发动机原理教材中四冲程柴油机换气过程的讨论

张苏明

中国农业大学出版社 北京市 100193

发动机（内燃机）原理是能源与动力工程、车辆工程、船舶工程、航空发动机、工程机械、农业机械、林业机械、交通运输等专业的必修课，所以市场上发动机（内燃机）原理等方面的教科书版本很多。不管是发动机原理还是内燃机原理，大都会有四冲程发动机换气过程的内容，其中不乏国家级规划教材和在此基础上评选出来的普通高等教育精品教材。笔者查阅了十几种有影响的出版社和作者的教材，发现关于四冲程柴油机换气过程中排气过程的介绍和示意图，有一些显著不同，有的教材中图和文字是矛盾的，这会给学生和其他读者学习理解造成困惑。

1 问题的提出

发动机（内燃机）工作循环是发动机（内燃机）原理分析的基础，此类教材中一般都是在介绍换气过程的基础上，分析换气损失和循环效率等。笔者在查阅四冲程发动机的换气过程时发现，各教材对排气过程的介绍出入较大，主要的不同在换气过程压力随曲轴转角变化曲线（-图），具体表现为自由排气和强制排气的分界点不同，超临界状态和亚临界状态的分界点不同，以及亚临界状态的结束点不同。

图1 为此类教材中4 种有代表性的-图。有的教材只有换气过程的文字表述，没有-图。

图1 发动机（内燃机）原理教材中有代表性的4 种换气过程p-φ 图

2 问题分析

发动机的排气过程非常复杂，可以用“瞬息万变”来形容，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开的，压力测量的准确程度和传感器的位置、响应速度等有很大关系，-图只能表示压力的变化趋势和相对关系，因此各教材中均以定性分析为主，让学生对换气过程中压力变化、气流运动建立定性认识。通过对这些教材的仔细研读，可以总结出下述共同点：

（1）自由排气阶段：气缸内气体压力远大于排气管压力，排气速度极快，大部分气体在此阶段排出；约占整个排气过程的1/3，一般在下止点后10°～30°CA 结束。

（2）强制排气阶段：气缸内气体平均压力略高于排气管压力（高10kPa），主要依靠活塞上行将气体推出气缸；约占整个排气过程的2/3。

（3）超临界状态：/≥临界值（约为1.9），气体以音速排出，在下止点后很快结束。

（4）亚临界状态：/＜临界值。

同时也可以发现各教材中的不同点：

（1）关于超临界状态结束的时间：①认为超临界状态延续到强制排气初期，下止点后10°～30° CA。②认为超临界状态在强制排气阶段到来前结束，只存在于自由排气阶段。③认为自由排气即为超临界状态，强制排气即为亚临界状态。

（2）关于亚临界状态结束的时间：①认为亚临界状态持续到排气过程结束。②认为亚临界状态在自由排气阶段结束时结束。

（3）关于自由排气结束时的压力关系：①认为气缸压力接近但大于排气管压力。②认为=。有的教材没有讨论自由排气结束时两压力的大小关系，但是从相关内容可以判断出，自由排气结束时＞（仍处于超临界状态；下止点后10°～30° CA，平均压差约为0.01 ～0.02 MPa；下止点后10°～30° CA，超临界状态结束，亚临界状态开始；下止点后10°～30° CA）。

3 合理的换气过程p-φ 图

根据上述分析，可以得出如下相对一致的结论：

（1）自由排气阶段约占整个排气阶段的1/3，强制排气阶段约占2/3。

（2）自由排气阶段和超临界状态均在下止点附近结束，大部分教材认为自由排气阶段在下止点后10°～30° CA 结束，超临界状态在下止点后不久、自由排气阶段内结束。有的教材认为分界点难以精确确定，为了叙述方便，简化图上标注，可以将超临界状态结束点画在下止点，或将自由排气阶段和超临界状态结束点均画在下止点，不影响分析和理解。

（3）亚临界状态是指/＜临界值的状态，这一条件在自由排气阶段后期和强制排气阶段均满足，因此可以认为亚临界状态持续到排气阶段结束。但一般教材主要关注自由排气阶段的剧烈变化，因此只在自由排气阶段讨论超临界状态和亚临界状态，在图上表现为亚临界状态和自由排气阶段同时结束。

综上可以画出相对合理的-图，如图2 所示。

图2 相对合理的四冲程柴油机换气过程p-φ 图[14]

4 结束语

很多发动机原理、内燃机原理教材，包括20 世纪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职业教育用教材，以及一些汽车修理方面的书籍，都采用了这个换气过程-图，可见这是一个很经典的示意图，有的作者按照自己的理解做了一些改动。尽管如此，只要出现了此图的，文字和图总有一些矛盾。

（1）不少教材以=（图2 中点）为自由排气阶段和强制排气阶段转换的条件，这样的话图上无法体现“自由排气在下止点后10°～30° CA 结束、自由排气阶段约占整个排气阶段1/3”。有的教材中为了使文字和图一致，缩短了点之前曲线所占曲轴转角，使自由排气阶段大约为整个排气阶段的1/3（如图3 所示），但是仍不能满足“自由排气阶段在下止点后10°～30° CA 结束”。

图3 改变了自由排气阶段所占曲轴转角的p-φ 图[15]

（2）以=为自由排气和强制排气转换的条件，在强制排气阶段基本都小于，也无法满足“强制排气阶段气缸内平均压力比略高”的条件（大部分教材均有此表述）。

这些教材的作者都是长期从事相关研究、教学的学者，我们并不能认为他们对这些问题的认识存在偏差，可能是由于这个示意图太司空见惯，疏于仔细审核，才造成了图文不符，这对学生和参阅这些教科书的读者，可能会造成困惑，况且学生学习的不仅仅是知识，更是通过教材传达出的严谨和认真的态度，后者可能对学生和读者的影响更为深远。希望此文能够引起有关教材作者和编辑的重视，尽快修改教材中的错误，以方便读者学习使用。