《汽车发动机原理（第5版）》 习题及答案 第7章 课后习题答案

第七章复习思考题1试分析内燃机增压的优势。答：增压具有以下优点：1）增压能够有效提高发动机的动力性和经济性能。2）增压可以使发动机在总质量和体积基本保持不变的情况下，输出功率得到大幅度的提高，升功率、比质量功率和比体积功率都有较大增加，因而可以降低单位功率的造价。3）增压柴油机一般采用较大的过量空气系数，HC、CO和碳烟排放降低。4）柴油机增压后，缸内温度和压力水平提高，可以使滞燃期缩短，有利于降低压力升高率和燃烧噪声。5）增压有利于高原稀薄空气条件下恢复功率，因此增压对补偿高原功率损失十分有利。2比较内燃机不同增压方式的结构和性能特点。答：根据压气机能量的来源分类，可以分为机械增压、气波增压、废气涡轮增压和复合增压：1）机械增压发动机输出轴直接驱动机械增压装置（如螺杆式、离心式、滑片式、涡旋式、转子活塞式等压缩机），实现对进气的压缩。机械增压的特点是响应速度快，缺点是要消耗发动机的部分功率。2）气波增压利用排气系统中的压力波动效应来压缩进气，如气波增压器（Comprex）。可变长度进气管可以直接利用进气压力波和气流惯性来增加缸内进气量，某种意义上也是一种气波增压。气波增压的特点是利用了废气能量，效率高。3）废气涡轮增压压气机与涡轮同轴相连，构成涡轮增压器，涡轮在内燃机排气能量的推动下旋转，带动压气机工作，实现进气增压。内燃机废气涡轮增压系统包含压气机、涡轮机、中冷器等部件。废气涡轮增压的特点是回收了原具有一定热能、压力能以及噪声的废气能量，缺点是在发动机起动和低速时响应性差、能量回收率差。4）复合增压复合增压将上述多种增压方式加以组合，以获得更好的增压效果。3分析废气涡轮增压系统的能量转化过程。答：发动机排气经过涡轮机后，废气的热能、压力能和动能转换成为涡轮机轴的机械能；涡轮机与压气机同轴，从而涡轮机的机械能传递给压气机；在压气机中，压气机的机械能转化为气体的压力能，从而提高新鲜气体的压力。4分析废气涡轮增压器中气体性能参数在压气机和涡轮机中的变化情况。答：空气在压气机中的流动时，整个变化过程如图7-4所示，并且有以下结论：1）通过压气机后，气体的压力升高，，达到增加气体压力的目的。气体压力升高，则密度增加，所以经过压气机压缩的气体进入发动机进气道后压力升高，进气密度增加，达到增压的目的。2），压气机出口的气体温度升高，不利于气体密度的提高，故需降低进入发动机进气道的气体温度，所以在压气机出口到发动机进气道间可加装中冷器，冷却气体。图7-4空气参数沿压气机通道的变化燃气在涡轮机中的流动时，由发动机排气管中排出的气体具有压力、温度、并以速度经进气蜗壳流入喷嘴环。在喷嘴环上均匀的安装了具有一定角度的叶片，这就使燃气经过叶片间的通道后更具有方向性，使气流更加均匀且有秩序的流入涡轮机工作轮。叶片间的通道面积是渐缩的，使部分压力势能转变为气体的动能，即气体的压力降低到,温度降低到，气体流动的速度增加到（见图7-11）。图7-11涡轮机中气流参数的变化由于气流在工作轮中是向心流动的，所以在工作轮叶片之间的通道也是呈渐缩的形状，气体在通道中继续膨胀，在工作轮出口处压力下降到，温度降低到，此时气体的绝对速度下降到，工作轮后气体的绝对速度远小于，这说明燃气在喷嘴中膨胀所获得的动能已大部分传给了工作轮。燃气离开工作轮时还具有一定的速度，即还有一部分动能未能在涡轮机中得到充分利用，这部分动能损失称为余速损失。5何谓压气机特性曲线？为什么要采用通用特性曲线？答：压气机流量特性指压气机的转速不变时，压气机增压比和绝热效率随空气流量的变化关系。将压气机不同转速的流量特性表示在同一幅图面上，并将效率线转换成等效率线，可得到压气机的特性曲线。压气机特性曲线中的参数（）都是在实验条件的外界大气状况下测得的。当大气状况变化时，这些参数以及由这些参数作出的压气机特性曲线也跟随变化。为了使实验曲线与实践应用一致，引进了相对的折合参数的概念，就是把实验测得的上述参数根据气流动力相似理论来换算成标准大气状况（标准大气压p=101.33kPa，标准大气温度T=293K）下的参数值。6分析废气涡轮增压器发生喘振的原因。答：从压气机特性曲线图7-7可以看出，随着空气流量的减小，初始阶段增压比增加，达到某一最大值以后，增压比便下降，当流量减小到低于一定数量时，压气机工作开始变得不稳定，流过压气机的气流开始出现强烈的脉动，引起压气机产生强烈的振动，并有可能导致压气机的破坏，这个现象称为压气机的喘振。7分析废气涡轮增压系统废气的利用方式，并进行比较。答：废气涡轮增压系统的两种基本型式是：1）恒压系统如图7-12a所示，这种增压系统的特点是涡轮前排气管内压力基本恒定。它把发动机所有气缸的排气管都连接于一根排气总管，而排气总管的截面尽可能做得粗。排气管实际上起了集气箱的作用，这时虽然各气缸的排气时间是岔开的，但是由于集气箱的稳压作用，因而排气总管内的压力振荡较小。a)b)图7-12涡轮增压系统的两种基本形式a)恒压系统b)变压系统2）变压系统（脉冲系统）如图7-12b所示，这种增压系统的特点是使排气管中的压力造成尽可能大的压力变动。为此，把涡轮增压器尽量靠近气缸，把排气管做得短而细，并且几个气缸（通常2缸或3缸）接一根排气管。这样在每一根排气管中就形成几个连续的互不干扰的排气脉冲波（或称排气压力波）进入废气涡轮机中。同时把涡轮的喷嘴环，根据排气管的数目分组隔开，使它们互不干扰。8分析恒压涡轮增压四冲程柴油机的理论示功图。答：恒压系统四冲程涡轮增压柴油机的理论示功图（见图7-13）说明了发动机废气能量的利用情况。图中是柴油机的吸气过程，进气压力为。是柴油机气缸中的压缩、燃烧、膨胀过程。由于废气涡轮的存在，排气背压为。面积为充量更换正功。图上为压缩进入柴油机气缸空气所需的能量。则为压缩扫气空气所需的能量（为扫气系数），故压气机消耗的总能量为。因为在废气涡轮增压柴油机中，压气机由涡轮驱动，而与柴油机无任何机械联系，因此压气机消耗的功率必须等于涡轮机发出的功率。图7-13四冲程增压柴油机的理论示功图排气阀开始打开时，气缸中燃气状态。如果让这些燃气在理想的内燃机或涡轮机中（所谓理想的内燃机或涡轮机指燃气在其中能实现等熵膨胀而不出现任何损失的理想动力机）完全膨胀到大气压力时，燃气所具有的作机械功的最大能力可在p－V图上以三角形面积表示之，即称此面积为废气拥有的可用能量。从物理概念上看，它实际上是代表了废气涡轮理论上有可能从废气中取得并用来作功的最大能量。恒压涡轮前的燃气参数以点表示。这是由于气缸中的燃气经过排气阀节流和排气管中不可逆的自由膨胀到所产生的结果。恒压涡轮的功以面积表示，面积为扫气空气在涡轮中所作的功，因此恒压涡轮的总功。涡轮所作功的能量来源由三部分组成的：1）面积是扫气空气提供的能量；2）面积是活塞强制推出废气所做的推出功，系发动机活塞所给予；3）真正自废气中取得的能量仅为面积，而废气拥有的可用能量为，因此，在恒压系统中面积的可用能量是损失掉了。9简述增压器匹配的原则以及工作范围的确定方法。答：为了使涡轮增压器与车用发动机能够良好地配合，使它们在各种工况下合理工作，首先是根据发动机的特定工况（如额定工况或最大转矩工况）确定其在压气机特性曲线上的位置（即根据发动机选用合适型号的增压器）；其次是要解决发动机在整个运行区与增压器实现良好的配合。每一种涡轮增压器都有确定的工作范围。在小流量范围，压气机受喘振限制；在大流量范围，压气机因效率下降过多，亦受到限制；在增压器的高速、高负荷范围内，可能由于废气能量过高，使涡轮增压器超过机械强度允许的转速，或者由于排气温度过高，超过了涡轮机叶片所能承受的温度，使涡轮增压器受到了超速或超温的限制。由此可以大致确定涡轮增压器的工作范围。10分析增压柴油机在结构上的变动。答：增大供油量、调整供油系；改变配气相位；减小压缩比、增大过量空气系数；设置分支排气管；冷却增压空气；其他改动部分。11分析增压柴油机的性能特点。答：低速转矩性能变化；加速性能变差；经济性有所改善；降低了排气污染及噪声；起动与制动有一定困难。12分析汽油机增压的困难和解决方案。答：汽油机增压的困难1）爆燃倾向增大增压使压缩终点及燃烧气体的温度与压力升高，致使爆燃的倾向增大。2）热负荷增高受爆燃限制，汽油机压缩比较低，因而燃烧的膨胀比亦低，致使排气温度较高；其次，因为汽油机混合气的浓度范围窄（），与柴油机相比，燃烧时的过量空气少，造成单位数量混合气的发热量大，再加上汽油机又不能用加大扫气来冷却受热零件。因此导致增压后的热负荷偏高。3）汽油机增压系统比柴油机复杂车用汽油机的转速和功率范围宽广，工况变化频繁，转矩储备大，这些在采用涡轮增压后，如不采取特殊措施，很难保证车用发动机的正常运转。4）存在着“反应滞后”现象非增压汽油机的加速性一般比柴油机好，但采用增压后，反应滞后的现象却比柴油机严重，因为增压器在进气系统中与进行负荷调节的节气门串接在一起，当节气门突然开启，要求混合气量迅速变化时，增压器供气往往跟不上，特别是从节气门关闭到全开，空气流量变化很大，也促使涡轮机的反应滞后。随着增压汽油机强化水平的提高，发动机加速性问题更加突出。完全消除增压后的“反应滞后”现象比较困难，但合理的结构可使反应滞后减小。汽油机增压系统的常用措施1）电控汽油喷射系统在增压汽油机上应用，成功地摆脱了增压器与化油器匹配的困难，为汽油机增压技术奠定了基础。通过电控技术的