柴油机和汽油机的热力学研究
彭达胡乱
内燃机是一项关键技术，它通过在气缸内燃烧，将燃料的化学能转化为机械能。车辆和各种工业应用中最常见的两种内燃机是汽油（火花点火/SI）发动机和柴油（压燃/CI）发动机。虽然两者都基于四冲程循环（在许多设计中）和基本的热力学原理，但在混合气形成、点火方式、燃烧特性以及效率方面存在显著差异。热力学的研究有助于我们理解为什么柴油发动机往往效率更高，为什么汽油发动机的响应和转速特性有所不同，以及压缩比、温度、压力和损耗等参数如何决定发动机性能。
内燃机的基本热力学
理想情况下，发动机性能分析通常通过理想化的热力循环模型来实现，该模型简化了实际燃烧过程。其目标并非精确复现燃烧的细节，而是提供一个评估设计变量对效率影响的框架。本研究的关键参数包括：
1. 压缩比（r）：活塞位于下止点时气缸容积与活塞位于上止点时气缸容积之比。压缩比影响最终的压缩温度和压力，从而极大地决定了发动机效率。
2. 热输入 (Q_in) 和热输出 (Q_out)：在理想循环概念中，热输入发生在燃烧（或添加热量）期间，热输出发生在散热期间。
3. 网络工作量（W_net）：扩张工作量与压缩工作量之差。
4. 热效率（η_th）：净功与热输入的比值，即η_th = W_net / Q_in。
5. 热力学第一定律：系统中能量的变化与热量和功有关。在理想的闭合循环中，净功等于输入热量与输出热量之差。
实际上，由于摩擦、热传递到气缸壁、燃烧不完全、泵气损失以及废气和冷却系统等因素，实际效率总是低于理想效率。
汽油发动机的理想循环：奥托循环
理想汽油发动机可以用奥托循环来表示，假设加热过程在恒容条件下进行。理想奥托循环的主要阶段包括：
1. 等熵压缩：空气-燃料混合物在没有热传递的情况下被压缩（理想情况）。
2. 定容加热：假设燃烧迅速发生，因此体积保持不变。
3. 等熵膨胀：燃烧气体膨胀，推动活塞并产生功。
4. 定容散热：排出热量，循环恢复到初始状态。
理想奥托循环的热效率可以表示为压缩比的函数：
\[
\eta_{奥托} = 1 – \frac{1}{r^{\gamma – 1}}
\]
其中γ为比热比（Cp/Cv）。该方程表明，提高压缩比可以提高效率。然而，汽油发动机受限于爆震（爆燃），爆震是由于高温高压导致混合气在火花塞产生稳定火焰锋面之前发生不受控制的燃烧。因此，汽油发动机的压缩比通常低于柴油发动机。
理想柴油机循环：柴油循环
理想柴油机由柴油循环表示，其主要区别在于，假设在初始膨胀冲程中，由于燃油喷射，热量增加发生在恒定（或接近恒定）压力下。理想柴油循环的各个阶段如下：
1. 等熵压缩：仅将空气压缩到非常高的温度。
2. 恒压加热：燃料被注入并燃烧，在部分过程中保持相对恒定的压力。
3. 等熵膨胀：热气体膨胀并做功。
4. 定容散热：排出热量以恢复到初始状态。
理想柴油循环的效率取决于压缩比和截止比 (ρ)，截止比是指最终加热体积与初始加热体积之比。通常情况下，在相同的压缩比下，奥托循环的效率往往高于理想柴油循环。然而，实际情况恰恰相反：柴油发动机通常效率更高，因为它们可以使用更高的压缩比，并且节气门损失更小。
热力学比较：为什么柴油效率更高？
从应用热力学的角度来看，有几个令人信服的理由：
1. 柴油发动机更高的压缩比
柴油发动机只压缩空气，因此爆震对柴油发动机的限制远小于汽油发动机。柴油发动机的压缩比可以更高，从而带来更高的压缩末期温度、更易燃烧和更高的效率。
2. 部分负荷下无油门运行
许多汽油发动机通过节气门限制进气流量来调节动力输出。这会造成泵气损失，尤其是在轻载工况下。柴油发动机通常通过调节燃油喷射量来调节动力输出，同时保留多余的空气，从而降低泵气损失并提高部分效率。
3. 燃烧特性和空燃比
柴油发动机通常采用极稀的混合气，在特定条件下可降低峰值温度，从而减少热损失。然而，柴油发动机也存在颗粒物（烟尘）和氮氧化物排放的问题，需要加以控制。
4. 燃料的热值和能量密度
柴油的体积能量密度高于汽油。虽然热效率是一个独立的概念，但这一因素会影响每公里和每升的油耗，因此柴油往往看起来更“高效”。
实际流程方面：从理想周期到实际周期
理想的奥托循环和柴油循环都假设过程是等熵的，并且热量是以“纯粹”的方式添加的。而实际发动机则会经历显著的偏差，包括：
– 热量传递到气缸壁会降低工作气体的温度，从而减少膨胀功。
– 活塞环、轴承和气门机构部件上的机械摩擦会降低有效功率。
燃烧持续时间：燃烧并非瞬时完成。在汽油发动机中，燃烧需要曲轴转动几度；在柴油发动机中，存在延迟点火和扩散燃烧现象。
– 前一个循环的残余气体改变了后续混合物的组成和温度。
– 容积效率受进气/排气设计和气门正时的影响，决定了进入的空气质量，从而影响功率和油耗。
在工程分析中，性能通常用指示平均有效压力（IMEP）和制动平均有效压力（BMEP）来衡量。IMEP反映的是气缸内所做的热力学功，而BMEP则是扣除机械损失后实际作用于轴上的功。两者之间的差异与机械效率有关。
热力学对排放的影响
热力学的研究与排放物的形成密不可分，因为混合物的温度、压力和组成决定了化学反应。
– 如果燃烧不完全，汽油发动机往往会产生 CO 和 HC，但当混合物接近化学计量比时，三元催化剂是有效的。
柴油发动机由于高温和过量氧气，容易产生氮氧化物（NOx），由于扩散燃烧中局部富燃区，也容易产生颗粒物/烟尘。为了平衡燃油效率和排放，通常会采用废气再循环（EGR）、涡轮增压和后处理（SCR/DPF）等技术。
现代发展：涡轮增压、缸内直喷和混合循环
技术进步正在模糊“汽油特性”和“柴油特性”之间的界限。现代汽油发动机通常采用缸内直喷和涡轮增压技术来提高效率并降低油耗，但这会增加颗粒物排放并需要使用过滤器。与此同时，现代柴油发动机则采用多级喷射控制和可变涡轮增压技术来优化燃烧。
在热力学研究中，现代发动机通常被分析为双循环：热量添加部分发生在定容条件下，部分发生在定压条件下。这种模型更能真实地描述实际燃烧过程，因为实际燃烧并不完全符合奥托循环或柴油循环的假设。
结论
对柴油和汽油发动机的热力学研究表明，不同的点火和混合气形成方式会导致不同的理想循环：汽油发动机的理想循环为奥托循环（定容循环），柴油发动机的理想循环为柴油循环（定压循环）。虽然在相同的压缩比下，理想的奥托循环效率更高，但实际上，柴油发动机往往效率更高，因为它们能够利用更高的压缩比，并在部分负荷下降低泵气损失。然而，效率并非唯一考量因素：排放、扭矩特性、系统成本和维护需求等都是决定应用的关键因素。随着直喷、涡轮增压、废气再循环（EGR）和后处理等现代技术的应用，两种类型的发动机都在不断进步，朝着新的最佳状态迈进——在提高热效率的同时降低排放——因此，对热力学的理解仍然是内燃机设计和性能评估的关键基础。
