汽油机的气门重叠角一般要比柴油机的小，这是因为若进气门开启过早，废气会倒入进气管，出现“回火”现象，且气门重叠角过大时可能造成新鲜可燃充量直接排出排气管。

增压发动机的气门叠开角一般会比非增压发动机的大，这是因为增压发动机进气门外的压力高于排气背压，因而能够更好地实现燃烧室扫气，达到增加新鲜进气充量和降低燃烧室热负荷的目的。

4-6 为什么进、排气门开启和关闭4个相位角都存在最佳值？为什么4个相位角的最佳值都随转速上升而加大？请逐一从物理概念上定性加以说明。 解：（1）排气早开角：排气损失由提前开启的自由排气损失和排气冲程的泵气损失组成。当排气早开角小时，自由排气损失小而泵气损失大；排气早开角大时，自由排气损失大而泵气损失小。故排气早开角必定存在最佳值。

由于转速对膨胀线影响不大，但是经历相同自由排气时间所对应的转角必然是高转速时大，因此转速上升时，排气早开角的最佳值加大。

（2）排气晚关角：排气晚关角过小，排气惯性利用不足；排气晚关角过大，因活塞下行较多，造成废气倒流，排气量也会减少。所以排气晚关角也存在最佳值。

转速上升时，经历相同的利用排气惯性排气的时间所对应的转角也会增大，因此转速上升时，排气晚关角的最佳值加大。

（3）进气早开角：过大会回火，过小则进气不足，故存在最佳值。

转速上升时，进气门早开的时间相同，对应的进气早开角会增大，因此转速上升时，进气早开角的最佳值加大。

（4）进气晚关角：过小不能充分利用进气惯性，过大则有可能把已充入缸内的新鲜充量推回进气管，故存在最佳值。

转速上升时，经历相同的利用进气惯性进气的时间所对应的转角也会增大，因此转速上升时，进气晚关角的最佳值加大。

4-7 增压发动机与自然吸气发动机的?c定义有何差异？增压发动机的理论进气量如果按大气环境条件计算，此时定义的?c反映了什么？ 解：自然吸气发动机的理论吸气量计算时空气密度按照环境状态下的空气密度计算，增压发动机的理论吸气量计算时空气密度按照压气机后的空气密度计算。

增压发动机的理论进气量如果按照大气环境条件计算，此时定义的充量系数反映了增压的强度（例如，按照这种方法计算所得的充量系数为1.2，这意味着经过增压后，实际的进气量是环境条件下完全排气和进气时的进气量的1.2倍），但不能反映增压的效率。

4-8 涡轮增压发动机与自然吸气原型发动机相比，由于循环进气量大幅度增加，所以它的?c也必然大幅度增加，这种说法对不对？为什么？涡轮增压发动机较自然吸气原型机的?c一般来说是加大还是减小？请列举主要影响因素加以说明。 解：这种说法不对。

因为自然吸气发动机的理论吸气量计算时空气密度按照环境状态下的空气密度计算，增压发动机的理论吸气量计算时空气密度按照压气机后的空气密度计算。所以增压后循环进气量大幅增加不能说明充量系数也一定大幅增加。

涡轮增压发动机比自然吸气原型机的充量系数增大。

因为：进气终了压力提高，扫气降低了残余废弃系数，同时减少了进气加热作用，使充气系数提高。

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4-9 影响稳定条件下发动机?c的主要因素有哪些？它们是如何影响?c的？ 解：影响充量系数的主要因素包括：

（1）进气流动阻力的影响。进气流动阻力的大小直接影响进气效率和进气量。

（2）进气温升的影响。进气工质的温升加大，必然降低缸内工质的密度，从而降低充量系数。

（3）进排气相位角的影响。进排气相位角，特别是进气晚关角和排气晚关角，对充量系数有影响。合理的进排气相位可以使进气充足、排气干净，提高充量系数。

4-10 评价进气道性能的指标是什么？进气道的设计准则是什么？旋流进气道与滚流进气道所起的作用有何差异？

解：评价进气道性能的指标是进气涡流强度和流通阻力。

进气道的设计准则是在基本满足进气涡流要求的前提下，尽可能降低气道的流动阻力。 旋流进气道进气时主气流出现绕气门中心的旋转运动；滚流进气道产生旋转中心线与气缸中心线垂直的纵向滚动气流。两者形成的气流运动形式不同。滚流进气道主要用于实现稀燃缸内直喷汽油机的分层混合气。

4-11 什么是气门口平均进气马赫数Mam？说明φc随Mam变化的规律及原因，为什么Mam大于0.5就使φc急剧下降？

解：平均进气马赫数的定义为通过气门口的平均流速与当地音速的比值。

充量系数随马赫数的增加而下降，特别是马赫数大于0.5时，充量系数急剧下降。 马赫数增大时，气门口流速增大，使流动阻力以平方关系提高，使充量系数下降。当马赫数达到0.5左右时，虽然总体上未达到音速，但某些小升程段的气流已接近壅塞，充量系数加速下降。

4-12 进气终了前工质温度的上升对发动机性能有什么影响？一般来说，有哪些因素影响进气终了工质温度的变化量？影响大小及趋势如何？

解：进气工质的温升加大，必然降低缸内工质的密度，从而降低充量系数，影响发动机的动力输出。

影响进气终了工质温度的变化量的因素包括：进气过程中高温壁面传热；进气过程中压力损失变为摩擦热；残余废气与新鲜充量混合；进气过程中燃料气化吸热。

其中，前3个因素引起进气工质温度上升，第4个因素引起进气工质温度下降。

在4个因素中，进气过程中高温壁面传热对进气温升的影响最大。且转速越低，负荷越大，高温壁面传热引起的温升越大。

4-13 为什么近代轿车汽油机普遍采用多气门机构？它有什么优缺点？柴油机为什么较少采用多气门？2气门改为4气门时，为什么功率上升的百分比要比转矩增加的百分比大得多？

解：优点：

（1）增加了进气流通面积，减小进气阻力，提高进气充量； （2）对于汽油机来说，有利于采用火花塞中置的燃烧室布置。 缺点：

（1）使气门机构变得复杂。 （2）增加了成本。

对于柴油机，由于柴油机没有节气门，进气阻力相对较小，而汽油机在中小负荷时节气

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门节流作用明细，所以柴油机对进气流通面积的要求比汽油机低。

2气门改为4气门时，功率上升的百分比比转矩增加的百分比大得多。这是因为：对于转矩来说，改用4气门主要的影响是增加了进气充量，从而对最大输出转矩有所提升。对于功率来说，除了在相同转速的条件下增加了输出转矩，使功率上升之外，2气门改为4气门还有一项重要的影响：在发动机高速工况下，由于进气壅塞现象，发动机功率反而下降；而2气门改用4气门后，由于气门流通面积大大增加，防止了进气壅塞现象，使得在高转速下也能够输出较大扭矩，这样由于转速的提高，功率大大增加。在这两种影响的综合作用下，功率上升的百分比比转矩增加的百分比大得多。

4-14 为什么说?c—n进气外特性曲线是发动机特别是汽油机极为重要的性能曲线之一？一般发动机的?c—n外特性曲线的变化趋势有何特点？由哪些因素决定？进气晚关角是如何影响?c—n曲线？为什么发动机提高标定转速时要相应加大进气晚关角？

解：对于汽油机，在有效效率变化不大的条件下，其输出转矩的大小主要取决于每循环进入气缸的充量。所以发动机的进气外特性基本上决定了各工作转速全负荷时输出转矩和功率，也就是决定了整机的最大动力性。

对于柴油机，由速度外特性决定的最大充量变化规律，限制了柴油机允许喷入的极限油量，即限制了可能达到的最大动力性。

汽油机充量系数随转速上升较快下降。当部分负荷节气门关小时，充量系数下降更剧烈。 柴油机进气速度特性相对汽油机变化平缓。当负荷减小时，进气速度特性线比进气外特性线略高一些。

进气充量速度外特性曲线受进气工质温升、流动总阻力、进气晚关角等因素影响。 如果进气晚关角不随转速变化，则发动机只有一个转速对应最佳进气晚关角。当转速大于该转速时，不能充分利用进气惯性；当转速小于该转速时，进入缸内的新鲜充量部分流回进气管。两种情况都是进气充量低于理想值。

提高标定转速时，由于转速增加时最佳进气晚关角会相应的增大，所以应加大进气晚关角，从而可以提高发动机转速并加大输出功率。

4-15 什么是可变气门正时（VVT）？VVT是如何分类的？它影响发动机的哪些性能？无凸轮VVT有何突出优点？

解：VVT通过改变进、排气门开启和关闭时刻以及气门升程，以满足发动机在不同转速和负荷工况下对进、排气流通特性的要求。

VVT分为可变正时VVT、可变升程VVT和可变正时和升程VVT三类。 VVT主要影响发动机的动力性（增大充量系数）和经济性（减少泵气损失）。

无凸轮VVT利用电磁或电液机构直接驱动进、排气门的开启和关闭，省去了凸轮轴，并且可以对气门正时、气门升程进行全可变调节，可使发动机的性能得到最大程度的优化。

4-16 什么是进、排气过程的动态效应？如何利用动态效应来提高发动机的?c？多缸发动机出现各缸进气不均匀的主要原因是什么？

解：进、排气过程动态效应指进气管、排气管中压力波传播对进气门端进气压力和排气门端排气压力的影响。

进气门开启时，发出膨胀疏波，由管端第一次返回压缩密波，利用压缩密波可以增加进气量。类似的，排气门开启时，发出压缩密波，由管端第一次返回膨胀疏波，利用膨胀疏波可以增加排气量。

多缸机进、排气总管和歧管相互串联或并联。某一缸进气时，其他缸进气产生的疏波或

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者密波会对此缸的进气压力造成影响。同理，其他缸的排气形成的疏波或密波也会对排气缸的排气压力造成影响。这些会造成多缸机各缸进气不均匀的问题。

4-17 利用压力波传播理论解释：气门口开启进气时，为什么进气管中出现的是右行疏波（取气门口到进气管入口为右行正方向）？若进气管入口是一个无空滤器全开口的管端，为什么上述疏波传到开口管端时的反射波是全正反射的左行密波？若换为排气门，气门口开启排气时，情况又如何？

解：气门口开启进气时，由于活塞下行，气缸内压力较低，dpR为负值，故出现右行疏波。

根据压力波传播理论和边界条件性质，对于开口端，出现全负反射，即反射波性质与来波相反，而幅值相同。故反射波是左行密波。

对于排气门，气门开启排气时，由于缸内压力比排气背压大，故出现右行密波。

4-18 什么是可变进气歧管长度系统？它主要用来改善发动机的什么性能？高、低转速下如何改变进气歧管的长度？

解：可变进气歧管长度系统，可以在不同的转速下控制气流沿不同长度的路径进入气缸，从而可以在低速时获得大转矩，在高速时获得大功率。

主要改变发动机的动力性能。

高速时使用短的进气管长度，提高功率；低速时使用长的进气管长度，增加扭矩。

4-19 为了利用进气动态效应提高某一汽油机在n=5000r/min时的?c，对其进气管进行设计，已知进气早开角和晚关角分别为30°CA和50°CA，设当地音速为350m/s，试计算并选定最佳进气管长度。

解：本循环（惯性效应）：

设该汽油机的进气管长度为L，则若本循环压力波对进气过程有正效应时需满足的条件为：

?t??ts，即

2L180 ?a2?n/60????式中a为当地声速，??为进气门总的开启角度值； 所以，

???L?

180????a??30?180?50??350m?1.5167m

50004?n/60720n/60720?60??a

（1）

上循环（波动效应）

上循环残余压力波动的正压波如能处于本循环进气时期，则会对?c有利。 记气门口处压力波动频率为：

f1?a 4L进气门开启频率为：

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f2?n 120f130a为1.5,2.5…, 残余正波到达, 对?c有利。所以有： ?f2nL频率比q?30a30?3502.1???1.5,2.5? nL5000LLL?2.1?1.4,0.84,0.6?m；

(1.5,2.5,3.5?)

(2)

管长L与转速n要合理匹配：L太长，对?c没有影响；L过短，多次返回的密波和疏波相互抵消。由式(1)、(2)可知，最佳的进气管长度为L=1.4m。

4-20有一常规的四缸四冲程汽油机，在发动机台架上做试验，下表是测得的数据。

排量 消耗400cm3燃料和3.38m3空气的时间 发动机转速 有效平均压力 环境温度 环境压力 2.0 dm3 53.0 s 4800 r/min 0.951 MPa 293 K 0.1 MPa 残余废气系数 0.05 假设气门重叠很小，对换气循环的影响可以忽略不计。已知汽油密度为0.76kg/L，低热值为42MJ/kg，摩尔质量为98kg/kmol。

计算：(1)新鲜进气充量；(2) 空燃比；(3) 充量系数；(4) 残余废气质量；(5) 混合气热值；(6) 有效效率。 解：（1）

?a?pM100000?29??1190.48g/m3 RT8.314?293每循环进入发动机的空气量：

3.38ma??aVa?1190.48?53?1.898g

480060?2每循环进入发动机的燃料量为：

0.4mf??fVf?760?53?0.1434g

480060?2所以每循环进入发动机的新鲜充量为：

m1?ma?mf?1.898?0.1434?2.041g

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