典型发动机原理 简答题及参考答案

第一章发动机的性能

1、简述工质改变对发动机实际循环的影响。

答：①工质比热容变化的影响：比热容Cp、Cv加大，k值减小，也就是相同加热量下，温升值会相对降低，使得热效率也相对下降。②高温热分解：这一效应使燃烧放热的总时间拉长，实质上是降低了循环的等容度而使热效率ηt有所下降。③工质分子变化系数的影响：一般情况下μ＞1时，分子数增多，输出功率和热效率会上升，反之μ＜l时，会下降。④可燃混合气过量空气系数的影响：当过量空气系数φa<1时，部分燃料没有足够空气，或排出缸外，或生成CO，都会使ηt下降。而φa>1时，ηt值将随φa上升而有增大。

2、S/D（行程/缸径）这一参数对内燃机的转速、结构、气缸散热量以及与整车配套的主要影响有哪些？

答：活塞平均运动速度?m?sn30，若S／D小于1，称为短行程发动机，旋转半径减小，曲柄连杆机构的旋转运动质量的惯性力减小；在保证活塞平均运动速度?m不变的情况下，发动机转速n增加，有利于与汽车底盘传动系统的匹配，发动机高度较小，有利于在汽车发动机仓的布置； S／D值较小，相对散热面积较大，散热损失增加，燃烧室扁平，不利于合理组织燃烧等。反之若S／D值较大，当保持?m不变时，发动机转速n将降低。S／D较大，发动机高度将增加，相对散热面积减少，散热损失减少等。

3、内燃机的机械损失包括哪几部分？常用哪几种方法测量内燃机的机械损失？

答：机械损失由活塞与活塞环的摩擦损失、轴承与气门机构的摩擦损失、驱动附属机构的功率消耗、流体节流和摩擦损失、驱动扫气泵及增压器的损失等组成。 测定方法有：①示功图法、②倒拖法、③灭缸法、④油耗线法等。

4、简述单缸柴油机机械损失测定方法优缺点。

答：测量单缸柴油机机械损失的方法有：示功图法，油耗线法，倒拖法等。用示功图法测量机械损失一般在发动机转速不是很高，或是上止点位置得到精确校正时才能取得较满意的结果。在条件较好的实验室里，这种方法可以提供最可信的测定结果。油耗线法仅适用干柴油机。此法简单方便，甚至还可以用于实际使用中的柴油机上。但用这种方法求得的Pm也是近似的，其可信程度取决于Pm值随负荷变化的恒定程度和曲线在空载附近的直线性。倒拖法在具有电力测功器的条件下可以简便而迅速地进行。此法用于柴油机上时，由于一些原因，往往测得的结果要高于实际的机械损失值。对于废气涡轮增压柴油机，不能应用倒拖法，而只能应用示功图法和油耗线法。

5、内燃机的强化指标有哪些？

答：升功率——在标定工况下，每升发动机工作容积所输出的有效功率，即

PL?PeiVs（kW/L）比

1

质量——发动机的干质量与标定功率之比，me?度乘积，pe?Cm

m强化系数——即平均有效压力与活塞平均速Pe6、在一定假设条件下，可以把四冲程汽油机的实际工作过程简化为如题31图所示的理想循环的温—摘（T—S）图。

试求：1．对应的压—容（P—V）图，并标出各热力过程的性质；

2．循环的加热量和放热量在T—S图上用哪些面积表示？ 答案要点：

题31图 定容加热循环的P—V图如图所示

其中1—2为绝热等熵压缩过程，2—3为等容加热过程，3—4为绝热等熵膨胀过程，4—1为等容放热过程。

循环加热量用T—S图上面积6123456表示

循环放热量用 T—S图上面程61456表示。

?7、简述真实循环特性对发动机实际循环热效率t的影响。

答：（1）散热损失：实循环并非绝热过程，通过汽缸壁面、缸盖底面、活塞顶面向外散热。（2）时间损失：实际循环时，燃烧及向工质加热不可能瞬间完成，因此：存在点火（喷油）提前角，产生燃烧提前的时间损失；由于高温热分解，产生后燃损失。（3）换气损失：存在排气门早开的自由排气损失和进排气过程的泵气损失。（4）不完全燃烧损失：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。（5）缸内流动损失：压缩及燃烧、膨胀过程中，由于缸内气流（涡流和湍流）所形成的损失。（６）工质泄漏的损失：工作过程中，工质通过活塞外向外泄漏是不可避免的。由此产生泄漏损失。

题31图

相应的T—S（温—熵）图如右：

8、简述提高汽油机充气效率的主要途径。

答：①降低进气系统的阻力损失，提高气缸内进气终了时的压力。②降低排气系统的阻力损失，以减少缸内的残余废气稀释。③减少高温零件在进气系统中对新鲜充量的加热，降低进气充量

2

的温度。

第二章发动机的换气过程

9、对于汽油机，均质燃烧系统与分层燃烧系统相比有何缺点？简述分层燃烧的原则。

答：与分层燃烧相比，均质燃烧系统有以下缺点：（1）容易发生爆燃；（2）汽油机功率变化时，混合气仍需维持在点火范围内的浓度，使得空燃比不可能变化很大，这就决定了汽油机的负荷调节只能采取量调节，而不能采用质调节，低负荷时经济性更差；（3）汽油机始终以点火范围的混合气工作，热效率?t较低；（4）排气污染严重。

分层燃烧的原则：当点火的瞬间，在火花塞间隙的周围局部具有良好着火条件与较浓的混合气。而在燃烧室大部分地区具有较稀的混合气，在此二者之间，为了有利于火焰的传播，有从浓到稀各种空燃比混合气过渡，只要一旦形成火焰，在火焰传播过程中，即使是相当稀的混合气，还是能正常燃烧。因为将混合气浓度有组织地进行分层，所以称为分层燃烧系统。

10、如何选择高速发动机和低速发动机的进气管长度？

答：高速、大功率时的发动机，应配装粗短的进气管，短管内的反射压力波能满足高速惯性效应的要求；中低转速、最大扭矩时的发动机，应配装细长的进气管，长管内的反射压力波能满足中低速惯性效应的要求。进气管长度的增加或管径的减小，可使充量系数的峰值向发动机低速一侧移动，反之则向高速侧移动。

11、画出汽油机充气效率速度特性曲线，简述曲线的变化规律。

答：作出汽油机不同节气门开度时的充气效率速度特性曲线。汽油机由于存在节气门及喉管(用化油器时)，进气阻力较大，因而?c随转速上升而较快下降。部分负荷节气门关小时，阻力更大，?c下降更急剧，其速度特性线如图所示。

12、简述发动机进、排气门提前开启、滞后关闭的原因。

答：膨胀过程末期，缸内压力较高，如果到下止点才打开排气门，由于开启初期气门上升缓慢，

开度也小；再加上气流因惯性而不会马上高速流出，都会使排气不畅，排气损失和阻力增大，并间接影响充气量。因此，要求排气门提前开启，这就出现了排气早开角。如果排气门在上止点关闭，此时废气还具有一定的往外运动速度。为充分利用这—惯性，增大排气量，可适当晚关排气门，大约在缸内压力接近排气门外背压时关闭，则可获最大的排气功效。这一延迟关闭角即排气晚关角。进气门若在上止点开启，则因开启初期气门上升缓慢，通过截面面积小，以及进气气流的加速需要一段时间等惯性的影响，会使缸内真空度加大，进气量减少，而进气损失增大。所以要求进气门适当提前开启，此即进气早开角。进气门晚关主要是为了充分利用下止点时高速进气气流的惯性，增大进气充量。进气门若能推迟到气缸压力接近气门外背压时关闭，将获得最大的惯性利用。进气门晚于下止点关闭的角度叫做进气晚关角。

13、简述多缸机“进气抢气”和“排气干涉”现象，如何避免？

答：多缸机各缸的进、排气总管和歧管相互串联或并联。若某一缸进气时，其它缸的疏波正巧到达，则会降低此缸进气压力，使?c减小，此即所谓“抢气”或“进气干涉”现象。同理，某缸排气时，正巧其它缸的排气密波到达，则会使该缸排气背压上升，残余废气量增多，也间接

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使?c减小，此为“排气干涉”现象。多缸机各缸的上述现象各不相同，这就会出现多缸机各缸进气不均匀的现象。为了消除上述不利影响，可把各缸中进、排气时间基本不重叠的几个缸合成一组，使用相对独立的进、排气系统。譬如，传统工作顺序为1-5-3-6-2-4的六缸机，可分为1、2、3缸和4、5、6缸两组。各组的三个缸两两之间，进、排气相位均相差240°曲轴转角，接近各缸真实的进、排气总相位角。一缸气门开启，另两缸则基本关闭，这就在某种程度上排除了相互“干涉”的可能性。进一步还可以选择合适的歧管长度，类似单缸机那样，充分利用其动态效应来改善各缸的进、排气性能。

14、作出进气迟闭角分别为40o和60o时的充气效率?c?n曲线和有效功率Pe?n曲线，分析转速变化对进气迟闭角的影响？

答： 要强化发动机，提高转速，加大输出功率时，进气晚关角应适当加大。要加大低速转矩，提高爬坡及低速加速能力时，进气晚关角应适当减小。目前出现的电控可变配气相位机构，就是根据这一原理开发的。

15、气门的气流通过能力常用气门的开启“时间—断面”表示，分析增加此“时间—断面”’的主要措施有哪些？

答案要点：（１）增加气门最大升程，但不可能无限制增大，当气门开启截面等于气门喉口断面

时，再增大气门升程也没有什么用处了。（２）适当增加气门早开晚关角度。尽可能使用气门早开、晚关。但要从配气定时全面考虑，配气定时有一最佳值，气门也不能无限制地早开、晚关。（３）合理设计凸轮型线改善气门运动规律，增大气门开启、关闭的速度，也可以增加时面值，但气门运动速度、加速度增大，冲击、噪声都将增加。磨损加剧。（４）气门头部、气道、喉口处的几何形状、尺寸的合理设计，如增加气门直径、采用多气门及合理选择气门锥角等扩大气流通路截面积亦可提高时面值。

第三章燃料与燃烧

17、发动机工作过程中，缸内不断变化的工质对发动机的各种性能以及燃烧工作模式有巨大影响，为什么？

答：不断变化的工质对发动机的各种性能以及燃烧模式有着巨大的影响。 第一，缸内工质是热力循环中热功转换的传递物。

第二，缸内燃料与空气组成的可燃混合气又是发动机能量输出的源泉。

第三，燃料的理化特性在很大程度上决定了混合气形成、着火燃烧以及发动机负荷调节的不同模式。这一模式反过来又对循环效率、充量系数有重大的影响，即对动力、经济性能产生间接的重大的影响。

此外，不同燃料的理化特性也影响到有害排放物的成分和数量。

18、简述传统汽油机与柴油机工作模式的差异。

答：第一，混合气形成方式的差异；汽油——易气化，在常温或稍加热的条件下易于在缸外与空气形成预制均匀混合气；柴油——难气化，缸内高压燃油喷射雾化与高温空气混合；

第二，着火燃烧模式的差异；汽油机预制均匀混合气，只能适用外源强制点火，在混合气中进行火焰传播燃烧；柴油机高压喷雾混合，利用压缩高温空气使柴油自行着火，紧接着进行边喷油、边汽化混合的扩散燃烧；

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第三，负荷调节方式的差异；汽油机均匀混合气能点燃的混合气浓度范围小，只能靠变化节气门开度，控制混合气进气量来调节负荷。这种方式称为负荷量调节；柴油机在较大的混合气浓度范围都可以压燃着火，所以靠改变循环供油量来调节负荷，由于进气量基本不变，也就是说靠改变混和气浓度来调节负荷，这种方式称为负荷质调节。

19、简述预混合燃烧和扩散燃烧的主要特点。

答：（1）扩散燃烧时，由于燃料与空气边混合边燃烧，因而燃烧速度取决于混合速度；而预混合燃烧时，因燃烧前已均匀混合，因而燃烧速度主要取决于化学反应速度，即取决于温度T和过量空气系数（浓度）。（2）扩散燃烧时，为保证燃烧完全，一般要求过量空气系数φa≥1.2，并在总体的φa＞6.8的条件下也能稳定燃烧（稀燃）；而预混合燃烧时，一般φa=0.8～1.2，可燃混合气浓度范围小，难以稀燃。（3）扩散燃烧时，混合气浓度和燃烧温度分布极不均匀，易产生局部高温缺氧现象，生成炭烟；而预混合燃烧时，由于混合均匀，一般不产生炭烟。（4）扩散燃烧时，由于有炭烟产生，碳粒的燃烧会发出黄或白色的强烈辐射光，因此也称“有焰燃烧”；而预混合燃烧时，无碳粒燃烧问题，火焰呈均匀透明的蓝色，因此也称“无焰燃烧”。（5）预混合燃烧由于燃烧前已形成可燃混合气，有回火的危险；而扩散燃烧一般无此危险。

20、从提高发动机有效效率方面说明有哪些措施可以提高发动机的能量利用效率？

答：提高ηet的新途径：第一，超膨胀发动机循环——米勒循环；第二，汽油机向稀燃和缸内直喷的发展；第三，汽、柴油机电子控制与可变技术的结合；提高ηet的常规途径：包括合理组织混合气和燃烧等提高燃烧效率、合理选择循环参数等提高热效率及减少摩擦损失、驱动附件损失和泵气损失等提高机械效率。

21、简述代用气体燃料在发动机燃料供给系统的可能使用方法。

答：内燃机常用的气体代用燃料有压缩天然气（CNG）和液化石油气（LPG），可能使用方法有：（1）气体代用燃料与空气在缸外混合、火花点火。（2）气体代用燃料与空气在缸外混合、柴油引燃。（3）气体代用燃料缸内喷射、火花点火。（4）气体代用燃料缸内喷射、柴油引燃。（5）气体代用燃料缸外喷射、压缩自燃。（6）气体代用燃料缸内喷射、压缩自燃。

第四章汽油机混合气的形成与燃烧

22、汽油机的燃烧过程分哪几个阶段？影响点火提前角的因素有哪些？

答：汽油机的燃烧过程分滞燃期、急燃期、后燃期。点火提前角的影响因素：转速、过量空气系数、进气压力、温度、残余废气系数、燃烧室结构、燃料品质、空燃比、点火能量、火花塞间隙等

23、为什么有大缸径的柴油机而无大缸径的汽油机？

答：汽油机气缸直径的增大主要受到爆燃的限制。缸径愈大，则火焰传播距离也愈大，爆燃倾向增加，所以一般没有大缸径的汽油机。在汽车上使用的汽油机气缸直径常小于100毫米。

24、简述汽油发动机爆燃的燃烧机理及爆燃产生的主要原因。

答：火花塞点火后，火焰前锋面呈球面波形状以30～70m／s的速度迅速向周围传播，缸内压力和温度急剧升高。燃烧产生的压力波(密波)以音速向周围传播，远在火焰前锋面之前到达燃烧室边缘区域，该区域的可燃混合气(即末端混合气)受到压缩和热辐射，其压力和温度上升，燃前化学反应加速，一般来说，这些都是正常现象，但如果这一反应过于迅速，则会使末端混合

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气在火焰锋面到达之前即以低温多阶段方式开始自燃。由于这种着火方式类似柴油机，即在较大面积上多点同时者火，因而放热速率极快，使局部区域的温度压力陡增。这种类似阶跃的压力变化，形成燃烧室内往复传播的激波，猛烈撞击燃烧室的壁面，使壁面产生振动、发出高频振音(即尖锐敲缸声)，这就是爆燃。 主要原因：（1）燃料的性质----抗暴性能好坏。（2）末端混合气的压力和温度过高导致爆燃的产生。（3）火焰传播距离过长，时间过长。

25、简述汽油机爆燃时的特征。

答：爆燃时，缸内压力曲线出现高频大幅度波动（锯齿波），同时发动机会产生一种高频金属敲击声，因此也称爆燃为敲缸（Knock）。汽油机爆燃时一般出现以下外部特征：1）发出3000～7000Hz的金属振音。2）轻微爆燃时，发动机功率略有增加，强烈爆燃时，发动机功率下降，转速下降，工作不稳定，机身有较大振动。3）冷却系统过热，气缸盖温度、冷却水温和润滑油温均明显上升。4）爆燃严重时，汽油机甚至冒黑烟。

26、简述影响表面点火的因素和防止措施。

答：凡是能促使燃烧室温度和压力升高以及积碳形成的因素，都能促成表面点火。表面点火多发生在高压缩比（ε>9）的强化汽油机上。点火能量小的燃料也容易产生表面点火。苯、芳香烃、醇类燃料抗表火性较差；而异辛烷抗表火性好，抗爆性也好，是很优良的燃料成分。 防止表面点火的主要措施有：

（1）防止燃烧室温度过高，这包括与降低爆震同样的方法，如降低压缩比和减小点火提前角等。

（2）合理设计燃烧室形状，使排气门和火花塞等处得到合理冷却，避免尖角和突出部。 （4） 选用低沸点汽油，以减少重馏分形成积碳。

（4）控制润滑油消耗率，因为润滑油容易在燃烧室内形成积碳；同时应选用成焦性较小的润滑油。

（5）有些汽油和润滑油添加剂有消除或防止积碳作用。 （6）提高燃料中抗表火性好的成分，如异辛烷等。

27、简述汽油机循环波动的影响因素及改善措施。

答：（1）过量空气系数φa的影响最大，一般在φa =0.8-1.0（最易点燃和燃烧范围）时的循环波动率最小，过浓或过稀都会使循环波动率增大，这也是稀薄燃烧汽油机须解决的主要问题。 （2）油气混合均匀程度有重要影响，而适当提高气流运动速度和湍流程度可改善混合气的均匀性。（3）残余废气系数φr过大，则循环波动率增大，除合理控制残余废气量之外，通过燃烧室合理设计和组织扫气以防止火花塞周围废气过浓也很重要。（4）发动机工况不同循环波动率不同，一般低负荷（φr会增大）和低转速（湍流程度会降低）时循环波动率增加。（5）提高点火能量或采用多点点火可降低循环波动率。如采用双火花塞点火或新型火花塞，可使循环波动率由11%下降至4%，燃油消耗率be降低10%左右。

第五章柴油机混合气的形成和燃烧

28、对于汽油机和柴油机而言，希望有怎样的放热规律？

答：为了兼顾发动机的各种性能，合理的燃烧过程应作到：对于汽油机而言，着火点位置要适宜，燃烧持续期不过长，放热率曲线宜先缓后急；对于柴油机则更具体为：滞燃期要缩短，速燃期不过急，缓燃期要加快，后燃期不过长。

29、从化学反应的角度看，改变哪些因素可以缩短柴油机的着火延迟期？

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答：影响因数：1）压缩压力、温度提高，则燃料的物理、化学准备速度加快，着火延迟期?i会缩短；增压压力提高，?i缩短 ；2）喷油提前角?加大，则着火延迟期?i增加；?减小，?i会缩短（在小于工况最佳喷油提前角的范围内变化）；3）发动机转速增加，?i缩短；负荷增加，?i缩短；4）燃料十六烷值提高，?i缩短

30、简述压缩比?对汽油机及柴油机性能的影响及其选择的主要依据。

答：通过对理论循环的分析可知，当压缩比?增加时，柴油机、汽油机的循环热效率都增加。但当?已较大时，若再增加?，?t的增加将很小，但此时最大爆发压力和压力升高率均较大，发动机工作粗暴，零部件将受到更大的机械负荷。对柴油机而言，目前?已比较大（一般在16～22），从发动机工作可靠性、改善排放性能等方面考虑，压缩比?不再增加，甚至有降低?的趋势；但对汽油机，目前?仍不太高，一般在6～10，还有提高的潜力，但对?的增加受到爆燃的限制。因此对柴油机?的选取只要能保证压缩终了时气缸内气体温度大于柴油的自然温度 200～300℃以保证起动的要求。对于汽油机的选取主要是考虑爆燃等因素。

31、简述放热规律对柴油机性能的影响及改善放热规律的措施。

答：柴油机如开始放热较快，dpd?上升快，产生操音大，发动机工作粗爆；如开始放热慢，dpd?上升慢，但由于燃料不能在上止点附近燃烧完全，造成后燃，经济性不好，be较高。所以，比较合适的放热规律是希望燃烧先缓后急，即开始放热适中，满足放热柔和的要求；随后燃烧加快，使燃烧尽量在上止点附近完成。改善放热规律的措施是：选用合适的喷油规律，放热开始时刻和放热持续时间，可由 喷油时刻和喷油时间在一定程度上加以控制。另外，改进燃烧室也是改善放热规律的重要方面。

32、简述柴油机的喷油提前规律及原因。

答：柴油机要求转速及负荷都提前。转速提前的原因是：油量调节杆位置不变时，高转速的着火落后角要比低转速大得多；再加上喷油持续角和相应的燃烧持续角也都加大（这是喷油特性所决定的），所以要求转速提前。但是转速不变喷油量加多时，主要由于喷油持续角加大也要求适当提前。这一点与汽油机负荷减小时的真空提前正好相反。

33、对于电控柴油机而言，何谓时间控制？试述高压共轨系统原理和主要特点。

答：时间控制系统：在高压油路中利用一个或两个高速电磁阀的启闭控制喷油泵和喷油器的喷油过程。喷油量的控制由喷油器的开启时间长短和喷油压力大小决定，喷油定时由控制电磁阀的开启时刻确定，从而实现喷油量、喷油定时和喷油速率的柔性控制和一体化控制。 主要特点：（1）喷油压力柔性可调，对不同工况可确定其最佳喷射压力，优化控制柴油机的综合性能（2）可独立地柔性控制喷油定时，配合高的喷射压力，可同时控制有害物的排放（3）柔性控制喷油速率变化，实现理想的喷油规律，降低柴油机NOX、dp/dφ保证优良的动力性与经济性（4）电磁阀控制喷油，控制精度高，高压油路不会出现气泡和残压为零现象。

34、试述柴油机冷起动困难的原因及改善冷起动的措施。

答：柴油机冷起动困难的原因：

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（1）压缩终点温度过低

柴油机自燃着火的条件是，压缩终点温度应高于柴油自燃温度。随压力的下降，为保证着火所需的自燃温度升高。

在冷起动时，由于活塞与气缸的间隙较大，且缺少润滑油的辅助密封，引起压缩过程中漏气量增加；气缸及燃室壁面温度低，引起传热损失增大；上述原因造成压缩终点的温度及压力同时下降。压缩终点温度取决于环境温度、起动转速和燃烧室结构。不同燃烧室结构的柴油机，其冷起动特性不同。非直喷式柴油机的燃烧室比表面积大，散热损失也大，因而其冷起动特性比直喷式柴油机差。

（2）可燃混合气形成过慢

低温时燃料粘度增大，使雾化和蒸发速度降低，加之转速低使缸内气体运动较弱，这些均导致可燃混合气形成速度变慢。

混合气形成速度和化学反应速度的降低，使着火落后期明显拉长，最高燃烧压力和压力升高率均较正常燃烧时增高，甚至发出强烈的“敲缸”声和发生“冲缸垫”（急剧升高的燃烧压力使气缸垫被损并漏气）的故障。 （3）阻力过大

低温时的润滑油粘度大，机械摩擦功加大；加上蓄电池性能的下降，使起动电机工作转速降低，这些都增加了冷起动的困难。 改善冷起动的措施：

根据以上冷起动困难的主要原因，可以确定改善冷起动的主要思路是保证足够的着火温度压力和足够的可燃混合气量，同时降低润滑油粘度。为此，可采用以下措施。 （1）选择合适的起动转速

对不同类型的柴油机，其起动转速不同。起动转速过低，由于漏气量增加会导致压缩终点压力不足；但转速过高，燃油蒸发混合时间缩短，也不利于起动。 （2）适当增加循环喷油量

低温起动时，首先蒸发混合着火的是柴油中的轻馏分部分，循环喷油量增加，轻馏分增加，着火前形成的可燃混合气量增加。但循环喷油量过多会使混合气温度降低，反而不利于冷起动。 （3）适当推迟喷油提前角

越接近压缩上止点，缸内温度和压力越高，适当推迟喷油提前可改善冷起动。 （4）采用高性能燃料

采用高十六烷值的柴油，提高自燃性；采用与气温、季节相适应的柴油以保证蒸发混合。 （5）采用预热方法

对冷却水、进气进行预热可提高燃室温度，燃烧室设置电热塞也是常用的方法。其中对冷却水预热还可使机油粘度降低，由此降低起动阻力。机油粘度与起动阻力的关系如图7－11所示。

第六章发动机的特性

35、何谓发动机工况？哪几个参数可以确定一种工况？

答：发动机的运行状况称为工况。发动机两个独立的运行特征参数可以确定一种工况。汽车的运行状况是由速度和行驶时克服的总阻力来表示的。相应的，发动机的工况则由转速和曲轴输出的功率表示。因此，一个确定的转速（n）和相应的输出功率（Pe）就表征发动机的一个运行工况。

36、柴油机标定功率有哪几种？说明应用场合。

答：（１）15分钟功率

指发动机可连续运行15min仍保持正常状态的最大有效功率。汽车、摩托车、摩托艇等发动机

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使用最大功率的时间很短暂，多选用这种方法进行标定以获得更大的动力性能。 （２）1小时功率

允许发动机可正常连续运行１小时的最大有效功率。适于有较长时间重载使用的拖拉机、工程机械等发功机。 （３）12小别功率

允许发动机可正常连续运行12小时的最大有效功率。适于连续长达12小时左右重载工作的拖拉机、排灌、电站等发功机。 （４）持续功率

允许发动机长期正常连续运转的有效功率。适用于远洋船舶、日夜运行的铁路机车和排灌、发电机组的发动机。

37、简述汽油机的点火提前规律及原因。

答：作出汽油机的最佳点火提前特性图。

对于汽油机，最佳?ig角将随转速的上升而加大，称为转速提前；而又随进气管真空度的上升（负荷下降）而加大，称为真空提前。最佳点火提前角特性图表示了最佳?ig在n及负荷变化时的变化规律。这是因为，在节气门开度不变时，各个转速的着火落后期均变化不大。但转速上升后，相同落后期所占的转角将正比增加，于是高转速时的着火落后角显著加大。为

最佳点火提前角特性图

(a)节气门全开 (b)n＝1600rmin

保证最大压力点相位大致不变，必定要加大?ig角。在转速不变时，随着节气门的减小，进气管真空度上升，残余废气系数?r将加大，使得燃烧速度下降。这样，着火落后期和燃烧持续期都加大，就要求点火提前以保证加热中心接近上止点位置

38、举例简述研究调整特性的意义。

答：研究调整特性的意义在于对性能进行优化。从单一性能的角度提要求，均可找出调整的最优值，如汽油机动力、经济性的工况最佳点火提前角就是一例。但从综合性能的角度来看，单项最优未必能保证整体最优，一般要折衷选出合适数值以获得最佳的匹配。

从发动机发展的历程来看，对于一些重要的调整参数，早已使用了实时调控的装置来改善某些性能指标。利用化油器调控过量空气系数φa，利用汽油机的转速与真空点火提前器以及柴油机的自动供油提前器来调整点火及喷油提前角就是例证。但是传统发动机对于大多数的参数是无法实时调控的，只能在设计时选用一个折衷值而已。发动机电控技术的普及，使得更多参数有了实时自动调控的可能（汽油机电控、柴油机电控）。这不仅全方位地改善了发动机的性能，也使调整特性的研究更具有现实的意义。

39、简述发动机运行特性的分析思路。

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答：先推导出发动机稳定运行条件下，有效输出功率Pe和有效燃油消耗率be的多因素综合解析式。考虑到发动机实际运行中，式中的很多参数都是常数，若将各常量用一个统一的常系数来表示，则上述解析式可简化。

利用上述各式进行稳态特性曲线分析时，先要单独分析各因素随工况参数的变化规律和曲线，然后叠加在一起，再分析Pe、be、Ttq和B等指标随工况的变化规律和走向特点，并指出各单个因素影响的原因和程度，作为修正特性曲线和选择性能改进措施的依据。

40、在外特性中，为什么柴油机的扭矩响？

Ttq曲线比汽油机的平坦些？这对实际使用有何影

答：汽油机φc和ηm总体上随转速呈下降趋势，转矩Ｔtq线主要受φc和ηm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ηit对曲线的影响不大，仅使高、低转速处的Ｔtq值略降低。

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

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。其次，就最高档可达到的最高转速，则是柴油机比汽油机更远离标定转速点，这是因为汽油机Ｔtq线下降急剧，而柴油机比较平缓的缘故。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。

上述分析表明，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；柴油机则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”。

41、从发动机与汽车传动系的合理匹配的角度说明如何提高汽车动力性能？

答：汽车传统系统对动力性能的影响，主要反映在排挡的选择和速比的分配上面，从理论上说，传动系统实现无级传动将使整车具有最大的动力性能。无级传动的汽车以任何速度行驶都可使发动机在标定功率点运转，因此。无论最大转矩、最大车速以及总后备功率都会达到最高值。相同车速时，最低挡的最大驱动力：无级传动大于有级传动。最高档的最大车速：无级传动大于有级传动。车速由某一低速加速到某一较高车速时的总后备功率：无级传动大于有级传动。 按此推论，采用有级传功时，排挡愈多理论上愈有利于动力性能的提高。同时也愈有利于经济性的提高。近年来，轿车的手动变速器多已增至5～６个挡，专用重型汽车、牵引车甚至采用10～16个挡位，均与此有关系。对于只有少数档位的变速器，各档传动比及主减速比的选择，对动力性能有较大影响。低档速比应照顾克服最大阻力的能力；高档速比则要照顾所能达到的最高车速，而各档速比的分配，应按获得最佳加速性能和经济性能的要求来考虑。

42、从完善机、车配套和选择的角度说明如何提高汽车燃油经济性能？

答：1）汽车的每一个工况（由车速和驱动力决定）都要消耗确定的驱动功率，即要求发动机输出一个确定的功率。如果实现无级传动，

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就可以选择发动机等功率线上的最低燃油消耗率bemin点来配套，这样就可达到最经济的要求。发动机的等功率线就是图上虚线所示的双曲线族。各线的bemin点就是该等功率线与等耗油率线的切点。于是这些切点的联线就是实现无级传动时发动机的最经济运行线，如图上黑点线所示。2）对于大多数有级传动的车辆，合理匹配的关键是排挡数与各挡速比、主传动比的选择与分配。此时，由该点的n和汽车要求的Va来确定主传动比i0、排档传动比ik值，因为该点pme及be已知，则可求得最经济的g100值。3）从发动机的角度，如何使全特性曲线更好地满足整车燃油经济性的要求是合理匹配的另一个重要方面。

43、在负荷特性中，为什么柴油机的有效燃料消耗率be曲线比汽油机的平坦些？

答：汽油机：在转速不变时，ηit在高、低负荷两头均有下降，总体上则随负荷下降而变小。这是因为，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φr加大，从而燃烧速度下降；再加上负荷变小时过量空气系数φa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ηit逐渐减小。但节气门开度高于85％左右时，由于功率混合气的要求。φa将逐渐加浓到０.85～０.90，因燃烧不完全致使ηit也降低。指示燃油消耗率bi线：由ηit的倒数所决定，为两端上翘，总体上随负荷上升而略下降的曲线。有效燃油消耗率be线：在bi线上，叠加ηm的影响。怠速时为无穷大（ηm＝０）；之后随负荷而急剧下降，约80%～85%负荷时达到最低值，以后由于“加浓”又有回升。

柴油机：在转速不变时，ηit线高、低负荷两头均有下降趋势，总体上则随负荷降低而增加。此趋势与汽油机正相反。这是因为，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。但是负荷太小，缸内温度太低，燃烧反会恶化；负荷过大，混合气加浓到—定程度后混合气燃烧均不完善，因此，高、低负荷两头都有ηit下弯趋势，尤以超负荷时更为严重。指示燃油消耗率bi线：由ηit的倒数所决定。总体上随负荷上升而加大，两头则有上翘趋势，大功率时增长较大。有效燃油消耗率be线：由bi线叠加ηm线影响。从总趋势看与汽油机有相似之处。但值得注意的是，由于ηit线和ηm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，约接近80％～90％负荷率处获最低值，以后因燃烧恶化而上升。

44、比较题36图所示汽油机负荷特性曲线上A、B两点下列参数的大小。 (1)充气效率 (2)过量空气系数

(3)指示效率 (4)机械效率

A (5)点火提前角

B

答：（1）AB

平均有效压力

有效燃油消耗率 第七章车用发动机的废气涡轮增压

45、何谓喷油提前角？说明它与供油提前角有何不同？分析喷油提前角对柴油机工作过

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有效燃油消耗率

程参数及性能有何影响？

答：喷油器针阀开启向气缸喷油至上止点这段曲轴转角叫喷油提前角。

供油提前角是指喷油泵开始向高压油管供油到上止点为止的这段曲轴转角。 供油提前角与喷油提前角之间的关系： 供油提前角＝喷油提前角＋喷油延迟角

喷油提前角太大，燃料在压缩过程中燃烧的数量就多，不仅增加了压缩负功，使燃油消耗率增高，马力下降，且由于喷油提前角过大，着火延迟期较长，压力升高率及最高燃烧压力均较大，使发动机工作粗暴。

若喷油提前角过小，则燃料不能在上止点附近迅速完全燃烧，后燃增加，燃油消耗率较高，排温升高，发动机过热。

因此有一最佳喷油提前角，此时油耗最低。最佳喷油提前角通常是在调试过程中，由试验最后选定。

46、试述速度特性曲线和负荷特性曲线的测取方法。

答：（１）速度特性测取方法（５分）

内燃机运转，柴油机在油量调节机构保持不变（负荷一定），各工况调整到最佳喷油提前角，水温、机油温度、机油压力等参数保持正常稳定的范围；汽油机节气门开度保持不变（负荷一定），各工况调整到最佳点火提前角，过量空气系数按理想值配制，水温、机油温度、机油压力等参数保持正常稳定的范围。调整测功器负荷, 使转速达到预定值, 测量计算B、be、Pe和Ttq，在特性曲线图上标出该点。再调节测功器负荷，使转速达到第二个预定值, 再测量计算B、be、Pe和Ttq，并在特性曲线图上标出该点……将所有点用一条光滑曲线连接即为速度特性。 （２）负荷特性测取方法（５分）

内燃机运转，汽油机各工况调整到最佳点火提前角，过量空气系数按理想值配制，水温、机油温度、机油压力等参数保持正常稳定的范围，节气门开度固定到第一个预定值；柴油机各工况调整到最佳喷油提前角，水温、机油温度、机油压力等参数保持正常稳定的范围，油量调节杆固定到第一个预定值。调整测功器负荷, 使转速达到预定值。测量计算B、be和Pe，在特性曲线图上标出该点。再调节节气门开度或油量调节杆到第二个预定值，同时调节测功器负荷，使转速维持不变。再测量计算B、be和Pe，并在特性曲线图上标出该点……将所有点用一条光滑曲线连接即为负荷特性。

47、柴油发动机采用进气增压有何优点？

答： (1)提高动力性能：在排量和发动机质量基本不变的条件下，增压使输出功率大幅度提高。 (2)改善经济性能：柴油机增压后，要对喷油、进气和燃烧诸系统重新进行性能匹配，以保证不低于自然吸气原机的燃烧效率和循环热效率。实际上，增压机型的机械效率也提高了，这是总机械损失功率变化不大，而有效功率大幅上升的结果。增压机大都作泵气正功，这会使指示效率提高。再加上增压后，标定工况的过量空气系数都要加大(变稀)，这是因为热负荷、机械负荷加大以及进气量增多后应采取的措施。这些都使经济性能改善。

(3)改善排放性能：增压后，由于进气量加大，混合气变稀，使得有害排放ＨＣ、ＣＯ和烟度都有所下降。但是增压后，主要由于进气温度的上升，NOX有害排放有所增加。此时，若采用增

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压中冷技术，即采取措施使增压后的热空气经冷却降温后再进入气缸，则NOX反会低于自然吸气机型。

(4)降低燃烧及排气噪声：增压后，由于压缩压力与进气温度的增加，使燃烧的滞燃期缩短，燃烧的压力升高率下降，其结果使燃烧噪声下降。由于排气可在涡轮机中进一步膨胀，所以排气噪声也有所降低。 (5)降低制造成本：增压机单位功率质量的下降，使单位功率的制造成本下降，材料利用率提高。对大型柴油机而言，这一效益更为突出。可以减少缸数或气缸直径，减少整机外型尺寸和单位功率的质量，这对提高车辆使用经济性很有意义。 (６)对补偿高原功率损失十分有利。

48、试述柴油机恒压及脉冲两种涡轮增压系统的优缺点。

答：恒压系统及脉冲系统的优缺点比较如下：

（１）脉冲增压系统由于部分的利用了废气的脉冲能量，所以，系统的可用能量比恒压系统大。 （２）脉冲增压对气缸中的扫气有明显的好处。

（３）在脉冲系统中，由于排气管容积较小，当柴油机负荷改变时，排气的压力波立刻发生变化，并迅速传递到涡轮，所以脉冲系统加速性能较好。此外，在柴油机转速降低时，脉冲系统可用能与恒压系统可用能之比增大，改善了柴油机的扭矩特性。

（４）脉冲系统的涡轮平均绝热效率比恒压系统的低。因为柴油机开始排气时，废气以很高的流速进入涡轮，流动损失很大，以及气流和叶片不断发生冲击以及气流分离，造成较大的撞击损失等原因。但是，随着增压压力的提高，脉冲波幅减小，脉冲系统的涡轮平均绝热效率将有所提高。

（５）脉冲系统的废气瞬时流量也是周期变化的，其瞬时最大流量比恒压系统的流量大。因此，脉冲系统的尺寸较大。

总之，在低增压时，采用脉冲涡轮增压较为有利。而在高增压时，则宜采用恒压涡轮增压。

第八章排气污染与控制

49、发动机的排放污染物主要有哪些成份？

答：（一）排气污染——占发动机总污染量的65～85%

（1）一氧化碳 CO（2）氮氧化合物 NOX（3）碳氢化合物 HC（4）燃料液滴和炭粒（5）各类铅、硫化合物

（二）曲轴箱通风污染——占发动机总污染量的20%左右

主要是碳氢化合物HC。

（三）汽油箱通风污染——占发动机总污染量的5%左右

主要是碳氢化合物HC。

（四）油管、油泵接头处的泄漏污染——占发动机总污染量的5～10%

主要是碳氢化合物HC。

50、柴油机冒黑烟的主要原因是什么？减少碳烟排放的措施有哪些？

答：该现象是由于燃油燃烧不完全而产生的。炭烟的生成机理，概括地说是烃类燃料在高温缺氧条件下裂解生成的。一般认为，当燃油喷射到高温的空气中时，轻质烃很快蒸发汽化，而重质烃会以液态暂时存在。液态的重质烃在高温缺氧条件下，直接脱氢碳化，成为焦炭状的液相析出型碳粒，粒度一般比较大。而蒸发汽气化了的轻质烃，经过不同的复杂途径，产生气相析出型碳粒，粒度相对粒小。首先，气相的燃油分子在高温缺氧条件下发生部分氧化和热裂解，

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生成各种不饱和烃类，它们不断脱氢形成原子级的碳粒子，逐渐聚合成直径2nm左右的炭烟核心(碳核)；气相的烃和其它物质在碳核表面的凝聚，以及碳核相互碰撞发生的凝聚，使碳核继续增大，成为直径20～30nm的炭烟基元；而炭烟基元经过相互聚集形成直径1μm以下的球状或链状的多孔性聚合物。重馏分的未燃烃、硫酸盐以及水分等在碳粒上吸附凝集，形成排气微粒。冒黑烟时，常伴有发动机功率下降，排气温度过高，水温过高，从而导致发动机的机件磨损，降低发动机寿命。

该现象的成因（导致燃烧不完全的成因很多）和排除方法如下。 (1)减少排气背压太高或排气管道阻塞。 (2)增加进气量，减少进气管道阻塞。 (3) 正确调整气门间隙。

(4) 调整高压油泵各缸供油量均匀，调整喷油的提前角。 (5) 检查喷油器型号和喷油器工作状况。 (6) 检查柴油质量或牌号等。

51、根据燃烧机理分析产生柴油发动机工作粗暴及NOx排放过高的原因和避免的措施。

答：柴油发动机通常采用喷射雾化，靠燃料的自燃着火，在燃烧准备阶段存在一定滞燃期，若在此期间喷油过多，会导致速燃期燃烧速率加快，缸内压力升高率急剧上升，燃烧温度过高，从而产生工作粗暴，燃烧噪声增加，NOx排放增加，通常需要减小滞燃期或减少滞燃期内的喷油量。NOx是燃烧过程中缸内混合气在高温富氧条件下反应的产物，可燃混合气氧含量越高，燃烧温度越高，燃气在高温下滞留的时间越长产生的NOx越多。

措施：

（1）减少喷嘴直径，增加喷射孔数，提高喷射压力，改善雾化质量。

（2）缩短着火落后期，例如选用十六烷值高的燃料，在燃烧室内造成着火热区等。

（3）减小着火落后期内的喷油量，最常用的方法是降低初期喷油速率，近年来开发成功的预喷射方法以及靴型喷油规律是控制燃烧噪声和NOx的有效措施。

（4）合理布置喷油嘴的位置和喷油角度，减少着火落后期内形成的可燃混合气数量 将大部分燃料喷到燃烧室壁上，只有很少部分喷到热空气中，形成少量可燃混合气首先着火，以使初期放热率较小，这就是油膜蒸发混合燃烧所采用的方法。

（5）减小喷油提前角以减低压力升高率，其机理如前所述。

（6）提高冷却水温度和进气温度，冷却水温升高30～50℃，可降低噪声1～2dB，特别是高频段的噪声降低较多。提高进气温度也有同样效果。增压柴油机一般噪声较低与此有密切关系。 （7）优化燃烧系统，改变燃烧室形状，提高进气涡流强度。

52、柴油机有害排放物主要有CO、HC、NOx及燃料液滴和炭粒，分析形成NOx及燃料液滴和炭粒排放的主要原因，试·

答：（一） 氮氧化合物 NOx（5分）

（1）形成原因：①燃烧温度高②高温持续时间长③火焰前锋面中氧气的浓度高

（2）防治：①降低压缩比 ? ? 缸内温度? ? NOx?。②减小喷油提前角 ? ? 缸内温度? ?

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? 缸内温度? ? NOx?。④加强NOx?。③废气再循环，缸内喷水，采用乳化油，?a? 或 ?a?

燃烧室内气流运动?混合气混合、燃烧迅速?高温持续时间??NOx?。⑤以氨为还原剂的选择性催化还原?NOx?。

（二） 燃料液滴和炭粒（5分）

（1）形成原因：高温局部缺氧，致使燃烧中间产物C-C，H-C裂化，再聚合成炭粒。柴油机缓燃期中形成最多。 （2）防治：①改善雾化质量 ? 混合气混合、燃烧完全 ? 炭粒?。②加强燃烧室内气流运动 ? 混合气混合、燃烧完全 ? 炭粒?。③改进发动机的结构和使用，加速混合气形成，提高燃烧速率。④采用乳化油 ? 缸内温度? ? 中间产物的热裂反应明显减少。⑤加入消烟添加剂 — 钡盐，但有毒。⑥后期处理。⑦小颗粒的炭粒经过静电、过饱和水蒸汽、超声波而聚合成较大颗粒的炭粒，再通过除尘过滤器予以净化。

（一） 一氧化碳 CO （2分）

1）形成原因：产生的原因是不完全氧化。

C + O ? CO [ + O ] ? CO２ [ 中间产物 ] 柴油机 ——总体?a> 1，但局部过浓的混合气。

2）防治：加强燃烧室内气流运动，缩小燃烧室的激冷区

加强燃烧室内气流运动?混合气混合均匀、燃烧完全? CO?。 缩小燃烧室的激冷区 ? 燃烧易于完全 ? CO?。 （三） 碳氢化合物 HC（2分） 1）形成原因：

（1）混合不均匀，局部混合气过浓或过稀使氧化反应减慢，热损失相对增加，不能着火。 （2）某微小单元的混合气面容比大（喷油器压力室容积），热损失大，不能着火。 （3）壁面等激冷淬熄效应。

（4）二次喷射、后滴及曲轴箱窜气等 2）防治

（1）降低压缩比? ? 膨胀冲程中燃烧室壁面温度和排气温度? ? HC?。 （2）改善燃烧室形状，降低面容比 ?散热损失? ? HC?。（1-2矛盾） （3）减小点火提前角? ? HC在膨胀和排气冲程中燃烧掉。 （4）缩小燃烧室的激冷区? 燃烧易于完全 ? HC?。

（5）加强燃烧室内气流运动 ? 混合气混合、燃烧完全 ? HC?。 （6）防止喷油器二次喷射、后滴，曲轴箱强制通风

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