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______________________________________________________________________________________________________________ 《汽車發(fā)動機(jī)原理》課后習(xí)題答案 第一章 1-1 圖1-2示出了自然吸氣與增壓四沖程發(fā)動機(jī)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(fù)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(fù)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(fù)如何？ （4）造成自然吸氣與增壓發(fā)動機(jī)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(fù)功 增壓：動力過程功=面積aczbaWt=W1，正功 泵氣過程功=面積brab Wt=W2，正功 (2)自然吸氣：理論泵氣功=0 實際泵氣功=W2+W3，負(fù)功 泵氣損失功W2+W3負(fù)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(fù)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(fā)動機(jī)的進(jìn)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(fā)動機(jī)在中、小負(fù)荷工況運轉(zhuǎn)時，有可能出現(xiàn)壓氣機(jī)后進(jìn)氣壓力pb小于渦輪前排氣壓力pk的情況，請畫出此時發(fā)動機(jī)一個循環(huán)的p-V圖，標(biāo)出上下止點、進(jìn)排氣門開關(guān)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(fù)。 解：p-V圖如下圖所示： 理論泵氣功：綠線包圍的矩形面積，負(fù)功 實際泵氣功：進(jìn)排氣線包圍的面積，負(fù)功 泵氣損失功：兩塊面積之差，負(fù)功 1-3假設(shè)機(jī)械增壓與渦輪增壓四沖程發(fā)動機(jī)的動力過程功Wt和壓氣機(jī)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(jī)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(jī)械增壓實際排氣線的上方。機(jī)械增壓的泵氣功大，因為機(jī)械增壓的排氣壓力更低。 1-4圖1-4曲軸箱掃氣二沖程發(fā)動機(jī)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(fù)。 解：上圖-缸內(nèi)工質(zhì)對活塞做的功；下圖-曲軸箱內(nèi)工質(zhì)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(guān)閉時掃氣結(jié)束，排氣門關(guān)閉后整個氣缸的換氣過程結(jié)束。對于曲軸箱，進(jìn)氣門從開啟到關(guān)閉為進(jìn)氣過程，掃氣門從開啟到關(guān)閉為掃氣過程。曲軸箱換氣功為負(fù)功。 1-5為什么發(fā)動機(jī)性能指標(biāo)有指示指標(biāo)與有效指標(biāo)的分別？兩種指標(biāo)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(biāo)？ 解：指示指標(biāo)：不受循環(huán)過程中機(jī)械摩擦、附件消耗以及進(jìn)排氣和掃氣流動損失的影響，直接反應(yīng)缸內(nèi)熱功轉(zhuǎn)換進(jìn)行的好壞，因而在內(nèi)燃機(jī)工作過程分析中廣泛應(yīng)用；有效指標(biāo)：被用來直接評定發(fā)動機(jī)實際工作性能的優(yōu)劣，因而在發(fā)動機(jī)生成和試驗研究中廣泛應(yīng)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(biāo)。 1-6 發(fā)動機(jī)的動力、經(jīng)濟(jì)性能在生產(chǎn)使用中主要用哪幾個指標(biāo)來表示？如果要進(jìn)行不同機(jī)型性能的對比，應(yīng)該使用何種動力、經(jīng)濟(jì)性能指標(biāo)？ 解：動力性：功率、扭矩、速度； 經(jīng)濟(jì)性：有效效率、燃油消耗率、潤滑油消耗率。 不同機(jī)型對比常用：有效平均壓力、升功率和be。 1-7為什么發(fā)動機(jī)原理把有效平均壓力pme當(dāng)作一個極為重要的性能指標(biāo)？ 解：因為pme與整機(jī)的功率、扭矩和功都成正比，又是可比指標(biāo)，是表示動力性能的最具代表指標(biāo)。 1-8為什么說活塞平均速度νm是比轉(zhuǎn)速n更為本質(zhì)的動力性能速度指標(biāo)？ 解：因為轉(zhuǎn)速n只能作為同一機(jī)型的速度指標(biāo)，不能用來判斷不同機(jī)型運動速度的快慢。 1-9 試推導(dǎo)以有效平均壓力pme表示的有效輸出功率Pe和有效轉(zhuǎn)矩Ttq的計算公式（標(biāo)出各參數(shù)的量綱）；比較同為動力性指標(biāo)的Pe和Ttq有何區(qū)別；分析在發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)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(zhuǎn)速，增大平均有效壓力（增壓，提高效率等）。 1-10為什么說發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速n確定后輸出功率Pe（或轉(zhuǎn)矩Ttq）主要取決于有效效率ηet和循環(huán)可燃混合氣進(jìn)氣量（汽油機(jī)）或循環(huán)供油量（柴油機(jī)）？而有效燃料消耗率be則主要取決于有效效率ηet？ 解：當(dāng)轉(zhuǎn)速n確定后，單位時間內(nèi)做功的次數(shù)一定。決定做功快慢的主要因素變?yōu)橐淮巫龉Φ亩嗌?。而循環(huán)可燃混合氣量和循環(huán)噴油量所產(chǎn)生的熱量與有效效率的乘積即為每循環(huán)做的功。因此，當(dāng)n確定后，循環(huán)可燃混合氣量和循環(huán)噴油量所產(chǎn)生的熱量與有效效率成為影響Pe主要指標(biāo)。 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(zhì)量的燃料在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，完全燃燒所能釋放的熱量?？扇蓟旌蠚鉄嶂禐閱挝毁|(zhì)量或體積的可燃混合氣在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下燃燒所釋放的熱量。取決于燃料的熱值和空燃比。 1-12發(fā)動機(jī)有效效率計算公式het=hc·ht·hm中，hc、ht、hm各自的物理含義是什么？自然吸氣、渦輪增壓和機(jī)械增壓四沖程發(fā)動機(jī)的hc、ht和hm有何區(qū)別？ 解：燃燒效率：燃料化學(xué)能通過燃燒轉(zhuǎn)化為熱能的百分比。 循環(huán)熱效率：燃燒加熱量經(jīng)過發(fā)動機(jī)工作循環(huán)轉(zhuǎn)化為對活塞的指示功的百分比。 機(jī)械效率：指示功減去機(jī)械損失后，轉(zhuǎn)化為有效功的百分比。 一般增壓發(fā)動機(jī)大于自然吸氣發(fā)動機(jī)。對于機(jī)械效率，渦量增壓大于機(jī)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(jī)械效率、循環(huán)熱效率等。 降低途徑：增壓小排量技術(shù)、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(biāo)表示？各指標(biāo)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(zhì)量比。 過量空氣系數(shù)：實際空氣量比理論空氣量。燃空當(dāng)量比：理論與實際空氣量之比。 空燃比與當(dāng)量比互為倒數(shù)。過量空氣系數(shù)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(xué)計量比？具有化學(xué)計量比的可燃混合氣的過量空氣系數(shù)fa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(yīng)時兩者的比值。具有化學(xué)計量比的可燃混合氣的過量空氣系數(shù)fa為1，其空燃比α為14.2。 1-16基于Pe的綜合表達(dá)式（1-40）分析： （1）哪些參數(shù)屬于“質(zhì)”環(huán)節(jié)參數(shù)？哪些參數(shù)屬于“量”環(huán)節(jié)參數(shù)？ （2）發(fā)動機(jī)在結(jié)構(gòu)參數(shù)不變的情況下，由自然吸氣改為渦輪增壓時，式中各種參數(shù)怎樣變化？ 解： （1）：上式中，、、三者為“質(zhì)”環(huán)節(jié)參數(shù)，其余為“量”環(huán)節(jié)參數(shù)。 （2）：發(fā)動機(jī)由自然吸氣改為渦輪增壓時，如果燃燒組織得較好，、、、略有增加，、大幅增加，、、不變。 1-17一臺4缸四沖程火花點火發(fā)動機(jī)（缸徑D＝80mm，沖程s＝76.5mm）節(jié)氣門全開時在臺架上的測量結(jié)果如下：發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速n=5900 r/min；有效轉(zhuǎn)矩Ttq=107.1 N·m；指示平均壓力pmi=1.19 MPa。計算： （1）循環(huán)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(jī)械效率hm； （5）機(jī)械損失功率Pm和機(jī)械損失平均壓力pmm。 解： (1) (2) (3) (4) (5) 1-186135Q-1四沖程柴油機(jī)的沖程s＝140mm，在發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速n=2200r/min時的機(jī)械效率為hm =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(jī)低熱值為Hu=42500kJ/kg。求此時發(fā)動機(jī)的pme、Ttq、Pm、het和Wi各值。 解： 1-19一臺6缸四沖程柴油機(jī)（缸徑D＝102mm；沖程s＝125mm），在全負(fù)荷時的臺架測量結(jié)果如下：21.22 s內(nèi)消耗燃料體積200 cm3，燃料密度0.83 kg/dm3；30.1 s內(nèi)消耗空氣體積5m3；環(huán)境空氣壓力0.1 MPa；環(huán)境空氣溫度300 K；有效轉(zhuǎn)矩424 N·m；發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速2650 r/min；機(jī)械損失平均壓力0.1758 MPa；柴油低熱值42500 kJ/kg。計算該測試條件下： （1）燃料體積流量和質(zhì)量流量； （2）空氣體積流量和質(zhì)量流量； （3）有效功率Pe； （4）有效燃料消耗率be和有效熱效率het； （5）指示燃料消耗率bi和指示熱效率hit。 解： 1-20一臺排量為4.6 L的四沖程V8汽油機(jī)采用了斷缸技術(shù)，當(dāng)功率需求減小時，切換成2.3 L排量的V4工作模式。該發(fā)動機(jī)在轉(zhuǎn)速為1750 r/min時，采用V8工作模式，此時發(fā)動機(jī)的充量系數(shù)為0.51，機(jī)械效率為0.75，空燃比為14.5，發(fā)出的有效功率是32.4 kW。發(fā)動機(jī)在更高的轉(zhuǎn)速下切換成V4工作模式時，充量系數(shù)為0.86，機(jī)械效率為0.87，空燃比為18.2。假定不同轉(zhuǎn)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： （1）1750 r/min時，V8工作模式的進(jìn)氣質(zhì)量流量（kg/s）； （2）1750 r/min時，V8工作模式的燃料消耗質(zhì)量流量（kg/s）； （3）1750 r/min時，V8工作模式的有效燃料消耗率（g/(kW·h)）； （4）V4工作模式發(fā)出與V8工作模式相同有效功率所需的轉(zhuǎn)速（r/min）； （5） 上述V4工作模式時發(fā)動機(jī)的有效燃料消耗率（g/(kW·h)）。 解： （1）根據(jù)pv=nRT，有以下關(guān)系式 （2） （3） （4） 因為只是熱效率相等，所以： （5）be*0.75/0.87=268g/kW.h 第二章 2-1 缸內(nèi)工質(zhì)是從哪幾個方面影響發(fā)動機(jī)的性能及其燃燒模式的？ 解：(1) 工質(zhì)的各種熱力參數(shù)—質(zhì) (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(fā)動機(jī)的常規(guī)燃料和代用燃料？代用燃料是如何分類的？為什么要加強(qiáng)代用燃料的研究和應(yīng)用？ 解：常規(guī)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(qiáng)代用燃料研究主要出于能源安全和環(huán)境保護(hù)考慮。 2-3 醇、醚和酯類燃料都是含氧燃料，它們的分子結(jié)構(gòu)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(zhì)中的氫被羥基取代的產(chǎn)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(zhì)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(zhì)是烴類物質(zhì)中的氫被羧基取代的產(chǎn)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(jié)構(gòu)相同的烴燃料，其分子中碳原子數(shù)的多少對發(fā)動機(jī)的性能有何影響？原因何在？ 解：C越多，化學(xué)穩(wěn)定性差，著火溫度低，易自燃；但物理穩(wěn)定性好，不易氣化。因為高C烴結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)不同的烴燃料對發(fā)動機(jī)的性能有何影響？原因何在？ 解：（1）鏈與環(huán)— 環(huán)化學(xué)穩(wěn)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(xué)穩(wěn)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(jié)膠(如烯烴)。 2-6 為什么對壓燃式柴油機(jī)是優(yōu)良的燃料，對點燃式汽油機(jī)則一般是不良的燃料？綜合考慮發(fā)動機(jī)的動力、經(jīng)濟(jì)性和排放要求，理想的汽油和柴油應(yīng)由何種結(jié)構(gòu)和成分的烴燃料組成？ 解：因為柴油機(jī)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(yīng)用在點燃式汽油機(jī)上，會引起嚴(yán)重的爆震，造成發(fā)動機(jī)性能及壽命下降。汽油機(jī)使用的燃料要求有較高的辛烷值，以抑制爆震產(chǎn)生。另外柴油燃料一般不易氣化，不利于火焰?zhèn)鞑?，會造成排放升高。從何考慮發(fā)動機(jī)的各種性能，理想的柴油機(jī)燃料應(yīng)由碳原子數(shù)為16左右的直鏈烷烴構(gòu)成，而汽油機(jī)燃料應(yīng)由碳原子數(shù)為8左右的異構(gòu)烷烴或環(huán)烷烴構(gòu)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(shù)密切相關(guān)。 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RONMON；反之，RON1.2 （3）負(fù)荷調(diào)節(jié)方式不同： 汽油機(jī)—預(yù)混合，?a基本保持不變，量調(diào)節(jié) 柴油機(jī)—分層混合，?a變化范圍大（0~∞），質(zhì)調(diào)節(jié) 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(yōu)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(zhì)混合氣壓燃HCCI，以實現(xiàn)汽油機(jī)的高效低污染燃燒。 2-15影響工質(zhì)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(fā)動機(jī)的動力、經(jīng)濟(jì)性有重大影響？ 解：影響因素：溫度和分子的自由度數(shù)。 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(shù))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(zhì)溫升越高，循環(huán)熱效率高。 2-16 影響殘余廢氣系數(shù)fr的主要因素有哪些？為什么汽油機(jī)的fr一般比柴油機(jī)的大？而增壓柴油機(jī)的fr很小？ 解：影響殘余廢氣系數(shù)的主要因素：進(jìn)排氣壓力、轉(zhuǎn)速、壓縮比、配氣相位和排氣系統(tǒng)動態(tài)特性。汽油機(jī)fr偏高是因為ε小，壓縮容積大，低負(fù)荷時進(jìn)氣節(jié)流強(qiáng)使新鮮充量下降；增壓柴油機(jī)fr小是因為掃氣效果強(qiáng)。 2-17燃料燃燒后分子數(shù)大于燃燒前分子數(shù)的主要原因是什么？為什么汽油機(jī)的分子變化系數(shù)比柴油機(jī)大？ 解：柴油機(jī)分子系數(shù)較小原因：一是由于平均過量空氣系數(shù)較大，混合氣中有較多空氣不參與反應(yīng)；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(zhì)作功能力的大??？ 解：單位質(zhì)量或單位體積可燃混合氣發(fā)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(fā)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?。?，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(nèi)噴射液態(tài)氫以提高發(fā)動機(jī)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(nèi)直接噴液態(tài)氫提高平均有效壓力，相當(dāng)于增壓的效果使混合氣的密度上升，每循環(huán)的發(fā)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(fā)熱量對應(yīng)的CO2產(chǎn)生量。為減少CO2排放量和改善全球溫室效應(yīng)，應(yīng)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(zhì)量分別為： 從以上數(shù)據(jù)可以看出，四種燃料中，天然氣燃燒釋放單位kJ的熱量所產(chǎn)生的CO2最少，從改善溫室效應(yīng)的角度看，車用燃料應(yīng)使用天然氣。 2-22一臺小型3缸渦輪增壓車用發(fā)動機(jī)燃用異辛烷燃料，發(fā)動機(jī)吸入的空氣量為化學(xué)計量比空氣量的120%。計算此時混合氣的：（1）過量空氣系數(shù)；（2）空燃比；（3）燃空當(dāng)量比。 解：(1)?α=l/l0=1.2 (2) 異辛烷C8H18 l0=(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(dāng)量比 2-23 一種燃料的組分構(gòu)成如下：40％（wt）正己烷（C6H14）；30％（wt）異辛烷（C8H18）；25 ％（wt）環(huán)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(dāng)量比。 解：C6H14完全燃燒的化學(xué)反應(yīng)方程式為： C8H18完全燃燒的化學(xué)反應(yīng)方程式為： C6H12完全燃燒的化學(xué)反應(yīng)方程式為： C6H6完全燃燒的化學(xué)反應(yīng)方程式為： 又由O2的摩爾質(zhì)量為32g/mol，O2在空氣中的質(zhì)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(zhì)量為： 即該種燃料的化學(xué)計量比為l0=14.9895，因而其過量空氣系數(shù)為： 從而可得該種燃料的燃空當(dāng)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(xué)計量空燃比，以及混合燃料的可燃混合氣質(zhì)量熱值和體積熱值。假設(shè)過量空氣系數(shù)為1.1，環(huán)境溫度為293K，環(huán)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(zhì)量分?jǐn)?shù)為： 則汽油的質(zhì)量比為： g汽油=1-0.207=0.793 混合燃料的化學(xué)計量空燃比為： 混合氣的單位質(zhì)量低熱值為： 查表取汽油的相對分子質(zhì)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(xué)計量比混合并完全燃燒，燃燒產(chǎn)物中只有二氧化碳（CO2）、水（H2O）和氮氣（N2），分別計算該燃燒反應(yīng)在定壓和定容條件下的絕熱燃燒溫度，并分析兩者產(chǎn)生差異的原因。假設(shè)初始反應(yīng)狀態(tài)為標(biāo)準(zhǔn)熱狀態(tài)（298K，101.3kPa），燃燒產(chǎn)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(zhì)生成焓如下： ; ; ; ; 由解得，該燃燒反應(yīng)在定壓條件下的絕熱燃燒溫度為 (2) 由解得定容條件下的絕熱燃燒溫度為 ，這是因為在定容條件下無膨脹功之故。 第三章 3-1應(yīng)用工程熱力學(xué)的公式和曲線對封閉熱力學(xué)系統(tǒng)熱力過程和狀態(tài)進(jìn)行分析時，應(yīng)該滿足哪些必要的理想條件？分析發(fā)動機(jī)的動力過程時，能否滿足這些要求？ 解：準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)過程、內(nèi)部可逆。事實上，雖然導(dǎo)致發(fā)動機(jī)喪失狀態(tài)平衡的物理過程很快，但是瞬間恢復(fù)平衡的弛豫時間更短。因此，缸內(nèi)工質(zhì)可以作準(zhǔn)平衡態(tài)處理。缸內(nèi)不可逆因素不可避免，但因不可逆損失值與整個系統(tǒng)對外的熱功交換值相比極小，因此發(fā)動機(jī)缸內(nèi)可以作內(nèi)可逆過程處理。 3-2發(fā)動機(jī)的理論循環(huán)、理想循環(huán)和真實循環(huán)三者之間有何差別？為什么要把發(fā)動機(jī)的工作循環(huán)劃分為三種循環(huán)進(jìn)行分析？ 解：（1）理論循環(huán)： 工質(zhì)——理想氣體（空氣），物性參數(shù)(比熱比，κ)為常數(shù)，不隨溫度變化； 循環(huán)——理想循環(huán)；封閉熱力循環(huán)：系統(tǒng)加熱→燃燒放熱；系統(tǒng)放熱→氣體交換(進(jìn)、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(huán)： 工質(zhì)——真實工質(zhì)； 循環(huán)——理想循環(huán)； （3）真實循環(huán)： 工質(zhì)——真實工質(zhì)； 循環(huán)——真實循環(huán)； 理論循環(huán)最簡化而又能突出發(fā)動機(jī)工作過程本質(zhì)特征，理想循環(huán)是理論循環(huán)和真實循環(huán)之間的中間模型。為了完善循環(huán)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(huán)、等壓循環(huán)和混合循環(huán)，比較它們的循環(huán)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(huán)的熱效率最高。 3-4依據(jù)循環(huán)理論和汽、柴油機(jī)相關(guān)參數(shù)的實際范圍，利用T-S圖解釋為什么柴油機(jī)比汽油機(jī)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(jī)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(zhì)，使總的吸熱量/散熱量大大降低，因而，柴油機(jī)的熱效率高。 3-5什么是發(fā)動機(jī)循環(huán)加熱的等容度？等容度與等容加熱是一回事嗎？等容度與預(yù)膨脹比是什么關(guān)系？為什么提高等容度可以提高循環(huán)熱效率？ 解：混合循環(huán)的等容度：各微循環(huán)真實壓縮比的算術(shù)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(yù)脹比成反比。等容度越高，各個微循環(huán)的真實壓縮比就越大，因而每個微循環(huán)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(fā)動機(jī)和機(jī)械增壓發(fā)動機(jī)的指示效率ηit和機(jī)械效率ηm？兩者的ηit和ηm有何差別？與自然吸氣原型機(jī)相比，增壓發(fā)動機(jī)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(jī)械效率為有效功與指示功的比值。渦輪增壓發(fā)動機(jī)的機(jī)械效率一般比相應(yīng)的自然吸氣發(fā)動機(jī)的高。指示效率兩者差別不大。指示效率變化不大，機(jī)械效率增大。 3-7柴油機(jī)的壓縮比比汽油機(jī)高很多，但為什么汽油機(jī)的燃燒最高溫度比柴油機(jī)高？為什么在相同條件下也是汽油機(jī)的有效平均壓力高于柴油機(jī)？ 解：雖然汽油機(jī)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(jī)使用稀燃，空燃比較高，總的熱容比較大。 3-8 簡述理論循環(huán)，分析對改善內(nèi)燃機(jī)動力、經(jīng)濟(jì)性能的指導(dǎo)意義。 解：（1）指出了改善發(fā)動機(jī)動力性、經(jīng)濟(jì)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(shù)等。 （2）提供了發(fā)動機(jī)之間進(jìn)行動力性、經(jīng)濟(jì)性對比的理論依據(jù)。 3-9若將真實工質(zhì)特性替代理論循環(huán)的理想工質(zhì)特性，將在哪幾個方面對熱效率產(chǎn)生影響？影響趨勢如何？考慮真實工質(zhì)特性之后，高、低負(fù)荷條件下，汽油機(jī)和柴油機(jī)的熱效率的差距是加大了還是減小了？為什么？ 解：真實工質(zhì)對熱效率的影響： （1） 比熱容：真實工質(zhì)κ ＜理想工質(zhì)κ →真實工質(zhì)ηt↓ （2） 高溫?zé)岱纸猓喝紵艧釙r間拉長→等容度σ↓→ηt↓。 （3） 工質(zhì)分子變化系數(shù)：影響不大 （4）過量空氣系數(shù)：?a<1，未燃碳?xì)洹嘣印?T↑→κ ↓→ηt↓； ?a>1，空氣↑→單雙原子↑→ T↓→ κ↑→ηt↑； 考慮真實工質(zhì)特性后，汽、柴油機(jī)熱效率差距加大。 3-10什么是相對熱效率ηrel？引入ηrel有何現(xiàn)實意義？ 解：相對熱效率是真實循環(huán)的指示效率與理想循環(huán)的熱效率之比，它反映了發(fā)動機(jī)的真實動力循環(huán)接近理想動力循環(huán)的程度。 3-11 真實循環(huán)比理想循環(huán)多增加了哪些損失？這些損失是怎樣產(chǎn)生的？ 解：（1）傳熱損失：真實循環(huán)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(zhì)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(xiàn)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，η t ↓↓。 （5）缸內(nèi)流動損失：流動增強(qiáng)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(zhì)泄漏損失。 3-12機(jī)械損失由哪幾部分組成？每部分損失的特點及其起主要作用的因素是什么？ 解：（1）機(jī)械摩擦損失(50％～80％)：活塞組件、軸承、氣門機(jī)構(gòu)等。 （2）附件驅(qū)動消耗(～10％)：水泵、機(jī)油泵、燃油泵、點火裝置等運轉(zhuǎn)必不可少的輔助機(jī)構(gòu)。 （3）泵氣損失(5％～40％)。 3-13簡述各種機(jī)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(nèi)？ 解：內(nèi)燃機(jī)機(jī)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(jī)）或動力過程功（非增壓機(jī)）Wi減去臺架上測得的有效功We即得到機(jī)械損失功Wm，該方法適用于各種機(jī)型，但由于對上止點位置的標(biāo)定精度要求很高，所以只適用于研發(fā)工作； （2）倒拖法：是在發(fā)動機(jī)正常運轉(zhuǎn)后斷油或斷火，用電機(jī)反拖發(fā)動機(jī)，從而測得的反拖功率即為機(jī)械損失功率，該方法適用于壓縮比不高的汽油機(jī)和小型柴油機(jī)； （3）滅缸法：此法僅適用于自然吸氣式多缸柴油機(jī)，當(dāng)內(nèi)燃機(jī)調(diào)整到給定工況穩(wěn)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(jī)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(fā)動機(jī)的指示功率Pi，再減去發(fā)動機(jī)的有效功率Pe即得機(jī)械損失功率Pm； （4）油耗線法：在轉(zhuǎn)速不變的情況下，測出整機(jī)油耗隨負(fù)荷的變化曲線。將此線外延直到與橫坐標(biāo)相交，則坐標(biāo)原點與交點間的連線即為機(jī)械損失值，該方法適用于自然吸氣式柴油機(jī)和低增壓柴油機(jī)。 上面這四種測定發(fā)動機(jī)機(jī)械損失的方法中只有示功圖法可以得到凈循環(huán)指示功，因而可以將泵氣損失排除在機(jī)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(jī)械損失的測定值內(nèi)。 3-14說明油耗線法測量機(jī)械損失的原理。為什么汽油機(jī)不能應(yīng)用油耗線法測機(jī)械損失？ 解：油耗線法測量機(jī)械損失的原理：在轉(zhuǎn)速不變的情況下，測出整機(jī)油耗隨負(fù)荷的變化曲線。將此線外延直到與橫坐標(biāo)相交，則坐標(biāo)原點與交點間的連線即為機(jī)械損失值，該方法適用于自然吸氣式柴油機(jī)和低增壓柴油機(jī)。汽油機(jī)的燃油消耗率和負(fù)荷不成比例關(guān)系，故不適用。 3-15 自然吸氣汽油機(jī)、自然吸氣柴油機(jī)和渦輪增壓發(fā)動機(jī)各適于使用何種機(jī)械損失測定方法？為什么？ 解：（1）汽油機(jī)多用倒拖法，不適合用滅缸法(影響進(jìn)氣均勻性)和油耗線法(不成直線)； （2）自然吸氣柴油機(jī)適合滅缸法、油耗線法，小型柴油機(jī)可以用倒拖法； （3）廢氣渦輪增壓柴油機(jī)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(jī)）。 3-16發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速（或活塞平均速度）和負(fù)荷對機(jī)械效率有何規(guī)律性的影響？這一影響規(guī)律對發(fā)動機(jī)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(zhuǎn)速來提高功率受限； （2）負(fù)荷：負(fù)荷Pe↓，ηm↓；怠速ηm＝0；增壓機(jī)型ηm↑。提高發(fā)動機(jī)工作時的負(fù)荷率及降低中低負(fù)荷的機(jī)械損失，對發(fā)動機(jī)節(jié)能有重要意義。 3-17發(fā)動機(jī)潤滑油是如何進(jìn)行分類的？為保證發(fā)動機(jī)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(dāng)中如何滿足上述要求？ 解：發(fā)動機(jī)潤滑油分類涵蓋粘度等級和質(zhì)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(zhuǎn)換的各環(huán)節(jié)中能量利用效率下降的物理實質(zhì)，并指出提高各環(huán)節(jié)能量利用效率的可能途徑。 解：A-B ：受卡諾循環(huán)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(zhì)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(jī)械效率降低摩擦損失——可變配氣相位。 3-19 Miller循環(huán)與Atkinson循環(huán)有何異同？Miller循環(huán)在實際應(yīng)用時是如何實現(xiàn)節(jié)能的？為什么Miller循環(huán)發(fā)動機(jī)一般都采用增壓技術(shù)？ 解：Atkinson循環(huán)是增加發(fā)動機(jī)的膨脹沖程；Miller循環(huán)的實質(zhì)是膨脹比大于壓縮比，不增加沖程，靠控制進(jìn)氣終點提高熱效率。Miller循環(huán)常采用VVT技術(shù)實現(xiàn)節(jié)能，并采用增壓技術(shù)以彌補(bǔ)進(jìn)氣門早關(guān)或晚關(guān)造成的進(jìn)氣充量損失。 3-20為什么小排量“Downsizing”都同時采用增加技術(shù)？其節(jié)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(fā)動機(jī)的有效效率。節(jié)能的原因：排量減小，泵氣損失減少；機(jī)械損失減少；增壓還可回收排氣能量。 3-21增壓發(fā)動機(jī)每循環(huán)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(fā)動機(jī)不可能全部利用這些能量？缸內(nèi)每循環(huán)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： （1）bf1b ：廢氣能夠絕熱等熵膨脹至大氣壓力點所做的功； （2）54215：排氣過程中活塞推擠廢氣所做的功； （3）3g’i23：掃氣部分轉(zhuǎn)入排氣中的能量。 廢氣在到達(dá)渦輪機(jī)前總免不了有節(jié)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(fā)動機(jī)按定壓系統(tǒng)的理論循環(huán)運行，請問輸入渦輪機(jī)的能量是否與壓氣機(jī)輸出能量相當(dāng)？渦輪機(jī)輸入能量最終消耗在哪幾個方面？ 解：實際進(jìn)入渦輪機(jī)的能量要比壓氣機(jī)輸出的能量大很多。因為有發(fā)動機(jī)泵氣過程中的各種流動和機(jī)械損失的存在。 3-23發(fā)動機(jī)由冷卻介質(zhì)帶走的能量約占燃料總能量的1/3，如果燃燒系統(tǒng)能全部絕熱，是否就可以把此1/3熱量變?yōu)橛行ЧΓ空埦痛藛栴}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(fā)動機(jī)可提高熱量的品質(zhì)，減少冷卻系統(tǒng)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(shù)，增大了壓縮功，并需要高溫材料，帶來潤滑等問題。 3-24依據(jù)圖3-23所示的自然吸氣發(fā)動機(jī)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(jī)外傳熱及輻射損失熱量由哪幾部分構(gòu)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(tǒng)帶走； d.其余為驅(qū)動附件、傳熱和輻射消耗。 （2）排氣系統(tǒng)向機(jī)外傳熱和輻射熱量；冷去系統(tǒng)和水套壁面向嘰歪傳熱和輻射熱量；機(jī)體、曲軸箱和其他部件向機(jī)外傳熱和輻射熱量；輔助機(jī)構(gòu)傳給冷卻水的熱量。 3-25回?zé)岚l(fā)動機(jī)從理論上為什么能大幅度提高循環(huán)熱效率？為什么到目前為止還沒有開發(fā)出實用的回?zé)岚l(fā)動機(jī)？ 解：回?zé)岚l(fā)動機(jī)直接把高溫?zé)崮芑厥兆鳛楦變?nèi)加熱量，可提高循環(huán)熱效率。但沒有實際開發(fā)是因為回?zé)嵫b置復(fù)雜、回?zé)嵝瘦^低等原因。 3-26一臺壓燃式發(fā)動機(jī)的壓縮比為15，計算具有相同壓縮比的Otto理論循環(huán)和Diesel理論循環(huán)的熱效率。假設(shè)Diesel理論循環(huán)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(shù)為1.4。 解：忽略因燃料加入而對工質(zhì)（空氣）熱物理性質(zhì)的影響，則 （1）Otto循環(huán)： （2）Diesel循環(huán)： 壓縮至上止點時，工質(zhì)溫度T2為 燃料等壓放熱后，工質(zhì)的溫度T3為 則預(yù)脹比ρ為 則Diesel循環(huán)的熱效率為： 3-27一臺高性能四沖程火花點火發(fā)動機(jī)的排量是875cm3，壓縮比為10:1，指示效率是Otto理論循環(huán)效率的55％。在8000r/min時，發(fā)動機(jī)的機(jī)械效率是85％，充量系數(shù)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(huán)境條件下空氣被吸入氣缸。計算發(fā)動機(jī)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(jī)的理論工作循環(huán)相關(guān)參數(shù)如下：壓縮開始時的氣缸壓力為0.1 MPa，溫度為296K；最大允許的氣缸壓力為9.5 MPa；在燃燒期加入的總熱量為2120 kJ/kg；壓縮比為17；工質(zhì)的摩爾質(zhì)量為28.97 kg/kmol；等熵指數(shù)為1.4。 （1）確定該理論循環(huán)的類型； （2）在p-V圖和T-S圖上畫出該理論循環(huán)過程； （3）計算該理論循環(huán)允許達(dá)到的峰值溫度和熱效率。 解：（1） 若按等容循環(huán)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(huán)運行，而按照等等壓循環(huán)運行，則最高壓力小于容許壓力，欲使發(fā)動機(jī)經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)，則應(yīng)按混合循環(huán)運行。 （2） 混合循環(huán)的p-V圖和T-S圖如教材圖3-5所示。 （3） 若按混合循環(huán)運行，在保證安全的前提下，經(jīng)濟(jì)型達(dá)到最優(yōu)，則pz’應(yīng)為9.5MPa，此時對應(yīng)的Tz’為： 工質(zhì)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(zhì)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(huán)的火用損失。若該循環(huán)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(jìn)行等壓放熱； （2）膨脹到大氣溫度，再進(jìn)行等溫放熱。 在p-V圖和T-S圖上指出不同損失的區(qū)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(huán)的火用損失為“Ⅰ面積+Ⅱ面積”之和，理論工作循環(huán)（1）的火用損失為“Ⅱ面積”，理論工作循環(huán)（2）的火用損失為0。圖中： Ⅰ面積+Ⅱ面積+Ⅲ面積 Ⅲ面積 所以，題3-28中理論循環(huán)的火用損失I3-28為： (1) 膨脹到大氣壓力，再b’-a 定壓放熱： 所以， Ⅱ面積+Ⅲ面積 故，理論工作循環(huán)（1）的火用損失I(1)為： 熱效率為： (2) 膨脹到大氣溫度，再b’’-a 定溫放熱： 由圖可知，理論工作循環(huán)（3）的火用損失I(2)為: 熱效率為： 3-30一臺排量為3.3 L的直列6缸柴油機(jī)按混合理論循環(huán)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(jī)的壓縮比為14，且壓縮始點的溫度為60℃，壓力為101 kPa。計算： （1）循環(huán)中各狀態(tài)點的溫度； （2）循環(huán)中各狀態(tài)點的壓力； （3）預(yù)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： 1-2定熵過程 2-3 定容過程 壓力升高比 3-4定壓過程 預(yù)膨脹比 4-5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(fā)動機(jī)的換氣過程？合理組織換氣過程的目的是什么？為什么說發(fā)動機(jī)的充量系數(shù)是研究換氣過程的核心問題？ 解：發(fā)動機(jī)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(biāo)定工況和全負(fù)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(zhuǎn)矩； （2）保證多缸機(jī)各缸循環(huán)進(jìn)氣量的差異不超出應(yīng)有的范圍，以免對整機(jī)性能產(chǎn)生不利影響。 （3）應(yīng)盡量減小換氣損失，特別是占最大比例的排氣損失。 （4）進(jìn)氣后在缸內(nèi)所形成的湍流場，應(yīng)能滿足組織快速合理燃燒的要求。 發(fā)動機(jī)充量系數(shù)指單缸每循環(huán)吸入缸內(nèi)的新鮮空氣質(zhì)量與按進(jìn)氣狀態(tài)計算得到的理論充氣質(zhì)量的比值，該參數(shù)是決定發(fā)動機(jī)動力性能和進(jìn)氣過程完善程度的極為重要的評定指標(biāo)，是換氣過程的核心問題。 4-2 畫出四沖程自然吸氣汽油機(jī)的低壓換氣過程p-V圖，標(biāo)出進(jìn)、排氣相位角的位置。比較大負(fù)荷與小負(fù)荷時的換氣損失，說明在膨脹損失、排氣損失以及進(jìn)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(jié)氣門全開（亦即大負(fù)荷工況），虛線為節(jié)氣門部分開啟（亦即小負(fù)荷工況）。 膨脹損失：大負(fù)荷時膨脹損失較大。因為大負(fù)荷是缸內(nèi)溫度較高，傳熱損失較大。 排氣損失：從圖上可以看出，小負(fù)荷時排氣損失較大。因為大負(fù)荷時，自由排氣階段的排氣量較大，從圖上也可以看出大負(fù)荷是排氣門開啟后，排氣壓力迅速降低到比小負(fù)荷時的排氣壓力略小的水平，故排氣損失較小。 進(jìn)氣損失：小負(fù)荷時進(jìn)氣損失較大。因為小負(fù)荷時節(jié)氣門部分開啟，增加了進(jìn)氣的泵氣損失。 4-3 自由排氣與強(qiáng)制排氣有何本質(zhì)差別？簡述超臨界、亞臨界和強(qiáng)制排氣三個階段中影響排氣流量的主要因素?？梢圆扇∧男┐胧﹣硖岣吲艢饬髁浚? 解：自由排氣和強(qiáng)制排氣的本質(zhì)差別在于，廢氣是在缸內(nèi)和大氣或渦輪機(jī)入口處的壓差作用下自由流出，還是依靠活塞強(qiáng)制推出。 對于超臨界排氣，氣門口流速始終保持當(dāng)?shù)氐囊羲?，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(qiáng)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(qiáng)制排氣階段的排氣量。 4-4 什么是氣門口壅塞現(xiàn)象？為什么會出現(xiàn)這種現(xiàn)象？進(jìn)、排氣門口的此種現(xiàn)象會對進(jìn)、排氣及發(fā)動機(jī)性能帶來什么影響？ 解：按氣體動力學(xué)孔口流動規(guī)律，當(dāng)孔口上游滯止壓力不變時，在孔口流速達(dá)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(xiàn)象。 進(jìn)氣門口壅塞會導(dǎo)致發(fā)動機(jī)在提高轉(zhuǎn)速時進(jìn)氣流量不會加大，發(fā)動機(jī)功率不僅不會加大，反而因機(jī)械損失的增加而下降，轉(zhuǎn)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(shù)過大，不利于燃燒的正常進(jìn)行。 此外，進(jìn)排氣門壅塞都會增加進(jìn)排氣過程的換氣損失，影響發(fā)動機(jī)的經(jīng)濟(jì)性。 4-5 進(jìn)氣和排氣為什么要早開和晚關(guān)？4個相位角中，哪兩個角最重要？這兩個角對發(fā)動機(jī)性能有何影響？氣門重疊的作用是什么？比較汽油機(jī)與柴油機(jī)、增壓發(fā)動機(jī)與自然吸氣發(fā)動機(jī)氣門重疊角的大小，并說明造成差異的原因。 解：早開晚關(guān)：進(jìn)氣充足、排氣干凈。 進(jìn)氣晚關(guān)角和排氣早開角被認(rèn)為是最重要的兩個，這是因為進(jìn)氣晚關(guān)角對進(jìn)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(nèi)的殘余廢氣系數(shù)；降低發(fā)動機(jī)的熱負(fù)荷。 汽油機(jī)的氣門重疊角一般要比柴油機(jī)的小，這是因為若進(jìn)氣門開啟過早，廢氣會倒入進(jìn)氣管，出現(xiàn)“回火”現(xiàn)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(fā)動機(jī)的氣門疊開角一般會比非增壓發(fā)動機(jī)的大，這是因為增壓發(fā)動機(jī)進(jìn)氣門外的壓力高于排氣背壓，因而能夠更好地實現(xiàn)燃燒室掃氣，達(dá)到增加新鮮進(jìn)氣充量和降低燃燒室熱負(fù)荷的目的。 4-6 為什么進(jìn)、排氣門開啟和關(guān)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(zhuǎn)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(dāng)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(zhuǎn)速對膨脹線影響不大，但是經(jīng)歷相同自由排氣時間所對應(yīng)的轉(zhuǎn)角必然是高轉(zhuǎn)速時大，因此轉(zhuǎn)速上升時，排氣早開角的最佳值加大。 （2）排氣晚關(guān)角：排氣晚關(guān)角過小，排氣慣性利用不足；排氣晚關(guān)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(guān)角也存在最佳值。 轉(zhuǎn)速上升時，經(jīng)歷相同的利用排氣慣性排氣的時間所對應(yīng)的轉(zhuǎn)角也會增大，因此轉(zhuǎn)速上升時，排氣晚關(guān)角的最佳值加大。 （3）進(jìn)氣早開角：過大會回火，過小則進(jìn)氣不足，故存在最佳值。 轉(zhuǎn)速上升時，進(jìn)氣門早開的時間相同，對應(yīng)的進(jìn)氣早開角會增大，因此轉(zhuǎn)速上升時，進(jìn)氣早開角的最佳值加大。 （4）進(jìn)氣晚關(guān)角：過小不能充分利用進(jìn)氣慣性，過大則有可能把已充入缸內(nèi)的新鮮充量推回進(jìn)氣管，故存在最佳值。 轉(zhuǎn)速上升時，經(jīng)歷相同的利用進(jìn)氣慣性進(jìn)氣的時間所對應(yīng)的轉(zhuǎn)角也會增大，因此轉(zhuǎn)速上升時，進(jìn)氣晚關(guān)角的最佳值加大。 4-7 增壓發(fā)動機(jī)與自然吸氣發(fā)動機(jī)的fc定義有何差異？增壓發(fā)動機(jī)的理論進(jìn)氣量如果按大氣環(huán)境條件計算，此時定義的fc反映了什么？ 解：自然吸氣發(fā)動機(jī)的理論吸氣量計算時空氣密度按照環(huán)境狀態(tài)下的空氣密度計算，增壓發(fā)動機(jī)的理論吸氣量計算時空氣密度按照壓氣機(jī)后的空氣密度計算。 增壓發(fā)動機(jī)的理論進(jìn)氣量如果按照大氣環(huán)境條件計算，此時定義的充量系數(shù)反映了增壓的強(qiáng)度（例如，按照這種方法計算所得的充量系數(shù)為1.2，這意味著經(jīng)過增壓后，實際的進(jìn)氣量是環(huán)境條件下完全排氣和進(jìn)氣時的進(jìn)氣量的1.2倍），但不能反映增壓的效率。 4-8 渦輪增壓發(fā)動機(jī)與自然吸氣原型發(fā)動機(jī)相比，由于循環(huán)進(jìn)氣量大幅度增加，所以它的fc也必然大幅度增加，這種說法對不對？為什么？渦輪增壓發(fā)動機(jī)較自然吸氣原型機(jī)的fc一般來說是加大還是減??？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(fā)動機(jī)的理論吸氣量計算時空氣密度按照環(huán)境狀態(tài)下的空氣密度計算，增壓發(fā)動機(jī)的理論吸氣量計算時空氣密度按照壓氣機(jī)后的空氣密度計算。所以增壓后循環(huán)進(jìn)氣量大幅增加不能說明充量系數(shù)也一定大幅增加。 渦輪增壓發(fā)動機(jī)比自然吸氣原型機(jī)的充量系數(shù)增大。 因為：進(jìn)氣終了壓力提高，掃氣降低了殘余廢棄系數(shù)，同時減少了進(jìn)氣加熱作用，使充氣系數(shù)提高。 4-9 影響穩(wěn)定條件下發(fā)動機(jī)fc的主要因素有哪些？它們是如何影響fc的？ 解：影響充量系數(shù)的主要因素包括： （1）進(jìn)氣流動阻力的影響。進(jìn)氣流動阻力的大小直接影響進(jìn)氣效率和進(jìn)氣量。 （2）進(jìn)氣溫升的影響。進(jìn)氣工質(zhì)的溫升加大，必然降低缸內(nèi)工質(zhì)的密度，從而降低充量系數(shù)。 （3）進(jìn)排氣相位角的影響。進(jìn)排氣相位角，特別是進(jìn)氣晚關(guān)角和排氣晚關(guān)角，對充量系數(shù)有影響。合理的進(jìn)排氣相位可以使進(jìn)氣充足、排氣干凈，提高充量系數(shù)。 4-10 評價進(jìn)氣道性能的指標(biāo)是什么？進(jìn)氣道的設(shè)計準(zhǔn)則是什么？旋流進(jìn)氣道與滾流進(jìn)氣道所起的作用有何差異？ 解：評價進(jìn)氣道性能的指標(biāo)是進(jìn)氣渦流強(qiáng)度和流通阻力。 進(jìn)氣道的設(shè)計準(zhǔn)則是在基本滿足進(jìn)氣渦流要求的前提下，盡可能降低氣道的流動阻力。 旋流進(jìn)氣道進(jìn)氣時主氣流出現(xiàn)繞氣門中心的旋轉(zhuǎn)運動；滾流進(jìn)氣道產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)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(jìn)氣道主要用于實現(xiàn)稀燃缸內(nèi)直噴汽油機(jī)的分層混合氣。 4-11 什么是氣門口平均進(jìn)氣馬赫數(shù)Mam？說明φc隨Mam變化的規(guī)律及原因，為什么Mam大于0.5就使φc急劇下降？ 解：平均進(jìn)氣馬赫數(shù)的定義為通過氣門口的平均流速與當(dāng)?shù)匾羲俚谋戎怠? 充量系數(shù)隨馬赫數(shù)的增加而下降，特別是馬赫數(shù)大于0.5時，充量系數(shù)急劇下降。 馬赫數(shù)增大時，氣門口流速增大，使流動阻力以平方關(guān)系提高，使充量系數(shù)下降。當(dāng)馬赫數(shù)達(dá)到0.5左右時，雖然總體上未達(dá)到音速，但某些小升程段的氣流已接近壅塞，充量系數(shù)加速下降。 4-12 進(jìn)氣終了前工質(zhì)溫度的上升對發(fā)動機(jī)性能有什么影響？一般來說，有哪些因素影響進(jìn)氣終了工質(zhì)溫度的變化量？影響大小及趨勢如何？ 解：進(jìn)氣工質(zhì)的溫升加大，必然降低缸內(nèi)工質(zhì)的密度，從而降低充量系數(shù)，影響發(fā)動機(jī)的動力輸出。 影響進(jìn)氣終了工質(zhì)溫度的變化量的因素包括：進(jìn)氣過程中高溫壁面?zhèn)鳠幔贿M(jìn)氣過程中壓力損失變?yōu)槟Σ翢?；殘余廢氣與新鮮充量混合；進(jìn)氣過程中燃料氣化吸熱。 其中，前3個因素引起進(jìn)氣工質(zhì)溫度上升，第4個因素引起進(jìn)氣工質(zhì)溫度下降。 在4個因素中，進(jìn)氣過程中高溫壁面?zhèn)鳠釋M(jìn)氣溫升的影響最大。且轉(zhuǎn)速越低，負(fù)荷越大，高溫壁面?zhèn)鳠嵋鸬臏厣酱蟆? 4-13 為什么近代轎車汽油機(jī)普遍采用多氣門機(jī)構(gòu)？它有什么優(yōu)缺點？柴油機(jī)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(zhuǎn)矩增加的百分比大得多？ 解：優(yōu)點： （1）增加了進(jìn)氣流通面積，減小進(jìn)氣阻力，提高進(jìn)氣充量； （2）對于汽油機(jī)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(jī)構(gòu)變得復(fù)雜。 （2）增加了成本。 對于柴油機(jī)，由于柴油機(jī)沒有節(jié)氣門，進(jìn)氣阻力相對較小，而汽油機(jī)在中小負(fù)荷時節(jié)氣門節(jié)流作用明細(xì)，所以柴油機(jī)對進(jìn)氣流通面積的要求比汽油機(jī)低。 2氣門改為4氣門時，功率上升的百分比比轉(zhuǎn)矩增加的百分比大得多。這是因為：對于轉(zhuǎn)矩來說，改用4氣門主要的影響是增加了進(jìn)氣充量，從而對最大輸出轉(zhuǎn)矩有所提升。對于功率來說，除了在相同轉(zhuǎn)速的條件下增加了輸出轉(zhuǎn)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(fā)動機(jī)高速工況下，由于進(jìn)氣壅塞現(xiàn)象，發(fā)動機(jī)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(jìn)氣壅塞現(xiàn)象，使得在高轉(zhuǎn)速下也能夠輸出較大扭矩，這樣由于轉(zhuǎn)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(zhuǎn)矩增加的百分比大得多。 4-14 為什么說fc—n進(jìn)氣外特性曲線是發(fā)動機(jī)特別是汽油機(jī)極為重要的性能曲線之一？一般發(fā)動機(jī)的fc—n外特性曲線的變化趨勢有何特點？由哪些因素決定？進(jìn)