发动机原理作业题库

《汽车发动机原理》作业题库

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洛自的理论泵气功、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,

pt—缸内进气压力

八一缸内排气压力

A-压气机后压力

A一涡轮机前压力

(1)自然吸气：动力过程功=面积aczbaWt=Wi+W3，正功

泵气过程功=面积W2+W3,负功

增压：动力过程功=面积aczbaWt=W”正功

泵气过程功=面积brabWt=W2，正功

(2)自然吸气：理论泵气功=0

实际泵气功=W2+W3，负功

泵气损失功W2+W3负功

增压：理论泵气功=Pk和Pb间的矩形面积，正功

实际泵气功=W2，正功

泵气损失功=阴影面积，负功

(3)自然吸气：总指示功=Wi+W3，正功

净指示功=(Wi+W3)-(W2+W3尸W「W2，正功

增压：总指示功='\¥1+侬中。*丫$,正功

净指示功=亚1+02，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。

1-2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pi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0-忆图，标出上下止点、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-k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和压气机后压力而均相同，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po；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；

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p™,当作一个极为重要的性能指标？

解：因为p™,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%是比转速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几和有效转矩（q的计算公式（标出各

参数的量纲）；比较同为动力性指标的凡和（q有何区别；分析在发动机结构参数不变的前

提下提高输出功率尸e的途径。

mV

解：尸=sPn.e和Z=匕.”义10-3,

'30rlqm

其中：Pme量纲为MPa,Pe量纲为kW,金量纲为N.H1。

提高输出功率尸e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〃确定后输出功率&（或转矩'）主要取决于有效效率〃，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燃料低热值儿和混合气热值儿m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%t=〃c•小〃m中，小、7、77m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、7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生的因素有哪些？降低be的途径有哪些？

解：影响因素：燃烧效率、机械效率、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？

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痣是

多少，其空燃比a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

系数痣为1.其空燃比a为14.2o

1-16基于Pe的综合表达式（1-40）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：

P・晒瑞*射球评E薪

tftfif

Cl）：上式中，‘、、’三者为“质”环节参数，其余为“量”环节参数。

ifif就由.

（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

PTKI

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D=80mm，冲程s=76.5mm）节气门全开时在

台架上的测量结果如下：发动机转速w=5900r/min；有效转矩7；q=107.1N-m；指示平均压力

0面=1.19MPa。计算:

(1)循环指不功Wi；

(2)指示功率Pi和有效功率尸e；

(3)有效平均压力Pme；

(4)机械效率〃m；

(5)机械损失功率尸„,和机械损失平均压力Pmm°

解：

¥・S.3.14x卢卡£xQ.765I0384L

w-(L457M

88.87^'

(2)

(3)

0.744

⑸

1-186135Q-1四冲程柴油机的冲程5=140mm,在发动机转速M=2200r/min时的机械效率为

%=0.75,有效输出功率&=154kW,有效燃料消耗率为6e=217g/(kW-h1已知柴油机低热

值为Hu=42500kJ/kg。求此时发动机的pme、3、4、外和用各值。

解：

V・，工函5-3.14*x1.4I2L

1-19一台6缸四冲程柴油机(缸径D=102mm；冲程s=125mm),在全负荷时的台架测量

结果如下：21.22s内消耗燃料体积200cm3,燃料密度0.83kg/dm3;30.1s内消耗空气体积

5m3环境空气压力0.1MPa环境空气温度300K有效转矩424Nm发动机转速2650r/min;

机械损失平均压力0.1758MPa;柴油低热值42500kJ/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)有效燃料消耗率必和有效热效率〃et；

(5)指示燃料消耗率仇和指示热效率%。

解：

Pv=RT

100000=8.314x300/7

p=1.16彷/m3

(1)燃料体积流量：200/21.22x3600=33."/〃

燃料质量流量083x33.9=28.1奴/h

(2)空气体积流量：5/30.1x3600=598田/〃

空气质量流量：L16x598=693.7奴/力

(3)Q=7〃=424x2650x3.14x2/60=117.6物

D1

(4)A=—xl000=—―xl000=238.9g

Pe117.6

_3600000360000°=。.355

beHu238.9x42500

30吒30x4x117.6

⑸=68875Mpa

inVs6x2650x1

0.8875

=0.835

0.8875+0.1758

A=bexr/m=0.835x238.9=199.4g/kWh

%二%/=0-355/0.835=0.425

1-20—台排量为4.6L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1750r/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32.4kW。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O.IMPa的条件

下吸入气缸的。计算：

(1)1750r/min时，V8工作模式的进气质量流量(kg/s);

(2)1750r/min时，V8工作模式的燃料消耗质量流量(kg/s)；

(3)1750r/min时,V8工作模式的有效燃料消耗率(g/(kW-h));

(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料消耗率(g/(kW-h)b

解：

(1)根据pv=nRT,有以下关系式

(2)

(3)

(4)

良-F

下内-院讣

用快■下忖

因为只是热效率相等，所以：

品曲■皆依

小怏,•3救

(5)be*0.75/0.87=268g/kW.h

第一早

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？

解：（1）工质的各种热力参数一质

（2）燃料热值（可燃混合气的热值）一量

（3）燃料的理化特性一不同工作方式

（4）燃料的组份一燃烧和排放

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、柴油以外的煌类/醇类/醛类/酯类/氢气等燃料；分类详见表2-1。

加强代用燃料研究主要出于能源安全和环境保护考虑。

2-3醇、酸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1~2种常

用的醇、酸和酯类代用燃料及其燃烧模式。

解：醇类是煌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；

酸类物质是两个煌基通过氧原子连接起来的化合物。常见酸类燃料为二甲醛，其十六烷

值较高，一般为压燃；

酯类物质是燃类物质中的氢被竣基取代的产物。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分子结构相同的羟燃料，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。因为高C

煌结构庞大冗长，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烧燃料对发动机的性能有何影响？原因何在？

解：（1）链与环一环化学稳定性好，不易自燃；

（2）直链与支链（或正烷与异烷）一支链（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）单键和多键一多键非饱和嫌不易断链，不易自燃，但安定性差，贮存中易氧化结胶

（如烯煌）。

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烧燃料组

成？

解：因为柴油机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

直链烷煌构成，而汽油机燃料应由碳原子数为8左右的异构烷煌或环烷煌构成。

2-7正十六烷与a-甲基蔡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；a一甲基蔡CN=0,自燃性很差。其着火特性与C

原子数密切相关。

2-8测定辛烷值时，为什么有的燃料的辛烷值会大于100?为什么有的燃料的RON>MON,

而有的燃料却是RON<CONo

解：说明抗爆性优于异辛烷，若待测燃料比参比燃料更敏感，则RON>MON；反之，

RON<MONo

2-9汽油燃料蒸发曲线中，10%,50%,90%储程的意义是什么？它们对发动机的性能有

何影响？燃烧一种终储点很高的汽油会出现什么结果？

解：10%储程(T10)—燃料中含有轻储分的大概数量，反映汽油机的冷起动性。

50%储程(T50)—燃料的平均蒸发性能，反映汽油机的工作稳定性。

90%储程(T90)—燃料中的重质镭分含量，反映汽油机燃烧完全性。

EP高，易积碳，加剧磨损，烧机油。

2-10什么是燃料的饱和蒸气压？汽油饱和蒸气压的过高和过低分别会对发动机性能带来

什么影响？

解：饱和蒸气压：在规定条件下燃油和燃油蒸气达到平衡状态时，燃油蒸气的压力。

蒸气压过低，发动机冷起动性能差，混合气形成速度慢，不利于燃烧。

蒸气压过高，在储存和运输过程中易产生蒸发损失，着火的危险性大；也容易在燃油供

给系统中形成“气阻Choking”。

2-11芳煌和烯煌是理想的高辛烷值汽油组分，为什么在汽油标准中却要限制它们的含量？

解：(1)烯煌是汽油提高辛烷值的理想成分。但是由于烯煌有热不稳定性，导致它易形成胶

质，并沉积在进气系统中，影响燃烧效果，增加排放。活泼烯煌蒸发排放到大气中会产生光

化学反应，进而引起光化学污染。

(2)芳煌通常是汽油的高辛烷值组分，具有高能量密度。但是，芳煌会导致发动机产生

沉积物，增加尾气排放，包括CO2。

2-12为什么随着燃料品质等级的提高，燃料中硫的含量呈现大幅度下降的趋势？

解：硫天然存在于原油中。硫可明显地降低催化转化器中催化剂的功效，同时在高温条件下

对氧传感器造成不良影响。高硫燃油会使车载诊断系统（OBD）失灵，使催化转化器监控装置

发送错误的诊断码，并向司机发出错误的故障信号。

2-13常规汽油机和柴油机在混合气形成、着火和负荷调节三方面有何差异？形成这些差异

的主要原因是什么？

解：（1）混合气形成方式不同：

汽油一易气化，缸外低压喷射蒸发，与空气形成预制均质混合气

柴油一难气化，缸内高压喷雾成细小液滴，与空气形成非均质（分层）混合气

（2）着火及燃烧方式不同：

汽油一难自燃，易点燃（SI）,用高压电火花点燃预混燃烧，火焰传播。可在磔=1的条

件下完全燃烧

柴油一难点燃，易压燃（CI）,扩散燃烧，即边喷-边混-边燃，为了完全燃烧，必须四＞1.2

（3）负荷调节方式不同：

汽油机一预混合，然基本保持不变，量调节

柴油机一分层混合，然变化范围大（0〜oo）,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HCCL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、cv随温度T上升而增加，K随温度T上升而下降。分子自由度（原子数）增大，Cp和

W增大，K减小。K越大，Cp和cv越小，相同加热量下，工质温升越高，循环热效率高。

2-16影响残余废气系数小的主要因素有哪些？为什么汽油机的办一般比柴油机的大？而

增压柴油机的小很小？

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。汽油机仍偏高是因为£小，压缩容积大，低负荷时进气节流强使新鲜充量下降；增压

柴油机小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？

3

解：单位质量或单位体积可燃混合气发出的热量（kJ/kg或kJ/m）o

（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0ne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：气体烧H/C高，印高，但本身是气体（密度小），加上H燃烧要求空气多，Hum小。

含氧燃料（甲、乙醇）本身含o,Hu低，但需空气也少“小），Hum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CO?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CO?质量分别为：

从以上数据可以看出，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%o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)0&=1〃0=1.2

(2)异辛烷C8H18/0=(8/3gc+8g//-go)/0.232=15.1

(3)空燃比a=0a*/°=15.1*1.2=18.2

启■〕■1„-Q.83

(4)燃空当量比的1.2

2-23一种燃料的组分构成如下：40%(wt)正己烷(C6H14)；30%(wt)异辛烷(C8H18);

25%(wt)环己烷(C6Hi2)；5%(wt)苯(C6H6\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：C6H14完全燃烧的化学反应方程式为：

19

C6H]4+——O2=6CO2+QH^O;

C8H18完全燃烧的化学反应方程式为：

25

C//+——O=8CO+9HO;

o81]8o2?Z?Z.?

C6H12完全燃烧的化学反应方程式为：

C6Ht2+9。2=6。。2+6年。；

C6H6完全燃烧的化学反应方程式为：

C,H.+—=6c0,+3H,O;

66222Z7

又由。2的摩尔质量为32g/mol,O2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：

32g/mol0.4xlAg190.3xlAg250.25x1馆0.05xlAg15

----------------(-----------------X------1--------------------X-------1------------------X9H------------------X—)

0.23286g/mol2114g/mol284g/mol78g/mol2

=14.9895像；

即该种燃料的化学计量比为70=14.9895,因而其过量空气系数为:

17

=1.1341,

14.9895

从而可得该种燃料的燃空当量比为:

11

0.8818o

。1.1341

2-24计算由甲醇和汽油组成的混合燃料(甲醇占20%体积，汽油占80%体积)燃烧时所

需的化学计量空燃比，以及混合燃料的可燃混合气质量热值和体积热值。假设过量空气系数

为1.1环境温度为293K环境压力为0.1MPa汽油密度为0.760kg/L,甲醇密度为0.795kg/Lo

解：混合燃料中甲醇的质量分数为：

则汽油的质量比为：

g汽油=1-0.207=0.793

混合燃料的化学计量空燃比为：

混合气的单位质量低热值为：

查表取汽油的相对分子质量为107.5,则混合燃料形成的混合气在题目给定条件时的密

度为：

所以，单位体积混合气热值为：

2-25甲烷（CH4）与空气按化学计量比混合并完全燃烧，燃烧产物中只有二氧化碳（CO?）、

水（H2。）和氮气（N2）,分别计算该燃烧反应在定压和定容条件下的绝热燃烧温度,并分

析两者产生差异的原因。假设初始反应状态为标准热状态（298K,101.3kPa）,燃烧产物

CO2,H2O和N2的定压比热容在绝热燃烧条件下分别取56.21、43.87和33.71kJ/（kmol-K）o

解：⑴

查得各物质生成焰如下：

Q?.：IT«1O"ra：I®»a）

4kmat，.2mat，

加印:1券然WN:0D:0

，，

Hreac=工,.皿4•%=1x（-74870+2x0+7.52x0=-748707

Hprod-“帆，+Cp比,dp-29矶=lx[-393520+56.21x（0厂298）]

+2x[-241830+43.87x匕1p-298）]+7.52*[o+33.71x-298）]

早,同

由解得，该燃烧反应在定压条件下的绝热燃烧温度为

⑵「伉一丐）=凡鼠/—=8.314x10.52x（298-〃）

由解得定容条件

下的绝热燃烧温度为

I..-288（5X

T＞1

,这是因为在定容条件下无膨胀功之故。

第三章

3-1应用工程热力学的公式和曲线对封闭热力学系统热力过程和状态进行分析时，应该满足

哪些必要的理想条件？分析发动机的动力过程时，能否满足这些要求？

解：准稳态过程、内部可逆。事实上，虽然导致发动机丧失状态平衡的物理过程很快，但是

瞬间恢复平衡的弛豫时间更短。因此，缸内工质可以作准平衡态处理。缸内不可逆因素不可

避免，但因不可逆损失值与整个系统对外的热功交换值相比极小，因此发动机缸内可以作内

可逆过程处理。

3-2发动机的理论循环、理想循环和真实循环三者之间有何差别？为什么要把发动机的工作

循环划分为三种循环进行分析？

解：（1）理论循环：

工质一理想气体（空气），物性参数（比热比，K）为常数，不随温度变化；

循环——理想循环；封闭热力循环：系统加热一燃烧放热；系统放热一气体交换

（进、排气）；特殊热力过程：绝热压缩和膨胀；等容或等压加热和放热；

（2）理想循环：

工质一真实工质；

循环—理想循环；

（3）真实循环：

工质一真实工质；

循环一真实循环；

理论循环最简化而又能突出发动机工作过程本质特征，理想循环是理论循环和真实循环

之间的中间模型。为了完善循环分析，所以建立了三种模型。

3-3分别在同一张小忆图和T-S图上画出在加热量和压缩比相同条件下的等容循环、等压循

环和混合循环，比较它们的循环热效率大小，并说明原因。

解：加热量和压缩比相同条件下.42邛＞42/3=〃6＜生＜如。因为压缩比相同时，等容循环

的热效率最高。

3-4依据循环理论和汽、柴油机相关参数的实际范围，利用图解释为什么柴油机比汽油

机热效率高？

解：从rs图上可以看到，如果初始条件相同，由于柴油机的压缩比较高，压缩终点的温度

也相对较高。高温提高了能量的品质，使总的吸热量/散热量大大降低，因而，柴油机的热

效率高。

3-5什么是发动机循环加热的等容度？等容度与等容加热是一回事吗？等容度与预膨胀比是

什么关系？为什么提高等容度可以提高循环热效率？

解：混合循环的等容度：各微循环真实压缩比的算术平均值与理论压缩比的比值。等容度反

映了真实燃烧加热过程接近上止点等容燃烧加热的程度。等容度不等同于等容加热，等容度

与预胀比成反比。等容度越高，各个微循环的真实压缩比就越大，因而每个微循环的热效率

就越高，综合的热效率也就越高。

3-6如何计算涡轮增压发动机和机械增压发动机的指示效率〃"和机械效率〃m?两者的〃"和〃m

有何差别？与自然吸气原型机相比，增压发动机的为和〃m是加大了还是减小了？为什么？

解：指示效率可用指示功与消耗燃料的放热量的比值求得。机械效率为有效功与指示功的比

值。涡轮增压发动机的机械效率一般比相应的自然吸气发动机的高。指示效率两者差别不大。

指示效率变化不大，机械效率增大。

3-7柴油机的压缩比比汽油机高很多，但为什么汽油机的燃烧最高温度比柴油机高？为什么

在相同条件下也是汽油机的有效平均压力高于柴油机？

解：虽然汽油机压缩比较低，但由于混合气较浓而且等容度也较高，所以最高燃烧温度较高。

且柴油机使用稀燃，空燃比较高，总的热容比较大。

3-8简述理论循环，分析对改善内燃机动力、经济性能的指导意义。

解：（1）指出了改善发动机动力性、经济性的基本原则和方向：提高压缩比；提高等容度；

增加等嫡指数等。

（2）提供了发动机之间进行动力性、经济性对比的理论依据。

3-9若将真实工质特性替代理论循环的理想工质特性，将在哪几个方面对热效率产生影响？

影响趋势如何？考虑真实工质特性之后，高、低负荷条件下，汽油机和柴油机的热效率的差

距是加大了还是减小了？为什么？

解：真实工质对热效率的影响：

（1）比热容：真实工质K〈理想工质K一真实工质〃也

（2）高温热分解：燃烧放热时间拉长一等容度

（3）工质分子变化系数：影响不大

（4）过量空气系数：（pa<\,未燃碳氢多原子fTTf-K〃山

<Pa>l,空气f7■单双原子f-TJ—Kf一〃价；

考虑真实工质特性后，汽、柴油机热效率差距加大。

3-10什么是相对热效率〃⑹？引入〃⑹有何现实意义？

解：相对热效率是真实循环的指示效率与理想循环的热效率之比，它反映了发动机的真实动

力循环接近理想动力循环的程度。

3-11真实循环比理想循环多增加了哪些损失？这些损失是怎样产生的？

解：(1)传热损失：真实循环并非绝热过程，通过气缸壁面、缸盖底面、活塞顶面向外散热。

(2)时间损失：实际燃烧及向工质加热不可能瞬间完成，因为：存在点火(喷油)提前，

使有用功面积下降，〃山Pz出现在TDC后10OCA,而非等容加热，使有用功面积减小。

(3)换气损失：排气门早开，造成膨胀功损失。

(4)不完全燃烧损失：正常燃烧时，也有〃*100%；不正常燃烧、以<1等，〃，口。

(5)缸内流动损失：流动增强以及提高涡流与湍流程度，〃小因为：造成能量损失、

散热损失。

(6)工质泄漏损失。

3-12机械损失由哪几部分组成？每部分损失的特点及其起主要作用的因素是什么？

解：(1)机械摩擦损失(50%〜80%)：活塞组件、轴承、气门机构等。

(2)附件驱动消耗(〜10%)：水泵、机油泵、燃油泵、点火装置等运转必不可少的辅助

机构。

(3)泵气损失(5%〜40%)。

3-13简述各种机械损失测定方法的原理和适用范围。为什么说除示功图法外，其余三种方

法都不可避免地将泵气损失包括在测定值之内？

解：内燃机机械损失的主要测定方法有：

(1)示功图法：由示功图计算得到的净指示功(增压机)或动力过程功(非增压机)

Wi减去台架上测得的有效功We即得到机械损失功Wm，该方法适用于各种机型，但由于对上

止点位置的标定精度要求很高，所以只适用于研发工作；

(2)倒拖法：是在发动机正常运转后断油或断火，用电机反拖发动机，从而测得的反拖

功率即为机械损失功率，该方法适用于压缩比不高的汽油机和小型柴油机；

(3)灭缸法：此法仅适用于自然吸气式多缸柴油机，当内燃机调整到给定工况稳定工作

后，先测出其有效功率Pe,然后依次将各缸灭火，灭火前后测功机测得的有效功率差值即为

该缸的指示功率，各缸相加可得整台发动机的指示功率Pi,再减去发动机的有效功率Pe即得

机械损失功率Pm；

(4)油耗线法：在转速不变的情况下，测出整机油耗随负荷的变化曲线。将此线外延直

到与横坐标相交，则坐标原点与交点间的连线即为机械损失值，该方法适用于自然吸气式柴

油机和低增压柴油机。

上面这四种测定发动机机械损失的方法中只有示功图法可以得到净循环指示功，因而可

以将泵气损失排除在机械损失之外；而其余三种测定方法由于无法排除泵气过程的影响，所

以只能将泵气损失包含在机械损失的测定值内。

3-14说明油耗线法测量机械损失的原理。为什么汽油机不能应用油耗线法测机械损失？

解：油耗线法测量机械损失的原理：在转速不变的情况下，测出整机油耗随负荷的变化曲线。

将此线外延直到与横坐标相交，则坐标原点与交点间的连线即为机械损失值，该方法适用于

自然吸气式柴油机和低增压柴油机。汽油机的燃油消耗率和负荷不成比例关系，故不适用。

3-15自然吸气汽油机、自然吸气柴油机和涡轮增压发动机各适于使用何种机械损失测定方

法？为什么？

解：（1）汽油机多用倒拖法，不适合用灭缸法（影响进气均匀性）和油耗线法（不成直线）；

（2）自然吸气柴油机适合灭缸法、油耗线法，小型柴油机可以用倒拖法；

（3）废气涡轮增压柴油机无法使用倒拖法和灭缸法（废气涡轮不能正常工作），低增压

可以用油耗线法（接近自然吸气柴油机）。

3-16发动机转速（或活塞平均速度）和负荷对机械效率有何规律性的影响？这一影响规律

对发动机的性能提高和使用提出什么新的要求？

解：（1）活塞平均速度：CmT，摩擦阻力3泵气损失3单靠提高转速来提高功率受限；

（2）负荷：负荷PeJ,Tlml；怠速胴=0；增压机型5"提高发动机工作时的负荷率及

降低中低负荷的机械损失，对发动机节能有重要意义。

3-17发动机润滑油是如何进行分类的？为保证发动机正常良好地运行，对润滑油的黏度提出

什么要求？润滑油的选择和使用当中如何满足上述要求？

解：发动机润滑油分类涵盖粘度等级和质量等级。选用原则：保证可靠润滑的前提下，尽量

选用低粘度的润滑油以减少摩擦损失。

3-18说明图3-24能量转换的各环节中能量利用效率下降的物理实质，并指出提高各环节能

量利用效率的可能途径。

解：A-B：受卡诺循环热效率的限制提高燃烧温度，降低放热温度；

B-C：考虑真实工质特性稀燃——低温燃烧；

C-D：相对热效率采用压燃提高等容度——绝热燃烧；

D-E：机械效率降低摩擦损失——可变配气相位。

3-19Miller循环与Atkinson循环有何异同？Miller循环在实际应用时是如何实现节能的？为

什么Miller循环发动机一般都采用增压技术？

解：Atkinson循环是增加发动机的膨胀冲程；Miller循环的实质是膨胀比大于压缩比，不增

加冲程，靠控制进气终点提高热效率。Miller循环常采用VVT技术实现节能，并采用增压技

术以弥补进气门早关或晚关造成的进气充量损失。

3-20为什么小排量"Downsizing”都同时采用增加技术？其节能的主要原因是什么？

解：Downsizing并通过增压，在保证输出功率不变的前提下，提高发动机的有效效率。节能

的原因：排量减小，泵气损失减少；机械损失减少；增压还可回收排气能量。

3-21增压发动机每循环排气的最大可利用能量是由哪几部分组成的？为什么涡轮增压发动

机不可能全部利用这些能量？缸内每循环燃烧废气所具有的最大可利用能量是不是就是排

气的最大可利用能？为什么？

解：见图3-30,排气可用能量包括：

(1)bflb：废气能够绝热等燧膨胀至大气压力点所做的功；

(2)54215：排气过程中活塞推挤废气所做的功；

(3)3,23：扫气部分转入排气中的能量。

废气在到达涡轮机前总免不了有节流、不可逆膨胀、摩擦等损失。

废气最大可用能不是排气中可利用的总能量。废气最大可用能还包括活塞的推动和扫气

部分的能量。

3-22若涡轮增压发动机按定压系统的理论循环运行，请问输入涡轮机的能量是否与压气机输

出能量相当？涡轮机输入能量最终消耗在哪几个方面？

解：实际进入涡轮机的能量要比压气机输出的能量大很多。因为有发动机泵气过程中的各种

流动和机械损失的存在。

3-23发动机由冷却介质带走的能量约占燃料总能量的1/3,如果燃烧系统能全部绝热，是否

就可以把此1/3热量变为有效功？请就此问题作一个全面分析，并从理论上解释绝热能提高

有效效率的原因和存在的限制。

解：绝热发动机可提高热量的品质，减少冷却系统消耗的功率，从而提高有效效率。但同时

废气带走的能量也增加，降低了充气系数，增大了压缩功，并需要高温材料，带来润滑等问

题。

3-24依据图3-23所示的自然吸气发动机热平衡图，分析：

(1)燃料总能量最终分为哪几部分输出去了？

(2)总的机外传热及辐射损失热量由哪几部分构成？

解：(1)燃料的总能量分配：

a.1/3弱为有效动力输出；

b1/3废气排出；

c.1/3弱冷却系统带走；

d.其余为驱动附件、传热和辐射消耗。

(2)排气系统向机外传热和辐射热量；冷去系统和水套壁面向叽歪传热和辐射热量；

机体、曲轴箱和其他部件向机外传热和辐射热量；辅助机构传给冷却水的热量。

3-25回热发动机从理论上为什么能大幅度提高循环热效率？为什么到目前为止还没有开发

出实用的回热发动机？

解：回热发动机直接把高温热能回收作为缸内加热量，可提高循环热效率。但没有实际开发

是因为回热装置复杂、回热效率较低等原因。

3-26一台压燃式发动机的压缩比为15,计算具有相同压缩比的Otto理论循环和Diesel理论

循环的热效率。假设Diesel理论循环压缩始点温度为18℃,空气的加热量等于燃料完全燃

烧提供的能量燃料燃烧时的空燃比28燃料低热值为44MJ/kg空气的定压比热容为l.OlkJ/

(kg.K),等嫡指数为1.4。

解：忽略因燃料加入而对工质(空气)热物理性质的影响，则

(1)Otto循环：

(2)Diesel循环：

压缩至上止点时，工质温度1为

燃料等压放热后，工质的温度73为

则预胀比p为

则Diesel循环的热效率为：

3-27一台高性能四冲程火花点火发动机的排量是875cm3,压缩比为10:1,指示效率是Otto

理论循环效率的55%O在8000r/min时，发动机的机械效率是85%,充量系数0.9,空燃比

13,燃料低热值44MJ/kg。在温度为20。(2和压力为O.IMPa的环境条件下空气被吸入气缸。

计算发动机的:(1)有效效率和燃料消耗率；(2)空气流量、功率和有效平均压力。

解：(1)

有效热效率〃甘为：

燃料消耗率be为:

(2)

空气流量4为：

有效功率久为：

有效平均压力Pme为:

3-28某一柴油机的理论工作循环相关参数如下：压缩开始时的气缸压力为0.1MPa,温度为

296K；最大允许的气缸压力为9.5MPa；在燃烧期加入的总热量为2120kJ/kg；压缩比为17；

工质的摩尔质量为28.97kg/kmol；等嫡指数为1.4。

(1)确定该理论循环的类型；

(2)在p--图利7-S图上画出该理论循环过程；

(3)计算该理论循环允许达到的峰值温度和热效率。

解：(1)

若按等容循环运行则等燧压缩终点的压力Pc和温度北为：

等容加热后的Pz和温度，为：

很明显最高压力将超过容许压力，所以不能按等容循环运行，而按照等等压循环运行，

则最高压力小于容许压力，欲使发动机经济性最优，则应按混合循环运行。

(2)

混合循环的p-V图和T-S图如教材图3-5所示。

(3)

若按混合循环运行，在保证安全的前提下，经济型达到最优，则小应为9.5MPa,此时

对应的4为:

工质温度从北定容上升到7?需吸收的热量Q为:

定压过程后工质的温度，为：

绝热膨胀后的温度〃为：

3-29计算题3-28中理论工作循环的火用损失。若该循环采用下列放热方式时，其火用损失又

是多少？

(1)膨胀到大气压力，再进行等压放热；

(2)膨胀到大气温度，再进行等温放热。

在？唱和7-S图上指出不同损失的区域，并分别计算膨胀到大气压力和膨胀到大气温度时的

热效率。

解：参考教材图3-8,则题3-28中理论工作循环的火用损失为“I面积+11面积”之和，理论

工作循环(1)的火用损失为“II面积”，理论工作循环(2)的火用损失为0。图中：

QIQx年■7^7.03

I面积+11面积+III面积

in面积

所以，题3-28中理论循环的火用损失为：

(1)膨胀到大气压力，再b'a定压放热：

所以，

II面积+III面积

故，理论工作循环(1)的火用损失为：

^-588331324.42-263.91V

热效率为：

(2)膨胀到大气温度，再b”-a定温放热：

由图可知，理论工作循环(3)的火用损失/⑵为:

热效率为:

3-30一台排量为3.3L的直列6缸柴油机按混合理论循环工作，其燃料为轻柴油，空燃比20,

有一半的燃料在等容阶段燃烧，另一半的燃料在等压阶段燃烧，且燃烧效率为100%。该柴

油机的压缩比为14,且压缩始点的温度为60℃,压力为101kPa0计算：

(1)循环中各状态点的温度；

(2)循环中各状态点的压力；

(3)预膨胀比；

(4)压力升高比；

(5)指示热效率；

(6)燃烧过程中加入的热量；

(7)净指示功。

T-333.15K,p-0.101MPa

解：.

1-2定燧过程

2-3定容过程

p-10.Q4

压力升高比

3-4定压过程

p.-10.Q4

预膨胀比

4-5定燃过程

E■尸E圻岫1p,-0.41MFQ

(6)

所以，燃烧过程加入的热量

（7）

Rr-aXff-4.744J

第四章

4-1什么是发动机的换气过程？合理组织换气过程的目的是什么？为什么说发动机的充量系

数是研究换气过程的核心问题？

解：发动机排出废气和充入新鲜空气或可燃混合气的全过程叫换气过程。

合理组织换气过程的目的包括：

（1）保证在标定工况和全负荷工况下，吸入尽可能多的新鲜充量，以获得尽可能高的

输出功率和转矩；

（2）保证多缸机各缸循环进气量的差异不超出应有的范围，以免对整机性能产生不利

影响。

（3）应尽量减小换气损失，特别是占最大比例的排气损失。

（4）进气后在缸内所形成的湍流场，应能满足组织快速合理燃烧的要求。

发动机充量系数指单缸每循环吸入缸内的新鲜空气质量与按进气状态计算得到的理论

充气质量的比值，该参数是决定发动机动力性能和进气过程完善程度的极为重要的评定指

标，是换气过程的核心问题。

4-2画出四冲程自然吸气汽油机的低压换气过程p-V图，标出进、排气相位角的位置。比

较大负荷与小负荷时的换气损失，说明在膨胀损失、排气损失以及进气损失等方面的不同。

解：8忆图如下图所示。其中b'为EVO,d为IVO,1为EVC,a'为IVC。实线为节气

门全开（亦即大负荷工况），虚线为节气门部分开启（亦即小负荷工况）。

膨胀损失：大负荷时膨胀损失较大。因为大负荷是缸内温度较高，传热损失较大。

排气损失：从图上可以看出，小负荷时排气损失较大。因为大负荷时，自由排气阶段的

排气量较大，从图上也可以看出大负荷是排气门开启后，排气压力迅速降低到比小负荷时的

排气压力略小的水平，故排气损失较小。

进气损失：小负荷时进气损失较大。因为小负荷时节气门部分开启，增加了进气的泵气

损失。

4-3自由排气与强制排气有何本质差别？简述超临界、亚临界和强制排气三个阶段中影响

排气流量的主要因素。可以采取哪些措施来提高排气流量？

解：自由排气和强制排气的本质差别在于，废气是在缸内和大气或涡轮机入口处的压差作用

下自由流出，还是依靠活塞强制推出。

对于超临界排气，气门口流速始终保持当地的音速，故影响排气量的主要因素是气门口

截面积。

对于亚临界排气，气门口流速小于音速，但排气速度仍然较高。此时影响排气量的主要

因素是排气流动阻力。

对于强制排气，排气压力基本上等于排气背压。

为了提高排气量，可以采取的措施包括：

（1）加快排气门开启的速度，增加自由排气阶段的排气量；

（2）减小排期流动损失，降低排气背压，增加强制排气阶段的排气量。

4-4什么是气门口壅塞现象？为什么会出现这种现象？进、排气门口的此种现象会对进、

排气及发动机性能带来什么影响？

解：按气体动力学孔口流动规律，当孔口上游滞止压力不变时，在孔口流速达到音速后，无

论孔口下游的压力降到多低，孔口的流量都保持不变。这就是气流的壅塞现象。

进气门口壅塞会导致发动机在提高转速时进气流量不会加大，发动机功率不仅不会加

大，反而因机械损失的增加而下降，转速的提高将失去其提高功率的价值。

排气门口壅塞会影响正常排气，造成残留废气系数过大，不利于燃烧的正常进行。

此外，进排气门壅塞都会增加进排气过程的换气损失，影响发动机的经济性。

4-5进气和排气为什么要早开和晚关？4个相位角中，哪两个角最重要？这两个角对发动

机性能有何影响？气门重叠的作用是什么？比较汽油机与柴油机、增压发动机与自然吸气发

动机气门重叠角的大小，并说明造成差异的原因。

解：早开晚关：进气充足、排气干净。

进气晚关角和排气早开角被认为是最重要的两个，这是因为进气晚关角对进气充量影响

最大，排气早开角对换气损失影响最大。

气门重叠角：扫气以降低缸内的残余废气系数；降低发动机的热负荷。

汽油机的气门重叠角一般要比柴油机的小，这是因为若进气门开启过早，废气会倒入进

气管，出现“回火”现象，且气门重叠角过大时可能造成新鲜可燃充量直接排出排气管。

增压发动机的气门叠开角一般会比非增压发动机的大,这是因为增压发动机进气门外的

压力高于排气背压，因而能够更好地实现燃烧室扫气，达到增加新鲜进气充量和降低燃烧室

热负荷的目的。

4-6为什么进、排气门开启和关闭4个相位角都存在最佳值？为什么4个相位角的最佳值

都随转速上升而加大？请逐一从物理概念上定性加以说明。

解：（1）排气早开角：排气损失由提前开启的自由排气损失和排气冲程的泵气损失组成。当

排气早开角小时，自由排气损失小而泵气损失大；排气早开角大时，自由排气损失大而泵气

损失小。故排气早开角必定存在最佳值。

由于转速对膨胀线影响不大，但是经历相同自由排气时间所对应的转角必然是高转速

时大，因此转速上升时，排气早开角的最佳值加大。

（2）排气晚关角：排气晚关角过小，排气惯性利用不足；排气晚关角过大，因活塞下

行较多，造成废气倒流，排气量也会减少。所以排气晚关角也存在最佳值。

转速上升时，经历相同的利用排气惯性排气的时间所对应的转角也会增大，因此转速上

升时，排气晚关角的最佳值加大。

（3）进气早开角：过大会回火，过小则进气不足，故存在最佳值。

转速上升时，进气门早开的时间相同，对应的进气早开角会增大，因此转速上升时，进

气早开角的最佳值加大。

（4）进气晚关角：过小不能充分利用进气惯性，过大则有可能把已充入缸内的新鲜充

量推回进气管，故存在最佳值。

转速上升时，经历相同的利用进气惯性进气的时间所对应的转角也会增大，因此转速上

升时，进气晚关角的最佳值加大。

4-7增压发动机与自然吸气发动机的我定义有何差异？增压发动机的理论进气量如果按大

气环境条件计算，此时定义的小反映了什么？

解：自然吸气发动机的理论吸气量计算时空气密度按照环境状态下的空气密度计算，增压发

动机的理论吸气量计算时空气密度按照压气机后的空气密度计算。

增压发动机的理论进气量如果按照大气环境条件计算，此时定义的充量系数反映了增压

的强度（例如，按照这种方法计算所得的充量系数为12这意味着经过增压后，实际的进

气量是环境条件下完全排气和进气时的进气量的1.2倍），但不能反映增压的效率。

4-8涡轮增压发动机与自然吸气原型发动机相比，由于循环进气量大幅度增加，所以它的

我也必然大幅度增加，这种说法对不对？为什么？涡轮增压发动机较自然吸气原型机的我

一般来说是加大还是减小？请列举主要影响因素加以说明。

解：这种说法不对。

因为自然吸气发动机的理论吸气量计算时空气密度按照环境状态下的空气密度计算,增

压发动机的理论吸气量计算时空气密度按照压气机后的空气密度计算。所以增压后循环进气

量大幅增加不能说明充量系数也一定大幅增加。

涡轮增压发动机比自然吸气原型机的充量系数增大。