2-1 什么是发动机的换气过程？合理组织换气过程的目的是什么？为什么说发动机的充气效率是研究换气过程的核心问题？
解：发动机排出废气和充入新鲜空气或可燃混合气的全过程叫换气过程。
合理组织换气过程的目的包括：
1）保证在标定工况和全负荷工况下，吸入尽可能多的新鲜充量，以获得尽可能高的输出功率和转矩；
2）保证多缸机各缸循环进气量的差异不超出应有的范围，以免对整机性能产生不利影响。
3）应尽量减小换气损失，特别是占最大比例的排气损失。
4）进气后在缸内所形成的湍流场，应能满足组织快速合理燃烧的要求。
发动机充气效率是实际进气气缸的新鲜工质量与进气状态下充满气缸工作容积的新鲜工质量的比值，该参数是决定发动机动力性能和进气过程完善程度的极为重要的评定指标，是换气过程的核心问题。
2-2 自由排气与强制排气有何本质差别？简述超临界、亚临界和强制排气三个阶段中影响排气流量的主要因素。可以采取哪些措施来提高排气流量？
解：自由排气和强制排气的本质差别在于，废气是在缸内和大气或涡轮机入口处的压差作用下自由流出，还是依靠活塞强制推出。
对于超临界排气，气门口流速始终保持当地的音速，故影响排气量的主要因素是气门口截面积。
对于亚临界排气，气门口流速小于音速，但排气速度仍然较高。此时影响排气量的主要因素是排气流动阻力。
对于强制排气，排气压力基本上等于排气背压。
为了提高排气量，可以采取的措施包括：
1）加快排气门开启的速度，增加自由排气阶段的排气量；
2）减小排期流动损失，降低排气背压，增加强制排气阶段的排气量。
2-3 进气和排气为什么要早开和晚关？4个相位角中，哪两个角最重要？这两个角对发动机性能有何影响？
气门重叠的作用是什么？比较汽油机与柴油机、增压发动机与自然吸气发动机气门重叠角的大小，并说明造成差异的原因。
解：早开晚关：进气充足、排气干净。
进气晚关角和排气早开角被认为是最重要的两个，这是因为进气晚关角对进气充量影响最大，排气早开角对换气损失影响最大。
气门重叠角：扫气以降低缸内的残余废气系数；降低发动机的热负荷。
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。
2-4 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。
2-5 什么是气门口平均进气马赫数ma？说明ηv随ma变化的规律及原因，为什么mam大于0.5就使ηv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。
充气效率随马赫数的增加而下降，特别是马赫数大于0.5时，充气效率急剧下降。
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，使充气效率下降。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，充气效率加速下降。
按气体动力学孔口流动规律，当孔口上游滞止压力不变时，在孔口流速达到音速后，无论孔口下游的压力降到多低，孔口的流量都保持不变。这就是气流的壅塞现象。
进气门口壅塞会导致发动机在提高转速时进气流量不会加大，发动机功率不仅不会加大，反而因机械损失的增加而下降，转速的提高将失去其提高功率的价值。
2-6 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。
2-7 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？
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。
2-8 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ηv？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。
2-9 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。
2-10 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。
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) 充气效率；(4) 残余废气质量；(5) 混合气热值；(6) 有效效率。
解：（1）每循环进入发动机的空气量：
每循环进入发动机的燃料量为：
所以每循环进入发动机的新鲜充量为：
空燃比为：
充量系数为：
残余废气质量：
因空燃比小于理论空燃比，所以混合气所能发出的热值应按空气量计算：
单位质量混合气热值：
混合气密度为：
混合气的体积热值为：
发动机的有效热效率为：
2-11 以曲轴箱扫气式二冲程汽油机为例，说明二冲程发动机的进气、压缩、燃烧、排气四个过程是如何在两个冲程内完成的。
解：活塞向下移动的冲程，先燃烧、膨胀做功，然后排气孔打开，自由排气，再往后扫气孔打开，被压缩的新鲜工质从曲轴箱通过扫气孔进入气缸，一边向气缸充气，一边帮助排气，称为扫气。活塞向上移动的冲程，先是继续扫气，扫气孔关闭后还继续排气，排气孔关闭后则进行压缩，接近上止点时着火燃烧。
活塞上行冲程的某一时刻，活塞下边缘将扫气孔打开，曲轴箱吸入新鲜工质，以备下一循环充气、扫气用。
2-12 二冲程发动机有哪几种常用的扫气系统？比较这些系统的优缺点及应用场合。
解：扫气系统包括横流扫气、回流扫气和直流扫气。
横流扫气扫气孔和排气孔分别布置在气缸两侧。结构简单，但换气效果不佳，两侧缸壁的热负荷和受力都不均匀。
回流扫气扫、排气孔布置在气缸同侧。扫气效果要比横流扫气好很多，同时保留了结构简单的优点。
直流扫气在缸盖上设置排气门以代替排气孔，扫气孔沿切线排列。大大改善了换气质量，优点很多。但由于增设了排气门机构，换气系统复杂，发动机高度增加。
2-13 为什么二冲程汽油机没有在汽车中得到广泛应用？如果想发展车用二冲程汽油机，应采用哪些技术措施？
解：二冲程汽油机的主要优点是升功率高，动力性好；其主要缺点是换气效果差，经济性能和排放性能受限。
发展车用二冲程汽油机需要找到高效的换气（扫气）技术，改善换气效果，提高充量系数，同时减少扫气过程中的hc排放。例如，可以采用换气效果最好的直流扫气技术代替目前常用的回流扫气技术。
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