發(fā)動機原理教材中四沖程柴油機換氣過程的討論

張?zhí)K明

中國農業(yè)大學出版社 北京市 100193

發(fā)動機（內燃機）原理是能源與動力工程、車輛工程、船舶工程、航空發(fā)動機、工程機械、農業(yè)機械、林業(yè)機械、交通運輸等專業(yè)的必修課，所以市場上發(fā)動機（內燃機）原理等方面的教科書版本很多。不管是發(fā)動機原理還是內燃機原理，大都會有四沖程發(fā)動機換氣過程的內容，其中不乏國家級規(guī)劃教材和在此基礎上評選出來的普通高等教育精品教材。筆者查閱了十幾種有影響的出版社和作者的教材，發(fā)現關于四沖程柴油機換氣過程中排氣過程的介紹和示意圖，有一些顯著不同，有的教材中圖和文字是矛盾的，這會給學生和其他讀者學習理解造成困惑。

1 問題的提出

發(fā)動機（內燃機）工作循環(huán)是發(fā)動機（內燃機）原理分析的基礎，此類教材中一般都是在介紹換氣過程的基礎上，分析換氣損失和循環(huán)效率等。筆者在查閱四沖程發(fā)動機的換氣過程時發(fā)現，各教材對排氣過程的介紹出入較大，主要的不同在換氣過程壓力隨曲軸轉角變化曲線（-圖），具體表現為自由排氣和強制排氣的分界點不同，超臨界狀態(tài)和亞臨界狀態(tài)的分界點不同，以及亞臨界狀態(tài)的結束點不同。

圖1 為此類教材中4 種有代表性的-圖。有的教材只有換氣過程的文字表述，沒有-圖。

圖1 發(fā)動機（內燃機）原理教材中有代表性的4 種換氣過程p-φ 圖

2 問題分析

發(fā)動機的排氣過程非常復雜，可以用“瞬息萬變”來形容，教材中的分析也是在忽略次要因素、突出主要因素的前提下展開的，壓力測量的準確程度和傳感器的位置、響應速度等有很大關系，-圖只能表示壓力的變化趨勢和相對關系，因此各教材中均以定性分析為主，讓學生對換氣過程中壓力變化、氣流運動建立定性認識。通過對這些教材的仔細研讀，可以總結出下述共同點：

（1）自由排氣階段：氣缸內氣體壓力遠大于排氣管壓力，排氣速度極快，大部分氣體在此階段排出；約占整個排氣過程的1/3，一般在下止點后10°～30°CA 結束。

（2）強制排氣階段：氣缸內氣體平均壓力略高于排氣管壓力（高10kPa），主要依靠活塞上行將氣體推出氣缸；約占整個排氣過程的2/3。

（3）超臨界狀態(tài)：/≥臨界值（約為1.9），氣體以音速排出，在下止點后很快結束。

（4）亞臨界狀態(tài)：/＜臨界值。

同時也可以發(fā)現各教材中的不同點：

（1）關于超臨界狀態(tài)結束的時間：①認為超臨界狀態(tài)延續(xù)到強制排氣初期，下止點后10°～30° CA。②認為超臨界狀態(tài)在強制排氣階段到來前結束，只存在于自由排氣階段。③認為自由排氣即為超臨界狀態(tài)，強制排氣即為亞臨界狀態(tài)。

（2）關于亞臨界狀態(tài)結束的時間：①認為亞臨界狀態(tài)持續(xù)到排氣過程結束。②認為亞臨界狀態(tài)在自由排氣階段結束時結束。

（3）關于自由排氣結束時的壓力關系：①認為氣缸壓力接近但大于排氣管壓力。②認為=。有的教材沒有討論自由排氣結束時兩壓力的大小關系，但是從相關內容可以判斷出，自由排氣結束時＞（仍處于超臨界狀態(tài)；下止點后10°～30° CA，平均壓差約為0.01 ～0.02 MPa；下止點后10°～30° CA，超臨界狀態(tài)結束，亞臨界狀態(tài)開始；下止點后10°～30° CA）。

3 合理的換氣過程p-φ 圖

根據上述分析，可以得出如下相對一致的結論：

（1）自由排氣階段約占整個排氣階段的1/3，強制排氣階段約占2/3。

（2）自由排氣階段和超臨界狀態(tài)均在下止點附近結束，大部分教材認為自由排氣階段在下止點后10°～30° CA 結束，超臨界狀態(tài)在下止點后不久、自由排氣階段內結束。有的教材認為分界點難以精確確定，為了敘述方便，簡化圖上標注，可以將超臨界狀態(tài)結束點畫在下止點，或將自由排氣階段和超臨界狀態(tài)結束點均畫在下止點，不影響分析和理解。

（3）亞臨界狀態(tài)是指/＜臨界值的狀態(tài)，這一條件在自由排氣階段后期和強制排氣階段均滿足，因此可以認為亞臨界狀態(tài)持續(xù)到排氣階段結束。但一般教材主要關注自由排氣階段的劇烈變化，因此只在自由排氣階段討論超臨界狀態(tài)和亞臨界狀態(tài)，在圖上表現為亞臨界狀態(tài)和自由排氣階段同時結束。

綜上可以畫出相對合理的-圖，如圖2 所示。

圖2 相對合理的四沖程柴油機換氣過程p-φ 圖[14]

4 結束語

很多發(fā)動機原理、內燃機原理教材，包括20 世紀七八十年代出版的到近期出版的，普通高等教育用教材和高等職業(yè)教育用教材，以及一些汽車修理方面的書籍，都采用了這個換氣過程-圖，可見這是一個很經典的示意圖，有的作者按照自己的理解做了一些改動。盡管如此，只要出現了此圖的，文字和圖總有一些矛盾。

（1）不少教材以=（圖2 中點）為自由排氣階段和強制排氣階段轉換的條件，這樣的話圖上無法體現“自由排氣在下止點后10°～30° CA 結束、自由排氣階段約占整個排氣階段1/3”。有的教材中為了使文字和圖一致，縮短了點之前曲線所占曲軸轉角，使自由排氣階段大約為整個排氣階段的1/3（如圖3 所示），但是仍不能滿足“自由排氣階段在下止點后10°～30° CA 結束”。

圖3 改變了自由排氣階段所占曲軸轉角的p-φ 圖[15]

（2）以=為自由排氣和強制排氣轉換的條件，在強制排氣階段基本都小于，也無法滿足“強制排氣階段氣缸內平均壓力比略高”的條件（大部分教材均有此表述）。

這些教材的作者都是長期從事相關研究、教學的學者，我們并不能認為他們對這些問題的認識存在偏差，可能是由于這個示意圖太司空見慣，疏于仔細審核，才造成了圖文不符，這對學生和參閱這些教科書的讀者，可能會造成困惑，況且學生學習的不僅僅是知識，更是通過教材傳達出的嚴謹和認真的態(tài)度，后者可能對學生和讀者的影響更為深遠。希望此文能夠引起有關教材作者和編輯的重視，盡快修改教材中的錯誤，以方便讀者學習使用。