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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9-5 汽油机与柴油机相比，THC生成机理有何异同？其不同之处的主要原因是什么？ 解：在汽油机中，HC的生成机理包括：不完全燃烧、壁面淬熄效应和壁面油膜和积碳的吸附效应三种。而对于柴油机，由于其较大的空燃比，以及柴油机扩散燃烧的燃烧方式特点，使得柴油机由于不完全燃烧、壁面淬熄效应和壁面油膜和积碳的吸附效应生成的HC较少。而柴油机的主要HC生成途径为：混合不均匀，以及喷油器压力室容积的影响。
9-6 用NDIR和FID方法测量碳氢化合物排放浓度时，两者的结果往往不同，试分析其原因。 解：FID方法采用氢离子火焰法，测得的为全部碳氢化合物的含量；而NDIR方法采用不分光红外法，测得的为部分碳氢化合物的含量。因此两种方法测量碳氢化合物排放浓度的结果通常不同，且FID方法测得值应大于NDIR方法的测得值。
9-7 汽车排放法规是如何分类的？世界上有哪几个主要排放测试评价体系？中国是参照什么排放体系制定汽车排放标准的？
解：排放法规可以分为两大类，即怠速法和工况法。其中工况法又根据车型种类不同而分为重型车排放法规和轻型车排放法规。
世界上的汽车排放法规主要有三个体系，即美国、欧洲和日本排放体系。 我国是参照欧洲排放法规制定排放标准的。
9-8 说明推迟点火或供油提前角均能减小汽、柴油机NOx排放的原因。有何相同以及有何不同？会使NOx与哪些性能产生Trade-off关系？
解：相同：都是通过降低燃烧温度来达到降低NOx排放的目的。
不同：汽油机降低燃烧温度的原理为通过推迟燃烧相位使燃烧时间后移，从而由于活塞下行，燃烧等容度降低，最终降低燃烧温度；而柴油机推迟供油提前角的作用有两点，第一，与汽油机类似，降低燃烧等容度，降低燃烧温度；第二，越接近上止点喷油，缸内温度越高，着火落后期可以缩短，形成的可燃混合气量减少，因而燃烧初期的放热速率降低，导致燃烧温度降低。
NOx和油耗存在trade-off关系，因为控制燃烧温度以降低NOx时，会使燃烧等容度降低，热效率降低，增加油耗。另外，对于柴油机，NOx和PM的排放也存在trade-off关系。
9-9 EGR在降低NOx的机理上与推迟点火或喷油时间的技术措施有何异同？内部EGR降低NOx的效果比外部EGR高还是低？ 解：EGR和推迟点火或喷油的异同：
相同：都使燃烧温度降低以降低NOx； 不同：造成温度降低的原因不同。
外部EGR降低NOx的效果好。因为内部EGR造成缸内的残留废气温度较高，而外部EGR通过涡轮或中冷装置，可以降低EGR的温度，从而降低燃烧温度，抑制NOx的生成。
9-10 为同时降低柴油机NOx和PM排放，应如何设计优化放热规律？为此应如何优化喷油规律？ 解：为了同时降低柴油机NOx和PM排放，初期放热速率不能过大以防止NOx的大量生成，中期应尽量提高燃烧速率和放热速率，同时应减少后燃期的燃烧时间，避免PM的生成。
为此，合理的喷油规律应满足“初期缓慢，中期急速，后期快断”的特点，其形状近似于“靴型”。
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