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)

For personal use only in study and research; not for commercialuse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12W W +(正)，泵气过程功32W W +（负）。

增压：动力过程功1W （正），泵气过程功2W （正）。

2）自然吸气：理论泵气功0，实际泵气功32W W +（负），泵气损失功32W W +（负）。

增压：理论泵气功矩形（阴影部分+2W ）（正），实际泵气功2W （正）和泵气损失功阴影部分（负）。

3）自然吸气：净指示功12W W -（正），总指示功13W W +(正)。

增压：净指示功1W +矩形面积（正），总指示功12W W+（正） 4）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。

4、为什么内燃机原理中把平均有效压力me p 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e W 。

me p 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 v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m v ，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m v 的转化关系为：sn v m 2=。

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，m v 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m v 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，不能用来判断不同机型的“速度”快慢。

因此说活塞平均速度m v 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()e W kW ，则平均有效压力为3[][]1000[]e me a s W kW p Mp V m =，其中ｓＶ为气缸的工作容积。

单位时间内每个气缸的膨胀做功冲程数为2[/min][/min]6030n r n r ττ= 则对于i 缸的发动机又因为2[/min][][]/100060e tq n r P kW T Nm π= 所以主要的区别在于在平均有效压力一定的情况下，e P 与转速成正比，而tq T 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et η？答：整机的有效输出功率的参数综合表达式是： 2()e et t m b u inP g H ηηητ= （错了，应为yita c ） （式子1）02()()()u s e et m um c t m c s a s s H p in P G H V l R T ηηηηφφτ== (式子2) 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b g 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b u g H ，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，()s c s s s p V R T φ可以理解为循环进入空气量，0()u a H l φ可以理解为进入气缸的单位空气量分配到的燃料热量，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1e et u b H η=在使用的燃料不变即u H 不变的情况下，有效燃油消耗率主要取决于有效效率et η。

8、燃料低热值u h 和混合气热值mix h有何异同？决定混合气热值的因素是哪些？答：燃料低热值u h 和混合气热值mix h 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u h 指的是燃料本身的放热量，而混合气热值mix h 中还包含了其他气体。

由公式0/(1)um u a H H l φ=+可知，决定混合气热值的因素有燃料低热值u H ，过量空气系数a φ和单位质量的燃料完全燃烧所需的理论空气量0l 。

9、内燃机有效效率公式et c t m ηηηη=中，c η、t η、m η各自的物理含义是什么？答：c η——燃烧效率，为化学能通过燃烧转化为热能的百分比，1c b u Q g H η=，其中1Q 为每缸每循环燃烧释放出的热量；t η——循环热效率，为燃烧发出的热量1Q ，静发动机热力循环转为工质对活塞所作指示功i W 的百分比，1i t W Q η=； m η——机械效率，为指示功i W 减去损失功m W 之后，转为有效输出功e W 的百分比，e m i W W η=。

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 φ设单位质量的燃料完全燃烧所需的理论空气量为0l ，而实际供给的空气量为l ，则0a l l φ=。

燃空当量比：1aφ 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：0l :1。

(2)、空燃比α：指混合气中空气质量与燃料质量之比。

(3)、燃空比φ或1α：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：0a l αφ=，01a l φφ= 11．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 ？ 其中c η、t η、m η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 η、0a l φ、c φ要增大。

总体考虑：假设每缸每循环消耗的燃料质量为f m 、则在f m 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：22430.080.0765 3.8451044s D V s m ππ-⨯==⨯=⨯循环指示功：641.1910 3.84510457.60.4576i mi s W p V J kJ -==⨯⨯⨯==2）指示功率：2245900457.68999389.993460i i in P W W kW τ⨯⨯==⨯==⨯ 有效功率：590022107.16617266.17260e tq P nT W kW ππ==⨯⨯⨯== 3）平均有效压力： 4）机械效率：6617273.5%89993e e m i i W P W P η==== 5）机械损失功率：89.99366.17223.821m i e P P P kW =-=-= 平均机械损失压力：14、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：135D mm =，缸数为：6i = 所以单缸的工作容积为：22330.1350.14 2.01044s D V s m ππ-⨯==⨯=⨯ 单缸循环有效功：460154 1.42262200e e W P kJ in τ⨯==⨯=⨯⨯ 平均有效压力：3631.4100.7100.72.010e me s W p Pa MPa V -⨯===⨯=⨯ 有效转矩：15400060668.8222200e tq P T N m n ππ⨯===⨯⨯ 循环指示功： 1.4 1.870.75e i m W W kJ η=== 所以指示功率：2262200 1.87205460i i in P W kW τ⨯⨯==⨯=⨯ 机械损失功率：20515451m i e P P P kW =-=-= 有效效率：3331010 3.638%0.2174250010e e et e e u e u u P P b P BH b H H η⨯=====⨯ 15、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 3燃油测量时间 21.22 s燃油密度 0.83 kg/dm 3空气体积 5 m 3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。