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
第1章思考题 1．什么是内燃机的循环热效率ηt？如何利用温一熵（T—S）图上的循环曲线来计算循环热效率？ 2．三种内燃机的基本理论循环本身有何差别？ 3．相同压缩比ε、比热比k 和循环加热量Q1 时，三种基本理论循环的热效率ηt 哪个大？哪个小？利用T—S 图加以证明。这种差别说明了什么? 4．利用T—S 图证明在Q1 及最高压力相同时，柴油机的热效率比汽油机的高。 5．一台压燃式发动机的压缩比为15。计算具有相同压缩比的Otto 理论循环和Diesel 理论循环的热效率。假设Diesel 理论循环压缩始点温度18oC，空气的加热量等于燃料提供的能量，空燃比28，燃料热值44MJ/kg，空气定压比热为1.01kJ/kg.K（与温度无关）。 6．简述理论循环分析对改善内燃机动力、经济性能的指导意义。 ７.什么是示功图？有什么作用？画出混合加热实际循环的两种示功图。 ８．若将真实工质特性替代理论循环的理想工质特性，将在哪几个方面对热效率产生影响？影响趋势如何？考虑真实工质特性之后，高、低负荷条件下，汽油机和柴油机的热效率的差距是加大了还是减小了？为什么？ 9根据定压增压柴油机循环和脉冲增压柴油机循环的P-V图画出T-S图。 10 比较汽油机和柴油机实际循环各特殊点的差异，并说明理由 11．实际循环比理想循环多增加了哪些损失项目？这些损失是怎样产生的？ １2.实际循环的压缩和膨胀过程为什么是多变过程？多变指数为什么是变化的？与什么有关？ １3．为什么会出现燃烧的时间损失？实际燃烧着火点的早晚对这一损失有何影响？有什么规律性？ 14．机械损失是由哪几部分组成的？每部分损失的特点及其起主要作用的因素是什么？15．简述各种机械损失测定方法的原理和适用范围。 16．内燃机的转速（活塞平均速度）和负荷大小对平均机械损失压力和机械效率的影 响如何？ 17．在目前内燃机循环条件下，采用何种措施可得到较高的ηte 值？ 18.某汽油机在3000r/min时测得其转矩为55N.m，在该工况下燃烧50mL的汽油需要的时间是25.7s，试计算有效功率Pe（kW）、每小时耗油量B（kg/h）和比油耗be（g/kW.h）。汽油的密度为0.73g/mL(17.3kw,5.1kg/h,294.8g/kw.h) 19．一台高性能四冲程火花点火发动机的排量是875cm3，压缩比为10:1，指示热效率是Otto 理论循环效率的55％。在8000r/min 时，发动机的机械效率是85％，充量系数0.9，空燃比13:1，燃料低热值44MJ/kg。空气在20oC 和0.1MPa 环境下吸入气缸。计算发动机的：a） 有效热效率和比油耗；b）空气流量、功率和平均有效压力。 答案：a) 0.28， 292.2g/kw.h, b)225.6kg/h, 59.5kw,1.02Mpa 20．某一柴油机的工作循环热力参数及相关参数如下： 压缩开始时的气缸压力p1 = o.1 MPa 最大允许的气缸压力p max = 9.5 MPa 压缩开始时的温度T1 = 296 K 在燃烧期加入的总热量q1 = 2120 kJ/kg 压缩比= 17 工作介质的摩尔质量M = 28.97 kg/kmol 比热比 = 1,4 a) 确定该理论工作循环的类型；b) 在p-v图和T-s图上画出该过程；c) 计算循环的峰值温度
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
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
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
?第一章发动机的性能? 1.简述发动机的实际工作循环过程。? 1）进气过程：为了使发动机连续运转，必须不断吸入新鲜工质，即是进气过程。此时进气门开启，排气门关闭，活塞由上止点向下止点移动。2）压缩过程：此时进排气门关闭，活塞由下止点向上止点移动，缸内工质受到压缩、温度。压力不断上升，工质受压缩的程度用压缩比表示。3）燃烧过程：期间进排气门关闭，活塞在上止点前后。作用是将燃料的化学能转化为热能，使工质的压力和温度升高，燃烧放热多，靠近上止点，热效率越高。4)膨胀过程：此时，进排气门均关闭，高温高压的工质推动活塞，由上止点向下至点移动而膨胀做功，气体的压力、温度也随之迅速下降。（5）排气过程：当膨胀过程接近终了时，排气门打开，废气开始靠自身压力自由排气，膨胀过程结束时，活塞由下止点返回上止点，将气缸内废气移除。? 3.提高发动机实际工作循环热效率的基本途径是什么？可采取哪些基本措施？? 提高实际循环热效率的基本途径是：减小工质传热损失、燃烧损失、换气损失、不完全燃烧损失、工质流动损失、工质泄漏损失。提高工质的绝热指数κ可采取的基本措施是：⑴减小燃烧室面积，缩短后燃期能减小传热损失。⑵.?采用最佳的点火提前角和供油提前角能减小提前燃烧损失或后燃损失。⑶采用多气门、最佳配气相位和最优的进排气系统能减小换气损失。⑷?加强燃烧室气流运动，改善混合气均匀性，优化混合气浓度能减少不完全燃烧损失。⑸优化燃烧室结构减少缸内流动损失。⑹采用合理的配缸间隙，提高各密封面的密封性减少工质泄漏损失。? 4.什么是发动机的指示指标？主要有哪些？?? 答：以工质对活塞所作之功为计算基准的指标称为指示性能指标。它主要有：指示功和平均指示压力.指示功率.指示热效率和指示燃油消耗率。?? 5.什么是发动机的有效指标？主要有哪些？?? 答:以曲轴输出功为计算基准的指标称为有效性能指标。主要有：1）发动机动力性指标，包括有效功和有效功率.有效转矩.平均有效压力.转速n和活塞平均速度；2）发动机经济性指标，包括有效热效率.有效燃油消耗率；3）发动机强化指标，包括升功率PL.比质量me。强化系数PmeCm.?? 6.总结提高发动机动力性能和经济性能的基本途径。? ①增大气缸直径，增加气缸数②增压技术③合理组织燃烧过程④提高充量系数⑤提高转速⑥提高机械效率⑦用二冲程提高升功率。? 7.什么是发动机的平均有效压力、油耗率、有效热效率？各有什么意
( 作业题：5,8,16,17) 第1章思考题 1．什么是内燃机的循环热效率ηt？如何利用温一熵（T—S）图上的循环曲线来计算循环热 效率？ 2．三种内燃机的基本理论循环本身有何差别？ 3．相同压缩比ε、比热比k 和循环加热量Q1 时，三种基本理论循环的热效率ηt 哪个大？哪个小？利用T—S 图加以证明。 4．利用T—S 图证明在Q1 和k 相同时，柴油机的热效率比汽油机的高。 5．一台压燃式发动机的压缩比为15。计算具有相同压缩比的Otto 理论循环和Diesel 理论 循环的热效率。假设Diesel 理论循环压缩始点温度18℃，空气的加热量等于燃料提供的能 量，空燃比28，燃料热值44MJ/kg，空气定压比热为1.01kJ/kg.K（与温度无关）。 6．简述理论循环分析对改善内燃机动力、经济性能的指导意义。 ７.什么是示功图？有什么作用？画出混合加热实际循环的两种示功图。 ８．若将真实工质特性替代理论循环的理想工质特性，将在哪几个方面对热效率产生影响？ 影响趋势如何？考虑真实工质特性之后，高、低负荷条件下，汽油机和柴油机的热效率的 差距是加大了还是减小了？为什么？ ９．真实循环比理想循环多增加了哪些损失项目？这些损失是怎样产生的？ １０.实际循环的压缩和膨胀过程为什么是多变过程？多变指数为什么是变化的？与什么有关？ １１．为什么会出现燃烧的时间损失？实际燃烧着火点的早晚对这一损失有何影响？有什么 规律性？ 1２．机械损失是由哪几部分组成的？每部分损失的特点及其起主要作用的因素是什么？ 1３．简述各种机械损失测定方法的原理和适用范围。为什么说除示功图法外，其余三种方 法都不可避免地将泵气功包括在测定值之内？ 1４．内燃机的转速（活塞平均速度）和负荷大小，对平均机械损失压力p m 和机械效率的影 响如何？有何规律？为什么？ 1５．简述内燃机废气及废热（冷却水带走部分）能量再利用的方式。在目前内燃机循环条 件下，采用何种方式可得到最高的ηet 值？ 1６.某汽油机在3000r/min时测得其转矩为55N.m，在该工况下燃烧50mL的汽油需要的时间是25.7s，试计算有效功率Pe（kW）、每小时耗油量B（kg/h）和比油耗be（g/kW.h）。汽油的密度为0.73g/mL 1７．一台高性能四冲程火花点火发动机的排量是875cm3，压缩比为10:1，指示热效率是Otto 理论循环效率的55％。在8000r/min 时，发动机的机械效率是85％，充量系数0.9，空燃比 13:1，燃料低热值44MJ/kg。空气在20℃和0.1MPa 环境下吸入气缸。计算发动机的：a） 有效热效率和比油耗；b）空气流量、功率和平均有效压力。 1８．某一柴油机的工作循环热力参数及相关参数如下： 压缩开始时的气缸压力p1 = 0.1 MPa 最大允许的气缸压力p max = 9.5 MPa 压缩开始时的温度T1 = 296 K 在燃烧期加入的总热量q1 = 2120 kJ/kg 压缩比= 17 工作介质的摩尔质量M = 28.97 kg/kmol 比热比= 1.4 a) 确定该理论工作循环的类型；b) 在p-v图和T-s图上画出该过程；c) 计算循环的峰值温度 和热效率。
理想循环：为了了解内燃机热能利用的完善程度，能量相互转换的效率，寻求提高热量利用率的途径，在不是其基本物理、化学过程特征的前提下，将内燃机的实际循环进行若干简化，使其近似乎于所讨论的实际循环，而又简化了实际变化纷繁的物理、化学过程，从而提出一种便于作定量分析的假想循环，称为“理想循环”。 实际循环与理想循环差异主要有：1、工质不同2、气体流动阻力3、涡流与节流损失4、传热损失5、燃烧不及时，后燃及不完全燃烧损失6、漏气损失； 压缩比：压缩比是一个描述工质容积变化和压缩程度的参数，定义为压缩始点容积比上压缩终点容积。 按什么原则取定压缩比： 压缩比的上限：a、对点燃式内燃机（如汽油机，煤气机），在缸内被压缩的是空气与燃料的混合物，上限受到可燃混合气早燃或爆燃的限制。因此，上限取值应考虑到燃料的性质，传热条件及燃烧室结构等因素。 b.对压燃式发动机（如柴油机,上限受到机械负荷Pc、Pz，噪声、排放（温度高,NOX上升；高温下CO2 分解形成CO）的限制。当压缩比上升到一定程度时，压缩比上升的程度明显减少，太高反而得不偿失。 压缩比的下限：a、对点燃式内燃机,在满足上限的限制下,尽量使压缩比高些；b、对压燃式发动机（如柴油机），应保证压缩终点的温度不低于燃料着火燃烧的自燃温度。 多变压缩指数影响因素：1、曲轴转速2、气缸尺寸3、周壁散热强度及充量扰动的速度； 多变膨胀指数影响因素：转速、燃烧速度、气缸尺寸、负荷等。 示功图：把内燃机在1个循环中气缸工质状态的变化，表示为压力与容积的关系图（p-V 图）或压力与曲轴转角的关系图称为示功图。 示功图作用：示功图直接表示了内燃机作功的大小，除此之外，还包含了许多反映内燃机性能的信息和数据，是评价分析内燃机性能的主要手段。 内燃机的指示参数是用以表征燃料燃烧释放出来的热能转变为机械能完善程度的一组参数，只考虑了气缸内因燃烧不完全和传热等方面所引起的热量损失，而没有考虑各运动副间所存在的摩擦损失、泵气损失和辅助机械损失等。内燃机的指示参数主要包括内燃机的平均指示压力pi、指示功率Ni、指示效率ηi以及指示油耗率gi。 指示压力的影响因素：增压度、过量空气系数、换气质量、油气混合完善程度、燃烧完善程度 机械损失功率：摩擦、泵气、压气机或扫气泵、辅助机械损失功率 指示效率及指示油耗率影响因素：燃料热能释放好坏、热量损失大小、热能转换有效程度 内燃机的有效参数包括平均有效压力pe、有效功率Ne、有效效率ηe及有效油耗率ge。它们与指示参数的不同之处就是除指示参数考虑的热力损失外，还考虑了机械损失。 内燃机性能：动力性、经济性、排放性、可靠性、运转性。 提高内燃机性能的措施：1、采用增压技术2、合理组织燃烧过程，提高循环指示效率3、改善换气过程，提高气缸的充气系数4、提高发动机的转速5、提高内燃机的机械效率6、采用二冲程提高升功率。 机械效率：在内燃机工作过程中，经曲轴输出的有效功率Ne总小于活塞所获得