内燃机原理内燃机的工作循环
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②较高地压缩终点温度使内燃机具备低温工作的可能 性，以及可靠地冷机启动性能；
③提高压缩比使内燃机具有较高地循环热效率。
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比较上述三种理想循环的热效率可以看出：
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当压缩比相同，吸热量相同时： tV tm tp
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当最高压力相同，最高温度相同，压缩比不同时：
tp tm tV
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2.3内燃机实际循环
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内燃机的实际循环是工质在气缸中实际所经历的 物理、化学过程，可实测得到内燃机示功图：
k 1 (2 2) k 1
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说明：
t 1
1
k 1
k 1 (2 2) k 1
（1）加热过程在定压条件下缓慢完成； （2）热效率随压缩比ε的增大而提高，随初始膨胀 比ρ的增大而降低； （3）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； （4）按照定压加热循环方式工作的有低速柴油机和 燃气轮机。
第二章 内燃机的工作循环
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2.1内燃机理想循环 2.2内燃机理想循环热效率 2.3内燃机实际循环
2.1内燃机理想循环
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内燃机的实际热力循环——
一系列非常复杂的物理、化学过程组成。
工质存在质和量的变化， 物理、化学过程，
存在不可逆损失，
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（2）压燃式内燃机 为使柴油机可正常工作，其压缩比下限的取值必 须使压缩终了的空气温度不低于燃料着火燃烧的自燃 温度。 实际上压缩比的取值应该远高于最低压缩比。
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原因：
①提高压缩终点的温度可使燃油着火滞燃期缩短，燃 烧时不会导致压力急剧升高，可以保证内燃机能柔和 地工作；
ε0－增压内燃机的总压缩比， 0 k
πk－增压器的压缩比，
' k pk / pa
返回
2、定压涡轮增压内燃机的理想循环
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定压涡轮增压—— 在涡轮中不能利用废气的 动能。
注意：涡轮前的压力一般与pa相近。 原因：防止气门重叠时，排气总管中的废气倒流入进 气管。
2、定压加热理想循环
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a-c绝热压缩过程； c-z定压加热过程； z-b绝热膨胀过程； a-b定容放热过程；
返回
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工质以定压方式吸热Q1，容积的变化用初始膨胀 比ρ表示，即
Vz Vc
定压加热理想循环的热效率：
t 1
1
k 1
2、废气能量利用的影响
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在一定的ε0和循环加热量的情况下，废气能量的 利用可能出现三种情况： （1）当(πT/πk)max=pb/pa=λρk时，循环热效率最高， 即式（2-4）。 （2）当πT/πk＝1，即pf/pg≈pk/pa’时，即式（2-5）。 （3）当πT/πk最小，即πT＝1时，废气能量利用率 为零，即机械增压。
返回换气过程1、2
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实际循环有较多的损失，热效率较低，作功也较 少，具体表现在以下五个方面：
1、工质不同
2、气体流动阻力
3、传热损失
4、燃烧不及时、后燃及不完全燃烧损失
5、漏气损失
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1、工质不同 理想循环的工质，性质不变，比热容不变。 实际循环的工质，燃烧前、燃烧过程中及燃烧后不 同。 成分和物质的量发生变化； 比热容随温度升高而上升； 高温分解使循环热效率下降。
3、混合加热理想循环
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将πk＝1，πT＝1，ηc＝1代入式（2-7），得到 一般混合加热理想循环热效率公式：
t 1
在极端情况下，
1
k 1
k 1 1 k 1
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。
所以，继续膨胀循环是对各种废气涡轮增压内燃 机进行热力学分析的基础。
1、脉冲涡轮增压内燃机的理想循环
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脉冲涡轮增压—— 充分利用废气的脉冲能量在涡轮中作功。
（1）无中冷脉冲涡轮增压内燃机的理想循环
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a-c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（气缸）； b-g绝热膨胀过程（涡轮）；
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5、漏气损失 理想循环，无漏气损失。 实际循环，活塞环与气缸壁之间常有微量工质漏出， 存在漏气损失。
一、压缩过程
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压缩过程是为膨胀作功作准备的过程；也是为燃 烧创造条件的过程；是“欲取之，必先于之”；是 “为了更远的一跃而后退”。
1、压缩过程的作用
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机械增压内燃机理想循环热效率的公式：
t 1 0
1 k c 1 k 1
k 1 k k
k 1 1 k 1
k 1 k k k
1 k k
c k
注意：机械增压不适合采用较高的增压压力。 原因：在机械增压的情况下，增压压力越高，经济性 越差。
（1）热效率ηt随压缩比ε和 压力升高比λ的增大而提高；
（2）ηt随ρ的增大而降低；
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（3）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； （4）混合加热理想循环是高速柴油机理想循环的模 型。
三、涡轮增压内燃机的理想循环
g-a’ 定压放热过程；
a’-a绝热压缩（压气机）过程； 返回
（2）有中冷脉冲涡轮增压内燃机的理想循环
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a、为了提高进气密度，加大进气量，通常冷却增压器后的进 缸空气； b、与无中间冷却循环之间，差别仅多一个在等压条件下向冷 却器的放热过程ka。
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k 1 0
T k k 1 c k T k ( 2 7) 1 k 1
k
k 1 k
1 k
热效率、影响因素
1、空气冷却的影响
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有空气冷却比无空气冷却的循环总效率低，但是 影响很小。 在实际内燃机中，对循环效率的影响更小。 对空气进行中间冷却，是强化内燃机的有效措施。
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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：
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典型的理想循环要损失一部分蕴藏于排气中的能
量。 假若使工质由pz一直膨胀到进气压力pa，——继 续膨胀循环。
脉冲涡轮增压 定压涡轮增压
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分析： （1）继续膨胀循环更完善，它在相同的加热量下能 多得一部分功，使ηt提高。 （2）实际上，利用排气涡轮，使工质在涡轮中继续 膨胀作功来实现继续膨胀循环； （3）压缩过程并不全在气缸内进行，先在增压器中 进行预压缩，从而提高循环的平均压力pt；
Vb Vz
工质沿定容线cz的压力升高用压力升高比λ表示，
即
pz pc
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定容加热理想循环的热效率： t 1 说明：
1
k 1
(2 1)
（1）加热过程在定容条件下很快完成； （2）绝热指数k在实际循环中变化不大，ηt主要随 ε增大而提高； （3）压缩比的提高在实际情况下有一定限制，不宜 大于10～13； （4）按照定容加热循环方式工作的有汽油机、煤气 机等点燃式内燃机。
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（1）压缩过程扩大了工作循环的温度范围；
（2）压缩过程使循环的工质得到更大的膨胀比，对 活塞作更多的功；
（3）压缩过程提高了工质的温度和压力，为冷机启 动及着火创造了条件。
2、理想循环和实际循环压缩过程比较
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开始和结束时刻不同； 工质数量和比热容变化不同；
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2、气体流动阻力 理想循环是闭式循环，没有任何流动阻力损失。 实际循环是开式循环，有一定的流动阻力损失。 3、传热损失 理想循环，无传热损失。
在实际循环，存在传热损失。
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4、燃烧不及时、后燃及不完全燃烧损失 理想循环，示功图上方呈方角形，无燃烧损失。 实际循环，示功图上方呈圆弧形，存在燃烧不及时 损失。 在内燃机中，后燃延续上止点后才能结束。 少量燃油来不及燃烧即随排气排出，引起不完全燃 烧损失。
k 1 k k 1 k c 1 1 k t 1 (2 5) k 1 0 1 k 1
返回
3、结论
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涡轮增压器与内燃机联合工作是：
内燃机理想循环的最佳方案；
改善内燃机性能的有效途径。 （1）预压缩空气，提高进气密度，强化内燃机的作 功能力。 （2）使内燃机理想循环进行的更加完善。
具有空气中间冷却的脉冲涡轮增压内燃机理想循 环的热效率： k 1 1 k c 1 k k k c t 1 k 1 (2 4) 0 1 k 1 ηc－空气在中冷器内的温降比， c Tk / Ta εk－增压器的压缩比， k Va' / Vk
热力学过程不同；
传热过程不同。
3、压缩比的选择
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（1）具有外部混合气形成及外源点火式的内燃机 在工质成分均匀的条件下，为了提高内燃机的性 能，应该力求高的压缩比。 压缩比上限的取值应考虑燃料的性质、可燃混合 气的成分、传热的条件以及燃烧室的结构等因素。
原因：可燃混合气早燃或爆燃的限制。
2.2内燃机理想循环热效率
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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：
t 1
1 k c 1
k 1 k k
3、混合加热理想循环
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a-c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；
返回
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混合加热理想循环热效率：
t 1
说明：
1
k 1
k 1 (2 3) 1 k 1
准确地描述内燃机的工作过程十分困难。
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一、理想循环的简化假设
二、自然吸气内燃机的理想循环 三、涡轮增压内燃机的理想循环
一、理想循环的简化假设
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（1）工质是一种理想气体，在整个循环中保持物理 及化学性质不变，其状态变化完全遵守气体状态方程。
1、定容加热理想循环 2、定压加热理想循环 3、混合加热理想循环
1、定容加热理想循环
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a-c绝热压缩过程； c-z定容加热过程； z-b绝热膨胀过程； b-a定容放热过程；
返回
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工质沿zb线膨胀至b点，容积的变化用后膨胀比 δ表示，即
（2）不考虑实际存在的工质更换以及漏气损失，工 质数量保持不变，循环是在定量工质下进行的。
（3）把气缸内工质的压缩和膨胀看成是完全理想的 绝热等熵过程，工质与外界不进行热交换，工质比热 容为常数。
（4）用假想的定容放热和定容或定压加热来代替实 际的换气和燃烧过程。
二、自然吸气内燃机的理想循环
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③提高压缩比使内燃机具有较高地循环热效率。
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比较上述三种理想循环的热效率可以看出：
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当压缩比相同，吸热量相同时： tV tm tp
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当最高压力相同，最高温度相同，压缩比不同时：
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2.3内燃机实际循环
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内燃机的实际循环是工质在气缸中实际所经历的 物理、化学过程，可实测得到内燃机示功图：
k 1 (2 2) k 1
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说明：
t 1
1
k 1
k 1 (2 2) k 1
（1）加热过程在定压条件下缓慢完成； （2）热效率随压缩比ε的增大而提高，随初始膨胀 比ρ的增大而降低； （3）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； （4）按照定压加热循环方式工作的有低速柴油机和 燃气轮机。
第二章 内燃机的工作循环
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2.1内燃机理想循环 2.2内燃机理想循环热效率 2.3内燃机实际循环
2.1内燃机理想循环
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内燃机的实际热力循环——
一系列非常复杂的物理、化学过程组成。
工质存在质和量的变化， 物理、化学过程，
存在不可逆损失，
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（2）压燃式内燃机 为使柴油机可正常工作，其压缩比下限的取值必 须使压缩终了的空气温度不低于燃料着火燃烧的自燃 温度。 实际上压缩比的取值应该远高于最低压缩比。
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原因：
①提高压缩终点的温度可使燃油着火滞燃期缩短，燃 烧时不会导致压力急剧升高，可以保证内燃机能柔和 地工作；
ε0－增压内燃机的总压缩比， 0 k
πk－增压器的压缩比，
' k pk / pa
返回
2、定压涡轮增压内燃机的理想循环
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定压涡轮增压—— 在涡轮中不能利用废气的 动能。
注意：涡轮前的压力一般与pa相近。 原因：防止气门重叠时，排气总管中的废气倒流入进 气管。
2、定压加热理想循环
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a-c绝热压缩过程； c-z定压加热过程； z-b绝热膨胀过程； a-b定容放热过程；
返回
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工质以定压方式吸热Q1，容积的变化用初始膨胀 比ρ表示，即
Vz Vc
定压加热理想循环的热效率：
t 1
1
k 1
2、废气能量利用的影响
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在一定的ε0和循环加热量的情况下，废气能量的 利用可能出现三种情况： （1）当(πT/πk)max=pb/pa=λρk时，循环热效率最高， 即式（2-4）。 （2）当πT/πk＝1，即pf/pg≈pk/pa’时，即式（2-5）。 （3）当πT/πk最小，即πT＝1时，废气能量利用率 为零，即机械增压。
返回换气过程1、2
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实际循环有较多的损失，热效率较低，作功也较 少，具体表现在以下五个方面：
1、工质不同
2、气体流动阻力
3、传热损失
4、燃烧不及时、后燃及不完全燃烧损失
5、漏气损失
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1、工质不同 理想循环的工质，性质不变，比热容不变。 实际循环的工质，燃烧前、燃烧过程中及燃烧后不 同。 成分和物质的量发生变化； 比热容随温度升高而上升； 高温分解使循环热效率下降。
3、混合加热理想循环
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将πk＝1，πT＝1，ηc＝1代入式（2-7），得到 一般混合加热理想循环热效率公式：
t 1
在极端情况下，
1
k 1
k 1 1 k 1
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。
所以，继续膨胀循环是对各种废气涡轮增压内燃 机进行热力学分析的基础。
1、脉冲涡轮增压内燃机的理想循环
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脉冲涡轮增压—— 充分利用废气的脉冲能量在涡轮中作功。
（1）无中冷脉冲涡轮增压内燃机的理想循环
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a-c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（气缸）； b-g绝热膨胀过程（涡轮）；
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5、漏气损失 理想循环，无漏气损失。 实际循环，活塞环与气缸壁之间常有微量工质漏出， 存在漏气损失。
一、压缩过程
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压缩过程是为膨胀作功作准备的过程；也是为燃 烧创造条件的过程；是“欲取之，必先于之”；是 “为了更远的一跃而后退”。
1、压缩过程的作用
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机械增压内燃机理想循环热效率的公式：
t 1 0
1 k c 1 k 1
k 1 k k
k 1 1 k 1
k 1 k k k
1 k k
c k
注意：机械增压不适合采用较高的增压压力。 原因：在机械增压的情况下，增压压力越高，经济性 越差。
（1）热效率ηt随压缩比ε和 压力升高比λ的增大而提高；
（2）ηt随ρ的增大而降低；
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（3）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； （4）混合加热理想循环是高速柴油机理想循环的模 型。
三、涡轮增压内燃机的理想循环
g-a’ 定压放热过程；
a’-a绝热压缩（压气机）过程； 返回
（2）有中冷脉冲涡轮增压内燃机的理想循环
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a、为了提高进气密度，加大进气量，通常冷却增压器后的进 缸空气； b、与无中间冷却循环之间，差别仅多一个在等压条件下向冷 却器的放热过程ka。
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T k k 1 c k T k ( 2 7) 1 k 1
k
k 1 k
1 k
热效率、影响因素
1、空气冷却的影响
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有空气冷却比无空气冷却的循环总效率低，但是 影响很小。 在实际内燃机中，对循环效率的影响更小。 对空气进行中间冷却，是强化内燃机的有效措施。
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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：
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典型的理想循环要损失一部分蕴藏于排气中的能
量。 假若使工质由pz一直膨胀到进气压力pa，——继 续膨胀循环。
脉冲涡轮增压 定压涡轮增压
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分析： （1）继续膨胀循环更完善，它在相同的加热量下能 多得一部分功，使ηt提高。 （2）实际上，利用排气涡轮，使工质在涡轮中继续 膨胀作功来实现继续膨胀循环； （3）压缩过程并不全在气缸内进行，先在增压器中 进行预压缩，从而提高循环的平均压力pt；
Vb Vz
工质沿定容线cz的压力升高用压力升高比λ表示，
即
pz pc
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定容加热理想循环的热效率： t 1 说明：
1
k 1
(2 1)
（1）加热过程在定容条件下很快完成； （2）绝热指数k在实际循环中变化不大，ηt主要随 ε增大而提高； （3）压缩比的提高在实际情况下有一定限制，不宜 大于10～13； （4）按照定容加热循环方式工作的有汽油机、煤气 机等点燃式内燃机。
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（1）压缩过程扩大了工作循环的温度范围；
（2）压缩过程使循环的工质得到更大的膨胀比，对 活塞作更多的功；
（3）压缩过程提高了工质的温度和压力，为冷机启 动及着火创造了条件。
2、理想循环和实际循环压缩过程比较
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开始和结束时刻不同； 工质数量和比热容变化不同；
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2、气体流动阻力 理想循环是闭式循环，没有任何流动阻力损失。 实际循环是开式循环，有一定的流动阻力损失。 3、传热损失 理想循环，无传热损失。
在实际循环，存在传热损失。
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4、燃烧不及时、后燃及不完全燃烧损失 理想循环，示功图上方呈方角形，无燃烧损失。 实际循环，示功图上方呈圆弧形，存在燃烧不及时 损失。 在内燃机中，后燃延续上止点后才能结束。 少量燃油来不及燃烧即随排气排出，引起不完全燃 烧损失。
k 1 k k 1 k c 1 1 k t 1 (2 5) k 1 0 1 k 1
返回
3、结论
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涡轮增压器与内燃机联合工作是：
内燃机理想循环的最佳方案；
改善内燃机性能的有效途径。 （1）预压缩空气，提高进气密度，强化内燃机的作 功能力。 （2）使内燃机理想循环进行的更加完善。
具有空气中间冷却的脉冲涡轮增压内燃机理想循 环的热效率： k 1 1 k c 1 k k k c t 1 k 1 (2 4) 0 1 k 1 ηc－空气在中冷器内的温降比， c Tk / Ta εk－增压器的压缩比， k Va' / Vk
热力学过程不同；
传热过程不同。
3、压缩比的选择
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（1）具有外部混合气形成及外源点火式的内燃机 在工质成分均匀的条件下，为了提高内燃机的性 能，应该力求高的压缩比。 压缩比上限的取值应考虑燃料的性质、可燃混合 气的成分、传热的条件以及燃烧室的结构等因素。
原因：可燃混合气早燃或爆燃的限制。
2.2内燃机理想循环热效率
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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：
t 1
1 k c 1
k 1 k k
3、混合加热理想循环
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a-c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；
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混合加热理想循环热效率：
t 1
说明：
1
k 1
k 1 (2 3) 1 k 1
准确地描述内燃机的工作过程十分困难。
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一、理想循环的简化假设
二、自然吸气内燃机的理想循环 三、涡轮增压内燃机的理想循环
一、理想循环的简化假设
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（1）工质是一种理想气体，在整个循环中保持物理 及化学性质不变，其状态变化完全遵守气体状态方程。
1、定容加热理想循环 2、定压加热理想循环 3、混合加热理想循环
1、定容加热理想循环
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a-c绝热压缩过程； c-z定容加热过程； z-b绝热膨胀过程； b-a定容放热过程；
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工质沿zb线膨胀至b点，容积的变化用后膨胀比 δ表示，即
（2）不考虑实际存在的工质更换以及漏气损失，工 质数量保持不变，循环是在定量工质下进行的。
（3）把气缸内工质的压缩和膨胀看成是完全理想的 绝热等熵过程，工质与外界不进行热交换，工质比热 容为常数。
（4）用假想的定容放热和定容或定压加热来代替实 际的换气和燃烧过程。
二、自然吸气内燃机的理想循环
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