1、1汽车发动机原理复习与思考 第 00 章 绪论1、 结合汽车发动机的发展实际，简述本课程的主要内容有哪些？2、本课程要研究解决汽车发动机的什么问题?第 0 章 工程热力学基础1、应用平衡方程式解释热力学第一定律？2、分析理想气体的多变过程得出什么规律? 3、解释卡诺循环与卡诺定理？第 1 章 发动机实际循环与性能指标1什么是发动机的理论循环？什么是发动机的实际循环？2画出四冲程发动机实际循环的示功图，说明它与理论循环示功图有什么不同？3分析影响发动机实际循环热损失的主要因素。4什么是发动机的指示指标？主要有哪些？5什么是发动机的有效指标？主要有哪些？6. 什么是发动机的平均有效压力、有效燃油消
2、耗率、有效热效率?它们各有什么意义?7. 什么是机械效率?分析影响机械效率的因素。8. 如何测定机械效率？9什么是发动机的热平衡？研究热平衡有何意义？（部分参考答案）一、名词解释1.理论循环：将发动机的实际循环进行若干简化，使其既近似于所讨论的实际循环，而又简化了实际循环变化纷繁的物理、化学 过程，从而提出一种便于作定量分析2的假想循环。2.示功图：记录相对于不同活塞位置或不同曲轴转角时气缸内工质压力的变化，有示功图或 示功图两种。示功 图是研究实际循 环的依据，一般是由Vpp专门示功器在发动机运转条件下直接测出。 3.指示指标：指示指标是以工质对活塞做功为基础的性能指标，主要是衡量发动机工作
3、过程的好坏。 4.有效指标：有效指标是以发动机输出轴上所得到的功率为基础的性能指标。主要是考虑到发动机自身所消耗的机械能，用来综合评价发动机整机性能的。5.指示热效率：是实际循环指示功与所消耗的燃料热量之比值。 6.有效热效率：是实际循环有效功与所消耗的燃料热量之比值。 7.升功率：在标定工况下，发动 机单位气缸工作容积所发 出的有效功率。 8.比质量：发动机的净质量 与它所发出的额定功率 之比。 meP9.发动机强化系数：发动机平均有效压力 与活塞平均速度 的乘积称为强化系数，是mepmv评价发动机强化程度的指标。 10.机械效率：机械效率是有效功率与指示功率的比值。是为了比较各种不同的发动
4、机机械损失所占比例的大小，引入机械效率的概念。 11.发动机热平衡：发动机的热平衡，就是 给出燃料的总发热 量转换为有效功和其他各项热损失的分配比例。从这些热 量分配中，可以了解到 热损失的情况，以作为判断发动机零件的热负荷和设计冷却系统的依据，并 为 改善发动机的性能指标指明了方向。二、填空题1示功 2. 提高率 3. 工质的影响 换气损失 传热损失 时间损失 燃烧损失 （涡流和节流损失、泄漏损失）4. 实际 5. 发动机输出轴上所得到的6. 实际循环指示7. 实际循环有效8 950/nTPtqe9平均有效压力 活塞平均速度mepmv10下降11. 可靠润滑12. 有效功 其他各项热损失3三
5、、思考题1什么是发动机的理论循环？什么是发动机的实际循环？答题要点发动机的理论循环是将发动机的实际循环进行若干简化，使其既近似于所讨论的实际循环，而又简化了实际循环变 化纷繁的物理、化学 过程，从而提出一种便于作定量分析的假想循环。发动机的实际循环是由进气、 压缩、燃 烧、膨胀和排气五个过程所组成，较之理论循环复杂得多，存在必不可免的许 多损失，它不可能达到理 论循 环那样高的循环效率。2画出四冲程发动机实际循环的示功图，说明它与理论循环示功图有什么不同？答题要点由于工质的影响、换气损失、 传热损失、 时间损失、燃烧损 失、涡流和节流损失、泄漏损失等的存在，实际循环 的示功图与理论循环示功图
6、有很大的不同，如 图所示为一台非增压四冲程柴油机理论循环与实际循环 示功图。其中实线表示实际循环示功图，Vp而加了黑点的实线表示与之相对应（具有同样的热量输入）的理论循环示功图。3分析影响发动机实际循环热损失的主要因素。答题要点工质的影响理论循环的工质是理想气体，在 实际循环中，燃 烧前的工质 是新鲜空气和上一循环残留废气的混合气；燃烧过程中以及燃烧后，工 质的成分变为 燃烧产物，不 仅成分有变化，而且容积数量即物质的量也发生变化；在 1300K 以上燃烧产物有发生高温分解的现象，会降低最高燃烧温度，使循环热效率下降。4理论循环工质的比热是不随温度变化而变化的。 实际循环 工质是空气和燃烧产物
7、的混合物，它们的比热随温度升高而上升，若加热量相同，则实际循环达到的最高温度较理论循环为低，其结果导致循环热效率的降低，循环所做的功减少。反应在示功图上为实际循环的燃烧膨胀线低于理论循环的燃烧膨胀线。换气损失在实际循环的换气过程中，排气 门要提前开启， 废气在下止点前便开始逸出，使示功图的有用功面积减小。在接着进 行的排气和吸气过程中，由于流动阻力会产生进、排气推动功的差别。排气门提前开启造成的 损失与进、排气推 动功之差，这两部分损失之和就是实际循环的换气损失。气缸壁的传热损失理论循环假定气缸壁和工质之间无热交换。但在 实际循环 中，气缸壁和工 质之间自始至终存在着热量交换。在压缩过 程初期
8、，气缸壁温度高于工质温度，工质吸热；在压缩过程后期，工质的温度超过缸壁温度，工质向缸壁散热。其平均多变压缩指数偏低，存在热量损失，使压缩过程的压力线低于理 论循环的压缩线。此外，由于进气终了压力低于大气压力，因此，整个实际压缩线处于理 论压缩线的下方（图 1.4)。在随后的燃烧、膨胀和排气过程中，工质继续不断地向缸壁传出热量，使 实际循环的膨胀过程 线低于理论循环的膨胀线，在示功图上减少的有用功面积大于理论压缩线底下增加的面积，其差值即为实际循环的传热损失。时间损失理论循环中，认为活塞是以无限 缓慢的速度运动，以保持气缸内的工质始终处于平衡状态，并且认为由热源向工质进 行等容加热的速度极快，可
9、以在瞬间完成；在等压加热时，加热的速度能与活塞运动的速度相匹配，以 实现等压加热过 程。 这一切在实际循环中都无法做到，实际循环中柴油机的活塞运 动具有相当的速度，而燃料的燃烧放热需要一定的时间。 这样就使： 压缩消耗功增加。 这是因为燃烧速度是有限的，因此柴油机燃料开始喷入气缸需要有供油提前角，使着火能在活塞到达上止点以前开始，并使整个燃烧过程能在活塞过了上止点后不久即完全结束，以保 证燃料输入的热量得以在充分的膨 胀中加以有效利用，减少后燃损失。最高燃 烧压 力的下降。由于实际循环存在传热损失，以及燃料迅速燃烧放热的过程中活塞继续运动离开上止点，使气缸的容积逐渐增大，从而使 实际循环中的压
10、力增长小于理论循环的压力增长。初期膨 胀比减小。在理论循环中，全部 热量是在 点以前 输入的，但在实际循环中，tz由于传热损失、不完全燃烧和活塞运动，使初期膨胀比减小。所有这一切，都使燃烧过程偏离了理 论循环的等容和等压 加热过程，增加了 压缩过程消耗的功，减少了膨胀过程的有用功，示功图上出现了如图 1.4 上止点附近用小三角形区表示的所谓时间损失。燃烧损失5包括后燃和不完全燃烧所引起的损失。在理论循环中，全部热量是在 点(图 1.4)以前输入完毕，然后转入绝热膨胀过程。但在z实际循环中，当燃烧过程接近 点时，由于氧气 浓度降低，引起燃烧速度降低。因此，燃烧1过程一直要延续到膨胀线的点 才告结
11、束,这就是所谓的后燃现象。后燃期间热功转换的效e率由于膨胀比小而大大下降， 这就造成后燃损失。由于空气不足或混合气形成不良会引起燃烧不完全，使部分燃料的热值得不到充分利用，这亦促使膨胀线位置下移，产生不完全燃烧损失。涡流和节流损失活塞的高速运动使工质在气缸内产生涡流，造成 压力损失。此外，对于分隔式燃烧室，工质在主、副燃烧室中流进、喷出将会引起强烈的节流损失。泄漏损失气门处的泄漏可以防止，但活塞 环处的泄漏却无法避免。不过在良好的磨合状态下泄漏量不多，约占工质的 0.2左右。4什么是发动机的指示指标？主要有哪些？答题要点指示指标是以工质对活塞做功为基础的性能指标，主要是衡量发动机工作过程的好坏
12、。 指示指标主要有：指示功和平均指示压力、指示功率、指示热效率和指示燃油消耗率等。5什么是发动机的有效指标？主要有哪些？答题要点有效指标是以发动机输出轴上所得到的功率为基础的性能指标。主要是考虑到发动机自身所消耗的机械能，用来综 合评价发动机整机性能的。有效指标主要有：有效功率、有效 转矩、平均有效 压力、有效热效率和有效燃油消耗率等。6. 什么是发动机的平均有效压力、有效燃油消耗率、有效热效率?它们各有什么意义? 答题要点平均有效压力是指发动机单位气缸工作容积所作的有效功。平均有效压力是从最终发动机实际输出转矩的角度来评定气缸工作容积的利用率，是衡量发动机动力性能方面的一个很重要的指标。有效
13、燃油消耗率是单位有效功的耗油量，通常以每千瓦小 时有效功消耗的燃料量来表示。有效热效率是实际循环有效功与所消耗的燃料热量之比值。有效热效率和有效燃油消耗率是衡量发动机经济性的重要指标。67. 什么是机械效率?分析影响机械效率的因素。答题要点机械效率是有效功率与指示功率的比值。是 为了比较各种不同的 发动机机械损失所占比例的大小，引入机械效率的概念。 影响机械效率的因素有很多，除转速、 负荷、润滑油品质、冷却液温度和发动机技术状况等使用因素外，还有燃烧最高 压力、气缸尺寸和数目、大气状 态等结构设计参数和使用环境因素均会影响机械效率。气缸内最高燃烧压力气缸压力高，活塞环背压按比例增加，活塞裙部对
14、气缸壁的 侧压力和轴承负荷增大，活塞环和活塞的摩擦损失也相应增大；另一方面，最高燃 烧压 力高， 为保证各承载零件的强度、刚度和工作耐久性，也有必要加大活塞、连杆、曲轴尺寸和质量，这就随之而增加了运动零件的惯性力，从而导致摩擦损 失的增大。转速或活塞平均速度转速或活塞平均速度增大，各摩擦副之间的相对速度增加，摩擦损失增大；与此同时，曲柄连杆机构的惯性力增大，活塞的 侧压力和轴承负荷增大，摩擦损失也增大。转速 增大，n泵气损失、驱动附件消耗的功随之增加，所以机械效率下降。负荷在转速不变的情况下，当负荷减小，缸内的指示功率下降，机械损失功率亦略有下降，但基本不变。由公式 可知，负荷减少， 降低,机
15、械效率miimpP1iP下降，直到怠速时，指示功率全部用来克服机械 损失，即 ,故 。m mi0润滑油品质和冷却液温度润滑油的粘度对摩擦损失有很大影响。 润滑油粘度大， 则流 动性差，内摩擦力大，摩擦损失增加，但其承载能力强，易于保持液体润滑状态；反之，流动性好，机械损失减少，但承载能力差，油膜易于破裂而失去润滑作用。 润滑油的粘度主要受 润滑油的品质和温度的影响。冷却液温度的高低直接影响润滑油温度的高低， 继而影响 润滑油的粘度和机械损失。发动机技术状况发动机技术状况的好坏，对机械效率的影响很大。这是由于 长期使用的发动机，技术状况变差，活塞环与气缸磨损后，间隙增大，漏气增多，指示功率下降；
16、尤其是漏气还会稀释润滑油，使润滑条件变坏，气缸的磨损加快；轴颈与轴承间 的磨损还使机油的泄漏增加，油压下降，运动件工作表面的润 滑不良。 这些都会使机械效率下降。8. 如何测定机械效率？答题要点7通过发动机试验来测定。目前常用的 测量方法主要有示功 图法、倒拖法、灭缸法和油耗线法。这些方法都只能近似地求出其数 值，并各有其局限性与不足之处。9什么是发动机的热平衡？研究热平衡有何意义？答题要点发动机的热平衡，就是给出燃料的 总发热量转换为有效功和其他各 项热损失的分配比例。从这些热量分配中，可以了解到 热损失的情况，以作 为判断 发动机零件的热负荷和设计冷却系统的依据，并为改善 发动机的性能指标
17、指明了方向。第 2 章 发动机换气过程 （习题 参考答案）1、 为什么发动机进气门迟后关闭、排气门提前开启。提前与迟后的角度与那些因素有 关？2、冲程发动机换气过程包括哪几个阶段，这几个阶段是如何界定的？3、影响充量系数的主要因素有哪些？4、提高发动机工作转速，从换气方面会遇到哪些阻碍因素，如何克服？5、什么是进气管动力效应，怎样利用它来提高充量系数。6、什么叫进气马赫数? 它对充量系数有什么影响？7、二冲程发动机换气过程包括哪几个阶段，这几个阶段是如何界定的？8、二冲程发动机换气系统基本形式。9、评价二冲程发动机换气系统质量的参数。10、影响二冲程发动机扫气效率的因素有哪些？一、名词解释1.
18、气门叠开：由于排气门的延迟关闭和进气门的提前开启，在排气行程上止点附近，存在进、排气门同时开启的现象，称 为气门叠开。2.燃烧室扫气：气门叠开期间，只要合理控制气流方向，废气的惯性排出会对新鲜空气或混合气有抽吸作用，新鲜空气或混合又 驱赶废气并冷却燃 烧室， 这一过程称为燃烧室扫气。3.换气损失：换气损失等于排气损失和进气损失之和。如图中面积（w+y+d+x）。 84.泵气损失：泵气损失是换气损失的一部分，即 图中面积 （x+y）。 5.充量：充量即充气量，它表示 进入发动机气缸内新鲜气体的 质量，常用每循 环充量和单位时间充量来表示。6.充量系数：是评价发动机换气过程完善程度的指标。是每循环
19、进入气缸的实际充量 m与在进气状态下充满气缸工作容积的理论充量 之比。 sm7.残余废气系数：残余废气系数是指每循环气缸内的残留废气质量与新鲜气体质量之比。 8.进气惯性效应：利用进气管内高速流动的气体惯性增加充气量的效应，称为惯性效应。9.进气波动效应：进气过程中进气管内压力波动称为进气波动效应，对充量系数 有一定c影响。二、填空题1. 缸内废气 新鲜空气 混合气2. 充分 彻底 小3. 自由排气 强制排气 进气 燃烧室扫气4. 自由排气5. 压力 气体状态 6. 排气 进气7. 自由排气 强制排气8. 增加 减少9. 压缩 比 进气状态 大气状态 进气终了状态 残余废气系数 配气相位 进气
20、终了压力10大11越大12提高 三、思考题1四冲程发动机的换气过程包括哪几个阶段？这几个阶段是如何划分的？答题要点9根据气体流动的特点，换气过 程可分为自由排气、 强制排气、进气和燃烧室扫气等 4 个阶段。从排气门开始开启，到气缸内 压力降到接近排气管内压力，这个时期称为自由排气阶段。从自由排气阶段结束，活塞上行 强制排出缸内废气的阶段，称为强制排气阶段。进气过程是指从进气门开始开启到进气门完全关闭的这段时间。由于排气门的延迟关闭和进气门的提前开启，在排气行程上止点附近，存在进、排气门同时开启的现象，称为气门叠开。此期间进气管、气缸、排气管连通起来，可以利用气流 压差和惯性，清除缸内残余废气，
21、增加进气量。气门叠开期间，只要合理控制气流方向，废气的惯性排出会对新鲜空气或混合气有抽吸作用，新鲜空气或混合又 驱赶废气并冷却燃烧室，这一过程称为燃烧室扫气。2什么是换气损失？什么是泵气损失？答题要点换气损失可定义为理论循环换气功和实际循环换气功之差。发动机换气损失由排气损失和进气损失两部分组成。泵 气损失是换气损失的一部分，即图 2.4 中面积（x+y ）。3评价发动机换气过程的常用指标有哪几个？答题要点评价发动机换气过程的常用的评价指标是：充量、充量系数和残余废气系数。4充量系数是如何定义的？分析影响充量系数的主要因素。答题要点 每循环进入气缸的实际充量 与在进气状态下充满气缸工作容积的理
22、论充量m之比，即：smsc 影响充量系数的因素有压缩比 、进气状态（P s，Ts）或大气状态（P 0,T0）、进气终了状态（P a,Ta）、残余废气系数和配气相位等。其中，影响最大的是 进气终了压力。进气 终了压 力 Pa进气终了压力 增大，充量系数 提高。 这是因为，在气缸容积、进气终了温度和残pc余废气量一定时，进气终了压 力越大，缸内气体密度越大，意味着 实际充气量就越多。进气终了温度随着进气终了温度 升高，充量系数 下降。这是因为，在气缸容积、 进气终了压力aTc和残余废气量一定时，进气终 了温度越高，缸内气体密度越小，意味着 实际充气量就越少。10实际发动机的进气终了温度总是高于大气
23、温度。新 鲜气体 进入气缸后，接触高温机件并与残余废气混合被加热。残余 废气系数 r排气终了压力 增大，残余废 气密度增加，残余 废气系数 上升，使充量系数 下降。rp rc进气（或大气）状态（或 ）升高， （或 ）下降，均使进气密度 （或 ）减小，因此， 进气量减少,使sT0s0s0充量系数 下降。c压缩 比 随着压缩比 的增大，压缩终 了容积相对减小，使气缸内残余废气量相对减少，充量系数 有所提高。c配气相位配气相位直接影响进、排气是否充分，即影响实际进气量和残余废气量，从而影响充量系数。配气相位中，进气迟闭 角对充量系数的影响最大，其次是排气 迟闭角。5可采取什么措施来提高充量系数？答题
24、要点提高发动机充量系数的措施可以归纳为以下几点：1）降低进气系统的阻力损失，提高气缸内 进气终了压力 ；ap2）降低排气系统的阻力损失，以减小缸内残余 废气系数 ；r3）减少高温零件在进气系统中对新鲜充量的加热，降低 进 气终了温度 ；aT4）合理选择配气相位；5）充分利用进气管内的动力效应。6什么是进气管动态效应？怎样利用它提高充量系数？答题要点发动机换气过程中，进气气流在一定 长度的管道内流动时 ，具有相当的 惯性和可压缩性，且进气过程是间断性和周期性 进行的，根据流体力学的规律，气流在进气管内势必会引起一定的动力现象，这种动力 现象称为进气管的动态效应 。动态效应对发动机进气量有较大影响，利用进气管的动态效 应，可以有效地提高 发动机充量系数 和改善转矩特性。c
