内燃机循环
第二讲 内燃机的实际循环
2.传热损失 2.传热损失
• 理论循环: 理论循环: • 压缩、膨胀过程为绝热过
程。 • 实际循环: 实际循环: • 缸壁与工质之间始终有热交 换。 • 大量热量通过气缸壁传给冷
缸内工质通过活塞顶面、气缸盖 底面、气缸套壁面不断向外传热。 压缩过程的传热：开始工质吸热、后期 工质向外传热 燃烧与膨胀过程：大部分热量在此阶段
理论循环： 压缩比低使得汽油机的理论 热效率低于柴油机。
实际循环中各损失：
汽油机的混合气偏浓，而柴油机大部分情况下 偏稀； 柴油机负荷减小时，压力升高比变化不大，只 是预膨胀比减小，热效率升高；汽油机负荷 减小时，燃烧速度降低，燃烧时间加长，等 容度减小，热效率降低。
•
思考题
•
在现代发动机上，采用了哪些具体措施 提高发动机实际循环热效率？
3.流动损失 3.流动损失
• 理论循环: 闭口系统，没有气体流 理论循环:
动损失。
• 实际循环: 进、排气节流沿程损失， 实际循环: • 缸内进气挤压、燃烧涡
流损失。
4.燃烧损失 4.燃烧损失 • (1)时间损失 (1)时间损失 • 理论循环: 理论循环: 定容加热瞬间完成，
定压加热速度与活塞运行速度密切 配合。 • 实际循环: 实际循环: 燃烧需要时间。 实际燃烧过程要持续一段时 间，非瞬时等容加热；为了增加等 容度，燃烧提前，从而造成此损失 存在。
• 3.燃烧过程 3.燃烧过程
将燃料的化学能转化为热能， 将燃料的化学能转化为热能，
使工质的压力温度升高。 使工质的压力温度升高。 放热量越多，放热时越接近上止点， 放热量越多，放热时越接近上止点， 热效率越高。 热效率越高。 要求燃烧过程要完全、及时。 要求燃烧过程要完全、及时。
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。
内燃机热力循环-打印版
内燃机热力循环一、燃气轮机循环燃气轮机理想循环为布雷顿循环（Brayton Cycle) ，它是工质连续流动做功的一种轮机循环，如图1所示 。
它既可作内燃布雷顿循环，又可作外燃布雷顿循环。
内燃的布雷顿循环为开式循环，常用工质为空气或燃气。
外燃的布雷顿循环是闭式循环，通过热交换器对工质加热，在另一热交换器排出工质余热。
循环过程为：工质在压气机中等熵压缩1－2，在燃烧室（或热交换器中）等压加热2－3 ，在燃气轮机中等熵膨胀3－4和等压排气4－1 。
图1 燃气轮机循环燃气轮机循环的指示热效率为11k k i c ηπ-=-式中，c π为压气机中气体的压比，k 为比热比。
燃气轮机开式循环常与内燃机基本循环配合使用。
二、涡轮增压内燃机热力循环将涡轮增压技术（或燃气轮机技术）应用到内燃机上是内燃机循环的一项重大技术发展。
一方面内燃机希望获得更多的进气（或可燃混合气）充量，以提高内燃机的功率和热效率；另一方面从内燃机排出的高温、高压废气能导入燃气涡轮中再作功，推动与燃气涡轮相连（同轴）的压气机来提高进气（或可燃混合气）的压力供给内燃机，这样就成为涡轮增压内燃机。
涡轮增压内燃机有等压涡轮和变压涡轮两种系统，它们的热力循环也有所不同。
1．恒压涡轮增压内燃机热力循环图2是等压涡轮增压内燃机热力循环。
它由内燃机基本循环1→2→3’→3→4→1和燃气轮机循环7→1→5→6→7组成。
图2 等压涡轮增压内燃机热力循环压气机将气体从状态7（大气压力p0）等熵压缩到状态1（压力为p s）之后进入内燃机。
按内燃机热力循环到达状态4。
气体在排气过程进入等压涡轮时由于排气门的节流损失和排气动能在排气总管内的膨胀、摩擦、涡流等损失而变成热能，气体温度升高，体积膨胀而到达状态5。
气体从4→5 这部分能量没有利用，对内燃机来说相当于从状态4直接回到状态1。
气体在等压涡轮中从状态5等熵膨胀到状态6，然后排入大气。
2 ．变压涡轮增压内燃机热力循环变压涡轮增压内燃机热力循环如图3 。
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
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，
第三章 内燃机的工作循环
(part at constant volume and part at constant pressure , called limited pressure combustion,) （ 高速柴油机）
• a-c：绝热压缩 (isentropic compression) (Adiabatic and reversible (hence isentropic)
t
W Q1
Q1 Q2 Q1
1 Q2 Q1
tm
1
1
k1 c
(p
p0k 1 1) kp (0
1)
压缩比， c
Va Vc
压力升高比，P
pz pc
初始膨胀比，0
Vz Vc
4
三、循环平均压力pt —评定循环的动力性
pt
W Vs
pt (tQB )( 1 )( c ) pa cvTa k 1 c 1
汽油
14.8 43960 3810 750 305~483 216 3.4 314 80~97 10~15 493~533
柴油 14.3 42500 3789 860 453~603 272.5 40 301 20~30 40~55 473~493
10
（二）柴油的理化性质 (Characteristics of diesel fuel )
发动机的热效率和发动机的运转参数及燃烧室结构型式 无关
所有提高循环热效率的措施，以及增加pa，降低Ta，增 加gb （QB）等措施，均有利于提高pt。
7
五、提高循环热效率及平均压力的限制(restriction)
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1 1 1 1 1
由上式可见，混合加热循环的热效率与多种因素有关， 当压缩比 增加、升压比 增加以及预胀比 减少时， 都会使混合加热循环的热效率提高。
（2） 定容加热循环 （奥图Otto循环)
定压预胀比：
1
三种理想循环的吸热量
q1V q1m q1 p
三种理想循环的热效率
t V tm t p
（2）进气状态、最高压力、吸热量彼此相同 三种理想循环的吸热量相同
q1 p q1m q1V
三种理想循环的放热量
q2 p q2 m q2V
三种理想循环的热效率 t p
t m t V
抽象
可逆绝热
闭式循环
活塞式内燃机理想混合加热循环（萨巴德循环）
1－2：可逆绝热压缩过程； 2－3：可逆定容加热过程； 3－4：可逆定压加热过程； 4－5：可逆绝热膨胀； 5－1：可逆定容放热过程。
2. 活塞式Leabharlann 燃机理想循环分析为了说明内燃机的工作过程对循环热效率的影响， 引入下列内燃机的特性参数：
汽油机和煤气机的理想循环 1 循环热效率： t 1 1
（3）定压加热循环 （狄塞尔循环)
定容升压比：
循环热效率： t 1 1 1
1
1
1
早期低速柴油机的理想循环，现已被淘汰。
3. 影响内燃机理想循环热效率的主要因素 （1） 压缩比 的影响
柴油机工作的4个冲程： 1）进气冲程0-1 2）压缩冲程1-2 2’ 点开始喷进柴 油 3）动力冲程2-3-4-5 4）排气冲程5-0
（2）循环的抽象和概括 ①工质
假定
空气
简化
②燃料燃烧
可逆吸热
定容吸热：2 — 3 定压吸热：3 — 4 ③排气过程
简化
定容放热 5 —1
简化
④压缩过程 1 — 2 膨胀过程 4 — 5 ⑤开式循环
v1 v2 表示压缩过程中工质体积被压缩的程度。 压缩比：
升压比： p3 p2 表示定容加热过程工质压力升高的程度。
v 4 v3 预胀比：
表示定压加热时工质体积膨胀的程度。
（1） 混合加热循环
单位质量工质的吸热量：
q1 cv T3 T2 cp T4 T3
W0 t 分析循环能量转化的经济性（热效率） Q1
在热力学基本定律的基础上
方向 途径
经济性
T1
Q1
热机
Q2
T2
T1 T2
W0
活塞式内燃机循环
活塞式内燃机分类
煤气机
按燃料
汽油机 柴油机
分类
按点火方式
点燃式 压燃式
按冲程
二冲程 四冲程
1. 活塞式内燃机实际循环与理想循环 (1) 活塞式内燃机实际循环
动力装置循环
热能动力装置 ： 将热能转换为机械能的设备，也称为热力 发动机，简称热机。 动力装置循环（简称动力循环或热机循环）：
蒸汽动力装置循环: 以蒸汽为工质的热机工作循环（如蒸汽机、 蒸汽轮机等）。
气体动力装置循环: 以气体为工质的热机工作循环（如内燃机、 燃气轮机等）。
◆ 分析动力循环的目的
例题 例题 300K、
单位质量工质的放热量：
wnet q1 q2 q2 循环热效率：t 1 q1 q1 q1
T5 T1 1 T3 T2 T4 T3
q2 cv T5 T1
将各点温度由参数关系解出代 入循环热效率表达式：
T5 T1 t 1 T3 T2 T4 T3
t
提高压缩比是提高内燃机 循环热效率的主要途径之一 。 汽油燃点低，易爆燃，压缩比受限制。 一般汽油机： 5 10 一般柴油机
14 22
柴油机热效率一般高于汽油机，但汽油机小巧。
（2）绝热指数 的影响
t
值大小取决于工质的
种类和温度 。 潜艇用氦气： 1.66
（3）升压比 和预胀比 的影响 当压缩比 和 绝热指数 一定时
t
t
4. 三种活塞式内燃机理想循环的比较
（1）进气状态、最高压力、最高温度彼此相同
用下角标V、m、p分别 代表定容加热循环、混合加 热循环、定压加热循环。 三种理想循环的放热量相同
q2V q2 m q2 p