内燃机热力循环-打印版
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。
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。
7
五、提高循环热效率及平均压力的限制(restriction)
01 第一章 发动机热力循环及性能指标
① 热能利用的完善程度；② 能量相互转换的效率；③ 寻求提高 热量利用率的途径。
将内燃机的实际循环进行若干简化，提出一种假想循环，这种假 想循环就称为“理想循环”。
第一章
内燃机的热力循环及性能指标
1. 内燃机的热力循环
1-1 内燃机理想热力循环 在热机中，确定工质所经历的过程称为循环。内燃机的实际 热力循环是由进气、压缩、燃烧、膨胀和排气等多个过程所组成 的，循环中工质存在着质和量的变化，整个过程是不可逆的。 要确切地描述内燃机中实际的热力过程，在目前条件下还非 常困难。为了了解内燃机的
V
膨胀过程的容积变化用后膨胀比
Vb Vz
Vs Vc 表示。 Vc
表示。
Pz Pc
定容加热的压力升高，以压力升高比
表示。
图1（c）为等压循环（也称狄赛尔diesel循环） a—c 为绝热压缩； c—z 为定压加入热量 Q1; z—b 为绝热膨胀； b—a 为等容释放热量Q2。 Vz 定压加热过程的容积变化用初膨胀比 表示,其它同等容 Vc 循环。
图1－6
四冲程内燃机实际循环的p-V示功图
(1) 工质不同（理想循环为双原子气体；实际的为空气和燃烧 产物的混合物）, t
① 工质成分变化 t
柴油机中，燃烧前是新鲜空气与上循环的残留废气的混合 物，燃烧后，工质成分为燃烧产物。 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，
1
点还在燃烧。这就是后燃现象。 e点的位置取决于混合气形成 的完善程度，供油规律，过量空气系数的大小及发动机的转速 等因素。一般好的情况下在上止点后40℃A～70℃A，也可能拖 延到排气门打开。后燃是在后膨胀比较小的情况下进行的，所 以损失了z1z1’ez1 , t 。 ③ 不完全燃烧 t 由于混合气形成不良引起不完全燃烧，使燃料热值未充分 利用，使燃烧膨胀线下移 , t 。 （6） 漏气损失 t 理想循环中工质质量不变。 实际循环中，气门，活塞环处有泄露，一般约为总量的 0.2%。 上面已就实际循环与理论循环的差异做了一般性的比较， 下面将继续讨论压缩，膨胀过程，燃烧与换气过程将在后面的 章节详细论述。
第三章 内燃机的工作循环
(2) 抗爆性
燃料对于发动机发生爆燃的抵抗能力叫做燃料的抗爆性。
二、燃烧热化学
(一) 化学计量空燃比 (二) 燃料的热值 (三) 燃烧前后物质的量变化系数 (四) 残余废气系数与排气再循环(EGR)率
(一) 化学计量空燃比
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，将碳氢燃料中所有的碳、氢完全氧 化成二氧化碳和水，则此时的空气与燃料的质量比称为该 燃料燃烧的化学计量空燃比，有时称为理论空燃比。
四、燃烧损失
1.燃烧速度的有限性 2.不完全燃烧损失
1.燃烧速度的有限性
(1) 压缩负功增加 为了使燃烧能够在上止点附近完成，燃料的燃烧在上止 点前开始，由此造成了压缩负功的增加(图中面积c1c′c)。 (2) 最高压力下降 由于燃烧速度的有限性，等容加热部分达不到瞬时完成 加热的要求，再加上活塞在上止点后的下行运动使工质体积膨胀，实际循 环的压力升高率有限，使得实际循环的最高压力下降，循环的平均压力和 做功能力下降。 (3) 膨胀功减少 由于理论循环假设等容加热是瞬时完成的，其余热量是在 等压的条件下于某一点(z点)前完全加入，而后进入绝热膨胀过程，而实际 循环的燃烧持续期长，部分热量是在膨胀行程的后期加入，这部分热量的 做功能力低，循环获得的膨胀功减少。
2. 柴油的理化性质
(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，柴 油能自行着火的最低温度叫做自燃温度。 (2) 低温流动性 的浊点。 在规定条件下，冷却柴油至开始出现混浊的温度称为柴油
(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，柴油 能自行着火的最低温度叫做自燃温度。
三、换气损失
内燃机的理论循环可以不考虑工质更换的换气过程，即使考虑换 气过程，也认为没有任何形式的流动阻力损失。在实际循环中， 内燃机需要吸入空气、燃料等新鲜充量，燃烧后再排出废气，这 是使实际循环得以周而复始进行所必不可少的。为了保证内燃机 有一个较好的性能，排气门需要在膨胀行程接近下止点前提前开 启，以排出更多废气，降低缸内压力，减少排气行程活塞强制排 气的推出功损失。燃气在膨胀下止点前开始从气缸内排出，循环 沿b1d1线进行，造成了示功图上有用功面积的减少(图中阴影区 面积b1d1b)，称为膨胀损失。在强制排气和自然吸气行程中，气 体在流经进排气管、进排气道以及进排气门时，由于各种流动阻 力，形成活塞推出功和吸气功损失。上述排气门提前开启造成的 膨胀损失、强制排气的推出功损失和吸气过程的吸气功损失，统 称为换气损失。换气过程的详细内容见第四章。
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。
内燃机的工作循环
• 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。
•
• (2)工质燃料燃烧释放过程或混合加热 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。
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)
• 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
第二章 内燃机的工作循环
c-y，定容加热过程； y-z，定压加热过程；
z-b，绝热膨胀过程； b-a，定容放热过程；
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混合加热理想循环热效率：
t
1
1
k 1
k 1
1 k
1 (2 3)
说明：
•热效率ηt随压缩比ε和压力升高比λ的增大而提 高；
•ηt随ρ的增大而降低；
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•在极端情况下， 当λ＝1时，内燃机即以定压循环方式工作 当ρ＝1时，内燃机即以定容循环方式工作
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a’-a，压气机中的绝热压缩过程； a-c，气缸中的绝热压缩过程； c-y，定容加热过程； y-z，定压加热过程； z-b，绝热膨胀过程； b-a，定容放热过程； a-f，定压加热过程； f-g，涡轮中的绝热膨胀过程； g-a’，涡轮中的定压放热过程。
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具有空气中间冷却的定压涡轮增压内燃机 理想循环的热效率：
•加热过程在定压条件下缓慢完成，负荷的增加 使热效率下降；
•热效率随压缩比的增大而提高，随初始膨胀比 的增大而降低；
•初始膨胀比的大小标志着内燃机负荷的大小，ρ 增大，q1增大，ηt减小；
•按照定压加热循环方式工作的有低速柴油机和 燃气轮机。
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3、混合加热理想循环
a-c，绝热压缩过程；
§2－2内燃机理想循环热效率
从循环热效率出发 分析各种内燃机理想循环； 探讨选择内燃机循环方式和提高循环热效率
的途径。
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根据循环热效率的定义，导出内燃机理想循 环热效率的通用表达式：
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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。
第3章内燃机的工作循环
第一节 第二节 第三节 第四节
内燃机的理论循环 内燃机的燃料及其热化学 内燃机的实际循环 内燃机循环的热力学模型
第一节 内燃机的理论循环
一、研究理论循环的目的 1. 用简单公式阐明热力学参数间关系， 用简单公式阐明热力学参数间关系，明确提高循环 效率和平均压力的途径； 效率和平均压力的途径； 2. 确定循环效率的极限， 确定循环效率的极限，判断实际内燃机经济性和工 作过程进行完善程度及改进潜力； 作过程进行完善程度及改进潜力； 3. 有利于比较各种热力循环的经济性。 有利于比较各种热力循环的经济性。
第一节 内燃机的理论循环
五、理论循环分析 2. 等熵指数 空气的等熵指数为1.4， 空气的等熵指数为 ，燃料与空气混合气的等熵指 数小于1.4，混合气稀，等熵指数增大，热效率增加。 数小于 ，混合气稀，等熵指数增大，热效率增加。
第一节 内燃机的理论循环
五、理论循环分析 3. 压力升高比
1.
2.
定容循环： 定容循环： 由公式知：加热量增加，压力升高比增加， 由公式知：加热量增加，压力升高比增加，循环平均 压力增加； 压力增加； 循环热效率不变。 循环热效率不变。 混合循环： 混合循环： 压缩比与加热量一定，压力升高比增加， 压缩比与加热量一定，压力升高比增加，循环热效率 增加。 增加。
第一节 内燃机的理论循环
三、理论循环 1. 定容（ 定容（Otto）循环：汽油机按等容循环工作，燃烧 ）循环：汽油机按等容循环工作， 速度高，简化为Otto循环。 循环。 速度高，简化为 循环 2. 等压（ 等压（Diesel）循环：低速柴油机，高增压柴油机， ）循环：低速柴油机，高增压柴油机， 受缸内最高压力限制，燃料大部分在上止点后燃烧， 受缸内最高压力限制，燃料大部分在上止点后燃烧， 简化为Diesel循环。 循环。 简化为 循环 3. 混合循环：高速柴油机， 混合循环：高速柴油机，燃料部分在上止点附近燃 部分在上止点后燃烧，简化为混合循环。 烧，部分在上止点后燃烧，简化为混合循环。
3内燃机学第三章(1-2节)工作循环
0
c k 1 (
c
1 / 0
)k
1
0
k
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
将各温度表达式代入循环热效率t，可得：
6
t
1
Tb/Ta 1 (Tz'/Ta Tc /Ta) k(Tz /Ta
•工质假设是进行绝热压缩和绝热膨胀过程，即不计工质与外界的热 量交换。
•假设燃烧是外界无数个高温热源定容或定压向工质加热；工质放热 视作定容放热。
•假设循环过程是可逆过程。
二、研究理论循环的目的
•可以用简介公式表达循环中各种热力参数之间的关系，寻找提高内 燃机经济性、动力性的基本途径。评定经济性的指标是理论循环热 效率t，动力性指标是理论循环平均压力pt。
定义为单位气缸容积所做的循环功，即，pt = W/Vs （Pa）
其中， W-循环功（J）
Vs-气缸工作容积（m3）
按照定义， W=（Q1-Q2）=Q1[ 1–（Q2/Q1）]=Q1 t
因为混合循环加热量可以写成（等容加热和等压加热之和）：
Q1=mCv（Tz‘-Tc）+mCp（Tz-Tz’）
所以
pt
W Vs
（1）柴油的理化性质 对柴油机性能有影响的燃料特性是：自燃温度、馏程、粘度、 含硫量、化学成分、热值、凝点等，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，能够使柴油自行着火的最低温度 称为自燃温度。 柴油能够自行着火的性质，称之为柴油的自燃性，柴油的自燃 性用十六烷值衡量。
03第三章 内燃机地工作循环
第三章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，它由进气、压缩、燃烧、膨胀和排气等多个过程所组成。
在这些过程中，由燃料与空气组成的工质，无论在质或量上都时刻发生着变化，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，要准确地从理论上描述内燃机的实际过程，在目前条件下还是十分困难的。
为了分析内燃机中燃料热能利用的完善程度及其主要影响因素，进而为提高能量利用率指明方向，通常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，通常称之为内燃机的理论循环。
通过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。
在进行理论循环研究之前，首先必须对内燃机的实际过程进行必要的简化假设建立理论循环的一个重要依据。
总结起来，这些假设有：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。
根据对燃烧过程即加热方式的不同假设，可以得到不同的理论循环。
理论循环的假设越符合实际情况，则分析得到的结论也越接近于实际。
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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 。
与等压涡轮增压内燃机热力循环不同，变压涡轮增压内燃机中气体从状态4 进入变压涡轮中排气能量不会由于排气管突然变粗而膨胀损失，进入变压涡轮前的气体压力在p4与p1’之间变化。
如不计气体流动中的摩擦损失，气体在涡轮中的膨胀从开始排气时的p4→p5到最后的p1’→p5（因为后面从气缸中排出的气体压力不断下降）。
图3 变压涡轮增压内燃机热力循环内燃机的等容放热过程4→1可看成为涡轮的等容加热过程1→4 ，然后为气体在涡轮内的等熵膨胀4→5 。
5→6为等压放热过程。
6→1为气体在压气机中的等熵压缩过程。
三、涡轮增压中冷内燃机热力循环涡轮增压中冷内燃机循环是在涡轮增压内燃机循环的基础上将经压气机出口进入内燃机进气管的空气进行预先冷却，即空气从状态1'→3 变为1→2（图4)，冷却带走的热量为Q 6 ，以增加进入气缸内的空气充量，降低循环温度，特别是降低燃气的最高温度，有利于抑制、减少NOx 的排放。
图4 涡轮增压中冷柴油机的热力循环涡轮增压中冷内燃机循环指示热效率为11101(1)(1)[(1)(1)]t W κκκλρκεηελκλρ---+--=-+- 式中，ε1=V1/V2为压气机的压缩比；，ρ=V 6/V 5为初膨胀比；W=V 2/V 3为中冷比；δ=V 7/V 6为后膨胀比；ε2=V 3/V 4为内燃机压缩比；λ=P 5/P 4为压力升高比；ε0=ε1ε2为增压内燃机总压比。
图中，Q 1为内燃机中气体等容加热量；Q 2为内燃机中气体等压加热量；Q 3为涡轮中气体等压加热量；Q 4为内燃机中气体等容放热量；Q 5为涡轮中气体等压放热量；Q 6为中冷器中气体冷却量。
如无中冷，W=1，则101[(1)(1)]t κκλρηελκλρ--=-+- 四、阿特金森热力循环（Atkinson Cycle)阿特金森循环（图5）是一种内燃机循环。
它与奥托循环的差别在于排气过程是等压而不是等容。
如p －V 图，T －S 图所示。
在相同工质数量和加热量的条件下，它有较大的膨胀功，所以热效率高。
图5 阿特金森热力循环阿特金森循环曾应用于沙金(Sargent）煤气机上（图6）。
煤气与空气的混合气以大气压力p进入气缸，当活塞向下死点运行至3S/4行程时，进气门就关闭，在其余S/4 行程内混合气0体就在气缸中沿。
aa”线膨胀至低于大气压的a”点，当活塞从下止点向上止点运动时，缸内混合气仍沿a”a 线，并继续绝热压缩到c 点。
其后，工质继续被绝热压缩至上死点c。
在c 点点火并按等容过程进行燃烧。
由于膨胀行程比压缩行程约大1/4 ，阿特金森循环功比奥托循环功增加相当于阴影面积。
但实际上因膨胀后期膨胀压力较低，膨胀功并不大。
如果设计与制造水平不高，减去摩擦功及散热量的增加最后所得无几，反而使结构复杂。
自由活塞压气机和燃气涡轮组成的内燃机循环可近似看成这种循环。
图6 沙金煤气机热力循环五、米勒热力循环（Miller Cycle )米勒热力循环是1951 年由米勒提出。
在汽油机或煤气机部分负荷工作时通过调节配气定时，可以减小泵气损失，使气缸内工质的膨胀比大于压缩比，如图7(a）中的膨胀线3－4和压缩线1－2，以改善汽油机或煤气机在低负荷时的效率下降。
在相同的压缩比下，米勒循环热效率要比阿特金森循环热效率高。
在由于爆燃而限制汽油机压缩比提高的情况下，增大膨胀比可改善循环的指示效率。
在柴油机上米勒热力循环是阿特金森热力循环在高增压内燃机上的发展与应用。
其实质是低温高增压，即利用提前关闭进气门使进气充量减小，并在进气行程中在气缸内继续膨胀、冷却，实现可变压缩比和不变的膨胀比。
用于柴油机上的米勒热力循环如图7(b）、（c）。
图7 米勒热力循环(a）汽油机方式；(b）、（c）柴油机方式在较高的进气压力p s与不变的压缩比ε下，依靠不同程度提前关闭进气门，以适应不同的增压压力，从而自动调整实际压缩比，维持压缩终了压力p c和最大爆发压力p zmax不变，完成acz’zba’a 热力循环。
其余的排气能量bb'a”则在废气涡轮中利用并推动压气机作功。
压气机将空气压力从p0提高到p s（在a”b”膨胀线上或在b” a”压缩线上）。
一般增压的内燃机热力循环与米勒热力循环的比较如图8 ，其热力参数如表1 。
米勒循环的优点为：①在相同的压缩终了压力p2下允许达到较高的平均有效压力p e；②指示热效率ηi高；③在起动与低负荷时运转性能良好；④可获得较高的容积效率，特别是可改善内燃机在低速运转时空气量的不足；⑤在膨胀终了温度t5及燃烧最高温度t4基本不变时可大幅度提高平均有效压力p e，因而可保证高增压内燃机的机械负荷和热负荷不变。
图8 一般增压内燃机与高增压米勒热力循环内燃机比较(a）一般增压循环；(b）较高增压米勒循环；（c）高增压米勒循环表1 不同循环方式的热力参数比较米勒循环适用于大缸径的中、低速柴油机上，在长冲程发动机上能充分发挥优势。
六、多缸内燃机保持最佳热效率的各种热力循环内燃机特别是移动式（车辆、船只）内燃机其工作负荷是变化的，因而其热力循环参数是不同的。
在部分负荷时循环热效率大为降低。
为了保持最佳热效率，在多缸内燃机上，特别是在高增压的柴油机上采用停缸、充量转换和顺序增压等热力循环方式。
1 ．停（关）缸在多缸高增压柴油机上，由于要限制柴油机内燃气的最大爆发压力和最高温度，都要适当降低压缩比ε（视增压度高低ε=10～14 ）。
但在部分负荷或小负荷时会使起动困难，燃烧恶化，有害气体排放增加。
在此情况下与其各个气缸的热力循环都不好，不如关掉一些缸而让另一些气缸在最好的热力循环下工作。
德国MTU公司396－03系列增压柴油机采用的关缸技术是将柴油机的气缸分为两组。
同轴的喷油泵齿杆分别控制供给该两组气缸油量的喷油泵柱塞。
在液压油的作用下同轴的喷油泵齿杆可以相对移动，使一组气缸供油，一组气缸不供油。
2．停缸与充量转换高增压柴油机当压缩比ε=8.5～12 时，压缩终了气体压力和温度都大幅度下降，起动时起动转速低，在气缸上也没有形成有效的油膜，气缸内漏气量也明显增加（约为压缩开始时气缸内充气量的80％～85％) ，这些都使柴油机的起动十分困难，燃烧也不好。
为此可采用气缸充量转换方式，将停缸（也即供气缸）的压缩空气通入工作缸（也即充气缸）内。
为了保证供气压力和正确的配气相位，供气缸必须比充气缸提早50º～120º曲轴转角，即充气缸开始压缩，供气缸已处在压缩阶段。
供气时刻约在充气缸进气门刚关闭时，供气延续到充气缸压缩上止点前40º～80º曲轴转角，这时供气缸内的气体压力仍约略高于充气缸内的气体压力。
这种充量转换的热力循环方式在低转速时效果明显。
转换的空气充量约为充气缸开始压缩时空气量的30％。
压缩终了温度约可提高70℃，压缩比则可比原值提高3。
当转速超过1000 r/min，由于充量转换阀（机械的、气动的或电动的单向阀）、管路等的压力损失及空气转送时间减小而使转送的空气质量减少。
3 ．停止增压或部分增压为改善增压内燃机部分负荷的热力循环，也可采用相当于上面所说的关缸方式，不过它不是关掉内燃机的某些气缸，而是让涡轮增压器不工作，这时增压内燃机就成为非增压内燃机，或让其中一个涡轮增压器（如果有两个并联的涡轮增压器，即单级增压或有两个串联的涡轮增压器，即两级增压）不工作，使涡轮增压器始终在高效率区运行，从而可保证增压内燃机在最好的热力循环下运行。
停止增压或部分增压的主要装置是在涡轮和压气机的进口处分别安装控制阀和止回阀。
进、排气管也作相应的变动。
在压气机前的止回阀只允许空气沿正常方向流动，在受到反向空气压力时就自动切断。
在停止向涡轮供气时仍保留少量的燃气流入涡轮，使涡轮增压器转子保持一定转速和维持一定温度，一旦需要恢复增压器工作时就可缩短工作时间。
当增压器重新投入工作时，涡轮前的控制器打开，涡轮先加速，直到压气机前的止回阀与压气机间的空气压力降低到止回阀开启的负压时压气机便投入工作。
这样既可防止涡轮超速，又可保证涡轮在一定转速下承受压气机负荷。
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