内燃机 第一章

*/1第一章内燃机工作循环与性能指标

内燃机的理论循环四行程内燃机的实际循环指示性能指标与有效性能指标机械损失提高内燃机动力性和经济性放的途径（略）内燃机的热平衡（略）

*/2一、内燃机的理论循环压缩、膨胀过程简化为可逆绝热过程；燃烧过程简化为定容加热过程和定压加热过程，排气放热简化为定容放热过程；假定工质为定比热的理想气体,忽略气体成分变化；忽略进、排气过程,工质在闭口系统中作封闭循环；1.实际循环的简化：*/32.内燃机的三种基本理论循环（1）

混合加热循环：高速非增压柴油机（车用柴油机）一、内燃机的理论循环*/4一、内燃机的理论循环（2）

汽油机定容加热循环（Otto循环）*/5一、内燃机的理论循环（3）

定压加热循环（Diesel循环）：

大型低速柴油机（船舶用柴油机）*/63.理论循环及其分析（1）

特征参数：②.压力升高比：①.压缩比：③.预胀比：

一、内燃机的理论循环*/7①.混合加热循环：一、内燃机的理论循环（2）

循环热效率：②.定容加热循环：③.定压加热循环：*/8

（3）影响热效率的因素

①.压缩比ε：提高ε，可以提高循环平均吸热温度，降低循环平均放热温度一、内燃机的理论循环②.绝热指数k，ｋ取决于工质的性质，双原子气体ｋmax=1.4。ｋ↑→ηt↑,工质原子数↑→ｋ↓；混合气浓度↑→ｋ↓。一、内燃机的理论循环③.压力升高比λ

：（ε、

Q1）一定，λ↑→ρ↓→Q2↓→ηt↑。但是(λ＋ε)↑→（Ｔｚ＋Ｐｚ）↑，因而零件的热负荷和机械负荷都受零件耐温和强度限制不能太高。④.预膨胀比ρ：

a、定压加热循环，ε一定，ρ↑→Q1↑→ηt↓

因为后加入热量膨胀不充分，排给冷源热量Q2↑。

b、混合加热循环，（ε、Q1）一定，

ρ↑→等压加热部分↑→ηt↓。一、内燃机的理论循环*/11Ts4v5v4p5p4m1235m（5）加热量相同时三种基本循环比较①.同一机型不同加热模式的对比（压缩比相同）：压缩比ε相同加热量Q1相同初态1相同一、内燃机的理论循环*/12②.循环最高压力相同：加热量Q1相同初态1相同循环的最高压力相同Ts2p4p5p5m4m12m3mpmax2v4v5v一、内燃机的理论循环*/134.循环平均压力：单位气缸工作容积所作的循环功。一、内燃机的理论循环（1）混合加热循环：（2）定容加热循环（ρ=1）：（3）定压加热循环（λ=1）：*/143.理论循环及其分析（1）

特征参数：②.压力升高比：①.压缩比：③.预胀比：

一、内燃机的理论循环*/15继续膨胀循环（涡轮增压理论循环）脉冲涡轮增压：从气缸排出的废气沿绝热膨胀线继续膨胀，充分利用废气中的脉冲能量。但供给涡轮的能量变化大，涡轮效率较低，当π<2.5时使用定压涡轮增压：将各缸中排出的废气导入一根容积很大的排气总管，使涡轮前的压力保持恒定，这种方式的脉冲能量不能利用。但在涡轮中废气能量转换是稳定的，涡轮效率较高。当π＞2.5时,定压的效率高于脉冲的效率一、内燃机的理论循环*/16脉冲涡轮增压一、内燃机的理论循环

a’—a：压气机中的绝热压缩

a—c：气缸中的绝热压缩

c—y：气缸中的定容加热

y—z：气缸中的定压加热

z—b：气缸中的绝热膨胀

b—g：涡轮中的绝热膨胀

g—a’：涡轮中的定压放热*/17定压涡轮增压一、内燃机的理论循环

a’—a：压气机中的绝热压缩

a—c：气缸中的绝热压缩

c—y：气缸中的定容加热

y—z：气缸中的定压加热

z—b：气缸中的绝热膨胀

b—a：气缸中的定容放热

a—f：排气总管中的定压加热

f

—g：涡轮中的绝热膨胀g—a’：涡轮中的定压放热*/18二、四冲程内燃机的实际循环1.实际循环的进行过程进气过程：r-a压缩过程:a-c燃烧过程:c-z膨胀过程:z-b排气过程:b-r*/19二、四冲程内燃机的实际循环（1）进气过程：r-a①.作用：吸入新鲜工质，为缸内的热功转换作准备；②.特点：pa<p0，△p=p0-pa;克服进气系统阻力；Ta>T0,△T=Ta-T0;缸内残余废气加热；高温机件加热③.进气终了的pa及温Ta大致范围：

汽油机:pa=（0.8～0.90）p0

Ta=340～380K；柴油机:pa=（0.85～0.95）p0

Ta=300～340K；增压柴油机:pa=（0.9～1.0）pk

Ta=320～380K。*/20二、四冲程内燃机的实际循环（2）压缩过程:a-c①.作用：提高新鲜充量的温度和压力；为燃烧过程创造有利的条件；柴油机，压缩高温是保证燃料着火的必要条件。②.特点：多变过程开始T璧>T工质，工质吸热，n>k；某一瞬间T璧=T工质，n=k；后期，由于T璧<T工质，n<k；

实际的近似计算中，常用一个不变的、平均的多变指数n1来表示。*/21影响n1的主要因素：当转速↑→(向缸壁的传热量及气缸泄漏量)↓→n1↑

；当负荷↑→气缸壁温度增高及相对的传热量和泄漏量减小→n1↑；当泄漏量↑或气缸壁温度↓时→n1↓。n1的范围：汽油机:n1=1.32～1.38；柴油机:n1=1.38～1.40；增压柴油机:n1=1.35～1.37。压缩终了的参数pc(MPa)Tc(K)

汽油机:0.8～2.0600～750

柴油机:3.0～5.0750～1000

增压柴油机:5.0～8.0900～1100二、四冲程内燃机的实际循环③.发动机的压缩比：气缸的总容积与气缸压缩容积之比，即：在汽油机中，为了提高热效率，希望增加压缩比，但受到爆震燃烧的限制，一般为7～12。在柴油机中，为保证喷入气缸的燃料能及时自燃以及冷起动时可靠着火，必须使压缩终了有足够的温度，需要较高的压缩比，一般为14～22。二、四冲程内燃机的实际循环*/23二、四冲程内燃机的实际循环（3）燃烧过程:c-z①.作用：将燃料的化学能转变为热能，使工质的压力、温度升高。放出的热量越多，放热时越靠近上止点，热效率越高。②.

要求：燃烧完全、及时。汽油机，可燃混合气被点燃，火焰迅速传播至整个燃烧室，温度、压力急剧升高，接近定容燃烧；柴油机，早期形成的可燃混合气先自燃，接近于定容燃烧；随后边喷油边燃烧，同时已活塞下行，接近定压燃烧。

③.燃烧最高压力pz和最高温度参数Tz

：

pz(MPa)Tz(K)

汽油机:3.0～6.52200～2800

柴油机:4.5～9.01800～2200

二、四冲程内燃机的实际循环*/25二、四冲程内燃机的实际循环（4）膨胀过程:z-b①.作用：热向功转换。②.特点：多变过程，比压缩过程更为复杂，除有热交换和漏气损失外，还有后燃等现象。膨胀初期,由于后燃工质被加热，n<k；某一瞬间加热量等于工质向气缸的散热量，n=k

；此后T璧<T工质→工质向缸壁传热，n>k；用平均多变指数n2来描述实际膨胀过程；汽油机n2=1.23～1.28

柴油机n2=1.15～1.28*/26③.膨胀终点b的压力（kpa）、温度（K）可用下式计算汽油机柴油机

δ—后膨胀比范围：pb（MPa）Tb（K）汽油机0.3～0.61200～1500

柴油机0.2～0.51000～1200柴油机膨胀比大，转化为有用功的热量多，热效率高．膨胀终了的温度和压力均比汽油机小。二、四冲程内燃机的实际循环*/27二、四冲程内燃机的实际循环（5）排气过程:b-r①.作用：将气缸内的废气排除，为下一循作准备。②.特点：

pr>p0，△p=pr-p0

用来克服排气系统有阻力，阻力越大，排气终了的压力pr愈大，残留在气缸中的废气就愈多。排气温度Tr低，说明燃料燃烧后，转变为有用功的热量多，工作过程进行得好。③.排气终了的压力（MPa）、温度（K）：

汽油机和柴油机

pr=（1.05～1.2）p0

废气涡轮增压柴油机

pr=（0.75～1.0)

pk

汽油机Tr=900～1100

柴油机Tr=700～900二、四冲程内燃机的实际循环（1）实际工质的影响:a.性质:理论上:理想气体。实际上:燃烧前:燃料+空气；燃烧后:燃烧产物。

b.比热:理论上:定比热实际上:温度T

比热c

c.数量：理论上:不变实际上:泄漏减少结果：燃烧最高压力pz和最高温度参数Tz降低，循环有用功减少。（2）换气损失：由于更换工质而消耗的功理论上:忽略进、排气过程。排气门早开，造成膨胀功损失。排气功损失和吸气功损失二、四冲程内燃机的实际循环（3）传热损失(总加热量的6％)实际循环并非绝热过程,通过气缸壁面、缸盖底面、活塞顶面向外散热。压缩过程:前期吸热,后期散热,使压缩线略下降(有利)。燃烧及膨胀过程:温差大,散热强烈,使pz和膨胀线下降(不利)。减少的有用功大于增加的有用功,使动力过程功减小。二、四冲程内燃机的实际循环（4）时间损失实际燃烧及向工质加热不可能瞬间完成：存在点火(喷油)提前，压缩负功增加，使有用功面积下降，

t↓。pz出现在TDC后10

CA，而非等容加热，最高压力下降，使有用功面积减小。（5）后燃及不完全燃烧损失部分燃油在膨胀冲程继续燃烧缸内混合气浓度不均匀，存在过浓和过稀区域。燃油附着于进气道、燃烧室壁面二、四冲程内燃机的实际循环总结：由于工质和循环方面的差别，使得:

理论循环ηt-实际循环ηt=10~20百分点两者之间的差别指出了改善内燃机ηt的基本原则二、四冲程内燃机的实际循环指示指标与有效指标（1）以工质对活塞作功为计算基准的指标称为指示(Indicated)指标基于示功图算出，直接反映燃烧和热力循环组织的好坏用于理论分析和科研（2）以曲轴输出功为计算基准的指标称为有效(Brake/Effective)指标由试验测出，直接反映产品最终性能用于产品开发、生产和使用当中只有与作功有关的指标，如功、功率、油耗、平均压力、热效率等才有“有效”与“指示”之分三、指示性能指标p-

图EIIETDCTDCTDCBDCBDC纯压缩线0180360540720

CAppzp0压力图/展开示功图

TDC-TopDeadCenter；BDC-BottomDeadCenter；IVO-IntakeValveOpen；IVC-IntakeValveClose；EVO-ExhaustValveOpen，EVC-ExhaustValveClose指示功Wi:

定义：一个实际循环工质对活塞所做的有用功计算：示功图中封闭曲线所包围的环积分面积。三、指示性能指标指示功＝(W1+W3)-(W2+W3)=W1-W2与泵气有关的功：实际泵气功(泵气过程功)由于流动存在阻力，进气压力低于大气压，排气压力高于大气压力，两过程缸内气体对活塞做功之代数和为实际泵气功

W2+W3

负功泵气损失(Pumpingloss)

（实际泵气功理论泵气功）

W2+W3

负功进气压力pd

大气压力p0排气压力pe

大气压力p0自然吸气(naturalaspirated)发动机作功分析三、指示性能指标2.平均指示压力pmi(IndicatedMeanEffectivePressure,IMEP)定义：单位气缸工作容积所作的指示功。指示功可以认为是一个假想不变的压力pmi作用在活塞上，使活塞移动一个冲程所作功平均指示压力反映发动机作功能力的大小(单位体积作功量大小J/m3)和强化程度。使不同发动机实际循环的动力性具有可比性三、指示性能指标3.指示功率Pi(Indicatedpower)：发动机单位时间所做的指示功。三、指示性能指标i－－发动机的气缸数；n－－发动机转速(r/min）；τ－－行程数。四行程τ=4；二行程τ=2。*/38（1）指示热效率ηi

：实际循环指示功Wi与所消耗的燃料热量Q1之比。

三、指示性能指标3.指示热效率与指示燃油消耗率Hu－－燃料低热值，kJ/kg;Pi－－指示功率，kW；B－－每小时燃油消耗，kg/h*/39（2）指示燃料消耗率bi（简称指示比油耗）：单位指示功的耗油量，通常以每千瓦小时的耗油量表示[g/(kw.h)]。三、指示性能指标3.指示热效率与指示燃油消耗率四行程内燃机的ηi和bi大致范围：

ηibi［g/（kw.h）］汽油机0.3～0.4205～320

柴油机0.4～0.5170～2051.动力性能指标（1）有效功率Pe：曲轴对外输出的功率，称为有效功率，指示功率Pi不能完全对外输出，存在机械损失功率Pm:

1）运动件的摩擦损失，62～75%Pm2）驱动附机的损失，10～20%Pm

3）泵气损失，10～20%Pm

发动机有效功率Pe由试验测得:Ttq——有效转矩，N.m

n——曲轴转速，r/min四、有效性能指标（2）平均有效压力Pme(MPa）：单位气缸工作容积输出的有效功,即

Ttq∝pme:pme

反映了发动机单位气缸工作容积输出转矩的大小。四、有效性能指标范围：汽油机0.7～1.3MPa

柴油机0.6～1.0MPa

增压柴油机0.9～2.6MPa

（3）转速n和活塞平均速度Cmn↑→单位时间的做功次数↑→Pe↑，但活塞平均速度Cm=Sn/30(m/s)↑→惯性力↑→以下影响：惯性力引起的机械应力↑摩擦(磨损)↑热负荷↑噪声↑一般汽油机Cm＜18m/s，柴油机Cm＜15m/s。为了提高转速又不使Cm过大，可减小行程S，一般用行程缸径比（S/D）表示。当S/D＜1时，常称为短行程。四、有效性能指标2.经济性能指标（1）有效热效率ηe：有效功We与所消耗燃料热量Ql之比值

（2）有效燃料消耗率be:单位有效功的耗油量（简称比油耗）

（3）ηe越高，be越低，内燃机的经济性越好（4）范围：ηe

be[g/(kw.h)]

汽油机0.25～0.3270～325

柴油机0.3～0.45190～285

四、有效性能指标3.发动机强化指标升功率PL和比质量me①升功率PL

(kW／L)：标定工况下，发动机每升工作容积所发出的有效功率。

②比质量me

（kg／kW）是发动机的质量m与所给出的标定功率之比。它表征质量利用程度和结构紧凑性。③范围：PL（kW/L）me（kg／kW）汽油机30～701.1～4.0汽车柴油机9～402.5～9.0四、有效性能指标（1）排放性能1．排出有害气体:CO、HC、NOx。2．排气微粒：颗粒大于0.002μm的任何液体或固体微粒。以碳烟为主。4.发动机的环境指标

四、有效性能指标*/46四、有效性能指标（2）噪声（属于环境指标）

按产生机理分：流体噪声、机械噪声、燃烧噪声危害：刺激神经，使人心情烦躁、反应迟钝交通运输噪声是现代城市的主要噪声源，约占城市噪声的75%，而其中发动机又是汽车的主要噪声源。五、机械损失与机械效率1.机械损失的组成及机械效率ηm

（1）机械损失功率Pm（kw）：pmm(MPa)：单位气缸工作容积的机械损失功机械损失功率Pm包括：摩擦损失占62～75%:活塞及活塞环；连杆、曲轴轴承；配气机构；驱动附件损失占10～20%:机油泵；电器设备；水泵；风扇泵气损失:10～20%驱动机械增压器损失6~10%占总Pi的10~30%（2）机械效率ηm：有效功率Pe和指示功率Pi的比，用来评价指示功对外传递过程中的内部损失程度。

机械效率ηm的大致范围是：汽油机0.7～0.9

柴油机0.7～0.85五、机械损失与机械效率2.机械损失的测定：倒拖法、灭缸法和油耗线法。（1）倒拖法发动机与电力测功器相连；在稳定工况，当冷却水和机油温度到达正常值时，立即切断供油（柴油机）或停止点火（汽油机）；同时将电力测功器转换为电动机，倒拖发动机，并尽可能维持冷却水和机油温度不变；电力测功器所测得的倒拖功率，即为机械损失功率。缺点：①必须使用电力测功器；②没有燃烧，压力低摩擦损失小；③由于传热、压缩线和膨胀不重合负功；④由于强制排气引起泵气损失增加。对于柴油机由于ε大，误差大可达15～20%对于汽油机ε=6～7，误差在