發動機原理教材中四沖程柴油機換氣過程的討論

張蘇明

中國農業大學出版社 北京市 100193

發動機（內燃機）原理是能源與動力工程、車輛工程、船舶工程、航空發動機、工程機械、農業機械、林業機械、交通運輸等專業的必修課，所以市場上發動機（內燃機）原理等方面的教科書版本很多。不管是發動機原理還是內燃機原理，大都會有四沖程發動機換氣過程的內容，其中不乏國家級規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

發動機（內燃機）工作循環是發動機（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效率等。筆者在查閱四沖程發動機的換氣過程時發現，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，超臨界狀態和亞臨界狀態的分界點不同，以及亞臨界狀態的結束點不同。

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：/≥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：/＜臨界值。

同時也可以發現各教材中的不同點：

（1）關于超臨界狀態結束的時間：①認為超臨界狀態延續到強制排氣初期，下止點后10°～30° CA。②認為超臨界狀態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，強制排氣即為亞臨界狀態。

（2）關于亞臨界狀態結束的時間：①認為亞臨界狀態持續到排氣過程結束。②認為亞臨界狀態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；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，超臨界狀態結束，亞臨界狀態開始；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，可以將超臨界狀態結束點畫在下止點，或將自由排氣階段和超臨界狀態結束點均畫在下止點，不影響分析和理解。

（3）亞臨界狀態是指/＜臨界值的狀態，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持續到排氣階段結束。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和亞臨界狀態，在圖上表現為亞臨界狀態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。