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2、等压加热循环（柴油机） 1 0 1c * 1 2 3 4 ( 01)3、混合加热循环（柴油机） p ( 01)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。
1） 三种理论循环的热效率均与压缩比有关，提高压缩比c 可以提高循环 的热效率。
2） 增大压力升高比p 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°，使等压部分加热量增加，导致混合加热循环热效率降低；4）增加循环始点压力，降低进气温度，增加循环供油量等，均有利于循环 平均压力的增加。
四、提高循环热效率和平均压力的限制1） 结构强度的限制；2） 机械效率的限制；3） 燃烧方面的限制；4） 排放方面的限制。
第二节 内燃机的燃料和热化学一、内燃机的燃料（一） 石油基燃料组成元素：主要C 、H ;少量0、N 、S 。
烷烃、烯烃、环烷烃和芳香烃等组 成。
汽油：C 原子5—12;轻柴油：C 原子10-22（二） 柴油的理化性质m EGREGR 1、 自燃性：在无外源点火的情况下，柴油能自行着火的性质叫自燃性。
自行着火的最低温度叫自燃温度。
衡量：十六烷值，正十六烷 C 16H 34， 100， —甲基萘C 11H 10，0。
第三章：内燃机的工作循环内燃机的理论循环3种形式：等容加热循环、等压加热循环、混合加热循环等容加热循环：加热循环很快完成，热效率仅与压缩比有关等压加热循环：加热过程在等压条件下缓慢完成，负荷的增加使得热效率下降。
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，当最高循环压力相同、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。
得出结论：1、提高压缩比，提高了热效率，但提高率随着压缩比的不断增大而逐渐降低2、增大压力升高比，可使热效率提高3、压缩比以及压力升高比的增加，将导致最高循环压力的急剧上升4、增大初始膨胀比，可以提高循环平均压力，导致热循环效率降低5、等熵指数增大，循环热效率提高柴油的理化性质：自然温度、馏程、粘度、含硫量等，以自然温度和低温流动性影响较大。
1、自然温度：柴油在无外源点火的情况下能够自形点火的性质为自然性。
能够使柴油自行着火的最低温度称自然温度。
自然性用正十六烷值衡量2、低温流动性（浊点与凝点）：温度降低时，柴油中所含的高分子烷簇（如石蜡）和燃料中夹杂的水分开始析出并结晶，使原来呈半透明状的柴油变得浑浊，达到这一状态的温度值就是柴油的浊点，当温度再降低时，柴油完全凝固，此温度称为凝点。
3、化学成分及发热量：燃油的化学成分：碳、氢、氧、氮。
1千克柴油完全燃烧所发出的热量叫做燃料的发热量或热值。
汽油的理化性质：挥发性和抗爆性1、挥发性：表示液体燃料汽化的倾向，与燃料的馏分组成、蒸汽压、表面张力以及汽化潜热有关。
汽油馏出的温度范围称为馏程。
初馏点：40－80︒C，终馏点：180－210︒C。
2、抗爆性：燃料对发动机发生爆燃的抵抗能力称为燃料的抗爆性。
汽油的抗爆性是以辛烷值来表示的。
根据试验规范的不同，所得的辛烷值分别称为马达法MON或研究法RON辛烷值气体燃料：天然气、液化石油气、氢气、煤气、沼气。
代用燃料：醇类燃料、植物油燃料燃烧：燃烧是外界热源向工质在一定条件下加热的过程。
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涡轮增压中冷内燃机循环是在涡轮增压内燃机循环的基础上将经压气机出口进入内燃机进气管的空气进行预先冷却，即空气从状态1'→3 变为1→2（图4)，冷却带走的热量为Q 6 ，以增加进入气缸内的空气充量，降低循环温度，特别是降低燃气的最高温度，有利于抑制、减少NOx 的排放。
图4 涡轮增压中冷柴油机的热力循环涡轮增压中冷内燃机循环指示热效率为11101(1)(1)[(1)(1)]t W κκκλρκεηελκλρ---+--=-+- 式中，ε1=V1/V2为压气机的压缩比；，ρ=V 6/V 5为初膨胀比；W=V 2/V 3为中冷比；δ=V 7/V 6为后膨胀比；ε2=V 3/V 4为内燃机压缩比；λ=P 5/P 4为压力升高比；ε0=ε1ε2为增压内燃机总压比。
图中，Q 1为内燃机中气体等容加热量；Q 2为内燃机中气体等压加热量；Q 3为涡轮中气体等压加热量；Q 4为内燃机中气体等容放热量；Q 5为涡轮中气体等压放热量；Q 6为中冷器中气体冷却量。
如无中冷，W=1，则101[(1)(1)]t κκλρηελκλρ--=-+- 四、阿特金森热力循环（Atkinson Cycle)阿特金森循环（图5）是一种内燃机循环。
它与奥托循环的差别在于排气过程是等压而不是等容。
如p －V 图，T －S 图所示。
在相同工质数量和加热量的条件下，它有较大的膨胀功，所以热效率高。
图5 阿特金森热力循环阿特金森循环曾应用于沙金(Sargent）煤气机上（图6）。
煤气与空气的混合气以大气压力p进入气缸，当活塞向下死点运行至3S/4行程时，进气门就关闭，在其余S/4 行程内混合气0体就在气缸中沿。
aa”线膨胀至低于大气压的a”点，当活塞从下止点向上止点运动时，缸内混合气仍沿a”a 线，并继续绝热压缩到c 点。
其后，工质继续被绝热压缩至上死点c。
在c 点点火并按等容过程进行燃烧。
由于膨胀行程比压缩行程约大1/4 ，阿特金森循环功比奥托循环功增加相当于阴影面积。
但实际上因膨胀后期膨胀压力较低，膨胀功并不大。
如果设计与制造水平不高，减去摩擦功及散热量的增加最后所得无几，反而使结构复杂。
自由活塞压气机和燃气涡轮组成的内燃机循环可近似看成这种循环。
图6 沙金煤气机热力循环五、米勒热力循环（Miller Cycle )米勒热力循环是1951 年由米勒提出。
在汽油机或煤气机部分负荷工作时通过调节配气定时，可以减小泵气损失，使气缸内工质的膨胀比大于压缩比，如图7(a）中的膨胀线3－4和压缩线1－2，以改善汽油机或煤气机在低负荷时的效率下降。
在相同的压缩比下，米勒循环热效率要比阿特金森循环热效率高。
在由于爆燃而限制汽油机压缩比提高的情况下，增大膨胀比可改善循环的指示效率。
在柴油机上米勒热力循环是阿特金森热力循环在高增压内燃机上的发展与应用。
其实质是低温高增压，即利用提前关闭进气门使进气充量减小，并在进气行程中在气缸内继续膨胀、冷却，实现可变压缩比和不变的膨胀比。
用于柴油机上的米勒热力循环如图7(b）、（c）。
图7 米勒热力循环(a）汽油机方式；(b）、（c）柴油机方式在较高的进气压力p s与不变的压缩比ε下，依靠不同程度提前关闭进气门，以适应不同的增压压力，从而自动调整实际压缩比，维持压缩终了压力p c和最大爆发压力p zmax不变，完成acz’zba’a 热力循环。
其余的排气能量bb'a”则在废气涡轮中利用并推动压气机作功。
压气机将空气压力从p0提高到p s（在a”b”膨胀线上或在b” a”压缩线上）。
一般增压的内燃机热力循环与米勒热力循环的比较如图8 ，其热力参数如表1 。
米勒循环的优点为：①在相同的压缩终了压力p2下允许达到较高的平均有效压力p e；②指示热效率ηi高；③在起动与低负荷时运转性能良好；④可获得较高的容积效率，特别是可改善内燃机在低速运转时空气量的不足；⑤在膨胀终了温度t5及燃烧最高温度t4基本不变时可大幅度提高平均有效压力p e，因而可保证高增压内燃机的机械负荷和热负荷不变。
图8 一般增压内燃机与高增压米勒热力循环内燃机比较(a）一般增压循环；(b）较高增压米勒循环；（c）高增压米勒循环表1 不同循环方式的热力参数比较米勒循环适用于大缸径的中、低速柴油机上，在长冲程发动机上能充分发挥优势。
六、多缸内燃机保持最佳热效率的各种热力循环内燃机特别是移动式（车辆、船只）内燃机其工作负荷是变化的，因而其热力循环参数是不同的。
在部分负荷时循环热效率大为降低。
为了保持最佳热效率，在多缸内燃机上，特别是在高增压的柴油机上采用停缸、充量转换和顺序增压等热力循环方式。
1 ．停（关）缸在多缸高增压柴油机上，由于要限制柴油机内燃气的最大爆发压力和最高温度，都要适当降低压缩比ε（视增压度高低ε=10～14 ）。
但在部分负荷或小负荷时会使起动困难，燃烧恶化，有害气体排放增加。
在此情况下与其各个气缸的热力循环都不好，不如关掉一些缸而让另一些气缸在最好的热力循环下工作。
德国MTU公司396－03系列增压柴油机采用的关缸技术是将柴油机的气缸分为两组。
同轴的喷油泵齿杆分别控制供给该两组气缸油量的喷油泵柱塞。
在液压油的作用下同轴的喷油泵齿杆可以相对移动，使一组气缸供油，一组气缸不供油。
2．停缸与充量转换高增压柴油机当压缩比ε=8.5～12 时，压缩终了气体压力和温度都大幅度下降，起动时起动转速低，在气缸上也没有形成有效的油膜，气缸内漏气量也明显增加（约为压缩开始时气缸内充气量的80％～85％) ，这些都使柴油机的起动十分困难，燃烧也不好。
为此可采用气缸充量转换方式，将停缸（也即供气缸）的压缩空气通入工作缸（也即充气缸）内。
为了保证供气压力和正确的配气相位，供气缸必须比充气缸提早50º～120º曲轴转角，即充气缸开始压缩，供气缸已处在压缩阶段。
供气时刻约在充气缸进气门刚关闭时，供气延续到充气缸压缩上止点前40º～80º曲轴转角，这时供气缸内的气体压力仍约略高于充气缸内的气体压力。
这种充量转换的热力循环方式在低转速时效果明显。
转换的空气充量约为充气缸开始压缩时空气量的30％。
压缩终了温度约可提高70℃，压缩比则可比原值提高3。
当转速超过1000 r/min，由于充量转换阀（机械的、气动的或电动的单向阀）、管路等的压力损失及空气转送时间减小而使转送的空气质量减少。
3 ．停止增压或部分增压为改善增压内燃机部分负荷的热力循环，也可采用相当于上面所说的关缸方式，不过它不是关掉内燃机的某些气缸，而是让涡轮增压器不工作，这时增压内燃机就成为非增压内燃机，或让其中一个涡轮增压器（如果有两个并联的涡轮增压器，即单级增压或有两个串联的涡轮增压器，即两级增压）不工作，使涡轮增压器始终在高效率区运行，从而可保证增压内燃机在最好的热力循环下运行。
停止增压或部分增压的主要装置是在涡轮和压气机的进口处分别安装控制阀和止回阀。
进、排气管也作相应的变动。
在压气机前的止回阀只允许空气沿正常方向流动，在受到反向空气压力时就自动切断。
在停止向涡轮供气时仍保留少量的燃气流入涡轮，使涡轮增压器转子保持一定转速和维持一定温度，一旦需要恢复增压器工作时就可缩短工作时间。
当增压器重新投入工作时，涡轮前的控制器打开，涡轮先加速，直到压气机前的止回阀与压气机间的空气压力降低到止回阀开启的负压时压气机便投入工作。
这样既可防止涡轮超速，又可保证涡轮在一定转速下承受压气机负荷。
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