内燃机理论讲解
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。
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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
1、⽯油中烃的分类
从化学结构上看，⽯油基本上是由脂肪族烃、环烷族烃和芳⾹族烃等各种烃类组成的混合物。
脂肪族烃包括烷烃和烯烃，烷烃是⼀种饱和链状分⼦结构，其中直链式排列的正构烷热稳定性低，在
⾼温下易分裂，滞燃期短，适合作柴油机的燃料；⾮直链排列的异构烷抗爆性强，⾃⾏着⽕的倾向⽐正构烷⼩得多，适合作汽油机的燃料，并且常⽤异构烷来作为评价汽油燃料抗爆性的标准。烯烃是种不饱和的链状烃，其热值较低，着⽕性能差，只适合作汽油机的燃料。
环烷族烃的碳原⼦不是链状⽽是环状排列，属饱和烃，其热稳定性⽐脂肪族⾼，⾃燃温度较脂肪族⾼，适合作汽油机的燃料。
芳⾹族烃具有较⾼的化学和热稳定性，在⾼温下分⼦不易分裂，抗爆燃性能极强，⾃燃温度⽐脂肪族烃和环烷族烃⾼，也适合作汽油机的燃料或作为汽油的抗爆添加剂。其中，属于芳⾹烃的α－甲基萘与正⼗六烷还⽤作评定柴油机⾃燃性能(⼗六烷值)的标准燃料。 2. ⽯油的炼制⽅法与燃料
直接蒸馏法：将原油在专⽤的炼油塔(分馏塔)中进⾏加热蒸馏，不同的分馏温度，得到不同成分的燃油，最终获得的燃料约占原油的25％⼀40％；
裂解法：将蒸馏后的重油等⼀些⾼分⼦成分通过不同的技术⼿段裂解为分⼦量较轻的成分。其中，通过加温加压的⽅法进⾏裂解的称为热裂解法，使⽤催化剂(触媒)进⾏裂解的称为催化裂解法。
表3—2给出了在从原油提炼液体燃料过程中，不同炼制⼯艺对油料性质的影响。热裂解法虽然⼯艺简
单，但由于所得到的燃油稳定性较差，⼀般还需要进⾏催化裂解等炼制过程，以保证质量。值得强调的是，每⼀种商品燃料都是多种烃类的混合物，⽽且是各种炼制⼯艺所得油料的调和产物；近年来，为了提⾼汽油燃料的⾟烷值，⼤量采⽤催化重整⼯艺，即将低⾟院值的汽油在铂、镍等催化剂的接触催化下进⾏重整，使其⾟烷值⽔平得到进⼀步提⾼。
3. 柴油和汽油的理化性质
(1)柴油的理化性质与柴油机性能有关的燃料特性是⾃燃温度、馏程、粘度、含硫
量等，其中，以⾃燃温度和低温流动性(凝点)影响最⼤
1)⾃燃温度
柴油在⽆外源点⽕的情况下能够⾃⾏着⽕的性质称之为⾃燃性，能够使柴油⾃⾏着⽕的最低温度称为⾃燃温度。柴油的⾃燃性⽤⼗六烷值衡量。
⼗六烷值的评定需⽤两种⾃燃性能截然不同的标准燃料作⽐较，⼀种是正⼗六烷C16H34，⾃燃性很好，其⼗六烷值定义为100；另⼀种是α－甲基萘C11H10，⾃燃性很差，其⼗六烷值定义为0。在标准的专⽤试验机上，分别对待试柴油和⼀定混合⽐例的正⼗六烷与α－甲基萘混合液进⾏⾃燃性⽐较；当两者⾃燃性相同时，混合液中正⼗六烷的容积百分⽐，即为所试柴油的⼗六烷值。⼗六烷值⾼的柴油，其⾃燃温度低，滞燃期短，有利于发动机的冷起动，适合于⾼速柴油机使⽤，但过⾼⼗六烷值的柴油在燃烧过程中容易裂解，造成排⽓过程中的碳烟。因此，⼀般情况下，常限制柴油的⼗六烷值在65以下。
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2)低温流动性(浊点与凝点)
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温度降低时，柴油中所含的⾼分⼦烷族烃(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。此时尽管柴油仍然具有流动性，但其析出的结晶会堵塞滤清器和油管等；当温度再降低时，柴油即完全凝固，此时的温度称为凝点。
柴油在低于凝点后，⽆法正常供应与⼯作；⽤降凝剂可以降低凝点，但对浊点影响不⼤。
我国的国标中对轻柴油的标号，即是按照柴油的凝点来规定的。如国产0号柴油凝固点为0℃，适合夏季使⽤。-20号柴油凝固点为-20℃，适合冬季或寒冷地区使⽤。
3)化学成分及发热量
燃油的化学成分是⽤碳、氢、氧、氯四种元素的质量分数表⽰的，其中碳的质量分数⼀般在85％以上，⽽含氮则很少，往往可以忽略不计。1kg燃油完全燃烧所放出的热量叫做燃料的发热量或热值，其单位为kJ／kg。
⾼热值：计及⽔蒸⽓冷凝时放出汽化潜热的发热量；
低热值：不计及汽化潜热的发热量。
在内燃机中，燃油的发热量常⽤低热值：—般柴油机的低热值为42500～44000kJ／kg。
(2)汽油的理化性质
对于汽油机来说，与其性能有关的燃料特性主要是挥发性和抗爆性。
1)挥发性表⽰液体燃料汽化的倾向，与燃料的馏分组成、蒸⽓压、表⾯张⼒以及汽化潜热等有关。汽
油馏出的温度范围称为馏程。汽油蒸发—般以蒸发馏程中馏出⼀定⽐例的燃料时所对应的温度来表⽰。10％馏出温度越低，则汽油机在低温下越容易起动，但过低的馏出温度，在⾼温下容易发⽣⽓阻；50％馏出温度表⽰汽油的平均挥发性，是保证汽车加速性和平稳性的重要指标；90％馏出温度和终馏温度过⾼，易产⽣积碳并稀释曲轴箱润滑油。⼀般初馏点为40～80℃，终馏点为180～210℃。
汽油的饱和蒸⽓压是⽤标准仪器在⼀定条件下(38℃)测定的。蒸⽓压⾼，挥发性强、汽油机容易起动，但产⽣⽓阻倾向和挥发损失也⼤。⼀般规定蒸⽓压在夏季不低于67kPa；、冬季不⼤于80kPa。
汽油的挥发性应当满⾜发动机冷起动和暖车过程在内的所有⼯况的要求，但挥发性过⾼，会增加因蒸发⽽形成的有害HC排放物。
2)抗爆性燃料对于发动机发⽣爆燃的抵抗能⼒称为燃料的抗爆性。烷烃抗爆性最差，烯烃次之，环烷烃较好，芳⾹烃最好。在同⼀种烃内，轻馏分优于重馏分，异构物优于正构物。从炼制⼯艺来看，直馏汽油的⾟烷值最低，热裂解汽油的⾟烷值较低，⽽催化裂解、重整汽油的⾟烷值较⾼。
汽油的抗爆性是以⾟烷值来表⽰的。汽油的抗爆性的评价也是基于两种标准燃料：⾟烷值为100的抗爆性能较佳的异⾟烷
C8H18和抗爆性较弱、⾟烷值为0的正庚烷C7H16。在专⽤的试验机上，将所试油料的爆燃强度同标
准混合液(异⾟烷与正庚烷按⼀定⽐例混合的混合液)的爆燃强度相⽐较，当两者相同时，标准混合液中所含异⾟烷的体积分数，即为所试油料的⾟烷值。根据试验规范的不同，所得的⾟院值分别称为马达法MON或研究法RON⾟烷值。我国⽣产的汽油是按研究法⾟烷值RON 分级的。
不断提⾼汽油燃料的⾟烷值，以适应发动机强化的需求，是汽车⼯业对于⽯油化⼯⼯业提出的要求。提⾼⾟烷值的传统⽅法，是在汽油中添加⾼效抗爆剂如四⼄铅Pb(C2H5)4，但由于该添加剂含铅量⾼，对⼈体及环境有较为严重的危害，同时还会使排⽓催化转换器中的催化剂严重中毒⽽导致失效，因⽽逐渐被淘汰。⽬前，提⾼汽油⾟烷值的主要措施是采⽤先进的炼制⼯艺和使⽤⾼⾟烷值的调和剂，如加⼊甲基叔丁基醚(MTBF)、⼄基叔丁基醚(ETBE)或醇类燃料等，以获得较⾼⾟烷值⽽⽆其他不利于环保的副作⽤。
汽油和柴油的物性差异决定了汽油机和柴油机在混合⽓形成、着⽕和燃烧上的差异 1）混合⽓形成
汽油机：柴油机：
外部形成内部形成
均匀混合⽓⾮均匀混合⽓
α较⼩α较⼤
量调节（负荷）质调节（负荷）
2）发⽕⽅式
汽油机：柴油机：
外源点⽕⾃⾏着⽕
单⽕源发⽕多⽕源着⽕
3）燃烧⽅式
汽油机：柴油机：
以⽕焰传播⽅式为主以扩散燃烧⽅式为主
接近等容燃烧接近先等容后等压燃烧
(⼆)⽓体燃料
内燃机所⽤的⽓体燃料主要有天然⽓、液化⽯油⽓、氢⽓、煤⽓、沼⽓等。
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1.天然⽓
天然⽓主要成分为链烷烃化合物的甲烷CH4 (容积⽐可达95以上)，另外还包括⼄烷C2H6以及丙烷C3H8等。天然⽓的热值和⾟烷值均较⾼，在⽤作点燃式发动机的燃料时，通过适当的技术措施，如提⾼发动机的压缩⽐等，可以接近原发动机的动⼒性能。同时，天然⽓⼜是⼀种⽐较洁净的能源，排污低，使⽤⽐较⽅便，特别是压缩天然⽓(CNG——Compressed Natural Gas)，便于储存，配合相应的基础设施〔如加⽓站〕的建设，在城市车辆如公共汽车、出租车中具有⼴阔的应⽤前景。
2.液化⽯油⽓
液化⽯油⽓(LPG-Liquefied Petroleum Gas）⽓或⽯油炼制过程中⽣产的⽯油⽓，主要成分是丙烷C3H8、丙烯C3H6、丁烷C4H10、丁烯C4H8及其异构物，在常温下加压，可以变成液体燃料，其单位容积热值⾼于天然⽓，可以作为汽油机的燃料，还可以获得较好的排放性能
(三)代⽤燃料
1.醇类燃料
醇类燃料有甲醇CH3OH和⼄醇C2H5OH。甲醇可以从天然⽓、煤、⽣物质等原料中提
取；⼄醇主要是将含有糖和淀粉的农作物经过发酵后制得。醇类燃料是液体燃料，可以沿⽤传统的⽯油燃料的运输、贮存系统，相关的基础设施建设投⼊少，⽽发动机的动⼒性与经济性可以接近或超过原有汽油机或柴油机，排⽓有害成分少，是⼀种很有发展前景的代⽤燃料。
2. 植物油燃料
植物油的种类很多，分为可⾷⽤与⾮⾷⽤的两⼤类。⼤多数植物油的主要化学成分是⽢油三酸酯，即由⼀个分⼦⽢油(丙三醇)和三个脂肪酸分⼦以酯键连接组成的复合物；植物油的热值均⽐柴油低。由于植物油加热时易产⽣分解，少量轻成分挥发，⼤部分则变成胶状物，因此很难获得蒸馏特性。另外，由于植物油的密度⼤，粘度⽐柴油⾼⼗多倍，所以雾化特性差，燃烧不充分，积碳严重。植物油的⼗六烷值也较低，但经过酯化处理后，其着⽕性能可以得到改善。
⽬前，植物油还主要在柴油机上试⽤。从长远来看，发展⾮⾷⽤植物油作为燃料不⾜的补充，是很有意义的。
⼆、燃烧热化学
燃料的燃烧过程就是燃料与空⽓中的氧进⾏氧化反应⽽放出热量的过程。
1.完全燃烧
从理论上说，当氧充分时，燃料中的碳元素以及氢元素可以完全被氧化为⼆氧化碳和⽔，⽽空⽓中的氮则并不参与任何反应。如考虑⼀种通⽤的碳氢化合物，其平均分⼦组成为CcHhOo (下⾓c 、h 、o 分别表⽰相应元素的原⼦数)，⽽空⽓则可以认为是多种理想⽓体的混合⽓体，按容积计其组成成分为：氧占20.95％，氮占78.90％，其余0.93％为其他⽓体。为了⽅便计算，可忽略其他⽓体成分，即认为空⽓中除氧外，其余均为氮，这样对应于1mol 的氧，有（1—0.2095）／0.2095mol ＝
3.773mol 的氮。
碳氢燃料在空⽓中完全燃烧时的化学反应式
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kg 燃料完全燃烧所需的理论空⽓量(质量)之⽐(称为化学计量空燃⽐)，可以采⽤下式计算
22222)24(773.32)773.3)(24(N o h c O H h cCO N O o h c O H C o h c -+++=+-++o
H c o h c o h c o h c l o 1612)24(41.3416112)28773.332()24(++-+?=?+?+??+?-+
=
式中，lo 的单位为kg ／kg 。
⼀般⽽⾔，内燃机所⽤的燃料均为各种碳氢化合物的混合物，难于准确地确定其中C 、H 、O 三种元素的原⼦数c 、h 及o ，另⼀⽅⾯，这三种主要元素的质量⽐可以通过化学分析⽅法得到，分别记为gC 、gH 和gO 。根据定义式，有
化学计量空然⽐的计算式就可以写出简化式为：
豫公网安备41160202000603
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