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_汽车发动机原理课后习题答案第一章1-1 图1-2示出了自然吸气与增压四冲程发动机的示功图，请问：（1）各自的动力过程功、泵气过程功指的是图中哪块面积？功的正负如何？（2）各自的理论泵气功、实际泵气功和泵气损失功指的是图中哪块面积？功的正负如何？（3）各自的净指示功和总指示功又是由图中哪些面积组成？功的正负如何？（4）造成自然吸气与增压发动机示功图差异的原因是什么？解：由图1-2，(1)自然吸气：动力过程功=面积aczbaWt=W1+W3，正功泵气过程功=面积 W2+W3，负功增压：动力过程功=面积aczbaWt=W1，正功泵气过程功=面积brab Wt=W2，正功(2)自然吸气：理论泵气功=0实际泵气功=W2+W3，负功泵气损失功W2+W3负功增压：理论泵气功=pk和pb间的矩形面积，正功实际泵气功=W2，正功泵气损失功=阴影面积，负功(3)自然吸气：总指示功W1+W3，正功净指示功(W1+W3)-(W2+W3)=W1-W2，正功增压：总指示功=W1(pb-pk)*Vs ，正功净指示功=W1+W2，正功(4)差异的原因：增压发动机的进气压力高于排气压力，因此泵气过程功为正。1-2 增压四冲程发动机在中、小负荷工况运转时，有可能出现压气机后进气压力pb小于涡轮前排气压力pk的情况，请画出此时发动机一个循环的p-V图，标出上下止点、进排气门开关和着火时刻的位置，以及理论泵气功和泵气损失功面积，并判断功的正负。解：p-V图如下图所示：理论泵气功：绿线包围的矩形面积，负功实际泵气功：进排气线包围的面积，负功泵气损失功：两块面积之差，负功1-3假设机械增压与涡轮增压四冲程发动机的动力过程功Wt和压气机后压力pb均相同，请问两者的示功图有何异同？二者的泵气过程功有何差异？为什么？解：涡轮增压的理论排气线为pk，机械增压的理论排气线为p0；且涡轮增压的实际排气线位于机械增压实际排气线的上方。机械增压的泵气功大，因为机械增压的排气压力更低。1-4图1-4曲轴箱扫气二冲程发动机的示功图两块面积各表示什么含义？说明曲轴箱换气功的形成过程，并判别功的正负。解：上图-缸内工质对活塞做的功；下图-曲轴箱内工质对活塞做的功。对于气缸，排气门先开启排气，然后扫气门开启开始扫气，扫气门关闭时扫气结束，排气门关闭后整个气缸的换气过程结束。对于曲轴箱，进气门从开启到关闭为进气过程，扫气门从开启到关闭为扫气过程。曲轴箱换气功为负功。1-5为什么发动机性能指标有指示指标与有效指标的分别？两种指标各在什么场合使用？为什么一般不把净指示功作为常用的指示功指标？解：指示指标：不受循环过程中机械摩擦、附件消耗以及进排气和扫气流动损失的影响，直接反应缸内热功转换进行的好坏，因而在内燃机工作过程分析中广泛应用；有效指标：被用来直接评定发动机实际工作性能的优劣，因而在发动机生成和试验研究中广泛应用。因为净指示功难以直接测算得出，所以一般不把净指示功作为常用的指示功指标。1-6 发动机的动力、经济性能在生产使用中主要用哪几个指标来表示？如果要进行不同机型性能的对比，应该使用何种动力、经济性能指标？解：动力性：功率、扭矩、速度；经济性：有效效率、燃油消耗率、润滑油消耗率。不同机型对比常用：有效平均压力、升功率和be。1-7为什么发动机原理把有效平均压力pme当作一个极为重要的性能指标？解：因为pme与整机的功率、扭矩和功都成正比，又是可比指标，是表示动力性能的最具代表指标。1-8为什么说活塞平均速度m是比转速n更为本质的动力性能速度指标？解：因为转速n只能作为同一机型的速度指标，不能用来判断不同机型运动速度的快慢。1-9 试推导以有效平均压力pme表示的有效输出功率Pe和有效转矩Ttq的计算公式（标出各参数的量纲）；比较同为动力性指标的Pe和Ttq有何区别；分析在发动机结构参数不变的前提下提高输出功率Pe的途径。解：和，其中：pme量纲为MPa，Pe量纲为kW，Ttq量纲为N.m。提高输出功率Pe的途径：提高转速，增大平均有效压力（增压，提高效率等）。1-10为什么说发动机转速n确定后输出功率Pe（或转矩Ttq）主要取决于有效效率et和循环可燃混合气进气量（汽油机）或循环供油量（柴油机）？而有效燃料消耗率be则主要取决于有效效率et？解：当转速n确定后，单位时间内做功的次数一定。决定做功快慢的主要因素变为一次做功的多少。而循环可燃混合气量和循环喷油量所产生的热量与有效效率的乘积即为每循环做的功。因此，当n确定后，循环可燃混合气量和循环喷油量所产生的热量与有效效率成为影响Pe主要指标。1-11燃料低热值Hu和混合气热值Hum有何异同？决定混合气热值的因素有哪些？解：燃料热值：单位质量的燃料在标准状态下，完全燃烧所能释放的热量。可燃混合气热值为单位质量或体积的可燃混合气在标准状态下燃烧所释放的热量。取决于燃料的热值和空燃比。1-12发动机有效效率计算公式het=hchthm中，hc、ht、hm各自的物理含义是什么？自然吸气、涡轮增压和机械增压四冲程发动机的hc、ht和hm有何区别？解：燃烧效率：燃料化学能通过燃烧转化为热能的百分比。循环热效率：燃烧加热量经过发动机工作循环转化为对活塞的指示功的百分比。机械效率：指示功减去机械损失后，转化为有效功的百分比。一般增压发动机大于自然吸气发动机。对于机械效率，涡量增压大于机械增压。1-13影响有效燃料消耗率be的因素有哪些？降低be的途径有哪些？解：影响因素：燃烧效率、机械效率、循环热效率等。降低途径：增压小排量技术、稀薄燃烧、增大压缩比等。1-14可燃混合气的浓与稀可以用哪几个指标表示？各指标的意义为何？彼此间如何换算？解：空燃比：混合气中空气和燃料的质量比。过量空气系数：实际空气量比理论空气量。燃空当量比：理论与实际空气量之比。空燃比与当量比互为倒数。过量空气系数为空燃比与理论空燃比的比值。1-15什么是燃料燃烧时的化学计量比？具有化学计量比的可燃混合气的过量空气系数fa是多少，其空燃比又是多少？解：燃料和空气恰好能够完全反应时两者的比值。具有化学计量比的可燃混合气的过量空气系数fa为1，其空燃比为14.2。1-16基于Pe的综合表达式（1-40）分析：（1）哪些参数属于“质”环节参数？哪些参数属于“量”环节参数？（2）发动机在结构参数不变的情况下，由自然吸气改为涡轮增压时，式中各种参数怎样变化？解：（1）：上式中，、三者为“质”环节参数，其余为“量”环节参数。（2）：发动机由自然吸气改为涡轮增压时，如果燃烧组织得较好，、略有增加，、大幅增加，、不变。1-17一台4缸四冲程火花点火发动机（缸径D80mm，冲程s76.5mm）节气门全开时在台架上的测量结果如下：发动机转速n=5900 r/min；有效转矩Ttq=107.1 Nm；指示平均压力pmi=1.19 MPa。计算：（1）循环指示功Wi；（2）指示功率Pi和有效功率Pe；（3）有效平均压力pme；（4）机械效率hm；（5）机械损失功率Pm和机械损失平均压力pmm。解：(1)(2)(3)(4)(5)1-186135Q-1四冲程柴油机的冲程s140mm，在发动机转速n=2200r/min时的机械效率为hm =0.75，有效输出功率Pe=154kW，有效燃料消耗率为be=217g/（kWh）。已知柴油机低热值为Hu=42500kJ/kg。求此时发动机的pme、Ttq、Pm、het和Wi各值。解：1-19一台6缸四冲程柴油机（缸径D102mm；冲程s125mm），在全负荷时的台架测量结果如下：21.22 s内消耗燃料体积200 cm3，燃料密度0.83 kg/dm3；30.1 s内消耗空气体积5m3；环境空气压力0.1 MPa；环境空气温度300 K；有效转矩424 Nm；发动机转速2650 r/min；机械损失平均压力0.1758 MPa；柴油低热值42500 kJ/kg。计算该测试条件下：（1）燃料体积流量和质量流量；（2）空气体积流量和质量流量；（3）有效功率Pe；（4）有效燃料消耗率be和有效热效率het；（5）指示燃料消耗率bi和指示热效率hit。解： 1-20一台排量为4.6 L的四冲程V8汽油机采用了断缸技术，当功率需求减小时，切换成2.3 L排量的V4工作模式。该发动机在转速为1750 r/min时，采用V8工作模式，此时发动机的充量系数为0.51，机械效率为0.75，空燃比为14.5，发出的有效功率是32.4 kW。发动机在更高的转速下切换成V4工作模式时，充量系数为0.86，机械效率为0.87，空燃比为18.2。假定不同转速下的指示热效率相同，且燃烧效率为100%，空气是在20和0.1MPa的条件下吸入气缸的。计算：（1）1750 r/min时，V8工作模式的进气质量流量（kg/s）；（2）1750 r/min时，V8工作模式的燃料消耗质量流量（kg/s）；（3）1750 r/min时，V8工作模式的有效燃料消耗率（g/(kWh)）；（4）V4工作模式发出与V8工作模式相同有效功率所需的转速（r/min）；（5） 上述V4工作模式时发动机的有效燃料消耗率（g/(kWh)）。解：（1）根据pv=nRT，有以下关系式（2）（3）（4）因为只是热效率相等，所以：（5）be*0.75/0.87=268g/kW.h第二章2-1 缸内工质是从哪几个方面影响发动机的性能及其燃烧模式的？解：(1) 工质的各种热力参数质(2) 燃料热值（可燃混合气的热值）量(3) 燃料的理化特性不同工作方式(4) 燃料的组份燃烧和排放2-2 什么是发动机的常规燃料和代用燃料？代用燃料是如何分类的？为什么要加强代用燃料的研究和应用？解：常规燃料：汽油、柴油。代用燃料：除石油汽油、柴油以外的烃类/醇类/醚类/酯类/氢气等燃料；分类详见表2-1。加强代用燃料研究主要出于能源安全和环境保护考虑。2-3 醇、醚和酯类燃料都是含氧燃料，它们的分子结构各有什么特点？分别列出12种常用的醇、醚和酯类代用燃料及其燃烧模式。解：醇类是烃类物质中的氢被羟基取代的产物。常见醇类燃料有甲醇和乙醇。因其辛烷值较高，一般为点燃；醚类物质是两个烃基通过氧原子连接起来的化合物。常见醚类燃料为二甲醚，其十六烷值较高，一般为压燃；酯类物质是烃类物质中的氢被羧基取代的产物。常见酯类燃料为生物柴油，其十六烷值较高，一般为压燃。2-4 分子结构相同的烃燃料，其分子中碳原子数的多少对发动机的性能有何影响？原因何在？解：C越多，化学稳定性差，着火温度低，易自燃；但物理稳定性好，不易气化。因为高C烃结构庞大冗长，易于裂解；但相对分子量较大，不易气化。2-5成分相同但分子结构不同的烃燃料对发动机的性能有何影响？原因何在？解：（1）链与环 环化学稳定性好，不易自燃；（2）直链与支链（或正烷与异烷）支链（异烷）的化学稳定性好，抗爆好（如正庚烷C7H16和异辛烷C8H18的辛烷值分别为0和100）；（3）单键和多键多键非饱和烃不易断链，不易自燃，但安定性差，贮存中易氧化结胶(如烯烃)。2-6 为什么对压燃式柴油机是优良的燃料，对点燃式汽油机则一般是不良的燃料？综合考虑发动机的动力、经济性和排放要求，理想的汽油和柴油应由何种结构和成分的烃燃料组成？解：因为柴油机燃料一般有较高的十六烷值以便压燃，高十六烷值意味着容易自燃，如果应用在点燃式汽油机上，会引起严重的爆震，造成发动机性能及寿命下降。汽油机使用的燃料要求有较高的辛烷值，以抑制爆震产生。另外柴油燃料一般不易气化，不利于火焰传播，会造成排放升高。从何考虑发动机的各种性能，理想的柴油机燃料应由碳原子数为16左右的直链烷烃构成，而汽油机燃料应由碳原子数为8左右的异构烷烃或环烷烃构成。2-7 正十六烷与-甲基萘的十六烷值分别为多少？为什么两者的着火特性有显著差别？解：十六烷值CN = 100，自燃性很好； 甲基萘 CN = 0，自燃性很差。其着火特性与C原子数密切相关。2-8 测定辛烷值时，为什么有的燃料的辛烷值会大于100？为什么有的燃料的RONMON，而有的燃料却是RONMON；反之，RON1.2（3）负荷调节方式不同：汽油机预混合，a基本保持不变，量调节柴油机分层混合，a变化范围大（0），质调节原因：燃料的理化特性不同。2-14汽油可以压燃吗？如果可以，汽油压燃有什么优缺点？如果不可以，请说出理由。解：汽油可压燃。例如稀混合气条件下的汽油匀质混合气压燃HCCI，以实现汽油机的高效低污染燃烧。2-15影响工质比热容的主要因素有哪些？影响趋势如何？比热容为什么对发动机的动力、经济性有重大影响？解：影响因素：温度和分子的自由度数。cp、cV随温度T上升而增加，K随温度T上升而下降。分子自由度(原子数)增大，cp和cV增大，K减小。K越大，cp和cV越小，相同加热量下，工质温升越高，循环热效率高。2-16 影响残余废气系数fr的主要因素有哪些？为什么汽油机的fr一般比柴油机的大？而增压柴油机的fr很小？解：影响残余废气系数的主要因素：进排气压力、转速、压缩比、配气相位和排气系统动态特性。汽油机fr偏高是因为小，压缩容积大，低负荷时进气节流强使新鲜充量下降；增压柴油机fr小是因为扫气效果强。2-17燃料燃烧后分子数大于燃烧前分子数的主要原因是什么？为什么汽油机的分子变化系数比柴油机大？解：柴油机分子系数较小原因：一是由于平均过量空气系数较大，混合气中有较多空气不参与反应；另外，柴油含H量低。2-18可燃混合气热值有哪几种表示方法？各自的物理意义是什么？哪一种表示方法更能反映工质作功能力的大小？解：单位质量或单位体积可燃混合气发出的热量(kJ/kg或kJ/m3)。(Hum)V代表混合气的能量密度，越高则相同工作容积发出的功率越高(即pme高)。2-19为什么含氧液体燃料的热值比汽、柴油低得多，但其可燃混合气热值却相差不大？为什么天然气的热值比汽油大，但其可燃混合气热值反而低？解：气体烃 H/C高，Hu高，但本身是气体（密度小），加上H燃烧要求空气多，Hum小。含氧燃料（甲、乙醇）本身含O，Hu低，但需空气也少（l0小），Hum与汽、柴油相近。2-20氢的可燃混合气热值很低，因此实用上都是向缸内喷射液态氢以提高发动机的有效平均压力，这是不是意味着增大了氢的可燃混合气热值呢？解：缸内直接喷液态氢提高平均有效压力，相当于增压的效果使混合气的密度上升，每循环的发热量也上升。2-21 计算并对比汽油、柴油、天然气、乙醇四种燃料的单位kJ发热量对应的CO2产生量。为减少CO2排放量和改善全球温室效应，应如何选择汽车燃料?解：燃烧释放单位kJ的热量，汽油、柴油、天然气和乙醇分别生成的的CO2质量分别为：从以上数据可以看出，四种燃料中，天然气燃烧释放单位kJ的热量所产生的CO2最少，从改善温室效应的角度看，车用燃料应使用天然气。2-22一台小型3缸涡轮增压车用发动机燃用异辛烷燃料，发动机吸入的空气量为化学计量比空气量的120%。计算此时混合气的：（1）过量空气系数；（2）空燃比；（3）燃空当量比。解：(1)=l/l0=1.2(2) 异辛烷C8H18 l0=(8/3gc+8gH-go)/0.232=15.1(3) 空燃比=* l0=15.1*1.2=18.2(4) 燃空当量比2-23 一种燃料的组分构成如下：40（wt）正己烷（C6H14）；30（wt）异辛烷（C8H18）；25 （wt）环己烷（C6H12）；5（wt）苯（C6H6）。如果燃料混合气的空燃比是17，计算此时混合气的燃空当量比。解：C6H14完全燃烧的化学反应方程式为：C8H18完全燃烧的化学反应方程式为：C6H12完全燃烧的化学反应方程式为：C6H6完全燃烧的化学反应方程式为：又由O2的摩尔质量为32g/mol，O2在空气中的质量百分比为23.2%，所以1kg该种燃料完全燃烧所需要的理论空气质量为：即该种燃料的化学计量比为l0=14.9895，因而其过量空气系数为：从而可得该种燃料的燃空当量比为：2-24 计算由甲醇和汽油组成的混合燃料（甲醇占20体积，汽油占80%体积）燃烧时所需的化学计量空燃比，以及混合燃料的可燃混合气质量热值和体积热值。假设过量空气系数为1.1，环境温度为293K，环境压力为0.1MPa，汽油密度为0.760kg/L，甲醇密度为0.795kg/L。解：混合燃料中甲醇的质量分数为：则汽油的质量比为：g汽油=1-0.207=0.793混合燃料的化学计量空燃比为：混合气的单位质量低热值为：查表取汽油的相对分子质量为107.5，则混合燃料形成的混合气在题目给定条件时的密度为：所以，单位体积混合气热值为：2-25 甲烷（CH4）与空气按化学计量比混合并完全燃烧，燃烧产物中只有二氧化碳（CO2）、水（H2O）和氮气（N2），分别计算该燃烧反应在定压和定容条件下的绝热燃烧温度，并分析两者产生差异的原因。假设初始反应状态为标准热状态（298K，101.3kPa），燃烧产物CO2、H2O和N2的定压比热容在绝热燃烧条件下分别取56.21、43.87和33.71kJ/(kmolK)。解：(1)查得各物质生成焓如下：;由解得，该燃烧反应在定压条件下的绝热燃烧温度为(2)由解得定容条件下的绝热燃烧温度为，这是因为在定容条件下无膨胀功之故。第三章3-1应用工程热力学的公式和曲线对封闭热力学系统热力过程和状态进行分析时，应该满足哪些必要的理想条件？分析发动机的动力过程时，能否满足这些要求？解：准稳态过程、内部可逆。事实上，虽然导致发动机丧失状态平衡的物理过程很快，但是瞬间恢复平衡的弛豫时间更短。因此，缸内工质可以作准平衡态处理。缸内不可逆因素不可避免，但因不可逆损失值与整个系统对外的热功交换值相比极小，因此发动机缸内可以作内可逆过程处理。3-2发动机的理论循环、理想循环和真实循环三者之间有何差别？为什么要把发动机的工作循环划分为三种循环进行分析？解：（1）理论循环：工质理想气体（空气），物性参数(比热比，)为常数，不随温度变化；循环理想循环；封闭热力循环：系统加热燃烧放热；系统放热气体交换(进、排气)；特殊热力过程：绝热压缩和膨胀；等容或等压加热和放热；（2）理想循环：工质真实工质；循环理想循环；（3）真实循环：工质真实工质；循环真实循环；理论循环最简化而又能突出发动机工作过程本质特征，理想循环是理论循环和真实循环之间的中间模型。为了完善循环分析，所以建立了三种模型。3-3分别在同一张p-V图和T-S图上画出在加热量和压缩比相同条件下的等容循环、等压循环和混合循环，比较它们的循环热效率大小，并说明原因。解：加热量和压缩比相同条件下. q2,pq2,sq2,vt,pt,st,v。因为压缩比相同时，等容循环的热效率最高。3-4依据循环理论和汽、柴油机相关参数的实际范围，利用T-S图解释为什么柴油机比汽油机热效率高？解：从T-S图上可以看到，如果初始条件相同，由于柴油机的压缩比较高，压缩终点的温度也相对较高。高温提高了能量的品质，使总的吸热量/散热量大大降低，因而，柴油机的热效率高。3-5什么是发动机循环加热的等容度？等容度与等容加热是一回事吗？等容度与预膨胀比是什么关系？为什么提高等容度可以提高循环热效率？解：混合循环的等容度：各微循环真实压缩比的算术平均值与理论压缩比的比值。等容度反映了真实燃烧加热过程接近上止点等容燃烧加热的程度。等容度不等同于等容加热，等容度与预胀比成反比。等容度越高，各个微循环的真实压缩比就越大，因而每个微循环的热效率就越高，综合的热效率也就越高。3-6如何计算涡轮增压发动机和机械增压发动机的指示效率it和机械效率m？两者的it和m有何差别？与自然吸气原型机相比，增压发动机的it和m是加大了还是减小了？为什么？解：指示效率可用指示功与消耗燃料的放热量的比值求得。机械效率为有效功与指示功的比值。涡轮增压发动机的机械效率一般比相应的自然吸气发动机的高。指示效率两者差别不大。指示效率变化不大，机械效率增大。3-7柴油机的压缩比比汽油机高很多，但为什么汽油机的燃烧最高温度比柴油机高？为什么在相同条件下也是汽油机的有效平均压力高于柴油机？解：虽然汽油机压缩比较低，但由于混合气较浓而且等容度也较高，所以最高燃烧温度较高。且柴油机使用稀燃，空燃比较高，总的热容比较大。3-8 简述理论循环，分析对改善内燃机动力、经济性能的指导意义。解：（1）指出了改善发动机动力性、经济性的基本原则和方向：提高压缩比；提高等容度；增加等熵指数等。（2）提供了发动机之间进行动力性、经济性对比的理论依据。3-9若将真实工质特性替代理论循环的理想工质特性，将在哪几个方面对热效率产生影响？影响趋势如何？考虑真实工质特性之后，高、低负荷条件下，汽油机和柴油机的热效率的差距是加大了还是减小了？为什么？解：真实工质对热效率的影响：（1） 比热容：真实工质 理想工质 真实工质t（2） 高温热分解：燃烧放热时间拉长等容度t。（3） 工质分子变化系数：影响不大（4）过量空气系数：a1，空气单双原子 T t；考虑真实工质特性后，汽、柴油机热效率差距加大。3-10什么是相对热效率rel？引入rel有何现实意义？解：相对热效率是真实循环的指示效率与理想循环的热效率之比，它反映了发动机的真实动力循环接近理想动力循环的程度。3-11 真实循环比理想循环多增加了哪些损失？这些损失是怎样产生的？解：（1）传热损失：真实循环并非绝热过程, 通过气缸壁面、缸盖底面、活塞顶面向外散热。（2）时间损失：实际燃烧及向工质加热不可能瞬间完成，因为：存在点火(喷油)提前，使有用功面积下降，t；pz出现在TDC后10CA，而非等容加热，使有用功面积减小。（3）换气损失：排气门早开，造成膨胀功损失。（4）不完全燃烧损失：正常燃烧时，也有c100%；不正常燃烧、a1等， t 。（5）缸内流动损失：流动增强以及提高涡流与湍流程度，t，因为：造成能量损失、散热损失。（6）工质泄漏损失。3-12机械损失由哪几部分组成？每部分损失的特点及其起主要作用的因素是什么？解：（1）机械摩擦损失(5080)：活塞组件、轴承、气门机构等。（2）附件驱动消耗(10)：水泵、机油泵、燃油泵、点火装置等运转必不可少的辅助机构。（3）泵气损失(540)。3-13简述各种机械损失测定方法的原理和适用范围。为什么说除示功图法外，其余三种方法都不可避免地将泵气损失包括在测定值之内？解：内燃机机械损失的主要测定方法有：（1）示功图法：由示功图计算得到的净指示功（增压机）或动力过程功（非增压机）Wi减去台架上测得的有效功We即得到机械损失功Wm，该方法适用于各种机型，但由于对上止点位置的标定精度要求很高，所以只适用于研发工作；（2）倒拖法：是在发动机正常运转后断油或断火，用电机反拖发动机，从而测得的反拖功率即为机械损失功率，该方法适用于压缩比不高的汽油机和小型柴油机；（3）灭缸法：此法仅适用于自然吸气式多缸柴油机，当内燃机调整到给定工况稳定工作后，先测出其有效功率Pe，然后依次将各缸灭火，灭火前后测功机测得的有效功率差值即为该缸的指示功率，各缸相加可得整台发动机的指示功率Pi，再减去发动机的有效功率Pe即得机械损失功率Pm；（4）油耗线法：在转速不变的情况下，测出整机油耗随负荷的变化曲线。将此线外延直到与横坐标相交，则坐标原点与交点间的连线即为机械损失值，该方法适用于自然吸气式柴油机和低增压柴油机。上面这四种测定发动机机械损失的方法中只有示功图法可以得到净循环指示功，因而可以将泵气损失排除在机械损失之外；而其余三种测定方法由于无法排除泵气过程的影响，所以只能将泵气损失包含在机械损失的测定值内。3-14说明油耗线法测量机械损失的原理。为什么汽油机不能应用油耗线法测机械损失？解：油耗线法测量机械损失的原理：在转速不变的情况下，测出整机油耗随负荷的变化曲线。将此线外延直到与横坐标相交，则坐标原点与交点间的连线即为机械损失值，该方法适用于自然吸气式柴油机和低增压柴油机。汽油机的燃油消耗率和负荷不成比例关系，故不适用。3-15 自然吸气汽油机、自然吸气柴油机和涡轮增压发动机各适于使用何种机械损失测定方法？为什么？解：（1）汽油机多用倒拖法，不适合用灭缸法(影响进气均匀性)和油耗线法(不成直线)；（2）自然吸气柴油机适合灭缸法、油耗线法，小型柴油机可以用倒拖法；（3）废气涡轮增压柴油机无法使用倒拖法和灭缸法（废气涡轮不能正常工作），低增压可以用油耗线法（接近自然吸气柴油机）。3-16发动机转速（或活塞平均速度）和负荷对机械效率有何规律性的影响？这一影响规律对发动机的性能提高和使用提出什么新的要求？解：（1）活塞平均速度：cm，摩擦阻力，泵气损失，单靠提高转速来提高功率受限；（2）负荷：负荷Pe，m；怠速m0；增压机型m。提高发动机工作时的负荷率及降低中低负荷的机械损失，对发动机节能有重要意义。3-17发动机润滑油是如何进行分类的？为保证发动机正常良好地运行，对润滑油的黏度提出什么要求？润滑油的选择和使用当中如何满足上述要求？解：发动机润滑油分类涵盖粘度等级和质量等级。选用原则：保证可靠润滑的前提下，尽量选用低粘度的润滑油以减少摩擦损失。3-18 说明图3-24能量转换的各环节中能量利用效率下降的物理实质，并指出提高各环节能量利用效率的可能途径。解：A-B ：受卡诺循环热效率的限制提高燃烧温度，降低放热温度；B-C ：考虑真实工质特性稀燃低温燃烧；C-D ：相对热效率采用压燃提高等容度绝热燃烧；D-E ：机械效率降低摩擦损失可变配气相位。3-19 Miller循环与Atkinson循环有何异同？Miller循环在实际应用时是如何实现节能的？为什么Miller循环发动机一般都采用增压技术？解：Atkinson循环是增加发动机的膨胀冲程；Miller循环的实质是膨胀比大于压缩比，不增加冲程，靠控制进气终点提高热效率。Miller循环常采用VVT技术实现节能，并采用增压技术以弥补进气门早关或晚关造成的进气充量损失。3-20为什么小排量“Downsizing”都同时采用增加技术？其节能的主要原因是什么？解：Downsizing并通过增压，在保证输出功率不变的前提下，提高发动机的有效效率。节能的原因：排量减小，泵气损失减少；机械损失减少；增压还可回收排气能量。3-21增压发动机每循环排气的最大可利用能量是由哪几部分组成的？为什么涡轮增压发动机不可能全部利用这些能量？缸内每循环燃烧废气所具有的最大可利用能量是不是就是排气的最大可利用能？为什么？解：见图3-30，排气可用能量包括：（1）bf1b ：废气能够绝热等熵膨胀至大气压力点所做的功；（2）54215：排气过程中活塞推挤废气所做的功；（3）3gi23：扫气部分转入排气中的能量。废气在到达涡轮机前总免不了有节流、不可逆膨胀、摩擦等损失。废气最大可用能不是排气中可利用的总能量。废气最大可用能还包括活塞的推动和扫气部分的能量。3-22若涡轮增压发动机按定压系统的理论循环运行，请问输入涡轮机的能量是否与压气机输出能量相当？涡轮机输入能量最终消耗在哪几个方面？解：实际进入涡轮机的能量要比压气机输出的能量大很多。因为有发动机泵气过程中的各种流动和机械损失的存在。3-23发动机由冷却介质带走的能量约占燃料总能量的1/3，如果燃烧系统能全部绝热，是否就可以把此1/3热量变为有效功？请就此问题作一个全面分析，并从理论上解释绝热能提高有效效率的原因和存在的限制。解：绝热发动机可提高热量的品质，减少冷却系统消耗的功率，从而提高有效效率。但同时废气带走的能量也增加，降低了充气系数，增大了压缩功，并需要高温材料，带来润滑等问题。3-24依据图3-23所示的自然吸气发动机热平衡图，分析：（1）燃料总能量最终分为哪几部分输出去了？（2）总的机外传热及辐射损失热量由哪几部分构成？解：（1）燃料的总能量分配：a.1/3弱为有效动力输出；b.1/3废气排出；c.1/3弱冷却系统带走；d.其余为驱动附件、传热和辐射消耗。（2）排气系统向机外传热和辐射热量；冷去系统和水套壁面向叽歪传热和辐射热量；机体、曲轴箱和其他部件向机外传热和辐射热量；辅助机构传给冷却水的热量。3-25回热发动机从理论上为什么能大幅度提高循环热效率？为什么到目前为止还没有开发出实用的回热发动机？解：回热发动机直接把高温热能回收作为缸内加热量，可提高循环热效率。但没有实际开发是因为回热装置复杂、回热效率较低等原因。3-26一台压燃式发动机的压缩比为15，计算具有相同压缩比的Otto理论循环和Diesel理论循环的热效率。假设Diesel理论循环压缩始点温度为18C，空气的加热量等于燃料完全燃烧提供的能量，燃料燃烧时的空燃比28，燃料低热值为44MJ/kg，空气的定压比热容为1.01kJ/（kgK），等熵指数为1.4。解：忽略因燃料加入而对工质（空气）热物理性质的影响，则（1）Otto循环：（2）Diesel循环：压缩至上止点时，工质温度T2为燃料等压放热后，工质的温度T3为则预胀比为则Diesel循环的热效率为：3-27一台高性能四冲程火花点火发动机的排量是875cm3，压缩比为10:1，指示效率是Otto理论循环效率的55。在8000r/min时，发动机的机械效率是85，充量系数0.9，空燃比13，燃料低热值44MJ/kg。在温度为20C和压力为0.1MPa的环境条件下空气被吸入气缸。计算发动机的：（1）有效效率和燃料消耗率；（2）空气流量、功率和有效平均压力。解：（1）有效热效率et为：燃料消耗率be为：（2）空气流量Aa为：有效功率Pe为：有效平均压力pme为：3-28某一柴油机的理论工作循环相关参数如下：压缩开始时的气缸压力为0.1 MPa，温度为296K；最大允许的气缸压力为9.5 MPa；在燃烧期加入的总热量为2120 kJ/kg；压缩比为17；工质的摩尔质量为28.97 kg/kmol；等熵指数为1.4。（1）确定该理论循环的类型；（2）在p-V图和T-S图上画出该理论循环过程；（3）计算该理论循环允许达到的峰值温度和热效率。解：（1）若按等容循环运行则等熵压缩终点的压力pc和温度Tc为：等容加热后的pz和温度Tz为：很明显最高压力将超过容许压力，所以不能按等容循环运行，而按照等等压循环运行，则最高压力小于容许压力，欲使发动机经济性最优，则应按混合循环运行。（2）混合循环的p-V图和T-S图如教材图3-5所示。（3）若按混合循环运行，在保证安全的前提下，经济型达到最优，则pz应为9.5MPa，此时对应的Tz为：工质温度从Tc定容上升到Tz需吸收的热量Q1为：定压过程后工质的温度Tz为：绝热膨胀后的温度Tb为：3-29计算题3-28中理论工作循环的火用损失。若该循环采用下列放热方式时，其火用损失又是多少？（1）膨胀到大气压力，再进行等压放热；（2）膨胀到大气温度，再进行等温放热。在p-V图和T-S图上指出不同损失的区域，并分别计算膨胀到大气压力和膨胀到大气温度时的热效率。解：参考教材图3-8，则题3-28中理论工作循环的火用损失为“面积+面积”之和，理论工作循环（1）的火用损失为“面积”，理论工作循环（2）的火用损失为0。图中：面积+面积+面积面积所以，题3-28中理论循环的火用损失I3-28为：(1) 膨胀到大气压力，再b-a 定压放热：所以，面积+面积故，理论工作循环（1）的火用损失I(1)为：热效率为：(2) 膨胀到大气温度，再b-a 定温放热：由图可知，理论工作循环（3）的火用损失I(2)为:热效率为：3-30一台排量为3.3 L的直列6缸柴油机按混合理论循环工作，其燃料为轻柴油，空燃比20，有一半的燃料在等容阶段燃烧，另一半的燃料在等压阶段燃烧，且燃烧效率为100%。该柴油机的压缩比为14，且压缩始点的温度为60，压力为101 kPa。计算：（1）循环中各状态点的温度；（2）循环中各状态点的压力；（3）预膨胀比；（4）压力升高比；（5）指示热效率；（6）燃烧过程中加入的热量；（7）净指示功。解：1-2定熵过程2-3 定容过程压力升高比 3-4定压过程预膨胀比 4-5定熵过程（6）所以，燃烧过程加入的热量（7）第四章4-1什么是发动机的换气过程？合理组织换气过程的目的是什么？为什么说发动机的充量系数是研究换气过程的核心问题？解：发动机排出废气和充入新鲜空气或可燃混合气的全过程叫换气过程。合理组织换气过程的目的包括：（1）保证在标定工况和全负荷工况下，吸入尽可能多的新鲜充量，以获得尽可能高的输出功率和转矩；（2）保证多缸机各缸循环进气量的差异不超出应有的范围，以免对整机性能产生不利影响。（3）应尽量减小换气损失，特别是占最大比例的排气损失。（4）进气后在缸内所形成的湍流场，应能满足组织快速合理燃烧的要求。发动机充量系数指单缸每循环吸入缸内的新鲜空气质量与按进气状态计算得到的理论充气质量的比值，该参数是决定发动机动力性能和进气过程完善程度的极为重要的评定指标，是换气过程的核心问题。4-2 画出四冲程自然吸气汽油机的低压换气过程p-V图，标出进、排气相位角的位置。比较大负荷与小负荷时的换气损失，说明在膨胀损失、排气损失以及进气损失等方面的不同。解：p-V图如下图所示。其中b为EVO，d为IVO，r为EVC，a为IVC。实线为节气门全开（亦即大负荷工况），虚线为节气门部分开启（亦即小负荷工况）。膨胀损失：大负荷时膨胀损失较大。因为大负荷是缸内温度较高，传热损失较大。排气损失：从图上可以看出，小负荷时排气损失较大。因为大负荷时，自由排气阶段的排气量较大，从图上也可以看出大负荷是排气门开启后，排气压力迅速降低到比小负荷时的排气压力略小的水平，故排气损失较小。进气损失：小负荷时进气损失较大。因为小负荷时节气门部分开启，增加了进气的泵气损失。4-3 自由排气与强制排气有何本质差别？简述超临界、亚临界和强制排气三个阶段中影响排气流量的主要因素。可以采取哪些措施来提高排气流量？解：自由排气和强制排气的本质差别在于，废气是在缸内和大气或涡轮机入口处的压差作用下自由流出，还是依靠活塞强制推出。对于超临界排气，气门口流速始终保持当地的音速，故影响排气量的主要因素是气门口截面积。对于亚临界排气，气门口流速小于音速，但排气速度仍然较高。此时影响排气量的主要因素是排气流动阻力。对于强制排气，排气压力基本上等于排气背压。为了提高排气量，可以采取的措施包括：（1）加快排气门开启的速度，增加自由排气阶段的排气量；（2）减小排期流动损失，降低排气背压，增加强制排气阶段的排气量。4-4 什么是气门口壅塞现象？为什么会出现这种现象？进、排气门口的此种现象会对进、排气及发动机性能带来什么影响？解：按气体动力学孔口流动规律，当孔口上游滞止压力不变时，在孔口流速达到音速后，无论孔口下游的压力降到多低，孔口的流量都保持不变。这就是气流的壅塞现象。进气门口壅塞会导致发动机在提高转速时进气流量不会加大，发动机功率不仅不会加大，反而因机械损失的增加而下降，转速的提高将失去其提高功率的价值。排气门口壅塞会影响正常排气，造成残留废气系数过大，不利于燃烧的正常进行。此外，进排气门壅塞都会增加进排气过程的换气损失，影响发动机的经济性。4-5 进气和排气为什么要早开和晚关？4个相位角中，哪两个角最重要？这两个角对发动机性能有何影响？气门重叠的作用是什么？比较汽油机与柴油机、增压发动机与自然吸气发动机气门重叠角的大小，并说明造成差异的原因。解：早开晚关：进气充足、排气干净。进气晚关角和排气早开角被认为是最重要的两个，这是因为进气晚关角对进气充量影响最大，排气早开角对换气损失影响最大。气门重叠角：扫气以降低缸内的残余废气系数；降低发动机的热负荷。汽油机的气门重叠角一般要比柴油机的小，这是因为若进气门开启过早，废气会倒入进气管，出现“回火”现象，且气门重叠角过大时可能造成新鲜可燃充量直接排出排气管。增压发动机的气门叠开角一般会比非增压发动机的大，这是因为增压发动机进气门外的压力高于排气背压，因而能够更好地实现燃烧室扫气，达到增加新鲜进气充量和降低燃烧室热负荷的目的。4-6 为什么进、排气门开启和关闭4个相位角都存在最佳值？为什么4个相位角的最佳值都随转速上升而加大？请逐一从物理概念上定性加以说明。解：（1）排气早开角：排气损失由提前开启的自由排气损失和排气冲程的泵气损失组成。当排气早开角小时，自由排气损失小而泵气损失大；排气早开角大时，自由排气损失大而泵气损失小。故排气早开角必定存在最佳值。由于转速对膨胀线影响不大，但是经历相同自由排气时间所对应的转角必然是高转速时大，因此转速上升时，排气早开角的最佳值加大。（2）排气晚关角：排气晚关角过小，排气惯性利用不足；排气晚关角过大，因活塞下行较多，造成废气倒流，排气量也会减少。所以排气晚关角也存在最佳值。转速上升时，经历相同的利用排气惯性排气的时间所对应的转角也会增大，因此转速上升时，排气晚关角的最佳值加大。（3）进气早开角：过大会回火，过小则进气不足，故存在最佳值。转速上升时，进气门早开的时间相同，对应的进气早开角会增大，因此转速上升时，进气早开角的最佳值加大。（4）进气晚关角：过小不能充分利用进气惯性，过大则有可能把已充入缸内的新鲜充量推回进气管，故存在最佳值。转速上升时，经历相同的利用进气惯性进气的时间所对应的转角也会增大，因此转速上升时，进气晚关角的最佳值加大。4-7 增压发动机与自然吸气发动机的fc定义有何差异？增压发动机的理论进气量如果按大气环境条件计算，此时定义的fc反映了什么？解：自然吸气发动机的理论吸气量计算时空气密度按照环境状态下的空气密度计算，增压发动机的理论吸气量计算时空气密度按照压气机后的空气密度计算。增压发动机的理论进气量如果按照大气环境条件计算，此时定义的充量系数反映了增压的强度（例如，按照这种方法计算所得的充量系数为1.2，这意味着经过增压后，实际的进气量是环境条件下完全排气和进气时的进气量的1.2倍），但不能反映增压的效率。4-8 涡轮增压发动机与自然吸气原型发动机相比，由于循环进气量大幅度增加，所以它的fc也必然大幅度增加，这种说法对不对？为什么？涡轮增压发动机较自然吸气原型机的fc一般来说是加大还是减小？请列举主要影响因素加以说明。解：这种说法不对。因为自然吸气发动机的理论吸气量计算时空气密度按照环境状态下的空气密度计算，增压发动机的理论吸气量计算时空气密度按照压气机后的空气密度计算。所以增压后循环进气量大幅增加不能说明充量系数也一定大幅增加。涡轮增压发动机比自然吸气原型机的充量系数增大。因为：进气终了压力提高，扫气降低了残余废弃系数，同时减少了进气加热作用，使充气系数提高。4-9 影响稳定条件下发动机fc的主要因素有哪些？它们是如何影响fc的？解：影响充量系数的主要因素包括：（1）进气流动阻力的影响。进气流动阻力的大小直接影响进气效率和进气量。（2）进气温升的影响。进气工质的温升加大，必然降低缸内工质的密度，从而降低充量系数。（3）进排气相位角的影响。进排气相位角，特别是进气晚关角和排气晚关角，对充量系数有影响。合理的进排气相位可以使进气充足、排气干净，提高充量系数。4-10 评价进气道性能的指标是什么？进气道的设计准则是什么？旋流进气道与滚流进气道所起的作用有何差异？解：评价进气道性能的指标是进气涡流强度和流通阻力。进气道的设计准则是在基本满足进气涡流要求的前提下，尽可能降低气道的流动阻力。旋流进气道进气时主气流出现绕气门中心的旋转运动；滚流进气道产生旋转中心线与气缸中心线垂直的纵向滚动气流。两者形成的气流运动形式不同。滚流进气道主要用于实现稀燃缸内直喷汽油机的分层混合气。4-11 什么是气门口平均进气马赫数Mam？说明c随Mam变化的规律及原因，为什么Mam大于0.5就使c急剧下降？解：平均进气马赫数的定义为通过气门口的平均流速与当地音速的比值。充量系数随马赫数的增加而下降，特别是马赫数大于0.5时，充量系数急剧下降。马赫数增大时，气门口流速增大，使流动阻力以平方关系提高，使充量系数下降。当马赫数达到0.5左右时，虽然总体上未达到音速，但某些小升程段的气流已接近壅塞，充量系数加速下降。4-12 进气终了前工质温度的上升对发动机性能有什么影响？一般来说，有哪些因素影响进气终了工质温度的变化量？影响大小及趋势如何？解：进气工质的温升加大，必然降低缸内工质的密度，从而降低充量系数，影响发动机的动力输出。影响进气终了工质温度的变化量的因素包括：进气过程中高温壁面传热；进气过程中压力损失变为摩擦热；残余废气与新鲜充量混合；进气过程中燃料气化吸热。其中，前3个因素引起进气工质温度上升，第4个因素引起进气工质温度下降。在4个因素中，进气过程中高温壁面传热对进气温升的影响最大。且转速越低，负荷越大，高温壁面传热引起的温升越大。4-13 为什么近代轿车汽油机普遍采用多气门机构？它有什么优缺点？柴油机为什么较少采用多气门？2气门改为4气门时，为什么功率上升的百分比要比转矩增加的百分比大得多？解：优点：（1）增加了进气流通面积，减小进气阻力，提高进气充量；（2）对于汽油机来说，有利于采用火花塞中置的燃烧室布置。缺点：（1）使气门机构变得复杂。（2）增加了成本。对于柴油机，由于柴油机没有节气门，进气阻力相对较小，而汽油机在中小负荷时节气门节流作用明细，所以柴油机对进气流通面积的要求比汽油机低。2气门改为4气门时，功率上升的百分比比转矩增加的百分比大得多。这是因为：对于转矩来说，改用4气门主要的影响是增加了进气充量，从而对最大输出转矩有所提升。对于功率来说，除了在相同转速的条件下增加了输出转矩，使功率上升之外，2气门改为4气门还有一项重要的影响：在发动机高速工况下，由于进气壅塞现象，发动机功率反而下降；而2气门改用4气门后，由于气门流通面积大大增加，防止了进气壅塞现象，使得在高转速下也能够输出较大扭矩，这样由于转速的提高，功率大大增加。在这两种影响的综合作用下，功率上升的百分比比转矩增加的百分比大得多。4-14 为什么说fcn进气外特性曲线是发动机特别是汽油机极为重要的性能曲线之一？一般发动机的fcn外特性曲线的变化趋势有何特点？由哪些因素决定？进
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