汽車發(fā)動機原理課后答案-王建昕-帥石金-清華大學出版社.doc

_汽車發(fā)動機原理課后習題答案第一章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(fā)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brab Wt=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(fā)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(fā)動機在中、小負荷工況運轉(zhuǎn)時，有可能出現(xiàn)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(fā)動機一個循環(huán)的p-V圖，標出上下止點、進排氣門開關(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。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(fā)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(fā)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(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，進氣門從開啟到關(guān)閉為進氣過程，掃氣門從開啟到關(guān)閉為掃氣過程。曲軸箱換氣功為負功。1-5為什么發(fā)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(huán)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(nèi)熱功轉(zhuǎn)換進行的好壞，因而在內(nèi)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(fā)動機實際工作性能的優(yōu)劣，因而在發(fā)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(fā)動機的動力、經(jīng)濟性能在生產(chǎn)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(jīng)濟性能指標？解：動力性：功率、扭矩、速度；經(jīng)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(fā)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m是比轉(zhuǎn)速n更為本質(zhì)的動力性能速度指標？解：因為轉(zhuǎn)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(zhuǎn)矩Ttq的計算公式（標出各參數(shù)的量綱）；比較同為動力性指標的Pe和Ttq有何區(qū)別；分析在發(fā)動機結(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et和循環(huán)可燃混合氣進氣量（汽油機）或循環(huán)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et？解：當轉(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亩嗌佟６h(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。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)量的燃料在標準狀態(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準狀態(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、渦輪增壓和機械增壓四沖程發(fā)動機的hc、ht和hm有何區(qū)別？解：燃燒效率：燃料化學能通過燃燒轉(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)動機工作循環(huán)轉(zhuǎn)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(zhuǎn)化為有效功的百分比。一般增壓發(fā)動機大于自然吸氣發(fā)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(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(zhì)量比。過量空氣系數(shù)：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(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計量比？具有化學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(shù)fa為1，其空燃比為14.2。1-16基于Pe的綜合表達式（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（缸徑D80mm，沖程s76.5mm）節(jié)氣門全開時在臺架上的測量結(jié)果如下：發(fā)動機轉(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）機械效率hm；（5）機械損失功率Pm和機械損失平均壓力pmm。解：(1)(2)(3)(4)(5)1-186135Q-1四沖程柴油機的沖程s140mm，在發(fā)動機轉(zhuǎn)速n=2200r/min時的機械效率為hm =0.75，有效輸出功率Pe=154kW，有效燃料消耗率為be=217g/（kW·h）。已知柴油機低熱值為Hu=42500kJ/kg。求此時發(fā)動機的pme、Ttq、Pm、het和Wi各值。解：1-19一臺6缸四沖程柴油機（缸徑D102mm；沖程s125mm），在全負荷時的臺架測量結(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)動機轉(zhuǎn)速2650 r/min；機械損失平均壓力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汽油機采用了斷缸技術(shù)，當功率需求減小時，切換成2.3 L排量的V4工作模式。該發(fā)動機在轉(zhuǎn)速為1750 r/min時，采用V8工作模式，此時發(fā)動機的充量系數(shù)為0.51，機械效率為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？為什么要加強代用燃料的研究和應用？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。加強代用燃料研究主要出于能源安全和環(huán)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(jié)構(gòu)各有什么特點？分別列出12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)動機的性能有何影響？原因何在？解：C越多，化學穩(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)動機的性能有何影響？原因何在？解：（1）鏈與環(huán) 環(huán)化學穩(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是優(yōu)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(fā)動機的動力、經(jīng)濟性和排放要求，理想的汽油和柴油應由何種結(jié)構(gòu)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(fā)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(chǎn)生。另外柴油燃料一般不易氣化，不利于火焰?zhèn)鞑ィ瑫斐膳欧派?。從何考慮發(fā)動機的各種性能，理想的柴油機燃料應由碳原子數(shù)為16左右的直鏈烷烴構(gòu)成，而汽油機燃料應由碳原子數(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-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； 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RON<CON。解：說明抗爆性優(yōu)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(fā)曲線中，10，50，90餾程的意義是什么？它們對發(fā)動機的性能有何影響？燃燒一種終餾點很高的汽油會出現(xiàn)什么結(jié)果？解：10餾程(T10) 燃料中含有輕餾分的大概數(shù)量，反映汽油機的冷起動性。50餾程(T50) 燃料的平均蒸發(fā)性能，反映汽油機的工作穩(wěn)定性。90餾程(T90) 燃料中的重質(zhì)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(fā)動機性能帶來什么影響？解：飽和蒸氣壓：在規(guī)定條件下燃油和燃油蒸氣達到平衡狀態(tài)時，燃油蒸氣的壓力。蒸氣壓過低，發(fā)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(chǎn)生蒸發(fā)損失，著火的危險性大；也容易在燃油供給系統(tǒng)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(wěn)定性，導致它易形成膠質(zhì)，并沉積在進氣系統(tǒng)中，影響燃燒效果，增加排放?；顫娤N蒸發(fā)排放到大氣中會產(chǎn)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(fā)動機產(chǎn)生沉積物，增加尾氣排放，包括CO2。2-12 為什么隨著燃料品質(zhì)等級的提高，燃料中硫的含量呈現(xiàn)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(zhuǎn)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(tǒng)(OBD)失靈，使催化轉(zhuǎn)化器監(jiān)控裝置發(fā)送錯誤的診斷碼，并向司機發(fā)出錯誤的故障信號。2-13 常規(guī)汽油機和柴油機在混合氣形成、著火和負荷調(diào)節(jié)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(fā)，與空氣形成預制均質(zhì)混合氣柴油難氣化，缸內(nèi)高壓噴霧成細小液滴，與空氣形成非均質(zhì)(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?zhèn)鞑??？稍赼 =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(diào)節(jié)方式不同：汽油機預混合，a基本保持不變，量調(diào)節(jié)柴油機分層混合，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)動機的動力、經(jīng)濟性有重大影響？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？為什么汽油機的fr一般比柴油機的大？而增壓柴油機的fr很小？解：影響殘余廢氣系數(shù)的主要因素：進排氣壓力、轉(zhuǎn)速、壓縮比、配氣相位和排氣系統(tǒng)動態(tài)特性。汽油機fr偏高是因為小，壓縮容積大，低負荷時進氣節(jié)流強使新鮮充量下降；增壓柴油機fr小是因為掃氣效果強。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？為什么汽油機的分子變化系數(shù)比柴油機大？解：柴油機分子系數(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；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?。拷猓簡挝毁|(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?。琀um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)熱量對應的CO2產(chǎn)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(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(fā)動機燃用異辛烷燃料，發(fā)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(shù)；（2）空燃比；（3）燃空當量比。解：(1)=l/l0=1.2(2) 異辛烷C8H18 l0=(8/3gc+8gH-go)/0.232=15.1(3) 空燃比=* l0=15.1*1.2=18.2(4) 燃空當量比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(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(zhì)量熱值和體積熱值。假設過量空氣系數(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)量分數(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。假設初始反應狀態(tài)為標準熱狀態(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應用工程熱力學的公式和曲線對封閉熱力學系統(tǒng)熱力過程和狀態(tài)進行分析時，應該滿足哪些必要的理想條件？分析發(fā)動機的動力過程時，能否滿足這些要求？解：準穩(wěn)態(tài)過程、內(nèi)部可逆。事實上，雖然導致發(fā)動機喪失狀態(tài)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(nèi)工質(zhì)可以作準平衡態(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)動機缸內(nèi)可以作內(nèi)可逆過程處理。3-2發(fā)動機的理論循環(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)動機的工作循環(huán)劃分為三種循環(huán)進行分析？解：（1）理論循環(huán)：工質(zhì)理想氣體（空氣），物性參數(shù)(比熱比，)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、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,vt,p<t,s<t,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、柴油機相關(guān)參數(shù)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(zhì)，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(fā)動機循環(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)動機和機械增壓發(fā)動機的指示效率it和機械效率m？兩者的it和m有何差別？與自然吸氣原型機相比，增壓發(fā)動機的it和m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(fā)動機的機械效率一般比相應的自然吸氣發(fā)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。3-8 簡述理論循環(huán)，分析對改善內(nèi)燃機動力、經(jīng)濟性能的指導意義。解：（1）指出了改善發(fā)動機動力性、經(jīng)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(shù)等。（2）提供了發(fā)動機之間進行動力性、經(jīng)濟性對比的理論依據(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(zhì)對熱效率的影響：（1） 比熱容：真實工質(zhì) 理想工質(zhì) 真實工質(zhì)t（2） 高溫熱分解：燃燒放熱時間拉長等容度t。（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，未燃碳氫多原子 T t；a>1，空氣單雙原子 T t；考慮真實工質(zhì)特性后，汽、柴油機熱效率差距加大。3-10什么是相對熱效率rel？引入rel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，t；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c100%；不正常燃燒、a1等， t 。（5）缸內(nèi)流動損失：流動增強以及提高渦流與湍流程度，t，因為：造成能量損失、散熱損失。（6）工質(zhì)泄漏損失。3-12機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）機械摩擦損失(5080)：活塞組件、軸承、氣門機構(gòu)等。（2）附件驅(qū)動消耗(10)：水泵、機油泵、燃油泵、點火裝置等運轉(zhuǎn)必不可少的輔助機構(gòu)。（3）泵氣損失(540)。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(nèi)？解：內(nèi)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(fā)工作；（2）倒拖法：是在發(fā)動機正常運轉(zhuǎn)后斷油或斷火，用電機反拖發(fā)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(nèi)燃機調(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)動機的指示功率Pi，再減去發(fā)動機的有效功率Pe即得機械損失功率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(fā)動機機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(nèi)。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(zhuǎn)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(guān)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(fā)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(fā)動機轉(zhuǎn)速（或活塞平均速度）和負荷對機械效率有何規(guī)律性的影響？這一影響規(guī)律對發(fā)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(zhuǎn)速來提高功率受限；（2）負荷：負荷Pe，m；怠速m0；增壓機型m。提高發(fā)動機工作時的負荷率及降低中低負荷的機械損失，對發(fā)動機節(jié)能有重要意義。3-17發(fā)動機潤滑油是如何進行分類的？為保證發(fā)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(fā)動機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)在實際應用時是如何實現(xiàn)節(jié)能的？為什么Miller循環(huán)發(fā)動機一般都采用增壓技術(shù)？解：Atkinson循環(huán)是增加發(fā)動機的膨脹沖程；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)以彌補進氣門早關(guān)或晚關(guān)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(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)動機的有效效率。節(jié)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(fā)動機每循環(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）3gi23：掃氣部分轉(zhuǎn)入排氣中的能量。廢氣在到達渦輪機前總免不了有節(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)動機按定壓系統(tǒng)的理論循環(huán)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(fā)動機泵氣過程中的各種流動和機械損失的存在。3-23發(fā)動機由冷卻介質(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Ч?？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(fā)動機可提高熱量的品質(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(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；機體、曲軸箱和其他部件向機外傳熱和輻射熱量；輔助機構(gòu)傳給冷卻水的熱量。3-25回熱發(fā)動機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)出實用的回熱發(fā)動機？解：回熱發(fā)動機直接把高溫熱能回收作為缸內(nèi)加熱量，可提高循環(huán)熱效率。但沒有實際開發(fā)是因為回熱裝置復雜、回熱效率較低等原因。3-26一臺壓燃式發(fā)動機的壓縮比為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為則預脹比為則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)動機的機械效率是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et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(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)動機經(jīng)濟性最優(yōu)，則應按混合循環(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)濟型達到最優(yōu)，則pz應為9.5MPa，此時對應的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(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“面積+面積”之和，理論工作循環(huán)（1）的火用損失為“面積”，理論工作循環(huán)（2）的火用損失為0。圖中：面積+面積+面積面積所以，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，面積+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)動機的充量系數(shù)是研究換氣過程的核心問題？解：發(fā)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(zhuǎn)矩；（2）保證多缸機各缸循環(huán)進氣量的差異不超出應有的范圍，以免對整機性能產(chǎn)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(nèi)所形成的湍流場，應能滿足組織快速合理燃燒的要求。發(fā)動機充量系數(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(jié)氣門全開（亦即大負荷工況），虛線為節(jié)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(nèi)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(jié)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(zhì)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?？梢圆扇∧男┐胧﹣硖岣吲艢饬髁?？解：自由排氣和強制排氣的本質(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?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(xiàn)象？為什么會出現(xiàn)這種現(xiàn)象？進、排氣門口的此種現(xiàn)象會對進、排氣及發(fā)動機性能帶來什么影響？解：按氣體動力學孔口流動規(guī)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(xiàn)象。進氣門口壅塞會導致發(fā)動機在提高轉(zhuǎn)速時進氣流量不會加大，發(fā)動機功率不僅不會加大，反而因機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(fā)動機的經(jīng)濟性。4-5 進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(fā)動機與自然吸氣發(fā)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(guān)：進氣充足、排氣干凈。進氣晚關(guān)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(guān)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(nèi)的殘余廢氣系數(shù)；降低發(fā)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(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)動機的氣門疊開角一般會比非增壓發(fā)動機的大，這是因為增壓發(fā)動機進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(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）進氣早開角：過大會回火，過小則進氣不足，故存在最佳值。轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速上升時，進氣早開角的最佳值加大。（4）進氣晚關(guān)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(nèi)的新鮮充量推回進氣管，故存在最佳值。轉(zhuǎn)速上升時，經(jīng)歷相同的利用進氣慣性進氣的時間所對應的轉(zhuǎn)角也會增大，因此轉(zhuǎn)速上升時，進氣晚關(guān)角的最佳值加大。4-7 增壓發(fā)動機與自然吸氣發(fā)動機的fc定義有何差異？增壓發(fā)動機的理論進氣量如果按大氣環(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(fā)動機的理論進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，實際的進氣量是環(huán)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(fā)動機與自然吸氣原型發(fā)動機相比，由于循環(huán)進氣量大幅度增加，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)動機較自然吸氣原型機的fc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(fā)動機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(huán)進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)動機比自然吸氣原型機的充量系數(shù)增大。因為：進氣終了壓力提高，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(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）進排氣相位角的影響。進排氣相位角，特別是進氣晚關(guān)角和排氣晚關(guān)角，對充量系數(shù)有影響。合理的進排氣相位可以使進氣充足、排氣干凈，提高充量系數(shù)。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(xiàn)繞氣門中心的旋轉(zhuǎn)運動；滾流進氣道產(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。滾流進氣道主要用于實現(xiàn)稀燃缸內(nèi)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(shù)Mam？說明c隨Mam變化的規(guī)律及原因，為什么Mam大于0.5就使c急劇下降？解：平均進氣馬赫數(shù)的定義為通過氣門口的平均流速與當?shù)匾羲俚谋戎?。充量系?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。當馬赫數(shù)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(shù)加速下降。4-12 進氣終了前工質(zhì)溫度的上升對發(fā)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(zhì)溫度的變化量？影響大小及趨勢如何？解：進氣工質(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)動機的動力輸出。影響進氣終了工質(zhì)溫度的變化量的因素包括：進氣過程中高溫壁面?zhèn)鳠?；進氣過程中壓力損失變?yōu)槟Σ翢?；殘余廢氣與新鮮充量混合；進氣過程中燃料氣化吸熱。其中，前3個因素引起進氣工質(zhì)溫度上升，第4個因素引起進氣工質(zhì)溫度下降。在4個因素中，進氣過程中高溫壁面?zhèn)鳠釋M氣溫升的影響最大。且轉(zhuǎn)速越低，負荷越大，高溫壁面?zhèn)鳠嵋鸬臏厣酱蟆?-13 為什么近代轎車汽油機普遍采用多氣門機構(gòu)？它有什么優(yōu)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(zhuǎn)矩增加的百分比大得多？解：優(yōu)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(gòu)變得復雜。（2）增加了成本。對于柴油機，由于柴油機沒有節(jié)氣門，進氣阻力相對較小，而汽油機在中小負荷時節(jié)氣門節(jié)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(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)動機高速工況下，由于進氣壅塞現(xiàn)象，發(fā)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(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fcn進氣外特性曲線是發(fā)動機特別是汽油機極為重要的性能曲線之一？一般發(fā)動機的fcn外特性曲線的變化趨勢有何特點？由哪些因素決定？進