1、1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
2、：理论泵气功=0实际泵气功=W 2+W3，负功泵气损失功 W2+W3 负功增压：理论泵气功=p k 和 pb 间的矩形面积，正功实际泵气功=W 2，正功泵气损失功=阴影面积，负功(3)自然吸气：总指示功W 1+W3，正功净指示功(W 1+W3)-(W2+W3)=W1-W2，正功增压：总指示功=W 1(p b-pk)*Vs ，正功净指示功=W 1+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。21-2 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
3、、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
4、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
5、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；3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
6、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 310smetqiVT，30smein其中：p me 量纲为 MPa，P e 量纲为 kW，T tq 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
7、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
8、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 et=ctm 中， c、 t、 m 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 c、 t 和 m 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、
9、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？4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 a 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 a 为 1，其空燃比 为 14.2。1-16 基于 Pe 的综合表达式（1
10、-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
11、）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 m；（5）机械损失功率 Pm 和机械损失平均压力 pmm。解：(1)(2)(3)(4)(5)51-186135Q-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m =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、T tq、P m、 et 和 Wi 各值。解：1-19 一台 6 缸四冲程柴油机（缸径 D102mm；冲程 s125mm
12、），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 et；（5）指示燃料消耗率 bi 和指示热效率 it。解： 33108.406/()2/1.6.9/=8250.59
13、.7/(3)426314.68.1evRTkgmLhkgmPTnWBb燃 料 体 积 流 量 ：燃 料 质 量 流 量 ：空 气 体 积 流 量 ：空 气 质 量 流 量 ： 28/00.5.93476(5)21.850.3079/./.4etuemsiemtt gkhHPpMpainVbgkWh61-20 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
14、 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
15、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？7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
16、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
17、。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
18、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8C 原子数密切相关。2-8 测定辛烷值时，
19、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、c V 随温度 T 上升
20、而增加，K 随温度 T 上升而下降。分子自由度( 原子数)增大，c p和 cV 增大，K 减小。K 越大，c p 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 r 的主要因素有哪些？为什么汽油机的 r 一般比柴油机的大？而增压柴油机的 r 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 r 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 r 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
21、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，H u 高，但本身是气体（密度小） ，加上 H 燃烧要求空气多，H um 小。含
22、氧燃料（甲、乙醇）本身含 O，H u 低，但需空气也少（ l0 小） ，H um 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10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，
23、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（C 6H14） ；30（wt）异辛烷（C 8H18） ；25 （
24、wt）环己烷（ C6H12） ；5（wt）苯（C 6H6） 。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：C 6H14 完全燃烧的化学反应方程式为： 1422297;OOC8H18 完全燃烧的化学反应方程式为： 1222589;CHC6H12 完全燃烧的化学反应方程式为： 122296;OOC6H6 完全燃烧的化学反应方程式为： 22253;CH又由 O2 的摩尔质量为 32g/mol，O 2 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： 3/0.4190.150.10.51( 9).86/4/84/78/2195;gmolkgkgkgkglmololmol
