03第三章 内燃机的工作循环解析
第3章 内燃机的工作循环
（3）热量变换； 热量变换；
Tw 4 h dQ k T 4 b = A{a (Re) (T − T w ) + c[( ) −( ) ]} dθ D 100 100 6n
44
（4）放热规律； 放热规律；
dQ B dx m + 1 ϕ − ϕ0 = H u g bη u = H u g bη u 6.908 dϕ dϕ ϕz ϕz −e
28
l0 =
(c +
h − 2) × (32 + 3.773 × 28) 34.41 × (4c + h − 2o) 4 = c × 12 + h × 1 + o × 16 12c + h + 16o
柴油：14.3，汽油： 柴油：14.3，汽油：14.7 燃空比
（二）燃料的热值 在101.3kPa、298.15K条件下，每千克燃料完 101.3kPa、298.15K条件下， 条件下 全燃烧所放出的热量称为燃料的热值。 全燃烧所放出的热量称为燃料的热值。 定容燃烧弹法 高热值、低热值 高热值、
（二）柴油的理化性质 含碳85％－88％，含氢12％－13.6%； 含碳85％－88％，含氢12％－13.6%； 85％－88％，含氢12％－13.6% 自燃性：无外源点火的情况下， 自燃性：无外源点火的情况下，柴油自行着 火的性质。自燃温度。 火的性质。自燃温度。 十六烷值：正十六烷，100；α－甲基萘，0。 十六烷值：正十六烷，100； 甲基萘， 按比例。 按比例。 低温流动性：浊点， 低温流动性：浊点，凝点 柴油牌号： 柴油牌号：0号，－20号 ，－20号 20
需要补充的方程： 需要补充的方程： （1）气缸工作容积； 气缸工作容积；
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
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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。
简述内燃机的工作过程
简述内燃机的工作过程
内燃机的工作过程可以分为以下四个冲程：
1. 吸气冲程：活塞下行形成气缸内压力小于大气压的差，这个压力差使空气进入气缸。
对于汽油机，吸入的是汽油和空气的混合物；对于柴油机，吸入的是纯空气。
2. 压缩冲程：吸气冲程完成后，活塞上行压缩空气达到一定温度，使燃料燃烧。
对于柴油机，由于压缩的工质是纯空气，压缩比高于汽油机，压缩终点的温度和压力都大大超过柴油的自燃温度，使其自燃。
3. 做功冲程：燃烧的空气使活塞下行，从而将热能转换成机械能。
这种转换是通过连杆活塞组和曲轴实现的，高温高压的燃气推动活塞下行，通过连杆使曲轴做圆周运动。
4. 排气冲程：在飞轮惯性的驱动下，活塞上行将燃烧后的废气从打开的排气阀门中排出。
当活塞行至上终点位置时，整个内燃机的工作循环完成。
这四个冲程中，只有做功冲程是内燃机中唯一对外做功的冲程，其他三个冲程都是依靠飞轮的惯性来完成的。
在压缩冲程中，机械能转化为内能；在做功冲程中，内能转化为机械能。
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。
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
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 内燃机的工作循环肖平讲解
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。此时尽管柴油
仍然具有流动性，但其析出的结晶会堵塞滤清器和油
管等；当温度再降低时，柴油即完全凝固，此时的温
201度9/6/称23 为凝点。
机械效率的限制：最高循环压力决定了曲柄连杆机构的 质量、惯性力以及主要承压面积的大小等。
燃烧方面的限制：汽油机将会产生爆燃、表面 点火等不正常燃烧的现象。柴油机使压缩终了 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 的高效进行。
2019/6/23
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第二节 内燃机的燃料及其热化学
•经过酯化处理：生物柴油；
•生物柴油:从植物油和动物脂肪中通过化学反应所得的单酯化合
物 2019/6/23
20
2019/6/23
21
完全燃烧 ：
二、燃烧热化学
燃料： CcHh Oo (下角分别表示相应元素的原子数)
空气（按容积计）：氧占20．95％，氮占78．90％， 其余0．93％为其他气体。
C4H10 、丁烯C4H8及其异构物，在常温下加压，可以
变成液体燃料。
2019/6/23
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（三）代用燃料
• 醇类燃料：甲醇和乙醇。 甲醇可以从天然气、煤、生物质等原 料中提取；乙醇主要是将含有糖和淀粉的农作物经过发酵后制得。
•植物油燃料：分为可食用与非食用两大类。大多数植物油的主要化 学成分是甘油三酸酯，即由一个分子甘油(丙三醇)和三个脂肪酸分子 以酯键连接组成的复合物。植物油加热时易产生分解，少量轻成分 挥发，大部分则变成胶状物，因此很难获得蒸馏特性。另外，由于 植物油的密度大，粘度比柴油高十多倍，所以雾化特性差，燃烧不 充分，积碳严重。植物油的十六烷值也较低，其着火性能差。
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。
第三章 内燃机的工作循环
(2) 低温流动性 在规定条件下，冷却柴油至开始出现混浊的温度称为柴油的浊点。
3.汽油的理化性质
(1) 挥发性 汽油是轻烃类的混合物，没有固定的沸点，在进行蒸馏时，随 温度的上升，按照馏分由轻到重，逐渐沸腾。 (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。
(1) 挥发性 汽油是轻烃类的混合物，没有固定的沸点，在进行蒸馏时，随温 度的上升，按照馏分由轻到重，逐渐沸腾。
第三节 内燃机的实际循环
一、工质的影响
二、传热损失 三、换气损失 四、燃烧损失
一、工质的影响
图3-2 自然吸气压燃式内燃机 理论和实际循环p-V图的比较
理论循环的工质是理想的双原子气体，其物理化 学性质在整个循环过程中是不变的。在内燃机的 实际循环过程中，燃烧前的工质是由新鲜空气、 燃料蒸气和上一循环残留废气等组成的混合气体。 在燃烧过程中，工质的组分及其质量不断地变化。 二氧化碳、水蒸气等三原子气体成分增加，使工 质的比热容增大，且随着温度的升高而增大，导 致实际气体温度下降。同时，燃烧产物还存在着 高温分解及在膨胀过程中的复合放热现象。
(3) 膨胀功减少
图3-3 燃烧效率随混合气当量燃空比的变化
2.不完全燃烧损失
理论上在空气充分的条件下，燃料能够完全燃烧， 释放出所有化学能，用来加热空气但实际上仍会 有很少一部分燃油由于附着到燃烧室壁面、熄火 等原因，没有燃烧或没有完全燃烧，以未燃HC、 CO和碳烟颗粒等形式排出机外，此外还存在一 定的高温分解等，所有这一切造成了燃料的不完 全燃烧损失。
气门等处的气体泄漏损失二基本微分方程组1气缸工作容积根据活塞连杆机构运动学的几何关系式导出气缸工作容积随曲轴转角的变化关系其方程为2气体流动工质流进流出气缸的质量流率可根据流体力学中气体流经节流元件的计算关系导出其一般的形式为3热交变换工质与活塞顶面气缸壁面及缸盖底面的传热量计算式为4放热规律燃料的燃烧放热较为复杂在本类模型中一般用一个简化的燃烧放热规律来代替实际燃烧放热过程燃烧放热规律来代替实际燃烧放热过程即认为燃料是按照式进行燃烧放热的并且所放出的总热量以及所产生的结果性能指标与即认为燃料是按照一定的函数形定的函数形实际过程是一致的
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
汽油的使用性能指标
(3) 汽油的抗暴性 抗暴性是指汽油抵抗自燃的一种能力，一般 用辛烷值表示。 通常将正庚烷(C7H16)(抗暴性差)与异辛烷 (C8H18)(抗暴性好)按一定比例混合，构成不 同体积百分比的异辛烷和正庚烷的标准汽油， 其中异辛烷含量的百分数叫做辛烷值。 国产汽油的牌号就用辛烷值表示，如90＃汽 油表示用研究法测出的辛烷值不小于90。
根据目前掌握的情况，我国石油的总储量 达780亿吨，实际可开采的储量约为390亿吨， 名列世界前茅。塔里木盆地的塔克拉玛干大 沙漠中发现的石油高达300亿吨。
若干国家石油储量预测/（亿吨）
世界 1360 中国 390 沙特 352 俄罗斯 阿联酋 伊拉克 科威特 伊朗 280 272 136 128 126
柴油的使用性能指标
3 柴油的热值 柴油的热值一般比汽油的热值低，约为 42500kJ/kg。 4 柴油的自燃性 十六烷值：将十六烷（自燃性好）与-甲基奈 （自燃性差）按一定比例混合，构成不同体积 百分比的十六烷和-甲基奈的标准柴油，其中 十六烷含量的百分数叫做十六烷值。
柴油挥发性小结
最终溜程太高，不易燃烧，稀释机油，形 成碳烟
小结 自燃性
自燃性—不用点燃而自动着火的性能 化学稳定性的好坏决定了自燃性能； 就自燃性来说： 高C > 低C， 正烃>异烃>环烃>芳香烃 十六烷值与辛烷值都表示自燃性，关系为：
辛烷值=120-2十六烷值
小结 挥发性
挥发性—液体燃料气化的难易程度
一般用馏程评价挥发性能 分子越大，蒸发越难，物理稳定性越好。 汽油：物理稳定性差、易挥发，所以预混方 式燃烧；
研究理论循环的目的
研究提高理论循环热效率的途径。
确定理论循环热效率的极限，判断内燃 机工作过程完善程度。 分析比较内燃机不同热力循环方式的经 济性和动力性。
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
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。
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。
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石油从哪里来？(补充)
石油，这种又黑又粘的东西，它引得 烽烟四起、战火燎原，它带来滚滚财 富，瞬间把严酷的沙漠变成宝库，它 关系到国家的安全，经济的发展，这 种被称为“现代社会的血液”的神奇 液体是从哪里来的呢？
许多人都知道石油和天然气主要来自地质 时期埋藏的生物，但某些画面也造成了误 解，似乎它们是由像恐龙这样的大型动物 死亡以后的尸骨演化来的。其实石油作为 多种烃类（碳与氢的化合物）的混合物， 它主要来源于微生物。微生物死亡以后沉 淀于较深的海底或湖底，这里的还原环境 使它保存下来并与沉积物一起被深埋。
(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
1、石油中烃的分类
内燃机所使用的液体燃料主要来源于天然石油(原 油)，主要由碳、氢两种元素所组成，两者的体积分 类之和占总量的97％－98％，其他还有氧、氯、 硫等少量元素。在天然石油中，绝大部分元素是以
碳氢化合物的形式存在的，称之为烃。从化学结构 上看，石油基本上是有脂肪族烃、环烷族烃和芳香 族烃等各种烃类组成的混合物。
当埋深还不够大时，只有几十度的地温使厌 氧的甲烷菌群落还能生存，它们以沉积物中 的有机质为“食”，代谢的产物是甲烷，从 而形成生物气藏。随着沉积物的成岩过程， 埋深加大、温度更高，用石油地质学家的话 来说，有机质越来越成熟了。在自然催化物 的作用下，这期间以经过化学反应生成液态 烃为主，即生成石油。
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
2) 机械效率的限制
内燃机的机械效率ηm是与气缸中的最高循环压力pz密 切相关的，因为该值决定了曲柄连杆机构的质量、惯 性力以及主要承压面积的大小等。不加限制地提高εc 以及λp，将引起ηm的下降。从有效指标上看，将直接 导致压缩比εc，以及压力升高比λp提高而带来的收益 得而复失。这一点，对于本来压缩比已经很高的柴油 机来说更为明显。
3. 增大初始膨胀比ρ0，可以提高循环平均压力，但由于等压部 分加热量的增加，导致循环热效率ηt随之降低，因为这部分 热量是在膨胀比不断降低的情况下加入的，做功能力下降。
4. 所有提高热效率的措施，以及增加循环始点的进气压力pa， 降低进气温度Ta，增加循环供油量等措施，均有利于循环平 均压力pt的提高。
脂肪族烃
包括烷烃和烯烃，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)， 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
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。
结论
1. 提高压缩比εc可以提高工质的最高温度，扩大了循环的温度 阶梯，增加了内燃机的膨胀比，从而提高了热效率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可以增加混合加热循环中等容部分的加热 量，提高了热量利用率，因而可使热效率ηt提高。
第三章 内燃机的工作循环
第一节 内燃机的理论循环 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。
济性和动力性。
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 不利于燃烧的高效进行。
4) 排放方面的限制
循环供油量的增加取决于实际吸入气缸内的空气量，即 空然比的限制，否则将导致燃烧不完全而出现冒烟、热 效率下降和发动机HC、CO排放激增。另外，压缩比上 升，使最高燃烧温度和压力上升，发动机的NOx的排 放增加，振动噪声增加。
内燃机实际工作条件下的约束和限制
1) 结构强度的限制
尽管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。因 此，在实际设计时，对于上述参数的选择必须根据 具体情况权衡利弊而定。
目前，柴油机的压缩比εc一般在12～22之间， 最高爆发压力不超过14 MPa；汽油机的压缩
比εc＝6～12，最高爆发压力不超过8.5 MPa 。
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
一、内燃机的燃料
（一）石油基燃料 （二）柴油的理化性质 （三）汽油的理化性质