清华大学发动机原理思考题答案第一至四及十章十一章（仅供参考） - 图文

第一章

1、教材图1-1和图1-2分别示出自然吸气与增压四冲程发动机示功图，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）比较自然吸气与增压发动机示功图的差异，并说明原因。 答：

1）自然吸气：动力过程功

增压：动力过程功

W1?W2(正)，泵气过程功W3?W2（负）。

W3?W2（负），泵气损失功W3?W2（负）。

W1（正），泵气过程功W2（正）。

2）自然吸气：理论泵气功0，实际泵气功增压：理论泵气功矩形（阴影部分+（负）。

3）自然吸气：净指示功

W2）（正），实际泵气功W2（正）和泵气损失功阴影部分

W1?W2（正），总指示功W1?W3(正)。

W?W2（正） 增压：净指示功1矩形面积（正），总指示功14）增压发动机与普通发动机在动力循环上的主要差别在于泵气过程功，增压发动机由于有进气增压，其理论泵气功为正，虽然有泵气损失，但泵气过程功仍为正，而自然吸气的泵气过程功是负的，这就是两者在动力循环上的主要区别。

2、教材图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及其正负值判断。

答：二冲程发动机没有单独的进排气冲程，所以（a）图中的面积相当于动力过程功（正），而（b）图中的面积是曲轴箱换气过程的功（负）。

曲轴箱换气功是由于活塞背面曲轴箱中的压力p也是变化的，根据循环的方向判断此功为负功。

3、为什么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

答：只有与作功有关的指标，才有“有效”与“指示”之分。以工质对活塞作功为计算基准的指标称为指示指标，基于示功图算出，直接反映燃烧和热力循环组织的好坏，用于理论分析和科研；以曲轴输出功为计算基准的指标称为有效指标，由试验测出，直接反映产品最终性能，用于产品开发、生产和使用当中。

W?4、为什么内燃机原理中把平均有效压力me作为一个极重要的性能指标？

答：平均有效压力是指单位气缸工作容积所作的循环有效功，其量纲是压力的量纲，所以可看作是一个作用于活塞上的假想平均压力，此力作用于活塞时一个冲程之功正好是单缸有效功We。pme是一种可相对比较的循环有效功指标，可以用来方便的对各种不同机型的做功能力进行比较，所以把它作为一个极重要的性能指标。

5、为什么说活塞平均速度m是比转速n更为本质的动力性能指标？

答：从活塞往复运动做功的物理本质来看，确定功率大小的因素除了“力”以外，还有活塞的平均运动速度vm，它是评定发动机动力性能的速度指标。由于发动机通过曲轴旋转输出动力，所以曲轴转速n也是一种速度指标。n和vm的转化关系为：vm?2sn。

发动机标定工况条件下，不同机型允许的最高活塞平均速度受到表面磨损、热负荷、惯性负荷、机械效率等因素的制约，大都处于同一量级，变化不大。由前式我们可以看到，vm由冲程s和转速n两个因素决定。所以低转速、大冲程的大型机和高转速、小冲程的小型高速机，转速差别极大，但实际vm差别并不大。所以转速n只能作为同一大小机型的速度指标，不能用来判断

pv不同机型的“速度”快慢。因此说活塞平均速度vm是比转速n更为本质的动力性能指标。 6、试推导以pme表示的Pe和Ttq的计算公式(标出各参数的量纲，其中pme量纲为MPa，Pe量纲为kW，Ttq量纲为N.m)；并比较同为动力性指标的Pe和Ttq有何区别；分析在发动机设计参数不变的前提下提高输出功率的途径。

解：假设活塞在膨胀做功冲程所作的有效功为We(kW)，则平均有效压力为

We[kW]，其中Ｖｓ为气缸的工作容积。 31000Vs[m]2n[r/min]n[r/min]?单位时间内每个气缸的膨胀做功冲程数为

60?30?则对于i缸的发动机

n[r/min]in[r/min]Pe[kW]?iWe[kW]??1000pme[Mpa]Vs[m3]/100030?30?

in[r/min]?0.0333pme[Mpa]Vs[m3]?2?n[r/min]Ttq[Nm]/1000 又因为Pe[kW]?60pme[Mpa]?所以

Ttq[Nm]??30000Pe[kW]??n[r/min]30000?0.0333in[r/min]?pme[Mpa]Vs[m3]

?n[r/min]1000ipme[Mpa]Vs[m3]??主要的区别在于在平均有效压力一定的情况下，Pe与转速成正比，而Ttq与转速无关。 在设计参数不变的情况下，提高发动机的平均有效压力和转速就可以提高发动机的功率

7、为什么说内燃机转速确定后输出功率（转矩）主要取决于循环可燃混合气进气量（汽油机）或循环供油量（柴油机）？而有效燃油消耗率则主要取决于有效效率答：整机的有效输出功率的参数综合表达式是：

?et？

Pe??et??tmgbHu(2in?) （错了，应为yitac） （式子1）

Pe??etGmHum??c??tm(Hup2in)?cVs(s)() (式子2) ?al0RsTs?其中式子1和式子2可以相互转换，对任何发动机都适用。实际上，式子1更适合于柴油机，

因为柴油机的循环油量gb是一个可以直接测出的值，式子2则更适于汽油机。

从上面的式子可以看出，对柴油机，当内燃机转速以及各个环节的效率确定时，输出功率主要取决于gbHu，即取决于循环供油量。对汽油机，当内燃机转速以及各个环节的效率确定时，

?cVs(psH)可以理解为循环进入空气量，(u)可以理解为进入气缸的单位空气量分配到的燃RsTs?al0料热量，二者的乘积既是循环可燃混合气的燃料热量，在混合气的组成不变的情况下，它即取决于循环混合气的进气量。

有效燃油消耗率be?于有效效率?et。

1 在使用的燃料不变即Hu不变的情况下，有效燃油消耗率主要取决?etHu8、燃料低热值u和混合气热值mix有何异同？决定混合气热值的因素是哪些？

答：燃料低热值hu和混合气热值hmix是指单位燃料或可燃混合气在热标准状态下完全燃烧所释放的热量，不同点在于燃料低热值hu指的是燃料本身的放热量，而混合气热值hmix中还包含了其他气体。

由公式Hum?Hu/(1??al0)可知，决定混合气热值的因素有燃料低热值Hu，过量空气系数?a和单位质量的燃料完全燃烧所需的理论空气量l0。

9、内燃机有效效率公式

hh?et??c??tm中，?c、?t、?m各自的物理含义是什么？

Q1，其中Q1为每缸gbHu答：?c——燃烧效率，为化学能通过燃烧转化为热能的百分比，?c?每循环燃烧释放出的热量；

?t——循环热效率，为燃烧发出的热量Q1，静发动机热力循环转为工质对活塞所作指示功

Wi的百分比，?t?We。 WiWi； Q1?m——机械效率，为指示功Wi减去损失功Wm之后，转为有效输出功We的百分比，

?m?10、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？ (1)、过量空气系数?a

设单位质量的燃料完全燃烧所需的理论空气量为l0，而实际供给的空气量为l，则

?a?l1。燃空当量比： l0?a化学计量比：完全燃烧时空气与燃料的质量比，是无量纲数。即为：l0:1。 (2)、空燃比?：指混合气中空气质量与燃料质量之比。 (3)、燃空比?或

1?：指混合气中燃料质量与空气质量之比，是空燃比的倒数。

换算：???al0，??1 ?al011．画图：1）在p-V坐标图上画出四冲程增压柴油机的示功图，用箭头注明各过程进行方向，并在曲线上标出进、排气门早开、晚关和着火的五个点。2）在p-坐标图上对应画出上述示功图的压力变化图（整个循环）和上述对应的五个点。（注意：图画大一点。各曲线形状及对应关系要定性准确。坐标原点及上、下止点都要标出来。）

见书P4。

12. 基于Pe的综合表达式（1-31）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）由自吸式改为增压式发动机时，式中各种参数怎样变化？能否提高Pe？

Pe??etGmHum??c?t?m(??c?t?m(Hup1??al02in)?cVs(s)()()1??al0RsTs?al0?Hup2in)?cVs(s)()?al0RsTs?

其中?c、?t、?m属于质环节，其余的参数属于量环节。 由自吸式改为增压式发动机时?et、?al0、?c要增大。 总体考虑：假设每缸每循环消耗的燃料质量为mf、则

Pe??et(HuH2in2in2in) )?cVs?s()??et(u)ma()??etHumf(??al0??al0?在mf不变的情况下，可以提高效率。

13、一台四冲程4缸火花点火发动机（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 5900 r/min，有效转矩 107.1 Nm，平均指示压力 1.19 MPa

计算：1) 循环指示功；2) 指示功率和有效功率；3) 平均有效压力；5) 机械效率；4) 机械损失功率和平均机械损失压力。 解：

1） 单缸工作容积：Vs??D244循环指示功：Wi?pmiVs?1.19?106?3.845?10?4?457.6J?0.4576kJ

2in2?4?5900?W??457.6?89993W?89.993kW 2）指示功率：Pii?4?605900?107.1?66172W?66.172kW 有效功率：Pe?2?nTtq?2???603）平均有效压力：

s???0.082?0.0765?3.845?10?4m3

4?60?66172?875078Pa?0.875MPa

2inVs2?4?5900?3.845?10?4WP661724）机械效率：?m?e?e??73.5%

WiPi899935）机械损失功率：Pm?Pi?Pe?89.993?66.172?23.821kW pme?Pe?平均机械损失压力：

?pmm??2inVsPm?4?60?23821?315016Pa?0.315MPa

2?4?5900?3.845?10?414、6135Q -1四冲程柴油机，冲程140mm，发动机转速2200r/min时的机械效率为0.75，输出功率为154kW，有效油耗为217g/kW.h。已知柴油机热值为42500kJ/kg。求此时的pme、Ttq、Pm、ηet和Wi各值。 解：

由型号6135Q -1可知该柴油机的缸径为：D?135mm，缸数为：i?6 所以单缸的工作容积为：Vs??D24s???0.13524?0.14?2.0?10?3m3

4?60?154?1.4kJ

2in2?6?2200We1.4?1036平均有效压力：pme???0.7?10Pa?0.7MPa ?3Vs2.0?10P154000?60?668.8Nm 有效转矩：Ttq?e?2?n2???2200W1.4循环指示功：Wi?e??1.87kJ

?m0.752in2?6?2200?W??1.87?205kW 所以指示功率：Pii?4?60机械损失功率：Pm?Pi?Pe?205?154?51kW

单缸循环有效功：We??Pe?PePe103103?3.6????38% 有效效率：?et?bPBHueeHubeHu0.217?4250031015、一台四冲程6缸柴油机（缸径102mm；冲程125mm）在全负荷时的台架测量结果如下：

燃油体积 200 cm

燃油测量时间 21.22 s 燃油密度 0.83 kg/dm

空气体积 5 m

空气测量时间 30.1 s 环境空气压力 0.1 MPa 环境空气温度 300 K 最大有效转矩 424 Nm 发动机转速 2650 r/min 平均摩擦压力 0.1758 MPa 柴油热值 42800 kJ/kg

计算：1) 燃油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；4) 有效比油耗和有效热效率；5）指示比油耗和指示热效率。 解：

1）：燃油体积流量：200?21.22?9.425cm/s 质量流量：9.425?0.83?7.823g/s 2）：空气体积流量：5?30.1?0.166m/s

33

3

3

30.1?106?29?193.14g/s 质量流量：0.166?8.314?3003）：有效功率：Pe?2?nTq?2?3.14?2650?60?424?117.6kw

4）：有效比油耗：be?B7.823g/s??239.5g/kw?h Pe117.6kw

摩擦消耗功率：Pm?错了：pmm

2inVs2?6?2650?60?pme???44?0.1022?0.125?0.1758?106?23.78kwPe117.6kw??0.351 BH?7.823?42800wB7.823g/s5）指示比油耗：bi???199.2g/kw?h

Pi117.6kw?23.78kwP?Pm117.6kw?23.78kw指示热效率：?i?e??0.422

BH?7.823?42800w 有效热效率：?et?第二章

1、为什么对压燃式柴油机是优良的燃料，对点燃式汽油机则是差劣的燃料？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？ 答：对压燃式柴油机是优良的燃料具有C较多，化学稳定性差，着火温度低，易自燃的特点。而对于汽油来说，要求有较好的抗爆性，较差的自燃性，故不合适。 燃烧方式：扩散——柴油机；火焰传播——汽油机

优质汽油主要含C5到C8，成分以烷烃（短链），芳烃为主，优质柴油主要含C15到C22，成分以链烃（长链），环烷烃，芳烃为主。

2、正十六烷与α-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？ 答：正十六烷的十六烷值是100，α-甲基萘的十六烷值是0。两者诧异的原因是正十六烷是链状排列，而α-甲基萘是环状排列，再者正十六烷C与C之间是单键结合，而α-甲基萘是两个苯合并在一起，而且，C原子数越多，化学稳定性差，故α-甲基萘（11C）比正十六烷（16C）稳定，故不易着火。

3、汽油燃料蒸发曲线中，10％，50％，90％点的意义是什么？这与它们在发动机中的性能有何关系？燃烧一种终馏点很高的柴油会出现什么结果？ 答： 1）10％，50％，90％为汽油总量分馏的百分比，曲线中相对应的点分别表示在规定条件下10％，50％，90％汽油蒸发量所对应的温度。

2）10％：燃料中含有轻馏分的大概数量，反映汽油机的冷起动性。 50％：燃料的平均蒸发性能，反映汽油机的工作稳定性。 90％：燃料中的重质馏分含量，反映汽油机燃烧完全性。

3）终馏点很高的柴油不易蒸发，不利于完全燃烧，导致排气中的CO、CO2及炭烟、微粒等有害物质的增加，对环境的污染大，燃油消耗率增加。

4、芳烃和稀烃是理想的高辛烷值汽油组分，为什么在汽油燃油标准中需要限制它们的含量？

答：烯烃属于非饱和烃，稳定性差，长期储存容易氧化变质，烯烃还有热不稳定性，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。活泼烯烃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，从而影响汽油质量；芳香烃对接近地面的大气层中有害物质臭氧的形成影响较大，同时芳烃会导致发动机产生沉积物，增加尾气排放，包括CO2。因此在汽油燃油标准中需要限制它们的含量？

5、什么是燃油的饱和蒸气压？汽油饱和蒸气压的高或低会对发动机性能带来什么影响？ 答：燃油的饱和蒸气压是指在一定温度下燃油在气态下所能达到的最大压强。燃油的饱和蒸气压越高，其蒸发性能越好，既越容易气化。它直接影响到发动机宜于采用何种混和气形成

方式——缸外预制均匀混和气，还是缸内燃油高压喷雾混合；它也直接影响低温起动能力及高温下供油管路是否会出现气阻等不正常现象。

6、汽油机和柴油机在混合气形成，着火和负荷调节三方面有什么差别和特点。形成这些差异的主要原因是什么？

答：混合气形成：汽油机——缸外预制均匀混合气

柴油机——缸内燃油高压喷雾混合

着火： 汽油机——外源强制点火

柴油机——喷雾压燃

负荷调节： 汽油机——变化节气门开度，调节混合气的进气量

柴油机——改变喷油量

形成这些差异的主要原因：汽油和柴油的理化特性的差异（沸点，着火温度）。汽油沸点低，蒸发性好，燃点高，混和气能点燃的?a范围小。柴油沸点高（达180-360度），蒸发性能差，燃点低，混和气能点燃的?a范围大

7、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。 答：汽油可以压燃。 优点：汽油机压燃可以提高压缩比ε，从而提高了过量空气系数?a，降低了残余废气系数?r，这样就继而提高了燃料的绝热指数k。所以，从工质角度，汽油压燃可以提高绝热指数k；从循环角度，汽油压燃可以提高压缩比ε。 缺点：汽油的抗爆性很好，自燃性相对较差，所以汽油压燃还需要点燃措施。而且汽油的压缩会不可避免得出现爆震现象。

8．内燃机工作过程各个阶段中，气缸内的工质成分如何变化？ 答：

进气阶段：有新鲜气体进入气缸，对于汽油机位可燃混合气，对柴油机为纯空气。同时有少量残余废气。

压缩阶段：工质成分不发生变化，与进气结束时一样。

做功阶段：通过燃烧，燃料与空气生成二氧化碳和水，其余的组分布发生变化。 排气阶段：高压的废气从排气门排出，直到进气门打开，开始一轮新的循环。 9、什么是比热容cV、cp和比热比?？影响?值大小的因素是什么？

答：比热容是热量对温度的导数，即单位质量物质，温度每上升1K所需加入的热量。气体有比定容热容cV和比定压热容cp之分，表示定容和定压加热过程中之值。它们分别是气体比内能u和比焓h的函数，cV?du/dT,cp?dh/dT。cp与cV之比叫做等熵指数或比热比，

??cp/cV。

?的影响因素包括温度T和气体分子的自由度数，真实气体的cp和cV随温度的升高而增大，导致二者比值，即?减小；对于理想气体，气体分子的自由度数越大，cp和cV也越大，?越小。

10、单位燃料完全燃烧所需的空气量是如何确定的？l0和L0有何区别？ 解：设1kg燃料中的各元素组成为gc?gh?go?1 根据化学平衡得

l0?1?8?。 g?8g?gh0? l0表示1kg燃料完全燃烧所需的空气质量，单位（kg）?c0.232?3?1gcghgoL0?(??) L0表示1kg燃料完全燃烧所需的空气kmol数，单位为（kmol）。

0.2112432

11、使燃烧后的分子数大于燃烧前的分子数的主要原因何在？为什么汽油机的分子变化系数u比柴油机大？

答：主要原因是C燃烧后体积不变，而H燃烧后体积增大，所以燃烧后的分子数大于燃烧前的分子数。

汽油机μ＝1.07~1.12 > 柴油机μ＝1.03~1.06， 因为：1、汽油H含量大，燃后体积增大多一些",

2、柴油机φa大，有些空气不参加反应，其前后体积不变

12、影响残余废气系数φγ的主要因素有哪些？为什么汽油机φγ值一般比柴油机大？而增压柴油机φγ则很小？

解答：φ在无EGR时取决于压缩比，负荷大小及进排气相位等一系列因素。汽油机φ偏高，由于

γ

γ

压缩比偏小，而低负荷时节气门节流又使新鲜空气冲量明显下降。增压柴油机因为进气压力大于排气压力，进气时扫气作用加强，而使废气量减少。

13、甲醇的热值比汽油低得多，为什么混合气的热值却与汽油混合气热值相差不多？用甲醇替代汽油经过合理匹配后，其输出功率加大还是减小？为什么？

解答：虽然两者的低热值相差很多，但是甲醇中含有氧，对于外界氧气的需求量就少，所需的空气量就相应的少很多。所以混和气的热值两者相差很少。

用甲醇替代汽油，一方面甲醇的气化潜热比汽油大，进气温度可以降低，这样可以增大充气量。另一方面甲醇的辛烷值高于汽油，即抗爆性能好，这样就可以加大压缩比。可见，经过合理匹配后，输出功率会有一定的提高。

14、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：汽油低热值H??44000kJ/kg，碳质量分数gc?0.855

144?0.855??7.125?105kg的co2

4400012柴油低热值H??42500kJ/kg，碳质量分数gc?0.87

所以汽油产生1kJ热量时产生

144?0.87??7.50?105kg的co2

4250012天然气低热值H??50050kJ/kg，碳质量分数gc?0.75

所以柴油产生1kJ热量时产生

144?0.75??5.49?105kg的co2

5005012乙醇低热值H??27000kJ/kg，碳质量分数gc?0.522

所以天然气产生1kJ热量时产生所以乙醇产生1kJ热量时产生

2

144?0.522??7.09?105kg的co2

2700012综上可知为减少CO排放量和改善全球温室效应，应选择天然气为汽车燃料。 15、一种燃料由下列组分组成：

Hexane(C6H14) 40 wt％ Octane(C8H18) 30 wt％

Cyclohexane(C6H12) 25 wt％ Benzene(C6H6) 5 wt％

如果燃料的空燃比是17，计算燃料的燃空当量比(Equivalence ratio)。 解：设有该燃料1kg。

该燃料中，C原子含量为：

12?612?812?612?6gC?(?0.4??0.3??0.25??0.05)?0.85kg12?6?1412?8?1812?6?1212?6?6 该燃料中，H原子含量为：gH?1?gC?0.15kg

所以，1kg该燃料完全燃烧需要空气量为：

l0?18(gC?8gH?gO)?14.9kg 0.2323l014.9??0.88 l17由题意，燃料的空燃比是17，因而1kg该燃料实际燃烧需要空气量为17kg，

所以，

燃空当量比(Equivalence ratio)=1/?a?16、计算四冲程火花点火甲醇（CH3OH）发动机完全燃烧时所需空气量和体积混合气热值。假设：

过量空气系数 1.05 混合气压力 0.1 MPa 混合气温度 293 K

甲醇的热值 20260 kJ/kg 解：假设甲醇质量为1kg，则

1kg甲醇完全燃烧所需空气量为：l0?18(gC?8gH?gO)?6.466kg 0.2323又混和气密度?m由气体状态方程式得：

P0.1?106Pa?m???1.150kg/m3

RgT296.8J/(kg?K)?293K所以体积混和气热值：

(Hum)V?

?mHu1??al0?1.150?20260?2991kJ/m3

1?1.05?6.46617、计算由甲醇和高级汽油组成的混和燃料燃烧时所需的化学计量比空气量，并确定给定燃料的混和气热值。甲醇占20％的体积。假设：

过量空气系数 1.1 环境温度 293 K 环境压力 0.1 MPa

摩尔重量 密度（20°C） 低热值 完全燃烧所需空气量 (kg / kmol) (kg / dm3) (kJ / kg) 高级汽油 98 甲醇 32 0.76 0.795 44000 20260 14.5 6.46

解：设混合燃料中甲醇和高级汽油的质量分数分别为k1,k2

0.795?0.2?0.207，k2=1-k1=0.793

0.795?0.2?0.76?0.8混合燃料燃烧所需的化学计量比空气量为l0?6.46?0.207?14.5?0.793?12.8 k1?混合燃料燃烧的低热值为Hu?20260?0.207?44000?0.793?39086kJ 混合燃料的混合低热值为Hum?Hu39086??2591.9kJ/kg

1??0l01?1.1?12.8

第三章

1、什么是内燃机的循环热效率η？如何利用温－熵（T—S）图上的循环曲线来计算循环热效

t

率？

答：单独把内燃机的压缩、燃烧膨胀的动力过程看作一个燃烧热量由外部加入，在膨胀到下止点后，工质向外等容放热又回到压缩始点的封闭循环。每循环系统输出的功量Wt所占循环加热量Q1的百分比即为循环热效率?t。

如下示温熵图中所示，沿S正方向（箭头1方向）进行的过程是向系统加热的过程，加热量

Q1??TdS，以图上\\\\\\的面积表示。而反S方向（箭头2方向）进行的过程，是系统向外散

CD热的过程，散热量Q2??CDTdS,以剖面线///的面积表示。于是，两个面积相减即封闭曲线所

包围的环积分面积TdS就是每循环中系统与外界交换的热量Q?Q1?Q2。而每循环系统输出的功量Wt是与外界交换热量Q转换而得，即W?Q?Q1?Q2。所以由?t定义有：

??t?Wt/Q1?Q/Q1?Q1?Q2Q?1?2 Q1Q1（注：以上各热量Q、Q1、Q2为正时，均表示向系统加热；为负时则是向外界散热） 2、内燃机的理论循环与真实循环有何差别？三种内燃机的基本理论循环本身又有何差别？真

实汽油机和柴油机接近何种理论循环？ 答：1）理论循环和真实循环的差别 理论循环（Theoretical Cycle）

工质——理想气体（空气），物性参数(比热容, 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→燃烧放热；系统放热→气体交换（进排气） 特殊热力过程：绝热压缩和膨胀；等容或等压放热和吸热

真实循环（Real Cycle） 工质——真实工质 循环——真实循环

总结：由于以上在工质和循环方面的差别，使得:

理论循环ηt-真实循环ηt=10￣20百分点

两者之间的差别指出了改善内燃机ηt的基本原则。 2）三种理论循环的差别

理论循环根据加热过程的区别分为以下三类： a、等容加热→等容循环（Otto循环） b、等压加热→等压循环（Diesel循环）

c、混合（等容＋等压）加热→混合循环（Sabathe/Seiliger循环 3）真实汽油机和柴油机的循环最接近理论循环中的混合加热循环。

3、相同压缩比ε、比热比k和循环加热量Q1时，三种基本理论循环的热效率ηt哪个大？哪个小？利用T—S图加以证明。

等容循环

等压循环

混合循环

如图，阴影面积对应相同的循环加热量。

在T-S图上可以清晰地看出，对应同样的循环加热量，等压循环的放热量最大，所以效率最低。等容循环的放热量最小，所以效率最高。

4、利用T—S图证明在Q1和k相同时，柴油机的热效率比汽油机的高

如图，45度阴影对应汽油机的等容循环，135度阴影对应柴油机的的等压循环。柴油机的压缩比大于汽油机。两种循环的循环加热量相等。显然，柴油机循环的放热量较小，所以效率更高。

5、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18oC，空气的加热量等于燃料提供的能量，空燃比28，燃料热值44MJ/kg，空气定压比热为1.01kJ/kg.K（与温度无关）。

解:对Otto循环，

?t?1?1???1，取??1.4，则有

?t?1?1???1?1?1?0.6610.415

T2v?(1)??1?150.4?2.95Tv2对Diesel循环，压缩终点温度1，所以

T2?T1?2.95?291?2.95?859.7K

1kg混和气的热量为

6q1.517?101??1502Kq??44M?1.517?106JT3?T2?3c1.01?10p28?1，

则

T3?T2?1502?859.7?1502?2361.7K，

??v3T32361.7???2.75v2T2859.7

1(???1)?t?1???1??(??1)=0.569

6、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。

答：1、指出了改善发动机动力、经济性能的基本原则和实施方向； 2、提供了发动机之间进行动力，经济性能对比的理论措施。

3、给出了我们经过内燃机设计和改造所能到达的效率上限。

7、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？

答：采用真实工质时将有以下两方面的影响：

一：循环过程中成分是变化的，包括压缩过程中是空气，燃料蒸汽，残余废气三者的混合气，而膨胀过程中是废气，空气的混合气。

二：工质的热力参数随温度、分子结构及混合气浓度等变化。 具体影响是：

1）比热容比热容cv, cp= f（T, 分子结构）ΔQv=cv×ΔT，ΔQp=cp×ΔTT↑→cv和cp↑→k↓→ΔT↓→ηt ↓多原子分子↑→cv和cp↑→k↓→ΔT↓→ηt↓即：真实工质k ＜理想工质k →真实工质ηt↓例如：柴油机κ>汽油机κ；稀薄燃烧κ>化学计量比燃烧κ 2）高温热分解 高温热分解

高温时，原子间的结合力减弱，产生热分解（吸热过程）CO2→CO+O2H2O→H2+O2低温膨胀及排气时，反向燃烧放热。因此，燃烧放热时间拉长→等容度↓→ηt ↓* T越高，p越小→热分解越严重，因此，汽油机热分解＞柴油机热分解 3）工质分子变化系数 工质分子变化系数

液体燃料发动机燃烧后，μ>1，p和ηt↑气体燃料发动机燃烧后，μ<1，p和ηt ↓（气体燃料分子计入燃前分子总数）总的来说，μ的影响不大4）过量空气系数过量空气系数φa<1，未燃碳氢↑→多原子↑→T↑→k↓→ηt ↓φa>1，空气↑→单双原子↑→T↓→k↑→ηt ↑w

汽油机与柴油机理想循环热效率的比较

考虑真实工质特性后，汽、柴油机热效率差距加大：

1）高负荷高负荷??油机φa > 汽油机φa →柴油机ηt> 汽油机ηt??油机混合气浓，等容度高，Tmax↑残余废气↑→k↓，热分解↑→汽油机ηt↓??油机μ> 柴油机μ，但影响不大

2）低负荷低负荷??油机φa更小，而柴油机φa 更大→汽油机ηt↓↓??油机φr↑，柴油机φr不变，汽油机k↓，燃烧速度↓→汽油机ηt↓??油机高低负荷温差小→汽油机ηt↓

8、什么是相对热效率ηrel？引入ηrel有何现实意义？

答：相对相对热效率是指真实循环的指示效率与理想循环热效率之比。 它反应了实际发动机指示效率接近理想水平的程度。

9、真实循环比之理想循环，多增加了哪些损失项目？这些损失是怎样产生的？

答：工质向外传热的损失、燃烧提前的损失及后燃损失、换气损失、不完全燃烧损失、缸内流动损失、工质泄漏的损失。

实际压缩、燃烧和膨胀过程中，工质都会与周边进行热交换，而不是理想的绝热过程，由此引起传热损失。

实际着火燃烧过程总要持续一段时间，不存在理想的等容燃烧，燃烧始点要略为提前，由此引起燃烧提前时间损失。同时，由于高温热分解等作用，压力不会陡然下降，燃烧也要拖延一段时间才能结束，这就出现后燃损失。

实际循环换气过程造成的做功损失即换气损失，包括排气门提前开启造成自由排气损失，和进、排气过程中的泵气损失。

燃料、空气混合不良，燃烧组织不善而引起的燃料热值不能完全释放的损失为不完全燃烧损失。

压缩即燃烧、膨胀过程中，缸内气流（涡流与湍流）形成缸内流动损失。

工作过程中，工质通过活塞环向外泄漏是不可避免的，由此形成工质泄漏的损失。 10、为什么会出现燃烧的时间损失？实际燃烧着火点的早晚对这一损失有何影响？有什么规律性？

答：由于实际着火燃烧过程总要持续一段时间，不存在理想的等容燃烧，所以燃烧始点要比上止点略微提前一些，这样才能保证更接近上止点燃烧，获得较高的等容度。由此引起的做工损失称为燃烧提前损失。同时，由于高温热分解等作用，压力不会陡然下降，燃烧也要拖延一段时间才能结束，这就出现了后然损失。 时间损失的多少与实际燃烧始点的相位密切相关。 汽油机通过调整点火提前角，柴油机则通过调整供油提前角来控制这一位置。任何工况都存在最佳提前角，此时，时间损失并不大，但当提前角选择不当，实际燃烧始点过早或者过晚时都会性能恶化。

11、机械损失是由哪几部分组成的？每部分损失的特点及其起主要作用的因素是什么？ 机械损失组成及特点：

（1）机械摩擦损失: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: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:泵气损失（5％～40％）。 起主要作用的因素：

1、 转速（活塞平均速度）的影响

所有机型的机械效率都随转速或活塞平均速度的上升而下降。 2、 负荷的影响

根据机械效率的定义，?m?1?Pm，必然是负荷P怠速时?m?0。?m越低。e越小，

(Pe?Pm)虽然负荷减小时，缸内压力下降，会使活塞及轴承摩阻力下降，但比之前者的影响几可略去。

增压机型与非增压的原型相比，虽然Pm值因气缸压力上升以及增压器的机械损失而略有增加，但因Pe值上升很多，?m值仍比原型高。由此推论，增压中冷使进气温度下降，

Pe上升更大，?m会更提高。

3、 润滑条件的影响

机件相对运动的摩擦损失占总机械损失的大部分，因此，改善机械相对运动面上的润滑

条件对?m值有很大的影响。

12、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功包括在测定值之内？ 1． 示功图法

原理：直接在示功图商测算出净指示功Wi，再减去台架上测算得的We，即可求出Wm和?m。 适用范围：研究及开发工作 2． 倒拖法

原理：在电力测功机试验台商，先使被测发动机按测试工况运行到正常稳定状态，水温，油温等指标都达到正常要求，然后迅速断油（柴油机）或切断点火（汽油机），立即将测功电机转为电动机运行，反拖发动机到同样转速。这样测得的反拖功率就是所求的机械损失功率。 适用范围：汽油机

3． 灭缸法

原理：设N缸发动机正常运转时，测出有效功率为Pe。然后其第i缸灭火（停止点火或断油），并在相同转速下测定工作的N-1个汽缸的有效功率为（Pe）-i。此时认为，总机械损失功率Pm并未改变，于是灭缸后所减少的输出功率量，只是被灭缸的指示功率。

Pm?(N?1)Pe??(pe)?i

i?1N适用范围：多缸机，广泛适用。 4． 油耗线法 原理：发动机在转速不变时测定出整机耗油率随负荷的变化曲线，然后将此线外延到与横坐标相交的a点，则图上a0之值就是所求机械损失值。a点是发动机停机不耗油的全反拖点，0点是怠速点。

适用范围：柴油机中低负荷

倒拖法 因为用电动机倒拖发动机测定功率时，发动机是工作在正常稳定状态，所以测得的损失功必然包括泵气损失功。

灭缸法 灭缸法本质上也是倒拖法，只是用其他缸的动力来反拖被灭的那一缸而已，所以损失功必然包括泵气损失功。

油耗线法 a0值是全反拖点的平均有效压力与怠速点的平均有效压力差，必包括泵气损失在内。

13、内燃机的转速（活塞平均速度）和负荷大小，对平均机械损失压力pmm和机械效率的影响如何？有何规律？为什么？

平均机械损失压力与机械效率成正比，讨论转速和负荷对机械效率的影响就可以了。

转速：所有机型的机械效率都随转速的上升而下降。因为转速上升时1。各摩擦副相对速度增加，摩擦阻力加大2。曲柄连杆活塞等运动件的惯性力加大，活塞侧压力及轴承负荷上升，摩擦阻力加大3。泵气损失加大4。辅助机械的摩擦阻力和所需功率增加5。缸内压力上升，引起摩擦阻力加大，但由于某些相位时，作用于活塞的缸内压力与惯性力有相互抵消作用，情况较为复杂。上述各项因素都使机械效率随转速上升而呈下降趋势。

负荷：根据机械效率的定义，负荷越小，机械效率越小。在低负荷时，机械效率很低，随负荷增大，机械效率增大，且增大的速度逐渐变小。

14、简述内燃机废气及废热（冷却水带走部分）能量再利用的方式。在目前内燃机循环条件下，采用何种方式可得到最高的ηet值？ 答：1、废气再利用方式主要有： a、 废气涡轮增压 η

et

可提高5－10个百分点。

b、 复合式发动机

实质上是膨胀过程在发动机外的继续。 c、 余热发电 热电池

2、冷却水热量利用 a、 提高冷却水温

η可提高1－5个百分点，但是影响最大功率

et

b、 低散热发动机

C 最低稳定转速怠速点 D 最高转速怠速点

10-2 在汽车发动机工况运行图（MAP图）上定性准确地画出外特性转矩线、最小等油耗线、最大等功率线和汽车四档阻力线等四条曲线，并简单说明每条曲线的变化特点。 答：MAP图如右： 外特性转矩线：随转速上升略有上升，在某一转速达到最大值后较快下降，转速愈高降得愈快。

最小等油耗线：为一封闭曲线，说明在负荷特性曲线随着负荷增大，变化趋势为先降后升；转速特性曲线随着转速增加也是先降后升。 最大功率线：与外特性转矩线相切的双曲线的一支，切点为发动机的最大功率点。

四挡阻力线：随着负荷的增加而增大。

3. 什么是发动机的工况运行特性和调整特性？研究工况运行特性和调整特性的意义各是什

么？ 答：工况运行特性是指一定条件下发动机性能指标随工况参数变化的规律。主要包括负荷特

性，速度特性和全特性三部分内容。

该基本运行特性曲线是发动机和汽车匹配时综合评价机组动力、经济性能的直观而方便

的工具。通过他们，可以直观判断发动机工作的经济区域以及输出动力大小的特点，便于确认与汽车配套的合理性。通过对特性曲线的形状、走向的原因及影响因素的分析，可以指出进一步满足汽车使用要求时特性曲线的改造方向。 调整特性是指发动机在转速和油量调节位置（汽油机为节气门开度，柴油机是油量调节

杆位置）不变的条件下，各种性能指标随调整参数而变化的规律。 研究调整特性的意义在于对性能进行优化。

4. 汽油机和柴油机负荷特性曲线总体变化趋势如何？有何差别？为什么有这些差别？能否

就汽油机、柴油机负荷特性曲线的差异解释二者实际的使用燃油消耗率比标定工况燃

油消耗率相差更大的原因？指示效率（?it）曲线 汽油机：总体上随负荷下降而变小。

随着节气门开度的减小，缸内循环进气量下降而使残余废气系数?r加大，从而燃烧速度下降；再加上负荷变小时过量空气系数?a变浓，燃烧不完全，以及燃料气化条件恶化（温度下降）和单位工质传热量增加（工质总量减少，但传热面积不变）等因素，均使?it逐渐减小。

柴油机：总体上随负荷降低而增加。 作为质调节的发动机，一方面负荷减小意味着喷油量下降，喷油及燃烧持续时间都缩短，即等容度有所上升；另一方面喷油量下降也就是混合气变稀，以上都使热效率上升。

指示燃油消耗率（bi）线

汽油机：总体上随负荷上升而略下降。 柴油机：总体上随负荷上升而加大。

有这些差别是因为bi由?it的倒数所决定。

有效燃油消耗率（be）线

汽油机：怠速时为无穷大，之后随负荷而急剧下降，约80%~85%负荷时达最低值，以后又有回升。

柴油机：总趋势与汽油机有相似之处，但由于?it线和?m线的总变化趋势正好相反，因此be在中负荷区有较宽阔的平缓段。

中、低负荷处be的差值明显比最低油耗点和标定功率处大，这是因为汽油机be线过于陡尖，而柴油机有较宽的平坦段的缘故。由于汽车大多在中、低负荷条件下运行，所以二者实际的使用燃油消耗率比标定工况燃油消耗率相差更大。

5.画出汽油机和柴油机在全负荷、中负荷和小负荷三种情况下Pe和Ttq的速度特性曲线（汽油机及柴油机各画一图）。对比说明两种机型速度特性线的变化特点，并解释出现差异的主要原因。两种机型外特性线形状对整车动力性是有利还是不利？如不利，可采用什么措施加以改进？画出改进后的曲线。

答：

汽油机速度曲线： 柴油机速度曲线：

速度特性线变化特点： （1）汽油机

转矩Ttq线在某一较低转速处有最大值，然后随转速上升而较快下降，转速愈高，降得愈快。部分特性线则随节气门关小更急剧降低。高、低转速处的Ttq值略降低。

功率Pe线先随n上升而加大，到一定转速后Pe转而下降。 （2）柴油机

转矩(Ttq)速度特性线总体上变化较平坦，低速有上升趋势，小负荷时上升加剧，而高速均略为下降，大负荷时下降多一些。

功率(Pe)线总的是随n上升而增大。 汽、柴油机速度特性的主要区别是：

1)汽油机Ttq线总体上向下倾斜较大，低负荷时倾斜更大，而柴油机Ttq线总体变化平坦，低负荷时甚至上扬。这一下一上的差别，引起了这两种机型配套汽车时动力和运行稳定性的巨大差异。

2)汽油机Pe外特性线的最大值点，一般就是标定功率点；而柴油机可达到的最大值点的转速很高，所以标定点并非该特性线的极值点。

3)柴油机燃油消耗率be曲线要比汽油机线平坦，低负荷时更是如此。

出现差异的主要原因：

（1）汽油机

Pe?K1?c??it?mn （10－1） Ttq?K3c?it?m （10－2） ?a?a 转矩Ttq线主要受?c和?m的影响，在某一较低转速处有最大值，然后随转速上升而较快下降，转速愈高，降得愈快。指示效率?it对曲线的影响不大，仅使高、低转速处的Ttq值略降低。

功率Pe线按Pe?Ttqn的关系，先随n上升而加大，到一定转速后Ttq的下降率高于n的上升率，Pe转而下降。

（2）柴油机

Pe?K5gb?it?mn （10－5）

Ttq?K6gb?it?m （10－6）

转矩(Ttq)速度特性线因gb及?m线有相反变化的趋势而使总体上变化较平坦。?it的影响虽不大，但可使两端加大一些下垂量。

功率(P由于Ttqe)线总的是随n上升而增大。

线较平坦，所以可达到的最大功率点远离最高使

用转速，图上看不出来。

汽油机外特性线形状对整车动力性有利，而柴油机外特性线形状对整车动力性不利。因此柴油机往往要在低于标定转速段处进行“校正”，使Ttq加大；而在高于标定转速段处进行“调速”，以避免超速“飞车”。改进后的曲线与汽油机类似。

6.何谓柴油机的冒烟界限？它与功率标定有何关系？柴油机的标定功率是否就是标定转速下的最大功率？汽油机是否也是如此？

答：“冒烟界限”点：由有效燃油消耗率（be）线可知，当过标定功率点Pen后，若继续增大油量，则随着燃烧的恶化，be线继续上升到Pes点时排烟将达到法规的限值，这就是“冒烟界限”点。

标定功率Pen要小于冒烟界限Pes。

柴油机的标定功率不是标定转速下的最大功率，因为柴油机在高速经过“调速”后，标定功率要小于标定转速下的最大功率。而汽油机不需要“调速”，所以其标定功率即为标定转速下的最大功率。

7、为什么说汽车的动力性主要是由内燃机的速度外特性所决定？分别就汽车动力性的三个指标来加以说明。

答：汽车动力性的三个指标为： 1） 汽车的最高车速uamax 2） 汽车的加速时间t

3） 汽车能够爬上的最大坡度imax

而汽车行驶方程为：Ft?Ff?Fi?Fw?Fj

即

Ttqigi0?Tr?Gf?Gi?CDA2duua??m 21.15dt汽车行驶的驱动力－行驶阻力平衡图为：

由汽车行驶方程式和驱动力－行驶阻力平衡图我们可以看出

1）汽车的最高行驶速度uamax决定于最高档驱动力曲线和行驶阻力曲线，它们的交点所对应的车速即汽车的最高行驶速度

2）汽车的加速时间以汽车0－100km/h的加速时间为指标，则其与汽车各档驱动力曲线和行驶阻力曲线之间的差值密切相关

3）汽车的最大爬坡度取决于第一档驱动力曲线和行驶阻力曲线之间的最大差值

由上所述，汽车动力性的三个指标均与汽车各档的驱动力曲线密切相关，而在汽车传动系统确定的情况下，汽车各档的驱动力曲线只取决于发动机的速度外特性，所以说汽车的动力性主要是由内燃机的速度外特性所决定。

9、1）、转矩校正：柴油机为提高KT和Kn值而采取的措施。

2）、汽油机外特性比柴油机外特性线的动力适应性好，所以汽油机不需要进行外特性改造而柴油机则需要在低于标定转速段进行校正使得Ttq加大。

3）、如果加大外特性上每一个工况点的供油量时烟度会加大，因此存在一个烟度限制点，因此二者之间的值即为校正的范围，表明了校正的可能性。 4）、应用机械校正法得到的速度特性线已不符合油量调节杆位置不变的定义要求，因此不符合速度特性曲线的定义。 5）、除了校正后的油量调节杆的位置改变外，其它和标准的速度特性线都是一样的。

10．下图给出了一台四冲程火花点火发动机（RON 95）的燃油消耗MAP图。用下列公式计算空气阻力：

F= cA vρ/2

L

w

2

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