内燃机的工作循环
内燃机原理内燃机的工作循环
内燃机原理内燃机的工作循环内燃机是一种将燃料燃烧产生的能量转化为机械能的装置。
它是现代社会中广泛使用的技术之一，应用于汽车、发电机、飞机和船舶等各个领域。
内燃机的工作循环是指在一个完整的运行周期内，发动机执行吸气、压缩、燃烧和排气四个过程的过程。
内燃机的工作循环通常包括四个阶段：吸气阶段、压缩阶段、燃烧阶段和排气阶段。
在吸气阶段，活塞从汽缸上部的最高位置（称为上死点）向下移动，此时汽缸内的活塞腔体积增大，形成一个低压区域。
此时，汽缸顶部的进气门打开，使空气通过进气道进入到汽缸内。
当活塞达到下死点位置时，进气门关闭，汽缸内的容积达到最大，吸气阶段结束。
在压缩阶段，活塞从下死点位置向上移动，汽缸内的容积减小，空气被压缩。
同时，压缩使空气温度升高，增加了燃料燃烧的能量。
当活塞达到上死点位置时，压缩阶段结束。
在燃烧阶段，燃油被喷射到汽缸内，燃料和空气混合物被点燃，产生高温和高压的燃烧气体。
燃烧气体的体积急剧膨胀，推动活塞向下运动。
同时，高温高压的燃烧气体也推动汽缸底部的排气门打开，将废气排出。
在排气阶段，废气通过排气门排出汽缸，活塞向上运动，汽缸内的容积增大。
当活塞达到下死点位置时，排气门关闭，排气阶段结束。
随后活塞再次向上移动，回到吸气阶段，循环开始。
内燃机的工作循环通常使用缸内燃烧循环表示，也称为奥托循环。
在奥托循环中，理想气体假设忽略活塞、气缸以及其他运动零件的摩擦和损失，并假设燃料燃烧为完全燃烧。
内燃机的工作循环会受到多种因素的影响，如空气质量、燃料质量、点火时机、气门的开闭控制等。
通过调整和优化这些因素，可以提高内燃机的功率输出和燃料效率。
总结起来，内燃机的工作循环是通过吸气、压缩、燃烧和排气四个过程来完成的。
内燃机通过燃烧产生的高温高压气体推动活塞运动，将燃料的化学能转化为机械能。
内燃机的工作循环的优化和改进是实现高效能、低排放的关键。
内燃机工作循环
2020/2/12
由热效率表达式，还可以得到如下结论：
1. 提高压缩比εc可以提高热效率ηt，但提高率随着压 缩比εc的不断增大而逐渐降低。
2. 增大压力升高比λp可使热效率ηt提高。 3. 压缩比εc以及压力升高比λp的增加，将导致最高循
环压力pz的急剧上升。 4. 增大初始膨胀比ρ0，可以提高循环平均压力，但循
环热效率ηt随之降低。 5. 等熵指数k增大，循环热效率ηt提高。
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内燃机实际工作条件的约束和限制： • 1)结构条件的限制
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表3—2给出了在从原油提炼液体燃料过程中 ，不同炼制工艺对油料性质的影响。热裂解 法虽然工艺简单，但由于所得到的燃油稳定 性较差，一般还需要进行催化裂解等炼制过 程，以保证质量。值得强调的是，每一种商 品燃料都是多种烃类的混合物，而且是各种 炼制工艺所得油料的调和产物；近年来，为 了提高汽油燃料的辛烷值，大量采用催化重 整工艺，即将低辛院值的汽油在铂、镍等催 化剂的接触催化下进行重整，使其辛烷值水 平得到进一步提高。
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一、内燃机的燃料
• （一）石油燃料 • （二）天然气燃料 • （三）代用燃料
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(一)石油燃料
• 1、石油中烃的分类 • 2、石油的炼制方法与燃料 • 3、柴油和汽油的理化性质
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1、石油中烃的分类
从化学结构上看，石油基本上是 由脂 肪族烃、环烷族烃和芳香族烃等各种烃类
4)分别用假想的加热与放热过程来代替实际的燃烧 过程与排气过程，并将排气过程即工质的放热视为 等容放热过程。
2-内燃机的循环
内燃机的循环
3、影响因素分析
系） 在
v3 代表加热量（∵ ，加热量多，V3 v2
同前所述：
t ，
，
与 q 有顺变关
。
一定时，增加
（即 q1
tp则随之减少，但 ），
ptp
三、混合加热循环（萨巴德循环） 1、混合循环热效率 tvp（ tm ）
tvp
Cv T5 T1 q2 1 1 q1 Cv T3 T2 C p T4 T3
将 T2 、T 、 T 代入式子得：
3
4Leabharlann ptvpp1 k 1 k 1 t 1 k 1
内燃机的循环
3、影响因素分析
同前分析，结果相同 和
虽 =1时，为等压循环 =1时，为等容循环
一样，但加热时间不同，其热效率亦不同。如一个在上止点加热，一
内燃机的循环
一、定容加热循环
内燃机有三种基本空气标准循环：定容、定压、混合 汽油机为定容加热循环（亦称 otto 循环）；低速柴油机为定压 加热循环（Diesel Cycle）；高速柴油机为混合加热循环（Mixed Cycle）（实际上现在发展并非这样，实际上柴油机的压力升高率 dp >汽油机）
d
曲柄 曲轴
工作行程（S ）：上下止点间的距离。 四行程发动机：活塞经四个行程完成一个工作循环的发动机 二行程发动机：活塞经二个行程完成一个工作循环的发动机 曲柄半径 R ：曲轴中心与连杆轴径中心之距 S 2 R
内燃机的循环
气缸余隙容积 Vc （燃烧室容积）：活塞在上止点时，活塞顶部 以上的容积。 气缸工作容积 Vh （气缸排量）：活塞从上止点到下止点所走 过的容积。 D 2
内燃机的工作循环
内燃机的工作循环生物与农业工程学院孙舒畅45090120一，内燃机的理论循环通常根据内燃机所使用的燃料、混合气形成方式、缸内燃烧过程(加热方式)等特点，把火花点火发动机的实际循环简化为等容加热循环，把压燃式柴油机的实际循环简化为混合加热循环或等压加热循环，这些循环称为内燃机的理论循环。
根据不同的假设和研究目的，可以形成不同的理论循环，如图1，a、b和c所示为四冲程内燃机的理想气体理论循环的p-V示功图。
为建立这些内燃机的理论循环，需对内燃机的实际循环中大量存在的湍流耗散、温度压力和成分的不均匀性以及摩擦、传热、燃烧、节流和工质泄漏等一系列不可逆损失作必要的简化和假设，归纳起来有：1)忽略发动机进排气过程，将实际的开口循环简化为闭口循环。
2)将燃烧过程简化为等容、等压或混合加热过程，将排气过程简化为等容放热过程。
3)把压缩和膨胀过程简化成理想的绝热等熵可逆过程，忽略工质与外界的热量交换及其泄漏等的影响。
4)以空气为工质，并视为理想气体，在整个循环牛工质物理及化学性质保持不变，比热容为常数。
图1 四冲程内燃机典型的理论循环a)等容加热循环b)等压加热循环c)混合加热循环通过对理论循环的热力学研究，可以达到以下目的：1)用简单的公式来阐明内燃机工作过程中各基本热力参数间的关系，明确提高以理论循环热效率为代表的经济性和以循环平均压力为代表的动力性的基本途径。
2)确定循环热效率的理论极限，以判断实际内燃机工作过程的经济性和循环进行的完善程度以及改进潜力。
3)有利于比较内燃机各种热力循环的经济性和动力性。
各种理论循环的热效率和循环平均压力可以依照热力学的方法进行推导[1-3]。
内燃机理论循环热效率和循环平均压力的表达式及特点见表1。
表1 内燃机理论循环的比较注：V P c c k =为等熵指数，c a c V =ε为压缩比，c z P P P =λ为压力升高比，c z V V =0ρ为初始膨胀比。
分析表1中三种理论循环的热效率和平均压力表达式，不难发现：1)三种理论循环的热效率均与压缩比 有关，提高压缩比可以提高循环的热效率。
内燃机的工作循环
目录
• 内燃机基本概念与原理 • 进气冲程详解 • 压缩冲程详解 • 燃烧与膨胀冲程剖析 • 排气冲程详解 • 内燃机性能优化策略 • 总结与展望
01 内燃机基本概念与原理
内燃机定义及分类
内燃机定义
内燃机是一种将燃料与空气混合 后在汽缸内部进行燃烧，将化学 能转化为机械能的热力发动机。
进气歧管作用
将空气或可燃混合气引入气缸，并分配给各个气缸。
设计要点
保证进气歧管具有足够的流通面积，避免急转弯和截面突变，以减小流动阻力； 合理布置进气歧管长度和直径，以实现良好的进气充量和气流速度分布。
混合气形成过程分析
汽油机混合气形成
汽油喷入进气歧管或气缸内，与空气混合形成可燃混合气。混合气的形成质量对 汽油机的动力性、经济性和排放性能有重要影响。
通过改进燃烧室形状和结构，促进空气和燃油的充分混合，提高 燃烧效率。
采用先进的燃油喷射技术
如缸内直喷、多次喷射等，实现燃油的精确控制和高效燃烧。
废气再循环技术
将部分废气引入进气管，降低进气氧浓度和燃烧温度，减少氮氧化 物排放，同时改善燃烧过程。
降低机械损失途径
优化发动机结构
通过减轻发动机重量、降低摩擦阻力等措施，减少机械损失。
分类
根据燃料种类和燃烧方式的不同 ，内燃机可分为汽油机、柴油机 和气体燃料发动机等。
工作原理简介
工作循环
内燃机的工作循环包括进气、压缩、 燃烧（做功）和排气四个基本过程。
02
进气过程
活塞下行，进气门开启，可燃混合气 被吸入汽缸。
01
03
压缩过程
进气门关闭，活塞上行，可燃混合气 被压缩，温度和压力升高。
随着活塞的上行，气缸内的气体被逐渐压缩，气体的体积减小。
3内燃机学第三章(1-2节)工作循环
Tc / Ta c k 1 ; Tz ' / Ta c k 1 ; Tz / Ta 0 c k 1
11
代入上式，可得：
t mCv pt Ta{( c k 1 c k 1 ) k ( 0 c k 1 c k 1 )} Vs t mCv Ta c k 1{( 1) k ( 0 1)} Vs
k 1 k 1 k 1
k 1
0 c
Tb / Ta Tz / Ta Tb / Tz 0 c Tb / Tz 0 c 0 c 1 k 1 ( ) 0k c / 0
(vz / vb )
k 1
其中， c为绝热压缩过程的压缩比； 为绝热压缩和绝热膨胀过程的绝热指数； p为等容加热过程的压力升高比； o为等压加热过程的容积增加比（预胀比）； =vb/vz为绝热膨胀过程的容积增加比（后胀比）- = c/ o 6 将各温度表达式代入循环热效率t，可得：
17
•机械效率限制 机械效率与缸内最大压力有密切关系，因为， Pmax决定了活塞 连杆机构的质量、其惯性力和主要承压面积大小等。 大幅度提高压缩比和压力升高比，必然会带来机械效率的下降， 从而使由于、提高所获得的循环效率与平均压力的收益，得而复 失。这一点对于柴油机来说，是一个很明显的问题。 国外柴油机最新发展的一个趋势，通过降低压缩比来提高柴油 机整机的经济性，其出发点就是减少摩擦损失。 •燃烧过程限制 若压缩比定得过大，压缩终点的压力和温度就会上升过多，对 于汽油机：容易产生爆震燃烧、表面点火等不正常现象；对于柴油 机：压缩终点时的气缸容积就会变得很小，给燃烧室设计带来困难， 甚至不利于高效率燃烧，造成得不偿失的后果。 •排放方面限制-冒烟、HC、CO、以及NOx等。 由于上述各种限制，目前发动机的参数范围如下： 柴油机 =12-22 =1.3-2.2 pmax=7-14 MPa 18 汽油机 7-12 2.0-4.0 3-8.5
发动机原理第五章内燃机的工作循环与机械损失
4、膨胀过程
膨胀是多变过程：存在补燃损失，散热损失，漏气 损失Wb。
实际 循环 的损 失：
5、其它几项损失
涡流和节流损失：气缸内工质由于活塞的高
速运动产生涡流，造成压力损失。对于分隔 式燃烧室，还会产生节流损失。 泄漏损失：气门和活塞环出的泄漏。 类型 理论循环热效率 指示热效率 汽油机 0.54-0.58 0.30-0.40 柴油机 0.64-0.67 0.40-0.45
也可用热量百分比表 : qe+qc+qg+qL=100% 热平衡方程式各项组成100% 汽 油 机 % 柴油机% 转变为有效功的热量Qe／Q 25~30 30~40
废气带走的热量Qg／Q 冷却介质带走的热量Qc／Q 其他热量损失QL／Q
30~50 12~27 2~10
25~45 15~35 2~10
Vz Vb
)
k 1
Tz (
Vz V z
)
k 1
(
V z Vb
)
k 1
T a
k
循环吸热量q1：
q 1 q 1 v q 1 p c v (T z T c ) c p (T z T z ) cv
k 1
T a 1 k 1
z z
Q2
曲线a-c： 曲线c-z’： 曲线z’-z：
Tc Ta (
T z Tc (
Va Vc
)
k 1
Ta
k 1
Pz Pc
) Tc Ta
k 1
Tz Tz (
Vz V z
) T z Ta
k 1
内燃机原理第二章内燃机的工作循环
②工质比热变化 t
a. 理想循环工质的比热是不随温度变化的，
实际工质（空气和燃气的混合物）的比热随温度上升而上 升。
b. 理想的双原子气体（ O2 ，N2，空气等）比热比实际的多原 子燃气（CO2，H2O，SO2等）比热小。
c—z 为定压加入热量Q1Q1; z—b 为绝热膨胀；
b—a 为等容释放热量Q2。 定压加热过程的容积变化用初膨胀比
容循环。
Vz Vc
表示,其它同等
图2（a）为混合循环 a → c 为绝热压缩； c → z 为定容加入热量Q'1; y → z 为定压加热量Q''1; z → b 为绝热膨胀； b → a 为等容释放热量Q2。 由热力学知,混合循环
（5）当ε
： 相同时
>
t ,v
t ,vp
t,p
（6）当pz相同，Q1相同, ε 不相同时， t, p t,vp t,v
这是因pz不变时，等压循环的ε 最大，而等容循环的ε
最小之故。
2.2 涡轮增压内燃机的理想循环 在非增压的内燃机中，工质只膨胀到b点，然后由b点等容
放热至a点，损失了排气中的一部分热能，如果工质由Pz一直 膨胀到Pa ,即在b点后继续膨胀至 g 点，如图2－2所示，那么这 种循环，比无涡轮增压循环要来的完善，它在相同的加热条件 下，多获得一部分功（b—g），使 t 提高了。我们称这种循 环为继续膨胀循环。
理论上，定压涡轮的效率小于脉冲涡轮的效率。 在实际发动机中，因脉冲涡轮的效率较之定压涡轮的要低， 因此，当π k<2.5时，常采用脉冲涡轮增压，
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5-8 6.5-9
0.23-0.28 0.21-0.28
13-18 13-18 13-21
0.38-0.43 0.36-0.39 0.34-0.37
• 柴油机压缩比ε = 12~22，汽油机 ε =5~9 • 柴油机的压缩比大，是因为柴油机工作时 喷入气缸的柴油是在压缩后的高温空气中 自燃的，压缩比大，压缩后的空气温度才 高，才能使柴油自燃。所以，柴油机的压 缩比都比汽油机的大(汽油机气缸内压缩的 是汽油与空气的可燃混合气体，过大的压 缩比可能导致早燃)。
•
•
• 在理论循环中，用循环热效率η t作为循环
的经济性指标， • 循环平均压力pt作为循环的动力性指标。
1.定容加热循环
• 假想燃烧过程容积不变，汽油机的实际循环可简
化为定容加热循环。
• 定容加热理想循环的压缩比越高热效率就
越高 • 但压缩比不能随意提高，压缩比是受到混 合气体自燃温度限制的，过高压缩比会引 起混合气体早爆。 • 每种燃料（气体，汽油，柴油）都不能超 过一定的压缩比。
上止点移动到下止点所扫过的容积。多缸 内燃机是所有气缸工作容积之和。 • 余隙容积Vc :当活塞在上止点时，活塞顶上 方的容积，又称燃烧室容积。 • 气缸总容积Va :当活塞在下止点时，在活塞 顶上方的容积。 • Va = Vh + Vc
• 3.压缩比ε ：压缩前与压缩后体积之比。 • ε = Va / Vc = 1 + (Vh / Vc)
• 思考题 • 1.内燃机理论循环有没有热源和冷源？实际
循环中热源和冷源各是什么？ • 2.柴油机与汽油机的压缩比范围为多少？为 什么汽油机的压缩比低？
• 二、内燃机的理论循环 • 内燃机热力循环过程是由一系列物理和化学变化的复杂过
• • • • •
程所组成的，例如在燃烧过程 的前后，气体的数量和性质都发生了变化，循环的每一过 程中，都存在复杂的热传递等， 其影响因素也很复杂。为了便于了解影响内燃机工作循环 的经济性和动力性的因素， 有必要先将工作循环的情况加以适当的简化，然后再进行 研究，这种简化后的循环称为理论循环。 假设条件 (1)循环是在具有一定数量的同一工质中进行，不考虑进 气和排气过程，无气体流动 阻力损失的影响，也不考虑气缸漏气的影响
• 2.定压加热循环 • 假想在压力一定的条件下对工质加热的循环。
3.混合加热循环
• 将燃烧过程假想为部分定容加热，部分定压加热
的混合加热循环。（可将实际柴油机循环简化）
• 结论： 定容加热循环（汽油机理想循环）、定压加热循
环、混合加热循环（柴油机理想循环），以柴油机的热效 率最高，因为柴油机的压缩比远比汽油机的压缩比高。
第二节
内燃机的工作循环
一、基本概念
一、基本概念 • 1．上、下止点及冲程 • 活塞在气缸中是作上下往复运动的，通过 • 连杆带动曲轴旋转，对外作功。 • 上止点：活塞顶处在气缸中的最高位置叫上止点。 • 下止点：活塞顶处在气缸中的量低位置叫下止点。 • 冲程：活塞在上、下止点之间所走过的距离称之热量和废气带出的热量由
理想的定容加热过程，定压加热过程或混合加热 过程（定容和定压加热过程）的热量代替，因而 可以不考虑燃烧完全的程度以及热分解的问题 (3)压缩和膨胀过程是在绝热情况下进行，工质 与外界没有热交换，因此没有传热损失 (4)工质的比热视为定值，忽略变比热的影响。
• Z12V190B型柴油机活塞冲程为210mm。 • 活塞每走一个冲程，曲轴旋转半圈(180度)。
4冲程内燃机1个工作循环曲轴转720度 • 曲轴转动半径r来表示，活塞冲程以S表 • 示。对于气缸中心线垂直通过曲轴轴心的 内燃机， • 则S=2r • 2．余隙容积和工作容积
• 气缸工作容积Vh ：在一个汽缸内，活塞从