内燃机设计第二版课后习题答案（袁兆成主编）第一章：内燃机设计总论1-1根据公式 ，可以知道，当设计的活塞平均速度Vm增加时，可以增加有效功率，请叙述活塞平均速度增加带来的副作用有哪些？具体原因是什么？答：摩擦损失增加，机械效率m下降，活塞组的热负荷增加，机油温度升高，机油承 载能力下降，发动机寿命降低。惯性力增加，导致机械负荷和机械振动加剧、机械效率降低、寿命低。进排气流速增加，导致进气阻力增加、充气效率v下降。1-2汽油机的主要优点是什么？柴油机主要优点是什么？答：柴油机优点：1）燃料经济性好。 2）因为没有点火系统，所以工作可靠性和耐久性好。 3）可以通过增压、扩缸来增加功率。 4）防火安全性好，因为柴油挥发性差。 5）CO和HC的排放比汽油机少。 汽油机优点：1）空气利用率高，转速高，因而升功率高。 2）因为没有柴油机喷油系统的精密偶件，所以制造成本低。 3）低温启动性好、加速性好，噪声低。 4）由于升功率高，最高燃烧压力低，所以结构轻巧，比质量小。 5）不冒黑烟，颗粒排放少。1-3假如柴油机与汽油机的排量一样，都是非增压或者都是增压机型，哪一个升功率高？为什么？答：汽油机的升功率高，在相同进气方式的条件下， 由PL=Pme*n/30可知，汽油机与柴油机的平均有效压力相差不多。但是由于柴油机后燃较多，在缸径相同情况下，转速明显低于汽油机，因此柴油机的升功率小。 柴油机的过量空气系数都大于1，进入气缸的空气不能全部与柴油混合，空气利用率低，在转速相同、缸径相同情况下，单位容积发出的功率小于汽油机，因此柴油机的升功率低，汽油机的升功率高。 1-4柴油机与汽油机的汽缸直径、行程都一样，假设D=90mm、S=90mm，是否都可以达到相同的最大设计转速（如n=6000r/min）？为什么？答：对于汽油机能达到，但是柴油机不能。因为柴油机是扩散燃烧形式，混合气的燃烧速度慢，达不到汽油混合气的燃烧速度，所以达不到6000r/min的设计转速。缸径越大，柴油混合气完成燃烧过程的时间越长，设计转速越低。1-5活塞平均速度提高，可以强化发动机动力性，请分析带来的副作用是什么？答：摩擦损失增加，机械效率m下降，活塞组的热负荷增加，机油温度升高，机油承载能力下降，发动机寿命降低。 惯性力增加，导致机械负荷和机械振动加剧、机械效率降低、寿命低。进排气流速增加，导致进气阻力增加、充气效率v下降。1-6目前使发动机产生性能大幅度提高的新型结构措施有哪些？为什么？答：新型燃烧室，多气门（提高v），可变配气相位VVT（提高v），可变进气管长度（提高v）,可变压缩比，可变增压器VGT、VNT（可根据需要控制进气量），机械-涡轮复合增压，顶置凸轮机构DOHC、SOHC（结构紧凑，往复惯性力小）。1-7内燃机仿真设计手段主要有那些？答：三维实体造型设计，气体、液体流动分析，冷却水温度场分析，配气相位性能优化，喷雾模拟，燃油喷射模拟，燃烧模拟，振动模拟分析，噪声仿真，整机性能一维仿真等。1-8某发动机为了提高功率，采用了扩大汽缸直径的途径，如果汽缸直径扩大比较多，比如扩大5mm，与之相匹配的还要改变那些机构的设计？还要进行哪些必要的计算？答：气缸直径改变之后，除估算功率、转矩外，活塞直径、气门直径、气门最大升程要重新确定，活塞环要重新选配，曲轴平衡要重新计算，要进行曲轴连杆机构动力计算和扭振计算，要进行压缩比验算、燃烧室设计、工作过程计算深知重新设计凸轮型线等。1-9某发动机由于某种原因，改变了活塞行程，与之相匹配的还要进行哪些结构更改设计和计算？答：活塞行程S改变后，在结构上要重新设计曲轴，要重新进行曲柄连杆机构动力计算、平衡计算、机体高度改变或者曲轴中心移动、压缩比验算与修正、工作过程计算等。1-10发动机工程数据库在内燃机开发设计中有何重要作用？答：由于目前的内燃机设计方法一半要用经验设计结合理论计算的模式，因此工程数据库 可以使设计者更快更好的设计出符合要求的内燃机。 1-11已知某轿车4缸汽油机采用自然吸气方式，每缸4气门，设计转速是6000r/min，气缸直径D=86mm，活塞行程S=90mm，试确定该发动机的标定功率，最大扭矩和最大扭矩对应的转速。答：首先计算活塞平均速度，再根据发动机的类型和用途，利用表1-6选定平均有效压力，然后利用公式1-1计算标定功率和标定转速扭矩。根据表1-2确定发动机的扭矩适应系数和转速适应系数，进而初步确定最大扭矩和最大扭矩转速。第二章：曲柄连杆机构受力分析2-1写出中心曲柄连杆机构活塞的运动规律表达式，并说出位移、速度和加速度的用途。答：X = r(1-cos)+ /4(1-cos2) = X+X; V = r(sin+sin2*/2) = v+v; a = r2(cos+cos2) = a+a;用途：1）活塞位移用于P-示功图与P-V示功图的转换，气门干涉的校验及动力计算； 2）活塞速度用于计算活塞平均速度Vm= =18 m/s，用于判断强化程度及计算功率，计算最大素的Vmax，评价汽缸的磨损； 3）活塞加速度用于计算往复惯性力的大小和变化，进行平衡分析及动力计算。2-2气压力Pg和往复惯性力Pj的对外表现是什么？有什么不同？答：气压力Fg的对外表现为输出转矩，而Fj的对外表现为有自由力产生使发动机产生的纵向振动。 不同：除了上述两点，还有 Fjmax Fgmax Fj总是存在，但在一个周期内其正负值相互抵消，做功为零；Fg是脉冲性，一个周期内只有一个峰值。 2-3推导单缸发动机连杆力、侧向力、曲柄切向力和径向力的表达式，并证明翻倒力矩与输出力矩大小相等方向相反。答：侧向力FN，连杆力FL，曲柄切向力Ft，径向力Fk FN = FL tan, FL = p/cos ，Ft = FL sin(+) = sin(+) ， Fk = FL cos(+) = cos(+)规定Ft 与同向为正，Fk指向圆心为正，转矩顺时针为正。 单缸转矩为 M = FL * r = F r翻倒力矩 M= - FN* h = -Ftanr= - F r= - Fr2-4曲轴主轴颈的积累转矩如何计算，连杆轴颈转矩如何计算？如果已知一个四冲程四缸机，发火顺序1342，试求第四主轴颈转矩和第四拐连杆轴颈转矩。答：求某一主轴颈的转矩，只要把从第一拐起到该主轴颈前一拐的各单缸转矩叠加起来即可。叠加时第一要注意各缸的工作相位，第二要遵循各缸转矩向后传递的原则。 求连杆轴颈转矩，根据转矩向后传递的原则，Mqi应该是前一个主轴颈上的积累转矩Mzi与作用在本曲柄销上的切向力所引起单缸转矩的一半。 此四冲程四缸机的发火顺序为1-3-4-2，由此可得 第一主轴颈所受转矩 M0，1 = 0第二主轴颈所受转矩 M1，2 = M1（） 第三主轴颈所受转矩 M2 ，3= M1，2 + M1（+ 180o） 第四主轴颈所受转矩 M3，4 = M2，3 + M1（+ 540o） 第五主轴颈所受转矩 M4，5= M3，4 + M1（+ 360o）= 以上是以四缸机的曲轴主轴颈的积累转矩。 Mq1 = Ft r = M1() ，Mq2 = M1,2 + M1(+ 180o)Mq3 = M2,3 + M1(+ 540o) ，Mq4 = M3,4 + M1(+ 360o)这些是四缸机的连杆轴颈转矩。第三章：内燃机的平衡3-1四冲程四缸机，点火顺序1-3-4-2，试分析旋转惯性力和力矩，第一阶、第二阶往复惯性力和力矩，如不平衡，请采取平衡措施。答：解：点火间隔角为 A= =180 （1） 作曲柄图和轴测图，假设缸心距为a。 一阶曲柄图二阶曲柄图轴测图 （2） 惯性力分析。根据一阶曲柄图和二阶曲柄图作力的矢量图，做如图所示的四拐平面曲轴往复惯性力矩图。由于二阶惯性力不平衡，所以不能分析二阶力矩，因为此时随着取矩点的不同，合力矩的结果是不一样的。 一阶往复惯性力二阶往复惯性力一阶往复惯性力矩3-2二冲程四缸机，点火顺序1-3-4-2，试分析旋转惯性力和力矩，第一阶、第二阶往复惯性力和力矩，如不平衡，请采取平衡措施。并指出Mj1max及出现时刻。答：解：点火间隔角为A=90 （1）作曲柄图和轴测图。 （2）惯性力分析。显然，一阶和二阶往复惯性力之和都等于零，即FRjI=0，FRjII=0，静平衡。 （3）惯性力分析。根据右手定则向第四拐中心取矩，得到在水平轴上的投影 MjIx=aCcos1826。 可以看出，在第一缸曲拐处于上止点前1826时，该机有最大一阶往复惯性力，即旋转惯性力矩（4）平衡措施。采用整体平衡方法，有 3-3四冲程三缸机，点火顺序1-3-2，试分析旋转惯性力和力矩，第一阶、第二阶往复惯性力和力矩，如不平衡，请采取平衡措施。并指出Mj1max及出现时刻。答：解：点火间隔角为A=240（1） 作曲柄图和轴测图 三拐曲轴一、二阶曲柄图和轴测图 （2）做惯性力矢量图 一阶惯性力 二阶惯性力得到 ?（3）做力矩图 往复惯性力矩图旋转惯性力图旋转惯性力矩（4） 采用用整体平衡法 3-4为了一个四冲程（1-3-4-2）设计一套用于平衡二阶往复惯性力的双轴平衡机构。答：此时发动机支撑还承受发动机本身重量和由于曲柄变形而产生的弯矩作用。 （1）一阶往复惯性力的平衡分析： 如上图所示，以气缸夹角平分线为始点，左右两列气缸的一阶往复惯性力分别为 =Ccos(+)= Ccos(-)向x轴和y轴投影，再求和，得 =+=Ccos?(1+cos)=+=Csin?(1-cos)合力=C 合力方向=arctan而+=1，所以的端点轨迹是一个椭圆。 当时，为长半轴； 当=时，=C,其端点轨迹是一个圆。 （2）二阶往复惯性力的平衡分析 同样以气缸夹角平分线为起始点，左右两列气缸的二阶惯性力表示为 =Ccos2=Ccos2在坐标轴上的投影为： =2Ccoscoscos2=2Csinsinsin2也是椭圆，合力为 =2C合力方向为当=时，有=，=，变为水平方向的往复惯性力，可以用兰氏机构平衡。 结论：=时，为一个圆，相当于离心力；为往复惯性力，方向垂直于气缸夹角平分线。3-5四冲程六缸机的惯性力和惯性力矩都已经平衡了，此发动机的支撑还承受什么力作用？答：解：点火间隔角为A=120 （1）作曲柄图和轴测图 三拐曲轴一、二阶曲柄图和轴测图 （2）做惯性力矢量图 一阶惯性力二阶惯性力得到 ，（3）做力矩图 往复惯性力矩图旋转惯性力图第四章：曲轴系统的扭转振动4-1什么是扭振？扭振的现象和原因是什么？答：定义：扭转振动是使曲轴各轴段间发生周期性相互扭转的振动，简称扭振。现象：1）发动机在某一转速下发生剧烈抖动，噪声增加，磨损增加，油耗增加，功率下降，严重时发生曲轴扭断。2）发动机偏离该转速时，上述现象消失。原因：1）曲轴系统由具有一定弹性和惯性的材料组成。本身具有一定的固有频率。2）系统上作用有大小和方向呈周期性变化的干扰力矩。3）干扰力矩的变化频率与系统固有频率合拍时，系统产生共振。4