f2?n 120f130a为1.5,2.5…, 残余正波到达, 对?c有利。所以有： ?f2nL频率比q?30a30?3502.1???1.5,2.5? nL5000LLL?2.1?1.4,0.84,0.6?m；

(1.5,2.5,3.5?)

(2)

管长L与转速n要合理匹配：L太长，对?c没有影响；L过短，多次返回的密波和疏波相互抵消。由式(1)、(2)可知，最佳的进气管长度为L=1.4m。

4-20有一常规的四缸四冲程汽油机，在发动机台架上做试验，下表是测得的数据。

排量 消耗400cm3燃料和3.38m3空气的时间 发动机转速 有效平均压力 环境温度 环境压力 2.0 dm3 53.0 s 4800 r/min 0.951 MPa 293 K 0.1 MPa 残余废气系数 0.05 假设气门重叠很小，对换气循环的影响可以忽略不计。已知汽油密度为0.76kg/L，低热值为42MJ/kg，摩尔质量为98kg/kmol。

计算：(1)新鲜进气充量；(2) 空燃比；(3) 充量系数；(4) 残余废气质量；(5) 混合气热值；(6) 有效效率。 解：（1）

?a?pM100000?29??1190.48g/m3 RT8.314?293每循环进入发动机的空气量：

3.38ma??aVa?1190.48?53?1.898g

480060?2每循环进入发动机的燃料量为：

0.4mf??fVf?760?53?0.1434g

480060?2所以每循环进入发动机的新鲜充量为：

m1?ma?mf?1.898?0.1434?2.041g

25

（2）

空燃比为：

??ma1.898??13.24 mf0.1434（3）

充量系数为：

3.38534800V?c?a?60?2?0.7972

Vs2?10?3（4）

残余废气质量：

mr??rm1?0.05?2.041?0.1021g

（5）

因空燃比小于理论空燃比，所以混合气所能发出的热值应按空气量计算： 单位质量混合气热值：

?Hum?m?m?13.24?44000l014.8???2764.197kJ/kg 1??1?13.24Hu?混合气密度为：

1??1?13.24??1.2721kg/m3

29313.24??1?1293???22.4???22.4?????29??107.5?273.15?MfMa?273.15混合气的体积热值为：

?Hum?V??Hum?m?m?2764.197?1.2721?3516.33kJ/m3

（6）

发动机的有效热效率为：

pmeVs0.951?106?2?10?3?e???0.3014

mfHu0.1434?44000

4-21 涡轮增压和气波增压发动机各自是如何利用废气能量的？为什么增压中冷是发动机发展的重要方向之一。

解：涡轮增压：高温高速的废气进入涡轮机后，低温、低速排出，废气的焓差和动能差转化为涡轮机的机械功，用以驱动压气机，提高发动机的进气压力。一方面加大了进气充量，提高输出功率；另一方面，泵气过程功为正功，同时机械效率相对提高，增加了整机有效效率。

气波增压：利用管道中压力波特性，是废气与新鲜空气接触，在相互不混合的前提下，直接将废气能量传给低压空气，并提高其压力，实现增压。

增压中冷对增压后较热的空气再进行冷却，降低其进气温度，则输出功率进一步增大，

26

排放、噪声等性能也有所改善，所以增压中冷是发动机发展的重要方向之一。

4-22 什么是定压增压系统？什么是脉冲增压系统？比较定压增压和脉冲增压两种系统的优缺点，并说明它们各自适用的场合。 解：定压涡轮增压系统把所有气缸的排气歧管通向一个体积较大的排气总管，排气总管基本保持恒定压力，起到了稳压的作用；废气按定压由总管导入涡轮机的喷嘴环。

脉冲涡轮增压系统将各缸排气歧管中的脉冲气流直接导入涡轮机中，以尽量减少定压系统的不可逆膨胀能量损失。

两者的比较：

（1）定压系统废气流入总管造成强烈的节流和不可逆膨胀损失，可用能利用率低。 （2）脉冲系统对扫气有好处。

（3）定压系统动态过程的响应比脉冲系统慢，对发动机的加速性能和排放性能不利。 （4）脉冲系统绝热效率低于定压系统。

（5）脉冲系统瞬时最大流量高于定压系统的稳定流量。

中、小型车用柴油机多为低增压，采用脉冲系统较为有利；大型柴油机增压比高，宜采用定压系统；但是，车用柴油机从提高低速转矩和加速性能角度考虑，即使增压比较高，也常选用脉冲增压系统。

4-23 为什么涡轮增压柴油机的机械效率一般比原型自然吸气式发动机的高？是不是所有工况都高？有没有机械效率反而低的情况？为什么？

解：增压后发动机由于利用废气能量做功增加了一块泵气正功，使其机械效率有所提高。

不是所有工况都高。

低速工况和动态工况下机械效率可能机械效率反而低。

低速工况时，涡轮增压效果较弱，机械效率较低，且低速转矩特性不足。

动态工况下，气流响应需要时间，增压器叶片也有较大惯性，动态过渡过程过长，影响发动机排放和经济性能。

4-24 为什么涡轮增压发动机会出现压气机后增压压力pb小于涡轮机前入口压力pk的情况？哪些工况会是这样？pb大于pk是否就意味着会出现理论和实际泵气正功？为什么？ 解：起动工况、加速工况、低速小负荷工况下，可能压气机后增压压力反而小于涡轮机前入口压力。

起动工况时，涡轮增压没有介入； 加速工况时，由于压气机需要的响应时间较长，增压压力上升比涡轮机前入口压力的上升存在一定的迟滞；

低速小负荷工况时，涡轮增压效率低。

pb大于pk意味着理论泵气正功，但实际泵气不一定是正功，因为可能存在较大的泵气损失，使实际泵气功为负。

4-25 采用哪些技术措施可以解决常规涡轮增压柴油机的NOx排放高、低速转矩特性差以及动态响应慢等缺点？为什么？

解：增压中冷技术可以降低NOx排放，同时进一步增大输出功率。因为采用增压中冷增加了进气量，同时降低了进气温度。

电控可变喷嘴环截面涡轮增压技术，可以有效增大低速转矩。因为实现了对增压压力和增压器效率的优化控制。

27

电控燃油喷射技术可有效降低NOx排放和燃烧噪声。因为实现了可变燃油喷射时刻和喷射速率。

此外，以上电控技术的应用改善了柴油机的动态性能。因为电控技术的应用使得对柴油机的瞬态控制更加灵活、迅速。

4-26 为什么汽油机采用涡轮增压的比例越来越高？涡轮增压汽油机是如何解决应用中存在的相关问题的？

解：因为和柴油机类似，汽油机采用涡轮增压可以提高动力性能、改善经济性能、改善排放性能、降低燃烧及排气噪声、降低制造成本，所以汽油机采用涡轮增压的比例越来越高。

解决汽油机增压应用问题的主要措施包括：

（1）应用电控技术，可以改善动态特性、防止爆燃和降低热负荷；

（2）应用增压中冷技术，可以提高动力性、改善经济性，同时对消除爆燃、降低热负荷以及减少NOx排放有利；

（3）采用增压压力控制系统，可以降低增压比，避免爆燃和过高的热负荷，并有利于高、低速转矩特性的控制。

（4）提高燃料辛烷值、改进发动机制造工业和增压器叶片材质等。

4-27 以曲轴箱扫气式二冲程汽油机为例，说明二冲程发动机的进气、压缩、燃烧、排气四个过程是如何在两个冲程内完成的。

解：活塞向下移动的冲程，先燃烧、膨胀做功，然后排气孔打开，自由排气，再往后扫气孔打开，被压缩的新鲜工质从曲轴箱通过扫气孔进入气缸，一边向气缸充气，一边帮助排气，称为扫气。活塞向上移动的冲程，先是继续扫气，扫气孔关闭后还继续排气，排气孔关闭后则进行压缩，接近上止点时着火燃烧。活塞上行冲程的某一时刻，活塞下边缘将扫气孔打开，曲轴箱吸入新鲜工质，以备下一循环充气、扫气用。

4-28 二冲程发动机有哪几种常用的扫气系统？比较这些系统的优缺点及应用场合。 解：扫气系统包括横流扫气、回流扫气和直流扫气。

横流扫气扫气孔和排气孔分别布置在气缸两侧。结构简单，但换气效果不佳，两侧缸壁的热负荷和受力都不均匀。

回流扫气扫、排气孔布置在气缸同侧。扫气效果要比横流扫气好很多，同时保留了结构简单的优点。

直流扫气在缸盖上设置排气门以代替排气孔，扫气孔沿切线排列。大大改善了换气质量，优点很多。但由于增设了排气门机构，换气系统复杂，发动机高度增加。

4-29 为什么二冲程汽油机没有在汽车中得到广泛应用？如果想发展车用二冲程汽油机，应采用哪些技术措施？

解：二冲程汽油机的主要优点是升功率高，动力性好；其主要缺点是换气效果差，经济性能和排放性能受限。

发展车用二冲程汽油机需要找到高效的换气（扫气）技术，改善换气效果，提高充量系数，同时减少扫气过程中的HC排放。例如，可以采用换气效果最好的直流扫气技术代替目前常用的回流扫气技术。

第五章

28