内燃机构造与原理(1)

1、张张 志志 强强内燃机构造与原理内燃机构造与原理Email:课程结构课程结构整机部分整机部分的构造与的构造与设计设计现代设计现代设计方法基础方法基础及应用及应用底盘的构底盘的构造与设计造与设计内燃机构内燃机构造与工作造与工作原理原理课程安排课程安排 内燃机构造与原理以内燃机构造与原理以内燃机构造与原理内燃机构造与原理（陆耀（陆耀祖）为教材，主要学习内燃机构造及工作原理、内祖）为教材，主要学习内燃机构造及工作原理、内燃机特性等，便于了解行业的发展动态燃机特性等，便于了解行业的发展动态 考核方法：笔试成绩考核方法：笔试成绩70%，平时成绩，平时成绩30%，缺课三缺课三次以上取消考试资格次以上取消考

2、试资格内燃机构造与原理内燃机构造与原理l第一章内燃机概述第一章内燃机概述l第二章内燃机的工作原理第二章内燃机的工作原理l第三章第三章 内燃机的热力循环内燃机的热力循环l第四章第四章 内燃机的性能指标内燃机的性能指标l第五章第五章 曲柄连杆机构曲柄连杆机构l第六章第六章 配气机构配气机构l第七章第七章 柴油机燃油系统柴油机燃油系统l第八章第八章 汽油机燃油系统和点火系统汽油机燃油系统和点火系统l第九章第九章 润滑系统润滑系统/冷却系统冷却系统/起动装置起动装置第一章第一章 内燃机概述内燃机概述 内燃机的内燃机的定义定义: :是热机的一种，是将燃料的化学是热机的一种，是将燃料的化学能经过燃烧释放的

3、热能转变为机械功的机器能经过燃烧释放的热能转变为机械功的机器 能量转化能量转化: :化学能化学能热能热能机械能机械能 根据燃料的根据燃料的燃烧部位燃烧部位可分为外燃机（如蒸汽机、可分为外燃机（如蒸汽机、斯特林发动机等）和内燃机两种类型斯特林发动机等）和内燃机两种类型 内燃机按内燃机按活塞的运动规律活塞的运动规律分往复运动式和旋转活分往复运动式和旋转活塞式两类。其中，往复运动式内燃机，如汽油机、塞式两类。其中，往复运动式内燃机，如汽油机、柴油机和气体燃料发动机，其性能更为完善，使柴油机和气体燃料发动机，其性能更为完善，使用得最广泛，是本课程学习的内容用得最广泛，是本课程学习的内容补充知识补充知识

4、：斯特林发动机斯特林发动机斯特林循环斯特林循环由两个等温过程和两由两个等温过程和两个等容回热过程组成，也被称为个等容回热过程组成，也被称为定容回热循环定容回热循环优点：任何热源均可（热腔需达优点：任何热源均可（热腔需达到到700）；无震爆做功问题，）；无震爆做功问题，低噪音低噪音缺点：发动机在提供有效动力之缺点：发动机在提供有效动力之前需要时间暖机；发动机不能快前需要时间暖机；发动机不能快速改变其动力输出速改变其动力输出应用：潜艇、太阳能发电系统等应用：潜艇、太阳能发电系统等往复运动式往复运动式：燃料在气：燃料在气缸中燃烧，将化学能转缸中燃烧，将化学能转变为热能，燃烧产生的变为热能，燃烧产生的

5、高温高压燃气作为工质高温高压燃气作为工质在气缸内膨胀，推动活在气缸内膨胀，推动活塞运动，将热能转变为塞运动，将热能转变为机械功。活塞的往复运机械功。活塞的往复运动通过曲柄连杆机构转动通过曲柄连杆机构转变为曲轴的回转运动，变为曲轴的回转运动，驱动运动机械驱动运动机械第一章第一章 内燃机概述内燃机概述旋转活塞式旋转活塞式：（实物组成视频）：（实物组成视频）活塞每转一圈，做功三次，单位活塞每转一圈，做功三次，单位质量功率大；震动轻微，运转稳质量功率大；震动轻微，运转稳定；热负荷较大；经济性有待改定；热负荷较大；经济性有待改善；低速动力性较差等善；低速动力性较差等第一章第一章 内燃机概述内燃机概述马自

6、达马自达RX-8（已停产），采用马自达独有的（已停产），采用马自达独有的Renesis双转子发动机，双转子发动机，1.3L排量，最大功率排量，最大功率231马力，最大扭矩马力，最大扭矩211N*m，百公里加速仅需，百公里加速仅需6.4秒秒第一章第一章 内燃机概述内燃机概述一、优缺点分析一、优缺点分析 内燃机的主要内燃机的主要优点优点：1. 经济性好，热效率在热机中最高，一般为经济性好，热效率在热机中最高，一般为3055（车用汽油机（车用汽油机30%以上，高性能车用柴油机以上，高性能车用柴油机40%以上，以上，船用二冲程柴油机船用二冲程柴油机50%以上）；以上）； 2. 尺寸小、重量轻、结构紧凑

7、，便于安装布置；尺寸小、重量轻、结构紧凑，便于安装布置； 3. 功率范围广。单机功率在功率范围广。单机功率在0.6KW68000KW，适用范，适用范围广；围广； 4. 机动性好。起动方便、迅速，加速性能好，正常起动只机动性好。起动方便、迅速，加速性能好，正常起动只需要几秒钟，并能很快地达到全负荷工况。需要几秒钟，并能很快地达到全负荷工况。 内燃机的主要内燃机的主要缺点缺点：难以消除往复运动，运转时难以消除往复运动，运转时噪音大；低速时转矩小，需配备变速装置；废气中有害噪音大；低速时转矩小，需配备变速装置；废气中有害成份对大气污染较严重（成份对大气污染较严重（城市大气环境的主要污染源城市大气环境

8、的主要污染源）。）。 二、基本术语二、基本术语 第一章第一章 内燃机概述内燃机概述 基本结构基本结构包括排气门、进气门、气缸盖、气缸、活塞、活塞包括排气门、进气门、气缸盖、气缸、活塞、活塞销、连杆、曲轴等。销、连杆、曲轴等。 气缸内装有活塞，活塞通过活塞气缸内装有活塞，活塞通过活塞销、连杆与曲轴相连接。活塞在销、连杆与曲轴相连接。活塞在气缸内上下往复运动，通过连杆气缸内上下往复运动，通过连杆推动曲轴转动。为了吸入新鲜空推动曲轴转动。为了吸入新鲜空气和排出废气，在汽缸盖上设有气和排出废气，在汽缸盖上设有进气门和排气门。进气门和排气门。二、基本术语二、基本术语 第一章第一章 内燃机概述内燃机概述

9、基本术语基本术语上止点上止点：活塞顶端离曲轴旋转中心最远处；：活塞顶端离曲轴旋转中心最远处；下止点下止点：活塞顶端离曲轴中心：活塞顶端离曲轴中心最近处；最近处；活塞行程活塞行程：上、下止点间的距离：上、下止点间的距离S（mm）；）；曲柄半径曲柄半径：连杆轴：连杆轴颈中心到曲轴轴颈中心的距离颈中心到曲轴轴颈中心的距离R（mm），），S=2R。气缸工作容积气缸工作容积：上、下止点所包容的气缸容积（：上、下止点所包容的气缸容积（L），），排量排量：内燃机所有气缸工作容积的总和，：内燃机所有气缸工作容积的总和， ，内燃机排量表示内燃机，内燃机排量表示内燃机的做功能力，在内燃机其他参数相同的情况下，内燃

10、机排量越大，内燃机的做功能力，在内燃机其他参数相同的情况下，内燃机排量越大，内燃机所发出的功率就越大。所发出的功率就越大。SDVs62104 SiDVL62104 二、基本术语二、基本术语 第一章第一章 内燃机概述内燃机概述 基本术语基本术语燃烧室容积燃烧室容积：活塞位于上止点时的气缸容积，也称压缩容积，用：活塞位于上止点时的气缸容积，也称压缩容积，用Vc表示表示气缸总容积气缸总容积：气缸工作容积与燃烧室容积之和，用：气缸工作容积与燃烧室容积之和，用Va表示表示压缩比压缩比：气缸总容积与燃烧室容积之比，用：气缸总容积与燃烧室容积之比，用表示表示工况工况：内燃机在某一时刻的运行状况简称为工况。以

11、该时刻内燃机输出的：内燃机在某一时刻的运行状况简称为工况。以该时刻内燃机输出的有效功率或转矩及其相应的曲轴转速表示。有效功率或转矩及其相应的曲轴转速表示。cscaVVVV 1 l内燃机的运转过程，是气缸内连续不断地完成一个个工作循环的过程。内燃机的运转过程，是气缸内连续不断地完成一个个工作循环的过程。l 一个一个工作循环工作循环是指内燃机的气缸内依次通过进气、压缩、燃烧、膨胀和排是指内燃机的气缸内依次通过进气、压缩、燃烧、膨胀和排气五个过程（或进气、压缩、做功、排气四个过程）作一次功的全过程。气五个过程（或进气、压缩、做功、排气四个过程）作一次功的全过程。 l四冲程内燃机四冲程内燃机是指活塞经

12、过四个冲程（曲轴转两转）完成一个工作循环的是指活塞经过四个冲程（曲轴转两转）完成一个工作循环的内燃机。内燃机。 l二冲程内燃机是指活塞经过两个冲程（曲轴转一转）完成一个工作循环的二冲程内燃机是指活塞经过两个冲程（曲轴转一转）完成一个工作循环的内燃机。内燃机。 第二章第二章 内燃机的工作原理内燃机的工作原理1、四冲程汽油机工作原理、四冲程汽油机工作原理进气冲程进气冲程：作用是吸入新鲜混和气体；活塞由上止点向下：作用是吸入新鲜混和气体；活塞由上止点向下止点运动；进气门开启，排气门关闭；进气终了时气缸内止点运动；进气门开启，排气门关闭；进气终了时气缸内的气体压力低于大气压力，约的气体压力低于大气压力

13、，约75-90kPa；温度高于大气；温度高于大气温度，约温度，约370-440K。压缩冲程压缩冲程：作用是为燃烧准备条件；活塞从下止点向上止：作用是为燃烧准备条件；活塞从下止点向上止点运动；进气门关闭，排气门关闭；气体被压缩，压力与点运动；进气门关闭，排气门关闭；气体被压缩，压力与温度同时升高。压缩终了时，压力约温度同时升高。压缩终了时，压力约0.85-2MPa，温度约，温度约600-800K。压缩冲程有利于混和气的迅速燃烧，并可提。压缩冲程有利于混和气的迅速燃烧，并可提高内燃机的有效热效率，压缩行程的压缩比约高内燃机的有效热效率，压缩行程的压缩比约710。（绝热压缩过程）（绝热压缩过程）做功

14、冲程做功冲程：包含燃烧和膨胀过程，内燃机化学能转换为机：包含燃烧和膨胀过程，内燃机化学能转换为机械能；燃烧过程发生在在压缩冲程末期，活塞接近上止点械能；燃烧过程发生在在压缩冲程末期，活塞接近上止点时，火花塞点燃可燃混和气体，进、排气门均关闭，压力时，火花塞点燃可燃混和气体，进、排气门均关闭，压力急剧增大，约急剧增大，约3-5MPa，温度急剧上升，约，温度急剧上升，约2200-2800K；随后工质膨胀，推动活塞由上止点下行，进、排气门均关随后工质膨胀，推动活塞由上止点下行，进、排气门均关闭，压力与温度降低，膨胀末期，压力约闭，压力与温度降低，膨胀末期，压力约0.3-0.5MPa， 温度约温度约1

15、500-1700K。（绝热膨胀过程）。（绝热膨胀过程）排气冲程排气冲程：排除缸内残余废气；活塞由下止点上行；进气：排除缸内残余废气；活塞由下止点上行；进气门关闭，排气门开启；压力门关闭，排气门开启；压力105-125KPa，温度，温度900-1200K。第二章第二章 内燃机的工作原理内燃机的工作原理2、四冲程柴油机工作原理、四冲程柴油机工作原理四冲程柴油机工作过程与四冲程汽油机基本相同，每个工作循环也都是通过四个冲程完成。不四冲程柴油机工作过程与四冲程汽油机基本相同，每个工作循环也都是通过四个冲程完成。不同在于由于柴油与汽油的性质不同，使同在于由于柴油与汽油的性质不同，使混合气的形成混合气的形

16、成和和着火方式着火方式有很大差异。有很大差异。混合气的形成混合气的形成：汽油机采用汽油机采用外部混合外部混合方式，即汽油和空气在方式，即汽油和空气在化油器化油器或或进气管进气管内混合（内混合（我国我国2002年年9月月1日起停日起停止化油器车生产，采用电控喷射技术止化油器车生产，采用电控喷射技术），形成可燃混合气（），形成可燃混合气（“量调节量调节”，通过控制进入气缸内，通过控制进入气缸内混合气的多少来调节混合气的多少来调节）；而柴油机采用）；而柴油机采用内部混合内部混合方式，即燃油在压缩冲程终点前直接喷入缸内方式，即燃油在压缩冲程终点前直接喷入缸内的空气中，形成可燃混合气（的空气中，形成可燃

17、混合气（“质调节质调节”，通过喷油量来调节，通过喷油量来调节）。）。着火方式着火方式：汽油机利用电火：汽油机利用电火花在压缩冲程终点前点燃可燃混合气，属于花在压缩冲程终点前点燃可燃混合气，属于点燃式点燃式；柴油机是通过将燃油在压缩冲程终点前高；柴油机是通过将燃油在压缩冲程终点前高压喷入缸内空气中，使之自行着火燃烧，属于压喷入缸内空气中，使之自行着火燃烧，属于压燃式压燃式。 由于柴油机的压缩比高，热效率比汽油机要高得多，一般柴油机燃油消耗率比汽油机约低由于柴油机的压缩比高，热效率比汽油机要高得多，一般柴油机燃油消耗率比汽油机约低，所以在工程机械和载重货车上多以，所以在工程机械和载重货车上多以柴油

18、机柴油机作为发动机。作为发动机。第二章第二章 内燃机的工作原理内燃机的工作原理2、四冲程柴油机工作原理、四冲程柴油机工作原理为什么柴油机不用点燃式，柴油机压缩比为什么高？为什么柴油机不用点燃式，柴油机压缩比为什么高？第二章第二章 内燃机的工作原理内燃机的工作原理柴油燃点高，不容易点燃柴油燃点高，不容易点燃需增加柴油混合空气的温度，采用的方法就是提高压缩比需增加柴油混合空气的温度，采用的方法就是提高压缩比柴油机压缩比大，气缸需承受较大的压力而需较为牢固可靠，一般采用钢板柴油机压缩比大，气缸需承受较大的压力而需较为牢固可靠，一般采用钢板等材料制成，输出功率大，但噪音大（等材料制成，输出功率大，但噪

19、音大（爆燃爆燃）；汽油机一般采用铝合金、塑）；汽油机一般采用铝合金、塑料等材料制成，体积小，重量轻，运转平顺（料等材料制成，体积小，重量轻，运转平顺（点燃点燃）柴油机为何不采用点燃方式？汽油机为何采用点燃方式？柴油机为何不采用点燃方式？汽油机为何采用点燃方式？汽油机一般使用于汽车（汽油机一般使用于汽车（体积小、速度快体积小、速度快），汽车的平顺性和振动性要求高，），汽车的平顺性和振动性要求高，采用点燃方式可保证运转平顺且高速转动，避免压燃（即采用点燃方式可保证运转平顺且高速转动，避免压燃（即爆燃爆燃）柴油机压燃（即柴油机压燃（即爆燃爆燃）可增大输出扭矩，但压缩比大，活塞行程大，转速不）可增大输

20、出扭矩，但压缩比大，活塞行程大，转速不会太高，另外压燃直接影响平顺性，会太高，另外压燃直接影响平顺性，大多用于工程机械，但欧洲汽车多半为大多用于工程机械，但欧洲汽车多半为柴油机柴油机2、四冲程柴油机工作原理、四冲程柴油机工作原理柴油机的优点及存在的主要问题柴油机的优点及存在的主要问题第二章第二章 内燃机的工作原理内燃机的工作原理由于柴油由于柴油能含量高能含量高、柴油机、柴油机高压缩比高压缩比（汽油机一般为汽油机一般为10，柴油机一一般为，柴油机一一般为20左右左右）、）、压燃压燃等，并且柴油机转矩曲线在很宽的转速范围内较平坦，即等，并且柴油机转矩曲线在很宽的转速范围内较平坦，即较大的负荷和转速

21、变化范围内经济性好，柴油机具有较高的燃油经济性较大的负荷和转速变化范围内经济性好，柴油机具有较高的燃油经济性（比同类汽油机节油达（比同类汽油机节油达1/3以上）以上）排放物与汽油机不同，排放物与汽油机不同，CO、HC和和CO2排放量低，但排放量低，但PM和和NOx的排放量大。的排放量大。PM产生机理并不明确，一般认为是由于燃料燃烧不均匀，部分燃料在高温产生机理并不明确，一般认为是由于燃料燃烧不均匀，部分燃料在高温缺氧条件下氧化、裂解而成。缺氧条件下氧化、裂解而成。NOX产生机理尚未达成共识，一般认为与燃产生机理尚未达成共识，一般认为与燃油燃烧无关，而是由于高温状态下氮气与氧气的反应，该过程理论

22、上讲无油燃烧无关，而是由于高温状态下氮气与氧气的反应，该过程理论上讲无法避免。需要从法避免。需要从燃油品质燃油品质的改善、供给、喷射、燃烧室设计和涡轮增压及的改善、供给、喷射、燃烧室设计和涡轮增压及后处理技术的应用入手，降低后处理技术的应用入手，降低PM和和NOX排放量排放量爆燃方式使爆燃方式使噪声噪声和和震动震动难以消除难以消除柴油机质量功率比与同类汽油机相比要大一些，成本和价格也要高一些柴油机质量功率比与同类汽油机相比要大一些，成本和价格也要高一些柴油机低温启动相对汽油机要困难一些（柴油机低温启动相对汽油机要困难一些（机油黏度增加机油黏度增加，摩擦阻力加大；，摩擦阻力加大；柴油黏度和密度增

23、大，流动性变差，雾化不良，柴油黏度和密度增大，流动性变差，雾化不良，应选用凝点低的柴油应选用凝点低的柴油；蓄；蓄电池输出功率减小）电池输出功率减小）2、四冲程柴油机工作原理、四冲程柴油机工作原理工程机械用内燃机与汽车用内燃机有何不同？工程机械用内燃机与汽车用内燃机有何不同？第二章第二章 内燃机的工作原理内燃机的工作原理施工场地路面差，内燃机与底盘间连接需可靠，且考虑减振施工场地路面差，内燃机与底盘间连接需可靠，且考虑减振需考虑工程机械经常倾斜作业情况，对润滑、冷却和燃油供给提出要求需考虑工程机械经常倾斜作业情况，对润滑、冷却和燃油供给提出要求施工场地空气含尘量大，对空气、燃油和机油滤清器提出要

24、求施工场地空气含尘量大，对空气、燃油和机油滤清器提出要求使用地区广，环境温度的变化幅度大，对燃油、机油、冷却系统和起动使用地区广，环境温度的变化幅度大，对燃油、机油、冷却系统和起动方法提出要求方法提出要求隧道及矿井的工程机械，需有严格的废气净化和降低噪音的措施隧道及矿井的工程机械，需有严格的废气净化和降低噪音的措施负荷变化率很大，为使工程机械在任何转速下均能稳定运转，内燃机需负荷变化率很大，为使工程机械在任何转速下均能稳定运转，内燃机需要使用性能良好的全程式调速器要使用性能良好的全程式调速器全负荷作业时间长，并经常承受突加负荷，扭矩储备大，工作转速范围全负荷作业时间长，并经常承受突加负荷，扭矩

25、储备大，工作转速范围宽宽推土机及装载机需要内燃机飞轮前输出动力，用于提升及转向；液压传推土机及装载机需要内燃机飞轮前输出动力，用于提升及转向；液压传动工程机械需要内燃机前端（自由端）输出部分功率以带动液压泵；液动工程机械需要内燃机前端（自由端）输出部分功率以带动液压泵；液力传动工程机械中，液力变矩器用油的冷却要由内燃机冷却系统完成力传动工程机械中，液力变矩器用油的冷却要由内燃机冷却系统完成3、二冲程内燃机工作原理、二冲程内燃机工作原理二冲程内燃机与四冲程内燃机的主要区别是二冲程内燃机与四冲程内燃机的主要区别是换气方式不同换气方式不同。二冲程内燃机。二冲程内燃机没有专门的排气过程和进气过程，它利

26、用活塞的运动来控制开设在气缸下没有专门的排气过程和进气过程，它利用活塞的运动来控制开设在气缸下部的进、排气口的开启或关闭，使具有一定压力的新鲜气体充入气缸，同部的进、排气口的开启或关闭，使具有一定压力的新鲜气体充入气缸，同时将废气驱赶出去，从而实现换气过程。时将废气驱赶出去，从而实现换气过程。 二冲程二冲程汽油机汽油机工作原理：第一冲程活塞上方压缩，下方进气；第二冲程活工作原理：第一冲程活塞上方压缩，下方进气；第二冲程活塞上方做功、换气，下方预压缩。塞上方做功、换气，下方预压缩。二冲程二冲程柴油机柴油机工作原理：第一冲程扫气和压缩；第二冲程做功和扫气。工作原理：第一冲程扫气和压缩；第二冲程做功

27、和扫气。第二章第二章 内燃机的工作原理内燃机的工作原理优点优点：理论上功率是四冲：理论上功率是四冲程内燃机的两倍（实际上程内燃机的两倍（实际上达到达到1.51.6倍）；运转倍）；运转平稳；结构简单，维护、平稳；结构简单，维护、保养方便。保养方便。缺点缺点：换气质量差，热效：换气质量差，热效率低，率低，且转速越高越明显，且转速越高越明显，经济性较差；热负荷较高。经济性较差；热负荷较高。应用不广泛应用不广泛。摩托、少量摩托、少量微型汽车、船用内燃机微型汽车、船用内燃机1、内燃机的理论循环、内燃机的理论循环定义：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，它由定义：内燃机的实际热力循环是燃料

28、的热能转变为机械能的过程，它由进进气气、压缩压缩、燃烧燃烧、膨胀膨胀和和排气排气等多个过程所组成。在这些过程中，由燃料等多个过程所组成。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，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前条件下还是十分困难的。为了分析内燃机中

29、燃料热能利用的完善程度及。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，从而得到便于进行定量分析的假想循环或简化循环，称之为若干简化，从而得到便于进行定量分析的假想循环或简化循环，称之为内内燃机的理论循环燃机的理论循环。第三章第三章 内燃机的热力循环内燃机的热力循环pV示功图：利用不同示功图：利用不同型式的示功器或内燃机数型式的示功器或内燃机数据采集系统来观察或记录据采集系统来观察或记录相对于不同活塞位置或曲相对于不同活塞位置或曲轴转角时气缸内工质压力轴转角时气缸

30、内工质压力的变化，所得的结果即为的变化，所得的结果即为pV示功图。示功图是示功图。示功图是研究内燃机工作过程的重研究内燃机工作过程的重要试验数据。要试验数据。1、内燃机的理论循环、内燃机的理论循环目的目的：用简单公式阐明热力学参数间关系，明确提高循环效率（：用简单公式阐明热力学参数间关系，明确提高循环效率（经济性经济性）和平均压力（和平均压力（动力性动力性）的途径；确定循环效率的极限，判断实际内燃机经）的途径；确定循环效率的极限，判断实际内燃机经济性和动力性的完善程度及改进潜力；利于比较各种热力循环的经济性济性和动力性的完善程度及改进潜力；利于比较各种热力循环的经济性理论循环假设理论循环假设：

31、理想气体，其物理常数与标准状态下的物理常数相同；理：理想气体，其物理常数与标准状态下的物理常数相同；理想气体在闭口系统中作封闭循环，气体质量和成分保持不变；理想气体的想气体在闭口系统中作封闭循环，气体质量和成分保持不变；理想气体的压缩及膨胀是绝热等熵过程；燃烧是外界无数个高温热源定容或定压向气压缩及膨胀是绝热等熵过程；燃烧是外界无数个高温热源定容或定压向气体加热，气体放热为定容放热。体加热，气体放热为定容放热。第三章第三章 内燃机的热力循环内燃机的热力循环1、内燃机的理论循环、内燃机的理论循环热力循环中，热力循环中，进气过程进气过程不作热力分析，不作热力分析，压缩和膨胀过程压缩和膨胀过程均为绝

32、热等熵过程，均为绝热等熵过程，排气过程排气过程为定容过程，只有内燃机实为定容过程，只有内燃机实际循环中的际循环中的燃烧过程燃烧过程特点较复杂，可特点较复杂，可根据燃烧过程的不同，将内燃机分为根据燃烧过程的不同，将内燃机分为汽油机汽油机、高速柴油机高速柴油机和和低速柴油机低速柴油机三三类。类。混合加热循环混合加热循环：对应一般压燃式内燃：对应一般压燃式内燃机，如机，如高速柴油机高速柴油机高速柴油机，在燃烧初期，由于部分高速柴油机，在燃烧初期，由于部分燃料已与空气混合，而后则由于边喷燃料已与空气混合，而后则由于边喷油、边混合、边燃烧、燃烧速度受到油、边混合、边燃烧、燃烧速度受到制约，因此燃烧过程兼

33、有逐渐爆炸燃制约，因此燃烧过程兼有逐渐爆炸燃烧和扩散燃烧的特征，对应于气缸的烧和扩散燃烧的特征，对应于气缸的容积变化情况，可以将燃烧过程简化容积变化情况，可以将燃烧过程简化为为定容定容和和定压定压加热两个过程。加热两个过程。12：绝热压缩过程：绝热压缩过程23：定容加热过程：定容加热过程34：定压加热过程：定压加热过程45：绝热膨胀过程：绝热膨胀过程51：定容放热过程：定容放热过程第三章第三章 内燃机的热力循环内燃机的热力循环1、内燃机的理论循环、内燃机的理论循环混合加热循环混合加热循环 循环热效率：衡量循环经济性的指标循环热效率：衡量循环经济性的指标12：绝热压缩过程：绝热压缩过程23：定容

34、加热过程：定容加热过程34：定压加热过程：定压加热过程45：绝热膨胀过程：绝热膨胀过程51：定容放热过程：定容放热过程121211QQQQQQWt111QQQ )(231TTCmQv)(341TTCmQp )(152TTCmQv式中：式中： 为工质的比定容热容为工质的比定容热容 为工质的比定压热容为工质的比定压热容 为工质质量为工质质量vCpCm第三章第三章 内燃机的热力循环内燃机的热力循环1、内燃机的理论循环、内燃机的理论循环混合加热循环混合加热循环 循环热效率：衡量循环经济性的指标循环热效率：衡量循环经济性的指标12：绝热压缩过程：绝热压缩过程23：定容加热过程：定容加热过程34：定压加热

35、过程：定压加热过程45：绝热膨胀过程：绝热膨胀过程51：定容放热过程：定容放热过程21VV23ppp34VVvpCCK 令令压缩比压缩比压力升高比压力升高比初期膨胀比初期膨胀比绝热指数绝热指数利用绝热过程关系式利用绝热过程关系式1112211 kkVVTT ) 1() 1(1111ppkpktk得得上式说明，上式说明，混合加热循环的热效率随压缩比和混合加热循环的热效率随压缩比和压力升高比的增大而增大，随初期膨胀比的增压力升高比的增大而增大，随初期膨胀比的增大而减小。大而减小。第三章第三章 内燃机的热力循环内燃机的热力循环1、内燃机的理论循环、内燃机的理论循环混合加热循环混合加热循环 循环热效率

36、：衡量循环经济性的指标循环热效率：衡量循环经济性的指标12：绝热压缩过程：绝热压缩过程23：定容加热过程：定容加热过程34：定压加热过程：定压加热过程45：绝热膨胀过程：绝热膨胀过程51：定容放热过程：定容放热过程令初期膨胀比令初期膨胀比 ，即没有，即没有34过程，过程，此时混合加热循环转换为定容加热循环此时混合加热循环转换为定容加热循环 1定容加热循环定容加热循环：加热过程在容积不变的条件：加热过程在容积不变的条件下进行。在汽油机中，当活塞即将达到上止下进行。在汽油机中，当活塞即将达到上止点时电火花开始点火，混合气着火燃烧过程点时电火花开始点火，混合气着火燃烧过程迅速，气缸内温度和压力急剧增

37、高，而气缸迅速，气缸内温度和压力急剧增高，而气缸容积相对变化不大，故可近似认为是定容加容积相对变化不大，故可近似认为是定容加热过程。（热过程。（奥拓循环奥拓循环动画动画）111kt上式说明，上式说明，定容加热循环的热效率随压缩比和定容加热循环的热效率随压缩比和绝热指数的增大而增加绝热指数的增大而增加第三章第三章 内燃机的热力循环内燃机的热力循环1、内燃机的理论循环、内燃机的理论循环混合加热循环混合加热循环 循环热效率：衡量循环经济性的指标循环热效率：衡量循环经济性的指标12：绝热压缩过程：绝热压缩过程23：定容加热过程：定容加热过程34：定压加热过程：定压加热过程45：绝热膨胀过程：绝热膨胀过

38、程51：定容放热过程：定容放热过程令压力升高比令压力升高比 ，即没有，即没有23过程，过程，此时混合加热循环转换为定压加热循环此时混合加热循环转换为定压加热循环 1p定压加热循环定压加热循环：加热过程在压力不变的条：加热过程在压力不变的条件下进行。在高增压和低速大型柴油机中，件下进行。在高增压和低速大型柴油机中，由于受燃烧最高压力的限制，大部分燃料由于受燃烧最高压力的限制，大部分燃料在上止点以后燃烧，燃烧时气缸内压力上在上止点以后燃烧，燃烧时气缸内压力上升的同时，气缸容积已逐渐增大，这时气升的同时，气缸容积已逐渐增大，这时气缸内压力变化不大，可近似认为是定压加缸内压力变化不大，可近似认为是定压

39、加热过程热过程) 1(1111KKkt上式说明，上式说明，定压加热循环的热效率随压缩比和定压加热循环的热效率随压缩比和绝热指数的增大而增加，但随初期膨胀比的增绝热指数的增大而增加，但随初期膨胀比的增大而减小大而减小第三章第三章 内燃机的热力循环内燃机的热力循环1、内燃机的理论循环、内燃机的理论循环混合加热循环混合加热循环 循环平均压力：衡量循环动力性的指循环平均压力：衡量循环动力性的指标，为单位气缸工作容积所做的循环标，为单位气缸工作容积所做的循环净功，即净功，即12：绝热压缩过程：绝热压缩过程23：定容加热过程：定容加热过程34：定压加热过程：定压加热过程45：绝热膨胀过程：绝热膨胀过程51

40、：定容放热过程：定容放热过程ststVQVWp1tPPktKKpp11111上式说明，上式说明，混合加热循环的平均压力随压缩始混合加热循环的平均压力随压缩始点（进气终点）压力点（进气终点）压力 、压缩比、压缩比 、压力升高、压力升高比比 、初期膨胀比、初期膨胀比 和绝热指数和绝热指数K的增大而增的增大而增大大。1p P 第三章第三章 内燃机的热力循环内燃机的热力循环1、内燃机的理论循环、内燃机的理论循环定容加热循环定容加热循环时时当当1 上式说明，上式说明，定容加热循环的平均压力随压缩始点定容加热循环的平均压力随压缩始点（进气终点）压力（进气终点）压力 、压缩比、压缩比 、压力升高比、压力升高

41、比 和绝热指数和绝热指数K的增大而增大的增大而增大。1p P tPktKpp1111定压加热循环定压加热循环tktKKpp1111时当1P上式说明，上式说明，定容加热循环的平均压力随压缩始点定容加热循环的平均压力随压缩始点（进气终点）压力（进气终点）压力 、压缩比、压缩比 、初期膨胀比、初期膨胀比 和绝热指数和绝热指数K的增大而增大的增大而增大。1p 第三章第三章 内燃机的热力循环内燃机的热力循环1、内燃机的理论循环、内燃机的理论循环结论结论压缩比压缩比：当压缩比提高时，三种循环的：当压缩比提高时，三种循环的热效率和平均压力都将提高。但压缩比与热效率和平均压力都将提高。但压缩比与热效率并非直线

42、关系，在压缩比较高时，热效率并非直线关系，在压缩比较高时，热效率的提高率逐渐降低；若要增加按定热效率的提高率逐渐降低；若要增加按定容加热循环工作的容加热循环工作的汽油机汽油机的热效率和平均的热效率和平均压力，就应设法增大压缩比，但由于燃料压力，就应设法增大压缩比，但由于燃料的性质以及压缩终了过高的压力和温度，的性质以及压缩终了过高的压力和温度，将使汽油机产生爆燃等不正常燃烧现象，将使汽油机产生爆燃等不正常燃烧现象，故压缩比的提高受到限制，故压缩比的提高受到限制，一般为一般为611；对于定压加热循环和混合加热循环工作的对于定压加热循环和混合加热循环工作的柴油机柴油机，为保证汽缸中的空气在压缩过程

43、，为保证汽缸中的空气在压缩过程终了时具有足够高的温度，以便喷油燃烧，终了时具有足够高的温度，以便喷油燃烧，同时也为了获得较高的热效率和平均压力，同时也为了获得较高的热效率和平均压力，柴油机的压缩比柴油机的压缩比比汽油机高，比汽油机高，一般为一般为1222；但在实际的高速柴油机中，压缩；但在实际的高速柴油机中，压缩比相对较高，再提高压缩比对热效率影响比相对较高，再提高压缩比对热效率影响不显著，而循环最高压力却增加不少，不显著，而循环最高压力却增加不少，因因此压缩比此压缩比的选择往往决定于冷起动的需的选择往往决定于冷起动的需要。要。第三章第三章 内燃机的热力循环内燃机的热力循环1、内燃机的理论循环

44、、内燃机的理论循环结论结论压力升高比压力升高比 和初期膨胀比和初期膨胀比 ：反映了循环的加热方式及加热量的分配情况，反映了循环的加热方式及加热量的分配情况，而加热量对循环指标的影响，实际上相当于内燃机负荷对性能指标的影响。而加热量对循环指标的影响，实际上相当于内燃机负荷对性能指标的影响。P定容加热循环定容加热循环111kttPktKpp1111 由公式可知，当由公式可知，当保持不变，保持不变，P增大，则增大，则pt将随之增大，而将随之增大，而t不变。热量都是在定不变。热量都是在定容的条件下加入的，由于比热容为定值，所加的每部分热量都同样地使工质的温度具有容的条件下加入的，由于比热容为定值，所加

45、的每部分热量都同样地使工质的温度具有相同的升高，而且工质对加给它的每部分热量都具有相同的相同的升高，而且工质对加给它的每部分热量都具有相同的后期膨胀比后期膨胀比，所以在定容加，所以在定容加热循环中，压力升高比的变化只影响平均压力，而不影响热效率。热循环中，压力升高比的变化只影响平均压力，而不影响热效率。定压加热循环定压加热循环) 1(1111KKkttktKKpp1111 由公式可知，当由公式可知，当保持不变，保持不变，增大，则增大，则pt将随之增大，而将随之增大，而t减小。由于在定压循环减小。由于在定压循环中，初期膨胀比越大，循环所作功也越多（中，初期膨胀比越大，循环所作功也越多（值随加热量

46、的增加而增大值随加热量的增加而增大），故），故pt增大，增大，但是后期所加的部分热量的时间是随着但是后期所加的部分热量的时间是随着值增大而距上止点越远，使该部分热量的后期值增大而距上止点越远，使该部分热量的后期膨胀比也越小，因而循环热效率减小。膨胀比也越小，因而循环热效率减小。第三章第三章 内燃机的热力循环内燃机的热力循环1、内燃机的理论循环、内燃机的理论循环结论结论压力升高比压力升高比 和初期膨胀比和初期膨胀比 ：反映了循环的加热方式及加热量的分配情况，反映了循环的加热方式及加热量的分配情况，而加热量对循环指标的影响，实际上相当于内燃机负荷对性能指标的影响。而加热量对循环指标的影响，实际上相

47、当于内燃机负荷对性能指标的影响。P混合加热循环混合加热循环 如果总加热量如果总加热量Q1和压缩比和压缩比保持不变，其定容加热量和定压加热量的分配比例不同，保持不变，其定容加热量和定压加热量的分配比例不同，则热效率和平均压力也就不同。则热效率和平均压力也就不同。 若压力升高比增大，则初期膨胀比相应减小，若压力升高比增大，则初期膨胀比相应减小，即意味着定容加热量增加而定压加热量减小。如右即意味着定容加热量增加而定压加热量减小。如右图所示，这时循环图所示，这时循环123451中的定容加热线中的定容加热线2-3将延将延长到长到3，而定压加热线相应缩短为，而定压加热线相应缩短为3-4。由于总加。由于总加

48、热量热量Q1不变，则绝热膨胀线不变，则绝热膨胀线4-5必然左移，使得传必然左移，使得传给冷源的热量给冷源的热量Q2减小，其减小量相当于面积减小，其减小量相当于面积5566。结果循环作功较多，其热效率和循环压力都得到提结果循环作功较多，其热效率和循环压力都得到提高。在初期膨胀比为高。在初期膨胀比为1时，压力升高比达到最大时，压力升高比达到最大（变为定容加热循环变为定容加热循环），则热效率和平均压力都达），则热效率和平均压力都达到最高值。但压力升高比和压缩比的增大将伴随着到最高值。但压力升高比和压缩比的增大将伴随着循环最高温度和最高压力的急剧上升，循环最高温度和最高压力的急剧上升，在实际内燃在实际

49、内燃机中，这将受到热负荷和机械强度的限制机中，这将受到热负荷和机械强度的限制。 反之，如初期膨胀比增大，则压力升高比就相应减小，即意味着定压加热量增大而定容反之，如初期膨胀比增大，则压力升高比就相应减小，即意味着定压加热量增大而定容加热量减小，根据上述分析热效率和平均压力都将减小。当总加热量全部在定压条件下加入加热量减小，根据上述分析热效率和平均压力都将减小。当总加热量全部在定压条件下加入（变为定压加热循环变为定压加热循环），则热效率和平均压力都最低。），则热效率和平均压力都最低。第三章第三章 内燃机的热力循环内燃机的热力循环1、内燃机的理论循环、内燃机的理论循环三种理论循环热效率的比较三种理

50、论循环热效率的比较在初始状态、压缩比以及加热量相同时在初始状态、压缩比以及加热量相同时tpttv定容循环热效率最高，混合加热次之，定压循环最低定容循环热效率最高，混合加热次之，定压循环最低结论一：对于点燃式内燃机（汽油机为主），在所用燃料已经确定，压缩比也基本确定的情况下，发动机结论一：对于点燃式内燃机（汽油机为主），在所用燃料已经确定，压缩比也基本确定的情况下，发动机按定容加热循环工作是最有利的按定容加热循环工作是最有利的结论二：对于压燃式内燃机（柴油机），在压缩比基本确定以后，按混合加热循环工作比按定压加热循环结论二：对于压燃式内燃机（柴油机），在压缩比基本确定以后，按混合加热循环工作比按

51、定压加热循环工作有利，如能按照接近定容加热循环工作，则可以达到最高的热效率工作有利，如能按照接近定容加热循环工作，则可以达到最高的热效率注意：不能注意：不能得出点燃式内燃机的热效率比压燃式内燃机的热效率高的结论，因为它们的压缩比相差悬殊得出点燃式内燃机的热效率比压燃式内燃机的热效率高的结论，因为它们的压缩比相差悬殊在初始状态、循环最高温度和最高压力相同时（图在初始状态、循环最高温度和最高压力相同时（图2-10）tvttp定压循环热效率最高，混合加热次之，定容循环最低定压循环热效率最高，混合加热次之，定容循环最低结论一：在内燃机的热负荷和机械负荷受到限制的情况下，为了获得较高的热效率，采用定压加

52、热循环是结论一：在内燃机的热负荷和机械负荷受到限制的情况下，为了获得较高的热效率，采用定压加热循环是适宜的适宜的结论二：如果近似地认为点燃式内燃机循环和压燃式内燃机循环具有相同的最高温度和最高压力，那么压结论二：如果近似地认为点燃式内燃机循环和压燃式内燃机循环具有相同的最高温度和最高压力，那么压燃机具有最高的热效率燃机具有最高的热效率注意注意：柴油机的最高燃烧压力一般都大于汽油机，但柴油机的最高燃烧温度却低于汽油机柴油机的最高燃烧压力一般都大于汽油机，但柴油机的最高燃烧温度却低于汽油机第三章第三章 内燃机的热力循环内燃机的热力循环2、内燃机的实际循环、内燃机的实际循环目的目的：理论循环给出了影

53、响内燃机经济性（即：理论循环给出了影响内燃机经济性（即t值）和动力性（即值）和动力性（即pt值）值）的基本因素。但在实际的内燃机循环中不可避免的有许多方面的损失，的基本因素。但在实际的内燃机循环中不可避免的有许多方面的损失，使其不能达到理论循环的指标。为了改善内燃机的实际循环，必须分析使其不能达到理论循环的指标。为了改善内燃机的实际循环，必须分析比较实际循环和理论循环之间的差距，以及引起各种损失的原因。比较实际循环和理论循环之间的差距，以及引起各种损失的原因。工质变化的影响工质变化的影响换气损失换气损失传热损失传热损失燃烧损失燃烧损失气流运动及泄露损失气流运动及泄露损失第三章第三章 内燃机的热

54、力循环内燃机的热力循环2、内燃机的实际循环、内燃机的实际循环工质变化的影响工质变化的影响理论循环理论循环工质是理想的双原子气体，并假定其物理化学性质在整个循环工质是理想的双原子气体，并假定其物理化学性质在整个循环过程中是不变的过程中是不变的实际循环实际循环工质是由新鲜空气、燃料蒸气和上一循环残余工质是由新鲜空气、燃料蒸气和上一循环残余废气等组成的混合气体废气等组成的混合气体工质的成分及数量工质的成分及数量不断发生着变化不断发生着变化，三原子气体三原子气体占多数，其比热容比两原子气体大占多数，其比热容比两原子气体大同样的加热量在实际循环中所引起的压力和温度的升高要比理论循环低，其结果同样的加热量

55、在实际循环中所引起的压力和温度的升高要比理论循环低，其结果是使循环热效率和平均压力有所降低，反映在是使循环热效率和平均压力有所降低，反映在p-V图上是其燃烧膨胀线要低于相应图上是其燃烧膨胀线要低于相应的理论循环线的理论循环线第三章第三章 内燃机的热力循环内燃机的热力循环2、内燃机的实际循环、内燃机的实际循环换气损失换气损失理论循环理论循环闭式循环，没有工质的更换，也没有任何形式的流动阻力损失闭式循环，没有工质的更换，也没有任何形式的流动阻力损失实际循环实际循环吸入新鲜空气与燃料，然后在合适的时候排出燃烧废气，这是吸入新鲜空气与燃料，然后在合适的时候排出燃烧废气，这是循环过程得以周而复始进行所必

56、不可少的。有流动损失循环过程得以周而复始进行所必不可少的。有流动损失为尽可能降低排气阻力，为尽可能降低排气阻力，排气门需要提前开排气门需要提前开启启，燃气在膨胀到下止点前从气缸内排出，燃气在膨胀到下止点前从气缸内排出(沿沿b1d1线线)，这将使示功图上的有用功面积减少，这将使示功图上的有用功面积减少(图中阴影区图中阴影区)在排气和吸气行程中，气体在流经进排气管、在排气和吸气行程中，气体在流经进排气管、进排气道以及进排气门时，不可避免地存在进排气道以及进排气门时，不可避免地存在着着流动阻力损失流动阻力损失，也需要消耗一部分有用功，也需要消耗一部分有用功（沿（沿d1r和和ra线）线）第三章第三章

57、内燃机的热力循环内燃机的热力循环2、内燃机的实际循环、内燃机的实际循环传热损失传热损失理论循环理论循环假设与工质相接触的气缸壁面是绝热的，两者间不存在热量的假设与工质相接触的气缸壁面是绝热的，两者间不存在热量的交换，因而没有传热损失交换，因而没有传热损失实际循环实际循环气缸壁（包括汽缸套、汽缸盖、活塞、活塞环、气门、喷油器等气缸壁（包括汽缸套、汽缸盖、活塞、活塞环、气门、喷油器等与与缸内工质直接相接触的表面缸内工质直接相接触的表面）始终与工质发生着热量交换）始终与工质发生着热量交换压缩初期，压缩初始压力（进气终点压力）压缩初期，压缩初始压力（进气终点压力）pa低于大气压力，而且由于压缩初期气缸

58、壁低于大气压力，而且由于压缩初期气缸壁温度较高而使工质加热，而在压缩后期，才温度较高而使工质加热，而在压缩后期，才随着工质温度超过气缸壁温度而发生从工质随着工质温度超过气缸壁温度而发生从工质向气缸壁相反的能量传递向气缸壁相反的能量传递燃烧和膨胀期间，工质始终放热，有大量的燃烧和膨胀期间，工质始终放热，有大量的热损失热损失由于传热而减少的有用面积要大于理论压缩由于传热而减少的有用面积要大于理论压缩线底下所增加的有用功面积，其差值为实际线底下所增加的有用功面积，其差值为实际循环的传热损失循环的传热损失第三章第三章 内燃机的热力循环内燃机的热力循环2、内燃机的实际循环、内燃机的实际循环燃烧损失燃烧损失理论循环理论循环实际循环实际循环外界热源向工质在一定条件下的加热过程；燃烧外界热源向工质在一定条件下的加热过程；燃烧(加热加热)速度在等容加热条