第一章 内燃机理论循环和实际循环ppt课件
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内燃机工作循环
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。
2020/2/12
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；
组成的混合物。
2020/2/12
• 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
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。
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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；
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
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。
内燃机循环及性能评价指标
指示功率Pi
发动机单位时间所做的指示功。
p m iVs in n 2 Pi Wi i 60 30
指示热效率η i和指示燃料消耗率bi
指示热效率η i是实际循环指示功与所消耗的 燃料热量之比值 。
Wi i Q1
指示燃料消耗率bi （简称指示比油耗）是指 单位指示功的耗油量，通常以每千瓦小时的 耗油量表示。 [g／（kW· h）] B bi 103 Pi
三、排放指标（欧洲排放体系）
标准名称 欧洲1 欧洲2 生效时间 1992.07 1996.01 2000.01① 欧洲3 CO /g.km-1 2.72 2.20 2.30 HC /g.km-1 － － 0.20 NOX /g.km-1 － － 0.15 NOX+HC /g.km-1 0.97 0.50 － ECE+EUDC 测试规范
活塞下行， r-a线 吸入新鲜混合气 进开排关 增大工作过程温 活塞上行， 差，提高热功转 a-c线 进关排关 换效率，为燃烧 创造条件
压缩
汽：0.6~2.0 柴：3.0~5.0
汽：3.0~6.5 柴：4.5~9.0 汽：0.3~0.6
汽：600~750
柴：750~1000
汽：2200~2800 柴：1800~2200 汽：1200~1500 柴：1000~1200 汽：900~1200 柴：700~900
第一章 内燃机理论循环和实际循环ppt课件
二. 汽油机和柴油机热量分配比例： 从曲轴输出的机械能分配情况是：
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（2）后燃及不完全燃烧
（3）在高温下部分燃烧产物分解而吸热，是循环最高温度 下降。
5.涡流和节流损失
6.泄漏损失
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• 燃料-空气循环
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§ 1.4 发动机的热平衡
一. 热量分配情况： （1）一部分转化为有用功 ； （2）一部分传递给冷却介质： （3）废气带走的热量； （4）不完全燃烧、辐射热、驱动附件的能量 消耗等其他热量损失. QT=Qe+Qs+Qr+Qb+QL 100%=qe+qs+qr+qb+ql
（2）从示功图上可以看出内燃机工作循环，从而 评价发动机性能。
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1. 进气过程
运动件工况：活塞由上止点前至下止点后，进气门开
排气门关。
作用: 为保证发动机连续运转，必须不断吸入新鲜工
质。
气体状态： pa ：Δp=p0- pa 克服进气系统阻力 Ta ：高温零部件及残余的废气的加热
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（2）后燃及不完全燃烧
（3）在高温下部分燃烧产物分解而吸热，是循环最高温度 下降。
5.涡流和节流损失
6.泄漏损失
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• 燃料-空气循环
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§ 1.4 发动机的热平衡
一. 热量分配情况： （1）一部分转化为有用功 ； （2）一部分传递给冷却介质： （3）废气带走的热量； （4）不完全燃烧、辐射热、驱动附件的能量 消耗等其他热量损失. QT=Qe+Qs+Qr+Qb+QL 100%=qe+qs+qr+qb+ql
（2）从示功图上可以看出内燃机工作循环，从而 评价发动机性能。
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1. 进气过程
运动件工况：活塞由上止点前至下止点后，进气门开
排气门关。
作用: 为保证发动机连续运转，必须不断吸入新鲜工
质。
气体状态： pa ：Δp=p0- pa 克服进气系统阻力 Ta ：高温零部件及残余的废气的加热
内燃机理论循环和实际循环
B 为每小Βιβλιοθήκη Baidu燃油消耗量（kg/h）
Hu 为所用燃料的低热值（kJ/kg）
ηit 、 bi之间的关系： ηit =3.6 ×106 / bi Hu
(4)有效热效率ηet
定义：实际循环的有效功与相应消耗的热量的比值。
ηet=We/Q1=Wiηm/Q1=ηit ηm
同理有 ηet =We/gbHu ηet =3.6 ×103 Pe/（B×Hu）
ηet 、 be之间的关系： ηet =3.6 ×106 / be Hu
6、发动机结构和强化程度的指标
（1）升功率PL—单位发动机排量发出的功率（评价汽缸容积 利用程度）
PL=Pe/Vsi
（kW/L)
升功率PL是从发动机有效功率的角度对其气缸工作容积的利用 率作总的评价，也是评定一台发动机整机动力性能和强化
Pe 由测功机实测得到， Pe 与We的关系为：
Pe= （n • i/30 /τ） • We
Pm计算：
Pm= Pi -Pe，也可由试验测得。
Pm=摩擦损失功+附件消耗功+泵气损失功
①摩擦损失（50 ~60%） 如连杆和曲轴轴承、 配气机构、活塞及活塞环等之间的摩擦损失。
②驱动气门机构、风扇、机油泵、发电机等 附件所消耗的功率。（10 ~20%）
be =(B/ Pe)×103 （g/kWh）
内燃机循环
内燃机理论循环
理想循环的比较
压缩比相同吸热量相同理想循 环的比较
循环最高压力和最高温度相同 理想循环的比较
内燃机理论循环
压缩比相同吸热量相同理想循环的比较结论
ηtv > ηtm > ηtp
循环最高压力和最高温度相同理想循环的比较结论
ηtp > ηtm > ηtv
内燃机理论循环
斯特林循环
由来自外部热源加热 的等温膨胀、工质传热给 回热器的等体积回热、向 外部冷源排热的等温压缩 和回热器返回传热给工质 的等体积回热四个热力过 程组成的热气机的理想热 力循环。
内燃机理论循环
需要定义的参数
压缩比
v1 ε= v2
v4 ρ= v3
定容增压比
p3 λ= p2
定压预胀比
内燃机理论循环
混合加热循环（柴油机的理想循环） 混合加热循环（柴油机的理想循环）
内燃机理论循环
定压加热循环（ 定压加热循环（船用大型低速柴油发动机理想 循环） 循环）
内燃机理论循环
定容加热循环（汽油机的理想循环） 定容加热循环（汽油机的理想循环）
Vc
r a
Vs
V
内燃机实际循环
如何由实际循环推导得理论循环？ 如何由实际循环推导得理论循环？
内燃机实际循环
1）以空气为工质，并视为理想气体 理想气体，在整个循环中工质 理想气体 物理及化学性质保持不变，比热容为常数。 2）把压缩和膨胀过程简化成理想的绝热等熵可逆过程 理想的绝热等熵可逆过程， 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对循环的影响。 3）将燃烧过程简化为等容、等压或混合加热 等容、 等容 等压或混合加热过程，将排 气过程简化为等容放热 等容放热过程。 等容放热 4）忽略发动机进排气过程，将实际的开口循环简化为闭 闭 口循环。 口循环
章 内燃机循环与效率
第一章
内燃机循环与效率
高等内燃机学
北京理工大学
张卫正
本章内容
⏹第一节 内燃机效率与理论循环 ⏹第二节 追求效率的机型
注重历史
稀薄分层燃烧
稀薄分层燃烧100年前的思路
欧3欧4收口式燃烧室60~70年已有的技术
绝热发动机70~80
年代广
泛研究
重新受到重视
第一节 内燃机效率与理论循环
① 提高效率一直是推动技术发明、发展的永恒动力。
② 技术一旦上升到理论层面会使技术得到飞跃发展。
1876年德国人奥托提出并研制了推动第二次工业革命的四冲程内燃机——ηe=～14%
p0
V p
大气压式内燃机示功图
1. 在下止点附近燃烧，膨胀不充分
2.没有压缩过程，压缩比~1；
3.还要借助于大气压力使活塞复位
1860年法国人勒诺瓦尔
研制的二冲程内燃机
——ηe=～4.5%
1862年法国铁路工程师罗沙
提出现代四冲程内燃机
惠更斯发动
机设计方案
（1673年）
奥托四冲程内燃机的启示
奥托发动机效率高的根本原因是通过压缩过程提高了压缩比。 重要贡献——让人们认识到：要提高效率就要提高压缩比！
奥托循环Otto Cycle
奥托循环Otto Cycle 要得到就要先付出；付出得越多，得到得越多。
c
s c c s c a V V V V V V V V V /1/)(//21+=+===εεV a ——气缸总容积V c ——燃烧室容积V s ——工作容积
1
1
1--
=k t ε
η奥托循环
一 内燃机循环理论
⏹1.卡诺循环理论
⏹卡诺其人、其书、其预言(奥托机前52年，1824年，卡诺28岁) 卡诺服役期间出版了一本《热力发动机的研究与考察》一书。50~60年后人们才真正认识该书的重要性和先见性。
内燃机理论讲解
内燃机理论讲解
内燃机的⼯作循环
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。
对理论循环进⾏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，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济性和动⼒性。
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。
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。
内燃机 第一章
计算：示功图中封闭曲线所包围的环积分面积。
TDC - Top Dead Center；BDC - Bottom Dead Center； IVO - Intake Valve Open；IVC - Intake Valve Close； EVO - Exhaust Valve Open，EVC - Exhaust Valve Close
Vc
用平均多变指数n2来描述实际膨胀过程；
Vs
汽油机 n2=1.23～1.28
柴油机 n2=1.15～1.28
b
a V
二、四冲程内燃机的实际循环
③. 膨胀终点b的压力（kpa）、温度（K）可用下式计算
汽油机
pb
pz
VZ Vb
n2
pz
n2
;
Tb
Tz
VZ Vb
n2 1
Tz
n2 1
柴油机
P
①.压缩比： Va Vs Vc
Vc
Vc
②. 压力升高比： pz'
pc
Q``1 z` z Q`1
c
③. 预胀比： Vz
p0
Vz'
Vc
Vs
b Q2
a
V
一、内燃机的理论循环
继续膨胀循环（涡轮增压理论循环）
➢ 脉冲涡轮增压：从气缸排出的废气沿绝热膨胀线继续 膨胀，充分利用废气中的脉冲能量。但供给涡轮的能 量变化大，涡轮效率较低，当π<2.5时使用
TDC - Top Dead Center；BDC - Bottom Dead Center； IVO - Intake Valve Open；IVC - Intake Valve Close； EVO - Exhaust Valve Open，EVC - Exhaust Valve Close
Vc
用平均多变指数n2来描述实际膨胀过程；
Vs
汽油机 n2=1.23～1.28
柴油机 n2=1.15～1.28
b
a V
二、四冲程内燃机的实际循环
③. 膨胀终点b的压力（kpa）、温度（K）可用下式计算
汽油机
pb
pz
VZ Vb
n2
pz
n2
;
Tb
Tz
VZ Vb
n2 1
Tz
n2 1
柴油机
P
①.压缩比： Va Vs Vc
Vc
Vc
②. 压力升高比： pz'
pc
Q``1 z` z Q`1
c
③. 预胀比： Vz
p0
Vz'
Vc
Vs
b Q2
a
V
一、内燃机的理论循环
继续膨胀循环（涡轮增压理论循环）
➢ 脉冲涡轮增压：从气缸排出的废气沿绝热膨胀线继续 膨胀，充分利用废气中的脉冲能量。但供给涡轮的能 量变化大，涡轮效率较低，当π<2.5时使用
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1. 进气过程 运动件工况：活塞由上止点前至下止点后，进气门开 排气门关。 作用: 为保证发动机连续运转，必须不断吸入新鲜工 质。 气体状态： pa ：Δp=p0- pa 克服进气系统阻力 Ta ：高温零部件及残余的废气的加热 Ta >T0 2. 压缩过程 运动件工况：由进气门关到活塞至上止点，进气门关 排气门关。 作用：增大温差, ŋt↑，为燃烧创造有利条件。 气体状态： pc ：pc=paε n1 ； Tc ：Tc =Taε n1-1
四. 理论循环热效率和平均指示压力的影响因 素
• ŋt 是工质所做循环功W(J)与循环加热量Q1(J)之 比，用以评定循环经济性。 wQ Q Q 1 2 2 1 t Q Q Q 1 1 1
式中Q2--工质在循环中放出的热量。 • pt(kPa)是单位气缸容积所做的循环功，用来评定 循环的做功能力。 w pt Vs 式中W--循环所做的功；Vs--气缸工作容积。
§1.3 实际循环与理论循环的比较
1.工质的影响：实际循环中，燃烧前后工质成分、数量改变； 2.换气损失：实际循环中，存在进、排气过程中的流动阻力 损失和有用功损失； 3.传热损失：工质与周围环境的热量交换； 4.燃烧损失： （1）燃料燃烧速度的有限性 a.压缩负功的增加 ; b.最高压力的下降; c.初始膨胀比减小。 （2）后燃及不完全燃烧 （3）在高温下部分燃烧产物分解而吸热，是循环最高温度 下降。 5.涡流和节流损失 6.泄漏损失
（一）理论循环影响因素分析：
η t=f（κ ，ε，λ，ρ ） （1-1） pt =f（κ ，ε，λ，ρ ，pa） （1-4） (1)压缩比ε ：ε ↑, ŋt↑, pt↑； (2)绝热指数κ ： κ ↑，η t↑ , pt↑ ； (3)压力升高比λ : 定容加热循环，Q1↑,λ ↑,若ε 不变, Q2↑,ŋt不变, pt↑； 混合加热循环，ε 、κ 、Q1保持不变,λ ↑，ŋt↑ , pt↑； (4)预胀比ρ ： 定压加热循环，Q1↑,ρ ↑,若ε 不变, ŋt↓，pt↑； 混合加热循环，Q1、ε 、κ 不变，ρ ↑，λ ↓,ŋt↓，pt↓； (5)pa(循环初始压力) 对热效率无影响，但可以改 变pt。
3.燃烧过程 运动件工况：活塞在上止点附近, 进、排气门关闭。 作用：燃烧的化学能转变为热能。燃烧越完全， 放出的热量越多，放热时越靠近上止点，热 效率越高。 气体状态： pz：最高燃烧压力；Tz：最高燃烧温度 4.做功过程 运动件工况：活塞由上止点至排气门开, 进、排气门 关闭。 作用：补燃(过后燃烧和高温分解)；膨胀作功 气体状态： pb： pb=pz/εn2；Tb： Tb =Tz/ε n2-1
• 燃料-空气循环
§ 1.4 发动机的热平衡
一. 热量分配情况： （1）一部分转化为有用功 ； （2）一部分传递给冷却介质： （3）废气带走的热量； （4）不完全燃烧、辐射热、驱动附件的能量 消耗等其他热量损失. QT=Qe+Qs+Qr+Qb+QL 100%=qe+qs+qr+qb+ql 二. 汽油机和柴油机热量分配比例： 从曲轴输出的机械能分配情况是：
（二）理论循环热效率的比较
（1）当压缩初始状态P1，T1相同， 加热 量Q1及压缩比ε相同时， ŋtv 〉ŋtc〉ŋtp （2）当压缩初始状态P1，T1相同，加热量 Q1及循环最高压力P3相同时， ŋtp〉ŋtc〉ŋtv
§1.2 四行程发动机的实际循环
发动机的工作循环由进气、压缩、燃烧、膨胀 和排气等五个过程组成。 示功图是研究内燃机工作过程的重要实验数据。 通过示功器或数据采集系统获得不同活塞位置或曲 轴转角时气缸内工质压力的变化。有两种表达方式： （1）p—v图和p—φ图两者在本质上一致，可以 互相转化。 （2）从示功图上可以看出内燃机工作循环，从而 评价发动机性能。
5.排气过程பைடு நூலகம்
运动件工况：活塞由下止点附近至上止点； 排气门打开，进气门关闭。 作用：排出废气。 气体状态： pr：排气终了压力； pr - p0 用来克服排气系统的阻力，阻力愈大， pr 愈大，残余在气缸中的废气就愈多。 Tr：排气终了温度； Tr低，说明燃料燃烧后转变为有用功的热量多， 工作过程进行得好。
第一章 内燃 机理论循环和 实际循环
§1.1 发动机的理论循环
一. 什么是理论循环 将实际循环进行简化后得到的便于定量 分析的假想循环。 二. 研究理论循环的意义 1.明确工作过程中各基本热力参数关系； 2.确定循环热效率的理论极限； 3.分析不同热力循环的经济性和动力性。 从而找到提高发动机性能的基本途径。
假设(简化条件)： (1)工质为理想气体(空气)； (2)工质在闭口系统中作封闭循环； (3)工质的压缩及膨胀是绝热等熵过程； (4)燃烧是外界无数个高温热源定容或定压向 工质加热，排气放热简化为定容放热； (5)工质的比热一定。 三. 三种基本循环 1. 混合加热循环—高速柴油机 2. 定容加热循环—汽油机 3. 定压加热循环—高增压和低速大型柴油机