内燃机工作循环
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。
内燃机做功原理
内燃机做功原理内燃机是一种将燃料燃烧产生的化学能转化为机械能的装置。
内燃机的工作原理是通过燃料的燃烧产生高温高压气体，然后利用气体的膨胀驱动活塞运动，从而实现对机械设备的驱动。
内燃机的工作过程主要分为四个循环：吸气循环、压缩循环、燃烧循环和排气循环。
首先，在吸气循环中，活塞从上死点开始向下运动，汽缸内的气门打开，燃料和空气混合物通过进气阀进入汽缸。
然后，在压缩循环中，活塞向上运动，将燃料和空气混合物压缩，使其温度和压力升高。
接下来，在燃烧循环中，当活塞接近上死点时，点火系统点燃混合物，产生火焰。
火焰的膨胀推动活塞向下运动，从而转化为机械能。
最后，在排气循环中，活塞再次向上运动，将燃烧后的废气排出汽缸，完成一个循环。
内燃机利用燃料的燃烧产生的高温高压气体驱动活塞运动，从而做功。
具体来说，当燃料和空气混合物燃烧时，产生的高温高压气体会迅速膨胀，推动活塞向下运动。
这个过程中，燃料的化学能被转化为气体的内能和机械能。
内燃机的功率主要取决于燃料的燃烧速率和气体的膨胀程度。
同时，内燃机的效率也是一个重要指标，它表示内燃机输出的机械功与燃料所含化学能之间的比值。
内燃机的做功原理与循环过程密切相关。
在吸气循环中，活塞的下行运动使得燃料和空气混合物进入汽缸；在压缩循环中，活塞的上行运动将混合物压缩到高压状态；在燃烧循环中，点火系统点燃混合物，产生火焰推动活塞向下运动；在排气循环中，活塞再次向上运动，将废气排出汽缸。
通过这个循环过程，内燃机不断地将燃料的化学能转化为机械能，实现对机械设备的驱动。
内燃机的做功原理是现代工业中非常重要的一部分。
它广泛应用于汽车、飞机、船舶等交通工具，以及发电机组、工程机械等设备中。
通过不断改进内燃机的设计和优化燃烧过程，可以提高内燃机的效率和性能，减少能源消耗和环境污染。
内燃机的做功原理是将燃料的化学能转化为机械能的过程。
通过燃料的燃烧产生的高温高压气体推动活塞运动，实现对机械设备的驱动。
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。
内燃机原理复习重点(前四章)
第一章 内燃机工作循环与性能指标内燃机的实际工作循环：由进气、压缩、燃烧—膨胀、排气四个过程组成，它是周期性地将燃料燃烧所产生的热能转变为机械能的往复过程。
基本原理：内燃机通过进气过程向气缸内吸入新鲜空气或空气与燃料的混合气，通过活塞的压缩行程，将新鲜充量的温度、压力提高到一个合适的水平，然后燃料以点燃或压燃的方式开始燃烧释放出热能，气缸内气体工质被加热，温度和压力得到进一步提升，同时膨胀推动活塞做功实现由热能到机械能的转变，最后通过排气过程排除已燃废气。
理论循环提出的假设：（1）以空气作为循环工质，视其为理想气体，物理及化学性质保持不变，工质比热容为常数；（2）循环工质的总质量保持不变（3）将燃烧过程简化为等容或等压的加热过程，将排气过程简化为等容放热过程；（4）将工质的压缩和膨胀过程看成等熵过程，工质与外界不进行热交换。
三种形式的理论循环：（1）定容加热循环，如汽油机（2）定压加热循环，如高增压和低速大型柴油机（3）混合加热循环，如高速柴油机理论循环的评价指标：（1）循环热效率t η：工质所做循环功W 与循环加热量1Q 之比，用来评价循环的经济性，即 12t 11Q Q W Q Q η-== 影响t η的因素有：①压缩比ε（随着ε增大，三种循环的热效率都提高，提高压缩比可以提高循环平均加热温度，降低循环平均放热温度）；②绝热指数k （随着k 值增大，t η将提 高）；③压力升高比λ（定压加热循环与定容循环的t η均与λ无关，对于混合加热循环，当1Q 与ε不变时，λ增大则ρ减小，膨胀过程增加，2Q 减少，t η提高）；④预胀比ρ（ρ值 增加，t η下降）（2）循环平均压力t p ：单位气缸工作容积所做的循环功，用来评价循环的做功能力，即 t ()SW p kPa V = 对于定压和定容加热循环，循环平均压力t p 随压缩起点压力a p 、压缩比ε、压力升高比λ 预胀比ρ、绝热指数K 和热效率t η的增加而增加；对于混合加热循环，若1Q 不变，增加ρ 就是减少λ，t η下降，t p 也降低继续膨胀循环：（1）脉冲涡轮增压（2）定压涡轮增压四行程内燃机的实际循环：（1）进气过程：进气压力终点a p 一般小于环境大气压力0p ，压力差用于克服进气阻力，进气终点的温度a T 高于环境大气温度0T（2）压缩过程：复杂多变过程，压缩终了的压力1n c a p p ε=，温度11n c a T T ε-=，其中，多 变指数1n 主要受工质与缸壁的热交换及工质泄露情况的影响，当转速提高时，热交换时间 缩短，缸壁的传热和气缸泄漏气量减少，1n 会增大，当负荷增加时，气缸壁温度升高，传 热量减少，1n 增大，而当漏气量增加或缸壁温度降低时，1n 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
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（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。
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五、提高循环热效率及平均压力的限制(restriction)
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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。
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内燃机理论循环的三种形式：等容加热循环、 等压加热循环和混合加热循环。
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三种理论循环的热效率分析 ：
• 当初始状态一致且加热量及压缩比相同时， 等容加热循环的热效率最高，等压加热循环 的热效率最低，混合加热循环的热效率介于 两者之间；
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第一节 内燃机的理论循环
内燃机的实际热力循环:是燃料的热能转变为机械能 的过程，由进气、压缩、燃烧、膨胀和排气等多个 过程所组成。在这些过程中，伴随着各种复杂的物 理、化学过程，同时，机械摩擦、散热、燃烧、节 流等引起的一系列不可逆损失也大量存在。 内燃机的理论循环:将实际循环进行若干简化，忽略 一些次要的影响因素，并对其中变化复杂、难于进 行细致分析的物理、化学过程〔如可燃混合气的准 备与燃烧过程等〕进行简化处理，从而得到便于进 行定量分析的假想循环或简化循环。
济性和动力性。
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建立理论循环的简化假设：
1)以空气作为工作循环的工质，并视其为理想气体 ，在整个循环中的物理及化学性质保持不变，工质 比热容为常数。
2)不考虑实际存在的工质更换以及泄漏损失，工质 的总质量保持不变，循环是在定量工质下进行的， 忽略进、排气流动损失及其影响。
3)把气缸内的压缩和膨胀过程看成是完全理想的绝 热等熵过程，工质与外界不进行热量交换。
中，属于芳香烃的α－甲基萘与正十六烷还用 作评定柴油机自燃性能(十六烷值)的标准燃料 。
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2. 石油的炼制方法与燃料
直接蒸馏法：将原油在专用的炼油塔(分馏塔) 中进行加热蒸馏，不同的分馏温度，得到不 同成分的燃油，最终获得的燃料约占原油的 25％一40％； 裂解法：将蒸馏后的重油等一些高分子成分 通过不同的技术手段裂解为分子量较轻的成 分。其中，通过加温加压的方法进行裂解的 称为热裂解法，使用催化剂(触媒)进行裂解的 称为催化裂解法。
组成的混合物。
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• 脂肪族烃包括烷烃和烯烃，烷烃是一种饱和链状 分子结构，其中直链式排列的正构烷热稳定性低， 在高温下易分裂，滞燃期短，适合作柴油机的燃料； 非直链排列的异构烷抗爆性强，自行着火的倾向比正 构烷小得多，适合作汽油机的燃料，并且常用异构烷
来作为评价汽油燃料抗爆性的标准。烯烃是种不饱
从理论循环的分析可知，提高压缩比εc和 压力升高比λp时提高循环热效率ηt起着有利的 作用，但将导致最高循环压力pz的急剧升高 ，从而对承载零件的强度要求更高，这势必 缩短发动机的使用寿命，降低发动机的使用 可靠性，为此只好增加发动机的质量，结果 造成发动机体积与制造成本的增加。
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• 2)机械效率的限制
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柴油机的压缩比εc一般在12～22之间， 最高循环压力pz＝7～14 MPa，压力升高比λp 在1．3～2．2左右。
汽油机的压缩比εc＝6～12，pz＝3～8.5 MPa，λp在2.0～4.0左右。
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第二节 内燃机的燃料及其热化学
• 一、内燃机的燃料 • 二、燃烧热化学
循环内压燃力机pz密的切机相械关效的率。ηm不是加与限气制缸地中提的高最ε高c以 及将而λ直带p，接来将导的引致收起压益η缩得m的比 而下复εc，降失以。。及从压有力效升指高标比上λ看p提，高
• 3)燃烧方面的限制 若压缩比定得过高，
汽油机将会产生爆燃、表面点火等不正常燃 烧的现象。对于柴油机而言，过高的压缩比 将使压缩终了的气缸容积变得很小，对制造 工艺的要求极为苛刻，燃烧室设计的难度增 加，也不利于燃烧的高效以达到以下目的： 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，以明确提高以理论循环热效 率为代表的经济性和以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
机经济性和工作过程进行的完善程度以及改进潜 力。
3)有利于分析比较内燃机不同热力循环方式的经
和的链状烃，其热值较低，着火性能差，只适合作 汽油机的燃料。 • 环烷族烃的碳原子不是链状而是环状排列，属饱 和烃，其热稳定性比脂肪族高，自燃温度较脂肪族 高，适合作汽油机的燃料。
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• 芳香族烃具有较高的化学和热稳定性，在高
温下分子不易分裂，抗爆燃性能极强，自燃
温度比脂肪族烃和环烷族烃高，也适合作汽 油机的燃料或作为汽油的抗爆添加剂。其