器： 用于恒定转速工矿柴油机，如发电机组。极限式调速器： 超速保护装置，限制柴油机的最高转速，应用于船舶主机和重要的中大功率柴油机3、内燃机的组成机构和系统功用？答：2大机构：曲柄连杆机构、配气机构；5大系统：供给系、点火系、冷却系、润滑系、起动系。曲柄连杆机构：曲柄连杆机构是发动机实现工作循环，完成能量转换的主要运动零件。它由机体组、活塞连杆组和曲轴飞轮组等组成。在作功行程中，活塞承受燃气压力在气缸内作直线运动，通过连杆转换成曲轴的旋转运动，并从曲轴对外输出动力。而在进气、压缩和排气行程中，飞轮释放能量又把曲轴的旋转运动转化成活塞的直线运动。 （2）配气机构：配气机构的功用是根据发动机的工作顺序和工作过程，定时开启和关闭进气门和排气门，使可燃混合气或空气进入气缸，并使废气从气缸内排出，实现换气过程。配气机构大多采用顶置气门式配气机构，一般由气门组、气门传动组和气门驱动组组成。 （2）供给系：汽油机燃料供给系的功用是根据发动机的要求，配制出一定数量和浓度的混合气，供入气缸，并将燃烧后的废气从气缸内排出到大气中去；柴油机燃料供给系的功用是把柴油和空气分别供入气缸，在燃烧室内形成混合气并燃烧，最后将燃烧后的废气排出。 （2）点火系统:在汽油机中，气缸内的可燃混合气是靠电火花点燃的，为此在汽油机的气缸盖上装有火花塞，火花塞头部伸入燃烧室内。能够按时在火花塞电极间产生电火花的全部设备称为点火系，点火系通常由蓄电池、发电机、分电器、点火线圈和火花塞等组成。 （1）冷却系统:冷却系的功用是将受热零件吸收的部分热量及时散发出去，保证发动机在最适宜的温度状态下工作。水冷发动机的冷却系通常由冷却水套、水泵、风扇、水箱、节温器等组成。 （1） 润滑系统:润滑系的功用是向作相对运动的零件表面输送定量的清洁润滑油，以实现液体摩擦，减小摩擦阻力，减轻机件的磨损。并对零件表面进行清洗和冷却。润滑系通常由润滑油道、机油泵、机油滤清器和一些阀门等组成。 （1）起动系统:要使发动机由静止状态过渡到工作状态，必须先用外力转动发动机的曲轴，使活塞作往复运动，气缸内的可燃混合气燃烧膨胀作功，推动活塞向下运动使曲轴旋转。发动机才能自行运转，工作循环才能自动进行。因此，曲轴在外力作用下开始转动到发动机开始自动地怠速运转的全过程，称为发动机的起动。完成起动过程所需的装置，称为发动机的起动系。 （1）4、进气门和排气门配气相位？答：（1）进气门的配气相位 进气提前角 （2分）在排气冲程接近终了，活塞到达上止点之前，进气门便开始开启。从进气门开始开启到上止点所对应的曲轴转角称为进气提前角(或早开角)。进气提前角用表示，一般为1030。 目的：进气门早开，使得活塞到达上止点开始向下运动时，因进气门已有一定开度，所以可较快地获得较大的进气通道截面，减少进气阻力。 进气迟后角 （3分）定义：在进气冲程下止点过后，活塞重又上行一段，进气门才关闭。从下止点到进气门关闭所对应的曲轴转角称为进气迟后角(或晚关角)。进气迟后角用表示，一般为4080。 目的： （a）利用压力差继续进气：活塞到达下止点时，由于进气阻力的影响，气缸内的压力仍低于大气压，进气门晚关，利用压力差可继续进气。 （b）利用进气惯性继续进气：活塞到达下止点时，进气气流还有相当大的惯性，进气门晚关，仍能继续进气。 下止点过后，随着活塞的上行，气缸内压力逐渐增大，进气气流速度也逐渐减小，至流速等于零时，进气门便关闭的角最适宜。若过大便会将进入气缸内的气体重新又压回进气管。进气门开启持续时间内的曲轴转角，即进气持续角为：+180+。 （2）排气门的配气相位 排气提前角 （2分）定义：在作功行程的后期，活塞到达下止点前，排气门便开始开启。从排气门开始开启到下止点所对应的曲轴转角称为排气提前角(或早开角)。排气提前角用表示，一般为4080。 目的： （a）利用气缸内的废气压力提前自由排气：恰当的排气门早开，气缸内还有大约300kPa500kPa的压力，作功作用已经不大，可利用此压力使气缸内的废气迅速地自由排出。 （b）减少排气消耗的功率：提前排气，等活塞到达下止点时，气缸内只剩约110kPa120kPa的压力，使排气冲程所消耗的功率大为减小。 （c）高温废气的早排，还可以防止发动机过热。 排气迟后角 （3分）定义：在活塞越过上止点后，排气门才关闭。从上止点到排气门关闭所对应的曲轴转角称为排气迟后角(或晚关角)。排气迟后角用表示，一般为1030。 目的： （a）利用缸内外压力差继续排气：活塞到达上止点时，气缸内的压力仍高于大气压，利用缸内外压力差可继续排气。 （b）利用惯性继续排气：活塞到达上止点时，废气气流有一定的惯性，利用惯性可继续排气。所以排气门适当晚关可使废气排得较干净。 气门开启持续时间内的曲轴转角，即排气持续角为+180+。5、涡流室式燃烧室和预燃室式燃烧室的特点？答：（1）涡流室式燃烧室 （5分）)整个燃烧室也是分为两部分 球型涡流室在气缸盖内；活塞上方为主燃烧室。涡流室容积占总燃烧室容积的5080，用一个和数个切向大面积通道相通。属于空间混合方式 。在压缩行程中，气缸内的空气被活塞推挤，经过通道进入涡流室，形成强烈地有组织的高速旋转运动（几百转/分）柴油喷入涡流室中，在空气涡流的作用下，形成较浓的混合气。部分混合气在涡流室中着火燃烧，已然与未然的混合气高速（经通道）喷入主燃烧室，借活塞顶部的双涡流凹坑，产生第二次涡流。促使进一步混合和燃烧。顺气流方向喷射，由于涡流运动促进了混合气的形成与燃烧，可采用较大孔径的喷油器，喷射压力也较低（1214MPa） 过量空气系数可较小涡流转速与曲轴转速近似成正比，对转速变化适应性好热损失较大，经济性较差（气流通过通道的阻力大，耗油率高），起动性能差. （2）预燃室式燃烧室 （5分）整个燃烧室分两部分，预燃室位于气缸盖内为总燃烧室容积的2540，活塞上方为主燃室。喷油嘴安装在预燃室中心线附近，为便于冷起动，多装有电热塞。大部分燃料是在主燃烧室中混合燃烧，是属于空间混合方式。 利用压缩紊流先预燃。利用强烈的燃烧涡流，促使完全燃烧。对喷油的雾化质量要求不高，可采用不易堵塞的大直径单孔喷嘴，喷油压力较低（8MPa12MPa），有适应大转速范围和不同着火性能燃料的能力。运转平顺，燃烧噪声小，但经济性较差。热损较大，起动性能差，必须加装电热塞。三、计算题。（共10分，每个10分）（1）某单缸四冲程汽油机，其燃烧室容积为70cm3，压缩比为7，活塞平均速度为6m/s，飞轮直径为35cm，飞轮圆周速度为50m/s，求这台汽油机的气缸直径和活塞行程。解： ， , （5分）即活塞行程为6.6cm。 （5分）四、根据图1和图2说明柴油机的负荷特性。（共20分，每个20分）itpmebeBam 图1柴油机负荷特性 图2 柴油机各基本参数随负荷变化曲线通过图1和图2可知：n=1800r/min的燃油消耗率be曲线的左端，Pe=0，柴油机空转，不对外做功，m=0，be趋向于无穷大。随着负荷和gb的增大，过量 a空气系数 下降， it略有下降，但是m由于随负荷的增加而有较大的增加，故itm仍有较大的增加，因而曲线be随负荷的增加而迅速的降低。当供油量增加到1点的位置时，对应itm乘积为最大值，be到达最低值。点1称为随负荷的增加而有较大的增大，故n=1800r/min时的最低耗油率点。 （5分）gb再继续增加， a进一步减小，燃烧因缺氧而恶化，不完全燃烧及后燃增加， 使it降低较快，虽然m仍有上升，但it下降的程度超过了m的上升程度，结果使乘积开始下降。因而这是得曲线随负荷的增加而不断的上升。 （3分）当喷油量超过2点时，因a太小，燃