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1、汽车发动机原理课后答案王建昕帅石金清华大学出版社汽车发动机原理课后习题答案第一章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，

2、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

3、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-

4、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

5、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m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

6、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：和，其中：pme量纲为MPa，Pe量纲为kW，Ttq量纲为。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et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

7、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=ctm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

8、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

9、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，其空燃比为。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

10、程火花点火发动机（缸径D80mm，冲程s）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= Nm；指示平均压力pmi= MPa。计算：（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s140mm，在发动机转速n=2200r/min时的机械效率为m =，有效输出功率Pe=154kW，有效燃料消耗率为be=217g/（kWh）。已知柴油机低热值为Hu=42500kJ/kg。求此时发动

11、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D102mm；冲程s125mm），在全负荷时的台架测量结果如下： s内消耗燃料体积200 cm3，燃料密度 kg/dm3； s内消耗空气体积5m3；环境空气压力 MPa；环境空气温度300 K；有效转矩424 Nm；发动机转速2650 r/min；机械损失平均压力 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：1-20一台排量为 L的四

12、冲程V8汽油机采用了断缸技术，当功率需求减小时，切换成 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，机械效率为，空燃比为，发出的有效功率是 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，机械效率为，空燃比为。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和的条件下吸入气缸的。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/(kWh)）；（

13、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/(kWh)）。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*=268g/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

14、/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12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

15、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

16、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-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着差别解：十六烷值CN = 100，自燃性很好； 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

17、时，为什么有的燃料的辛烷值会大于100为什么有的燃料的RONMON，而有的燃料却是RONMON；反之，RON（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(

18、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特性。汽油机r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

19、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

20、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比空

21、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)=l/l0=(2) 异辛烷C8H18 l0=(8/3gc+8gH-go)/=(3) 空燃比=* l0=*=(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：C8H18完全燃烧的化学反应方程式为：C6H12完全燃烧的化学反应方程式为：C6H6完全燃烧的化学反应方程式为：又由

22、O2的摩尔质量为32g/mol，O2在空气中的质量百分比为%，所以1kg该种燃料完全燃烧所需要的理论空气质量为：即该种燃料的化学计量比为l0=，因而其过量空气系数为：从而可得该种燃料的燃空当量比为：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，环境温度为293K，环境压力为，汽油密度为L，甲醇密度为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=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，则混合燃料形成的混合气在题目给定条

23、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，），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、和(kmolK)。解：(1)查得各物质生成焓如下：; ; ; 由解得，该燃烧反应在定压条件下的绝热燃烧温度为(2)由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

24、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，)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

25、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,pq2,sq2,vt,pt,st,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

26、汽油机热效率高解：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

27、机和机械增压发动机的指示效率it和机械效率m两者的it和m有何差别与自然吸气原型机相比，增压发动机的it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 理想工质 真实工质t（2） 高温热分解：燃烧放热时间拉长等容度