现代汽车发动机原理第1_2 3_6章习题_参考答案

第一章习题 参考答案
一、名词解释
1.理论循环：将发动机的实际循环进行若干简化，使其既近似于所讨论的实际循环，而又
简化了实际循环变化纷繁的物理、化学过程，从而提出一种便于作定量分析
的假想循环。

2.示功图：记录相对于不同活塞位置或不同曲轴转角时气缸内工质压力的变化，有V
p -示功图或ϕ-p 示功图两种。

示功图是研究实际循环的依据，一般是由专门示
功器在发动机运转条件下直接测出。

3.指示指标：指示指标是以工质对活塞做功为基础的性能指标，主要是衡量发动机工作过
程的好坏。

4.有效指标：有效指标是以发动机输出轴上所得到的功率为基础的性能指标。

主要是考虑
到发动机自身所消耗的机械能，用来综合评价发动机整机性能的。

5.指示热效率：是实际循环指示功和所消耗的燃料热量之比值。

6.有效热效率：是实际循环有效功和所消耗的燃料热量之比值。

7.升功率：在标定工况下，发动机单位气缸工作容积所发出的有效功率。

8.比质量：发动机的净质量m 和它所发出的额定功率e P 之比。

9.发动机强化系数：发动机平均有效压力me p 和活塞平均速度m v 的乘积称为强化系数，是
评价发动机强化程度的指标。

10.机械效率：机械效率是有效功率和指示功率的比值。

是为了比较各种不同的发动机机
械损失所占比例的大小，引入机械效率的概念。

11.发动机热平衡：发动机的热平衡，就是给出燃料的总发热量转换为有效功和其他各项
热损失的分配比例。

从这些热量分配中，可以了解到热损失的情况，以
作为判断发动机零件的热负荷和设计冷却系统的依据，并为改善发动机
的性能指标指明了方向。

二、填空题
1．示功
2. 提高率
3. 工质的影响 换气损失 传热损失 时间损失 燃烧损失 （涡流和节流损失、泄
漏损失）
4. 实际
5. 发动机输出轴上所得到的
6. 实际循环指示
7. 实际循环有效
8．9550/n T P tq e =
9．平均有效压力me p 活塞平均速度m v
10．下降
11. 可靠润滑
12. 有效功 其他各项热损失
三、思考题
1．什么是发动机的理论循环？什么是发动机的实际循环？
答题要点
发动机的理论循环是将发动机的实际循环进行若干简化，使其既近似于所讨论的实际 循环，而又简化了实际循环变化纷繁的物理、化学过程，从而提出一种便于作定量分析的假想循环。

发动机的实际循环是由进气、压缩、燃烧、膨胀和排气五个过程所组成，较之理论循环复杂得多，存在必不可免的许多损失，它不可能达到理论循环那样高的循环效率。

2．画出四冲程发动机实际循环的示功图，说明它和理论循环示功图有什么不同？ 答题要点
由于工质的影响、换气损失、传热损失、时间损失、燃烧损失、涡流和节流损失、 泄漏损失等的存在，实际循环的示功图和理论循环示功图有很大的不同，如图所示为一台非增压四冲程柴油机理论循环和实际循环V p -示功图。

其中实线表示实际循环示功图，而加了黑点的实线表示和之相对应（具有同样的热量输入）的理论循环示功图。

3．分析影响发动机实际循环热损失的主要因素。

答题要点
⑴工质的影响
理论循环的工质是理想气体，在实际循环中，燃烧前的工质是新鲜空气和上一循环残留废气的混合气；燃烧过程中以及燃烧后，工质的成分变为燃烧产物，不仅成分有变化，而且容积数量即物质的量也发生变化；在1300°K以上燃烧产物有发生高温分解的现象，会降低最高燃烧温度，使循环热效率下降。

理论循环工质的比热是不随温度变化而变化的。

实际循环工质是空气和燃烧产物的混合物，它们的比热随温度升高而上升，若加热量相同，则实际循环达到的最高温度较理论循环为低，其结果导致循环热效率的降低，循环所做的功减少。

反应在示功图上为实际循环的燃烧膨胀线低于理论循环的燃烧膨胀线。

⑵换气损失
在实际循环的换气过程中，排气门要提前开启，废气在下止点前便开始逸出，使示功图的有用功面积减小。

在接着进行的排气和吸气过程中，由于流动阻力会产生进、排气推动功的差别。

排气门提前开启造成的损失和进、排气推动功之差，这两部分损失之和就是实际循环的换气损失。

⑶气缸壁的传热损失
理论循环假定气缸壁和工质之间无热交换。

但在实际循环中，气缸壁和工质之间自始至终存在着热量交换。

在压缩过程初期，气缸壁温度高于工质温度，工质吸热；在压缩过程后期，工质的温度超过缸壁温度，工质向缸壁散热。

其平均多变压缩指数偏低，存在热量损失，使压缩过程的压力线低于理论循环的压缩线。

此外，由于进气终了压力低于大气压力，因此，整个实际压缩线处于理论压缩线的下方（图1.4)。

在随后的燃烧、膨胀和排气过程中，工质继续不断地向缸壁传出热量，使实际循环的膨胀过程线低于理论循环的膨胀线，在示功图上减少的有用功面积大于理论压缩线底下增加的面积，其差值即为实际循环的传热损失。

⑷时间损失
理论循环中，认为活塞是以无限缓慢的速度运动，以保持气缸内的工质始终处于平衡状态，并且认为由热源向工质进行等容加热的速度极快，可以在瞬间完成；在等压加热时，加热的速度能和活塞运动的速度相匹配，以实现等压加热过程。

这一切在实际循环中都无法做到，实际循环中柴油机的活塞运动具有相当的速度，而燃料的燃烧放热需要一定的时间。

这样就使：
①压缩消耗功增加。

这是因为燃烧速度是有限的，因此柴油机燃料开始喷入气缸需要有供油提前角，使着火能在活塞到达上止点以前开始，并使整个燃烧过程能在活塞过了上止点后不久即完全结束，以保证燃料输入的热量得以在充分的膨胀中加以有效利用，减少后燃损失。

②最高燃烧压力的下降。

由于实际循环存在传热损失，以及燃料迅速燃烧放热的过程中活塞继续运动离开上止点，使气缸的容积逐渐增大，从而使实际循环中的压力增长小于理论循环的压力增长。

z点以前输入的，但在实际循环中，
③初期膨胀比减小。

在理论循环中，全部热量是在
t
由于传热损失、不完全燃烧和活塞运动，使初期膨胀比减小。

所有这一切，都使燃烧过程偏离了理论循环的等容和等压加热过程，增加了压缩过程消耗的功，减少了膨胀过程的有用功，示功图上出现了如图1.4上止点附近用小三角形区表示的所谓时间损失。

⑸燃烧损失
包括后燃和不完全燃烧所引起的损失。

在理论循环中，全部热量是在z点(图1.4)以前输入完毕，然后转入绝热膨胀过程。

z 点时，由于氧气浓度降低，引起燃烧速度降低。

因此，但在实际循环中，当燃烧过程接近
1
燃烧过程一直要延续到膨胀线的点e才告结束,这就是所谓的后燃现象。

后燃期间热功转换的效率由于膨胀比小而大大下降，这就造成后燃损失。

由于空气不足或混合气形成不良会引起燃烧不完全，使部分燃料的热值得不到充分利用，这亦促使膨胀线位置下移，产生不完全燃烧损失。

⑹涡流和节流损失
活塞的高速运动使工质在气缸内产生涡流，造成压力损失。

此外，对于分隔式燃烧室，工质在主、副燃烧室中流进、喷出将会引起强烈的节流损失。

⑺泄漏损失
气门处的泄漏可以防止，但活塞环处的泄漏却无法避免。

不过在良好的磨合状态下泄漏量不多，约占工质的0.2％左右。

4．什么是发动机的指示指标？主要有哪些？
答题要点
指示指标是以工质对活塞做功为基础的性能指标，主要是衡量发动机工作过程的好坏。

指示指标主要有：指示功和平均指示压力、指示功率、指示热效率和指示燃油消耗率等。

5．什么是发动机的有效指标？主要有哪些？
答题要点
有效指标是以发动机输出轴上所得到的功率为基础的性能指标。

主要是考虑到发动机自身所消耗的机械能，用来综合评价发动机整机性能的。

有效指标主要有：有效功率、有效转矩、平均有效压力、有效热效率和有效燃油消耗率等。

6. 什么是发动机的平均有效压力、有效燃油消耗率、有效热效率?它们各有什么意义?
答题要点
平均有效压力是指发动机单位气缸工作容积所作的有效功。

平均有效压力是从最终发动机实际输出转矩的角度来评定气缸工作容积的利用率，是衡量发动机动力性能方面的一个很重要的指标。

有效燃油消耗率是单位有效功的耗油量，通常以每千瓦小时有效功消耗的燃料量来表示。

有效热效率是实际循环有效功和所消耗的燃料热量之比值。

有效热效率和有效燃油消耗率是衡量发动机经济性的重要指标。

7. 什么是机械效率?分析影响机械效率的因素。

答题要点
机械效率是有效功率和指示功率的比值。

是为了比较各种不同的发动机机械损失所占 比例的大小，引入机械效率的概念。

影响机械效率的因素有很多，除转速、负荷、润滑油品质、冷却液温度和发动机技术状况等使用因素外，还有燃烧最高压力、气缸尺寸和数目、大气状态等结构设计参数和使用环境因素均会影响机械效率。

⑴气缸内最高燃烧压力
气缸压力高，活塞环背压按比例增加，活塞裙部对气缸壁的侧压力和轴承负荷增大，活塞环和活塞的摩擦损失也相应增大；另一方面，最高燃烧压力高，为保证各承载零件的强度、刚度和工作耐久性，也有必要加大活塞、连杆、曲轴尺寸和质量，这就随之而增加了运动零件的惯性力，从而导致摩擦损失的增大。

⑵转速或活塞平均速度
转速或活塞平均速度增大，各摩擦副之间的相对速度增加，摩擦损失增大；和此同时，曲柄连杆机构的惯性力增大，活塞的侧压力和轴承负荷增大，摩擦损失也增大。

转速n 增大，泵气损失、驱动附件消耗的功随之增加，所以机械效率下降。

⑶负荷
在转速不变的情况下，当负荷减小，缸内的指示功率下降，机械损失功率亦略有下降，但基本不变。

由公式mi mm i m m p p P P -=-=11η可知，负荷减少，i P 降低,机械效率m η下降，直到怠速时，指示功率全部用来克服机械损失，即m i P P = ,故0=m η。

⑷润滑油品质和冷却液温度
润滑油的粘度对摩擦损失有很大影响。

润滑油粘度大，则流动性差，内摩擦力大，摩擦损失增加，但其承载能力强，易于保持液体润滑状态；反之，流动性好，机械损失减少，但承载能力差，油膜易于破裂而失去润滑作用。

润滑油的粘度主要受润滑油的品质和温度的影响。

冷却液温度的高低直接影响润滑油温度的高低，继而影响润滑油的粘度和机械损失。

⑸发动机技术状况
发动机技术状况的好坏，对机械效率的影响很大。

这是由于长期使用的发动机，技术状况变差，活塞环和气缸磨损后，间隙增大，漏气增多，指示功率下降；尤其是漏气还会稀释润滑油，使润滑条件变坏，气缸的磨损加快；轴颈和轴承间的磨损还使机油的泄漏增加，油压下降，运动件工作表面的润滑不良。

这些都会使机械效率下降。

8. 如何测定机械效率？
通过发动机试验来测定。

目前常用的测量方法主要有示功图法、倒拖法、灭缸法和油耗线法。

这些方法都只能近似地求出其数值，并各有其局限性和不足之处。

9．什么是发动机的热平衡？研究热平衡有何意义？
答题要点
发动机的热平衡，就是给出燃料的总发热量转换为有效功和其他各项热损失的分配比 例。

从这些热量分配中，可以了解到热损失的情况，以作为判断发动机零件的热负荷和设 计冷却系统的依据，并为改善发动机的性能指标指明了方向。

第二章习题 参考答案
一、名词解释
1.气门叠开：由于排气门的延迟关闭和进气门的提前开启，在排气行程上止点附近，存在
进、排气门同时开启的现象，称为气门叠开。

2.燃烧室扫气：气门叠开期间，只要合理控制气流方向，废气的惯性排出会对新鲜空气或
混合气有抽吸作用，新鲜空气或混合又驱赶废气并冷却燃烧室，这一过程
称为燃烧室扫气。

3.换气损失：换气损失等于排气损失和进气损失之和。

如图中面积（w+y+d+x ）。

4.泵气损失：泵气损失是换气损失的一部分，即图中面积（x+y ）。

5.充量：充量即充气量，它表示进入发动机气缸内新鲜气体的质量，常用每循环充量和单
位时间充量来表示。

6.充量系数：是评价发动机换气过程完善程度的指标。

是每循环进入气缸的实际充量m ∆
和在进气状态下充满气缸工作容积的理论充量s m ∆之比。

7.残余废气系数：残余废气系数是指每循环气缸内的残留废气质量和新鲜气体质量之比。

8.进气惯性效应：利用进气管内高速流动的气体惯性增加充气量的效应，称为惯性效应。

9.进气波动效应：进气过程中进气管内压力波动称为进气波动效应，对充量系数c φ有一定
影响。

1. 缸内废气新鲜空气混合气
2. 充分彻底小
3. 自由排气强制排气进气燃烧室扫气
4. 自由排气
5. 压力气体状态
6. 排气进气
7.自由排气强制排气
8. 增加减少
9.压缩比进气状态大气状态进气终了状态残余废气系数配气相位进
气终了压力
10．大
11．越大
12．提高
三、思考题
1．四冲程发动机的换气过程包括哪几个阶段？这几个阶段是如何划分的？
答题要点
根据气体流动的特点，换气过程可分为自由排气、强制排气、进气和燃烧室扫气等4个阶段。

从排气门开始开启，到气缸内压力降到接近排气管内压力，这个时期称为自由排气阶段。

从自由排气阶段结束，活塞上行强制排出缸内废气的阶段，称为强制排气阶段。

进气过程是指从进气门开始开启到进气门完全关闭的这段时间。

由于排气门的延迟关闭和进气门的提前开启，在排气行程上止点附近，存在进、排气门同时开启的现象，称为气门叠开。

此期间进气管、气缸、排气管连通起来，可以利用气流压差和惯性，清除缸内残余废气，增加进气量。

气门叠开期间，只要合理控制气流方向，废气的惯性排出会对新鲜空气或混合气有抽吸作用，新鲜空气或混合又驱赶废气并冷却燃烧室，这一过程称为燃烧室扫气。

2．什么是换气损失？什么是泵气损失？
答题要点
换气损失可定义为理论循环换气功和实际循环换气功之差。

发动机换气损失由排气损失和进气损失两部分组成。

泵气损失是换气损失的一部分，即图2.4中面积（x+y）。

3．评价发动机换气过程的常用指标有哪几个？
答题要点
评价发动机换气过程的常用的评价指标是：充量、充量系数和残余废气系数。

4．充量系数是如何定义的？分析影响充量系数的主要因素。

答题要点
和在进气状态下充满气缸工作容积的理论充量
⑴每循环进入气缸的实际充量m
s m ∆之比，即：
s c m m ∆∆=φ
⑵ 影响充量系数的因素有压缩比ε、进气状态（P s ，T s ）或大气状态（P 0,T 0）、进气终了状态（P a ,T a ）、残余废气系数和配气相位等。

其中，影响最大的是进气终了压力。

①进气终了压力P a
进气终了压力a p 增大，充量系数c φ提高。

这是因为，在气缸容积、进气终了温度和残余废气量一定时，进气终了压力越大，缸内气体密度越大，意味着实际充气量就越多。

②进气终了温度
随着进气终了温度a T 升高，充量系数c φ下降。

这是因为，在气缸容积、进气终了压力和残余废气量一定时，进气终了温度越高，缸内气体密度越小，意味着实际充气量就越少。

实际发动机的进气终了温度总是高于大气温度。

新鲜气体进入气缸后，接触高温机件并和残余废气混合被加热。

③残余废气系数r φ
排气终了压力r p 增大，残余废气密度增加，残余废气系数r φ上升，使充量系数c φ下降。

④进气（或大气）状态
s T （或0T ）升高，s p （或0p ）下降，均使进气密度s ρ（或0ρ）减小，因此，进气量减少,使充量系数c φ下降。

⑤压缩比ε
随着压缩比ε的增大，压缩终了容积相对减小，使气缸内残余废气量相对减少，充量系数c φ有所提高。

⑥配气相位
配气相位直接影响进、排气是否充分，即影响实际进气量和残余废气量，从而影响充量系数。

配气相位中，进气迟闭角对充量系数的影响最大，其次是排气迟闭角。

5．可采取什么措施来提高充量系数？
答题要点
提高发动机充量系数的措施可以归纳为以下几点：
1）降低进气系统的阻力损失，提高气缸内进气终了压力a p ；
φ；
2）降低排气系统的阻力损失，以减小缸内残余废气系数
r
T；
3）减少高温零件在进气系统中对新鲜充量的加热，降低进气终了温度
a 4）合理选择配气相位；
5）充分利用进气管内的动力效应。

6．什么是进气管动态效应？怎样利用它提高充量系数？
答题要点
发动机换气过程中，进气气流在一定长度的管道内流动时，具有相当的惯性和可压缩性，且进气过程是间断性和周期性进行的，根据流体力学的规律，气流在进气管内势必会引起一定的动力现象，这种动力现象称为进气管的动态效应。

动态效应对发动机进气量有
φ和改善转矩特性。

较大影响，利用进气管的动态效应，可以有效地提高发动机充量系数
c
第三章习题参考答案
一、填空题
1.缸外喷射系统是将喷油器安装在进气管或进气歧管上，以0.20～0.35MPa的喷射压力将汽油喷入进气管或进气道内。

2.电子控制汽油喷射系统主要由燃料供给系统、空气供给系统、控制系统三部分组成。

3.汽油机燃烧过程按其压力变化特点分成三个阶段，分别为：滞燃期、急燃期和补燃期。

4. 汽油机在稳定的正常运转情况下，不同气缸的燃烧情况以及不同循环的燃烧情况很难保持稳定，会产生燃烧上的差异，这种循环之间和气缸之间的燃烧差异称为不规则燃烧。

5. 汽油机燃烧过程中，如果火焰前锋未到达前，末端混合气温度达到了自燃温度，形成新的火焰中心，产生新的火焰快速传播，这种现象称为爆燃。

6. 点火提前角太小，燃烧过程过迟，后燃增加，最高燃烧压力和温度都降低，排气温度升高，功率和经济性都下降。

7. 实现汽油机分层燃烧有两种方式：进气道喷射的分层燃烧方式和缸内直喷分层燃烧方式。

二、思考题
1.电控汽油喷射系统如何实现对喷油量的控制？
答：在汽油机电控汽油喷射系统中喷油量的控制是通过对喷油器喷油时间的控制来实现的。

发动机工作时，ECU根据空气流量信号和发动机转速信号确定基本的喷油时间（喷油量）；再根据其他传感器（冷却水温传感器、节气门位置传感器等）对喷油时间进行修正，并按最后确定的总喷油时间向喷油器发出指令，使喷油器喷油（通电）或断油（断电）。

2. 汽油机正常燃烧过程分哪些阶段？各阶段有何特点？
答：汽油机正常燃烧过程分成三个阶段：滞燃期、急燃期和补燃期。

各阶段特点：
1)滞燃期：从点火电极跳火开始到形成独立的火焰核心为止。

电火花在上止点前跳火，火花塞放电时，两极电压在15000v以上，电火花能量40～80mJ，局部温度达2000℃，从而使电极周围的预混合气热反应加速，使反应区温度急剧升高而使某处混合气着火，可燃混
合气按高温单阶段方式着火后，经过一个阶段形成独立的火焰核心。

压力和温度逐渐升高，缸内气体压力开始脱离压缩线，这标志着滞燃期结束。

2)急燃期：从形成独立的火焰核心开始到气缸内出现最高压力为止。

这一阶段的燃烧是火焰从火焰核心向燃烧室整个空间传播的时期，一般急燃期约占20～30℃A ，火焰传播速度一般为50～80m/s ，燃油的80％～90％在急燃期内基本烧完，燃烧室的温度和压力急剧上升，达到最高燃烧压力max p ，一般将max p 作为急燃期的终点。

3)补燃期：从最高燃烧压力到燃烧结束。

混合气燃烧速率开始降低， 90%左右的燃烧放热已经完成，未燃烧的可燃混合气在火焰前锋面扫过整个燃烧室后继续燃烧放热。

另外，高温裂解的产物(H2、CO 等)在膨胀过程中随温度下降又部分化合而放出热量。

3. 何为汽油机的不规则燃烧?产生的原因是什么?对汽油机性能有什么影响？
答：汽油机的不规则燃烧：汽油机在稳定的正常运转情况下，不同气缸的燃烧情况以及不同循环的燃烧情况很难保持稳定，会产生燃烧上的差异，这种循环之间和气缸之间的燃烧差异称为不规则燃烧。

产生的原因：1）各循环之间的燃烧差异出现燃烧循环变动现象，其主要原因是气流速度的变动，空燃比的变动，空气、燃料和废气混合情况；2）各缸间的燃烧差异，主要是由于燃料分配不均使空燃比不一致造成的。

对汽油机性能的影响：循环间的燃烧变动会使气缸的不同循环的示功图发生变化，意味着燃烧情况的不稳定，气缸的工作不能始终维持最佳状态，因此将导致油耗上升，功率下降，使整机的性能下降，特别是低负荷时情况更为严重；燃料分配不均可能使某气缸不正常燃烧倾向增大，从而提高了对燃料辛烷值的要求。

分配不均还有可能使个别气缸中的活塞、气门过热，火花塞损坏，并使汽油机低速、低负荷工作稳定性变差。

燃料分配不均，各缸混合气成分不同，使各缸不能同时处在最佳的混合比条件下工作，导致整机功率下降，油耗上升，排放性能恶化。

4. 爆燃的产生的机理是什么？影响爆燃的因素有哪些？
答：爆燃的产生的机理：汽油机燃烧过程中，火焰前锋以正常的传播速度向前推进，燃烧产生的压力波以音速向周围传播，在火焰前锋面之前到达燃烧室边缘区域，使得火焰前方未燃的混合气受到已燃混合气强烈的压缩和热辐射作用，加速其先期反应，并放出部分热量，使本身的温度急剧升高。

如果火焰前锋及时到达将其引燃，直到燃烧完为止，属正常燃烧。

如果火焰前锋未到达前，末端混合气温度达到了自燃温度，形成新的火焰中心，产生新的火焰快速传播，这种现象称为爆燃。

影响爆燃的因素：
1)运转因素的影响：(1)点火提前角的影响：随点火提前角增加，爆燃倾向加大。

(2)转速的影响：转速增加时，爆燃倾向减小。

(3)负荷的影响：在转速一定而节气门开度小（即负荷减小）时，残余废气系数增大，气缸壁相对传热损失增加，缸内最高燃烧压力下降，爆燃倾向减小。

(4)混合气浓度的影响：在a = 0.8～0.9时爆燃倾向最大，过浓或过稀的混合气有助于减小爆燃。

(5)燃烧室沉积物的影响：在发动机工作过程中，燃烧室内壁产生一层沉积物，沉积物的存在使爆燃倾向增加。

2)结构因素的影响：(1)气缸直径：气缸直径大，火焰传播距离长，同时由于燃烧室冷却。