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节能技术探秘之三:冤家结亲,汽柴油机趋同技术分析【本稿为搜狐汽车专供稿件,谢绝转载,欢迎讨论,请勿谩骂】题记:上篇博文可知,柴油机因为汽油机的专利保护及汽油机当时弱点而产生,之后二者在市场的可谓你死我活.现在国内外都研究很火的是二者合二为一的技术,并取得显著的效果.可谓冤家结亲、喜得贵子.详见下文.一、汽油机的柴油机化众所周知,柴油机按Diesel循环工作,即采用压缩点火与混合气质调节方式工作,需要采用较高的压缩比(e=16~20),这是为了达到燃料着火温度,而且不存在汽油机那样的爆震问题,故其循环理论效率eth较高;同时由于负荷变化是通过混合气质调节方式进行的,没有汽油机采用量调节时那种节流阀的节流损失,因而循环的相对效率eg也比较高,这点在部分负荷时特别明显.因此柴油机的燃油经济性优于汽油机.但是,汽油机的动力性指标,即升功率却高于柴油机,这主要是由于一方面汽油机主要零部件质量与惯性力较小,转速高且平稳,另一方面在全负荷时可以使用当量混合比,即过量空气系数l=1的混合气工作,因此在同样增压程度下,汽油机的平均有效压力较高.纵观得失,人们发展现代汽油机缸内直喷技术,就是力图结合柴油机与汽油机两方面的优点,那就是当直喷汽油机工作在部分负荷时希望实现分层稀燃(l=2~3)并采用质调节以避免节流阀的节流损失,以达到与柴油机相当的燃油经济性;相反在全负荷时希望实现均质预混合燃烧,以保持汽油机升功率高的优点,同时由于喷入缸内燃油蒸发时的冷却作用,增加了整机的抗爆性,有望实现较高的压缩比,从而有助于提高循环的理论效率,使缸内直喷汽油机在保持动力性指标的同时,具有很好的燃油经济性.在燃烧过程中,混合气越稀越接近理想循环,绝热指数K值越大,使热效率得以提高;此外稀混合气最高燃烧温度下降,与缸壁温差小,传热损失减少,同时燃烧产物离解现象减少,这些也有利于热效率的提高.使用稀混合气时,空气过量,汽油燃烧更完全,有利于提高发动机的燃油经济性和降低排放.从另一角度分析,采用稀混合气,燃烧后气缸内压力、温度较低,不易发生爆震,则可以提高发动机压缩比,这样增加了混合气的膨胀比和温度,减少燃烧室废气残余量,因而可以提高燃油的能量利用效率.在采用稀混合气的同时,辅以相应的排放控制措施,汽油机的有害排放物CO、HC、NOx、CO2将大大地减少,且稀燃时燃烧室内的主要成分O2和N2的比热较小,多变指数K较高,因而发动机的热效率高,燃油经济性好.汽油机稀薄燃烧并不在所有的状态下都使用稀混合气,在冷起动、暖机和怠速时需要供给较浓的混合气,在大负荷时供给浓混合气,只在部分负荷时进行稀薄燃烧.由于作为城市交通工具的汽车大多工作在部分负荷下,因此汽油机进行稀薄燃烧对降低油耗与排放有重要意义.直喷汽油机直接往气缸内喷射汽油.在压缩行程后期,即活塞接近上止点时快速喷射,形成紧凑的、雾化良好的混合气分层,实现稀薄燃烧,综合了压燃式发动机与点燃式发动机的优点,通过燃油的缸内直接喷射、可变喷油定时和控制缸内的气流运动等方式实现了缸内的稀薄燃烧,使发动机无论在燃油经济性还是在降低排放等方面都表现出比气道喷射发动机更大的发展潜力.因此,直喷汽油机从20世纪90年代问世以来就一直受到人们的广泛关注.汽油直喷燃烧技术的研究开始于20世纪30年代,只是在近几年该技术才日臻成熟,并被许多大汽车制造商看好,逐渐应用于现代汽车的发动机上.1.1 GDI发动机的优缺点分析与传统的气门口喷射汽油机相比,GDI发动机主要有以下优点:(1)燃油经济性提高.原因主要有如下几个:①部分负荷下采用稀薄分层混合气,混合气中含N2、O2多,混合气比热比k值增大(由1.3增大趋近1.4),使循环热效率et提高;②缸内燃油蒸发导致压缩终点混合气温度降低,加之是稀混合气,爆燃倾向减小,从而使压缩比e可以提高,使et提高;③由于中小负荷工况采用稀薄燃烧和质调节方式,泵气损失大大减少(降低15%左右),使机械效率em提高;④中小负荷时燃烧室周边基本是空气,散热损失减少,使et提高.(2)动力性提高.主要是因为充气效率和压缩比的提高.(3)冷起动时的未燃碳氢(UBHC)降低,温室效应气体CO2减少,稀燃时气缸内反应区的温度降低,有利于降低NOx的生成,并且允许采用更高的EGR率来降低NOX排放.(4)各缸工作不均匀性改善.由于燃油直接喷入气缸,可以对各缸的空燃比进行精确并相对独立地控制.(5)良好的瞬态响应.GDI方式没有PFI方式所形成的壁面油膜,燃油计量精确,加速响应快,减速断油及时,冷起动迅速.(6)系统优化潜力大,这主要是因为GDI发动机在喷油控制方面有着更大的灵活性.然而GDI发动机也存在以下问题和困难,需要进一步改进:(1)难以在所要求的运转范围内实现理想的分层混合气.分层燃烧对燃油蒸气在缸内的分布要求很高,通常喷油时刻、点火时刻、空气运动、喷雾特性和燃烧室形状配合必须控制得十分严格,否则很容易发生燃烧不稳定和失火.(2)喷油器内置气缸内,喷孔自洁能力差,容易结垢,影响喷雾特性和喷油量.(3)低负荷时HC排放高,高负荷时NOx排放高,有碳烟生成.(4)部分负荷时混合气稀于理论空燃比,三效催化转换器转换效率下降,使得传统的三效催化器对NOx转化效率低下,废气排温较低也不利于它的快速起燃,因而传统的三效催化器在GDI发动机上难以应用.目前正在开发各种稀燃催化器,如选择还原型NOx催化器、吸附还原型NOx催化器等.但这些催化器在不同程度上都存在着转化效率低、工作温度范围窄和对燃油品质(如硫含量)非常敏感等问题.因此,目前GDI发动机NOx排放水平高于装有三效催化器的PFI汽油机.而稀燃催化剂是制约GDI汽油机推广的首要因素.(5)气缸和燃油系统磨损增加.1.2 现代GDI发动机的发展现状汽油缸内直喷技术(GDI)出现在上世纪30年代,但由于受到当时内燃机技术水平的限制,没有得到实际的应用.直到20世纪90年代,随着电子控制技术的发展和广泛应用以及排放法规的日益严格,使得汽油缸内直喷技术(GDI)得到了快速的发展,特别是在日本、德国和美国.近年来,日本三菱公司先后开发出了多种不同类型的GDI发动机,如:2.4L四缸机、3.0L六缸机和3.5L六缸机、4.5L的V8机、1.5L的直列四缸机和0.66L的直列三缸机.三菱公司称其1.8L的GDI发动机不仅可节省燃油20%、降低排放20%,而且还可把发动机的功率和扭矩提高10%;继三菱之后,丰田公司研制出一种D4型2.0L的GDI发动机,并已批量装车使用.随后,丰田公司又开发出1.6L、1.8L和2.0L的GDI发动机.丰田公司宣称其D4型GDI发动机可降低油耗30%左右、功率提高约10%;除上述两家公司外,日本其它厂家也有多种GDI发动机上市,如日产3.0L和2.5L的V6机、富士重工2.5L的卧式对置四缸机、马自达2.0L的直列四缸机和本田1.0L的直列三缸机;克莱斯勒汽车公司开发的四冲程GDI汽油机在采用了其两冲程汽油机科研成果后,使燃油经济性提高了20%-30%,该公司称目前所获得的这种燃油经济性(5.2L/100km)可以与小排量的直喷式柴油机相媲美;德国奔驰汽车公司于上世纪末投资近1亿马克,开始全面启动GDI研究项目;奥迪公司也于上世纪末推出了其1.2L三缸GDI发动机(每缸5气门),据介绍,该机的油耗较同等功率(56kW)的传统发动机低15%-20%.目前市场上的GDI汽油机存在两种主要工作模式:1)非均质、充量分层的稀薄燃烧;2)均质当量混合气燃烧.大多数采用充量分层稀薄燃烧的GDI发动机根据工况不同采用混合燃烧模式:中小负荷时,为了获得较好的燃油经济性,GDI发动机的节气门保持大开度(接近全开),燃油在压缩冲程后期喷入燃烧室,形成非均质的混合气,在火花塞周围的混合气较浓,远离火花塞区域为稀薄混合气,全局空燃比为25~40,为分层稀薄燃烧,燃油消耗下降率高达35%;在大负荷时,为了得到较高的动力性,采用化学计量的混合气,燃油在进气冲程早期喷入燃烧室,燃油与空气在燃烧室内充分地混合,为均质当量燃烧,此时动力性比PFI提高10%左右.当GDI发动机全部采用均质当量混合燃烧模式时,它可以使用目前PFI发动机上广泛使用的、技术成熟的TWC(Three-Way Catalytic Converter)满足严格排放法规的要求,从而避免了使用技术尚未成熟、对汽油硫含量要求较高的稀燃NOx催化转化器,尽管均质当量GDI发动机的节油效果不如分层稀燃的GDI,但在与其它先进技术结合下,也能获得较好的节油效果,因而成为目前国际上GDI发动机的发展主流.从2000年以后,欧洲开始采用均质当量混合气燃烧为特征的技术路线.2003年,欧洲新开发并上市了5款轿车GDI发动机,其中3款采用均质当量燃烧模式;而同年日本新开发并上市的4款轿车GDI发动机仍然采用分层稀薄燃烧模式.2005年,欧洲新开发并上市的7款轿车汽油机中有4款是GDI,日本新开发并上市的8款轿车汽油机有2款是分层稀燃GDI,另6款GDI全部采用均质当量燃烧方式.GDI发动机不同工况下工作模式的选择表GDI发动机的工作模式工况主要目标空燃比节气门充量负荷调节喷油正时喷油压力油束穿透燃油雾化中低负荷经济性25-40节气门接近全开分层质调节压缩行程晚期高浅好大负荷动力性14.7左右开度变化均质量调节进气行程早期低深差GDI技术目前已经成为车用汽油机的主要发展方向之一,使汽车发动机技术进入了一个崭新的时代,并将推动世界汽车工业的发展,因此积极研究开发国产GDI发动机产品方面的工作显得很有意义.然而,国内对于GDI发动机的研究开发尚处于起步阶段,目前我国唯一量产的GDI发动机是引进的大众FSI(Fuel Stratified Injection)发动机,也即本人课题组试验用发动机.国内的一汽集团、华晨、奇瑞、长安和吉利等汽车企业联合高校正在开发当量混合比燃烧或多种燃烧模式相结合的GDI发动机,与国外的差距较大,迫切需要加强这方面的研究工作.1.3 稀薄燃烧技术在前文中已反复提到了稀薄燃烧这一概念,稀薄燃烧指的是发动机在实际空燃比大于理论空燃比(汽油机理论A/F=14.7)的情况下的燃烧,它可以使燃料燃烧更加完全,会使热效率提高,如果同时辅以相应的排放控制措施,汽油机的有害排放物HC、CO会大大减少,同时温室气体CO2的排放也大大减少.从早期的Texaco公司TCP(Texaco combustion Process),Ford公司的PROCO(Ford-Programmed Combustion Process),以及本田公司的CVCC(Compound Vortex Controlled Combustion)等燃烧系统开始,实践证明这种燃烧方式既能降低燃油消耗,又能减少发动机的有害排放物,尤其是在低负荷时,由于进入缸内空气的量增加,同时由于汽油缸内直喷(GDI)技术的采用可实现变质调节,不用节气门或是小节流,减小了泵气损失,特别有利于改进部分负荷性能.稀薄燃烧结合最新的电子控制技术,被公认为是提高车用汽油机效率和降低排放的最有前途的一种方法.目前汽油机稀薄燃烧系统可分为:①进气道喷射稀燃系统(PFI),气道喷射稀薄燃烧汽油机目前是多气门稀燃汽油机的主流研究方向,根据空气运动形式以及燃油分布的不同可以分为涡流均质、涡流轴向分层和滚流横向分层等.②均质压燃系统(HCCI)和③缸内直喷稀燃系统(GDI).缸内直喷实现稀薄燃烧,则主要利用FSI(分层稀燃)技术.目前,在已经实现产品化了的GDI发动机上,稀薄燃烧系统,按喷油器和火花塞的相对位置和混合气的组织方式可以分为三种:GDI发动机的燃烧系统a.喷雾引导方式:燃油喷嘴靠近火花塞的近距离方式,此时火花塞位于燃油喷束的边缘,此种方式可保证当整个燃烧室内为稀薄混合气时,火花塞周围仍能形成可供点火的混合气浓度,这种混合气形成方法被称为&喷雾引导法&,如ford、Honda生产的某些机型;b.壁面引导方式:燃油喷嘴远离火花塞的远距离位置,此时利用特殊形状的活塞表面配合气流运动,将燃油蒸气导向火花塞,并在火花塞间隙形成合适浓度的混合气形成方法,即称为&壁面引导法&,如三菱、丰田、Nissan开发的机型;c.气流引导方式:同样是远距离布置喷油器和火花塞,而利用缸内有组织的气流运动来达到上述目的的被称为&气流引导法&,如FEV、AVL公布的方案.以前FSI发动机意味着带有分层稀燃模式的直喷汽油机.而目前,FSI发动机在中国因燃油品质不过关等问题(主要是含硫量高)而放弃了分层稀燃模式.本课题组试验用的1.8L TFSI涡轮增压直喷汽油机是大众在其FSI原型机的基础上改造而成的,尽管在名称上保留了FSI这个简写,但实际上已取消了分层稀燃工作模式,改为均质当量混合气模式的直喷汽油机,一方面取消了分层稀燃模式和氮氧化物传感器,另一方面则致力于较高功率和转速所带来的驾驶乐趣以及相对较好的燃油经济性.它的FSI原型机分层稀燃模式的混和气形成方式是将进气引导和活塞璧面引导两者相结合的一种引导方式,其分层混和气形成过程如图所示.a.吸气行程b.压缩行程初期c.压缩行程后期d.压缩行程后期(形成分层混合气)FSI原型机分层混合气形成过程示意图二、 柴油机的汽油机化其实HCCI或者CAI技术(笔者认为这两种技术是同一种技术)说是柴油机的汽油机化或者说汽油机的柴油机化都可以.为什么这么说,从燃料的角度来讲可以说是汽油机的柴油机化,从燃烧的循环上来讲是柴油机的压燃循环.因为吉林大学HCCI或者CAI 燃烧技术的实现是在一台改装的柴油机上实现的,所以从这个角度上来讲,笔者将其定义为柴油机的汽油机化.内燃机根据所使用燃料理化特性和燃烧性质的不同可分成火花点燃式内燃机(SI、汽油机)和压缩着火式内燃机(CI、柴油机)两种.柴油机属于燃料喷雾扩散燃烧,依靠发动机活塞压缩到接近上止点时的高温使混合气自燃着火.由于喷雾与空气的混合时间很短,燃料与空气的混合严重不均匀,形成了高温火焰区和高温过浓区.在高温火焰区,火焰前锋面是过量空气系数约为1的扩散燃烧,局部火焰温度高达2700K,极有利于NOx生成,而在高温过浓区,由于缺氧生成大量碳烟.柴油机燃烧过程NOx和碳烟排放间存在的Trade-off关系决定了它必然存在一个NOx最低的排放限值,这就是传统柴油机难以克服的降低有害排放物的极限.汽油机采用预混理论空燃比均匀混合气借助电火花点燃,通过火焰传播的燃烧.与柴油机相比,由于汽油抗爆性较低导致汽油机的压缩比较小,加上泵气损失带来的机械效率降低,使得其热效率比柴油机低,燃料利用率低30%,并产生大量的NOx和不完全燃烧产物,这就是传统汽油机难以克服的燃料利用率极限.突破传统柴油机和汽油机燃烧方式所决定的排放极限和燃料利用率极限,探索组织石油及替代燃料高效、清洁的燃烧过程是摆在广大内燃机工作者面前的一个非常迫切的现实问题.采用均匀混合气、实现低温然烧是降低有害物排放形成的关键,减少泵气损失、改善燃烧过程可实现提高燃料利用率和指示热效率.因此要想突破传统内燃机燃烧方式决定的燃料利用率和降低排放的极限,发展以均匀混合气、压燃着火、低温燃烧为特征的新型燃烧方式是潜力巨大的出路之一,这就是均质压燃燃烧提出的初衷.均匀混合气压缩着火燃烧(homogeneous charge compression ignition,HCCI)模式是燃料、空气以及再循环燃烧产物所形成的均匀混合气被活塞压缩、着火、燃烧、做功的一种新型燃烧方式.发动机采用这种燃烧方式时具有高效率、超低的NOx和碳烟排放的极大潜力,目前已成为继SI和CI两种燃烧方式后的第三种燃烧方式.美国能源部2001年提交国会的报告中指出,HCCI是内燃机燃烧技术的一个重大进步,它将代替目前车用的压燃式和点燃式两种传统燃烧方式,并预计在2010年,HCCI发动机将在轻型客车上得到应用,这个具体应用估计的显然有些乐观,呵呵,目前的应用情况并没有明确的市场报告.到2015年使用HCCI燃烧方式的发动机每年可以节省原油50万桶.这种新型燃烧技术在内燃机节能和降低排放方面所显示出来的巨大潜力已经引起全世界范围内内燃机界的高度关注,国内外著名汽车厂商、研究机构及高校都在积极开展新一代内燃机燃烧控制理论和控制技术的研究.2.1 优点装备HCCI技术的发动机的技术结构比一般发动机要复杂,当汽油机的压缩冲程快结束时,汽油通过直喷油咀喷进汽缸,HCCI发动机压缩比比普通的汽油机高,所以喷出的小油滴在压缩冲程完成时有时间在汽缸内形成均匀的分布,这时汽缸的压力足够使均匀分布的油滴自动压燃,所有的燃料都在同一时间点燃,所以提高了燃油的使用效率(传统的汽油和柴油机都是非均匀的扩散式燃烧,在扩散的同时浪费了部分的能量)而且由于它采用压缩点燃的缘故,可以采用相当稀薄的混合气,因此可以按照变质调节的方式,直接通过调节喷油量来调节扭矩,不需要节气门.HCCI发动机的燃烧温度低,对燃烧室壁的传热很低,能够减少辐射热的传递,还能大幅降低氮氧化合物的形成.另一个特点是燃烧周期很短.因为燃烧过程主要是受化学反应而不是受混合过程的支配,能够使得燃烧周期比传统的柴油机短.而且它采用的燃油辛烷值允许在一个广阔的范围内变动.可以采用汽油、天然气、二甲醚等辛烷值较高的燃油作为主要燃料,也可以采用多种燃料混合燃烧.还可以将对高辛烷值燃料和低辛烷值燃料配比的调整,用作在HCCI燃烧中控制燃烧起点和负荷范围的方法.但也有人试图用柴油作为HCCI燃料,效果远不及汽油,为什么呢?因为汽油有较高的挥发性,能够在汽缸内尽快与空气混合形成均匀的油气混合气,而柴油沸点高,与空气较难混合均匀.2.2 缺点那HCCI技术那么好,为什么还不马上推广大量是用呢?原来现在的HCCI技术还有一些技术难关.其一,在然烧时刻的控制上,HCCI发动机靠汽缸的压力和温度自燃,油气混合气的密度,汽缸的温度和压力都需要进行精确的检测和控制,所以发动机的ECU管理程序也要进行相应的加强. 其二,由于HCCI的同时压燃和放热,瞬时间汽缸和活塞会受到强大的压力,有可能会产生爆震的现象,所以必须降低混合气的空燃比(低于传统的14.7:1),这就需要HCCI在稀燃状态下工作,排气的温度也比较低,使得发动机较难采用涡轮增压.以上这些都使得HCCI可能达到的最大负荷比典型的火花点燃式和直喷式柴油机低得多.另外,低排气温度对催化转化器来说也是一个问题,因为需要相当高的温度才能起动氧化/还原反应.其三,也就由于刚才我们讲到的HCCI发动机可能达到的最大负荷比典型的火花点燃式和直喷式柴油机低得多,所以,在大负荷高转速的时候或者冷机状态下发动机还必须依靠传统的火花塞点火系统,这就间接要求了发动机的压缩比可变,在传统点火模式的时候变回低压缩比.所以气门正时系统及众多的压力传感器也是必须的.所以就现在的限制而言,HCCI汽油发动机还不能实现完全的压燃稀燃模式进行,它只在中低转速的时候介入工作,提高效率,降低油耗.实际运用在HCCI技术的研发上,奔驰和GM走在了前列,以奔驰的07年的F700概念车为例,其DiseOtto 1.8T直4 CGI直喷发动机在采用HCCI技术后,输出功率达到238hp,最大扭矩达到400 .后记:本来轿车柴油机化完工后,出国之前不准备写了,轿车柴油机化的博文却出乎我意料点击率奇高,比本人之前所有博客点击率的总和还多.没想到大家这么喜欢这个话题,一时兴起,写了本篇,一方面可以谈下汽油机、柴油机优势的互补方面的研究情况,使前后博文的脉略可以更容易承接.另一方面供大家做车的、买车的、玩车的都可以参考一下,做出更正确的选择.参考文献:[1] 彭亚平 基于进气温度控制的乙醇燃料SI/HCCI复合燃烧模式发动机研究,吉林大学博士论文等.[2] 周骥 直喷汽油机电控系统设计及稀薄燃烧试验研究 吉林大学硕士论文日晚于吉林大学能源与动力大楼
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柴油机缸内气体动力循环的热力学分析
导读：1.1分析动力循环的一般方法，分析动力循环主要采用热力学第一定律为基础的“第一定律分析法”，从能量转换的数量关系来评价循环经济型，近年来一种以热力学第一定律、第二定律作为依据，从能量的数量和质量来分析，以“做功能力损失火用”为其指标的“第二定律分析法”正日益受到重视，例如蒸汽动力循环中自汽轮机排出的乏汽在凝汽器中的放热工程，据第一定律分析法，但据第二定律分析法，为了全面的反映循环的真实经济性，
1.1 分析动力循环的一般方法
目前，分析动力循环主要采用热力学第一定律为基础的“第一定律分析法”。这种方法一能量的数量为立足点，从能量转换的数量关系来评价循环经济型，以热效率为指标。由于这种方法没有把能量的品质放在明确的地位上，近年来一种以热力学第一定律、第二定律作为依据，从能量的数量和质量来分析，以“做功能力损失火用”为其指标的“第二定律分析法”正日益受到重视。两类方法所揭示的不完善部位及损失的大小是不同的。例如蒸汽动力循环中自汽轮机排出的乏汽在凝汽器中的放热工程，据第一定律分析法，工资放给冷却水的热量很多，所以能量损失很大；但据第二定律分析法，由于放热温度很低，所以不可逆性及由此造成的做功能力损失并不大。因此，为了全面的反映循环的真实经济性，在分析动力循环时不仅要考虑能的数量，还应考虑能的质量。两种方法各有侧重，不可偏废。
气体动力循环在简化时常应用所谓“空气标准”假设：假定工作流体是一种理想气体；假设它具有与空气相同的热力性质；将排气过程和燃烧过程用向低温热源的放热过程和自高温热源的吸热过程取代。实际气体循环中的工质主要是燃气，且在循环不同部位的成分不同。由于燃气和空气的热物性相近，所以在作理论分析时假定工质全部由空气构成通常不会造成很大的误差。当然，这样的假设仅可适用于气体动力循环，在分析蒸汽动力循环时不可采用。
实际循环简化抽象后得到内部可逆的理论循环，通过比较该可逆循环与同温限的卡诺循环，可以发现影响该循环热效率提高的主要原因，进而可指导实际循环的改善。一般地讲，欲提高循环热效率，合理组织循环过程，在现实条件许可的情况下尽可能提高循环中工质的平均吸热温度，降低平均放热温度是必由的途径。实际循环由于存在各种不可逆因素，其效率较相应的理论可逆循环低。实际循环中能量的损失除去散热、泄漏等因素外，可归结为工质内部损失和外部损失，其实质是传热存在温差及运动有摩擦。不可逆循环中实际作功量和循环加热量之比为该循环的内部热效率，用ηi表示，则
ηi=ηtηT=ηcηoηT
式中：ηc=1-T01是以燃气为高温热源（假定其温度不变为T1）、环境（温度为T0）为低温热源时卡诺循环的热效率；ηt是与实际循环相应的内部可逆循环的热效率；ηo=ηtc称相对热效率，反映该内部可逆理论循环因与高、低温热源存在温差（外部不可逆）而造成的损失；ηT称为循环相对内部效率，是循环中实际功量和理论功量之比，反映了内部摩擦引起的损失。因此，式。1.1考虑了温差传热及摩阻对循环经济性的影响。
由熵和熵产的意义：过程的熵产可以衡量过程不可逆性的程度及做功能力损失的大小。对整个动力装置分析各设备的熵产即可找出不可逆性程度最大的薄弱环节，指导实际循环的改善。利用熵分析法计算做功能力损失的普遍式可写成
式中：T0为环境温度；∑Sg为为工质流经整个动力装置或热力循环各部件
之总熵产。有时也以作功能力损失与循环最大作功能力之比表示损失的大小：
式中：Wmax=（1-T0/T1）Q1是在高温热源T1与环境T0间的循环可能作出的最大功。
1.2 活塞式内燃机实际循环的简化
活塞式内燃机的燃料燃烧、工质膨胀、压缩等过程都是在同一带有活塞的气缸内进行的，因此结构比较紧凑。活塞式内燃机按所使用的燃料分为煤气机、汽油机和柴油机；按点火方式分为点燃式和压燃式两大类。点燃式内燃机吸入燃料和空气的混合物，经压缩后由电火花点燃；而压燃式内燃机吸入的仅仅是空气，经压缩后使空气的温度上升到燃料自燃的温度，再喷入燃料燃烧。煤气机、汽油机一般是点燃式内燃机，而柴油机则是压燃式内燃机。按完成一个循环所需要的冲程又分为四冲程内燃机和二冲程内燃机。四冲程是由进气、压缩、燃烧及膨胀、排气四个冲程完成一次循环；而二冲程是进气、压缩、燃烧、膨胀和排气共用两个冲程即完成一个工作循环。与四冲程内燃机相比，二冲程循环的热效率无多大
的变化，但在相同气缸尺寸及相同转速的情况下，二冲程发动机的功率可达四冲程发动机的1.6-1.7倍。
现有的内燃机循环都是开式的，吸入空气后经过和燃料的混合、燃烧，燃气膨胀做功后以废气的形式排入大气，下一循环要另行吸入新鲜空气。燃烧、排气都是不可逆过程，而且燃气的质量和成分与空气都不同。工程热力学中引用“空气标准假设”，把实际开式循环抽象成闭式的以空气为工质的理想循环，并按不同燃烧方式归纳成三类理想循环：定容加热理想循环、定压加热理想循环和混合加热理想循环。
下面以四冲程柴油机为例，讨论如何从实际循环抽象、概括得出理论循环。示功器记录的四冲程柴油机实际循环中压力和容积变化的关系如图1 -1所示。0-1是活塞右行的吸气过程，由于进气阀的节流作用，进入气缸的气体的压力略低于大气压力。活塞右行到下止（死）点1，进气阀关闭。然后活塞回行，进行压缩过程1-2，由于缸壁夹层中有水冷却，所以压缩过程并不完全绝热。在活塞左行到上止点之前的2 7点时，柴油被高压油泵喷入气缸，此时被压缩的空气的压力可达3.5-5.0 MPa，温度也达到600-800℃，超过了柴油的自燃温度（约335℃左右）。但喷入的柴油需有一个滞燃期才会燃烧，加上现代柴油机的转速较高，因此要到活塞运行到接近上止点2时才燃烧起来。由于燃烧过程十分迅猛，压力迅速上升到5.0-9.0 MPa，而活塞移动并不显著，燃料的燃烧过程接近于定容过程，如图中的过程2-3。活塞到达上止点3后，又开始右行，此时燃烧在继续进行，气缸内气体的压力变化很少，所以过程3-4接近于定压过程。到点4时缸内气体的温度可高达1 700-1 800℃。活塞继续右行，气缸内高温高压气体实现膨胀做功过程4-5，同时向冷却水放热，所以也不完全是绝热过程。到点5时气体的压力一般降为0.3-0.5 MPa，温度约为500℃。这时排气阀打开，部分废气排入大气，气缸中压力突然下降，接近于定容降压过程，如图1 -1中的过程5 -1’。随着活塞左行，废气在压力稍高于大气压下排出气缸，实现排气过程1’ -0，完成一个循环。这个循环是开式的不可逆循环，循环中工质的成分、质量也在改变。但为了便于理论分析，必须忽略一些次要因素，引用空气标准假设对实际循环加以合理的抽象和概括：
(1)把燃料定容及定压燃烧加热燃气的过程简化成工质从高温热源可逆定容及定压吸热的过程，把排气过程简化成向低温热源可逆定容放热过程；
(2)把循环工质简化为空气，且作理想气体处理，比热容取定值；
(3)忽略实际过程的摩擦阻力及进、排气阀的节流损失，认为进、排气压力相同，进、排气推动功相抵消，即图1 -1中0-1和1-0重合，加之把燃烧改成加热后不必考虑燃烧耗氧问题，因而开式循环就可抽象为闭式循环；
(4)在膨胀和压缩过程中忽略气体与气缸壁之间的热交换，简化为可逆绝热过程。
四冲程柴油机的示功图
通过上述简化，整个循环理想化为以空气为工质的混合加热理想可逆循环。这种抽象和概括的方法同样遁用于其他以气体为工质的热机循环。
1.3活塞式内燃机的理想循环
一、混合加热理想循环
混合加热柴油机的实际循环经上节所述的抽象和概括，被理想化为混合加热理想可逆循环，又称萨巴德循环，其p-V图和T-s图如图1 -2所示。现行的柴油机大都是在这种循环的基础上设计制造的。循环构成如下：1-2为定熵压缩过程；2-3为定容加热过程；3-4为定压加热过程；4-5为定熵膨胀过程；5-1为定容放热过程。表示混合加热循环特征的参数有压缩比ε=pv1、定容增压比λ=3
和定压预胀比ρ=v4。 v3
下面研究混合加热循环的热效率。循环中工质从高温热源吸收热量q1为
3+q3-4=cv(T3-T2)+cp(T4-T3)
图1-2 混合加热理想循环的p-v图和T-s图
向低温热源放出的热量q2为
q2=q5-1=cv(T5-T1)
循环净功wnet为
wnet=q1-q2
据循环热效率定义有
=1-wnetcv(T5-T1q=1-2=1-q1q1cv(T3-T2)+cp(T4-T3) T5-T1
1.4 (T3-T2)+κ(T4-T3)
通常把活塞式内燃机循环的热效率表示为循环特性参数的函数。因为1-2与4-5是定熵过程，故有
p1v1=p2v2，p4v4 =p5v5κκ
注意到p4=p3、v1=v5、v2=v3，将上两式相除得
p5p4v4κp3v4κ=()=()=λρκ p1p2v2p2v3
由于5-1是定容过程，所以
1-2是定熵过程，有 p5=T1λρκ p1
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