《内燃机学》课程作业习题（含答案）第四章 内燃机的换气过程

第四章习题与答案1.进气涡流、滚流、挤流和流在内燃机混合气形成与燃烧中的作用是什么？其在缸内是如何形成的？答：进气涡流、滚流、挤流和流，可以提高混合气形成速度，极大地提高燃烧速度。渴流：内燃机普遍采用了专门设计的进气道，使空气在吸入气缸时，能产生绕气缸轴线旋转的进气涡流。在四冲程内燃机中，进气涡流的形成主要有三种：导气屏、切向进气道、螺旋进气道。在直流扫气的二冲程内燃机中，只要把扫气口在平面内布置成一定的倾斜度，就能利用扫气流本身的运动形成涡流。滚流：内燃机进气过程中形成的一种宏观大尺度涡旋，利用流过进气门上、下缘间隙处的气体速度的不均匀产生的旋转气流运动。挤流：对于口径比较小的深坑形燃烧室来说，即使没有进气涡流的情况下也会因活塞顶上部环形空气被挤入燃烧室凹坑内而产生空气流动。这种流动称为挤流。温流：端流只有在高速流动（即大雷诺数）的情况下才能产生。瑞流的基本特征是具有随机性质的涡流（又称微涡流）结构，以及这些微涡旋在流体内部的随机运动，因此，流能引起相邻流体层间的动量、温度、浓度等的交换和脉动，这有利于加速燃烧过程的进程。2.影响点火提前角的因素有哪些？说明汽油机点火的特点以及对汽油机点火的一般要求。答：最佳点火提前角与汽油机的转速、负荷、燃烧室结构、燃料品质、点火能量、空燃比混合气的压力和温度、残余废气系数、点火装置特性以及火花塞电极间隙等因素相关，其中转速、负荷是两个主要的影响因素。汽油机点火的特点：采用强制点燃方式，即靠外部能源在可燃混合气的局部区域首先形成着火条件。在实际汽油机上，是利用电极间瞬时产生的高压电火花，将气缸中被压缩的混合气点燃。汽油机点火的一般要求：不论是化油器式汽油机还是电控喷射汽油机，都希望能提高点火能量，延长点火时间，且最好火源离散，以期能迅速形成势头强劲的火焰核心。3.汽油机产生爆燃的主要原因有哪些？发生爆然后，汽油机会出现什么现象？答：火花塞点火后，离火花塞较远的末端混合气，在正常火焰锋面到达前，其锋前反应已完成而发生自燃，引起爆炸性燃烧，产生金属敲击声则称之为爆燃。汽油机产生爆燃的主要原因有：燃料的辛烷值较低、点火提前角不合适、转速太低或负荷太大。压缩比太大等。汽油机爆燃时，接近等容燃烧，局部压力和温度骤然上升，造成气缸内各处压力的分布不平衡，从而形成压力脉冲（暴燃波），在燃烧室内波动，每循环燃烧过程中爆燃波要在燃烧室内波动10～20次，从而引起零件的高频振动，发出金属振声。当爆燃较为轻微时，引起的自燃混合气量少，不足以产生零件的金属敲击声。4.汽油机分层燃烧系统有哪几种类型？它们共同的设计原则是什么？答：按燃烧室的型式划分，有分隔式和统一式燃烧室两种。按供油方式划分，有化油器供油和油泵供油两种。它们共同的设计原则是：分层充气燃烧系统的特点，即在火花塞附近形成具有良好点火条件

的较浓混合气，其空燃比AF=12～13，a=0.81～0.88：而在其余大部分区域混合气较稀，空燃比AF可达20以上，：a可达1.35以上。在火花塞附近形成具有良好点火条件的较浓的混合气，其余大部分区域混合气较稀。充分利用稀混合燃烧技术的优点，这种由浓到稀的混合气非均匀分布，既容易形成火焰中心，又能使火焰迅速传播。5.柴油机工作粗暴与汽油机的爆燃有何区别？可采用哪些措施予以克服？答：柴油机的工作粗暴同汽油机的爆燃现象在燃烧本质上是一致的，均为可燃混合气自燃的结果。但发生的时间和缸内状态互有差异。柴油机的工作粗暴性发生于急燃期始点，虽然（△p/△Φ）高，但缸内压力分布仍是均匀的：而汽油机的爆燃发生于急燃期的终点，缸内的压力分布不平衡，有压力波冲击现象。克服柴油机工作粗暴的措施：缩短滞燃期，降低喷油提前角，减少滞燃期内的喷油量和形成的可燃混合气数量。克服汽油机爆燃的主要措施：1）缩短火焰传播距离r、提高火焰传播速度2）降低末端混合气温度、增加末端混合气中残余废气的含量，使末端混合气过浓或过稀3）当压缩比一定时，选用合适牌号的汽油。6.比较烃燃料着火过程中的主要特征参数（如自由基、火焰光色、生成物和诱导期等），说明柴油机三阶段着火过程之间的主要区别是什么？答：在烃燃料着火过程中，先由燃料分子与氧分子接触发生不完全氧化，产生活性较大的烃基（R），再进一步氧化成活性较大的过氧烃基（ROO）。过氧基在高温低浓度区易反应产生过氧化物（ROOH），而在低温高浓度区易反应产生甲醛（HCHO）。当反应物中积累了大量处于激发态的甲醛分子，或过氧化物达到临界浓度而发生爆炸分解时，就会产生一种微弱的火光，可燃混合气的燃烧，通常称之为冷焰。在冷焰阶段，气体的压力不变，温度略有上升其间释放的燃料化学能约为总化学能的(5-15)%。这就使燃料着火的第一个阶段，冷焰发生后，氧化过程继续进行。冷焰中的产物醛大量积累，在一定的温度下发生爆炸分解而生成醛基，发出淡蓝色的辉光，并进一步氧化成一氧化碳。这就是第二阶段，即蓝焰阶段。在蓝焰阶段，燃料分子的氧化已放出了较多的热量，并产生了一些新的活化中心及活化分子(CO)。经过一段较短的着火延迟期后，一氧化碳进一步氧化成二氧化碳，使烃燃料氧化成最后的燃烧产物，并同时放出大量的热量，产生灼热的火焰，这就是热焰。正就使第三阶段。它标志着着火过程的终了，燃烧火源的形成。7.滞燃期对柴油机燃烧过程、运转性能和污染物排放有何影响？影响滞燃期的因素有哪些？答：滞燃期愈长，其间喷入气缸的燃料愈多，形成可燃混合气也愈多，则下一阶段的燃烧愈剧烈，导致缸内压力迅速升高，造成燃烧过程噪声大，发动机工作粗暴，部件承受机械负荷大，且缸内温度高，易产生NOx，但滞燃期太短，不利于混合气的形成，使柴油机性能恶化。正常运转下，压缩温度和压力是影响滞燃期的主要因素，此外喷油提前角、转速及燃料性质也对滞燃期有较大影响。发动机起动时，由于转速、气缸中压力以及温度较低，混合气形成的情况对滞燃期有较大影响，因此空气运动，喷嘴结构，燃烧室壁温等因素在起动条件下成了影响滞燃期的因素

8.试从混合气形成和燃烧的角度说明，现代高速柴油机的燃烧室一般应满足哪些要求？柴油机直接喷射式燃烧室与分开式燃烧室各有何有缺点？答：现代高速柴油机的燃烧室要求：能产生一定强度涡流，利于混合气形成，同时防止燃烧剧烈导致压力升高比太大而产生柴油机工作粗暴。满足既要提高燃烧效率，又要防止机械负荷、热负荷过高，既要提高其经济性，又要降低排放的要求。直喷式燃烧室优点：结构简单，有效燃油消耗率低，启动容易。其缺点：最大爆发压力较高，喷油系统易出故障，噪声以及排放指标欠佳，另外降低燃烧噪声与提高经济性之间存在矛盾。分开式燃烧室优点：高速性能好，噪声和排气污染小，以及对喷油系统要求低。其缺点：油耗高，启动困难，结构复杂。9.说明提高内燃机压缩比的利弊；为什么直喷式、涡流式柴油机和汽油机的压缩比取值不同？答：在具有外部混合气形成及外源点火（火花塞点火）式的内燃机中，提高的压缩比，可以提高内燃机性能。但是，压缩比太大会引起可燃混合气早燃或爆燃。在压燃式的柴油机中，提高压缩比可以提高压缩终点的温度，从而使燃油着火滞燃期缩短，在这种情况下，燃烧时不会导致压力的急剧升高，从而保证了内燃机能柔和地工作。同时较高的压缩终点温度使内燃机具备低温工作的可能性，以及可靠的冷机启动性能。提高压缩比也可使内燃机具有较高的循环热效率。但是当压缩比高于一定数值时，对热效率的影响并不显著。而压缩比太高又会使使柴油机机械负荷升高，机械效率下降。也会使一氧化碳，一氧化氮的排放量加剧。柴油机要保证压缩终了时的空气压力不低于燃料着火燃烧的自燃温度，这就决定了柴油机正常工作的最低压缩比，实际上的压缩比的取值原高于上面的最低压缩比。而汽油机压缩比的取值大小却受到可燃混合气早燃或爆燃的限制，因此，柴油机的压缩比一般比汽油机的大。直喷式柴油机的一般比涡流式柴油机的压缩比高。10.柴油机与汽油机的燃烧过程有何区别？汽油机为什么在燃油经济性上不如柴油机?为了提高汽油机的热效率，可采取哪些措施？答：柴油机与汽油机的燃烧过程的区别：柴油机为压缩自燃式内燃机，其燃烧过程包括预漏合燃烧和扩散燃烧两部分。主要是扩散燃烧。其燃烧阶段分为：滞燃期、急燃期、缓燃期和后燃期。柴油机着火方式为中温多阶段着火。汽油机为点燃式内燃机，其燃烧过程为预混合燃烧，分为滞燃期、急燃期、和后燃期三阶段。着火方式为高温单阶段着火。汽油机经济性不如柴油机的原因：主要是由于压缩比比柴油机要低许多，节气门存在使得泵气损失较大。提高热效率的措施：采用分层充气燃烧系统，组织稀薄混合快速燃烧，以及提高压缩比，减少散热量等