《汽車發(fā)動機(jī)原理（第5版）》 習(xí)題及答案 第1章 課后習(xí)題答案

第一章復(fù)習(xí)思考題1.研究理論循環(huán)的目的是什么？理論循環(huán)與實際循環(huán)相比，主要作了哪些簡化？答：目的：1）用簡單的公式來闡明發(fā)動機(jī)工作過程中各基本熱力參數(shù)間的關(guān)系，以明確提高以理論循環(huán)熱效率為代表的經(jīng)濟(jì)性和以循環(huán)平均壓力為代表的動力性。2）確定循環(huán)熱效率的理論極限，以判斷實際發(fā)動機(jī)工作過程的經(jīng)濟(jì)性和循環(huán)進(jìn)行的完善程度以及改進(jìn)潛力。3）有利于分析比較發(fā)動機(jī)各種熱力循環(huán)方式的經(jīng)濟(jì)性和動力性。簡化：l）假設(shè)工質(zhì)是理想氣體，其物理常數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的空氣物理常數(shù)相同。2）假設(shè)工質(zhì)是在閉口系統(tǒng)中作封閉循環(huán)。3）假設(shè)工質(zhì)的壓縮及膨脹是絕熱等熵過程。4）假設(shè)燃燒是外界無數(shù)個高溫?zé)嵩炊ㄈ莼蚨▔合蚬べ|(zhì)加熱。工質(zhì)放熱為定容放熱。2.在p-V圖上表示出三種理論循環(huán)，并在不同條件下進(jìn)行循環(huán)熱效率的比較。答：圖中，a-c為絕熱壓縮，c-z為等容或等壓加熱，z-b為絕熱膨脹，b-a為等容放熱。習(xí)慣上的處理方式為，汽油機(jī)混合氣燃燒迅速，近似為定容加熱循環(huán)；高增壓和低速大型柴油機(jī)，由于受燃燒最高壓力的限制，大部分燃料在上止點以后燃燒，燃燒時氣缸壓力變化不顯著，所以近似為定壓加熱循環(huán)；高速柴油機(jī)介于兩者之間，其燃燒過程視為定容、定壓加熱的組合，近似為混合加熱循環(huán)。3.試分析影響循環(huán)熱效率、循環(huán)平均壓力的主要因素。答：循環(huán)熱效率：1.壓縮比εc、2.等熵指數(shù)k3、壓力升高比λp4、初始膨脹比ρ0。循環(huán)平均壓力：pt隨進(jìn)氣終點壓力pde、壓縮比εc、壓力升高比λp、初始膨脹比ρ0、等熵指數(shù)k和循環(huán)熱效率的增加而增加；在混合加熱循環(huán)中，如果循環(huán)加熱量Q1不變，增加ρ0即減少λp，定壓加熱部分增加，而定容加熱部分減少，下降，因而pt也降低。4.簡述發(fā)動機(jī)的實際工作循環(huán)過程，并畫出四沖程發(fā)動機(jī)實際循環(huán)的示功圖。答：1）進(jìn)氣過程：為了使發(fā)動機(jī)連續(xù)運轉(zhuǎn)，必須不斷吸入新鮮工質(zhì)，即是進(jìn)氣過程。此時進(jìn)氣門開啟，排氣門關(guān)閉，活塞由上止點向下止點移動。2）壓縮過程：此時進(jìn)排氣門關(guān)閉，活塞由下止點向上止點移動，缸內(nèi)工質(zhì)受到壓縮、溫度。壓力不斷上升，工質(zhì)受壓縮的程度用壓縮比表示。3）燃燒過程：期間進(jìn)排氣門關(guān)閉，活塞在上止點前后。作用是將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為熱能，使工質(zhì)的壓力和溫度升高，燃燒放熱多，靠近上止點，熱效率越高。4)膨脹過程：此時，進(jìn)排氣門均關(guān)閉，高溫高壓的工質(zhì)推動活塞，由上止點向下至點移動而膨脹做功，氣體的壓力、溫度也隨之迅速下降。（5）排氣過程：當(dāng)膨脹過程接近終了時，排氣門打開，廢氣開始靠自身壓力自由排氣，膨脹過程結(jié)束時，活塞由下止點返回上止點，將氣缸內(nèi)廢氣移除。5.壓縮多變指數(shù)和膨脹多變指數(shù)是如何確定的，它們的變化規(guī)律如何？答：1）實際的近似計算中，常用一個不變的、平均的多變指數(shù)n1來取而代之，只要以這個指數(shù)n1計算而得的多變過程，其始點a和終點c的工質(zhì)狀態(tài)與實際壓縮過程的初、終狀態(tài)相符即可。n1稱為平均壓縮多變指數(shù)；n1主要受工質(zhì)與缸壁間的熱交換及工質(zhì)泄漏情況的影響。當(dāng)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速提高時，因熱交換的時間縮短，向缸壁的傳熱量及氣缸泄露量減少，所以n1增大。當(dāng)負(fù)荷（即阻力矩變化而引起發(fā)動機(jī)油門的增減）增加、采用空氣冷卻以及氣缸直徑較大時，氣缸溫度增高及相應(yīng)的傳熱量和泄漏量減少，n1增大。而當(dāng)泄漏量增加或氣缸溫度降低時，n1減小。2）在計算中常用一個不變的平均膨脹多變指數(shù)n2來取而代之，只要以這個指數(shù)n2計算的多變過程，其始點z與終點b的狀態(tài)與實際膨脹過程始、終點狀態(tài)相同即可。n2主要取決于補(bǔ)燃的多少、工質(zhì)與缸壁間的熱交換及漏氣情況。當(dāng)轉(zhuǎn)速增加，補(bǔ)燃增多，傳熱和漏氣的時間縮短時，n2減小；混合氣形成與燃燒不好，補(bǔ)燃增加，n2減小；當(dāng)缸壁、活塞環(huán)磨損量大，漏氣增加以及氣缸直徑小，相對散熱表面積加大，工質(zhì)傳出熱量增加時，n2增大。6.說明指示功和平均指示壓力的概念和意義。答：指示功是指氣缸內(nèi)完成一個工作循環(huán)所得到的有用功Wi，指示功Wi反映了發(fā)動機(jī)氣缸在一個工作循環(huán)中所獲得的有用功的大小，它除了和循環(huán)中熱功轉(zhuǎn)換的有效程度有關(guān)外，還和氣缸容積的大小有關(guān)；假如以一個假想的、大小不變的壓力pmi作用在活塞上，使活塞移動一個行程，其所做的功等于循環(huán)的指示功，則此假想的壓力即為平均指示壓力，平均指示壓力是從實際循環(huán)的角度評價發(fā)動機(jī)氣缸工作容積利用率的一個參數(shù)。pmi越高，同樣大小的氣缸容積可以發(fā)出更大的指示功，氣缸工作容積的利用程度越佳。平均指示壓力是衡量發(fā)動機(jī)實際循環(huán)動力性能的一個很重要的指標(biāo)。7.什么是發(fā)動機(jī)的指示指標(biāo)？主要有哪些？答：以工質(zhì)對活塞所作之功為計算基準(zhǔn)的指標(biāo)稱為指示性能指標(biāo)。它主要有：指示功和平均指示壓力.指示功率.指示熱效率和指示燃油消耗率。8.什么是發(fā)動機(jī)的有效指標(biāo)？主要有哪些？答：以曲軸輸出功為計算基準(zhǔn)的指標(biāo)稱為有效性能指標(biāo)。主要有：1）發(fā)動機(jī)動力性指標(biāo)，包括有效功和有效功率.有效轉(zhuǎn)矩.平均有效壓力.轉(zhuǎn)速n和活塞平均速度；2）發(fā)動機(jī)經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)，包括有效熱效率.有效燃油消耗率；3）發(fā)動機(jī)強(qiáng)化指標(biāo)，包括升功率PL.比質(zhì)量me。強(qiáng)化系數(shù)PmeCm.9.平均有效壓力和升功率都是評定發(fā)動機(jī)動力性能的指標(biāo)，它們有何區(qū)別？答：平均有效壓力pme（MPa）是發(fā)動機(jī)單位氣缸工作容積輸出的有效功。與平均指示壓力相似，平均有效壓力可看作是一個假想的、平均不變的壓力作用在活塞頂上，使活塞移動一個行程所做的功等于每循環(huán)所做的有效功。pme反映了發(fā)動機(jī)單位氣缸工作容積輸出轉(zhuǎn)矩的大小。pme值大，也說明單位氣缸工作容積對外輸出的功多，做功能力強(qiáng)。升功率PL（kW／L）是發(fā)動機(jī)每升工作容積所發(fā)出的有效功率。升功率PL是從發(fā)動機(jī)有效功率的角度對其氣缸工作容積的利用率作出的總評價，它與pme和n的乘積成正比。PL值越大，發(fā)動機(jī)的強(qiáng)化程度越高，發(fā)出一定有效功率的發(fā)動機(jī)尺寸越小。10.功率相同時，汽油機(jī)與柴油機(jī)相比，尺寸和重量哪個大，為什么？答：柴油機(jī)重，雖然汽油機(jī)相比柴油機(jī)零件多，但汽油機(jī)的零件大多設(shè)計的小巧而且材料都比較輕。汽油機(jī)是靠火花塞點火的，柴油機(jī)是壓縮點火，那么他就要借助外力，也就是要靠一個質(zhì)量比較重的飛輪，這樣它能借助飛輪的慣性來完成，吸氣，壓縮，排氣這三個沖程。汽油機(jī)是靠火花塞點火的，那么他也就不需要靠一個大質(zhì)量的飛輪來維持慣性。11.發(fā)動機(jī)的機(jī)械損失主要由哪些部分組成？答：摩擦損失，驅(qū)動各種附件損失，帶動機(jī)械增壓器損失，泵氣損失12.什么是機(jī)械效率？它有什么意義？答：機(jī)械效率是有效功率與指示功率的比值。影響因素：①轉(zhuǎn)速和活塞平均速度②負(fù)荷③潤滑油溫度和冷卻水溫度，意義：比較機(jī)械損失所占比例的大小。13.如何測定機(jī)械損失？每種方法的特點是什么？答：通過發(fā)動機(jī)試驗測定，常用方法有示功圖法、倒拖法、滅缸法、油耗線法。倒拖法適用于汽油機(jī)。14.為什么隨著轉(zhuǎn)速的升高，機(jī)械效率會降低？答：機(jī)械效率ηm是有效功率和指示功率的比值。發(fā)動機(jī)指示功率（kW）（每秒所做指示功）為指示功率與發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速成正比，與機(jī)械效率成反比。轉(zhuǎn)速越高，指示功率越高，從而機(jī)械效率越低。15.分析發(fā)動機(jī)實際循環(huán)的各種損失及在p-V圖上的位置。答：下圖給出四沖程非增壓發(fā)動機(jī)實際循環(huán)與理論循環(huán)的比較。其差別由以下幾項損失引起。1.實際工質(zhì)的影響實際工質(zhì)影響引起的損失如圖1-21中Wk所示。這些影響使得發(fā)動機(jī)實際循環(huán)的指示熱效率比理論循環(huán)熱效率低。2.換氣損失為了使循環(huán)重復(fù)進(jìn)行，必須更換工質(zhì)，由此而消耗的功稱為換氣損失，如圖1-21中Wr所示。其中，因工質(zhì)流動時需要克服進(jìn)、排氣系統(tǒng)阻力所消耗的功，稱為泵氣損失，如圖1-21a中曲線rab’r所包圍的面積。因排氣門在下止點前提前開啟而產(chǎn)生的損失，如圖1-21中面積W所示。3.燃燒損失1）非瞬時燃燒損失和補(bǔ)燃損失。實際循環(huán)中燃料燃燒需要一定的時間，所以噴油或點火在上止點前，并且燃燒還會延續(xù)到膨脹行程，由此形成非瞬時燃燒損失和補(bǔ)燃損失，如圖中1-21Wz所示。2）不完全燃燒損失。3）吸熱損失。4.傳熱損失實際循環(huán)中，氣缸壁（包括氣缸套、氣缸蓋、活塞、活塞環(huán)、氣門、噴油器等）和工質(zhì)間自始至終存在著熱交換，使壓縮、膨脹線均脫離理論循環(huán)的絕熱壓縮、膨脹線，從而造成損失，如圖1-21中Wb所示。5．缸內(nèi)流動損失指壓縮及燃燒、膨脹過程中，由于缸內(nèi)氣流（渦流與紊流）所形成的損失。其表現(xiàn)為，在壓縮過程中，多消耗壓縮功；在燃燒膨脹過程中，一部分能量用于克服氣流阻力，使作用于活塞上作功的壓力減小。16.研究發(fā)動機(jī)熱平衡有何意義？改善有效能量利用的途徑是什么？答：發(fā)動機(jī)的熱平衡，就是給出燃料的總發(fā)熱量轉(zhuǎn)換為有效功和其他各項熱損失的分配比例。從這些熱量分配中，可以了解到熱損失的情況，以作為判斷發(fā)動機(jī)零件的熱負(fù)荷和設(shè)計冷卻系統(tǒng)的依據(jù)，并為改善發(fā)動機(jī)的性能指標(biāo)指明了方向。17.已知一四沖程柴油機(jī)，缸數(shù)為6，單缸氣缸工作容積為2L，燃料熱值為44100kJ/kg，計算當(dāng)轉(zhuǎn)速為1500r/min，機(jī)械效率為0.8，有效功率為88.5kW，耗油量為20.3kg/h時的指示功率、有效轉(zhuǎn)矩、平均指示和有效壓力、指示和有效熱效率、指示和有效燃料消耗率。18.要設(shè)計一臺六缸四沖程高速柴油機(jī)，設(shè)平均指示壓力為0.85MPa，平均機(jī)械損失壓力為0.15MPa，希望在2000r/min時能發(fā)出的功率為73.5kW。為將活塞平均速度控制在8m/s，缸徑行程比取多大合適？為使缸徑行程比為1：1.2，缸徑與行程取多大？解：（1）平均有效壓力P