第三章 内燃机的工作循环
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
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。
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。
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。
第3章 内燃机缸内的流动20121016
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。 本章将首先对湍流现象和湍流理论做一概略介绍，在此基础上介绍缸内湍流的常用模型， 最后讨论内燃机缸内湍流流动的一般特征。
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
与此相似，可定义湍流积分时间尺度
(3-1c)
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
§1 湍流基础知识
3.1.1 湍流基本特征 层流和湍流（或称紊流）是两种不同的基本流态。当流动的特征雷诺数超过相应的临界 值（通常有一定范围） ，流动就从层流转捩到湍流。自然界和工程中的流动过程，化工系统中 的传热、传质过程以及各种热力装置中的燃烧过程，绝大多数都是湍流过程。由于湍流机理 的复杂性，自雷诺发现湍流现象 100 多年来，尽管人们持续不断地进行了大量的研究，但迄 今仍然未能透析其本质，以致于很难给湍流下一个确切的定义。我们通常只能根据湍流的一 些重要特征来认识它，湍流具有如下基本特征： （1）湍流的涡团结构和小涡团的随机性 湍流中充满了各种大小不断旋转着的流体团块，称为旋涡（eddy） ，或更形象地称为“涡 团” 。湍流的基本特征正是在于这种具有随机性质的涡团结构。在一定条件下，例如固体边界 的阻碍作用或外部的扰动，在流体内部形成涡团，这些涡团尺寸有大有小，往往大涡团中包 含着小涡团，小涡团中又包含着更小的涡团．这些尺寸不同的涡团组成连续的“涡团谱” 。大 涡团与小涡团具有不同的特征。小涡团的运动具有很强的不规则性或随机性。湍流的强度由 脉动速度的大小来衡量，而脉动速度又正比于涡团旋转的角速度。同样大小的涡团，由于角 速度不同，其强度也不同。在同样湍流强度下，大涡团的能量高于小涡团，所以能量由大涡 团传给小涡团。在流动中，各种大小的涡团因能量交换而逐渐在大小与强度上趋于均匀。涡 团不断地被产生出来，又不断地分裂破碎。粘性对涡团起阻尼作用；如果不能从宏观流动中 补充能量，则涡团终将衰减以至消失。 （2）湍流是发生在大雷诺数下的流体运动 湍流起源于层流的不稳定性。在大雷诺数下，非线性惯性力的不稳定作用远远超过粘性 力的稳定作用，这样才能发生从层流到湍流的转捩。 （3）湍流运动总是有旋的和三维的 既然湍流流场中充满了大小不等且不断旋转的涡团，那么其有旋是必然的。流体力学的 理论分析表明：产生涡团的惯性作用实质上是流场的不均匀性（速度梯度）对涡团连续不断 地进行拉伸的结果。这种拉伸作用使涡团发生从大变小的所谓“级联”(cascade)过程。但拉伸 过程只能在三维条件下进行，因此湍流运动只能是三维有旋流动，即使从宏观上看其时均流 是二维甚至是一维的，但其脉动结构仍是三维的。 （4）湍流具有极强的扩散性和耗散性
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
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
10
（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)
内燃机的工作原理
内燃机的工作原理内燃机是一种利用燃料在密闭腔内燃烧产生高温高压气体，然后将气体的能量转化为机械能的热机。
它是现代工业和交通运输中最常用的动力装置之一，广泛应用于汽车、飞机、船舶等各种机械设备中。
内燃机的工作原理主要包括吸气、压缩、爆燃和排气四个基本过程。
首先是吸气过程。
在内燃机的工作过程中，气缸下行时，活塞向下运动，气缸内的压力降低，气门打开，外界空气通过进气道进入气缸内，充满气缸。
这一过程称为吸气过程。
接下来是压缩过程。
当活塞向上运动时，气缸内的空气被压缩，压缩比增大，空气温度升高。
在压缩过程中，气缸内的燃料也被喷入，与压缩空气混合，形成可燃混合气体。
这一过程称为压缩过程。
然后是爆燃过程。
在压缩结束时，点火系统向燃料混合气体中产生火花，引燃混合气体，使其燃烧。
燃烧产生大量热能，使气缸内的压力和温度急剧升高，驱动活塞向下运动，推动曲轴旋转。
这一过程称为爆燃过程。
最后是排气过程。
在活塞向上运动时，废气通过排气门排出气缸外，气缸内再次充满新鲜空气，为下一个工作循环做好准备。
这一过程称为排气过程。
内燃机的工作原理可以简单概括为“吸气-压缩-爆燃-排气”这一循环过程。
通过这一过程，内燃机能够将燃料的化学能转化为机械能，驱动机械设备的运转。
内燃机的工作原理虽然简单，但在实际应用中需要精密的设计和精准的控制，才能发挥出最大的效能。
总的来说，内燃机的工作原理是通过燃料在气缸内的燃烧产生高温高压气体，然后将气体的能量转化为机械能的过程。
它的工作过程包括吸气、压缩、爆燃和排气四个基本过程，通过这一循环过程，内燃机能够驱动各种机械设备的运转。
内燃机作为一种高效、便捷的动力装置，对现代工业和交通运输发挥着重要的作用。
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。
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。
第三节内燃机的基本工作原理
F 风冷
Q
汽车用
Z 增压
M
摩托车用
20
首部
系 换企 列 代业
中部
缸 气缸 冲 缸
数 布置 程 径
( V P)
(E)
(mm)
后部
结构 特征
(F Z ZL)
用途 特征
(G Q J )
尾部
结构或改进 区分符号
3 ．型号示例 DL16V240ZJC 6135ZG 6100Q
21
大家好
1
工程机械发动机构造
2
第三节 内燃机的基本工作原理
• 工作循环：内燃机气缸中进行的每一次将 热能转变为机械功的一系列连续过程。每 一次工作循环都包括进气、压缩、燃烧— 膨胀和排气等4个过程。
• 四冲程内燃机的工作循环是在曲轴旋转两 周，即4个行程中完成的；
• 二冲程内燃机的工作循环是在曲轴旋转一 周，即两个行程中完成的。
重量轻、单位气缸工作容积输出功率大而仍被看好，但要解
决电控汽油喷射技术甚至废气涡轮增压技术 。
17
二冲程柴油机的工作原理： 四冲程柴油机的活塞相当于一个空气泵，而对于二冲程
柴油机而言，活塞没有空气泵的作用，为了完成进排气过程， 即排除燃烧后的废气，并把新鲜空气充满气缸，必须安装专用 的扫气泵（增压器）
速从缸内排出，当活塞顶打开扫气口时，缸内压力已降低到低于曲轴箱内压
力，曲轴箱内的可燃混合气开始扫入气缸，并向排气口驱除剩余废气。活塞
到达下止点时，排气口和扫气口应全开，曲轴箱容积最小。
15
（四）总结
1、第一行程：活塞自下止点上移到上止点，包括气缸内扫气、排气、压缩 过程和曲轴箱内的进气过程；
2、第二行程： 活塞自上止点下移到下止点，包括气缸内燃气膨胀作功、排气 、扫气过程和曲轴箱内新鲜可燃混合气的预压缩过程；
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。
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二、燃料抗爆性的评定
1、汽油 研究法辛烷值(RON) 在单缸试验机下测定。进气温度51.7 C，冷却水温度 100 C，转速600 r/min，点火提前角为13 CA，试验时调整 到发生强烈爆燃 马达法辛烷值(MON) 在单缸试验机下测定。马达法的试验工况规定为：转速 900 r/min，冷却水温度100 C，混合气温度149 C，点火提 前角为14 ~26 CA，试验时调整到中等爆燃
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。
1、汽油与柴油 Gasoline and Diesel
Cycle Comparison
Fuel: ISO-octane辛烷, ideal gas (stoichiometric 化学 计量mixture) γ=1.3, ε=12, T1=333 K ------------------------------------------------------------- t
3、汽油的燃料特性 Properties of Gasoline
异辛烷C8H18的辛烷值为100，正庚烷C7H16的辛烷 值为0。在专用的试验机上，将油料的爆燃强度同异辛 烷与正庚烷的混合液的爆燃强度相比较，当两者相同 时，标准混合液中所含异辛烷的体积百分比，即为所 试油料的辛烷值。
汽油的辛烷值
三、理论循环分析
1、提高循环热效率的分析 提高压缩比， 增大压力升高比 减小初期膨胀比 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
2、提高循环动力性的分析 增压、中冷、加大循环供油量 提高发动机的热效率 提高压缩比， 增大压力升高比 减小初期膨胀比
第三章 内燃机的工作循环
ENGINE OPERATING CYCLES
主要学习内容
§3.1 内燃机的理论循环 §3.2 内燃机的实际循环 §3.3 内燃机的燃料及其热化学
第一节 内燃机的理论循环 p33
Ideal Engine Cycles 主要学习内容
内燃机的理论循环 理论循环的局限性
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 进气、压缩、燃烧、膨胀和排气 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 物理、化学过程 烧、节流等引起的一系列不可逆损失也大量存在。 烧、节流 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。
Ideal cycle thermal efficiency 理论循环热效率
W Q1 Q2 Q2 1 t Q1 Q1 Q1
1 1 k t 1 c
1 k t 1 c
1
1பைடு நூலகம்0
k
1 o k ( 1) o
k
1 p
1 1 p o 1 k t 1 1 k 1) p p ( o c
二、四冲程内燃机的理论循环
(a)等容加热循环
(b)等压加热循环
(c)混合加热循环
Va (Vs Vc ) Vs 1 c Vc Vc Vc
卡诺循环
对任何一种循环，其最大热效率产生于当热源温度 尽可能最高，而冷源温度尽可能最低时。卡诺循环 指出了运行在温度T1与T2之间的热机可能达到的最 高热效率。
发动机理论循环的局限性
理论上能够提高内燃机循环热效率和平均压力的措施，往往受到内燃 机实际工作条件的限制。
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
内燃机实际工作条件的约束和限制： 1)结构条件的限制 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。
挥发性
表示液体燃料汽化的倾向，与燃料的馏分 组成、蒸气压、表面张力以及汽化潜热等有 关
挥发性指标 馏程 汽油馏出的温度范围称为馏程。汽油蒸发 — 般以蒸 馏程 发馏程中馏出一定比例的燃料时所对应的温度来表 示。 10％馏出温度越低，则汽油机在低温下越容易 ％馏出温度 起动，但过低的馏出温度，在高温下容易发生气 阻；50％馏出温度表示汽油的平均挥发性，是保证 ％馏出温度 汽车加速性和平稳性的重要指标； 90％馏出温度和 终馏温度过高，易产生积碳并稀释曲轴箱润滑油。 终馏温度 一般初馏点为40～80℃，终馏点为180～210℃。
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，即有 空燃比的限制，否则将导致燃烧不完全而出现冒烟、热效率 下降和发动机的HC 、CO排放激增。另外，内燃机压缩比的 上升，使最高燃烧温度和压力上升，发动机的NOX的排放物 增加，振动噪声增加。
柴油机的压缩比εc一般在12～22之 间，最高爆发压力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。
第二节 内燃机的燃料及其热化学
Engine Fuel and Stoichiometric Combustion 主要学习内容
内燃机的燃料 燃烧热化学
内燃机的燃料 ENGINE FUELS
1、石油基液体燃料 汽油和柴油 2、内燃机的替代燃料
第六章学习
一、石油基液体燃料 Petroleum Fuels
石油基液体燃料主要由碳、氢两种元素构 成，含少量的氧、氮、硫等元素。 烃类构成： 由 脂肪族烃、环烷族烃和芳香 族烃等各种烃类组成 烷烃 Paraffins (alkane) 环烷烃 Cycloparafins (cyclane) 烯烃 Olefins (alkene) 炔烃 Acetylenes (alkyne) 芳香烃 Aromatics
多原子气体
1.4 值取决于工质的性质，双原子气体
1.33
Cycle mean effective pressure 循环平均有效压力
单位气缸容积所做的循环功，用来评定气缸工作容积的做功能力
W pt Vs
t QB pt pa cvTa
1 c k 1 1 c
C-V L- p C- p 0.526 0.500 0.380 16.3 15.5 11.8
pt p1
pt p3
p max p1
0.128 0.231 0.446
127.3 67 25.3
3、建立理论循环模型的意义 简化内燃机的实际工作过程 阐明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。 确定循环热效率的理论限值，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。 有利于比较内燃机各种热力循环的经济性和动力性。
k
就柴油机而言，由于是喷雾压燃后边喷油边燃 烧，当负荷下降时，喷油时间缩短，但初期相当 于等容燃烧的部分变化不大。这相当于 p 基本不 变而 0 减小，此时 t 将提高。 汽油机则是点火后火焰传播燃烧。无论负荷大 小，火焰传播距离都不改变。负荷下降后，由于 种种原因，燃烧速度降低，燃烧时间加长。这相 当于 下降而 0 上升，此时 p t 将降低。汽、柴油 机的这种相反变化的趋势，将使中、低负荷时二 者耗油量的差距进一步扩大。
c
1.同一机型不同加热模式的对比 2.汽、柴油机具有相同加热量时的对比
Q1
tV tm tp
Tm1V Tm1m Tm1 p
tp tm tV
3.汽、柴油机负荷变化(Q1 不同)时的对比
1 1 p o 1 k t 1 1 k 1) p p ( o c
四冲程内燃机的理论循环
一、发动机实际工作过程的基本假设
1）以空气为工质，并视为理想气体，在整个循环中工质 物理及化学性质保持不变，比热容为常数。Ideal gas 理想气体 2）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对循环的影响。 Thermodynamic engine热力发动机 3）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。Ideal Heating Process 4）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。
燃料的灵敏度= ROM - MON 抗爆指数 = (RON＋MON) / 2
我国生产的汽油是按研究法辛烷值RON分级的。
道路辛烷值 在实际发动机上标定 抗爆添加剂 甲基叔丁基醚（MTBE）、乙基叔丁基醚（ETBE）、 叔丁醇、甲醇、乙醇等 MTBE有一定毒性美国已禁止使用，亚洲和欧洲目前 仍在使用，我国目前车用无铅汽油辛烷值改进剂主要使 用MTBE
对理论循环进行研究可以达到以下目的： 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。