. 内燃机工作过程计算 一、 内燃机实际工作过程的数值计算 1、 基本原理与公式 在推导气缸工作过程计算的基本微分方程式时，作如下的简化假定： ①不考虑气缸内各点的压力、温度和浓度的差异，并认为在进气期间，流入气缸内的空气与气缸内的残余废气实现瞬时的完全混合，缸内状态是均匀的，亦即为单区计算模型。 ②工质为理想气体，其比热、内能仅与气体的温度和气体的组成有关。 ③气体流入或流出的气流为准稳定流动。 ④不计进气系统内压力和温度波动的影响。 ⑴能量平衡方程式 根据热力学第一定律，得出能量守恒方程的一般形式如下： ()w s e B s dQ dm dm dQ d mu dW h h d d d d d d φφφφφφ =++++ m ：工质的质量 u ：工质比内能 Q B ：燃烧放出的热量 Q w ：通过系统边界传入或传出的热量 W ：作用在活塞上的机械功 m s ：通过进气阀流入气缸的质量 m e ：通过排气阀流出气缸的质量 h s 和h ：分别为进气阀前和气缸内气体的比焓
()(,).1() ()w s e B s d mu du dm m u d d d u f T du u dT u d d T d d dQ dm dm dQ dT dV dm u d p h h u m u d d d d d d d d m T φφφλλφφλφ λ φφφφφφφλφ=+=??∴ =+ ???∴=+-++--???Q Q ⑵质量平衡方程式 通过系统边界的质量有：喷入气缸的瞬时燃油质量B m 、流入气缸的气体质量s m 及流出气缸的气体质量e m ，质量平衡的微分方程可写为： s e B dm dm dm dm d d d d φφφφ =++ ⑶气体状态方程式 pV mRT = ⑷气缸工作容积 21[1cos (121(sin 2180 h s h s V V V dV d φελπφλφ= +-+-=+ h V 气缸工作容积（3m ） V 气缸瞬时容积（3m ） s λ 曲柄连杆比（2s S L λ= ） dV d φ 气缸容积变化率 （3m /度）
内燃机工作过程的研究方法 摘要： 关键词： 1引言 内燃机是将燃料的化学能转换为机械能，且不断连续运转的机械装置。内燃机的工作过程实质上是 连续复杂的热力循环过程，大致分为三个过程：燃烧放热过程，缸内工质流动及热交换过程，进排 气系统热力学和气体动力学过程。研究内燃机工作过程的目的在于在保证内燃机正常工作的条件下， 如何提高内燃机的热效率，发出最大的功率，同时降低内燃机的油耗和低的污染物排放。因此评价 内燃机的性能指标，主要针对动力性和经济性提出，如平均指示压力、指示热效率、指示燃油热效 率等。上述三个过程都将影响到内燃机的各性能指标，而内燃机工作过程的复杂性增加了研究的难 度，也使得研究方法多样。本文将主要讨论内燃机工作过程的研究方法、所用试验仪器及测试原理、 仪器的使用条件等。 2燃烧模拟装置 内燃机工作过程研究最多属燃烧放热过程，燃烧的好坏直接关系到内燃机的效率、排放等；燃 烧过程也是最复杂的，受到各种边界条件的影响；针对不同边界条件对燃烧性能的影响，试验仪器 主要在定容燃烧弹、快速压缩机、单缸试验机及激波管等。各种测试和数据采集设备也随着相关科 学的发展而日新月异，研究领域也向着数字化、微观化、可视化的方向深入发展。 2.1定容燃烧装置 定容燃烧弹(简称容弹)主要模拟活塞在上止点附近时燃烧室中的燃烧，其特点是结构简单，能够 方便地改变热力参数(包括燃空比、残余废气系数、压力和温度)、湍流参数以及点火参数(火花塞位 置、电极间隙与点火能量)。研究这些参数中单一参数的变化对燃烧过程的影响，因而成为内燃机燃 烧理论基础研究中重要的工具和试验平台[5] [6]。根据试验目的不同，定容燃烧弹的结构形式多种多 样。 2.1.1可变湍流参数的定容燃烧弹 西安交大研制的定容燃烧弹通过带有通孔的板(简称孔板)的快速平动改变燃烧弹内混合气的湍流参数，研究不同湍流强度、尺度对燃烧性能的影响。图1为此燃烧测试系统的试验装置图，它包括定容燃烧弹湍流发生系统、混合气配制系统、点火系统、燃烧压力测量系统、纹影与高速摄影系统以及时序控制系统共7个子系统[7]。 图1 试验装置图
7 动力循环（Power Cycles） 热能向机械能转换需要通过工质地循环,理想地循环是卡诺循环,但卡诺循环并不实用,其中地等温过程就难以实现.利用相变过程固然可以实现等温过程,但在吸热温度、压力方面却不遂人愿,所以实际循环与卡诺循环地差异比较大.但实际循环与卡诺循环并不是一点关系也没有,实际循环与卡诺循环一样,也有吸热、作功、放热、压缩四种过程组成,其中吸热常常伴随燃料燃烧放热. 为了提高动力循环地能量转换地经济性,必须依照热力学基本定律对动力循环进行分析,以寻求提高经济性地方向及途径. 实际动力循环都是不可逆地,为提高循环地热经济性而采取地各种措施又使循环变得非常复杂.为使分析简化,突出热功转换地主要过程,一般采用下述手段：首先将实际循环抽象概括成为简单可逆理论循环,分析该理论循环,找出影响其循环热效率地主要因素和提高热效率地可逆措施；然后分析实际循环与理论循环地偏离之处和偏离程度,找出实际损失地部位、大小、原因及改进办法.本课程主要关心循环中地能量转换关系,减少实际损失是具体设备课程地任务,因此我们主要论及前者. 7.1 内燃动力循环 内燃机地燃料燃烧（吸热）、工质膨胀、压缩等过程都是在同一设备——气缸–活塞装置中进行地,结构紧凑.由于燃烧是在作功设备
内进行地,所以称为内燃机. 汽车最常用地动力机是内燃机,但是随着技术地进步、环境保护标准地提高与石油天然气资源紧缺,使用蓄电池、燃料电池或太阳能电池地电动汽车已经呼之欲出.目前提到汽车发动机仍然主要是指内燃机. 内燃机具有结构紧凑、体积小、移动灵活、热效率高和操作方便等特点,广泛用于交通运输、工程机械、农业机械和小型发电设备等领域.它是仿照蒸汽机地结构发明地,最初使用煤气作为燃料.随着石油工业地发展,内燃机获得了更合适地燃料——汽油和柴油.德国人奥托（Nicolaus A. Otto）首先于1877年制成了实用地点燃式四 1—气缸盖和气缸体；2—活塞；3—连杆；4—水泵；5—飞轮；6 —曲轴；7—润滑油管；8—油底壳；9—润滑油泵；10—化油器； 11—进气管；12—进气门；13—排气门；14—火花塞 图7-1 单缸四冲程内燃机结构
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，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，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。 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。 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。 建立理论循环的简化假设： 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。
内燃机理论循环的三种形式：等容加热循环、等压加热循环和混合加热循环。 三种理论循环的热效率分析： 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，混合加热循环的热效率介于两者之间； 当最高循环压力pz(或称为最高燃烧压力)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，混合加热循环的热效率仍介于两者之间。 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。 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。 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。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。 3)燃烧方面的限制 若压缩比定得过高，汽油机将会产生爆燃、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。 柴油机的压缩比εc一般在12～22之间，最高循环压力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 一、内燃机的燃料 （一）石油燃料 （二）天然气燃料 （三）代用燃料 (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
内燃机工作过程计算指导书
内燃机工作过程计算 一、内燃机实际工作过程的数值计算 1、基本原理与公式 在推导气缸工作过程计算的基本微分方程式时，作如下的简化假定： ①不考虑气缸内各点的压力、温度和浓度的差异，并认为在进气期间，流入气缸内的空气与气缸内的残余废气实现瞬时的完全混合，缸内状态是均匀的，亦即为单区计算模型。 ②工质为理想气体，其比热、内能仅与气体的温度和气体的组成有关。 ③气体流入或流出的气流为准稳定流动。 ④不计进气系统内压力和温度波动的影响。 ⑴能量平衡方程式 根据热力学第一定律，得出能量守恒方程的一般形式如下： m ：工质的质量 u ：工质比内能 Q ：燃烧放出的热量 Q ：通过系统边界传入或传出的热量 W ：作用在活塞上的机械功 m ：通过进气阀流入气缸的质量 m ：通过排气阀流出气缸的质量 h 和h ：分别为进气阀前和气缸内气体的比焓 ()w s e B s dQ dm dm dQ d mu dW h h d d d d d d φφφφφφ =++++B w s e s
⑵质量平衡方程式 通过系统边界的质量有：喷入气缸的瞬时燃油质量、流入气缸的气体质量及流出气缸的气体质量，质量平衡的微分方程可写为： ⑶气体状态方程式 ⑷气缸工作容积 气缸工作容积（） 气缸瞬时容积（） 曲柄连杆比（） 气缸容积变化率 （/度）⑸传热计算公式 气缸中的气体通过活塞顶面、气缸盖底面及气缸套的瞬时传热面进行热量传递。为简单起 ()(,) .1(()w s e B s d mu du dm m u d d d u f T du u dT u d d T d d dQ dm dm dQ dT dV dm u d p h h u m u d d d d d d d d m T φφφ λλφφλφ λφφφφφφφλφ =+=??∴=+???∴=+-++--??? B m s m e m s e B dm dm dm dm d d d d φφφφ =++pV mRT =222221[1cos (11sin 21(sin 2180 1sin h s s h s s V V V dV d φλφελπφλφλφ=+-+---=+-h V 3m V 3m s λ2s S L λ=dV d φ 3m
内燃机工作特点是，燃料在气缸内燃烧，所产生的燃气直接推动活塞 作功。下面，以图示的汽油机为例加以说明。 开始，活塞向下移动，进气阀开启，排气阀关闭，汽油与空气的混合气进入气缸。当活塞到达最低位置后，改变运动方向而向上移动，这时进排气阀关闭，缸内气体受到压缩。压缩终了，电火花塞将燃料气点燃。燃料燃烧所产生的燃气在缸内膨胀，向下推动活塞而作功。当活塞再次上行时，进气阀关闭，排气阀打开，作功后的烟气排向大气。重复上述压缩、燃烧，膨胀，排气等过程，周期循环，不断地将燃料的化学能转化为热能，进而转换为机械能。 内燃机工作原理简述 内燃机（Internal combustion engine）是一种热机，它将液体或气体燃料与空气混合后，直接输入机器内部燃烧产生热能再转化为机械能。 内燃机具有体积小、质量小、便于移动、热效率高、起动性能好的特点。但是内燃机一般使用石油燃料，同时排出的废气中含有害气体的成分较高。 往复活塞式内燃机的工作腔称作气缸，气缸内表面为圆柱形。在气缸内作往复运动的活塞通过活塞销与连杆的一端铰接，连杆的另一端则与曲轴相连，构成曲柄连杆机构。因此，当活塞在气缸内作往复运动时，连杆便推动曲轴旋转，或者相反。同时，工作腔的容积也在不断的由最小变到最大，再由最大变到最小，如此循环不已。气缸的顶端用气缸盖封闭。在气缸
盖上装有进气门和排气门，进、排气门是头朝下尾朝上倒挂在气缸顶端的。通过进、排气门的开闭实现向气缸内充气和向气缸外排气。进、排气门的开闭由凸轮轴控制。凸轮轴由曲轴通过齿形带或齿轮或链条驱动。进、排气门和凸轮轴以及其他一些零件共同组成配气机构。通常称这种结构形式的配气机构为顶置气门配气机构。现代汽车内燃机无一例外地都采用顶置气门配气机构。构成气缸的零件称作气缸体，支承曲轴的零件称作曲轴箱，气缸体与曲轴 箱的连铸体称作机体。 甲，基本术语 1. 工作循环 活塞式内燃机的工作循环是由进气、压缩、作功和排气等四个工作过程组成的封闭过程。 周而复始地进行这些过程，内燃机才能持续地作功 2.上、下止点 见下图： 活塞顶离曲轴回转中心最远处为上止点；活塞顶离曲轴回转中心最近处为下止点。在上、 下止点处，活塞的运动速度为零。 3.活塞行程 上、下止点间的距离 S 称为活塞行程。曲轴的回转半径 R 称为曲柄半径。显然，曲轴每回转一周，活塞移动两个活塞行程。对于气缸中心线通过曲轴回转中心的内燃机，其 S ＝2R 。 4.气缸工作容积
内燃机热力循环 一、燃气轮机循环 燃气轮机理想循环为布雷顿循环（Brayton Cycle) ，它是工质连续流动做功的一种轮机循环，如图1所示 。它既可作内燃布雷顿循环，又可作外燃布雷顿循环。内燃的布雷顿循环为开式循环，常用工质为空气或燃气。外燃的布雷顿循环是闭式循环，通过热交换器对工质加热，在另一热交换器排出工质余热。 循环过程为： 工质在压气机中等熵压缩1－2，在燃烧室（或热交换器中）等压加热2－3 ，在燃气轮机中等熵膨胀3－4和等压排气4－1 。 图1 燃气轮机循环 燃气轮机循环的指示热效率为 11k k i c ηπ-=- 式中，c π为压气机中气体的压比，k 为比热比。 燃气轮机开式循环常与内燃机基本循环配合使用。 二、涡轮增压内燃机热力循环 将涡轮增压技术（或燃气轮机技术）应用到内燃机上是内燃机循环的一项重大技术发展。一方面内燃机希望获得更多的进气（或可燃混合气）充量，以提高内燃机的功率和热效率；另一方面从内燃机排出的高温、高压废气能导入燃气涡轮中再作功，推动与燃气涡轮相连（同轴）的压气机来提高进气（或可燃混合气）的压力供给内燃机，这样就成为涡轮增压内燃机。涡轮增压内燃机有等压涡轮和变压涡轮两种系统，它们的热力循环也有所不同。 1．恒压涡轮增压内燃机热力循环 图2是等压涡轮增压内燃机热力循环。它由内燃机基本循环1→2→3’→3→4→1和燃气轮机循环7→1→5→6→7组成。
图2 等压涡轮增压内燃机热力循环 压气机将气体从状态7（大气压力p0）等熵压缩到状态1（压力为p s）之后进入内燃机。按内燃机热力循环到达状态4。气体在排气过程进入等压涡轮时由于排气门的节流损失和排气动能在排气总管内的膨胀、摩擦、涡流等损失而变成热能，气体温度升高，体积膨胀而到达状态5。气体从4→5 这部分能量没有利用，对内燃机来说相当于从状态4直接回到状态1。气体在等压涡轮中从状态5等熵膨胀到状态6，然后排入大气。 2 ．变压涡轮增压内燃机热力循环 变压涡轮增压内燃机热力循环如图3 。与等压涡轮增压内燃机热力循环不同，变压涡轮增压内燃机中气体从状态4 进入变压涡轮中排气能量不会由于排气管突然变粗而膨胀损失，进入变压涡轮前的气体压力在p4与p1’之间变化。如不计气体流动中的摩擦损失，气体在涡轮中的膨胀从开始排气时的p4→p5到最后的p1’→p5（因为后面从气缸中排出的气体压力不断下降）。 图3 变压涡轮增压内燃机热力循环 内燃机的等容放热过程4→1可看成为涡轮的等容加热过程1→4 ，然后为气体在涡轮内的等熵膨胀4→5 。5→6为等压放热过程。6→1为气体在压气机中的等熵压缩过程。 三、涡轮增压中冷内燃机热力循环
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 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。高压缩比c ε可以提高工质的最高燃烧温度，扩大了循环的温度阶梯，从而使热效率t η增加，但热效率t η增加率随着压缩比c ε的提高而逐渐减小。 2)增大压力升高比，可以增加混合加热循环中等容部分的加热量，使循环的最高温度和压力增加，因而提高了燃料热量的利用率，即循环的热效率t η。 3)增大初期膨胀比，使等压部分加热量增加，将导致混合加热循环热效率t η的降低，因为这部分热量是在活塞下行的膨胀行程中加入的，做功能力较低。 4)所有提高内燃机理论循环热效率的措施，以及增加循环始点的进气压力，降低进气温度a T ，增加循环供油量(b g ，即循环加热量B Q )等措施，均有利于循环平均压力的t P 提高。 理论上能够提高内燃机理论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：
第2章内燃机的工作原理 2.1第二章说明 进入第二章（内燃机原理）之后专业性较强，都是一些原理性的东西，如四冲程、二冲程柴油机工作原理、四冲程、二冲程汽油机工作原理、增压柴油机特点、多缸柴油机的工作顺序等等。传统教学方式由于受到媒体的限制而无法把这些运动状态表示出来让学生直观地看到运动，而只能通过多张示意图来表示，而且也只能表示出几个状态来而根本无法将整个过程演示给学生看。本课件借助于现代计算机技术如，flash动画等形象生动的表现出了多种内燃机的工作过程，使学生在学习过程中一目了然，把孤立的信息变成了信息流，课件所传递的信息量大大增加。可以说第二章是flash在多媒体课件中应用的成功范例。如图2-3此图为flash制作点击各冲程可以看到冲程，虽然本课件开发才刚刚开始，但已经毫无疑问的想我们说明了多媒体教学的优势所在，但也正是由于课件的开发刚刚起步，各种媒体和信息的运用上还有不成熟的地方如在前两章中有许多图片信息运用不当造成有些版面较为混乱等等。这些将成为在夏季张开发过程中要尽量避免的。随着对软件运用的熟练、课件开发小组成员审美观点的提高这些将逐渐地被克服。 2.2 基本结构和主要名词及演示图片 2.2.1柴油机的主要机件和系统 四冲程柴油机的主要机件如图2-1所示。 1．固定机件：机座1，机体4，主轴承3， 汽缸盖7，汽缸套6等。 2．运动机件：曲轴13，连杆10，活塞8， 活塞销9，连杆螺栓11等。 3．配气机构：凸轮轴14，顶杆15，摇臂16，气阀机构（进气阀17、排气阀
18、气阀弹簧19）等。
@图2-1四冲程机的主要部件 4．燃油系统：喷油泵20，高压油管21，喷油器2等 5．辅助机件：进气管5和排器管12等 此外，对于整机而言，还有润滑，冷却，启动和控制等系统。 2.2.2内燃机的主要名词 (a)上止点（b）下止点 @@图2-2活塞位置 (图片说明：该图使用flash制作，在课件里可以运动可以清晰的表现出个冲程活塞运动情况) 小说明：以后的图片中图前标有“@@”为flash演示图 1．上止点：活塞距曲轴中心最远的位置如图2-2(a)。 2．下止点：活塞距曲轴中心最近的位置如图2-2(b)。 3．活塞冲程（S）：上、下止点间的距离。 4．压缩室容积（V c）：活塞位于上止点时，活塞顶部与缸盖间的容积，又称燃烧室容积。 5．汽缸工作容积（V n）：活塞上、下止点之间的容积称为一个汽缸的工作容积，它可以用气缸直径D(cm)由下式表示： Vn=[(Pai*D**2)/4]*S*(10**3) 式中 S——活塞冲程（cm）。
第三章 内燃机的工作循环 概念：内燃机的工作循环是周期性地将燃料（化学能）燃烧所产生的热能转变为机械能的过程，由活塞往复运动形成的进气、压缩、膨胀和排气等有序联系和重复进行的过程组成。 首先在进气过程吸入新鲜空气，或空气与燃油的混合气，活塞压缩使气缸内工质的压力和温度升高到一定的程度，然后由火花点火或压燃着火燃烧释放出热能，推动活塞运动转化为机械功输出。燃烧做功后的排气排出气缸，继续下一个循环。 第一节 内燃机的理论循环 一、概念：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或等压加热循环，这些循环称为内燃机的理论循环。 二、为建立内燃机的理论循环，对内燃机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，具体有： （1）忽略进排气过程，将实际的开口循环简化为闭口循环，只考虑缸内过程； （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的影响； （4）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。 三、热效率分析 1、等容加热循环（汽油机） 1 1 1t k c ηε-=- 2、等压加热循环（柴油机）010111(1) t c κκρηεκρ--=-- 3、混合加热循环（柴油机）01011 11(1) p t c p p κκλρηελκλρ--=--+- 1）三种理论循环的热效率均与压缩比有关，提高压缩比c ε可以提高循环的热效率。 2）增大压力升高比p λ可以增加混合加热循环中等容部分的加热量，使循环的最高温度和最高压力增加，可以提高循环热效率； 3）增大初期膨胀比0ρ，使等压部分加热量增加，导致混合加热循环热效率
中国内燃机学会工作总结 时间飞逝，转眼间又到了年终。经统计20××年我会共举办学术活动12次，参加学术活动的代表1155人次，交流学术论文556篇，编辑出版论文集7册。 一、学术交流 中国内燃机学会第七届学术年会、国际内燃机学术研讨会和第六届中国国际内燃机及制造装备展览会（简称"二会一展""CSE"），于2007年10月10日至13日在上海举行。来自全国各地的300余位专家、学者和来自美国、英国、德国、奥地利、瑞士、日本、韩国的30余位外国专家、学者出席了这次盛会。 中国机械工业联合会执行副会长、中国内燃机学会理事长张小虞同志在展览会开幕式上讲话并剪彩。中国内燃机学会名誉理事长蒋德明、上海汽车集团股份有限公司肖国普副总裁、汪大总副总裁；阳树毅常务副理事长兼秘书长、副理事长干凤琪、马童立、金东寒、李树生、沈捷、苏万华、黄佐华；玉柴机器股份有限公司常务副总经理梁和平；专家技术咨询委员会成员徐兴尧、顾宏中、唐开元、王之麒、高宗英、许维达、吴培基、杨杰、饶如麟、卓松芳、苑发、周龙保、董尧清、楚梅森等资深专家应邀出席展览会开幕式，并同与会全体代表一起饶有兴趣的参观了内燃机展的全部展品。内燃机界参展的有潍柴动力、玉柴机器、上柴、云内、一汽锡柴、济柴、上内所、七一一所、七○所、天内所、天津大学、上海交大、西安交大、浙江大学、华中科技大学等行业的大企业、研究单
位和高等院校达40余家，展出的先进产品基本反映了我国内燃机产业制造、科技前沿的发展水平。 本次会议主题是"节能减排与自主创新"。国际内燃机学会（CIMAC）主席、奥地利AVL副总裁、Karl wojik卡尔·沃吉克先生、张小虞理事长，全国政协常委、清华大学欧阳明高教授，上海汽车集团股份有限公司汪大总副总裁，上海市内燃机学会理事长、上海交通大学卓斌教授，副理事长黄佐华教授和英国里卡多公司，美国西南研究院，凯特匹勒公司，瑞士ABB公司，上汽菲亚特红岩动力等公司的专家、教授应邀在大会上作了主题报告。这些报告都是内燃机界共同关注的热点问题，高屋建瓴，具有广度和深度，对企业、高校和科研人员有重要的指导意义，深受全体与会代表和会员们的欢迎。 会上，中外专家、学者共宣读交流论文219篇，这些学术论文主要内容有：内燃机工作过程、节能、排放控制、结构强度、振动噪声、新产品开发、高压共轨、增压、新材料新工艺、替代燃料、混合动力、激光诊断、特种发动机和先进的测试技术等，基本反映了内燃机学科领域内的主要研究方向、研究状况和研究成果，有相当一部分是国家下达的攻关项目，以及与国民经济发展密切相关的生产实际问题，论文质量达到了比较高的水平，一些学术观点和技术措施具有重要的应用价值。宣读交流的学术论文编辑出版了"内燃机科技--中国内燃机学会第七届学术年会论文集"（上、下册）和"20××年国际内燃机学术研讨会论文集"，并刻录了光盘。会上，对与会代表宣读的学术论文，经过专家认真评选，评出优秀论文一等奖3篇、二等奖10篇、三等奖12篇，同时颁发了优秀论文证书和奖金。
第一章内燃机的循环及性能评价指标 1内燃机是在气缸内将燃料的化学能通过燃烧转为热能，再通过曲柄连杆机构将热能转化为机械的动力装置.根据完成一次能量转换所需的行程数不同，内燃机分四冲程机和二冲程机2内燃机对外输出功需要的环节：第一环节：混合气的形成并导入气缸的过程.第二环节:燃烧放热过程.第三环节:能过量的传递过程。 3三种理论循环：等容丶等压丶混合加热循环，①当加热量和压缩比相同时放热Qp>Qm>Q v ②.加热量和最高压力一定时，Qv>Qm>Qp③最高压力和最高温度一定时Qv=Qm=Qp 4四冲程内燃机的实际循环热效率取决于混合气形成方式和燃烧放热规律，以及压缩比的最佳匹配.汽油机是均匀混合气以火焰传播形式迅速燃烧，柴油机根据混合气的形成特点家燃烧分预混合燃烧和扩散燃烧 5论循环的评价:常用循环热效率（是指热力循环所获得的理论功与为获得该理论功所加入的总热量之比）评价动力机械设备在能量转换过程中所遵循理论循环的经济性，用循环平均压力(是指单位气缸工作容积所做的循环功)评价循环的做工能力. 6四冲程内燃机的实际循环：由进气行程（过程）丶压缩行程（过程）丶做功行程（燃烧过程和膨胀过程）以及排气过程（过程）4个行程5个过程组成。评价指标：内燃机性能评价指标有两大类，即以活塞做功为基础评价气缸内热功转换的完善程度的指示指标；和以曲轴飞轮端对外输出的有效功为基础，从实用角度评价对外做功的有效指标。实际循环做功能力的评价指标主要有平均指示压力（定义为单位气缸工作容积所做的指示功）和指示功率（指发动机单位时间所做的指示功）。实际循环的经济指标有指示热效率和指示燃油消耗率。 7内燃机有效性能指标：①动力性指标a有效功率（克服运动件的摩擦损失功率以及驱动冷却风扇丶机油泵等附件所消耗的功率损失后，经曲轴对外输出的有用功。称指示功率在传递过程中所有内部消耗功率的总和为机械损失功率）b平均有效压力（单位气缸工作容积输出的有效功）②经济性指标a有效热效率（实际循环对外输出的有效功与未获得此有效功率所消耗的热量之比）③排放指标 8机械损失:内燃机的机械损失①摩擦损失62%-75%②驱动附件的损失10%-20%③泵气损失9机械损失的测定a倒拖法b示功图法c灭缸法 10 排气提前角如何影响发动机性能？①如果加大排气提前角，排气初期缸内压力和温度更高，超临界排气声速更高。排气量更多，缸内更多具有做工能力的气体排出缸外直接影响发动机的动力性和经济性②如果为了保证缸内已燃气体充分膨胀做功，而推迟（减小）排气提前角滞后，自由阶段排出的废气量减少，大部分留给强制排气阶段，使活塞推动废气排出时的损失增加，同样不利于发动机的动力性和经济性。存在着最佳的排气提前角，而且由于超临界排气速度与发动机转速无关，所以碎发动机转速的提高，超临界排气阶段所占的曲轴转角增加，因此，排气提前角随发动机转速的升高应适当提前。 11何为气门叠升现象？四冲程发动机在进气上止点，由于进气门提前开启丶排气门迟后关闭而造成排气门同时开启现象，称气门叠开现象。配气相位图又称配气定时图。 12（非）增压发动机为何有较小较大的气门叠升角？①对量调节的非增压点燃式发动机。通过节气门开度来控制负荷，进气管压力总是低于大气压力，小负荷进气管负压更大，此时进气提前角过大，高温废气可能倒流到进气管。由于这种量调节式发动机进气过程进入气缸的是混合气，容易造成气管回火，因此气门叠升角不宜过大。②质调节的压燃式柴油机，由于进气过程中进入的是纯空气，无节气门等节流损失，进气管压力始终接近于大气压力，采用较大的气门叠升角。③增压柴油机进气压力大于大气压力，新鲜空气在增压差的作用下进入气缸，采用较大的气门叠升角，使一部分空气通过气缸直接排到排气管。这个进气通过气缸直接排到排气管的现象称为扫气过程。扫气可以排除废气提高充气效果降低温度提高可靠性
内燃机工作过程计算 一、 内燃机实际工作过程的数值计算 1、 基本原理与公式 在推导气缸工作过程计算的基本微分方程式时，作如下的简化假定： ①不考虑气缸内各点的压力、温度和浓度的差异，并认为在进气期间，流入气缸内的空气与气缸内的残余废气实现瞬时的完全混合，缸内状态是均匀的，亦即为单区计算模型。 ②工质为理想气体，其比热、内能仅与气体的温度和气体的组成有关。 ③气体流入或流出的气流为准稳定流动。 ④不计进气系统内压力和温度波动的影响。 ⑴能量平衡方程式 根据热力学第一定律，得出能量守恒方程的一般形式如下： ()w s e B s dQ dm dm dQ d mu dW h h d d d d d d φφφφφφ =++++ m ：工质的质量 u ：工质比内能 Q B ：燃烧放出的热量 Q w ：通过系统边界传入或传出的热量 W ：作用在活塞上的机械功 m s ：通过进气阀流入气缸的质量 m e ：通过排气阀流出气缸的质量 h s 和h ：分别为进气阀前和气缸内气体的比焓
()(,).1() ()w s e B s d mu du dm m u d d d u f T du u dT u d d T d d dQ dm dm dQ dT dV dm u d p h h u m u d d d d d d d d m T φφφλλφφλφ λ φφφφφφφλφ=+=??∴ =+ ???∴=+-++--??? ⑵质量平衡方程式 通过系统边界的质量有：喷入气缸的瞬时燃油质量B m 、流入气缸的气体质量s m 及流出气缸的气体质量e m ，质量平衡的微分方程可写为： s e B dm dm dm dm d d d d φφφφ =++ ⑶气体状态方程式 pV mRT = ⑷气缸工作容积 21 [1cos (121(sin 2180 h s h s V V V dV d φελπφλφ=+-+--=+ h V 气缸工作容积（3m ） V 气缸瞬时容积（3m ） s λ 曲柄连杆比（2s S L λ= ） dV d φ 气缸容积变化率 （3m /度） ⑸传热计算公式 气缸中的气体通过活塞顶面、气缸盖底面及气缸套的瞬时传热面进行热量传递。为简单起
【考点精讲】 1. 使用最广泛，最常见的热机是内燃机。内燃机的基本特点是让燃料在机器的汽缸内燃烧，生成高温高压的燃气。利用燃气作为工作物质去推动活塞做功。内燃机有汽油机和柴油机两种。 2. 内燃机的四个冲程： 吸气冲程：“进开、排闭、向下冲”，吸进汽油和空气燃料的混合物； 压缩冲程：“双闭、向上冲”，混合物燃烧被压缩，压强增大，温度升高； 做功冲程：“双闭、向下冲”，压缩末尾，火花塞点火，燃料燃烧，产生高温高压燃气对外做功； 排气冲程：“排开、进闭、向上冲”，把废气排出汽缸。 3. 汽油机和柴油机的异同： 巧对比，看异同：汽油机和柴油机是两种常见的内燃机，它们的相同之处在于：基本构造和主要部件的作用相似；每个工作循环都有四个冲程。 看结构：汽油机汽缸顶部有火花塞、无喷油嘴；柴油机顶部有喷油嘴、无火花塞。 用燃料：汽油机为汽油，柴油机为柴油。 析过程：吸气冲程中，汽油机吸进的是汽油和空气的混合物，柴油机吸进的是空气，其他冲程类似。 【典例精析】 例题1如图所示是四冲程汽油机工作示意图，其中压缩冲程是把能转化为能。如图甲、乙所示，是我们课堂演示的两个实验，与压缩冲程原理相同的是实验。 思路导航：压缩冲程是把机械能转化为内能的过程。甲图是用力将活塞压下，活塞对空气做功，空气的内能增大，温度升高，达到了棉花的着火点，棉花就会燃烧，它是通过对物体做功来增大物体内能的，是将机械能转化为内能的过程；乙图对试管中的水加热，加快水的蒸发，使试管中水的内能增大，体积膨胀，对外做功，使塞子飞出去，内能转化为塞子的机械能。因此与压缩冲程原理相同的是甲实验。 答案：机械；内；甲 例题2科学家发明了一款单缸六冲程内燃机，它每一个工作循环的前四个冲程与单缸四冲程内燃机相同，在第四冲程结束后，立即向汽缸内喷水，水在高温汽缸内迅速汽化成高温、高压水蒸气，推动活塞再次做功，水蒸气温度（选填“升高”、“降低”或“不变”），其内能（选填“增大”、“减小”或“不变”），这样燃烧同样多的燃料获得了更多的机械能，提高了热机的。为进入下一个工作循环，这款内燃机的第六冲程是冲程。 思路导航：在做功冲程中，高温气体迅速膨胀对活塞做功，气体的内能减小，转化为机械能；在第四冲程结束后，立即向汽缸内喷水，水在高温汽缸内迅速汽化成高温、高压水蒸气，推动活塞再次做功，水蒸气温度降低；这样燃烧同样多的燃料获得了更多的机械能，提高了热机的效率；为进入下一个工作循环，这款内燃机的第六冲程是排气冲程。 答案：降低；减小；效率；排气 例题3（自贡中考）下列流程图是用来说明单缸四冲程汽油机的一个工作循环及涉及到的主要能量转化情况。关于对图中①②③④的补充正确的是（） A. ①做功冲程②内能转化为机械能③压缩冲程④机械能转化为内能
内燃机工作过程数值仿真 摘要：本文分析了内燃机燃烧理论,为进行内燃机工作过程的数值分析提供了基础"利用FIRE软件建立了某型内燃机的几何模型以及计算网格模型针对内燃机的具体运行过程,编制了5种常见的运行工况,并且利用该软件对该内燃机在上述工况下的工作过程进行模拟分析具体求解了该内燃机在不同的工况下缸内流场和燃烧过程随曲轴转角的变化。 关键词：内燃机；工作过程；数值仿真 Abstract:this paper analyzed the combustion theory, the working process of the numerical analysis for the internal combustion engine provides the basis "of a certain type of internal combustion engine was established based on software FIRE of geometric model and computing grid model according to the specific operation process of internal combustion engine, compiled the five kinds of common operation condition, and using the software of the internal combustion engine under the above conditions to simulate the working process of the analysis of" concrete under different conditions to solve the internal combustion engine in cylinder flow field and combustion process along with the change of the crankshaft rotation. Keywords: internal combustion engine ;working process; the numerical simulation 1引言 自内燃机问世以来,就以其便利、高效和经济性好得到了人们的喜爱,为人来的生产和生活带来了巨大的方便。内燃机给人们来了便利,随之而来的问题就是能源危机和环境污染当然包括噪声污染时至今日,节能和环保已经成为内燃机行业最迫切要解决的两大主题。为了在保证内燃机的动力性和经济性的同时,又达到节约能源和环保的目的,就不得不对内燃机的燃烧系统不断加以改进,重视缸内工作过程的研究"对内燃机燃烧学的研究主要有实验和数值模拟两种方法。实验法成本高、时间长、且受设备的限制。数值方法模拟可以更好的全面预测内燃机的性能,代替部分发动机试验,在不受时空限制的条件下进行各种变参数研
一、内燃机的常用术语 1、上止点： 2、下止点： 3、活塞冲程： 4、气缸工作容积： 5、燃烧室容积： 6、气缸总容积： 7、压缩比： 图4.1-1 单缸内燃机结构简图 （a）活塞位于上止点；（b）活塞位于下止点 1-排气门；2-进气门；3-喷油器（或火花塞）；4-气缸体；5-活塞；6-活塞销；7-连杆；8-曲轴 二、内燃机的工作原理
（一）单缸四冲程柴油机的工作原理 四冲程内燃机是由进气、压缩、做功和排气四个冲程完成一个工作循环。 当排气冲程结束,活塞移到上止点时，曲轴共旋转多少度?。 四冲程内燃机每完成一个工作循环，其中只有一个是做功冲程，其余三个都是做功冲程的辅助冲程，是消耗动力的。由于曲轴在做功冲程时的转速大于其他三个冲程的转速，因此，单缸内燃机的工作不平稳。多缸内燃机就可以克服这个弊病，例如，四缸四冲程内燃机的一个工作循环中，每一冲程均有一个气缸为做功冲程，因此，曲轴旋转较均匀，内燃机工作也就较平稳。 四冲程汽油机的工作过程与四冲程柴油机相似，主要不同之处是：
（1）混合气形成方式不同：汽油机的汽油和空气在气缸外混合（喷油器根据电控单元的控制指令将适量的汽油喷入进气门前与空气形成可燃混合气，待进气冲程时，再将燃油混合气吸入气缸中），进气冲程进入气缸的是可燃混合气。而柴油机进气冲程进入气缸的是纯空气，柴油是在做功冲程开始阶段喷入气缸，在气缸内与空气混合。 （2）着火方式不同：汽油机用电火花点燃混合气，而柴油机是用将高压柴油喷入气缸内，靠高温气体加热自行着火燃烧。所以汽油机有点火系统，而柴油机则无点火系统。 二）单缸二冲程汽油机的工作原理 二冲程内燃机的工作过程和四冲程内燃机一样，也是由进气、压缩、做功、排气四个过程完成一个工作循环。但它的一个工作循环是在曲轴旋转一圈内完成的，也就是说在活塞的二个冲程内完成的，故称为二冲程内燃机
内燃机工作过程模拟部分参考资料 第四节 内燃机循环的热力学模型 一、模拟计算的作用 对内燃机的热力学过程，特别是缸内的热力学过程进行模拟计算，在内燃机的研究与开发初期是非常有用的。它不仅可以预测所设计发动机的初步性能，进行多方案的比较，以期获得最佳的设计方案，而且也可以对结构参数与运行参数进行优化，对发动机的寿命和可靠性进行预测，以减少试验的工作量，缩短发动机的设计周期，节省开发研究费用。 热力学模型：以热力学基本概念为基础，不涉及内燃机中各种热力学参数在空间场的不均匀性问题以及工作过程的细节，故又称为零维模型。 热力学模型的基本思路是：从内燃机工作循环各系统内所发生的物理过程出发，用微分方程对各系统的实际工作过程进行数学描述，通过编制计算机程序，得到气缸内各参数随时间(或曲轴转角)的变化规律；然后，通过相应的计算公式，计算出发动机的宏观性能参数。 在推导气缸内工作过程计算的基本微分方程式时，采用如下的简化假定： 1)不考虑气缸内各点的压力、温度与浓度场的差异，并认为在进气期间，流入气缸内的空气与气缸内的残余废气实现瞬时的完全混合，缸内的状态是均匀的，亦即为单区过程。 2)工质为理想气体，其比热容、内能仅与气体的温度和气体的组成有关。 3)气体流入与流出气缸为准稳定流动，不计流入或流出时的动能。 4)缸内工质在封闭过程中无泄漏。 二、基本的微分方程组 在上述假定下，将气缸壁面、活塞顶面以及缸盖底面所围成的容积作为一个热力学系统，如图3—4所示。对该变容积热力学系统分别应用热力学第一定律、质量守恒定律以及气体状态方程，经过适当的变换，得到计算内燃机工作过程的通用方程组如下 )()(1?λλ???????d d u m d dm u h d dm h d dm d dV p d dQ d dQ T u m d dT e e s s w B ??--++-+??= （3—6） ????d dm d dm d dm d dm e s B ++= （3—7） mRT pV = （3—8） 式中，下标s 表示通过进气门流人气缸 的气体参数，下标e 表示通过排气门流出气 缸的气体参数，下标B 表示燃料燃烧放热项， 下标w 表示通过壁面与热力学系统间发生的热量交换。其余无下标的各项，分别表示气缸内的有关参数，而λ为瞬时过量空气系数，其意义见下文。 为了使得计算顺利进行，假定加入系统的能量或质量为正，离开系统的能量或质量为负。同时，假设内能为温度和成分的函数，并以λ来反映混合气的组成成分，则有