摘要：往复式内燃机——热机的一个子类——可以在四冲程和二冲程循环中运行。在每种情况下，发动机都可以配备火花点火 (SI) 或压缩点火 (CI) 燃烧系统。基于发动机机动性、应用、燃料、配置和其他设计参数，许多其他发动机分类是可能的。通过将质量和能量守恒定律应用于发动机气缸中的过程，可以在理论上对燃烧过程进行建模。内燃机的基本设计和性能参数包括压缩比、扫气容积、间隙容积、功率输出、指示功率、热效率、指示平均有效压力、制动平均有效压力、比油耗等。

目录

热机

1. 往复式内燃机分类
2. 四冲程和二冲程循环
3. 其他发动机分类
4. 往复式内燃机基础知识
5. 发动机性能参数

1. 热机

1.1定义与分类

热机是能量转换机器——它们通过在空气中燃烧燃料产生热量，将燃料中的化学能转化为功。该热量用于提高工作流体的温度和压力，然后用于执行有用的工作。热机可分为：

• 内燃机，其中燃烧产物或反应物（空气和燃料）直接用作发动机的工作流体
• 外燃机，其中能量被传递（例如通过热交换器）到与燃烧产物或反应物分离的工作流体。

发动机也可以分为往复式或旋转式：

• 在往复式发动机中，工作流体用于以线性方式移动活塞。然后通过曲柄滑块（连杆/曲轴）机构将线性运动转换为旋转运动。
• 在旋转发动机中，工作流体使连接到输出轴的转子旋转。

1.2内燃机

在内燃机 (IC) 发动机中，工作流体由空气、燃料-空气混合物或燃料-空气混合物本身的燃烧产物组成。往复式活塞发动机可能是已知的最常见的内燃机形式。它们为汽车、卡车、火车和大多数船舶提供动力。它们还用于许多小型公用事业应用中。它们可以用汽油和柴油等液体燃料或天然气和液化石油气等气体燃料作为燃料。往复式活塞发动机的两个常见子类别是二冲程 和四冲程 发动机。旋转式内燃机的示例包括Wankel旋转式发动机和燃气轮机。

所有热机设计和开发的共同目标包括：最大化输出功（功率输出）、最小化能源消耗和减少在将化学能转化为功的过程中可能形成的污染物。图 1 显示了往复式内燃机的主要部件。干线式发动机设计是最常见的——尽管“干线式发动机”一词在大型发动机行业之外很少使用。十字头设计目前仅用于大型低速二冲程发动机。为简单起见，省略了进气门和排气门，但值得注意的是，在某些二冲程发动机设计中，使用进气口和排气口而不是进排气门。

二冲程和四冲程往复式内燃机都可以配备火花点火（SI）或压缩点火（CI）燃烧系统。

传统上，火花点火系统的特征在于预混合充气（即，燃料和空气在点火之前混合）和外部点火源，例如火花塞。预混合可发生在进气歧管或缸内。虽然在大多数应用中，预混合进料具有相对均匀的空气和燃料空间分布，但分布也可以是不均匀的。燃烧由火花引发，火焰从火花位置沿前部向外传播。据说 SI 发动机中的燃烧是动态控制的，因为整个混合物是可燃的，燃烧速率取决于化学反应从点火源开始消耗这种混合物的速度。

传统柴油发动机的特点是大约在需要点火时将燃料直接喷射到气缸中。结果，这些发动机中的空气和燃料充注非常不均匀，一些区域过度富集，而另一些区域则过度稀薄。在这些极端之间，燃料和空气的混合物将以不同的比例存在。喷射时，燃料在这种高温环境中蒸发，并与燃烧室周围的热空气混合。蒸发燃料的温度达到其自燃温度并自燃以开始燃烧过程。燃料的自燃温度取决于其化学性质。与 SI 系统不同，压燃式发动机的燃烧可能发生在空燃比和温度可以维持该过程的许多点。

在某些情况下，SI 和 CI 引擎之间的区别可能会变得模糊。由于减少排放和燃料消耗的压力，已经开发出可以同时使用 SI 和 CI 发动机的某些特性的燃烧系统；例如，汽油、柴油或两者混合物的预混混合物自燃。

图 2 中的燃气轮机是内燃机的另一个例子。然而，与往复式活塞发动机不同，燃烧是在专用燃烧室中单独进行的。

图 2。用于中型和重型车辆增程器应用的微型燃气轮机

1.3 外燃机

在外燃发动机中，工作流体与燃料-空气混合物完全分离。来自燃烧产物的热量通过热交换器的壁传递给工作流体。蒸汽机是众所周知的外燃机实例。

往复式外燃发动机的一个例子是斯特林发动机，其中热量在高温下被添加到工作流体中，而在低温下被排出。添加到工作流体的热量几乎可以由任何热源产生，例如燃烧化石燃料、木材或任何其他有机材料。

在21世纪，对提高发动机效率的关注重新激发了人们对移动应用循环的兴趣——以废气余热回收 ( WHR ) 的形式。虽然其中一些设备使用蒸汽，但其他设备使用更适合汽车排气温度相对较低的应用的有机流体。由于朗肯循环和有机工作流体的结合，这些系统通常被称为有机朗肯循环 (ORC) 废热回收系统。

2. 往复式内燃机分类

2.1四冲程和二冲程循环

2.1.1四冲程循环发动机

在四冲程发动机中完成燃烧循环需要四个冲程。图 3 是应用于柴油发动机的四冲程燃烧循环的示意图。在第一个冲程，即进气冲程 中，活塞从其上止点 (TDC) 的位置向下止点 (BDC) 移动。在大部分进气冲程中，过滤后的空气被吸入气缸。在第二个冲程中，被吸入气缸的空气被活塞从 BDC 的起始位置移回 TDC 压缩。第二个冲程称为压缩冲程 其中气缸中的空气加热到通常高于燃料的自燃温度的温度，该燃料在上止点附近喷射到气缸中。当燃料燃烧时，热能被释放以提高接近 TDC 余隙容积的温度和压力。将升高的压力施加到活塞的顶面以将其推回 BDC。

这个冲程被称为膨胀冲程，因为它是通过高压气缸内燃烧的膨胀将力施加到活塞上，使其移动到 BDC。出于显而易见的原因，膨胀冲程也称为动力冲程。它也被一些人称为做功冲程，因为膨胀气体通过将压力施加到活塞顶部来产生功。四个冲程中的最后一个是排气冲程 燃烧副产物被排入排气系统以排入大气。为了提高比输出，现代四冲程柴油发动机配备了进气系统压缩机（例如涡轮增压器），以增强充气并允许以与引入的额外空气成比例的喷射额外燃料。

在四个冲程中会发生压力、体积、温度和混合物成分的变化。压力-容积图（示功图）常用于描述一个完整循环期间气缸内压力和容积的变化。图 4 显示了自然吸气式柴油发动机的压力和体积变化。

在图 4 中，进气门和排气门事件由点 1 到 4 标记，其中点 1 是进气门打开点，点 2 是进气门关闭点，点 3 是排气门打开点，点 4 是排气门关闭点. 重要的是要注意进气门和排气门在点 1 和 4 之间的时间以及其等效曲轴转角持续时间期间都保持打开状态。这一时期称为气门重叠，对发动机性能及其排放特性起着重要作用。

进气门在 BDC 后延迟关闭以改善气缸充气效果，从而提高发动机的容积效率。在自然吸气发动机中，通过进气滤清器、进气管道、进气歧管、进气口和进气阀的限制会导致压力损失并将气缸压力降低到低于大气压。当活塞从 BDC 移动到 TDC 时，工作流体的有效和快速压缩在进气门关闭之后开始。当活塞接近压缩冲程的上止点时发生燃烧，并且在活塞仍接近膨胀冲程的上止点时不久就结束了。当活塞从 TDC 移动到 BDC 时，膨胀冲程以许多化学反应和热传递过程为标志。在第 3 点，由于气缸和排气系统之间的压力差，排气阀打开，从而允许一些燃烧产物通过排气门排出。在排气冲程期间，剩余的废气通过活塞从 BDC 到 TDC 的运动从气缸中排出。更详细地讨论了气门正时

说明四冲程循环的另一种方法是通过图 5 中所示的压力-曲柄角图。除了压力-容积图描述中概述的细节外，压力-曲柄角图突出显示了燃料在喷射以及点火延迟期。在此延迟期间，喷射到气缸中的燃料利用来压缩工作流体的热量蒸发。从压缩空气到燃料的热传递的结果是压力上升率降低，如图 5 所示。在燃烧开始后，压力上升率急剧增加，燃烧压力在超过 TDC 的角度达到峰值。控制压力上升速率的因素包括：点火延迟、燃料质量和喷射速率。

随着气缸压力的升高，气缸温度也升高并达到峰值。最高燃烧温度取决于几个因素，包括：燃油喷射速率、燃油喷射正时、燃油特性（尤其是其热值和十六烷值）、进气门关闭时的初始气缸压力和充气温度。

2.1.2二冲程循环发动机

根据定义，二冲程发动机需要两个冲程来完成其燃烧循环。图 6 给出了曲轴箱扫气式二冲程发动机的运行细节。在柴油二冲程发动机中，随着曲轴箱通道和排气口打开，曲轴箱中处于轻微压力下的空气流入气缸。上升的活塞最终覆盖了曲轴箱进气口，从而将从曲轴箱吸入的空气捕获到气缸中。朝向上止点的进一步向上运动压缩了在适当时间喷射燃料的空气。从周围的热压缩空气中吸收的热量导致燃料蒸发并与空气混合。一旦达到自燃温度，燃烧开始并导致工作流体（可燃混合物）膨胀并在活塞表面施加压力，从而在发动机输出轴处产生有用的功。同时，新鲜空气流入曲轴箱，被下降的活塞压缩至下止点。下降时，活塞打开排气口，开始对气缸进行扫气，并导致曲轴箱压力略有增加。曲轴箱压力的增加导致新鲜空气通过曲轴箱传输端口进入气缸并再次恢复循环。

图 6 中示意图所示的二冲程发动机并不是二冲程发动机的唯一设计。其他几种设计存在各种机械布置，但它们的操作原理基本相同。一些二冲程发动机的进气口和排气口位于气缸的一端，如图 7 所示。其他在气缸盖中使用排气阀而不是排气口。

清除前一个循环中的废气并在气缸中填充新鲜空气以进行新循环的过程称为扫气。对二冲程发动机进行扫气的主要方法是利用引入的新鲜空气的压力来清除或置换前一个循环中的燃烧气体。一般来说，进气压力越大，扫气过程越完整。因此，在二冲程发动机中实现了更好的扫气，部分是通过提高引入气缸的新鲜空气的压力来实现的。这个过程是通过使用各种设备来完成的，例如鼓风机、压缩机或泵

2.2其他发动机分类

由于各种原因，还有许多其他方法可以对引擎进行分类。其中一些包括：

• 移动性：引擎既可以用于固定应用，也可以用于移动应用。固定式发动机的范围从 5 马力以下的极小功率输出（例如 Hatz、Yanmar 和 Kubota 单缸发动机）到类似于图 8 中所示的 109,000 马力瓦锡兰单流扫气 14RT-flex96C 的大型低速二冲程设计。图 8 实际上是为移动应用设计的——大型集装箱船——类似的引擎也可以用于固定应用。固定式发动机可用于发电，作为备用或连续应用。它们还用于驱动大型压缩机等机械。

图 8 瓦锡兰 14RT-flex96C 二冲程 109,000 马力（81 兆瓦）发动机

• 燃料：虽然汽油和柴油燃料是内燃机中最常用的燃料，但还有许多其他燃料可以使用。其中包括：天然气、液化石油气 (LPG)、甲醇、乙醇、生物柴油、二甲醚、重质燃料油等。较不常见的燃料可用于可能位于该燃料丰富供应地区附近的特殊应用中。
• 应用：发动机可以安装在道路（也称为高速公路或公路）或非道路（也称为越野）应用的车辆中。公路发动机可为重型卡车以及乘用车和轻便摩托车提供动力。非道路发动机可能涵盖多种应用，从推土机、反铲挖掘机和其他建筑设备到农业机械，如联合收割机、拖拉机、割草机和园林工具。其他不太适合公路或非公路描述的应用可能包括飞机、船舶、机车和便携式设备。
• 速度：发动机的转速也可以定义为低速、中速或高速。虽然每个速度范围没有普遍接受的定义，但表 1 中的值可作为有用的指导

• 布置：发动机设计适合各种安装。多年来，直列式发动机设计（图 9（a））在车辆应用中最为流行。二战后，具有 8 个或更多气缸的发动机进化到 V 型设计，图 9(b)，以允许更短的发动机舱。在 1970 年代中期，前轮驱动开始流行，为新的小型汽车设计提供更多空间。横向发动机安装成为普遍做法，并导致 V6 发动机的普及。V 型配置压缩了发动机的长度，并允许将其包装在乘用车的引擎盖下。其他配置包括水平对置活塞发动机图 10，环形发动机图 11(a) 和三角型（△）发动机图 11(b)

• 气门驱动设计：进气和排气阀门或端口的位置可用于区分各种发动机设计。例如，顶置凸轮设计有利于单体喷射器燃料喷射系统的驱动。单体喷油器的驱动通常通过在进气凸轮和排气凸轮之间插入一个额外的凸轮来完成。图12显示了在实际发动机实施例中应用的各种凸轮布置。

• 进气：进气系统有两种基本设计；自然吸气或增压。带有增压进气系统的发动机使用诸如涡轮增压器或机械增压器之类的压缩机来提高进气歧管中充气的压力。带有自然吸气式进气系统的发动机则没有。图 13 是涡轮增压发动机的示意图

• 增压空气冷却：涡轮增压或增压发动机导致增压空气温度升高。虽然较高的压力增加了进气的密度，但可以通过在其压力升高后冷却来实现额外的充气密度。在进气被压缩之后的这种冷却被称为增压空气冷却、中间冷却或后冷却。图 13 显示了水冷增压空气冷却器（中间冷却器）。在增压空气冷却器中，热量在引入气缸之前从空气传递到另一种介质，通常是水或空气。发动机通常被描述为涡轮增压和后冷 (TA)。
• 发动机冷却：燃烧产生的热量必须从发动机最热的区域散发出去，以保持其机械完整性。将热量从发动机的关键部件带走的过程是通过其冷却系统实现的。虽然大多数发动机在热的发动机部件周围使用水套通过热交换器（散热器）将热量从发动机传递到环境中，但有些发动机使用空气冷却。这些发动机在其外表面上有散热片，通过吹过这些散热片的空气进行热交换。
• 功率调制：增加或减少发动机的功率输出通常需要控制流向发动机的燃油量。在汽油、火花点火发动机中，空燃比通常是固定的并且在发动机的工作范围内变化很小，功率调节是通过对发动机进行节流和控制引入气缸的燃料-空气混合物的量来实现的。在压缩点火 (CI) 发动机中，气流通常不受控制，而功率通过改变喷射到气缸中的燃料量来控制。虽然空燃比总体上保持稀薄，但它因此在发动机运行范围内变化很大。在自然吸气 CI 发动机中，气流在给定的发动机转速下相对不变。

3. 往复式内燃机基础知识

3.1基本参数

往复式内燃机的几何形状通常由几个参数来表征，包括：扫气容积、间隙容积和压缩比。

扫气容积。对于具有缸径 B cyl和活塞冲程 S p的发动机气缸，排量V s由该气缸的横截面积和活塞冲程的乘积定义，如下所示：

V s = (πB cyl 2 /4)