发动机原理作业题库（1-9章）

《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）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：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＝W1+W3，正功

净指示功＝(W1+W3)-(W2+W3)=W1-W2，正功

增压：总指示功=W1＋(pb-pk)*Vs ，正功

净指示功=W1+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。

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pb小于涡

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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、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。

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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νm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：Pe?inVspmeiVp?3和Ttq?sme?10，30???

其中：pme量纲为MPa，Pe量纲为kW，Ttq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确定后输出功率Pe（或转矩Ttq）主要取决于有效效率ηet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ηet？

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=?c·?t·?m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。

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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、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?a是多少，其空燃比α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α为14.2。

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：

（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n=5900 r/min；有效转矩Ttq=107.1 N·m；指示平均压力pmi=1.19 MPa。计算：

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（1）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)

1-186135Q-1四冲程柴油机的冲程s＝140mm，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/（kW·h）。已知柴油机低热

值为Hu=42500kJ/kg。求此时发动机的pme、Ttq、Pm、?et和Wi各值。 解：

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：21.22 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

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5m3；环境空气压力0.1 MPa；环境空气温度300 K；有效转矩424 N·m；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：

Pv?RT100000?8.314?300???1.16kg/m3(1)燃料体积流量：200/21.22?3600?33.9L/h燃料质量流量：0.83?33.9=28.1kg/h(2)空气体积流量：5/30.1?3600?598m3/h空气质量流量：1.16?598=693.7kg/h(3)Pe?Tn?424?2650?3.14?2/60?117.6kW(4)be?B28.1?1000??1000?238.9g/kWhPe117.636000003600000??0.355beHu238.9?4250030?Pe30?4?117.6??0.8875MpainVs6?2650?1

?et?(5)pme??m?0.8875?0.8350.8875?0.1758bi?be??m?0.835?238.9?199.4g/kWh?it??et/?m?0.355/0.835?0.425

1-20一台排量为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 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

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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/(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)）。 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？

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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1～2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。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？

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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？ 解：十六烷值CN = 100，自燃性很好； α－甲基萘 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

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

2-9 汽油燃料蒸发曲线中，10％，50％，90％馏程的意义是什么？它们对发动机的性能有何影响？燃烧一种终馏点很高的汽油会出现什么结果？

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

50％馏程(T50) — 燃料的平均蒸发性能，反映汽油机的工作稳定性。 90％馏程(T90) — 燃料中的重质馏分含量，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 芳烃和烯烃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）烯烃是汽油提高辛烷值的理想成分。但是由于烯烃有热不稳定性，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。

（2）芳烃通常是汽油的高辛烷值组分，具有高能量密度。但是，芳烃会导致发动机产生沉积物，增加尾气排放，包括CO2。

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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—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—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—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?a =1的条件下完全燃烧

柴油—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?a >1.2 （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、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cV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?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

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特性。汽油机?r偏高是因为ε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，Hu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（l0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，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

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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)?α=l/l0=1.2

(2) 异辛烷C8H18 l0=(8/3gc+8gH-go)/0.232=15.1 (3) 空燃比α=?α* 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（C6H14）；30％（wt）异辛烷（C8H18）；25 ％（wt）环己烷（C6H12）；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：

19C6H14?O2?6CO2?7H2O;

2C8H18完全燃烧的化学反应方程式为：

C8H18?25O2?8CO2?9H2O;2

C6H12完全燃烧的化学反应方程式为：

C6H12?9O2?6CO2?6H2O;

C6H6完全燃烧的化学反应方程式为： 15C6H6?O2?6CO2?3H2O;2

又由O2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/mol0.4?1kg190.3?1kg250.25?1kg0.05?1kg15(?????9??)0.23286g/mol2114g/mol284g/mol78g/mol2?14.9895kg;

即该种燃料的化学计量比为l0=14.9895，因而其过量空气系数为：

?a?l17??1.1341,l014.9895

从而可得该种燃料的燃空当量比为：

??

1?a?1?0.8818。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

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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/L。 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（CO2）、水（H2O）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)。 解：(1)

查得各物质生成焓如下：

;

;

;

;

Hreac??reacni?hi?1?(?74870)?2?0?7.52?0??74870J?2??241830?43.87??Tad,p?298??7.52?0?33.71??Tad,p?298?由

(2)

解得，该燃烧反应在定压条件下的绝热燃烧温度为

Hprod??prodnih0f,i?cp,i?Tad,p?298??1??393520?56.21??Tad,p?298?????????

V?pi?pf??Ru?nreacTi?nprodTad,V??8.314?10.52??298-Tad,V?由

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解得定容条件

下的绝热燃烧温度为

，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——理想气体（空气），物性参数(比热比，κ)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；等容或等压加热和放热； （2）理想循环：

工质——真实工质； 循环——理想循环； （3）真实循环：

工质——真实工质； 循环——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p-V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. q2,p>q2,s>q2,v?ηt,p<ηt,s<ηt,v。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T-S图解释为什么柴油机比汽油机热效率高？

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解：从T-S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ηit和机械效率ηm？两者的ηit和ηm有何差别？与自然吸气原型机相比，增压发动机的ηit和ηm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；增加等熵指数等。

（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κ ＜理想工质κ →真实工质ηt↓ （2） 高温热分解：燃烧放热时间拉长→等容度σ↓→ηt↓。 （3） 工质分子变化系数：影响不大

（4）过量空气系数：?a<1，未燃碳氢↑→多原子↑→ T↑→κ ↓→ηt↓；

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?a>1，空气↑→单双原子↑→ T↓→ κ↑→ηt↑；

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ηrel？引入ηrel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，ηt↓；pz出现在TDC后10°CA，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ηc≠100%；不正常燃烧、?a＜1等，η t ↓↓。 （5）缸内流动损失：流动增强以及提高涡流与湍流程度，ηt↓，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

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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：cm↑，摩擦阻力↑，泵气损失↑，单靠提高转速来提高功率受限； （2）负荷：负荷Pe↓，ηm↓；怠速ηm＝0；增压机型ηm↑。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。

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3-19 Miller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）bf1b ：废气能够绝热等熵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）3g’i23：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。

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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； b.1/3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18oC，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1.01kJ/（kg·K），等熵指数为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T2为

燃料等压放热后，工质的温度T3为 则预胀比ρ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

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理论循环效率的55％。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20oC和压力为0.1MPa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ηet为：

燃料消耗率be为：

（2）

空气流量Aa为： 有效功率Pe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0.1 MPa，温度为296K；最大允许的气缸压力为9.5 MPa；在燃烧期加入的总热量为2120 kJ/kg；压缩比为17；工质的摩尔质量为28.97 kg/kmol；等熵指数为1.4。 （1）确定该理论循环的类型；

（2）在p-V图和T-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熵压缩终点的压力pc和温度Tc为：

等容加热后的pz’和温度Tz’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pz’应为9.5MPa，此时

20

（2）

空燃比为：

??ma1.898??13.24 mf0.1434（3）

充量系数为：

3.38534800V?c?a?60?2?0.7972

Vs2?10?3（4）

残余废气质量：

mr??rm1?0.05?2.041?0.1021g

（5）

因空燃比小于理论空燃比，所以混合气所能发出的热值应按空气量计算： 单位质量混合气热值：

?Hum?m?m?13.24?44000l014.8???2764.197kJ/kg 1??1?13.24Hu?混合气密度为：

1??1?13.24??1.2721kg/m3

29313.24??1?1293???22.4???22.4?????29??107.5?273.15?MfMa?273.15混合气的体积热值为：

?Hum?V??Hum?m?m?2764.197?1.2721?3516.33kJ/m3

（6）

发动机的有效热效率为：

pmeVs0.951?106?2?10?3?e???0.3014

mfHu0.1434?44000

4-21 涡轮增压和气波增压发动机各自是如何利用废气能量的？为什么增压中冷是发动机发展的重要方向之一。

解：涡轮增压：高温高速的废气进入涡轮机后，低温、低速排出，废气的焓差和动能差转化

为涡轮机的机械功，用以驱动压气机，提高发动机的进气压力。一方面加大了进气充量，提高输出功率；另一方面，泵气过程功为正功，同时机械效率相对提高，增加了整机有效效率。

气波增压：利用管道中压力波特性，是废气与新鲜空气接触，在相互不混合的前提下，

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直接将废气能量传给低压空气，并提高其压力，实现增压。

增压中冷对增压后较热的空气再进行冷却，降低其进气温度，则输出功率进一步增大，排放、噪声等性能也有所改善，所以增压中冷是发动机发展的重要方向之一。

4-22 什么是定压增压系统？什么是脉冲增压系统？比较定压增压和脉冲增压两种系统的优缺点，并说明它们各自适用的场合。

解：定压涡轮增压系统把所有气缸的排气歧管通向一个体积较大的排气总管，排气总管基本保持恒定压力，起到了稳压的作用；废气按定压由总管导入涡轮机的喷嘴环。

脉冲涡轮增压系统将各缸排气歧管中的脉冲气流直接导入涡轮机中，以尽量减少定压系统的不可逆膨胀能量损失。

两者的比较：

（1）定压系统废气流入总管造成强烈的节流和不可逆膨胀损失，可用能利用率低。 （2）脉冲系统对扫气有好处。

（3）定压系统动态过程的响应比脉冲系统慢，对发动机的加速性能和排放性能不利。 （4）脉冲系统绝热效率低于定压系统。

（5）脉冲系统瞬时最大流量高于定压系统的稳定流量。

中、小型车用柴油机多为低增压，采用脉冲系统较为有利；大型柴油机增压比高，宜采用定压系统；但是，车用柴油机从提高低速转矩和加速性能角度考虑，即使增压比较高，也常选用脉冲增压系统。

4-23 为什么涡轮增压柴油机的机械效率一般比原型自然吸气式发动机的高？是不是所有工况都高？有没有机械效率反而低的情况？为什么？

解：增压后发动机由于利用废气能量做功增加了一块泵气正功，使其机械效率有所提高。

不是所有工况都高。

低速工况和动态工况下机械效率可能机械效率反而低。

低速工况时，涡轮增压效果较弱，机械效率较低，且低速转矩特性不足。

动态工况下，气流响应需要时间，增压器叶片也有较大惯性，动态过渡过程过长，影响发动机排放和经济性能。

4-24 为什么涡轮增压发动机会出现压气机后增压压力pb小于涡轮机前入口压力pk的情况？哪些工况会是这样？pb大于pk是否就意味着会出现理论和实际泵气正功？为什么？ 解：起动工况、加速工况、低速小负荷工况下，可能压气机后增压压力反而小于涡轮机前入口压力。

起动工况时，涡轮增压没有介入； 加速工况时，由于压气机需要的响应时间较长，增压压力上升比涡轮机前入口压力的上升存在一定的迟滞；

低速小负荷工况时，涡轮增压效率低。

pb大于pk意味着理论泵气正功，但实际泵气不一定是正功，因为可能存在较大的泵气

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损失，使实际泵气功为负。

4-25 采用哪些技术措施可以解决常规涡轮增压柴油机的NOx排放高、低速转矩特性差以及动态响应慢等缺点？为什么？

解：增压中冷技术可以降低NOx排放，同时进一步增大输出功率。因为采用增压中冷增加了进气量，同时降低了进气温度。

电控可变喷嘴环截面涡轮增压技术，可以有效增大低速转矩。因为实现了对增压压力和增压器效率的优化控制。

电控燃油喷射技术可有效降低NOx排放和燃烧噪声。因为实现了可变燃油喷射时刻和喷射速率。

此外，以上电控技术的应用改善了柴油机的动态性能。因为电控技术的应用使得对柴油机的瞬态控制更加灵活、迅速。

4-26 为什么汽油机采用涡轮增压的比例越来越高？涡轮增压汽油机是如何解决应用中存在的相关问题的？

解：因为和柴油机类似，汽油机采用涡轮增压可以提高动力性能、改善经济性能、改善排放性能、降低燃烧及排气噪声、降低制造成本，所以汽油机采用涡轮增压的比例越来越高。

解决汽油机增压应用问题的主要措施包括：

（1）应用电控技术，可以改善动态特性、防止爆燃和降低热负荷；

（2）应用增压中冷技术，可以提高动力性、改善经济性，同时对消除爆燃、降低热负荷以及减少NOx排放有利；

（3）采用增压压力控制系统，可以降低增压比，避免爆燃和过高的热负荷，并有利于高、低速转矩特性的控制。

（4）提高燃料辛烷值、改进发动机制造工业和增压器叶片材质等。

4-27 以曲轴箱扫气式二冲程汽油机为例，说明二冲程发动机的进气、压缩、燃烧、排气四个过程是如何在两个冲程内完成的。

解：活塞向下移动的冲程，先燃烧、膨胀做功，然后排气孔打开，自由排气，再往后扫气孔打开，被压缩的新鲜工质从曲轴箱通过扫气孔进入气缸，一边向气缸充气，一边帮助排气，称为扫气。活塞向上移动的冲程，先是继续扫气，扫气孔关闭后还继续排气，排气孔关闭后则进行压缩，接近上止点时着火燃烧。活塞上行冲程的某一时刻，活塞下边缘将扫气孔打开，曲轴箱吸入新鲜工质，以备下一循环充气、扫气用。

4-28 二冲程发动机有哪几种常用的扫气系统？比较这些系统的优缺点及应用场合。 解：扫气系统包括横流扫气、回流扫气和直流扫气。

横流扫气扫气孔和排气孔分别布置在气缸两侧。结构简单，但换气效果不佳，两侧缸壁的热负荷和受力都不均匀。

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回流扫气扫、排气孔布置在气缸同侧。扫气效果要比横流扫气好很多，同时保留了结构简单的优点。

直流扫气在缸盖上设置排气门以代替排气孔，扫气孔沿切线排列。大大改善了换气质量，优点很多。但由于增设了排气门机构，换气系统复杂，发动机高度增加。

4-29 为什么二冲程汽油机没有在汽车中得到广泛应用？如果想发展车用二冲程汽油机，应采用哪些技术措施？

解：二冲程汽油机的主要优点是升功率高，动力性好；其主要缺点是换气效果差，经济性能和排放性能受限。

发展车用二冲程汽油机需要找到高效的换气（扫气）技术，改善换气效果，提高充量系数，同时减少扫气过程中的HC排放。例如，可以采用换气效果最好的直流扫气技术代替目前常用的回流扫气技术。

第五章

5-1 汽车发动机的面工况是由哪些工况线所限定的？在Pe-n或Ttq-n工况面上画出各限制线，并标出常用的典型工况点。

解：上缘的各转速最大功率限制线；右侧各负荷条件下的最高转速限制线；左侧的发动机最低稳定工作转速限制线。

5-2 在汽车发动机工况平面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。 解：示意性的汽车发动机工况运行图（发动机全特性图）如下所示：

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外特性转矩线是在发动机的供油量调节装置处于最大供油位置时发动机的转矩随转速的变化曲线。转矩线主要受充量系数和机械效率的影响，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。

对于车用发动机，理想的最小等油耗线包围的经济圈应该位于最高挡阻力线中速略偏低的部位，并使最小等油耗线圈在横向拉长一些。

发动机的功率正比于转速和平均有效压力，因而最大等功率线呈现出“跷跷板”的变化趋势，是一支双曲线，且与外特性转矩线相切。

汽车的行驶阻力随车速的上升呈平方增大趋势，因此在挡位一定的时候也随着发动机转速的上升呈现出了平方增大的关系。

5-3 什么是汽车发动机的标定工况？轿车汽油机和重型载货车柴油机确定标定工况时的出发点是什么？二者的标定功率，哪一个更接近发动机的极限最大功率？

解：标定工况：发动机铭牌上规定的最大输出功率Pemax及其对应转速所确定的工况。轿车使用15min功率。适用于短时间使用最大功率的发动机。重型载货车柴油机使用1h功率。适用于较长时间的重在使用。轿车更接近。

5-4 什么是发动机的运行特性和调整特性？研究运行特性和调整特性的意义各是什么？ 解：运行特性：发动机稳态工况条件下的特性。为了了解发动机的性能指标与特性参数随着各种可变因素变化的规律。

调整特性：发动机转速和油量调节位置不变下，各种性能指标随调整参数变化的规律。对发动机性能进行优化。

5-5 发动机稳态运行与动态运行最本质的区别是什么？为什么轿车在市内行驶时其动态运行所占比例要大大超过稳态运行？试举三种动态运行的例子，并简述其动态过程。 解：发动机各个运行参数发生变化的是动态特性，不变的是稳态特性。因为市内车辆较多，路况复杂，需要不断调整运行参数。

5-6 为什么汽油机和柴油机的指示效率ηit随转速n变化的速度特性曲线总是在高、低速两端降低一些？为什么二者的ηit随负荷变化的趋势又相反？

解：对汽油机，低速时，缸内气流运动减弱，火焰传播速度降低，漏气和散热损失增加。高速时，燃烧所占的曲柄转角增大，等容度变小，燃烧不充分。对柴油机，低速时，燃料喷射压力减小，缸内气流运动减弱，对混合气形成和燃烧不利，且传热增加。高速时，喷油及燃烧持续期增加，充量系数下降，过浓。

对汽油机，小负荷时节气门开度小，残余废气增加，燃烧速度变慢，负荷减小，过量空气系数降低，燃烧不完全，气化条件恶化和传热增加。对柴油机，一方面小负荷意味着喷油量下降，喷油和燃烧持续期都降低，等容度上升；另一方面混合气变稀，k上升。

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5-7 为什么说柴油机的速度特性曲线主要是由油泵的供油速度特性曲线gb-n决定？而汽油机的速度特性曲线则是由充量系数的速度特性曲线φc-n决定？

解：柴油机为质调节，空气一般过量，做功多少主要由喷油量的多少决定。汽油机为量调节，过量空气系数在1附近，做功多少主要由进气量决定。

5-8 汽油机和柴油机的负荷特性曲线总体变化趋势如何？有什么差别？为什么会有这些差别？解释二者实际的使用燃料消耗率比标定工况燃料消耗率相差更大的原因。

解：指示效率都是中间高，汽油机更偏向大负荷。机械效率都随负荷增加而增加。油耗与指示效率的变化正好相反。

汽油机小负荷燃烧不好，泵气损失高，随着负荷增加得到改善。柴油机小负荷等容度高，k大，随着负荷增加而恶化。负荷增加，机械损失增加较少，所以机械效率增加。

5-9 画出汽油机和柴油机在全、中、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）。对比说明两种机型的速度特性曲线的变化特点，并解释造成差异的主要原因。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？画出改进后的特性曲线。

解：汽、柴油机在全、中负荷和小负荷三种情况下Pe和Ttq的速度特性曲线分别如下图所示：

全中Ttq PeTtq小全中小Pe

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。这主要是由于汽油机的转矩Ttq主要取决于充量系数和机械效率的影响，而柴油机的转矩主要由循环供油量gb和机械效率ηm决定。

汽油机Pe外特性存在最大值点，该点一般就是标定功率点，而柴油机Pe外特性可达到的最大值点的转速很高。这种变化特点也同样是由于传统汽油机的φc速度特性和传统柱塞式喷油泵的gb速度特性所决定的。

就同一排挡的加速和克服阻力的能力而言，相同标定点前提下，汽油机的动力性能明显优于柴油机，因为在低于标定转速下各点的转矩与功率，汽油机都比柴油机高；就最高挡可达到的最高转速而言，柴油机比汽油机更远离标定转速点，这是因为汽油机的Ttq线下降急

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柴油机在不同油量调节杆位置时的速度特性曲线n

剧，而柴油机比较平缓的缘故，而这恰恰是汽油机的优点，因为标定转速本来就足够高，过多超越就会带来超速或“飞车”的危险。

汽油机的外特性线要比柴油机外特性线的动力适应性好，所以汽油机一般不进行外特性线的改造；而柴油机则往往要在低于标定转速段处进行“校正”，使Ttq加大；在高于标定转速段处进行“调速”，以避免超速飞车，如下图所示。

5-10 什么是柴油机的冒烟极限功率？它与标定功率有何关系？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？

解：排烟达到法规限值的功率所对应的点。在标定功率之后。不是。

5-11 为什么说汽车的动力性主要是由发动机的速度外特性所决定？分别用汽车动力性的三个指标来加以说明。

解：车速越高，发动机受到的行驶阻力越到。当在某个车速下，行驶阻力与发动机的动力平衡时到达最高车速。而发动机各转速动力的大小主要取决于速度外特性。

同理，对于加速能力和最大爬坡度也有相似的对应关系。 5-12 什么是发动机的转矩适应系数和转速适应系数？为什么这两个系数加大时，汽车的动力性能都有所提高？为何载重车发动机对这些系数的要求比轿车发动机高？

解：转矩适应系数：发动机转矩外特性上最大转矩与标定功率点转矩之比。

转速适应系数：标定转速与外特性曲线上的最大转矩点对应转速之比。

因为这两个系数增大时，发动机克服阻力的能力增强。重载车对动力性的要求比轿车高。

5-13 什么是转矩校正？为什么汽油机不进行校正而载重车用柴油机需要进行校正？为什么载重车用柴油机一般都允许进行校正？校正外特性曲线是否符合速度特性曲线的定义？它与标准的速度外特性曲线有何关联？又有何差别？

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解：转矩校正：通过一定的校正措施获得更大的KT和Kn。

首先，汽油机动力性明显优于柴油机，在低于标定转速下，汽油机各点的转矩和功率都比柴油机高。其次，最高档可达到的最高稳定转速，柴油机的nd比汽油机的ng更远离标定转速点nn，这是因为汽油机的转矩曲线随速度的升高急剧下降，而柴油机比较平缓。

满足速度特性定义。是标准速度外特性曲线通过校正得到的。相对于标准速度外特性曲线有更大的KT和Kn。

5-14 为什么说汽油机的速度特性具有良好的自我调节能力以致于不需要进行任何的校正和调速？形成这种良好的速度特性线的主要原因是什么？

解：汽油机的转矩速度特性曲线具有良好的自我调节能力。因为在任何节气门位置，向下倾斜的转矩速度特性曲线与向上倾斜的阻力矩线的交点都是能够稳定运行、转速变动不大的工况点。即使是外特性曲线的最高空车转速，也不会高到不能接受的程度。不存在飞车危险。

5-15 为什么柴油机的速度特性曲线不进行调速时会出现高速“飞车”以及低速运行不稳定的危险？“飞车”是否是由于理论上无法稳定运行而造成的？形成柴油机这种外特性线的主要原因是什么？

解：柴油机油量调节杆固定在较大油量位置时，虽然理论上能稳定在某一工况运行，但因曲线较平坦，较小的负荷变化就会导致转速大幅度变化。此时，即使转速能稳定，也会因转速高而出现飞车。当油量调节杆固定在较小油量位置时，将无法稳定运行。

不是。

柴油机的转矩速度特性曲线是在油量调节杆的位置不变时获得的。这条曲线受到循环供油量速度特性控制，变化平缓，在低速和小油量位置时，甚至呈上升趋势。

5-16 柴油机调速器最基本的功能是什么？实现调速的基本原理又是什么？

解：主要作用是当加速踏板位置不变而发动机高于一定转速后，转矩会随着n上升自动下降。

供油量在某一设定的转速范围内能够随着转速的升高而自动大幅下降。 5-17 什么是两极调速模式？什么是全程调速模式？并简要说明两极调速和全程调速的优缺点及应用场合。

解：两级调速：供油量在高速和低、怠速时随转速升高迅速下降的调试模式。

全程调速：在加速踏板的任意位置，随着转速的上升，供油量先沿外特性变化到对应转速后开始调速的调试模式。

两级调速：优点：操作轻便，加速平稳，烟度较小。缺点：加速踏板位置频繁切换，作业效率低。一般用于车用柴油机。全程调速：优点：不必经常踩加速踏板，作业效率高。

缺点：加减速不平稳，烟度高。一般用于工程机械和拖拉机。

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5-18 从发动机和整车两方面考虑，提高整车动力性和经济性的措施有哪些？

解：动力性：选择合适的发动机，配套合适的发动机外特性曲线，汽车传动系统的合理匹配。

经济性：改善发动机的经济性能，降低整车的行驶阻力，发动机与汽车的合理匹配。 5-19 为什么说汽车实现无级传动，无论动力性能和经济性能都比有级传动大为提升？ 解：使用无级变速后，汽车加速踏板踩到底以任何车速行驶，都可以使发动机在标定功率点运转，无论转矩、车速以及后备功率都会达到最高值。实现无级变速后，可以选择在等功率线上的最低油耗率点来配套。

5-20 为什么说提高发动机的负荷率是改善汽车燃油经济性，尤其是汽油车燃油经济性的最重要的原则之一？举出汽车使用中提高负荷利用率的三个实例。 解：汽油机的低油耗区域一般集中在中高负荷范围。

5-21 下图给出了一台四冲程火花点火发动机的有效燃料消耗率be全特性图。该发动机驱动的汽车运行在稳定无风状态条件下，只考虑空气阻力，其他道路阻力可以忽略。给定下列参数：有效迎风面积0,855m2；发动机排量2.0L；驱动轮有效轮胎直径0.6m；4挡位总传动比3.5；4挡和5挡的传动效率0.8；空气密度1.16 kg/m3；燃油密度760kg/m3；汽车质量1050 kg。 （1）计算4挡发动机转速分别为2000, 4000, 5500r/min时的运行阻力点，并在图上画出这些点。

（2）定性地画出4挡的运行阻力曲线。在给定的条件下确定4挡能达到的最大车速。 （3）5挡设计为超速挡位，假如它具有与4挡发动机转速4000r/min的车速，但有效燃料消耗率减少10％，问5挡总传动比应该是多少？并计算其百公里油耗。

（4）当汽车在4挡最高转速行驶时，驾驶员换挡到5挡（换挡时车速不变）。换挡后驾驶员直接将油门踩到底。在图上画出下列要求的运行点：换挡后运行点；达到5挡稳定运行点。 （5）计算汽车5挡无风条件下车速为90km/h时能爬的最大爬坡度。

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有效平均压力，bar 发动机转速，r/min

解：（1）汽车稳定行驶时，阻力力矩应与发动机传送到轮胎的动力力矩相等，即

Tr?TtqiT?T

FwDiVspme?i? 2??TT?n??Acd???D?60i?DiVp?T??smeiT?T 22??2pmeAcd?n2??3D3 ?314400iVsiT?T代入数据可知，当发动机转数分别为2000，4000，5500 r/min时，运行阻力点分别为：

107587.2547，430349.0188，813628.6137 Pa。

（2）4档运行阻力曲线如下图红线所示：4档最大转速约为5700 r/min

v?n5700?D?3.6??3.14?0.6?3.6?184.09km/h 60iT60?3.540

（3）4000 r/min时，4档油耗约为310 g/kWh，5档比4档减少10%，则5档油耗为279 g/kWh。

5档与4档具有相同的车速，且传动效率一致，说明5档与4档4000 r/min时具有相同的功率。

4档4000 r/min时的功率为：

?Pe?40004000iVs?pme?40004000?2?10?3?430349.0188???28689.93459W

30?30?45档各转速下的pme可根据下式计算：

pme??pme?400030??Pe?400030?4000iVs?pme?40004000 ???iVsniVsn30?n在2000，3000，5000r/min时的pme分别为：

860698.0377，573798.6918，344279.2151 Pa 由此作出5档下的等功率曲线如下图蓝线，蓝线与279 g/kWh等油耗线的交点即为5档转速，约为3200 r/min。

5档的总传动比为

iT5?iT4n53200?3.5??2.8 n4400041

5档在3200 r/min时的百公里油耗：

g100100100?103100?B??bePe??279?29.504n3200v?D?3.14?0.6?3600 60iT560?2.8?6.274kg/(100km)（4）换挡时保持车速不变，所以换挡后发动机转速为：

n5?iT52.8n4??5700?4560r/min iT43.5发动机在4档最高速运行时pme约为8.9 bar，发动机功率不变，则换挡后的pme为：

pme?5700?8.9?11.125bar 4560超出发动机外特性曲线范围，所以发动机工作点应为4560 r/min时外特性线上一点。

Acd?n2??3D3根据pme?，发动机以5档运行时的2000，3000，4000r/min所对应的314400iVsiT?T稳定阻力点分别为：

210131.3569，472795.5529，840525.4274 Pa。 在图上作出5档运行阻力线，如绿线所示 因油门踩到底，所以发动机工作在外特性曲线上，稳定工作点即为5档运行阻力线和外特性曲线交点。

稳定工作点换挡工作点

（5）5档以90 km/h运行时，发动机转速为

n?60viT??D60?90000?2.83600?2229.30r/min 3.14?0.6Acd?n2??3D3根据pme?，此时发动机的pme为261076.5743 Pa，如图中黄点所示， 314400iVsiT?T42

稳定工作点换挡工作点

此时pme距此转速下外特性pme的值Δpme约为7.6 bar，所以此7.6bar可全部用于克服爬坡时的阻力。

DiVs?pme?iT?T2??DiV?pmgsin??smeiT?T2??

?2?2?10?3?7.6?105?2.8?0.8??2iVs?pme????arcsin????mgDiT?T???arcsin???3.14?4?1050?9.8?0.6????Fg?0.087927574rad爬坡度is为:is?tan??0.088154873?8.8%

5-22 一辆四缸四冲程增压直喷柴油机驱动的汽车，发动机排量1896 cm3，最大功率70 kW

/ 4000r/min，传动效率0.8，5挡传动比1.947，驱动轮有效轮胎直径0.62 m，有效迎风面积0.5906 m2，空气密度1.25 kg/m3，燃油密度840kg/m3。计算时可忽略滚动阻力，只考虑空气阻力。下图给出的满负荷曲线可以看作为在发动机转速2400~3200r/min之间的水平线。计算： （1）这辆车在平路上平稳行驶能达到的最大车速是多少？

（2）假设4挡在发动机最大功率点达到最高车速，那么4挡的传动比是多少？

（3）汽车以120km/h的车速在平路上行驶，迎风速度为10.3m/s。计算此条件下，4挡和5挡的百公里油耗，并在图上标出这些运行点。

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be /(g/(kW.h))

有效平均压力, 105Pa 转速, r/min

解：（1）

Acd?n2??3D3 pme?314400iVsiT?T代入数据可知，当发动机转数分别为2000，3000，4000 r/min时，5档运行阻力点分别为：5.41，12.2，21.64 （105 Pa）。

做出5档运行阻力曲线，则最大转速约为3000r/min，对应的最大车速为：

v?（2）

n3000?D?3.6??3.14?0.62?3.6?180km/h 60iT60?1.947r/min时汽车车速v?34档n4?4000所以，4挡的总传动比为

2P?t?53.33m/s cd?AiT4??Dn460v?2.43

（3）

汽车以4档120 km/h行驶时，对应的转速和有效平均压力为：

n4?60iT4v??D60?2.26?1203.6?2496r/min

3.14?0.6244

2pme4?120?0.5906?1.25??10.3??0.62?3.14?4?2Ac?v?D???3.6??d??7.42bar?64iVsiT4?T4?1896?10?2.26?0.8

在图上找到（2496 r/min,7.42bar）所对应的be，约为229 g/kWh。

发动机功率为：

inVspme41896?10?6?2496?7.42?105Pe4???29262.1W30?30?4 100100Pe4be4?29.2621?229g100?v?120?6.65L/100km?f840

汽车以5档120 km/h行驶时，对应的转速和有效平均压力为：

12060iT5v3.6?2000r/minn5???D3.14?0.62

2?120?0.5906?1.25???10.384??0.62?3.14?4Acd?v'2D??3.6??pme5???9.30bar?64iVsiT5?T4?1896?10?1.947?0.8

60?1.947?在图上找到（2000 r/min,9.30 bar）所对应的be，约为216 g/kWh。

因同等车速，所以发动机功率与4挡时相同，为29286W：

g100100100Pe4be4?29.286?216?v?120?6.28L/100km?f840

运行点如图所示：

5-23 分析混合动力电动汽车的节油原理。

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解：因为混合动力电动汽车的发动机只在某一个工况点附近运行。

5-24 比较串联、并联、混联混合动力系统各自的优缺点及应用场合。

解：串联的形式相当于发动机只充当一台发电机的角色，它的运转只为供给车辆行驶所需的电能，目前几乎不被使用。

并联式混合动力的两个系统既可以同时协调工作，也可以各自单独工作驱动汽车。这种系统适用于多种不同的行驶工况，尤其适用于复杂的路况，而且具备结构简单和成本低的优点。目前主要被本田所运用。

混联式混合动力系统的特点在于发动机系统和电机驱动系统各有一套机械变速机构，两套机构或通过齿轮系，或采用行星轮式结构结合在一起，从而综合调节内燃机与电动机之间的转速关系。与并联式混合动力系统相比，混联式动力系统可以更加灵活地根据工况来调节发动机的功率输出和电机的运转。此联结方式系统复杂，成本高，目前主要被丰田所运用。

5-25 以丰田Prius系统为例进行该混合动力汽车的能量流动分析。 解：略。

5-26 PHEV与常规油电混合动力电动汽车相比，有何突出优点？ 解：具有纯电动车的优点。

第六章

6-1 汽油、柴油和CNG在发动机中的燃烧，属液相燃烧还是气相燃烧？

解：燃烧可分为气相燃烧和固相燃烧。汽油机、柴油机和CNG发动机都属于气相燃烧。

6-2 利用热着火理论，解释为什么存在可燃混合气着火的浓限和稀限？此界限与何种因素有关？

解：热着火理论认为，着火原因在于热量的积累，当放热速率大于散热速率时才可能着火。因此，当混合气过浓或过稀时，放热速率小于散热速率，不能着火。所以存在可燃混合气着火的浓限和稀限。

6-3 根据扩散燃烧和预混合燃烧的基本特点，分析为什么柴油机燃烧容易产生炭烟，以及汽油机燃烧难以稀燃。

解：柴油机属于扩散燃烧。扩散燃烧时，混合气浓度和燃烧温度的空间分布极不均匀，易产生局部高温缺氧现象，生成炭烟。

汽油机属于预混合燃烧，当空燃比过大时，预制的均质混合气难以进行燃烧，所以汽油

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机难以稀燃；而柴油机即使过量空气系数较大，由于燃烧区域（油束边缘）的局部空燃比并不会过大，所以燃烧仍能正常进行。

6-4 利用链式反应着火理论解释滞燃期的形成机理。

解：根据链式反应着火理论的低温多阶段燃烧理论，着火需要经历冷焰诱导阶段、冷焰阶段和蓝焰阶段。在蓝焰阶段明显燃烧之前，冷焰诱导阶段、冷焰阶段释放的化学能较少，且反应速度相比蓝焰阶段较慢。柴油机压缩着火即具有低温多阶段着火的特点，故存在滞燃期。

6-5 柴油机着火准备过程包含哪两种准备？汽油机和柴油机的着火过程各有什么特点？

解：柴油机着火准备过程包括雾化、蒸发、扩散、与空气混合等物理准备阶段，以及低温多阶段着火的化学准备阶段。

柴油机的压缩着火属于低温多阶段着火；汽油机的火花点燃属于高温单阶段着火，即不经过冷焰阶段，直接进入蓝焰-热焰阶段。

6-6 分析论述均质混合气火花点火燃烧时湍流火焰传播速度大大高于层流火焰传播速度

的原因。

解：均质混合气混合气火花点火燃烧时，湍流火焰传播速度大大高于层流火焰传播速度的原因有两方面：一是由于微元气体的无规则脉动运动，加速了火焰前锋面内的传热传质过程和化学反应速度，使沿前锋面法向的火焰传播速度加大；二是微元气体脉动使火焰前锋面出现皱褶，表面积明显增大，按整个褶皱面积算出的混合气燃烧质量比层流时大为增加。

6-7 描述高压喷雾油束的几何形状与其内油粒大小和分布的特点，并指出贯穿特性与雾化

特性有哪些评价指标？它们对柴油机性能会产生什么影响？

解：油束在进行中逐渐横向扩张，形成锥形。整个喷雾过程可分为两个阶段，即液柱阶段和分裂雾化阶段。在分裂距离内，燃料保持密集的液柱状态；在湍流和液体表面张力的作用下，液柱在一段距离后开始分裂成油线和碎片，液体燃料区域变得不连续。分裂后的油线和碎片继续在湍流和表面张力的作用下进一步分裂，并与卷入的空气进行摩擦冲撞，被细化成燃油微粒，即雾化。

评价指标包括贯穿距离、喷雾锥角和喷雾粒径。贯穿距离影响燃料的空间区域分布情况，贯穿距离过大或过小都会对燃烧造成不利影响。喷雾锥角过小时燃油雾化程度变差，且不能有效地在燃烧室空间中分布；喷雾锥角过大时，贯穿距离会减少，火焰变得短而粗。喷雾粒径的大小表征了燃油的雾化程度，雾化程度越好，则可以大大增加油粒与周围空气接触的表面积，加速吸热和气化过程，对燃烧放热规律和着火点位置都有重要影响。

6-8 实际柴油机为液滴群着火，其初期着火点在何处？液滴群的两个阶段燃烧指的是什

么？属于何种类型燃烧？各有何特点？

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解：柴油机的初期着火点一般在油束核心与外缘之间混合气浓度适当的地方。两阶段燃烧指先发生预混合燃烧，在着火前部分液滴蒸发形成可燃混合气，这部分混合气的燃烧属于预混合燃烧；后发生扩散燃烧，较大的液滴一边蒸发一边燃烧，这部分液滴的燃烧属于扩散燃烧。两阶段燃烧的特点参照预混合燃烧与扩散燃烧的特点。

6-9 什么是燃烧放热率？它需要已知和测试哪些数据才能计算获得？

解：1kmol混合气在单位曲轴转角或单位时间的燃烧放热量称为燃烧放热速率。一般情况为，为了计算燃烧放热率，需要测得p??示功图、比热容比以及壁面传热情况（传热系数、燃烧室壁表面积、燃烧室壁面温度）等数据，然后按照（6-27）式进行计算。

6-10 由式（6-7）和式（6-8）给出的燃烧速率与式（6-27）的是否相同？其原理有何不同？

实际计算时分别需要测量哪些参数？

解：由式6-7和6-8表示的燃烧速率公式与式6-27的不同。不同之处在于：

式6-7和6-8只适用于火花塞点火，有火焰传播过程且能分辨出火焰前锋面的发动机。而对柴油机的喷雾扩散燃烧，较难定义火焰前锋面，则不适用。而式6-27则是对能量守恒定律的具体描述，具有普适性。

如通过式6-7和6-8计算燃烧速率，需测量火焰传播速度、火焰前锋面积、混合气浓度等

如通过式6-27计算燃烧速率，则需测量缸内压力，计算工质绝热指数，以及工质向缸壁的传热系数等。

6-11 试推导放热速率的计算公式（式（6-27））。

解：假设工质为n mol，忽略燃烧过程n的变化，并认为缸内每一时刻的状态处处相等。有热力学第一定律：

dQBdQdQw?? d?d?d?dQdUdW?? d?d?d?d(cT)dU?nv d?d?cv?R ??1pV nR(1)

(2)

(3)

(4)

T?(5)

由(3)、(4)、(5)三式得

48

dUd?pV?1?dVdp?pVd???p?V? ????d?d????1???1?d?d?????1?2d?dWdV ?pd?d?由(2)、(6)、(7)三式得

(6)

(7)

dQ1?dVdp?pVd???p?V? ??d???1?d?d?????1?2d?dQw??tFw?T?Tw? d?由(1)、(8)、(9)三式得

(8)

(9)

dQB?1?dVdp?pVd??＝??V???tFw?T?Tw???p??2d??d?d?????1?d?????1??

6-12 一台转速为1200r/min的汽油机的缸径是102mm，火花塞距气缸中心线的偏置为

6mm。火花塞在上止点前20°CA开始点火，经过6.5°CA后开始进入火焰传播阶段，平均火焰速度为15.8m/s。计算：

（1）火焰开始传播后燃烧过程所经历的时间（即火焰前锋面到达最远的气缸壁面所需的时间）（单位s）；

（2）燃烧过程结束时所对应的曲轴转角。 解：（1）

?102??6??10?3?l2?t????0.0036v15.8s

（2）

???20?6.5?360nt??13.5?6?1200?0.0036?12.4260

即燃烧终点对应于12.42°CA ATDC。

6-13 某一四缸排量2.8L柴油机的喷油器喷孔为4油机的喷油器，在转速为1400r/min以

及有效平均压力为0.75MPa工况时，有效燃油消耗率为220g/(kw·h)，该工况下喷油时的气

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缸压力为2.5MPa。试计算喷油压力分别为50、90、130MPa时的喷雾分裂距离和分裂时间，以及喷油后20以及喷时的贯穿距离、喷雾锥角、Sauter粒径；并分析喷油压力对喷雾特性的影响。假设在此工况条件下，柴油密度为850kg/m3，空气密度为11.85 kg/m3，空气粘度为3.56度10-5kg/m·s。 解：已知：

?2?pj?pc??Lp?0.39??t??f?

1/2?pj?pc?Lp?2.95???a??1/4?d0t?1/21/2

tb?28.65???p?p??ajc?fd0

0.252??pj?pc??ad0???0.05??2???a??

SMD?23.9?pj?pc??0.135?a0.121gb0.131

根据上述公式可计算分裂距离、分裂时间，以及喷油后20 °CA的贯穿距、喷雾锥角、

Sauter粒径。pj、?f、pc、?a、d0、?a等参数已知，需求每个喷孔每循环喷油量gba及20 °CA所对应的时间ts。

inVspmeBbePe30??beVspme?220?0.7?0.75?0.009436gba???4ininj?f4?30in?f120in?f3600??f3600?4?0.85be3

cm

=9.436 mm3

gba?4?B2in??be60?8in?f???finVspmebVp?esme30?14400?f220?0.7?0.75?9.436?10?6m3?9.436mm314400?850?60?20???0.002381s=2.381 ms n6n6?1400Lp (m) 0.026766 0.026766 tb (ms) 0.205289893 0.151255211 Ls (m) 0.091088 0.106118 50

ts??360 则所求数据如下表所示：

?(°) 18.25421 21.26628 SMD (um) 25.68393 23.6507 50 Mpa 90 Mpa

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