第三章内燃机的工作循环
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。
内燃机的工作原理
道，内装进、排气门。
新鲜充量(即空气或空气与燃料的可燃混合气)经空气滤清器、进气管、进气道和进气门充入气缸。
膨胀后的燃气经排气门、排气道和排气管，最后经排气消声器排入大气。
进、排气门的开启和关闭是由凸轮控制的，这一套机件称为内燃机配气机构。
通常由空气滤清器、进气管、排气管和排气消声器组成进排气系统。
为了向气缸内供入燃料，内燃机均设有供油系统。
汽油机通过安装在进气管入口端的化油器将空气与汽油按一定比例(空燃比)混合，然后经进气管供入气缸，由汽油机点火系统控制的电火花定时点燃。
柴油机的燃油则通过柴油机喷油系统喷入燃烧室，在高温高压下自行着火燃烧。
内燃机气缸内的燃料燃烧使活塞、气缸套、气缸盖和气门等零件受热，温度升高。
为了保证内燃机正常运转，上述零件必须在许可的温度下工作，不致因过热而损坏，所以必须备有冷却系统。
内燃机不能从停车状态自行转入运转状态，必须由外力转动曲轴，使之起动。
这种产生外力的装置称为起动装置。
常用的有电起动、压缩空气起动、汽油机起动和人力起动等方式。
内燃机的工作循环由进气、压缩、燃烧和膨胀、排气等过程组成。
这些过程中只有膨胀过程是对外作功的过程，其他过程都是为更好地实现作功过程而需要的过程。
按实现一个工作循环的行程数，工作循环可分为四冲程和二冲程两类。
四冲程是指在进气、压缩、膨胀和排气四个行程内完成一个工作循环，此间曲轴旋转两圈。
进气行程时，此时进气门开启，排气门关闭。
流过空气滤清器的空气，或经化油器与汽油混合形成的可燃混合气，经进气管道、进气门进入气缸；压缩行程时，气缸内气体受到压缩，压力增高，温度上升；膨胀行程是在压缩上止点前喷油或点火，使混合气燃烧，产生高温、高压，推动活塞下行并作功；排气行程时，活塞推挤气缸内废气经排气门排出。
此后再由进气行程开始，进行下一个工作循环。
二冲程是指在两个行程内完成一个工作循环，此期间曲轴旋转一圈。
首先，当活塞在下止点时，进、排气口都开启，新鲜充量由进气口充入气缸，并扫除气缸内的废气，使之从排气口排出；随后活塞上行，将进、排气口均关闭，气缸内充量开始受到压缩，直至活塞接近上止点时点火或喷油，使气缸内可燃混合气燃烧；然后气缸内燃气膨胀，推动活塞下行作功；当活塞下行使排气口开启时，废气即由此排出活塞继续下行至下止点，即完成一个工作循环。
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。
发动机原理第三章 内燃机的换气过程
➢惯性进气
进气迟闭角：从进气下止点
河
到进气门关闭为止的曲轴转
南 理
角。
工
大
学
四冲程内燃机的换气过程
河 南 理 工 大 学
上止点
下止点
河 南 理 工 大 学
四冲程内燃机的换气过程
气门叠开现象和气门定时
气门叠开 配气相位 气门定时 扫气现象
进、排气提前角和迟闭角：
排气提前角：30~80°CA
南
理
工
TS ,Ta ,c , ρs
大
学
§3-3 提高充气效率的措施
➢ 减小进气系统阻力 ➢ 合理选择配气定时 ➢ 有效利用进气管的动态效应 ➢ 有效利用排气管的波动效应
河 南 理 工 大 学
一、减少进气系统阻力
一）进气门：阻力最大
气门的流通能力——时面值或角面值
Af
dt
1 6n
Af
d
=6nt
pa ps pa
流动阻力和转速关系
pa
v 2
2
和v
进气阻力的主要措施: 进气管长度、转弯半径、
管道内表面粗糙度；气流速度；增压中冷
和 r ： ，Vc ， r ，c
r c 燃烧恶化
河 南
汽油机： =6~12 r =0.05~0.16
理 工
非增压柴油机： =14~18 r =0.03~0.06
用电磁阀将高压共轨内油量进行合理分配控制油 压柱塞位置控制气门升程。
为精确控制气门升程 设置气门位移传感器
油压式可变配气机构的特点：
➢控制自由度高，提高进排气效 率气门的丰满系数接近1；
➢主要缺点：存在气门落座速度
河 南
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
内燃机缸内的流动
∫ lI′ =
∞
g ( x)dx
0
(3-1b)
它相应于普朗特理论中的混合长度，(定义：流体微团从一层跳入另一层，经过一段不与 其它流体微团相碰撞的距离)，可以证明
lI′ = 0.5lI
(3-1c)
与此相似，可定义湍流积分时间尺度
∫ τ I
=
∞
f (t)dt
0
(3-2)
其中f(t)是同一空间点(x0)，不同时间脉动速度的欧拉时间自相关系数
空间相关系数能较好地反映涡团的平均尺度。于是可引入湍流长度积分尺度或简称湍流尺度：
∞
∫ lI = 0 f (x)dx
(3-1a)
-3-
第 3 章 缸内气流运动 式中，f(x)为湍流纵向自相关系数，其定义为
f (x) = u(x0 )u(x0 + x) u2 (x0 ) u2 (x0 + x)
其中， x0 和 x0 + x 分别为 A、B 两点的坐标，u(x)是与两点连线平行的脉动速度分量（图
宋金瓯 内燃机中的流体运动
第三章 缸内气流运动
在内燃机整个工作循环中，缸内气体充量始终进行着极其复杂而又强烈瞬变的湍流流动。 这种湍流运动决定了各种量在缸内的输运及其空间分布，它对可燃混和气形成、火焰传播、 燃烧品质、缸壁传热及污染物形成等都具有直接的、本质的影响。组织良好的缸内空气运动 可以提高汽油机的火焰传播速率、降低燃烧循环变动、适应稀燃和层燃；同样可以提高柴油 机的燃油空气混合速率，提高燃烧速率，促进燃烧过程中空气与未燃燃料的混合（热混合）。 但是，内燃机缸内流动极其复杂，它受到进气状态、工况和燃烧室结构等多种因素制约，因 而不存在对各种发动机都通用的流动规律，甚至不同研究者所得结果不乏相互矛盾之处，这 更加表明了深入研究缸内流动的必要性。
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)
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原理：内燃机的工作循环内燃机是一种将化学能转化为机械能的装置，广泛应用于汽车、船舶、飞机等交通领域。
它的工作原理主要包括四个工作循环：吸气、压缩、爆炸、排气。
吸气循环是内燃机的第一个工作阶段。
当活塞下行时，汽缸膛内的发动机油门打开，气缸外的大气压力将空气通过进气阀进入气缸。
在这个过程中，燃料还未注入，发动机主要借助活塞自身的下行运动产生的负压使混合气进入气缸。
压缩循环是内燃机的第二个工作阶段。
当活塞开始上升时，进气阀关闭，活塞将混合气体向气缸膛内压缩。
在这个过程中，活塞上升使得混合气压力增加，同时体积减小。
最终，混合气体达到了高压状态。
爆炸循环是内燃机的第三个工作阶段。
当混合气体压缩到一定程度时，火花塞会发出火花，点燃混合气体。
这个点燃的火焰扩散到整个气缸，产生了高温和高压气体。
高温高压气体作用于活塞上，将活塞推力向下运动。
排气循环是内燃机的第四个工作阶段。
当活塞再次上升时，这个运动将排气门打开，将燃烧后的废气排出气缸。
这个过程使得气缸内的压力迅速下降，使活塞对外做功。
内燃机的工作循环是由上述四个阶段交替进行的。
每个循环周期内，发动机都完成了吸气、压缩、爆炸和排气的过程。
这种循环反复进行，产生连续的动力输出。
内燃机的工作循环可以分为两种类型：四冲程循环和两冲程循环。
首先是四冲程循环，在这种循环中，吸气、压缩、爆炸和排气四个阶段分别占据发动机的四个循环。
每个循环都需要两个活塞上下运动才能完成。
四冲程循环由于充分利用了活塞上下循环运动，具有较高的热效率和动力输出。
其次是两冲程循环，它将吸气、压缩、爆炸和排气四个阶段合并到两个运动循环中。
这意味着每个循环中只需一个活塞上下运动就可完成整个循环。
两冲程循环由于缺乏四冲程循环中的压缩阶段，使得其热效率较低，并且排放污染物较多。
然而，两冲程循环由于结构简单，适用于小型和低功率的内燃机。
内燃机的工作循环是内燃机能够正常运行的基础。
活塞式内燃机的工作循环
活塞式内燃机的工作循环活塞式内燃机是一种通过燃烧燃料产生动力的发动机，它的工作循环是其运行过程中产生的燃气在气缸内的变化过程。
这一过程可以分为四个阶段：进气、压缩、爆燃和排气。
首先是进气阶段。
在活塞式内燃机的工作循环中，这是一个由活塞向下运动的过程。
当活塞下行时，气缸的进气阀打开，外部空气经过气门进入气缸内。
汽油或柴油也被喷入气缸中以混合空气。
这个混合物的比例通常是由发动机控制系统自动调整的，它会根据各种因素如发动机转速、负载和环境条件来调整。
接着是压缩阶段。
这个阶段中活塞开始向上运动，将已经混合好的燃气压缩再次变得非常密集。
气缸内气体的压力和温度随着容积的减少而升高，这个过程通常可以通过往气缸中喷入高压点火能够自燃的柴油引擎中来提高温度。
而对于汽油发动机，通常还需要一个火花塞来点燃混合物。
接下来是爆燃阶段。
当混合气体压缩到极限后，点火系统会触发火花塞，在柴油机中，这个时候油料会被喷射器喷入，并被高温高压的气体点燃。
而在汽油机中，点燃的是由点火系统产生的火花来点燃混合物。
这就导致了一个爆炸，产生巨大的能量推动活塞向下。
最后一个阶段是排气。
在爆燃阶段结束之后，活塞开始向上运动，将燃气废气排出气缸。
排气阀会打开，将废气排出到排气管中，并送入排气系统。
以上四个过程便构成了活塞式内燃机的工作循环。
整个循环是不断重复的，驱动活塞来回运动，从而产生动力。
这一循环的频率取决于引擎的转速，同时也受到控制系统的调节。
活塞式内燃机广泛应用于汽车，飞机，摩托车等各种交通工具和工业机械中。
第三章内燃机的工作循环
2、等压加热循环（柴油机） 1 0 1c * 1 2 3 4 ( 01)3、混合加热循环（柴油机） p ( 01)第三章 内燃机的工作循环 概念：内燃机的工作循环是周期性地将燃料（化学能）燃烧所产生的热能 转变为机械能的过程，由活塞往复运动形成的进气、压缩、膨胀和排气等有序 联系和重复进行的过程组成。
首先在进气过程吸入新鲜空气，或空气与燃油的混合气，活塞压缩使气缸内 工质的压力和温度升高到一定的程度，然后由火花点火或压燃着火燃烧释放出热 能，推动活塞运动转化为机械功输出。
燃烧做功后的排气排出气缸，继续下一个 循环。
第一节 内燃机的理论循环 一、概念：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或等压加热循环，这些循环称为内燃机的 理论循环。
1） 三种理论循环的热效率均与压缩比有关，提高压缩比c 可以提高循环 的热效率。
2） 增大压力升高比p 可以增加混合加热循环中等容部分的加热量，使循环 的最高温度和最高压力增加，可以提高循环热效率;3）增大初期膨胀比°，使等压部分加热量增加，导致混合加热循环热效率降低；4）增加循环始点压力，降低进气温度，增加循环供油量等，均有利于循环 平均压力的增加。
四、提高循环热效率和平均压力的限制1） 结构强度的限制；2） 机械效率的限制；3） 燃烧方面的限制；4） 排放方面的限制。
第二节 内燃机的燃料和热化学一、内燃机的燃料（一） 石油基燃料组成元素：主要C 、H ;少量0、N 、S 。
烷烃、烯烃、环烷烃和芳香烃等组 成。
汽油：C 原子5—12;轻柴油：C 原子10-22（二） 柴油的理化性质m EGREGR 1、 自燃性：在无外源点火的情况下，柴油能自行着火的性质叫自燃性。
自行着火的最低温度叫自燃温度。
衡量：十六烷值，正十六烷 C 16H 34， 100， —甲基萘C 11H 10，0。
内燃机学周龙保(第三版)期末考试知识点整理教学文案
内燃机学周龙保(第三版)期末考试知识点整理教学文案内燃机学周龙保(第三版)期末考试知识点整理《内燃机学》第二章《内燃机的工作指标》名词解释：1.示功图：指发动机气缸内工质压力P随气缸容积V（或曲轴转角φ）而变化的曲线。
2.指示性能指标：指工质对活塞做工为基础的指标。
1)动力性能指标：a)指示功Wi：指气缸内完成一具工作循环所得到的实用功（J）。
b)指示功率Pi：内燃机单位时刻内所做的指示功称为指示功率。
c)平均指示压力Pmi：单位气缸容积所做的指示功(Pa)。
2)经济性能指标：a)指示热效率：发动机实际循环指示功与所消耗的燃料热量的比值。
b)指示燃油消耗率bi：单位指示功的耗油量。
【g/(kW*h)】3.有效性能指标：指曲轴输出的相关指标。
1)动力性能指标：a)有效功率Pe:发动机轴上所净输出的功率。
b)平均有效压力Pme：单位气缸工作容积所做的有效功。
c)升功率Pl：在标定工况下，发动机每升气缸工作容积所发出的有效功率。
d)有效扭矩：曲轴的输出转矩。
2)经济性能指标：a)有效热效率：b)有效燃油消耗率：4.充量系数φc（容积效率）：每缸每循环吸入缸内的新奇空气量与按进气系统前状态计算而得的理论充气量之比。
(75%-90%)5.过量空气系数φa:燃烧单位质量燃料的实际空气量与理论空气量之比。
6.压缩比：气体容积与燃烧室容积之比。
7.燃油消耗率：发动机每输出1kW*h的有效功所消耗的燃油量。
8.平均机械损失压力Pmm：发动机单位气缸工作容积一具循环所损失的功。
9.机械效率:有效功率与指示功率之比。
简答题：1.啥是发动机的机械损失？它由哪些损失组成？答：发动机曲轴输出的功或功率小于其气缸内气体膨胀所做的功或功率，两者之差称为发动机的机械损失。
1)活塞与活塞环的摩擦损失。
2)轴承与气门机构的摩擦损失。
3)驱动附属机构的功率损失。
4)风阻损失。
5)驱动扫气泵及增压器的损失。
2.机械损失测定的四种办法？动图法、倒拖法、灭缸法、油耗线法。
发动机的工作循环
发动机的工作循环
1 内燃机工作循环
内燃机是一种流体动力机械，它是由活塞和活塞环受到连续循环作用所产生的燃烧发动机。
内燃机的工作循环一般分为4个阶段：进气阶段、压缩阶段、燃烧阶段和排气阶段。
2 进气阶段
进气阶段是内燃机一次工作循环的第一阶段。
当活塞纵向下运动时，机械活塞及其连接的气门都处于开启状态，外界新鲜空气就进入气缸中。
此时，气缸内只有外界新鲜空气，混入空气的可燃气体几乎为零，空气压力逐渐升高，内燃机进入下一个工作阶段。
3 压缩阶段
在压缩阶段，活塞上行，气门关闭，内燃机真空化，空气高压，空气温度也随之升高，空气中的可燃气体混合物也变的更细腻。
压缩阶段的压力有许多因素影响，如缸径、进气阀形状等因素都会影响最终的发动机效率。
4 燃烧阶段
在燃烧阶段，活塞继续向上移动，燃烧室静置，发动机的点火系统将一定量的燃料放入燃烧室中，搭配准确的火花塞点火，燃料和空气混合的迅速发生爆燃，释放出大量的热能，热能通过活塞转换为机械能量。
5 排气阶段
排气阶段是内燃机一次工作循环的最后一个阶段，是燃烧阶段的
反面过程，活塞下行，将气缸中的热气体向外排出，完成一次循环后，发动机就会再次重复上述四个阶段，一直循环下去。
第三章：内燃机的工作循环
第三章：内燃机的工作循环内燃机的理论循环3种形式：等容加热循环、等压加热循环、混合加热循环等容加热循环：加热循环很快完成，热效率仅与压缩比有关等压加热循环：加热过程在等压条件下缓慢完成，负荷的增加使得热效率下降。
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，当最高循环压力相同、加热量相同而压缩比不同时，等压加热循环的热效率最高，等容加热循环的热效率最低。
得出结论：1、提高压缩比，提高了热效率，但提高率随着压缩比的不断增大而逐渐降低2、增大压力升高比，可使热效率提高3、压缩比以及压力升高比的增加，将导致最高循环压力的急剧上升4、增大初始膨胀比，可以提高循环平均压力，导致热循环效率降低5、等熵指数增大，循环热效率提高柴油的理化性质：自然温度、馏程、粘度、含硫量等，以自然温度和低温流动性影响较大。
1、自然温度：柴油在无外源点火的情况下能够自形点火的性质为自然性。
能够使柴油自行着火的最低温度称自然温度。
自然性用正十六烷值衡量2、低温流动性（浊点与凝点）：温度降低时，柴油中所含的高分子烷簇（如石蜡）和燃料中夹杂的水分开始析出并结晶，使原来呈半透明状的柴油变得浑浊，达到这一状态的温度值就是柴油的浊点，当温度再降低时，柴油完全凝固，此温度称为凝点。
3、化学成分及发热量：燃油的化学成分：碳、氢、氧、氮。
1千克柴油完全燃烧所发出的热量叫做燃料的发热量或热值。
汽油的理化性质：挥发性和抗爆性1、挥发性：表示液体燃料汽化的倾向，与燃料的馏分组成、蒸汽压、表面张力以及汽化潜热有关。
汽油馏出的温度范围称为馏程。
初馏点：40－80︒C，终馏点：180－210︒C。
2、抗爆性：燃料对发动机发生爆燃的抵抗能力称为燃料的抗爆性。
汽油的抗爆性是以辛烷值来表示的。
根据试验规范的不同，所得的辛烷值分别称为马达法MON或研究法RON辛烷值气体燃料：天然气、液化石油气、氢气、煤气、沼气。
代用燃料：醇类燃料、植物油燃料燃烧：燃烧是外界热源向工质在一定条件下加热的过程。
内燃机是如何工作的
内燃机是如何工作的内燃机是一种将燃料转化为动力的机械装置，广泛应用于汽车、船舶和飞机等交通工具，以及发电设备和农业机械等领域。
它的工作原理可以分为四个基本步骤：进气、压缩、燃烧和排气。
首先是进气阶段。
在内燃机进气行程中，活塞从其顶部位置向下移动，打开进气阀门，使空气被吸入气缸内。
这个过程中，进气阀门开启，活塞向下运动，大量空气通过进气道进入气缸。
接下来是压缩阶段。
当活塞快接近底部位置时，进气阀门关闭，活塞开始向上移动，并且空气被压缩在气缸内。
此时，汽缸内的压力随着活塞的上升而逐渐增加。
这个过程中，气缸内的空气被压缩到相对较小的体积，并且空气的温度也因压缩而上升。
然后是燃烧阶段。
在活塞达到顶部位置之前，燃料会以适当的时间通过喷油嘴喷入到气缸内。
燃料与气缸内压缩的空气混合后，由于高温和压力的作用，燃料快速燃烧，产生高压气体。
这个过程的关键是点火系统，它会在燃烧室内引发一个火花，点燃混合物。
最后是排气阶段。
当燃烧结束后，剩余的燃烧气体需要被排出气缸。
此时，排气阀门被打开，活塞向下运动，将废气排出。
在排气阶段，剩余的燃烧产物通过排气管释放到气缸外。
这个过程完成后，活塞回到正上方，并且内燃机将开始新的工作循环。
这四个基本步骤循环执行，使得内燃机能够持续产生动力。
通过控制进气量、燃油的喷射时间和点火时机，可以调节内燃机的输出功率和效率。
在内燃机的工作过程中，还有一些重要的组件起到关键的作用。
例如，曲轴和连杆组成的机构将活塞的直线运动转化为旋转运动，从而驱动车辆或发电机。
气门控制系统控制着进气阀和排气阀的开闭，以保证燃气的流动。
冷却系统则通过循环冷却液来降低发动机温度，使其保持在适当的工作范围内。
内燃机的工作原理是基于热力学和燃烧化学原理的。
通过合理地控制燃料与空气的混合比例和点火时机，内燃机能够以高效率转化燃料的热能为机械能。
这种高效能转换为内燃机在现代交通和工业领域中的广泛应用提供了可靠的动力支持。
随着科学技术的发展，内燃机也在不断演进和改进。
内燃机的工作循环
《嘿，说说内燃机那神奇的工作循环》哎呀呀，咱今天就来唠唠内燃机这玩意儿的工作循环。
有一回啊，我跟几个朋友去参观一个汽车博物馆。
一进去，就看到各种老古董汽车摆在那儿，可神气了。
我们几个一边逛一边聊，这时候就说到了内燃机。
我那朋友小李就问：“嘿，你们知道内燃机咋工作的不？”另一个朋友小王摇摇头说：“不太清楚呢，就知道它能让车跑起来。
”我也跟着说：“对啊，这内燃机到底咋回事呢？”这时候，旁边走过来一个讲解员大哥。
他听到我们的对话，笑着说：“嘿，几位，想知道内燃机的工作原理不？我给你们讲讲。
”我们连忙点头。
讲解员大哥就开始说了：“这内燃机啊，它有个工作循环。
首先呢，是进气冲程。
就好比人吸气一样，把空气和燃料吸进气缸里。
”他边说边比划着，“然后呢，是压缩冲程。
把吸进来的混合气给压缩一下，就像你捏气球似的，把它挤得紧紧的。
”小王好奇地问：“那接下来呢？”讲解员大哥接着说：“接下来就是做功冲程啦。
这时候，混合气被点燃，产生巨大的压力，推动活塞往下走，就像放鞭炮一样，‘砰’的一下，把能量释放出来。
”小李瞪大了眼睛：“哇，这么厉害呢。
那最后呢？”讲解员大哥说：“最后就是排气冲程啦。
把燃烧后的废气排出去，为下一个循环做准备。
就跟你喘口气，把浊气呼出去一个道理。
”我们几个听得津津有味。
我感慨道：“原来内燃机的工作循环这么神奇啊。
”小王也点头说：“是啊，以前都不知道呢。
”从博物馆出来后，我们几个还在讨论内燃机的工作循环。
小李说：“以后再看到汽车，就知道它里面的内燃机是咋工作的了。
”我说：“对啊，这一趟可没白来。
”嘿，这就是内燃机的工作循环，是不是挺有意思呢？。
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第一节 发动机理论循环 第二节 内燃机的燃料及其热化学 第三节 内燃机的实际循环 第四节 内燃机循环的热力学模型
第二节 内燃机的燃料及其热化学
内燃机的燃料 燃烧热化学 燃烧前后物质的量变化系数 残余废气系数和排气再循环（EGR）率
没有石油内燃机还能转吗？
内燃机将高效、清洁的转下去！
2.低温流动性(浊点与凝点) 温度降低时，柴 油中所含的高分子烷族烃(如石蜡) 和燃料中夹杂的 水分开始析出并结晶，使原来呈半透明状的柴油变 得浑浊，达到这一状态的温度值就是柴油的浑浊点。 当温度进一步降低，柴油完全凝固，此时的温 度称为凝点。此时发动机将不能正常工作。 我国的国标中对轻柴油的标号，即是按照柴油 的凝点来规定的。如国产0号柴油固点为0℃，适合 夏季使用。-20号柴油凝固点为-20℃，适合冬季或 寒冷地区使用。选用轻柴油要根据不同的使用地区 和季节条件。
C/H高，则排放特性差：
C—CO、CO2 有害 H—H2O 无害 CNG、LPG的H含量高(0.25和0.182)，所以其CO、黑烟、微粒、CO2低 于汽、柴油→ C/H越小，燃料越清洁
（二）柴油的理化性质 对柴油机来说，与其性能有关的燃料特性是自 燃温度、馏程、粘度、含硫量等，其中，以自燃温 度和低温流动性(凝点)影响最大。 1.自燃温度 柴油在无外源点火的情况下能够自行 着火的性质称之为自燃性，能够使柴油自行着火的 最低温度称为自燃温度。 柴油的自燃性用十六烷值评价。
馏出90%的温度 标志着燃料中含难以挥发的重质成分的数量， 此温度高说明含有难挥发的成分多，易附在气缸壁 上，燃烧易生成积碳，或沿着汽缸壁流入油底壳， 稀释机油，进而破坏轴承部位的润滑。能够反映汽 油机燃烧完全性。
3.抗爆性
燃料对于发动机发生爆燃的抵抗能力称为燃料 的抗爆性。它是汽油燃料一项十分重要的指标，而 且随燃料化学成分的不同差别很大。烷烃抗爆性最 差，烯烃次之，环烷烃较好，芳香烃最好。在同一 种烃内，轻馏分优于重馏分，异构物优于正构物。 从炼制工艺来看，直馏汽油的辛烷值最低，热裂解 汽油的辛烷值较低，而催化裂解、重整汽油的辛烷 值较高。
道路法辛烷值 也称行车辛烷值，用汽车进行实测或在全功 率试验台上模拟汽车在公路上行驶的条件进行测定。道路辛 烷值也可用马达法和研究法辛烷值按经验公式计算求得。马 达法辛烷值和研究法辛烷值的平均值称作抗爆指数，它可以 近似地表示道路辛烷值。
提高辛烷值的传统方法，是在汽油中添加高效 抗爆剂如四乙铅Pb(C2H5)4，但由于该添加剂含铅 量高，对人体及环境有较为严重的危害，同时还 会使排气催化转换器中的催化剂严重中毒而导致 失效，因而逐渐被淘汰。目前，提高汽油辛烷值 的主要措施是采用先进的炼制工艺和使用高辛烷 值的调和剂，如加入甲基叔丁基醚(MTBF)、乙基 叔丁基醚(ETBE)或醇类燃料等，以获得较高辛烷 值而无其他不利于环保的副作用。
烃燃料分子结构、成分
烃燃料理化特性
1.烃燃料结构对理化特性的影响 •������ 链与环— 环化学稳定性好，不易自燃 •������ 直链与支链(或正烷与异烷)—支链(异烷)的化 学稳定性好，抗爆好(如正庚烷C7H16和异辛烷 C8H18的辛烷值分别为0和100) •������ 单键和多键—多键非饱和烃不易断链，不易 自燃，但安定性差，贮存中易氧化结胶(如烯烃)
C + O2
12 1kg 质量 gckg 12kg 1kg 体积 gc
=
CO2
需要的氧气：
体积：gc/12+gh/4 （kmol） 质量：8gc/3+8gh （kg）
32 44 8/3kg 11/3kg 8/3 gc kg 11/3gc kg 1kmol 1kmol 1/12 kmol 1/12 kmol gc /12 kmol gc/12 kmol H 2O 18kg 9gh kg ½ kmol gh/2 kmol
3.馏程
表示柴油的蒸发性能，用燃油馏出某一百分比的温度范围 来表示。 燃油馏出50%的温度低，说明燃料的蒸发性能好，有利于 混合气形成； 90%和95%温度标志柴油中所含难于蒸发的重馏分的数量。 如果重馏分过多，在高速柴油机中来不及蒸发和形成均匀 混合气，燃烧不易及时完成。但是如果馏分太轻，易在着火前 形成大量油气混合气，导致柴油机工作粗暴。
1 g c g H go LO ( ) 0.21 12 4 32
H2 +1/2 O2 = 2kg 16kg 质量 gh kg 8ghkg 1kg ¼ kmol 体积 gh gh/4 kmol
kmol/kg
1 8 L0 ( gc 8g h go ) 0.23 3
'
kg/kg
2.燃料的热值
2.馏程 评价汽油的蒸发性，常用10%、50%、90%的馏 出温度作为几个代表意义的点。 馏出10%的温度 温度低说明冷启动性能好，但温度过低容易产生 “气阻”现象。 馏出50%的温度 标志汽油的平均蒸发性，它影响着发动机的温车 时间，加速性及工作稳定性。若此温度较低，说明 该汽油的挥发性较好，在较低温度下可以有大量的 燃料挥发而与空气混合，从低负荷向高负荷过渡时 能及时提供所需的混合气。
十六烷值测量条件
十六烷值低，不易燃烧，排放性能差，冷启动 性能差。 十六烷值高的柴油，其自燃温度低，滞燃期短， 有利于发动机的冷起动，适合于高速柴油机使用， 但过高十六烷值的柴油在燃烧过程中容易裂解，造 成排气过程中的碳烟。因此，一般情况下，常限制 柴油的十六烷值在65以下。 国产柴油十六烷值一般在40-50。
发动机燃料的分类
常规燃料——石油汽油和柴油 替代燃料——除石油汽油、柴油以外的烃类/醇类 /醚类/酯类/氢气等燃料 1) 按物态分类： 液体：甲醇、乙醇、二甲醚(DME)、生物柴油、 GTL（天然气合成油 ）/CTL（煤制油 ）/BTL（生物 质合成燃料 ） 气体：LPG、CNG、氢气、沼气、煤气 2) 按成份(是否含氧)分类： 烃燃料（除汽油、柴油外）和含氧燃料
燃料在空气中燃烧，仪热量的形式释放出化学 能。在101.3kPa，295.15K条件下每千克燃料完全 燃烧所释放的热量成为燃料的热值同上所说的热值 是等压条件下的热值。 燃油的发热值有低热值与高热值之分，计及水 蒸气冷凝时放出汽化潜热的发热量叫做高热值，不 计及汽化潜热的发热量则称为低热值。在内燃机中， 由于无法利用汽化潜热，所以燃油的发热量常用低 热值。 思考：天然气发动机的动力性比汽油机的低， why？
那种方法试验条件苛刻？
马达法辛烷值（MON） 测定条件较苛刻，发动机转速为 900r/min，进气温度149°C。它反映汽车在高速、重负荷条 件下行驶的汽油抗爆性。 研究法辛烷值（RON） 测定条件缓和，转速为600r/min， 进气为室温。这种辛烷值反映汽车在市区慢速行驶时的汽油抗 爆性。对同一种汽油，其研究法辛烷值比马达法辛烷值高约 0～15个单位，两者之间差值称敏感性或敏感度。
评定方法： 十六烷值的评定需用两种自燃性能截然不同的 标准燃料作比较，一种是正十六烷C16H34，自燃性 很好，其十六烷值定义为100；另一种是α－甲基 萘C11H10，自燃性很差，其十六烷值定义为0。当 被测定的柴油的自燃性和所配置的混合液自燃性相 同时，此时混合液中十六烷的体积百分数就定为该 种柴油的十六烷值。
燃料抗爆性比较： 1) 环烷烃> 正烷烃 2) 烯烃> 正烷烃 3) 异烷烃> 正烷烃 4) 芳香烃> 烷烃/烯烃
十 六 烷 值
烯烃
正烷烃
环烷属烃 芳香烃
燃料自燃性比较： 1) 环烷烃< 正烷烃 2) 烯烃< 正烷烃 3) 芳香烃< 烷烃/烯烃 4) 1-甲基奈－ 压不着
1-甲基奈
C原子数
补充：可燃混合气热值Hum (Mixture low heat value) 定义: 单位质量或单位体积可燃混合气发出的热量 (kJ/kg或kJ/m3)
Hu表示燃料的能量密度，越高越便于携带； Hum代表混合气的能量密度，越高则相同工作容积 时发出功率越高(pme也越高)
烃燃料成分对理化特性的影响
•C原子数
������ C越多，化学稳定性差，着火温度低，易自燃；但物理稳定性（挥发 性）也差，不易气化
•C/H比
燃料热值由C/H比决定, 由于H比C的热值高(约3.7:1)，柴油C/H > 汽油C/H →柴油Hu 42500kJ/kg)<汽油Hu (44000kJ/kg) ；但单位质量H燃烧所需要 O(空气)多(约是C的3倍)，因而理论混合气热值：汽油Hum≈柴油Hum (3750kJ/m3) ； 实际中，汽油机在φa =1工作，柴油在φa ≥1.2工作， 则有： 汽油Hum > 柴油Hum
一、内燃机的燃料
石油基燃料的分类： 1.烷烃是一种饱和链状分子结构(碳链上碳原子的键位 由氢原子完全充满，仅有单键存在) 适合作汽油机的燃料 2.烯烃是种不饱和的链状烃(碳原子的键位并未由氢原 子来完全充满，有双键存在)，其热值较低，着火性能差， 不适合作汽油机的燃料。 3.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 4.芳香族烃的含氢原子数少且具有双键和环状结构， 抗爆燃性能极强，自燃温度比脂肪族烃和环烷族烃高，适合 作汽油机的燃料或作为汽油的抗爆添加剂
二、燃烧热化学
1. 化学计量空燃比
化学计量空燃比（理论空燃比）：当燃料在空气中 燃烧时，一定质量空气中的氧刚好使一定质量的燃 料完全燃烧，将燃料中所有的碳氢完全氧化为二氧 化碳和水，则此时的空气与燃料的质量比称为该燃 料的化学计量空燃比（理论空燃比）。
1kg 燃料完全燃烧所需要的理论空气量 燃料的主要成分是C、H、O，其它的成分可以略去。 以质量计算，1kg燃料中各元素的含量 gc+gh+go=1kg gc、gh、go——1kg燃料的C、H、O的质量成分。 空气中的主要成分：O2 、 N2 按质量计：O2——23% N2——77% 体积计：O2——21% N2——79% C+O2=CO2 H2+1/2O2=H2O