第六章 内燃机的热负荷

内燃机热平衡内燃机热平衡是指内燃机在工作过程中，各种热量的流动和转化达到平衡状态。

内燃机是一种将化学能转化为机械能的装置，其工作过程中会产生大量的热能。

为了提高内燃机的效率和性能，需要对内燃机的热平衡进行控制和优化。

内燃机的热平衡主要包括热输入、热输出和热损失三个方面。

热输入是指内燃机吸收的燃料的热量，热输出是指内燃机输出的有效功和废热的总和，热损失是指内燃机在工作过程中由于各种原因而损失的热量。

热输入是内燃机的热平衡的基础，也是内燃机输出功的来源。

热输入主要取决于燃料的热值和燃料的消耗量。

燃料的热值是指单位质量燃料所释放出的热量，燃料的消耗量是指单位时间内燃料的消耗量。

燃料的热值越高，单位时间内燃料的消耗量越大，热输入就越高。

热输出是内燃机的热平衡的重要指标之一，也是内燃机性能的重要指标之一。

热输出主要包括有效功和废热两部分。

有效功是指内燃机输出的机械功，废热是指内燃机输出的除有效功以外的其他热量。

有效功的大小取决于内燃机的工作参数和工作状态，废热的大小取决于内燃机的热机制和热损失。

热损失是内燃机热平衡的主要影响因素之一，也是内燃机效率的主要影响因素之一。

热损失主要包括三个方面：机械损失、冷却损失和放热损失。

机械损失是指内燃机在工作过程中由于摩擦、密封等原因而损失的热量，冷却损失是指内燃机在工作过程中由于冷却介质的流动而损失的热量，放热损失是指内燃机在工作过程中由于传热和辐射而损失的热量。

降低热损失是提高内燃机效率的重要途径之一。

为了实现内燃机的热平衡，需要采取一系列的措施。

首先，要优化内燃机的工作参数和工作状态，使其在最佳工作区域内工作，提高有效功的输出。

其次，要改进内燃机的热机制和热传递方式，减小热损失。

例如，可以采用先进的燃烧技术和高效的冷却系统，提高燃料的利用率和冷却效果。

此外，还可以采用余热回收技术，将废热转化为有效热能，提高热输出。

最后，要进行严格的热平衡测试和分析，及时发现和解决热平衡不良的问题，保证内燃机的正常工作和高效运行。

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。

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 。

第一章1基本概念： 热 机是将燃料中的化学能转变为机械功的机器。

2按照燃料来分（见书第五页）汽油机，柴油机，CNG 发动机，LPG 发动机，酒精发动机，双燃料发动机，灵活燃料发动机，二甲醚发动机。

第二章 内燃机的工作指标1工作指标：动力性能指标(功率、转矩、转速)、经济性能指标(燃料与润滑油消耗率)、运转性能指标(冷起动性能、噪声和排气品质)和耐久可靠性指标(大修或更换零件之间的最长运行时间与无故障长期工作能力)。

2示功图的作用：从示功图可以观察到内燃机工作循环的不同阶段(压缩、燃烧、膨胀)以及进气、排气行程中的压力变化，通过数据处理，运用热力学知识，将它们与所积累的试验数据进行分析比较，可以对整个工作过程或工作过程的不同阶段进展的完善程度作出正确的判断。

因此，示功图是研究内燃机工作过程的重要试验数据。

3指示性能指标 ：一.指示功：指气缸内完成一个工作循环所得到的有用功Wi二． 平均指示压力:所谓平均指示压力，是指单位气缸容积一个循环所做的指示功(Pa) （物理意义）pmi=Wi/Vs三.、指示功率Pi ：发动机单位时间内所作的指示功。

即 Pi = Wi / ti = pmiVs / ti四：指示热效率：定义：发动机实际循环指示功与所消耗燃料热量的比值，即：ηit=Wi/Q1 Q1为得到指示功Wi 所消耗的热量（J ）。

五． 指示燃油消耗率 [g ／(kW ·h)];是指单位指示功的耗油量，它通常以单位指示千瓦小时的耗油量来表示： bi=(B/Pi)×1034.有效性能指标:一、机械效率和有效功率机械效率定义： m = Pe / Pi平均有效压力pme （Pa ， N/m2)单位气缸容积一个循环所作的有效功即 pme = We / Vs三、升功率PL （kW/L ）在标定工况下，发动机每升气缸工作容积发出的有效功率。

即 PL= Pe / i Vs5由吸入空气量计算平均有效压力 :两个重要的无量纲系数充量系数φc 定义： c = m1 / msh = M1 / Msh = V1 / Vs过量空气系数φa: φa=m1/gb*lo gb 为每循环燃料供给量，kg ；10001103()()//Pa L c sh c s sb a a a s i it mi s s et mesc S s u b u a c et s ume a u s me u s m V m g l l l W Q p V V Q p V V H g H l H p l H J kg kg m p H φφρφφφρηηφρφφηρφρρ========∴=1m 其中：为进气管状态下的空气密度。

内燃机的工作指标
内燃机是人类工业化进程中非常重要的一项技术，它被广泛应用于船舶、汽车、摩托车等运输和动力设备，也被用于产业领域的发电、农业机械等领域。

内燃机的发动机效率、热效率以及平衡机构的运行性能都是衡量内燃机性能的重要指标。

发动机效率是内燃机工作的主要指标之一，它指的是发动机在一段时间内把燃料的能量转化为机械能的能量的比率。

发动机效率一般是指单程式内燃机的发动机效率，在实际工作状态下，发动机效率受外界影响较大，因此，必须采取合理的参数调整、维护保养措施，才能使其达到理想性能。

热效率是内燃机的另一个重要指标，它表示燃料转化为机械能的能量的比率，它比发动机效率高一些，因为热效率还包括发动机排气出口处所散发的废热能。

热效率随着燃烧室压力和温度的变化而变化，一般情况下，当压力越高，温度越高，热效率越高，但这般情况也有限度，当发动机工作温度、压力超过一定范围时，就会出现热效率降低的情况。

内燃机的平衡机构是调节发动机工作性能的关键，它一般由活塞、连接杆、飞轮以及齿轮等部件组成，它的正确运行是内燃机稳定工作的重要保证，如果平衡机构不正常，发动机的效率和功率将大幅度降低，对整个发动机的使用寿命和可靠性也会造成负面影响。

以上就是内燃机的三大工作指标，它们都有着不同的检测和操作规程，为了保证发动机的正常工作，我们需要通过观察及定期的检查
维护来确保它们的正常运行，从而保证整个发动机的可靠性和可持续性。

《内燃机设计》第二版课后习题答案（袁兆成主编）第一章：内燃机设计总论1-1根据公式 τ2785.0ZD v p P m me e = ，可以知道，当设计的活塞平均速度V m 增加时，可以增加有效功率，请叙述活塞平均速度增加带来的副作用有哪些？具体原因是什么？ 答：①摩擦损失增加，机械效率ηm 下降，活塞组的热负荷增加，机油温度升高，机油承 载能力下降，发动机寿命降低。

②惯性力增加，导致机械负荷和机械振动加剧、机械效率降低、寿命低。

③进排气流速增加，导致进气阻力增加、充气效率ηv 下降。

1-2汽油机的主要优点是什么？柴油机主要优点是什么？ 答：柴油机优点： 1）燃料经济性好。

2）因为没有点火系统，所以工作可靠性和耐久性好。

3）可以通过增压、扩缸来增加功率。

4）防火安全性好，因为柴油挥发性差。

5）CO 和HC 的排放比汽油机少。

汽油机优点：1）空气利用率高，转速高，因而升功率高。

2）因为没有柴油机喷油系统的精密偶件，所以制造成本低。

3）低温启动性好、加速性好，噪声低。

4）由于升功率高，最高燃烧压力低，所以结构轻巧，比质量小。

5）不冒黑烟，颗粒排放少。

1-3假如柴油机与汽油机的排量一样，都是非增压或者都是增压机型，哪一个升功率高？为什么？答：汽油机的升功率高，在相同进气方式的条件下， ①由PL=Pme*n/30τ可知，汽油机与柴油机的平均有效压力相差不多。

但是由于柴油机后燃较多，在缸径相同情况下，转速明显低于汽油机，因此柴油机的升功率小。

②柴油机的过量空气系数都大于1，进入气缸的空气不能全部与柴油混合，空气利用率低，在转速相同、缸径相同情况下，单位容积发出的功率小于汽油机，因此柴油机的升功率低，汽油机的升功率高。

1-4柴油机与汽油机的汽缸直径、行程都一样，假设D=90mm 、S=90mm ，是否都可以达到相同的最大设计转速（如n=6000r/min ）？为什么？答：对于汽油机能达到，但是柴油机不能。

内燃机负荷特性实验指导书课程名称：内燃机原理试验名称：内燃机负荷特性试验试验课时：2学时针对专业：热能与动力工程．车用内燃机方向一、实验目的及要求实验目的(1) 掌握内燃机负荷特性的试验方法。

1) 通过实验掌握内燃机负荷的加载方法和转速、油耗率的测量方法。

2) 掌握内燃机功率、转速、油耗等测量仪器设备的选择、操作、使用方法。

3) 熟悉负荷特性试验测试数据的分析和处理方法。

(2) 通过实验，学习绘制、分析内燃机负荷特性曲线。

1) 依据原始数据和处理的数据，绘制内燃机负荷特性曲线。

2) 通过分析负荷特性曲线评价内燃机在规定转速下，内燃机部分负荷的经济性，并为合理选用和调整内燃机提供依据。

实验要求(1) 该实验使用大型设备，且消耗能源，考虑教学效果与合理利用资源及降低能源消耗等因素，每次参加试验的学生为10人左右。

(2) 实验前，复习内燃机负荷特性试验的相关内容，认真阅读实验指导书及附录中相关实验仪器设备的介绍。

(3) 实验时必须携带实验指导书、笔及记录纸。

经实验指导教师核对后方能进行实验。

(4) 实验中，按照指导教师的要求操作仪器设备，准确观测、记录数据，按步骤进行试验。

(5) 实验后，正确处理实验数据，绘制内燃机负荷特性曲线，分析内燃机在某转速下的负荷特性，认真撰写实验报告。

二、实验预习及准备实验原理1.负荷特性的定义当转速n保持不变时，内燃机某些性能参数随负荷的改变而变化的关系称为负荷特性。

如图1，图2所示。

这些参数主要有小时耗油量B，燃油消耗率be。

根据需要还可以增加排气温度、过量空气系数及排气烟度等。

图 1 柴油机负荷特性曲线 图2 汽油机负荷特性曲线2.负荷特性试验的作用负荷特性表明在某规定转速下，各种不同负荷时的耗油率be 随功率Pe 变化的关系。

通过特性曲线可以找出内燃机所能达到的最大功率Pemax 和最低耗油率be min 。

还可用来评价标定工况下的经济性，判断功率标定的合理性以及有关调整的正确性。

汽车发动机的热循环与热负荷在汽车的核心部件中，发动机无疑是最为关键的部分之一。

而发动机的正常运行，离不开其内部复杂而精妙的热循环过程，以及所承受的热负荷。

要理解汽车发动机的热循环，首先得明白这是一个涉及能量转化和传递的连续过程。

简单来说，它就像是一场精密编排的“热能舞蹈”。

发动机的热循环主要包括四个冲程：进气冲程、压缩冲程、做功冲程和排气冲程。

在进气冲程中，活塞下行，进气门打开，混合气（对于汽油机）或纯空气（对于柴油机）被吸入气缸。

这个过程就像是给一个“大容器”装满了“原料”。

接下来是压缩冲程，活塞上行，进气门和排气门都关闭，混合气或空气被压缩。

这一步就像是给“原料”施加压力，让它们紧密聚集在一起，为后续的“爆发”做好准备。

然后是做功冲程，这是整个热循环的关键。

当活塞接近上止点时，火花塞点燃混合气（汽油机）或柴油被高温高压自行点燃（柴油机），产生的高温高压气体推动活塞下行做功。

这个瞬间，化学能迅速转化为热能和机械能，就像是一场剧烈的“能量爆发”，推动着汽车前进。

最后是排气冲程，活塞再次上行，排气门打开，燃烧后的废气被排出气缸，为下一个循环做好准备。

在这个热循环过程中，热负荷始终是发动机需要面对的重要挑战。

热负荷可以理解为发动机在工作过程中所承受的热量负担。

那么，发动机为什么会承受热负荷呢？这主要是由于燃烧产生的高温以及零部件之间的摩擦。

燃烧时，气缸内的温度可以高达数千摄氏度，这些高温会直接传导给气缸壁、活塞、气门等部件。

同时，零部件在高速运动中相互摩擦也会产生热量。

高热负荷会给发动机带来一系列的问题。

首先，高温会导致零部件的热膨胀。

如果膨胀不均匀或过大，就会影响零部件之间的配合精度，甚至可能出现卡死的情况。

其次，高温会加速零部件的磨损和老化。

就像长时间在高温下工作的机器容易损坏一样，发动机的零部件也会因为持续的高温而缩短使用寿命。

此外，过高的温度还可能导致机油变质，降低润滑效果，进一步加剧磨损。

内燃机热力循环-打印版内燃机热力循环一、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 。

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。