机械优化设计习题吉林大学.pptx

概念 循环热效率 循环平均压力Pt压缩比 指示功平均指示压力 指示功率指示热效率指示燃料消耗率有效功率 有效扭矩平均有效压力 有效热效率有效燃料消耗率 升功率机械效率平均机械损失压力 气门叠开换气损失泵气损失 充量系数残余废气系数进气马赫数过量空气系数 燃料的低热值理论混合气热值 火焰传播速度燃烧速度爆震燃烧表面点火 点火提前角喷油泵速度特性供油规律 喷油规律废气再循环发动机排量 扭矩储备系数扭矩适应性系数转速适应性系数稳定调速率瞬时调速率调速器灵敏度理论空气量 排气微粒排气损失 进气损失 自由排气损失 强制排气损失柴油机工作粗暴 全程式调速器 两极式调速器 发动机的工况发动机的特性 早燃二行程发动机的扫气系数二行程发动机的扫气系数进气管的动态效应 二次喷射油束的雾化质量放热规律增压度增压比 简答题 内燃机有哪三种理论循环，汽油机、高速柴油机和高增压柴油机各简化为何种循环？为什么？ 解：根据加热方式不同，发动机有三种理论循环，即定容加热循环，定压加热循环和混合加热循环。汽油机混合气燃烧迅速近似为定容加热循环。高速柴油机部分燃料在上止点前燃烧，部分燃料在上止点后燃烧，近似混合加热循环。高增压和低速大型柴油机，由于受燃烧最高压力的限制，大部分燃料在上止点后燃烧，燃烧时气缸内压力变化不明显，所以近似为定压加热循环。何谓理论循环热效率 ？写出 其表达式。理论循环热效率是工质所做循环功 与循环加热量 之比，用以评定循环经济性。 当初始点、压缩比和加热量相同时，用 TS图比较定三种理论循环热效率的大小。用 TS图说明定容加热循环中，当加热 量一定，压缩比 增加时，循环热效率的变化。 内燃机机械损失包括哪几部分？各占比例如何？常用哪些方法测量？发动机的机械损失包括三部分：（1）磨擦损失，约占整个机械损失的62-75%；（2）驱动附件损失，约占整个机械损失的10-20%；（3）泵气损失，约占整个机械损失的10-20%。经常用来测定发动机机械损失的方法有：（1）倒拖法；（2）灭缸法；（3）油耗线法（又称负荷特性法）；示功图法。简述用灭缸法测量发动机机械损失的原理和方法。基本原理：多缸机有效功率等于各缸指示功率之和减去机械损失功率。方法：首先将发动机调整到给定工况稳定工作，测量其有效功率 ，然后停止向一缸（例第一缸）供油或点火，并调整测功器，保持发动机转速不变，再测出一缸不工作时的有效功率 。则 即为第一缸的指示功率。Pi(1)=Pe-Pe(1) 同样依次使各缸熄火，得各缸的指示功率： Pi(2)=Pe-Pe(2) .+ Pi(i)=Pe-Pe(i) Pi=iPe-Pe(1)+Pe(2)+Pe(i) Pm=Pi-Pe=(i-1)Pe-Pe(1) +Pe(2)+Pe(i) 简述用油耗线外延法测量柴油机机械损失的原理及方法。内燃机与电力测功机相连，在稳定工况水温、油温正常时，切断点火或供油，测功器作电动机运行，以给定转速反拖发动机，尽量维持水温、油温不变，测出的功率即为发动机在该工况下的机械损失功率。简述用示功图法测量柴油机机械损失的原理及方法。（1）用各种示功器测出气缸的示功图，算出Pmi及pi;（2）用测功器测出Pme或Pe。则：Pm=Pi-Pe或Pmm=Pmi-Pme内燃机实际循环由哪几个过程组成？其中压缩过程的作用是什么？发动机实际循环是由进气、压缩、燃烧、膨胀和排气过程所组成。其中压缩过程的作用是增大工作过程的温差，获得最大限度的膨胀 比，提高热功转换效率，同时也为燃烧过程创造有利条件。在柴油机中，压缩后气体的高温是保证燃料着火的必要条件。 画出机械效率随负荷变化关系的曲线？并分析其历程。发动机转速不变时， 机械损失功率基本不变，功率增加，指示功率增加。由公式，机械效率增加。空转，功率为0，指示功率机械损失功率，机械效率0。画出机械效率随转速变化关系的曲线，并分析其历程。转速增加，（1）惯性力（侧压力及轴承负荷增加）及摩擦付间速度增加，摩擦损失增加；（2）驱动附件损失增加；（3）泵气损失增加。Pmm增加，Pmi变化不大，由公式知，机械效率下降。 何谓四行程非增压发动机的换气损失？试用示功图说明。如图换气损失是理论换气功和实际换气功之差，由排气损失和进气损失两部分组成。何谓四行程非增压发动机的泵气损失？试用示功图说明。泵气损换放在机械效率中考虑。 画出充气效率随转速变化关系的曲线并分析其历程。在某一中间转速充气效率有最大值，在此转速气流惯性充气最好，当转速高于此转速时，气流惯性增加，但进气迟闭角不变，使一部分可以利用惯性进入气缸的气体被关在气缸之外，另外转速增加进气阻力增加，所以 随 转速增加而下降。当转速低于此转速气流惯性减小，由于进气门迟关，使一部分进入气缸内的新气被推回进气管，所以也下降。 画出汽油机充气效率随负荷变化关系的曲线并分析其历程。如图，汽油机是量调节，负荷增加，节气门开大， 进气阻力下降，进气终了压力增加，充量系统提高。画出柴油机充气效率随负荷变化关系的曲线并分析其历程。柴油机是量调节，负荷 不变， 进气终了压力不变，进气终了温度增 加，充量系数稍有下降，主要由 温度增加而引起。 何谓过气马赫数？画出充气效率随进气马赫数变化关系的曲线？进气马赫数 是进气门处气体的平均速度 与该处声速的比值 。在正常的配气条件下，当 超过一定数值（0.5左右）时，充气效率 急剧下降。何谓气门叠开？作用是什么？由于排气门的迟后关闭和进气门的提前开启，存在进、排气门同时开启的现象，称为气门叠开。此时，进气管、气缸、排气管互相连通，可以利用气流的压差，惯性或进排气管压力波的帮助，清除残余废气，增加进气量，降低高温零件的温度，但注意不应产生废气倒流现象。何谓进气门迟闭角，画出不同进气门迟闭角时，充气效率随转速变化关系的曲线？ 为了利用高速气流的惯性，以增加进气量，进气门一般在下止点后关闭。从下止点开始到进气门关闭这段曲轴转角称进气门迟闭角，进气迟闭角的大小对发动机充气效率影响很大，不仅影响充气效率的最大值，而且还影响 出现转速。 提高充量系数的措施有哪些？（1）降低进气系统的阻力；（2）降低排气系统的阻力；（3）减少对进气充量的加热；（4）合理选择配气定时；（5）合理利用进气谐振 何谓汽油的辛烷值？如何测定？。辛烷值是表示汽油抗爆性的指标，测量汽油的辛烷值是在CFR单缸上进行的。测定时，用容易爆震的正庚烷（辛烷值量为0）和抗爆性好的异辛烷（辛烷值是为100）的混合燃料与被测汽油作比较。当混合液与被测汽油在CFR试验机上的抗爆程度相同时，测混合液中异辛烷含量的体积百分数就是被测汽油的辛烷值。何谓汽油的馏程？简要说明10馏出温度和50溜出温度对汽油机性能的影响。馏程表示汽油的蒸发性，用汽油馏出某一百分比的温度范围来表示。汽油馏出10%的温度与汽油机的起动性有密切关系，如果10%馏出温度低，说明发动机使用这种燃料容易冷车起动。但此温度过低，在管路中输送时受发动机温度较高部位的加热易变成蒸气，在管路中易形成“汽阻”使发动机断火，影响正常运转。 汽油馏出50%的温度标志着汽油的平均蒸发性。它影响汽油机的暖车时间，加速性及工作稳定性。若此温度低说明该汽油蒸发性好，在较低温度下可以有大量的燃料挥发与空气形成可燃混合气，这样可以缩短暖车时间，而且从低负荷向较高负荷过渡时能够及时供应所需混合气，加速性较好。 何谓燃料的热值？何谓高热值和低热值？内燃机为什么使用低热值。 1kg燃料完全燃烧所放出的热量称为燃料的热值。在高温的燃烧产物中，水以蒸气状态存在，水的汽化潜热不能利用。待温度降低以后，水的汽化潜热才能释放出来。因此水蒸气凝结以后计入水的汽化潜热的热值称为高热值。内燃机排气温度较高，水的汽化潜热不能利用，因此用低热值。酒精的低热值比汽油低得多，为什么在过量空气系数为1时，两者的混合气热值都差不多？何谓汽油机爆震？对发动机有何危害？汽油机在正常火焰传播过程中，末端混合气进一步受到压缩和热幅射，加速了先期反应，在火焰前锋尚未传到之前就自燃了。这部分混合气燃烧速度极快，压力来不及膨胀，产生冲击波，使气缸发生尖锐的金属敲击声， 称为爆震燃烧。爆震产生的压力波破坏了壁面表面的气体附面层和油膜，使传热和摩擦损失增加，冷却系过热，功率下降，油耗率增加，甚至会造成活塞、气门烧坏。轴承破裂，火花塞绝缘体破坏，润滑油结胶、活塞环粘在槽内等故障。 在P图上画出汽油机正常燃烧，爆震燃烧和早燃的示功图，并简要说明它们的区别？（1）正常燃烧最高压力出现在上止点后15CA左右， 压力升高率在0.1750.25MPa/CA。（2）爆震燃烧是末端混合气自燃有压力波产生。（3）早燃是发生在电火花前的表面点火，压力升高率增加，压缩负功增加。用示功图说明汽油机点火提前角过大、过小，对燃烧过程和发动机性能的影响。（1）点火角过大，大部分混合气在上止点前燃烧，压缩负功 增加，最高 压力增加 ，最高温度增加 ，功率下降、比油耗增加， 爆震倾向增加，NOx排放增加 。（2）点火角过小，则燃烧延至膨胀过程，最高压力下降 、最高温度下降， 传热损失增加 ，排气温度增加，使功率下降、油耗增加，爆震倾向减小， NOx 排放下降。（3）只有在 最佳点火提前角时，功率 最大， 比油耗最低。 何谓点火调整特性？画出曲线并分析其历程。节气门开度一定，发动机转速一定，混合气浓度一定，调整点火正时，功率、燃油消耗率、排气温度随点火提前角的变化关系。点火提前，部分在上止点前燃烧，压缩负功增加，压力升高率增加，最高爆发压力增大，功率下降，比油耗上升，最高压力、温度增加，对末端混合气挤压加热增大，爆震倾向增大。点火迟后，燃烧不及时，在膨胀中燃烧，热利用率下降，功率、比油耗增加。最佳点火提前角由点火提前角调整特性确定。何谓汽油机的燃料调整特性？画出典型汽油机燃料调整特性的曲线图。燃料调整特性：转速、节气门开度一定，点火提前角最佳，调节供油量，功率、燃油消耗率、排温随过量空气系统变化的关系。 何谓汽油机表面点火？与汽油机爆震有何不同？在汽油机中，凡是不靠电火花点火而由燃烧室内炽热表面（如排气门头部、火花塞绝缘体或零件表面炽热的沉积物等）点燃混合气的现象，统称表面点火。与爆燃相比，在燃烧本质上不同，爆燃是可燃混合气自燃，而表面点火是点燃，没有冲击波。“敲缸声”比较沉闷，主要是由活塞连杆、曲轴等运动件受到冲击负荷产生振动而造成的。何谓汽油机早燃，对发动机有何影响？早燃是指在火花塞点火之前，燃烧室内炽热表面就点燃混合气的现象，由于它提前点火而且热点表面比火花大，使燃烧速率快，缸内压力、温度增高，发动机工作粗暴，并且由于压缩负功增加，向缸壁传热增加、致使功率下降，火花塞、活塞等零件过热。早燃会诱发爆燃，爆燃又会让更多的炽热表面温度升高，促使更激烈的表面点火，两者互相促进，危害更大。 汽油机燃烧过程一般分为哪几个阶段？各阶段的特点是什么？汽油机燃烧过程一般分为三个阶段。（1）着火延迟期，从火花塞跳火至缸内压力偏离压缩线，该阶段的作用是点燃混合气形成火焰核心，特点是燃烧量小，压力升高不明显。（2）明显燃烧期，从火焰核心形成到火焰传播到整个燃烧室。特点是气缸内压力迅速上升，常用平均压力升高率表示，明显燃烧期是汽油机燃烧的主要时期，明显燃烧期愈短，愈靠近上止点，汽油机经济性、动力性愈好，但可能导致压力升高率值过高，工作粗暴，一般10250 kPa/CA为宜。 （3）后燃期，特点是燃烧速度慢，远离上止点，热量利用率低，应尽量减少。汽油机燃烧室组织适当的紊流运动的作用有哪些？（1）增大火焰传播速度。（2）冷却末端混合气区。（3）减少循环间的燃烧变动。（4）减小熄火层厚度，降低HC的排放量。 何谓燃烧室的面容比？汽油机燃烧室面容比值小，具有哪些优点？燃烧室的面容比是指燃烧室表面积与其容积之比。其值小，则燃烧室紧凑其有优点是：（1）火焰传播距离小，不易爆燃，可提高压缩比。（2）相对散热损失小，热效率高。（3）熄火面积小，HC排放少。汽油机决定火花塞位置时主要考虑哪些因素？汽油机在决定火花塞位置时必须考虑：（1）要能利用新鲜混合气充分扫除火花塞周围的残余废气，使混合气易于点燃，保证低速工作稳定性好，各循环间的燃烧变动小。（2）火花塞尽量布置在使末端混合气受热少的位置，如排气门附近。（3）应使由火花塞传播开的火焰面变化分配合理，确保运转平稳。（4）火焰传播距离应尽可能短。柴油机燃烧过程一般分为哪几个阶段？各阶段的特点是什么？（1）着火延迟期，从喷油开始点到压力偏离压缩线点。进行混合气着火 前的物理化学准备。（2）速燃期，压力急剧上升的阶段，着火延迟期内准备好的混合气几乎同时燃烧，缸内压力急剧上升 ，接近等容燃烧。（3）缓燃期，压力急剧增高的终点到压力急剧下降点，边混合边燃烧，混合速度控制燃烧速度，同时活塞开始下行，缸内压力变化不大，接近等压燃烧。（4）补燃期，缓燃期的终点到燃料基本上完全燃烧，终点很难 ，一般认为当总放热量达到9599%时为燃烧过程结束，补燃期热量利用率低，应尽量减少补燃。 何谓柴油机工作粗暴？降低柴油机工作粗暴的主要途径有哪些？柴油机着火延迟期内形成的可燃混合量过多，一旦着火一起燃烧，使 压力升高率过大，则柴油机燃烧噪声大，这种现象称为工作粗暴。降低柴油机工作粗暴的途径有三：（1）缩短着火延迟期，如选十六烷值高的燃料。（2）减少着火延迟期内的喷油量，采用合适的喷油规律，先少喷后多喷。（3）减少着火延迟期内形成的可燃混合气量，采用油膜蒸发形成混合气方式。何谓几何供油规律和喷油规律，它们之间存在哪些不同。供油规律是单位时间（或单位转角）内喷油泵的供油量随时间（或转角）的变化关系，由喷油泵柱塞的几何尺寸及运动规律决定。喷油规律是单位时间（或单位转角）喷油器喷入燃烧室内的燃料量随时间（或转角）的变化关系。 供油规律和喷油规律之间存在明显不同，喷油开始点比供油始点滞后，喷 油持续时间比供油持续时间长，最大喷油率速较最大供油速度低，曲线形状也有一定的变化。 何谓燃油的雾化？其作用是什么？解：燃油的雾化是指燃油喷入燃烧室后被粉碎分散为细小油滴的过程。燃油的雾化可以大大增加其与周围空气接触的蒸发面积，加速了从空气中的吸热过程和液滴的汽化过程。对混合气形成起了重要的作用。如何描述油束特性（雾化特性）？可以从几何形状和雾化质量两个方面来描述油束特性。油束的几何形状包括，油束射程（又称贯穿距离）和喷雾锥角 或油束最大宽度。油束的雾化质量一般是指油束中液滴的细度和均匀度。细度可用液滴平均直径表示，均匀度是指油束中液滴大小相同的程度，液滴在油束内分布的均匀程度可用分布曲线表示。汽油机爆震和柴油机工作粗暴有何异同点？相同点：在燃烧本质上相同，都是可燃混合气的自燃。 不同点：（1）发生的部位不同，柴油机工作粗暴发生在燃烧初期，着火延迟期内形成的可燃数量多，一起自燃，使速燃期压力升高率过大，而汽油机爆震发生在燃烧后期，是末端混合气自燃。（2）柴油机工作粗暴缸内压力均匀，无冲击波产生，而汽油机爆震，缸内压力不均匀，有冲击波产生。（3）汽油机爆震敲缸声尖锐清脆，柴油机工作粗暴敲缸声沉闷。（4）对燃料的要求不同。 柴油机排气冒黑烟的原因是什么？如何减少冒黑烟？碳烟的生成条件是高温缺氧。由于柴油机混合气极不均匀，尽管总体是富氧燃烧，但局部的缺氧还是导致碳烟的生成，特别是缓燃期喷入的燃油容易被高温废气包围找不到氧气，发生部分氧化和裂解，形成碳烟。减了柴油机冒烟的措施有三个方面（1）大过量空气系数 。（2）组织空气运动，扩大油束与空气的混合范围及利用热混合作用使高温废气和燃油分离。（3）改善喷雾质量，如高压喷射。（1）排气后处理。试从原理上说明柴油机混合气形成方式及特点？柴油机混合气形成方式从原理上来分，有空间雾化混合和油膜蒸发混合两种。空间雾化混合是在燃烧室空间中，利用燃油与空气的相对运动形成较均匀的混合气，燃油与空气的相对速度是起主要因素，相对速度越高，油束与空气的摩擦和碰撞越激烈，分散后的油滴也越细小，混合气也越均匀。混合气在这一过程中混有尚未蒸发汽化的液态油滴，不完全是气态的，油膜蒸发混合是指喷到燃烧室壁面上的燃油形成油膜后利用受热蒸发和空 气相对运动的作用形成较均匀的混合气，这一混合方式中，起主要作用的因素是燃烧室壁面温度，空气相对运动速度和油膜厚度，混合气在这一过程中完全是气相的。 分隔式燃烧室有哪些性能特点？分隔式燃烧室主要靠强烈的空气运动来保证较好的混合气质量，空气利用率较高， 可达1.2左右，由于空气运动强度随转速提高而增大，保证了高速下也有较好的性能，对喷油系要求较低可采用轴针式喷咀工作、可靠性和寿命提高、对燃油不太敏感，有较强的适应性。分隔式燃烧室结构较复杂、面容比大，加上强烈的空气运动，散热损失较大，通道节流损失也较大，因此经济性较差，冷起动性差，一般用较高的压缩比，来改善起动性或安装电热塞。着火首先在副燃烧室，由于通道的节流作用主燃烧室压力上升较缓慢，因此工作较为平稳燃烧噪声较小，在排放性能上，除低速微粒排放量大外，其他则优于直喷式燃烧室。简述柴油机排气冒白烟和兰烟的原因。在柴油机冷起动后，怠速或低负荷下暖机的过程中，特别是在塞冷天气时会产生白烟或兰烟，这是由于燃烧室内工质的温度低，燃油不能完全蒸发燃烧，未燃或部分氧化的燃油一般以液态微粒的形式随废气排出，冷凝而 形成白烟与兰烟，白烟与兰烟之间并没有严格的成分差异，只是由于微粒直径不同而对光线的反射不同，从而产生不同的颜色，一般白烟在暖机过程中逐渐变为兰烟再变成无色烟。 简述内燃机噪声的来源。 内燃机的噪声主要由气体动力噪声，机械噪声和燃烧噪声三部分组成，气体动力噪声是指由于进、排气系统及冷却风扇工作时气流压力脉动而产生的噪声，其中排气噪声占主要部分。机械噪声主要是由曲轴连杆机构，配气机构、齿轮系、喷油泵及其他附属部件的高速运动并与其相邻的零件发生频繁的机械撞击，激励结构振动而产生的噪声。燃烧噪声主要是因为迅速地燃烧引起燃烧室内压力急剧变化所致，随压力升高率的增大而增大，它导致缸套，气缸盖等另部件的强烈振动并向外界幅射中高频噪声。何谓柴油机燃油系的二次喷射现象，对柴油机有何影响？在什么工况下容易发生二次喷射现象。 喷射终了，喷油器针阀落座后，在油管内燃油压力波动的影响下，再次开 启喷油的现象称为二次喷射。由于二次喷射是在燃油压力较低的情况下喷射的，导致这部分燃油雾化不良，会产生燃烧不完全，碳烟增多，并容易引起喷孔积碳堵塞，此外二次喷射，还使整个喷油持续时间拉长，使燃烧不及时造成柴油机经济性下降，另部件过热等不良后果。二次喷射发生在高速大负荷工况。 实际循环与理论循环比较，存在哪些损失？实际工质的损失：理论循环中工质是空气，比热是定值而实际循环工质是空气，可燃混合气，燃烧产物等，比热大于空气但随温度上升而增大，因此循环最高温度降低；存在泄漏，使工质数量减小。传热损失：实际循环中工质和壁面自始至终存在着热交换，造成的损失。换气损失：理论循环是闭口循环，换气功为零而实际循环必须更换工质，包括自由排气损失，和强制排气损失和吸气损失 。燃烧损失：（1）燃烧需要时间，所以要提前点火或喷油，而且燃烧还要延续到膨胀行程，由此形成非瞬时燃烧损失和补燃损失 。（2）燃烧不完全损失。（3）高温分解等何谓发动机热平衡？发动机热平衡包括哪些项目？（1）发动机所耗燃油热量；（2）转化为有效功的热量；（3）转化为有效功的热量；（4）废气带走的热量；（5）不完全燃烧损失；（6）其他 热量损失。 柴油机增压后，供油系、配气相和进排气系统应如何调整？供油系统：增大输出功率，应适当增大每循环的供油量。柴油机，为使供油持续期不变，可增大柱塞直径、增大供油速率、提高喷油压力、加大喷孔直径，可使喷注在大的空气密度下，有足够的贯穿距离。同时，适当地减小喷油提前角，可以限制最高爆发压力的增长。配气系统：增大配气相位，增加扫气，降低缸内残余废气系数，降低进气终了缸内温度，使充量系数增大，涡轮的工作条件也有一定改善。进排气系统：与增压系统的要求相一致，进行分支；进气管容积尽量大些，以减小进气压力的脉动，从而提高压气机的效率改善发动机的性能。何谓脉冲增压和恒压增压？两者的废气能量利用有何区别？恒压增压系统：涡轮排气管内压力基本恒定，所有排气管都连在一根排气总管。脉冲增压系统：使排气管中的压力造成尽可能大的压力波动，增压器尽可能靠近气缸，排气管短而细，几个缸连在一个排气管。排气能量的利用效果：脉冲系统超临界流动时间短，流动阻力小，排气能量损失小；脉冲能量得到应用。所以能量利用比定压系统好。压比增高时，定压系统排气管内压力增高，排气损失下降，脉冲能量在排 气能量中所占比例减小。两种系统能量利用差别减小。为什么在增压度较高时，常常要采用中冷器？提高进气管密度，从而提高发动机功率；降低压缩始点与循环平均温度，从而降低内燃机的排气温度、热负荷以及氮氧化物的排放；。 综合应用 何谓汽油机的负荷特性？简要分析汽油机负荷特性曲线的历程。当汽油机保持某一转速不变，其经济性指标随负荷的变化关系称为汽油机负荷特性。（1）be=k3/(mit )m =1-Pmm/Pmi= 1-Pmm/(Pmm+Pme)n不变，Pmm基本不变空车Pmm=Pmi，Pe=0，m =0Pe增大Pi增大m增大从小负荷开始，随节气门开大：雾化质量提高，残气相对少、残余废气系数下降火焰传播速度上升过量空气系数上升 冷却损失相对下降因此， it上升 当接近全负荷时，开始加浓，过量空气系数小于1， it下降。小负荷开始，由于m 、 it同时上升，be下降比柴油机快。当接近全负荷时， 由于it 下降，be上升。 何谓汽油机的负荷特性？简要分析汽油机负荷特性曲线的历程。当汽油机保持某一转速不变，其经济性指标随负荷的变化关系称为汽油机负荷特性。（2）B=k4 (c /a) nc a随负荷增加， c增加， a增加较小，B增加；当接近全负荷时， c增加， a下降，B增加较快。