Pe?

?et?(Gm)V?(Hum)V36000.98?0.47?0.86?2.0?0.93??36003500?60?10?3?37502?80.6kW（2）

pme60?2?80.6Wet?Pe3500????1382kPa VsVs?i2.0?4?10?3?4（3）

在化学计量比下，计算混合气的平均摩尔质量：

1?14.8?30.14kg/kmol

114.8?107.528.7G?2.0?10?3?0.93?

（4）

3500?601?(1?0.98)?30.14?24.45??0.305kg/h214.8?1B?2.0?10?3?0.93?3500?601?30.14?24.45??15.24kg/h 214.8?1be?B15.24?103??103?189.05g/(kW?h) Pe80.6

8-18 一台2.4 L排量的4缸四冲程发动机是多点进气道燃油喷射的，即每缸对应一个喷油器。其喷油器是恒定流量的，因而喷入燃油的多少是靠喷油脉宽控制的。在WOT工况下，喷油器持续喷射，此时发动机能够输出最大功率。在此种情况下，发动机的转速为5800 r/min，进气压力为101 kPa，汽油按照化学计量比燃烧。而在怠速时，发动机的转速是600 r/min，进气压力为30 kPa，汽油也是按照化学计量比进行燃烧的。可以认为WOT工况下的充量系数为95%。计算：

（1）单个喷嘴中燃油的质量流量（单位 kg/s）； （2）怠速工况下以s计的喷油脉宽； （3）怠速工况下以曲轴转角计的喷油脉宽。 解：（1）

在化学计量比下，计算混合气的平均摩尔质量：

1?14.8?30.14kg/kmol

114.8?107.528.7进气压力为101kPa，为大气压力，可认为充量系数近似为100%。 单个喷嘴中燃油的质量流量：

158001G?2.4?10?3???30.14?24.45??2.26?10?3kg/s

42?6014.8?1（2）

WOT工况下的喷油脉宽：

51

2?60?0.0207s 5800怠速工况下的喷油脉宽：

0.0207?30?6.145?10?3s 101（3）

怠速工况下的喷油脉宽转化为曲轴转角：

6.145?10?3?600?360?22.12?CA

60

8-19 一台排量为4.8 L的四冲程V8 GDI汽油机的工作转速为4200 r/min。该发动机每循环每缸有两次汽油缸内喷射过程，总体上的空燃比为28：1。每缸的第1次喷射包含总喷射油量的1/4，且发生在进气冲程末期到压缩冲程初期即下止点前10°CA到下止点后80°CA的时段内。第2次喷射将剩余油量喷到接近火花塞的地方，喷射时段为接近火花点火时刻的上止点前70°CA到上止点前30°CA。该发动机采用机械增压使得该转速下的充量系数为98%。计算：

(1)发动机单位时间的燃油消耗量（kg/h）； (2)第1次燃油喷射所持续的时间； (3)第1次喷射时的平均喷油速率； (4)第2次喷射时的平均喷油速率。 解：（1）由于采用GDI喷射，故单位时间的燃油消耗量：

G?4.8?10?3?0.98?4200?601?28.7?24.45??24.848kg/h 228（2）第1次燃油喷射持续90°CA，转化为s为单位：

90?60?3.572?10?3s

4200?360（3）每循环、每缸的喷油量：

4.8?0.98?28.7?24.45?28?0.0246g 8第一次喷射平均喷油速率：

0.0246?4?(3.572?10?3)?1.721g/s

（4）第2次燃油喷射持续40°CA，故对应的喷射持续时间为1.5874ms。

第二次喷射平均喷油速率：

30.0246??(15.874?10?4)?11.623g/s

4

52

8-20 一台大型低压缩比汽油机的火花塞安装在缸径为24 cm的气缸中部（即在火焰传播过程中火焰历经的距离为12 cm）。当该汽油机的转速为1200 r/min时，火花塞在上止点前19 °CA时开始跳火，且火焰速度与发动机转速之间满足如下比例关系：VT∝0.80n。在发动机所有转速下从火花塞跳火到火焰开始传播所经历的时间均为0.00125 s。可以假定所有燃烧均发生在火焰传播过程中。该发动机的冲程长度为35 cm，压缩比为8.2，连杆长度是74 cm。计算：

(1)火焰开始传播时所对应的曲轴转角（°CA BTDC）； (2)火焰传播过程结束时所对应的曲轴转角，1200 r/min时的火焰速度为VT=48 m/s( °CA ATDC)；

(3)为使2400 r/min时的燃烧过程结束时刻所对应的曲轴转角与1200 r/min时的相同，则所要求的火花塞跳火时刻对应的曲轴转角是多少（°CA BTDC）？

(4)1200 r/min下燃烧过程结束时活塞的瞬时速度（单位： m/s）； (5)燃烧过程结束时燃烧室内的容积大小（单位： m3）。 解：（1）火花塞跳火到火焰开始传播，转化为曲轴转角：

1200?60?0.00125?360?9?CA 故火焰开始传播对应的曲轴转角为10°CA BTDC。

（2）题目中没有给出火花塞距离TDC时活塞顶面的距离，但根据发动机的冲程长度和压缩比，如果燃烧室形状按照蓬型进行估算，在计算中假设火花塞距离TDC时活塞顶面的距离为35/(8.2-1)*2=9.72cm，近似按照10cm进行计算。即假设火花塞距离TDC时活塞顶面的距离为10cm。

假设火焰传播结束时对应的曲轴转角为x °ATDC。故可以分别根据燃烧室结构和火

焰传播速度计算出火焰的最远传播距离。构建两者相等的关系，可得求解x的方程如下：

在MATLAB中，计算

A=solve('(144+(106.5-74*cos(asin((sin(x/180*pi))*17.5/74))-17.5*cos(x/180*pi))^2)^0

.5=((x+10)*4800)/(7200)','x')

解得x=14.06°CA ATDC。即火焰传播结束时对应的曲轴转角为14.06°CA。

（3）当曲轴转角为14.1°CA时，

(144+(101.5-74*cos(asin((sin(x/180*pi))*17.5/74))-17.5*cos(x/180*pi))^2)^0.5 =16.04cm，

即此时的最远传播距离为16.04cm。当转速为2400r/min时，火焰传播速度为

96m/s。故火焰传播时间为

16.04/9600*2400/60*360=24.06°CA 所以火焰开始传播时刻仍为10°CA BTDC。

火花塞跳火到火焰开始传播，转化为曲轴转角：

2400?60?0.00125?360?18?CA

所以火花塞跳火时刻应为28°CA BTDC。 （4）连杆与曲轴的连接点的速度为：

1200/60*pi*0.35=21.98m/s

该速度可以分解为活塞下行速度和连杆绕连杆去活塞连接点旋转的速度。 由于此时对应的曲轴转角位14.06°CA， 根据三角关系进行求解：

连杆与铅垂线的夹角为asin((sin(14.06/180*pi))*17.5/74)=3.3°。

sin(90??3.3?)sin(14.06??3.3?)?

21.98x53

解得活塞下行速度x=5.47m/s。 （5）燃烧过程结束时，对应14.06°CA。可以求得此时活塞从TDC下行的距离为0.6465cm。

所以燃烧室内容积为：

?4

?242?0.6465??4?242?35?(8.2?1)?2490cm3

第九章

9-1试述Thermal NO的成因；原Zeldovich 机理是指哪几个反应？哪一个反应是控制反应？影响Thermal NO生成的三因素是什么？

解：在燃烧形成的高温条件下氧分子裂解成氧原子O，通过式（9-1）和（9-2）的反应生成NO。

原Zeldovich机理指（9-1）和（9-2）两个反应。 （9-1）是控制反应。

影响thermal NO生成的三要素为：高温、富氧和反应时间。

9-2 发动机排放的微粒与碳烟有什么不同？微粒排放量主要取决于什么因素？

解：微粒（PM）的主要成分是炭（Soot）、有机物质和硫酸盐。故微粒和炭烟（Soot）是包含关系与被包含的关系。

由于柴油机PM排放远高于汽油机，故传统上所说的微粒指柴油机微粒。对于柴油机而言，PM排放量主要取决于燃油雾化和混合均匀程度。

9-3 在不采取任何措施和相近的功率条件下，CO、HC、NOx及微粒四种污染物排放是汽油机多还是柴油机多？为什么？

解：微粒：柴油机比汽油机高。因为汽油机为均质预混燃烧，PM排放量远低于采用扩散燃烧的柴油机；

CO：汽油机高于柴油机。因为柴油机为富氧环境；

HC：汽油机高于柴油机。因为汽油机的HC生成途径包括不完全燃烧、壁面淬熄效应和壁面油膜和积碳的吸附效应。而柴油机基本上不存在上述问题。

NOx：汽油机可能略高于柴油机。主要是因为汽油机燃烧温度较高，有利于thermal NO的生成。

9-4 画出汽、柴油机某一工况CO、HC、NOx、平均有效压力和油耗随过量空气系数?a的变化曲线，指出其主要特点，并解释其成因。 解：汽油机的变化曲线如下图所示。

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（1）汽油机：

CO：随空燃比增大而急剧下降。原因是空燃比增大，氧含量增加，CO被氧化。 HC：随空燃比增大先急剧下降，然后有所回升。先下降是因为氧含量增加，HC被氧化；空燃比多大时，由于燃烧不稳定以及失火次数过多，导致HC有所回升。

NOx：在空燃比为1.1时取得最大值。这是因为thermal NO的生成条件为高温、富氧。当空燃比过小时，不满足富氧条件；当空燃比过大时，燃烧温度下降。只有当空燃比在1.1附近时，同时满足高温、富氧条件，NOx排放达到峰值。

有效平均压力：在空燃比略小于1时，亦即混合气略微偏浓时，有效平均压力取得最大值。空燃比过大或过小都会导致有效平均压力降低。

油耗：和有效平均压力正好相反，在空燃比略小于1时取得最小值。空燃比过大或过小都会导致油耗增加。

柴油机的变化曲线如下图所示：

（2）柴油机：

NO：和汽油机相似，但向稀区平移。这是因为柴油机为扩散燃烧，相比汽油机需要更多的空气。

CO：和汽油机相似，但空燃比过大时CO回升。这是因为燃烧温度过低。

HC：随空燃比增大而增加。这是由于空燃比过大后，在燃油喷雾边缘区域形成了过稀的混合气，以及缸内温度过低。

有效平均压力和油耗与汽油机相似，但有效平均压力取得最大值（以及油耗取得最小值）对应的空燃比比汽油机大，这也是因为柴油机为扩散燃烧，相比汽油机需要更多的空气。

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