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1.1，环境温度为293K，环境压力为0.1MPa，汽油密度为0.760kg/L，甲醇密度为0.795kg/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=1-0.207=0.793

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107.5，则混合燃料形成的混合气在题目给定条件时的密度为：

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，101.3kPa），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56.21、43.87和33.71kJ/(kmol·K)。 解：(1)

查得各物质生成焓如下：

;

;

;

;

Hreac??reacni?hi?1?(?74870)?2?0?7.52?0??74870J?2??241830?43.87??Tad,p?298??7.52?0?33.71??Tad,p?298?由

(2)

解得，该燃烧反应在定压条件下的绝热燃烧温度为

Hprod??prodnih0f,i?cp,i?Tad,p?298??1??393520?56.21??Tad,p?298?????????

V?pi?pf??Ru?nreacTi?nprodTad,V??8.314?10.52??298-Tad,V?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，κ)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,p>q2,s>q2,v?ηt,p<ηt,s<ηt,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机和机械增压发动机的指示效率ηit和机械效率ηm？两者的ηit和ηm

有何差别？与自然吸气原型机相比，增压发动机的ηit和ηm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κ ＜理想工质κ →真实工质ηt↓ （2） 高温热分解：燃烧放热时间拉长→等容度σ↓→ηt↓。 （3） 工质分子变化系数：影响不大 （4）过量空气系数：?a<1，未燃碳氢↑→多原子↑→ T↑→κ ↓→ηt↓；

?a>1，空气↑→单双原子↑→ T↓→ κ↑→ηt↑；

考虑真实工质特性后，汽、柴油机热效率差距加大。

3-10什么是相对热效率ηrel？引入ηrel有何现实意义？ 解：相对热效率是真实循环的指示效率与理想循环的热效率之比，它反映了发动机的真实动力循环接近理想动力循环的程度。

3-11 真实循环比理想循环多增加了哪些损失？这些损失是怎样产生的？ 解：（1）传热损失：真实循环并非绝热过程, 通过气缸壁面、缸盖底面、活塞顶面向外散热。 （2）时间损失：实际燃烧及向工质加热不可能瞬间完成，因为：存在点火(喷油)提前，使有用功面积下降，ηt↓；pz出现在TDC后10°CA，而非等容加热，使有用功面积减小。 （3）换气损失：排气门早开，造成膨胀功损失。 （4）不完全燃烧损失：正常燃烧时，也有ηc≠100%；不正常燃烧、?a＜1等，η t ↓↓。 （5）缸内流动损失：流动增强以及提高涡流与湍流程度，ηt↓，因为：造成能量损失、散热损失。

（6）工质泄漏损失。

3-12机械损失由哪几部分组成？每部分损失的特点及其起主要作用的因素是什么？ 解：（1）机械摩擦损失(50％～80％)：活塞组件、轴承、气门机构等。

（2）附件驱动消耗(～10％)：水泵、机油泵、燃油泵、点火装置等运转必不可少的辅助机构。

（3）泵气损失(5％～40％)。

3-13简述各种机械损失测定方法的原理和适用范围。为什么说除示功图法外，其余三种方法都不可避免地将泵气损失包括在测定值之内？ 解：内燃机机械损失的主要测定方法有：

（1）示功图法：由示功图计算得到的净指示功（增压机）或动力过程功（非增压机）Wi减去台架上测得的有效功We即得到机械损失功Wm，该方法适用于各种机型，但由于对上止点位置的标定精度要求很高，所以只适用于研发工作；

（2）倒拖法：是在发动机正常运转后断油或断火，用电机反拖发动机，从而测得的反拖功率即为机械损失功率，该方法适用于压缩比不高的汽油机和小型柴油机；

（3）灭缸法：此法仅适用于自然吸气式多缸柴油机，当内燃机调整到给定工况稳定工作后，先测出其有效功率Pe，然后依次将各缸灭火，灭火前后测功机测得的有效功率差值即为该缸的指示功率，各缸相加可得整台发动机的指示功率Pi，再减去发动机的有效功率Pe即得机械损失功率Pm；

（4）油耗线法：在转速不变的情况下，测出整机油耗随负荷的变化曲线。将此线外延直到与横坐标相交，则坐标原点与交点间的连线即为机械损失值，该方法适用于自然吸气式柴油机和低增压柴油机。

上面这四种测定发动机机械损失的方法中只有示功图法可以得到净循环指示功，因而可以将泵气损失排除在机械损失之外；而其余三种测定方法由于无法排除泵气过程的影响，所以只能将泵气损失包含在机械损失的测定值内。

3-14说明油耗线法测量机械损失的原理。为什么汽油机不能应用油耗线法测机械损失？ 解：油耗线法测量机械损失的原理：在转速不变的情况下，测出整机油耗随负荷的变化曲线。将此线外延直到与横坐标相交，则坐标原点与交点间的连线即为机械损失值，该方法适用于自然吸气式柴油机和低增压柴油机。汽油机的燃油消耗率和负荷不成比例关系，故不适用。

3-15 自然吸气汽油机、自然吸气柴油机和涡轮增压发动机各适于使用何种机械损失测定方法？为什么？ 解：（1）汽油机多用倒拖法，不适合用灭缸法(影响进气均匀性)和油耗线法(不成直线)； （2）自然吸气柴油机适合灭缸法、油耗线法，小型柴油机可以用倒拖法； （3）废气涡轮增压柴油机无法使用倒拖法和灭缸法（废气涡轮不能正常工作），低增压可以用油耗线法（接近自然吸气柴油机）。

3-16发动机转速（或活塞平均速度）和负荷对机械效率有何规律性的影响？这一影响规律对发动机的性能提高和使用提出什么新的要求？ 解：（1）活塞平均速度：cm↑，摩擦阻力↑，泵气损失↑，单靠提高转速来提高功率受限； （2）负荷：负荷Pe↓，ηm↓；怠速ηm＝0；增压机型ηm↑。提高发动机工作时的负荷率及降低中低负荷的机械损失，对发动机节能有重要意义。

3-17发动机润滑油是如何进行分类的？为保证发动机正常良好地运行，对润滑油的黏度提出什么要求？润滑油的选择和使用当中如何满足上述要求？

解：发动机润滑油分类涵盖粘度等级和质量等级。选用原则：保证可靠润滑的前提下，尽量

选用低粘度的润滑油以减少摩擦损失。

3-18 说明图3-24能量转换的各环节中能量利用效率下降的物理实质，并指出提高各环节能量利用效率的可能途径。

解：A-B ：受卡诺循环热效率的限制——提高燃烧温度，降低放热温度；

B-C ：考虑真实工质特性稀燃——低温燃烧；

C-D ：相对热效率采用压燃提高等容度——绝热燃烧； D-E ：机械效率降低摩擦损失——可变配气相位。

3-19 Miller循环与Atkinson循环有何异同？Miller循环在实际应用时是如何实现节能的？为什么Miller循环发动机一般都采用增压技术？

解：Atkinson循环是增加发动机的膨胀冲程；Miller循环的实质是膨胀比大于压缩比，不增加冲程，靠控制进气终点提高热效率。Miller循环常采用VVT技术实现节能，并采用增压技术以弥补进气门早关或晚关造成的进气充量损失。

3-20为什么小排量“Downsizing”都同时采用增加技术？其节能的主要原因是什么？

解：Downsizing并通过增压，在保证输出功率不变的前提下，提高发动机的有效效率。节能的原因：排量减小，泵气损失减少；机械损失减少；增压还可回收排气能量。

3-21增压发动机每循环排气的最大可利用能量是由哪几部分组成的？为什么涡轮增压发动机不可能全部利用这些能量？缸内每循环燃烧废气所具有的最大可利用能量是不是就是排气的最大可利用能？为什么？

解：见图3-30，排气可用能量包括：

（1）bf1b ：废气能够绝热等熵膨胀至大气压力点所做的功； （2）54215：排气过程中活塞推挤废气所做的功； （3）3g’i23：扫气部分转入排气中的能量。

废气在到达涡轮机前总免不了有节流、不可逆膨胀、摩擦等损失。 废气最大可用能不是排气中可利用的总能量。废气最大可用能还包括活塞的推动和扫气部分的能量。

3-22若涡轮增压发动机按定压系统的理论循环运行，请问输入涡轮机的能量是否与压气机输出能量相当？涡轮机输入能量最终消耗在哪几个方面？ 解：实际进入涡轮机的能量要比压气机输出的能量大很多。因为有发动机泵气过程中的各种流动和机械损失的存在。

3-23发动机由冷却介质带走的能量约占燃料总能量的1/3，如果燃烧系统能全部绝热，是否就可以把此1/3热量变为有效功？请就此问题作一个全面分析，并从理论上解释绝热能提高有效效率的原因和存在的限制。

解：绝热发动机可提高热量的品质，减少冷却系统消耗的功率，从而提高有效效率。但同时废气带走的能量也增加，降低了充气系数，增大了压缩功，并需要高温材料，带来润滑等问题。

3-24依据图3-23所示的自然吸气发动机热平衡图，分析： （1）燃料总能量最终分为哪几部分输出去了？