/《汽車發動機原理》作業題庫第一章1-1圖1-2示出了自然吸氣與增壓四沖程發動機的示功圖,請問：〔1各自的動力過程功、泵氣過程功指的是圖中哪塊面積？功的正負如何？〔2各自的理論泵氣功、實際泵氣功和泵氣損失功指的是圖中哪塊面積？功的正負如何？〔3各自的凈指示功和總指示功又是由圖中哪些面積組成？功的正負如何？〔4造成自然吸氣與增壓發動機示功圖差異的原因是什么？解：由圖1-2,<1>自然吸氣：動力過程功=面積aczbaWt=W1+W3,正功泵氣過程功=面積W2+W3,負功增壓：動力過程功=面積aczbaWt=W1,正功泵氣過程功=面積brabWt=W2,正功<2>自然吸氣：理論泵氣功=0實際泵氣功=W2+W3,負功泵氣損失功W2+W3負功增壓：理論泵氣功=pk和pb間的矩形面積,正功實際泵氣功=W2,正功泵氣損失功=陰影面積,負功<3>自然吸氣：總指示功＝W1+W3,正功凈指示功＝<W1+W3>-<W2+W3>=W1-W2,正功增壓：總指示功=W1＋<pb-pk>*Vs,正功凈指示功=W1+W2,正功<4>差異的原因：增壓發動機的進氣壓力高于排氣壓力,因此泵氣過程功為正。1-2增壓四沖程發動機在中、小負荷工況運轉時,有可能出現壓氣機后進氣壓力pb小于渦輪前排氣壓力pk的情況,請畫出此時發動機一個循環的p-V圖,標出上下止點、進排氣門開關和著火時刻的位置,以及理論泵氣功和泵氣損失功面積,并判斷功的正負。解：p-V圖如下圖所示：理論泵氣功：綠線包圍的矩形面積,負功實際泵氣功：進排氣線包圍的面積,負功泵氣損失功：兩塊面積之差,負功1-3假設機械增壓與渦輪增壓四沖程發動機的動力過程功Wt和壓氣機后壓力pb均相同,請問兩者的示功圖有何異同？二者的泵氣過程功有何差異？為什么？解：渦輪增壓的理論排氣線為pk,機械增壓的理論排氣線為p0；且渦輪增壓的實際排氣線位于機械增壓實際排氣線的上方。機械增壓的泵氣功大,因為機械增壓的排氣壓力更低。1-4圖1-4曲軸箱掃氣二沖程發動機的示功圖兩塊面積各表示什么含義？說明曲軸箱換氣功的形成過程,并判別功的正負。解：上圖-缸內工質對活塞做的功；下圖-曲軸箱內工質對活塞做的功。對于氣缸,排氣門先開啟排氣,然后掃氣門開啟開始掃氣,掃氣門關閉時掃氣結束,排氣門關閉后整個氣缸的換氣過程結束。對于曲軸箱,進氣門從開啟到關閉為進氣過程,掃氣門從開啟到關閉為掃氣過程。曲軸箱換氣功為負功。1-5為什么發動機性能指標有指示指標與有效指標的分別？兩種指標各在什么場合使用？為什么一般不把凈指示功作為常用的指示功指標？解：指示指標：不受循環過程中機械摩擦、附件消耗以及進排氣和掃氣流動損失的影響,直接反應缸內熱功轉換進行的好壞,因而在內燃機工作過程分析中廣泛應用；有效指標：被用來直接評定發動機實際工作性能的優劣,因而在發動機生成和試驗研究中廣泛應用。因為凈指示功難以直接測算得出,所以一般不把凈指示功作為常用的指示功指標。1-6發動機的動力、經濟性能在生產使用中主要用哪幾個指標來表示？如果要進行不同機型性能的對比,應該使用何種動力、經濟性能指標？解：動力性：功率、扭矩、速度；經濟性：有效效率、燃油消耗率、潤滑油消耗率。不同機型對比常用：有效平均壓力、升功率和be。1-7為什么發動機原理把有效平均壓力pme當作一個極為重要的性能指標？解：因為pme與整機的功率、扭矩和功都成正比,又是可比指標,是表示動力性能的最具代表指標。1-8為什么說活塞平均速度νm是比轉速n更為本質的動力性能速度指標？解：因為轉速n只能作為同一機型的速度指標,不能用來判斷不同機型運動速度的快慢。1-9試推導以有效平均壓力pme表示的有效輸出功率Pe和有效轉矩Ttq的計算公式〔標出各參數的量綱；比較同為動力性指標的Pe和Ttq有何區別；分析在發動機結構參數不變的前提下提高輸出功率Pe的途徑。解：和,其中：pme量綱為MPa,Pe量綱為kW,Ttq量綱為N.m。提高輸出功率Pe的途徑：提高轉速,增大平均有效壓力〔增壓,提高效率等。1-10為什么說發動機轉速n確定后輸出功率Pe〔或轉矩Ttq主要取決于有效效率ηet和循環可燃混合氣進氣量〔汽油機或循環供油量〔柴油機？而有效燃料消耗率be則主要取決于有效效率ηet？解：當轉速n確定后,單位時間內做功的次數一定。決定做功快慢的主要因素變為一次做功的多少。而循環可燃混合氣量和循環噴油量所產生的熱量與有效效率的乘積即為每循環做的功。因此,當n確定后,循環可燃混合氣量和循環噴油量所產生的熱量與有效效率成為影響Pe主要指標。1-11燃料低熱值Hu和混合氣熱值Hum有何異同？決定混合氣熱值的因素有哪些？解：燃料熱值：單位質量的燃料在標準狀態下,完全燃燒所能釋放的熱量。可燃混合氣熱值為單位質量或體積的可燃混合氣在標準狀態下燃燒所釋放的熱量。取決于燃料的熱值和空燃比。1-12發動機有效效率計算公式et=c·t·m中,c、t、m各自的物理含義是什么？自然吸氣、渦輪增壓和機械增壓四沖程發動機的c、t和m有何區別？解：燃燒效率：燃料化學能通過燃燒轉化為熱能的百分比。循環熱效率：燃燒加熱量經過發動機工作循環轉化為對活塞的指示功的百分比。機械效率：指示功減去機械損失后,轉化為有效功的百分比。一般增壓發動機大于自然吸氣發動機。對于機械效率,渦量增壓大于機械增壓。1-13影響有效燃料消耗率be的因素有哪些？降低be的途徑有哪些？解：影響因素：燃燒效率、機械效率、循環熱效率等。降低途徑：增壓小排量技術、稀薄燃燒、增大壓縮比等。1-14可燃混合氣的濃與稀可以用哪幾個指標表示？各指標的意義為何？彼此間如何換算？解：空燃比：混合氣中空氣和燃料的質量比。過量空氣系數：實際空氣量比理論空氣量。燃空當量比：理論與實際空氣量之比。空燃比與當量比互為倒數。過量空氣系數為空燃比與理論空燃比的比值。1-15什么是燃料燃燒時的化學計量比？具有化學計量比的可燃混合氣的過量空氣系數a是多少,其空燃比α又是多少？解：燃料和空氣恰好能夠完全反應時兩者的比值。具有化學計量比的可燃混合氣的過量空氣系數a為1,其空燃比α為14.2。1-16基于Pe的綜合表達式〔1-40分析：〔1哪些參數屬于"質"環節參數？哪些參數屬于"量"環節參數？〔2發動機在結構參數不變的情況下,由自然吸氣改為渦輪增壓時,式中各種參數怎樣變化？解：〔1：上式中,QUOTE、QUOTE、QUOTE三者為"質"環節參數,其余為"量"環節參數。〔2：發動機由自然吸氣改為渦輪增壓時,如果燃燒組織得較好,QUOTE、QUOTE、QUOTE、QUOTE略有增加,QUOTE、QUOTE大幅增加,QUOTE、QUOTE、QUOTE不變。1-17一臺4缸四沖程火花點火發動機〔缸徑D＝80mm,沖程s＝76.5mm節氣門全開時在臺架上的測量結果如下：發動機轉速n=5900r/min；有效轉矩Ttq=107.1N·m；指示平均壓力pmi=1.19MPa。計算：〔1循環指示功Wi；〔2指示功率Pi和有效功率Pe；〔3有效平均壓力pme；〔4機械效率m；〔5機械損失功率Pm和機械損失平均壓力pmm。解：QUOTEQUOTE<3><4>QUOTE<5>QUOTE1-186135Q-1四沖程柴油機的沖程s＝140mm,在發動機轉速n=2200r/min時的機械效率為m=0.75,有效輸出功率Pe=154kW,有效燃料消耗率為be=217g/〔kW·h。已知柴油機低熱值為Hu=42500kJ/kg。求此時發動機的pme、Ttq、Pm、et和Wi各值。解：1-19一臺6缸四沖程柴油機〔缸徑D＝102mm；沖程s＝125mm,在全負荷時的臺架測量結果如下：21.22s內消耗燃料體積200cm3,燃料密度0.83kg/dm3；30.1s內消耗空氣體積5m3；環境空氣壓力0.1MPa；環境空氣溫度300K；有效轉矩424N·m；發動機轉速2650r/min；機械損失平均壓力0.1758MPa；柴油低熱值42500kJ/kg。計算該測試條件下：〔1燃料體積流量和質量流量；〔2空氣體積流量和質量流量；〔3有效功率Pe；〔4有效燃料消耗率be和有效熱效率et；〔5指示燃料消耗率bi和指示熱效率it。解：1-20一臺排量為4.6L的四沖程V8汽油機采用了斷缸技術,當功率需求減小時,切換成2.3L排量的V4工作模式。該發動機在轉速為1750r/min時,采用V8工作模式,此時發動機的充量系數為0.51,機械效率為0.75,空燃比為14.5,發出的有效功率是32.4kW。發動機在更高的轉速下切換成V4工作模式時,充量系數為0.86,機械效率為0.87,空燃比為18.2。假定不同轉速下的指示熱效率相同,且燃燒效率為100%,空氣是在20℃和0.1MPa的條件下吸入氣缸的。計算：〔11750r/min時,V8工作模式的進氣質量流量〔kg/s；〔21750r/min時,V8工作模式的燃料消耗質量流量〔kg/s；〔31750r/min時,V8工作模式的有效燃料消耗率〔g/<kW·h>；〔4V4工作模式發出與V8工作模式相同有效功率所需的轉速〔r/min；上述V4工作模式時發動機的有效燃料消耗率〔g/<kW·h>。解：〔1根據pv=nRT,有以下關系式〔2〔3〔4因為只是熱效率相等,所以：〔5be*0.75/0.87=268g/kW.h第二章2-1缸內工質是從哪幾個方面影響發動機的性能及其燃燒模式的？解：<1>工質的各種熱力參數—質<2>燃料熱值〔可燃混合氣的熱值—量<3>燃料的理化特性—不同工作方式<4>燃料的組份—燃燒和排放2-2什么是發動機的常規燃料和代用燃料？代用燃料是如何分類的？為什么要加強代用燃料的研究和應用？解：常規燃料：汽油、柴油。代用燃料：除石油汽油、柴油以外的烴類/醇類/醚類/酯類/氫氣等燃料；分類詳見表2-1。加強代用燃料研究主要出于能源安全和環境保護考慮。2-3醇、醚和酯類燃料都是含氧燃料,它們的分子結構各有什么特點？分別列出1～2種常用的醇、醚和酯類代用燃料及其燃燒模式。解：醇類是烴類物質中的氫被羥基取代的產物。常見醇類燃料有甲醇和乙醇。因其辛烷值較高,一般為點燃；醚類物質是兩個烴基通過氧原子連接起來的化合物。常見醚類燃料為二甲醚,其十六烷值較高,一般為壓燃；酯類物質是烴類物質中的氫被羧基取代的產物。常見酯類燃料為生物柴油,其十六烷值較高,一般為壓燃。2-4分子結構相同的烴燃料,其分子中碳原子數的多少對發動機的性能有何影響？原因何在？解：C越多,化學穩定性差,著火溫度低,易自燃；但物理穩定性好,不易氣化。因為高C烴結構龐大冗長,易于裂解；但相對分子量較大,不易氣化。2-5成分相同但分子結構不同的烴燃料對發動機的性能有何影響？原因何在？解：〔1鏈與環—環化學穩定性好,不易自燃；〔2直鏈與支鏈〔或正烷與異烷—支鏈〔異烷的化學穩定性好,抗爆好〔如正庚烷C7H16和異辛烷C8H18的辛烷值分別為0和100；〔3單鍵和多鍵—多鍵非飽和烴不易斷鏈,不易自燃,但安定性差,貯存中易氧化結膠<如烯烴>。2-6為什么對壓燃式柴油機是優良的燃料,對點燃式汽油機則一般是不良的燃料？綜合考慮發動機的動力、經濟性和排放要求,理想的汽油和柴油應由何種結構和成分的烴燃料組成？解：因為柴油機燃料一般有較高的十六烷值以便壓燃,高十六烷值意味著容易自燃,如果應用在點燃式汽油機上,會引起嚴重的爆震,造成發動機性能及壽命下降。汽油機使用的燃料要求有較高的辛烷值,以抑制爆震產生。另外柴油燃料一般不易氣化,不利于火焰傳播,會造成排放升高。從何考慮發動機的各種性能,理想的柴油機燃料應由碳原子數為16左右的直鏈烷烴構成,而汽油機燃料應由碳原子數為8左右的異構烷烴或環烷烴構成。2-7正十六烷與α-甲基萘的十六烷值分別為多少？為什么兩者的著火特性有顯著差別？解：十六烷值CN=100,自燃性很好；α－甲基萘CN=0,自燃性很差。其著火特性與C原子數密切相關。2-8測定辛烷值時,為什么有的燃料的辛烷值會大于100？為什么有的燃料的RON>MON,而有的燃料卻是RON<CON。解：說明抗爆性優于異辛烷,若待測燃料比參比燃料更敏感,則RON>MON；反之,RON<MON。2-9汽油燃料蒸發曲線中,10％,50％,90％餾程的意義是什么？它們對發動機的性能有何影響？燃燒一種終餾點很高的汽油會出現什么結果？解：10％餾程<T10>—燃料中含有輕餾分的大概數量,反映汽油機的冷起動性。50％餾程<T50>—燃料的平均蒸發性能,反映汽油機的工作穩定性。90％餾程<T90>—燃料中的重質餾分含量,反映汽油機燃燒完全性。EP高,易積碳,加劇磨損,燒機油。2-10什么是燃料的飽和蒸氣壓？汽油飽和蒸氣壓的過高和過低分別會對發動機性能帶來什么影響？解：飽和蒸氣壓：在規定條件下燃油和燃油蒸氣達到平衡狀態時,燃油蒸氣的壓力。蒸氣壓過低,發動機冷起動性能差,混合氣形成速度慢,不利于燃燒。蒸氣壓過高,在儲存和運輸過程中易產生蒸發損失,著火的危險性大；也容易在燃油供給系統中形成"氣阻Choking"。2-11芳烴和烯烴是理想的高辛烷值汽油組分,為什么在汽油標準中卻要限制它們的含量？解：〔1烯烴是汽油提高辛烷值的理想成分。但是由于烯烴有熱不穩定性,導致它易形成膠質,并沉積在進氣系統中,影響燃燒效果,增加排放。活潑烯烴蒸發排放到大氣中會產生光化學反應,進而引起光化學污染。〔2芳烴通常是汽油的高辛烷值組分,具有高能量密度。但是,芳烴會導致發動機產生沉積物,增加尾氣排放,包括CO2。2-12為什么隨著燃料品質等級的提高,燃料中硫的含量呈現大幅度下降的趨勢？解：硫天然存在于原油中。硫可明顯地降低催化轉化器中催化劑的功效,同時在高溫條件下對氧傳感器造成不良影響。高硫燃油會使車載診斷系統<OBD>失靈,使催化轉化器監控裝置發送錯誤的診斷碼,并向司機發出錯誤的故障信號。2-13常規汽油機和柴油機在混合氣形成、著火和負荷調節三方面有何差異？形成這些差異的主要原因是什么？解：〔1混合氣形成方式不同：汽油—易氣化,缸外低壓噴射蒸發,與空氣形成預制均質混合氣柴油—難氣化,缸內高壓噴霧成細小液滴,與空氣形成非均質<分層>混合氣〔2著火及燃燒方式不同：汽油—難自燃,易點燃<SI>,用高壓電火花點燃預混燃燒,火焰傳播。可在?a=1的條件下完全燃燒柴油—難點燃,易壓燃<CI>,擴散燃燒,即邊噴-邊混-邊燃,為了完全燃燒,必須?a>1.2〔3負荷調節方式不同：汽油機—預混合,?a基本保持不變,量調節柴油機—分層混合,?a變化范圍大〔0~∞,質調節原因：燃料的理化特性不同。2-14汽油可以壓燃嗎？如果可以,汽油壓燃有什么優缺點？如果不可以,請說出理由。解：汽油可壓燃。例如稀混合氣條件下的汽油勻質混合氣壓燃HCCI,以實現汽油機的高效低污染燃燒。2-15影響工質比熱容的主要因素有哪些？影響趨勢如何？比熱容為什么對發動機的動力、經濟性有重大影響？解：影響因素：溫度和分子的自由度數。cp、cV隨溫度T上升而增加,K隨溫度T上升而下降。分子自由度<原子數>增大,cp和cV增大,K減小。K越大,cp和cV越小,相同加熱量下,工質溫升越高,循環熱效率高。2-16影響殘余廢氣系數r的主要因素有哪些？為什么汽油機的r一般比柴油機的大？而增壓柴油機的r很小？解：影響殘余廢氣系數的主要因素：進排氣壓力、轉速、壓縮比、配氣相位和排氣系統動態特性。汽油機r偏高是因為ε小,壓縮容積大,低負荷時進氣節流強使新鮮充量下降；增壓柴油機r小是因為掃氣效果強。2-17燃料燃燒后分子數大于燃燒前分子數的主要原因是什么？為什么汽油機的分子變化系數比柴油機大？解：柴油機分子系數較小原因：一是由于平均過量空氣系數較大,混合氣中有較多空氣不參與反應；另外,柴油含H量低。2-18可燃混合氣熱值有哪幾種表示方法？各自的物理意義是什么？哪一種表示方法更能反映工質作功能力的大小？解：單位質量或單位體積可燃混合氣發出的熱量<kJ/kg或kJ/m3>。<Hum>V代表混合氣的能量密度,越高則相同工作容積發出的功率越高<即pme高>。2-19為什么含氧液體燃料的熱值比汽、柴油低得多,但其可燃混合氣熱值卻相差不大？為什么天然氣的熱值比汽油大,但其可燃混合氣熱值反而低？解：氣體烴H/C高,Hu高,但本身是氣體〔密度小,加上H燃燒要求空氣多,Hum小。含氧燃料〔甲、乙醇本身含O,Hu低,但需空氣也少〔l0小,Hum與汽、柴油相近。2-20氫的可燃混合氣熱值很低,因此實用上都是向缸內噴射液態氫以提高發動機的有效平均壓力,這是不是意味著增大了氫的可燃混合氣熱值呢？解：缸內直接噴液態氫提高平均有效壓力,相當于增壓的效果使混合氣的密度上升,每循環的發熱量也上升。2-21計算并對比汽油、柴油、天然氣、乙醇四種燃料的單位kJ發熱量對應的CO2產生量。為減少CO2排放量和改善全球溫室效應,應如何選擇汽車燃料?解：燃燒釋放單位kJ的熱量,汽油、柴油、天然氣和乙醇分別生成的的CO2質量分別為：從以上數據可以看出,四種燃料中,天然氣燃燒釋放單位kJ的熱量所產生的CO2最少,從改善溫室效應的角度看,車用燃料應使用天然氣。2-22一臺小型3缸渦輪增壓車用發動機燃用異辛烷燃料,發動機吸入的空氣量為化學計量比空氣量的120%。計算此時混合氣的：〔1過量空氣系數；〔2空燃比；〔3燃空當量比。解：<1>?α=l/l0=1.2<2>異辛烷C8H18l0=<8/3gc+8gH-go>/0.232=15.1<3>空燃比α=?α*l0=15.1*1.2=18.2<4>燃空當量比QUOTE2-23一種燃料的組分構成如下：40％〔wt正己烷〔C6H14；30％〔wt異辛烷〔C8H18；25％〔wt環己烷〔C6H12；5％〔wt苯〔C6H6。如果燃料混合氣的空燃比是17,計算此時混合氣的燃空當量比。解：C6H14完全燃燒的化學反應方程式為：C8H18完全燃燒的化學反應方程式為：C6H12完全燃燒的化學反應方程式為：C6H6完全燃燒的化學反應方程式為：又由O2的摩爾質量為32g/mol,O2在空氣中的質量百分比為23.2%,所以1kg該種燃料完全燃燒所需要的理論空氣質量為：即該種燃料的化學計量比為l0=14.9895,因而其過量空氣系數為：從而可得該種燃料的燃空當量比為：2-24計算由甲醇和汽油組成的混合燃料〔甲醇占20％體積,汽油占80%體積燃燒時所需的化學計量空燃比,以及混合燃料的可燃混合氣質量熱值和體積熱值。假設過量空氣系數為1.1,環境溫度為293K,環境壓力為0.1MPa,汽油密度為0.760kg/L,甲醇密度為0.795kg/L。解：混合燃料中甲醇的質量分數為：則汽油的質量比為：g汽油=1-0.207=0.793混合燃料的化學計量空燃比為：混合氣的單位質量低熱值為：查表取汽油的相對分子質量為107.5,則混合燃料形成的混合氣在題目給定條件時的密度為：所以,單位體積混合氣熱值為：2-25甲烷〔CH4與空氣按化學計量比混合并完全燃燒,燃燒產物中只有二氧化碳〔CO2、水〔H2O和氮氣〔N2,分別計算該燃燒反應在定壓和定容條件下的絕熱燃燒溫度,并分析兩者產生差異的原因。假設初始反應狀態為標準熱狀態〔298K,101.3kPa,燃燒產物CO2、H2O和N2的定壓比熱容在絕熱燃燒條件下分別取56.21、43.87和33.71kJ/<kmol·K>。解：<1>查得各物質生成焓如下：QUOTE; QUOTE;QUOTE;QUOTE; QUOTE由QUOTE解得,該燃燒反應在定壓條件下的絕熱燃燒溫度為<2>由QUOTE解得定容條件下的絕熱燃燒溫度為QUOTE,這是因為在定容條件下無膨脹功之故。第三章3-1應用工程熱力學的公式和曲線對封閉熱力學系統熱力過程和狀態進行分析時,應該滿足哪些必要的理想條件？分析發動機的動力過程時,能否滿足這些要求？解：準穩態過程、內部可逆。事實上,雖然導致發動機喪失狀態平衡的物理過程很快,但是瞬間恢復平衡的弛豫時間更短。因此,缸內工質可以作準平衡態處理。缸內不可逆因素不可避免,但因不可逆損失值與整個系統對外的熱功交換值相比極小,因此發動機缸內可以作內可逆過程處理。3-2發動機的理論循環、理想循環和真實循環三者之間有何差別？為什么要把發動機的工作循環劃分為三種循環進行分析？解：〔1理論循環：工質——理想氣體〔空氣,物性參數<比熱比,κ>為常數,不隨溫度變化；循環——理想循環；封閉熱力循環：系統加熱→燃燒放熱；系統放熱→氣體交換<進、排氣>；特殊熱力過程：絕熱壓縮和膨脹；等容或等壓加熱和放熱；〔2理想循環：工質——真實工質；循環——理想循環；〔3真實循環：工質——真實工質；循環——真實循環；理論循環最簡化而又能突出發動機工作過程本質特征,理想循環是理論循環和真實循環之間的中間模型。為了完善循環分析,所以建立了三種模型。3-3分別在同一張p-V圖和T-S圖上畫出在加熱量和壓縮比相同條件下的等容循環、等壓循環和混合循環,比較它們的循環熱效率大小,并說明原因。解：加熱量和壓縮比相同條件下.q2,p>q2,s>q2,v?ηt,p<ηt,s<ηt,v。因為壓縮比相同時,等容循環的熱效率最高。3-4依據循環理論和汽、柴油機相關參數的實際范圍,利用T-S圖解釋為什么柴油機比汽油機熱效率高？解：從T-S圖上可以看到,如果初始條件相同,由于柴油機的壓縮比較高,壓縮終點的溫度也相對較高。高溫提高了能量的品質,使總的吸熱量/散熱量大大降低,因而,柴油機的熱效率高。3-5什么是發動機循環加熱的等容度？等容度與等容加熱是一回事嗎？等容度與預膨脹比是什么關系？為什么提高等容度可以提高循環熱效率？解：混合循環的等容度：各微循環真實壓縮比的算術平均值與理論壓縮比的比值。等容度反映了真實燃燒加熱過程接近上止點等容燃燒加熱的程度。等容度不等同于等容加熱,等容度與預脹比成反比。等容度越高,各個微循環的真實壓縮比就越大,因而每個微循環的熱效率就越高,綜合的熱效率也就越高。3-6如何計算渦輪增壓發動機和機械增壓發動機的指示效率ηit和機械效率ηm？兩者的ηit和ηm有何差別？與自然吸氣原型機相比,增壓發動機的ηit和ηm是加大了還是減小了？為什么？解：指示效率可用指示功與消耗燃料的放熱量的比值求得。機械效率為有效功與指示功的比值。渦輪增壓發動機的機械效率一般比相應的自然吸氣發動機的高。指示效率兩者差別不大。指示效率變化不大,機械效率增大。3-7柴油機的壓縮比比汽油機高很多,但為什么汽油機的燃燒最高溫度比柴油機高？為什么在相同條件下也是汽油機的有效平均壓力高于柴油機？解：雖然汽油機壓縮比較低,但由于混合氣較濃而且等容度也較高,所以最高燃燒溫度較高。且柴油機使用稀燃,空燃比較高,總的熱容比較大。簡述理論循環,分析對改善內燃機動力、經濟性能的指導意義。解：〔1指出了改善發動機動力性、經濟性的基本原則和方向：提高壓縮比；提高等容度；增加等熵指數等。〔2提供了發動機之間進行動力性、經濟性對比的理論依據。3-9若將真實工質特性替代理論循環的理想工質特性,將在哪幾個方面對熱效率產生影響？影響趨勢如何？考慮真實工質特性之后,高、低負荷條件下,汽油機和柴油機的熱效率的差距是加大了還是減小了？為什么？解：真實工質對熱效率的影響：比熱容：真實工質κ＜理想工質κ→真實工質ηt↓高溫熱分解：燃燒放熱時間拉長→等容度σ↓→ηt↓。工質分子變化系數：影響不大〔4過量空氣系數：?a<1,未燃碳氫↑→多原子↑→T↑→κ↓→ηt↓；?a>1,空氣↑→單雙原子↑→T↓→κ↑→ηt↑；考慮真實工質特性后,汽、柴油機熱效率差距加大。3-10什么是相對熱效率ηrel？引入ηrel有何現實意義？解：相對熱效率是真實循環的指示效率與理想循環的熱效率之比,它反映了發動機的真實動力循環接近理想動力循環的程度。真實循環比理想循環多增加了哪些損失？這些損失是怎樣產生的？解：〔1傳熱損失：真實循環并非絕熱過程,通過氣缸壁面、缸蓋底面、活塞頂面向外散熱。〔2時間損失：實際燃燒及向工質加熱不可能瞬間完成,因為：存在點火<噴油>提前,使有用功面積下降,ηt↓；pz出現在TDC后10°CA,而非等容加熱,使有用功面積減小。〔3換氣損失：排氣門早開,造成膨脹功損失。〔4不完全燃燒損失：正常燃燒時,也有ηc≠100%；不正常燃燒、?a＜1等,ηt↓↓。〔5缸內流動損失：流動增強以及提高渦流與湍流程度,ηt↓,因為：造成能量損失、散熱損失。〔6工質泄漏損失。3-12解：〔1機械摩擦損失<50％～80％>：活塞組件、軸承、氣門機構等。〔2附件驅動消耗<～10％>：水泵、機油泵、燃油泵、點火裝置等運轉必不可少的輔助機構。〔3泵氣損失<5％～40％>。3-13簡述各種機械損失測定方法的原理和適用范圍。為什么說除示功圖法外,其余三種方法都不可避免地將泵氣損失包括在測定值之內？解：內燃機機械損失的主要測定方法有：〔1示功圖法：由示功圖計算得到的凈指示功〔增壓機或動力過程功〔非增壓機Wi減去臺架上測得的有效功We即得到機械損失功Wm,該方法適用于各種機型,但由于對上止點位置的標定精度要求很高,所以只適用于研發工作；〔2倒拖法：是在發動機正常運轉后斷油或斷火,用電機反拖發動機,從而測得的反拖功率即為機械損失功率,該方法適用于壓縮比不高的汽油機和小型柴油機；〔3滅缸法：此法僅適用于自然吸氣式多缸柴油機,當內燃機調整到給定工況穩定工作后,先測出其有效功率Pe,然后依次將各缸滅火,滅火前后測功機測得的有效功率差值即為該缸的指示功率,各缸相加可得整臺發動機的指示功率Pi,再減去發動機的有效功率Pe即得機械損失功率Pm；〔4油耗線法：在轉速不變的情況下,測出整機油耗隨負荷的變化曲線。將此線外延直到與橫坐標相交,則坐標原點與交點間的連線即為機械損失值,該方法適用于自然吸氣式柴油機和低增壓柴油機。上面這四種測定發動機機械損失的方法中只有示功圖法可以得到凈循環指示功,因而可以將泵氣損失排除在機械損失之外；而其余三種測定方法由于無法排除泵氣過程的影響,所以只能將泵氣損失包含在機械損失的測定值內。3-14說明油耗線法測量機械損失的原理。為什么汽油機不能應用油耗線法測機械損失？解：油耗線法測量機械損失的原理：在轉速不變的情況下,測出整機油耗隨負荷的變化曲線。將此線外延直到與橫坐標相交,則坐標原點與交點間的連線即為機械損失值,該方法適用于自然吸氣式柴油機和低增壓柴油機。汽油機的燃油消耗率和負荷不成比例關系,故不適用。3-15自然吸氣汽油機、自然吸氣柴油機和渦輪增壓發動機各適于使用何種機械損失測定方法？為什么？解：〔1汽油機多用倒拖法,不適合用滅缸法<影響進氣均勻性>和油耗線法<不成直線>；〔2自然吸氣柴油機適合滅缸法、油耗線法,小型柴油機可以用倒拖法；〔3廢氣渦輪增壓柴油機無法使用倒拖法和滅缸法〔廢氣渦輪不能正常工作,低增壓可以用油耗線法〔接近自然吸氣柴油機。3-16發動機轉速〔或活塞平均速度和負荷對機械效率有何規律性的影響？這一影響規律對發動機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↑,泵氣損失↑,單靠提高轉速來提高功率受限；〔2負荷：負荷Pe↓,ηm↓；怠速ηm＝0；增壓機型ηm↑。提高發動機工作時的負荷率及降低中低負荷的機械損失,對發動機節能有重要意義。3-17發動機潤滑油是如何進行分類的？為保證發動機正常良好地運行,對潤滑油的黏度提出什么要求？潤滑油的選擇和使用當中如何滿足上述要求？解：發動機潤滑油分類涵蓋粘度等級和質量等級。選用原則：保證可靠潤滑的前提下,盡量選用低粘度的潤滑油以減少摩擦損失。3-18說明圖3-24能量轉換的各環節中能量利用效率下降的物理實質,并指出提高各環節能量利用效率的可能途徑。解：A-B：受卡諾循環熱效率的限制——提高燃燒溫度,降低放熱溫度；B-C：考慮真實工質特性稀燃——低溫燃燒；C-D：相對熱效率采用壓燃提高等容度——絕熱燃燒；D-E：機械效率降低摩擦損失——可變配氣相位。3-19Miller循環與Atkinson循環有何異同？Miller循環在實際應用時是如何實現節能的？為什么Miller循環發動機一般都采用增壓技術？解：Atkinson循環是增加發動機的膨脹沖程；Miller循環的實質是膨脹比大于壓縮比,不增加沖程,靠控制進氣終點提高熱效率。Miller循環常采用VVT技術實現節能,并采用增壓技術以彌補進氣門早關或晚關造成的進氣充量損失。3-20為什么小排量"Downsizing"都同時采用增加技術？其節能的主要原因是什么？解：Downsizing并通過增壓,在保證輸出功率不變的前提下,提高發動機的有效效率。節能的原因：排量減小,泵氣損失減少；機械損失減少；增壓還可回收排氣能量。3-21增壓發動機每循環排氣的最大可利用能量是由哪幾部分組成的？為什么渦輪增壓發動機不可能全部利用這些能量？缸內每循環燃燒廢氣所具有的最大可利用能量是不是就是排氣的最大可利用能？為什么？解：見圖3-30,排氣可用能量包括：〔1bf1b：廢氣能夠絕熱等熵膨脹至大氣壓力點所做的功；〔254215：排氣過程中活塞推擠廢氣所做的功；〔33g’i23：掃氣部分轉入排氣中的能量。廢氣在到達渦輪機前總免不了有節流、不可逆膨脹、摩擦等損失。廢氣最大可用能不是排氣中可利用的總能量。廢氣最大可用能還包括活塞的推動和掃氣部分的能量。3-22若渦輪增壓發動機按定壓系統的理論循環運行,請問輸入渦輪機的能量是否與壓氣機輸出能量相當？渦輪機輸入能量最終消耗在哪幾個方面？解：實際進入渦輪機的能量要比壓氣機輸出的能量大很多。因為有發動機泵氣過程中的各種流動和機械損失的存在。3-23發動機由冷卻介質帶走的能量約占燃料總能量的1/3,如果燃燒系統能全部絕熱,是否就可以把此1/3熱量變為有效功？請就此問題作一個全面分析,并從理論上解釋絕熱能提高有效效率的原因和存在的限制。解：絕熱發動機可提高熱量的品質,減少冷卻系統消耗的功率,從而提高有效效率。但同時廢氣帶走的能量也增加,降低了充氣系數,增大了壓縮功,并需要高溫材料,帶來潤滑等問題。3-24依據圖3-23所示的自然吸氣發動機熱平衡圖,分析：〔1燃料總能量最終分為哪幾部分輸出去了？〔2總的機外傳熱及輻射損失熱量由哪幾部分構成？解：〔1燃料的總能量分配：a.1/3弱為有效動力輸出；b.1/3廢氣排出；c.1/3弱冷卻系統帶走；d.其余為驅動附件、傳熱和輻射消耗。〔2排氣系統向機外傳熱和輻射熱量；冷去系統和水套壁面向嘰歪傳熱和輻射熱量；機體、曲軸箱和其他部件向機外傳熱和輻射熱量；輔助機構傳給冷卻水的熱量。3-25回熱發動機從理論上為什么能大幅度提高循環熱效率？為什么到目前為止還沒有開發出實用的回熱發動機？解：回熱發動機直接把高溫熱能回收作為缸內加熱量,可提高循環熱效率。但沒有實際開發是因為回熱裝置復雜、回熱效率較低等原因。3-26一臺壓燃式發動機的壓縮比為15,計算具有相同壓縮比的Otto理論循環和Diesel理論循環的熱效率。假設Diesel理論循環壓縮始點溫度為18oC,空氣的加熱量等于燃料完全燃燒提供的能量,燃料燃燒時的空燃比28,燃料低熱值為44MJ/kg,空氣的定壓比熱容為1.01kJ/〔kg·K,等熵指數為1.4。解：忽略因燃料加入而對工質〔空氣熱物理性質的影響,則〔1Otto循環：〔2Diesel循環：壓縮至上止點時,工質溫度T2為燃料等壓放熱后,工質的溫度T3為則預脹比ρ為則Diesel循環的熱效率為：3-27一臺高性能四沖程火花點火發動機的排量是875cm3,壓縮比為10:1,指示效率是Otto理論循環效率的55％。在8000r/min時,發動機的機械效率是85％,充量系數0.9,空燃比13,燃料低熱值44MJ/kg。在溫度為20oC和壓力為0.1MPa的環境條件下空氣被吸入氣缸。計算發動機的：〔1有效效率和燃料消耗率；〔2空氣流量、功率和有效平均壓力。解：〔1有效熱效率ηet為：燃料消耗率be為：〔2空氣流量Aa為：有效功率Pe為：有效平均壓力pme為：3-28某一柴油機的理論工作循環相關參數如下：壓縮開始時的氣缸壓力為0.1MPa,溫度為296K；最大允許的氣缸壓力為9.5MPa；在燃燒期加入的總熱量為2120kJ/kg；壓縮比為17；工質的摩爾質量為28.97kg/kmol；等熵指數為1.4。〔1確定該理論循環的類型；〔2在p-V圖和T-S圖上畫出該理論循環過程；〔3計算該理論循環允許達到的峰值溫度和熱效率。解：〔1若按等容循環運行則等熵壓縮終點的壓力pc和溫度Tc為：等容加熱后的pz’和溫度Tz’為：很明顯最高壓力將超過容許壓力,所以不能按等容循環運行,而按照等等壓循環運行,則最高壓力小于容許壓力,欲使發動機經濟性最優,則應按混合循環運行。〔2混合循環的p-V圖和T-S圖如教材圖3-5所示。〔3若按混合循環運行,在保證安全的前提下,經濟型達到最優,則pz’應為9.5MPa,此時對應的Tz’為：工質溫度從Tc定容上升到Tz’需吸收的熱量Q1為：定壓過程后工質的溫度Tz為：絕熱膨脹后的溫度Tb為：3-29計算題3-28中理論工作循環的火用損失。若該循環采用下列放熱方式時,其火用損失又是多少？〔1膨脹到大氣壓力,再進行等壓放熱；〔2膨脹到大氣溫度,再進行等溫放熱。在p-V圖和T-S圖上指出不同損失的區域,并分別計算膨脹到大氣壓力和膨脹到大氣溫度時的熱效率。解：參考教材圖3-8,則題3-28中理論工作循環的火用損失為"Ⅰ面積+Ⅱ面積"之和,理論工作循環〔1的火用損失為"Ⅱ面積",理論工作循環〔2的火用損失為0。圖中：Ⅰ面積+Ⅱ面積+Ⅲ面積QUOTEⅢ面積QUOTE所以,題3-28中理論循環的火用損失I3-28為：膨脹到大氣壓力,再b’-a定壓放熱：所以,Ⅱ面積+Ⅲ面積QUOTE故,理論工作循環〔1的火用損失I<1>為：熱效率為：膨脹到大氣溫度,再b’’-a定溫放熱：由圖可知,理論工作循環〔3的火用損失I<2>為:熱效率為：3-30一臺排量為3.3L的直列6缸柴油機按混合理論循環工作,其燃料為輕柴油,空燃比20,有一半的燃料在等容階段燃燒,另一半的燃料在等壓階段燃燒,且燃燒效率為100%。該柴油機的壓縮比為14,且壓縮始點的溫度為60℃,壓力為101kPa。計算：〔1循環中各狀態點的溫度；〔2循環中各狀態點的壓力；〔3預膨脹比；〔4壓力升高比；〔5指示熱效率；〔6燃燒過程中加入的熱量；〔7凈指示功。解：QUOTE1-2定熵過程2-3定容過程壓力升高比QUOTE3-4定壓過程預膨脹比QUOTE4-5定熵過程〔6所以,燃燒過程加入的熱量〔7第四章4-1什么是發動機的換氣過程？合理組織換氣過程的目的是什么？為什么說發動機的充量系數是研究換氣過程的核心問題？解：發動機排出廢氣和充入新鮮空氣或可燃混合氣的全過程叫換氣過程。合理組織換氣過程的目的包括：〔1保證在標定工況和全負荷工況下,吸入盡可能多的新鮮充量,以獲得盡可能高的輸出功率和轉矩；〔2保證多缸機各缸循環進氣量的差異不超出應有的范圍,以免對整機性能產生不利影響。〔3應盡量減小換氣損失,特別是占最大比例的排氣損失。〔4進氣后在缸內所形成的湍流場,應能滿足組織快速合理燃燒的要求。發動機充量系數指單缸每循環吸入缸內的新鮮空氣質量與按進氣狀態計算得到的理論充氣質量的比值,該參數是決定發動機動力性能和進氣過程完善程度的極為重要的評定指標,是換氣過程的核心問題。4-2畫出四沖程自然吸氣汽油機的低壓換氣過程p-V圖,標出進、排氣相位角的位置。比較大負荷與小負荷時的換氣損失,說明在膨脹損失、排氣損失以及進氣損失等方面的不同。解：p-V圖如下圖所示。其中b’為EVO,d為IVO,r’為EVC,a’為IVC。實線為節氣門全開〔亦即大負荷工況,虛線為節氣門部分開啟〔亦即小負荷工況。膨脹損失：大負荷時膨脹損失較大。因為大負荷是缸內溫度較高,傳熱損失較大。排氣損失：從圖上可以看出,小負荷時排氣損失較大。因為大負荷時,自由排氣階段的排氣量較大,從圖上也可以看出大負荷是排氣門開啟后,排氣壓力迅速降低到比小負荷時的排氣壓力略小的水平,故排氣損失較小。進氣損失：小負荷時進氣損失較大。因為小負荷時節氣門部分開啟,增加了進氣的泵氣損失。4-3自由排氣與強制排氣有何本質差別？簡述超臨界、亞臨界和強制排氣三個階段中影響排氣流量的主要因素。可以采取哪些措施來提高排氣流量？解：自由排氣和強制排氣的本質差別在于,廢氣是在缸內和大氣或渦輪機入口處的壓差作用下自由流出,還是依靠活塞強制推出。對于超臨界排氣,氣門口流速始終保持當地的音速,故影響排氣量的主要因素是氣門口截面積。對于亞臨界排氣,氣門口流速小于音速,但排氣速度仍然較高。此時影響排氣量的主要因素是排氣流動阻力。對于強制排氣,排氣壓力基本上等于排氣背壓。為了提高排氣量,可以采取的措施包括：〔1加快排氣門開啟的速度,增加自由排氣階段的排氣量；〔2減小排期流動損失,降低排氣背壓,增加強制排氣階段的排氣量。4-4什么是氣門口壅塞現象？為什么會出現這種現象？進、排氣門口的此種現象會對進、排氣及發動機性能帶來什么影響？解：按氣體動力學孔口流動規律,當孔口上游滯止壓力不變時,在孔口流速達到音速后,無論孔口下游的壓力降到多低,孔口的流量都保持不變。這就是氣流的壅塞現象。進氣門口壅塞會導致發動機在提高轉速時進氣流量不會加大,發動機功率不僅不會加大,反而因機械損失的增加而下降,轉速的提高將失去其提高功率的價值。排氣門口壅塞會影響正常排氣,造成殘留廢氣系數過大,不利于燃燒的正常進行。此外,進排氣門壅塞都會增加進排氣過程的換氣損失,影響發動機的經濟性。4-5進氣和排氣為什么要早開和晚關？4個相位角中,哪兩個角最重要？這兩個角對發動機性能有何影響？氣門重疊的作用是什么？比較汽油機與柴油機、增壓發動機與自然吸氣發動機氣門重疊角的大小,并說明造成差異的原因。解：早開晚關：進氣充足、排氣干凈。進氣晚關角和排氣早開角被認為是最重要的兩個,這是因為進氣晚關角對進氣充量影響最大,排氣早開角對換氣損失影響最大。氣門重疊角：掃氣以降低缸內的殘余廢氣系數；降低發動機的熱負荷。汽油機的氣門重疊角一般要比柴油機的小,這是因為若進氣門開啟過早,廢氣會倒入進氣管,出現"回火"現象,且氣門重疊角過大時可能造成新鮮可燃充量直接排出排氣管。增壓發動機的氣門疊開角一般會比非增壓發動機的大,這是因為增壓發動機進氣門外的壓力高于排氣背壓,因而能夠更好地實現燃燒室掃氣,達到增加新鮮進氣充量和降低燃燒室熱負荷的目的。4-6為什么進、排氣門開啟和關閉4個相位角都存在最佳值？為什么4個相位角的最佳值都隨轉速上升而加大？請逐一從物理概念上定性加以說明。解：〔1排氣早開角：排氣損失由提前開啟的自由排氣損失和排氣沖程的泵氣損失組成。當排氣早開角小時,自由排氣損失小而泵氣損失大；排氣早開角大時,自由排氣損失大而泵氣損失小。故排氣早開角必定存在最佳值。由于轉速對膨脹線影響不大,但是經歷相同自由排氣時間所對應的轉角必然是高轉速時大,因此轉速上升時,排氣早開角的最佳值加大。〔2排氣晚關角：排氣晚關角過小,排氣慣性利用不足；排氣晚關角過大,因活塞下行較多,造成廢氣倒流,排氣量也會減少。所以排氣晚關角也存在最佳值。轉速上升時,經歷相同的利用排氣慣性排氣的時間所對應的轉角也會增大,因此轉速上升時,排氣晚關角的最佳值加大。〔3進氣早開角：過大會回火,過小則進氣不足,故存在最佳值。轉速上升時,進氣門早開的時間相同,對應的進氣早開角會增大,因此轉速上升時,進氣早開角的最佳值加大。〔4進氣晚關角：過小不能充分利用進氣慣性,過大則有可能把已充入缸內的新鮮充量推回進氣管,故存在最佳值。轉速上升時,經歷相同的利用進氣慣性進氣的時間所對應的轉角也會增大,因此轉速上升時,進氣晚關角的最佳值加大。4-7增壓發動機與自然吸氣發動機的c定義有何差異？增壓發動機的理論進氣量如果按大氣環境條件計算,此時定義的c反映了什么？解：自然吸氣發動機的理論吸氣量計算時空氣密度按照環境狀態下的空氣密度計算,增壓發動機的理論吸氣量計算時空氣密度按照壓氣機后的空氣密度計算。增壓發動機的理論進氣量如果按照大氣環境條件計算,此時定義的充量系數反映了增壓的強度〔例如,按照這種方法計算所得的充量系數為1.2,這意味著經過增壓后,實際的進氣量是環境條件下完全排氣和進氣時的進氣量的1.2倍,但不能反映增壓的效率。4-8渦輪增壓發動機與自然吸氣原型發動機相比,由于循環進氣量大幅度增加,所以它的c也必然大幅度增加,這種說法對不對？為什么？渦輪增壓發動機較自然吸氣原型機的c一般來說是加大還是減小？請列舉主要影響因素加以說明。解：這種說法不對。因為自然吸氣發動機的理論吸氣量計算時空氣密度按照環境狀態下的空氣密度計算,增壓發動機的理論吸氣量計算時空氣密度按照壓氣機后的空氣密度計算。所以增壓后循環進氣量大幅增加不能說明充量系數也一定大幅增加。渦輪增壓發動機比自然吸氣原型機的充量系數增大。因為：進氣終了壓力提高,掃氣降低了殘余廢棄系數,同時減少了進氣加熱作用,使充氣系數提高。4-9影響穩定條件下發動機c的主要因素有哪些？它們是如何影響c的？解：影響充量系數的主要因素包括：〔1進氣流動阻力的影響。進氣流動阻力的大小直接影響進氣效率和進氣量。〔2進氣溫升的影響。進氣工質的溫升加大,必然降低缸內工質的密度,從而降低充量系數。〔3進排氣相位角的影響。進排氣相位角,特別是進氣晚關角和排氣晚關角,對充量系數有影響。合理的進排氣相位可以使進氣充足、排氣干凈,提高充量系數。4-10評價進氣道性能的指標是什么？進氣道的設計準則是什么？旋流進氣道與滾流進氣道所起的作用有何差異？解：評價進氣道性能的指標是進氣渦流強度和流通阻力。進氣道的設計準則是在基本滿足進氣渦流要求的前提下,盡可能降低氣道的流動阻力。旋流進氣道進氣時主氣流出現繞氣門中心的旋轉運動；滾流進氣道產生旋轉中心線與氣缸中心線垂直的縱向滾動氣流。兩者形成的氣流運動形式不同。滾流進氣道主要用于實現稀燃缸內直噴汽油機的分層混合氣。4-11什么是氣門口平均進氣馬赫數Mam？說明φc隨Mam變化的規律及原因,為什么Mam大于0.5就使φc急劇下降？解：平均進氣馬赫數的定義為通過氣門口的平均流速與當地音速的比值。充量系數隨馬赫數的增加而下降,特別是馬赫數大于0.5時,充量系數急劇下降。馬赫數增大時,氣門口流速增大,使流動阻力以平方關系提高,使充量系數下降。當馬赫數達到0.5左右時,雖然總體上未達到音速,但某些小升程段的氣流已接近壅塞,充量系數加速下降。4-12進氣終了前工質溫度的上升對發動機性能有什么影響？一般來說,有哪些因素影響進氣終了工質溫度的變化量？影響大小及趨勢如何？解：進氣工質的溫升加大,必然降低缸內工質的密度,從而降低充量系數,影響發動機的動力輸出。影響進氣終了工質溫度的變化量的因素包括：進氣過程中高溫壁面傳熱；進氣過程中壓力損失變為摩擦熱；殘余廢氣與新鮮充量混合；進氣過程中燃料氣化吸熱。其中,前3個因素引起進氣工質溫度上升,第4個因素引起進氣工質溫度下降。在4個因素中,進氣過程中高溫壁面傳熱對進氣溫升的影響最大。且轉速越低,負荷越大,高溫壁面傳熱引起的溫升越大。4-13為什么近代轎車汽油機普遍采用多氣門機構？它有什么優缺點？柴油機為什么較少采用多氣門？2氣門改為4氣門時,為什么功率上升的百分比要比轉矩增加的百分比大得多？解：優點：〔1增加了進氣流通面積,減小進氣阻力,提高進氣充量；〔2對于汽油機來說,有利于采用火花塞中置的燃燒室布置。缺點：〔1使氣門機構變得復雜。〔2增加了成本。對于柴油機,由于柴油機沒有節氣門,進氣阻力相對較小,而汽油機在中小負荷時節氣門節流作用明細,所以柴油機對進氣流通面積的要求比汽油機低。2氣門改為4氣門時,功率上升的百分比比轉矩增加的百分比大得多。這是因為：對于轉矩來說,改用4氣門主要的影響是增加了進氣充量,從而對最大輸出轉矩有所提升。對于功率來說,除了在相同轉速的條件下增加了輸出轉矩,使功率上升之外,2氣門改為4氣門還有一項重要的影響：在發動機高速工況下,由于進氣壅塞現象,發動機功率反而下降；而2氣門改用4氣門后,由于氣門流通面積大大增加,防止了進氣壅塞現象,使得在高轉速下也能夠輸出較大扭矩,這樣由于轉速的提高,功率大大增加。在這兩種影響的綜合作用下,功率上升的百分比比轉矩增加的百分比大得多。4-14為什么說c—n進氣外特性曲線是發動機特別是汽油機極為重要的性能曲線之一？一般發動機的c—n外特性曲線的變化趨勢有何特點？由哪些因素決定？進氣晚關角是如何影響c—n曲線？為什么發動機提高標定轉速時要相應加大進氣晚關角？解：對于汽油機,在有效效率變化不大的條件下,其輸出轉矩的大小主要取決于每循環進入氣缸的充量。所以發動機的進氣外特性基本上決定了各工作轉速全負荷時輸出轉矩和功率,也就是決定了整機的最大動力性。對于柴油機,由速度外特性決定的最大充量變化規律,限制了柴油機允許噴入的極限油量,即限制了可能達到的最大動力性。汽油機充量系數隨轉速上升較快下降。當部分負荷節氣門關小時,充量系數下降更劇烈。柴油機進氣速度特性相對汽油機變化平緩。當負荷減小時,進氣速度特性線比進氣外特性線略高一些。進氣充量速度外特性曲線受進氣工質溫升、流動總阻力、進氣晚關角等因素影響。如果進氣晚關角不隨轉速變化,則發動機只有一個轉速對應最佳進氣晚關角。當轉速大于該轉速時,不能充分利用進氣慣性；當轉速小于該轉速時,進入缸內的新鮮充量部分流回進氣管。兩種情況都是進氣充量低于理想值。提高標定轉速時,由于轉速增加時最佳進氣晚關角會相應的增大,所以應加大進氣晚關角,從而可以提高發動機轉速并加大輸出功率。4-15什么是可變氣門正時〔VVT？VVT是如何分類的？它影響發動機的哪些性能？無凸輪VVT有何突出優點？解：VVT通過改變進、排氣門開啟和關閉時刻以及氣門升程,以滿足發動機在不同轉速和負荷工況下對進、排氣流通特性的要求。VVT分為可變正時VVT、可變升程VVT和可變正時和升程VVT三類。VVT主要影響發動機的動力性〔增大充量系數和經濟性〔減少泵氣損失。無凸輪VVT利用電磁或電液機構直接驅動進、排氣門的開啟和關閉,省去了凸輪軸,并且可以對氣門正時、氣門升程進行全可變調節,可使發動機的性能得到最大程度的優化。4-16什么是進、排氣過程的動態效應？如何利用動態效應來提高發動機的c？多缸發動機出現各缸進氣不均勻的主要原因是什么？解：進、排氣過程動態效應指進氣管、排氣管中壓力波傳播對進氣門端進氣壓力和排氣門端排氣壓力的影響。進氣門開啟時,發出膨脹疏波,由管端第一次返回壓縮密波,利用壓縮密波可以增加進氣量。類似的,排氣門開啟時,發出壓縮密波,由管端第一次返回膨脹疏波,利用膨脹疏波可以增加排氣量。多缸機進、排氣總管和歧管相互串聯或并聯。某一缸進氣時,其他缸進氣產生的疏波或者密波會對此缸的進氣壓力造成影響。同理,其他缸的排氣形成的疏波或密波也會對排氣缸的排氣壓力造成影響。這些會造成多缸機各缸進氣不均勻的問題。4-17利用壓力波傳播理論解釋：氣門口開啟進氣時,為什么進氣管中出現的是右行疏波〔取氣門口到進氣管入口為右行正方向？若進氣管入口是一個無空濾器全開口的管端,為什么上述疏波傳到開口管端時的反射波是全正反射的左行密波？若換為排氣門,氣門口開啟排氣時,情況又如何？解：氣門口開啟進氣時,由于活塞下行,氣缸內壓力較低,dpR為負值,故出現右行疏波。根據壓力波傳播理論和邊界條件性質,對于開口端,出現全負反射,即反射波性質與來波相反,而幅值相同。故反射波是左行密波。對于排氣門,氣門開啟排氣時,由于缸內壓力比排氣背壓大,故出現右行密波。4-18什么是可變進氣歧管長度系統？它主要用來改善發動機的什么性能？高、低轉速下如何改變進氣歧管的長度？解：可變進氣歧管長度系統,可以在不同的轉速下控制氣流沿不同長度的路徑進入氣缸,從而可以在低速時獲得大轉矩,在高速時獲得大功率。主要改變發動機的動力性能。高速時使用短的進氣管長度,提高功率；低速時使用長的進氣管長度,增加扭矩。4-19為了利用進氣動態效應提高某一汽油機在n=5000r/min時的c,對其進氣管進行設計,已知進氣早開角和晚關角分別為30°CA和50°CA,設當地音速為350m/s,試計算并選定最佳進氣管長度。解：本循環〔慣性效應：設該汽油機的進氣管長度為L,則若本循環壓力波對進氣過程有正效應時需滿足的條件為：,即式中為當地聲速,為進氣門總的開啟角度值；所以,〔1上循環〔波動效應上循環殘余壓力波動的正壓波如能處于本循環進氣時期,則會對有利。記氣門口處壓力波動頻率為：進氣門開啟頻率為：頻率比為1.5,2.5…,殘余正波到達,對有利。所以有：；<2>管長L與轉速n要合理匹配：L太長,對c沒有影響；L過短,多次返回的密波和疏波相互抵消。由式<1>、<2>可知,最佳的進氣管長度為L=1.4m。4-20有一常規的四缸四沖程汽油機,在發動機臺架上做試驗,下表是測得的數據。排量2.0dm3消耗400cm3燃料和3.38m3空氣的時間53.0s發動機轉速4800r/min有效平均壓力0.951MPa環境溫度293K環境壓力0.1MPa殘余廢氣系數0.05假設氣門重疊很小,對換氣循環的影響可以忽略不計。已知汽油密度為0.76kg/L,低熱值為42MJ/kg,摩爾質量為98kg/kmol。計算：<1>新鮮進氣充量；<2>空燃比；<3>充量系數；<4>殘余廢氣質量；<5>混合氣熱值；<6>有效效率。解：〔1每循環進入發動機的空氣量：每循環進入發動機的燃料量為：所以每循環進入發動機的新鮮充量為：〔2空燃比為：〔3充量系數為：〔4殘余廢氣質量：〔5因空燃比小于理論空燃比,所以混合氣所能發出的熱值應按空氣量計算：單位質量混合氣熱值：混合氣密度為：混合氣的體積熱值為：〔6發動機的有效熱效率為：4-21渦輪增壓和氣波增壓發動機各自是如何利用廢氣能量的？為什么增壓中冷是發動機發展的重要方向之一。解：渦輪增壓：高溫高速的廢氣進入渦輪機后,低溫、低速排出,廢氣的焓差和動能差轉化為渦輪機的機械功,用以驅動壓氣機,提高發動機的進氣壓力。一方面加大了進氣充量,提高輸出功率；另一方面,泵氣過程功為正功,同時機械效率相對提高,增加了整機有效效率。氣波增壓：利用管道中壓力波特性,是廢氣與新鮮空氣接觸,在相互不混合的前提下,直接將廢氣能量傳給低壓空氣,并提高其壓力,實現增壓。增壓中冷對增壓后較熱的空氣再進行冷卻,降低其進氣溫度,則輸出功率進一步增大,排放、噪聲等性能也有所改善,所以增壓中冷是發動機發展的重要方向之一。4-22什么是定壓增壓系統？什么是脈沖增壓系統？比較定壓增壓和脈沖增壓兩種系統的優缺點,并說明它們各自適用的場合。解：定壓渦輪增壓系統把所有氣缸的排氣歧管通向一個體積較大的排氣總管,排氣總管基本保持恒定壓力,起到了穩壓的作用；廢氣按定壓由總管導入渦輪機的噴嘴環。脈沖渦輪增壓系統將各缸排氣歧管中的脈沖氣流直接導入渦輪機中,以盡量減少定壓系統的不可逆膨脹能量損失。兩者的比較：〔1定壓系統廢氣流入總管造成強烈的節流和不可逆膨脹損失,可用能利用率低。〔2脈沖系統對掃氣有好處。〔3定壓系統動態過程的響應比脈沖系統慢,對發動機的加速性能和排放性能不利。〔4脈沖系統絕熱效率低于定壓系統。〔5脈沖系統瞬時最大流量高于定壓系統的穩定流量。中、小型車用柴油機多為低增壓,采用脈沖系統較為有利；大型柴油機增壓比高,宜采用定壓系統；但是,車用柴油機從提高低速轉矩和加速性能角度考慮,即使增壓比較高,也常選用脈沖增壓系統。4-23為什么渦輪增壓柴油機的機械效率一般比原型自然吸氣式發動機的高？是不是所有工況都高？有沒有機械效率反而低的情況？為什么？解：增壓后發動機由于利用廢氣能量做功增加了一塊泵氣正功,使其機械效率有所提高。不是所有工況都高。低速工況和動態工況下機械效率可能機械效率反而低。低速工況時,渦輪增壓效果較弱,機械效率較低,且低速轉矩特性不足。動態工況下,氣流響應需要時間,增壓器葉片也有較大慣性,動態過渡過程過長,影響發動機排放和經濟性能。4-24為什么渦輪增壓發動機會出現壓氣機后增壓壓力pb小于渦輪機前入口壓力pk的情況？哪些工況會是這樣？pb大于pk是否就意味著會出現理論和實際泵氣正功？為什么？解：起動工況、加速工況、低速小負荷工況下,可能壓氣機后增壓壓力反而小于渦輪機前入口壓力。起動工況時,渦輪增壓沒有介入；加速工況時,由于壓氣機需要的響應時間較長,增壓壓力上升比渦輪機前入口壓力的上升存在一定的遲滯；低速小負荷工況時,渦輪增壓效率低。pb大于pk意味著理論泵氣正功,但實際泵氣不一定是正功,因為可能存在較大的泵氣損失,使實際泵氣功為負。4-25采用哪些技術措施可以解決常規渦輪增壓柴油機的NOx排放高、低速轉矩特性差以及動態響應慢等缺點？為什么？解：增壓中冷技術可以降低NOx排放,同時進一步增大輸出功率。因為采用增壓中冷增加了進氣量,同時降低了進氣溫度。電控可變噴嘴環截面渦輪增壓技術,可以有效增大低速轉矩。因為實現了對增壓壓力和增壓器效率的優化控制。電控燃油噴射技術可有效降低NOx排放和燃燒噪聲。因為實現了可變燃油噴射時刻和噴射速率。此外,以上電控技術的應用改善了柴油機的動態性能。因為電控技術的應用使得對柴油機的瞬態控制更加靈活、迅速。4-26為什么汽油機采用渦輪增壓的比例越來越高？渦輪增壓汽油機是如何解決應用中存在的相關問題的？解：因為和柴油機類似,汽油機采用渦輪增壓可以提高動力性能、改善經濟性能、改善排放性能、降低燃燒及排氣噪聲、降低制造成本,所以汽油機采用渦輪增壓的比例越來越高。解決汽油機增壓應用問題的主要措施包括：〔1應用電控技術,可以改善動態特性、防止爆燃和降低熱負荷；〔2應用增壓中冷技術,可以提高動力性、改善經濟性,同時對消除爆燃、降低熱負荷以及減少NOx排放有利；〔3采用增壓壓力控制系統,可以降低增壓比,避免爆燃和過高的熱負荷,并有利于高、低速轉矩特性的控制。〔4提高燃料辛烷值、改進發動機制造工業和增壓器葉片材質等。4-27以曲軸箱掃氣式二沖程汽油機為例,說明二沖程發動機的進氣、壓縮、燃燒、排氣四個過程是如何在兩個沖程內完成的。解：活塞向下移動的沖程,先燃燒、膨脹做功,然后排氣孔打開,自由排氣,再往后掃氣孔打開,被壓縮的新鮮工質從曲軸箱通過掃氣孔進入氣缸,一邊向氣缸充氣,一邊幫助排氣,稱為掃氣。活塞向上移動的沖程,先是繼續掃氣,掃氣孔關閉后還繼續排氣,排氣孔關閉后則進行壓縮,接近上止點時著火燃燒。活塞上行沖程的某一時刻,活塞下邊緣將掃氣孔打開,曲軸箱吸入新鮮工質,以備下一循環充氣、掃氣用。4-28二沖程發動機有哪幾種常用的掃氣系統？比較這些系統的優缺點及應用場合。解：掃氣系統包括橫流掃氣、回流掃氣和直流掃氣。橫流掃氣掃氣孔和排氣孔分別布置在氣缸兩側。結構簡單,但換氣效果不佳,兩側缸壁的熱負荷和受力都不均勻。回流掃氣掃、排氣孔布置在氣缸同側。掃氣效果要比橫流掃氣好很多,同時保留了結構簡單的優點。直流掃氣在缸蓋上設置排氣門以代替排氣孔,掃氣孔沿切線排列。大大改善了換氣質量,優點很多。但由于增設了排氣門機構,換氣系統復雜,發動機高度增加。4-29為什么二沖程汽油機沒有在汽車中得到廣泛應用？如果想發展車用二沖程汽油機,應采用哪些技術措施？解：二沖程汽油機的主要優點是升功率高,動力性好；其主要缺點是換氣效果差,經濟性能和排放性能受限。發展車用二沖程汽油機需要找到高效的換氣〔掃氣技術,改善換氣效果,提高充量系數,同時減少掃氣過程中的HC排放。例如,可以采用換氣效果最好的直流掃氣技術代替目前常用的回流掃氣技術。第五章5-1汽車發動機的面工況是由哪些工況線所限定的？在Pe-n或Ttq-n工況面上畫出各限制線,并標出常用的典型工況點。解：上緣的各轉速最大功率限制線；右側各負荷條件下的最高轉速限制線；左側的發動機最低穩定工作轉速限制線。5-2在汽車發動機工況平面圖上定性準確地畫出外特性轉矩線、最小等油耗線、最大等功率線和汽車四檔阻力線等四條曲線,并簡單說明每條曲線的變化特點。解：示意性的汽車發動機工況運行圖〔發動機全特性圖如下所示：外特性轉矩線是在發動機的供油量調節裝置處于最大供油位置時發動機的轉矩隨轉速的變化曲線。轉矩線主要受充量系數和機械效率的影響,在某一較低轉速處有最大值,然后隨轉速上升而較快下降,轉速愈高,降得愈快。對于車用發動機,理想的最小等油耗線包圍的經濟圈應該位于最高擋阻力線中速略偏低的部位,并使最小等油耗線圈在橫向拉長一些。發動機的功率正比于轉速和平均有效壓力,因而最大等功率線呈現出"蹺蹺板"的變化趨勢,是一支雙曲線,且與外特性轉矩線相切。汽車的行駛阻力隨車速的上升呈平方增大趨勢,因此在擋位一定的時候也隨著發動機轉速的上升呈現出了平方增大的關系。5-3什么是汽車發動機的標定工況？轎車汽油機和重型載貨車柴油機確定標定工況時的出發點是什么？二者的標定功率,哪一個更接近發動機的極限最大功率？解：標定工況：發動機銘牌上規定的最大輸出功率Pemax及其對應轉速所確定的工況。轎車使用15min功率。適用于短時間使用最大功率的發動機。重型載貨車柴油機使用1h功率。適用于較長時間的重在使用。轎車更接近。5-4什么是發動機的運行特性和調整特性？研究運行特性和調整特性的意義各是什么？解：運行特性：發動機穩態工況條件下的特性。為了了解發動機的性能指標與特性參數隨著各種可變因素變化的規律。調整特性：發動機轉速和油量調節位置不變下,各種性能指標隨調整參數變化的規律。對發動機性能進行優化。5-5發動機穩態運行與動態運行最本質的區別是什么？為什么轎車在市內行駛時其動態運行所占比例要大大超過穩態運行？試舉三種動態運行的例子,并簡述其動態過程。解：發動機各個運行參數發生變化的是動態特性,不變的是穩態特性。因為市內車輛較多,路況復雜,需要不斷調整運行參數。5-6為什么汽油機和柴油機的指示效率ηit隨轉速n變化的速度特性曲線總是在高、低速兩端降低一些？為什么二者的ηit隨負荷變化的趨勢又相反？解：對汽油機,低速時,缸內氣流運動減弱,火焰傳播速度降低,漏氣和散熱損失增加。高速時,燃燒所占的曲柄轉角增大,等容度變小,燃燒不充分。對柴油機,低速時,燃料噴射壓力減小,缸內氣流運動減弱,對混合氣形成和燃燒不利,且傳熱增加。高速時,噴油及燃燒持續期增加,充量系數下降,過濃。對汽油機,小負荷時節氣門開度小,殘余廢氣增加,燃燒速度變慢,負荷減小,過量空氣系數降低,燃燒不完全,氣化條件惡化和傳熱增加。對柴油機,一方面小負荷意味著噴油量下降,噴油和燃燒持續期都降低,等容度上升；另一方面混合氣變稀,k上升。5-7為什么說柴油機的速度特性曲線主要是由油泵的供油速度特性曲線gb-n決定？而汽油機的速度特性曲線則是由充量系數的速度特性曲線φc-n決定？解：柴油機為質調節,空氣一般過量,做功多少主要由噴油量的多少決定。汽油機為量調節,過量空氣系數在1附近,做功多少主要由進氣量決定。5-8汽油機和柴油機的負荷特性曲線總體變化趨勢如何？有什么差別？為什么會有這些差別？解釋二者實際的使用燃料消耗率比標定工況燃料消耗率相差更大的原因。解：指示效率都是中間高,汽油機更偏向大負荷。機械效率都隨負荷增加而增加。油耗與指示效率的變化正好相反。汽油機小負荷燃燒不好,泵氣損失高,隨著負荷增加得到改善。柴油機小負荷等容度高,k大,隨著負荷增加而惡化。負荷增加,機械損失增加較少,所以機械效率增加。5-9畫出汽油機和柴油機在全、中、小負荷三種情況下,Pe和Ttq的速度特性曲線〔汽油機及柴油機各畫一圖。對比說明兩種機型的速度特性曲線的變化特點,并解釋造成差異的主要原因。兩種機型外特性線形狀對整車動力性是有利還是不利？如不利,可采用什么措施加以改進？畫出改進后的特性曲線。解：汽、柴油機在全、中負荷和小負荷三種情況下Pe和Ttq的速度特性曲線分別如下圖所示：汽油機Ttq線總體上向下傾斜較大,低負荷時傾斜更大；而柴油機Ttq線總體變化平坦,低負荷時甚至上揚。這主要是由于汽油機的轉矩Ttq主要取決于充量系數和機械效率的影響,而柴油機的轉矩主要由循環供油量gb和機械效率ηm決定。汽油機Pe外特性存在最大值點,該點一般就是標定功率點,而柴油機Pe外特性可達到的最大值點的轉速很高。這種變化特點也同樣是由于傳統汽油機的φc速度特性和傳統柱塞式噴油泵的gb速度特性所決定的。就同一排擋的加速和克服阻力的能力而言,相同標定點前提下,汽油機的動力性能明顯優于柴油機,因為在低于標定轉速下各點的轉矩與功率,汽油機都比柴油機高；就最高擋可達到的最高轉速而言,柴油機比汽油機更遠離標定轉速點,這是因為汽油機的Ttq線下降急劇,而柴油機比較平緩的緣故,而這恰恰是汽油機的優點,因為標定轉速本來就足夠高,過多超越就會帶來超速或"飛車"的危險。汽油機的外特性線要比柴油機外特性線的動力適應性好,所以汽油機一般不進行外特性線的改造；而柴油機則往往要在低于標定轉速段處進行"校正",使Ttq加大；在高于標定轉速段處進行"調速",以避免超速飛車,如下圖所示。5-10什么是柴油機的冒煙極限功率？它與標定功率有何關系？柴油機的標定功率是否就是標定轉速下的最大功率？汽油機是否也是如此？解：排煙達到法規限值的功率所對應的點。在標定功率之后。不是。5-11為什么說汽車的動力性主要是由發動機的速度外特性所決定？分別用汽車動力性的三個指標來加以說明。解：車速越高,發動機受到的行駛阻力越到。當在某個車速下,行駛阻力與發動機的動力平衡時到達最高車速。而發動機各轉速動力的大小主要取決于速度外特性。同理,對于加速能力和最大爬坡度也有相似的對應關系。5-12什么是發動機的轉矩適應系數和轉速適應系數？為什么這兩個系數加大時,汽車的動力性能都有所提高？為何載重車發動機對這些系數的要求比轎車發動機高？解：轉矩適應系數：發動機轉矩外特性上最大轉矩與標定功率點轉矩之比。轉速適應系數：標定轉速與外特性曲線上的最大轉矩點對應轉速之比。因為這兩個系數增大時,發動機克服阻力的能力增強。重載車對動力性的要求比轎車高。5-13什么是轉矩校正？為什么汽油機不進行校正而載重車用柴油機需要進行校正？為什么載重車用柴油機一般都允許進行校正？校正外特性曲線是否符合速度特性曲線的定義？它與標準的速度外特性曲線有何關聯？又有何差別？解：轉矩校正：通過一定的校正措施獲得更大的KT和Kn。首先,汽油機動力性明顯優于柴油機,在低于標定轉速下,汽油機各點的轉矩和功率都比柴油機高。其次,最高檔可達到的最高穩定轉速,柴油機的nd比汽油機的ng更遠離標定轉速點nn,這是因為汽油機的轉矩曲線隨速度的升高急劇下降,而柴油機比較平緩。滿足速度特性定義。是標準速度外特性曲線通過校正得到的。相對于標準速度外特性曲線有更大的KT和Kn。5-14為什么說汽油機的速度特性具有良好的自我調節能力以致于不需要進行任何的校正和調速？形成這種良好的速度特性線的主要原因是什么？解：汽油機的轉矩速度特性曲線具有良好的自我調節能力。因為在任何節氣門位置,向下傾斜的轉矩速度特性曲線與向上傾斜的阻力矩線的交點都是能夠穩定運行、轉速變動不大的工況點。即使是外特性曲線的最高空車轉速,也不會高到不能接受的程度。不存在飛車危險。5-15為什么柴油機的速度特性曲線不進行調速時會出現高速"飛車"以及低速運行不穩定的危險？"飛車"是否是由于理論上無法穩定運行而造成的？形成柴油機這種外特性線的主要原因是什么？解：柴油機油量調節桿固定在較大油量位置時,雖然理論上能穩定在某一工況運行,但因曲線較平坦,較小的負荷變化就會導致轉速大幅度變化。此時,即使轉速能穩定,也會因轉速高而出現飛車。當油量調節桿固定在較小油量位置時,將無法穩定運行。不是。柴油機的轉矩速度特性曲線是在油量調節桿的位置不變時獲得的。這條曲線受到循環供油量速度特性控制,變化平緩,在低速和小油量位置時,甚至呈上升趨勢。5-16柴油機調速器最基本的功能是什么？實現調速的基本原理又是什么？解：主要作用是當加速踏板位置不變而發動機高于一定轉速后,轉矩會隨著n上升自動下降。供油量在某一設定的轉速范圍內能夠隨著轉速的升高而自動大幅下降。5-17什么是兩極調速模式？什么是全程調速模式？并簡要說明兩極調速和全程調速的優缺點及應用場合。解：兩級調速：供油量在高速和低、怠速時隨轉速升高迅速下降的調試模式。全程調速：在加速踏板的任意位置,隨著轉速的上升,供油量先沿外特性變化到對應轉速后開始調速的調試模式。兩級調速：優點：操作輕便,加速平穩,煙度較小。缺點：加速踏板位置頻繁切換,作業效率低。一般用于車用柴油機。全