柴油引擎和汽油引擎的熱力學研究
介紹
內燃機是一項關鍵技術，它透過在氣缸內燃燒，將燃料的化學能轉化為機械能。車輛和各種工業應用中最常見的兩種內燃機是汽油（火花點火/SI）引擎和柴油（壓燃/CI）引擎。雖然兩者都基於四衝程循環（在許多設計中）和基本的熱力學原理，但在混合氣形成、點火方式、燃燒特性以及效率方面存在顯著差異。熱力學的研究有助於我們理解為什麼柴油引擎往往效率更高，為什麼汽油引擎的反應和轉速特性有所不同，以及壓縮比、溫度、壓力和損耗等參數如何決定引擎性能。
內燃機的基本熱力學
理想情況下，引擎性能分析通常透過理想化的熱力循環模型來實現，該模型簡化了實際燃燒過程。其目標並非精確復現燃燒的細節，而是提供一個評估設計變數對效率影響的架構。本研究的關鍵參數包括：
1. 壓縮比（r）：活塞位於下止點時汽缸容積與活塞位於上止點時汽缸容積之比。壓縮比影響最終的壓縮溫度和壓力，從而極大地決定了引擎效率。
2. 熱輸入 (Q_in) 和熱輸出 (Q_out)：在理想循環概念中，熱輸入發生在燃燒（或添加熱量）期間，熱輸出發生在散熱期間。
3. 網路工作量（W_net）：擴張工作量與壓縮工作量之差。
4. 熱效率（η_th）：淨功與熱輸入的比值，即η_th = W_net / Q_in。
5. 熱力學第一定律：系統中能量的變化與熱和功有關。在理想的閉合循環中，淨功等於輸入熱量與輸出熱量之差。
實際上，由於摩擦、熱傳遞到氣缸壁、燃燒不完全、泵氣損失以及廢氣和冷卻系統等因素，實際效率總是低於理想效率。
汽油引擎的理想循環：奧托循環
理想汽油引擎可以用奧托循環來表示，假設加熱過程在恆容條件下進行。理想奧托循環的主要階段包括：
1. 等熵壓縮：空氣-燃料混合物在沒有熱傳遞的情況下被壓縮（理想）。
2. 定容加熱：假設燃燒迅速發生，因此體積不變。
3. 等熵膨脹：燃燒氣體膨脹，推動活塞並產生功。
4. 定容散熱：排出熱量，循環恢復到初始狀態。
理想奧托循環的熱效率可以表示為壓縮比的函數：
\[
\eta_{奧托} = 1 – \frac{1}{r^{\gamma – 1}}
\]
其中γ為比熱比（Cp/Cv）。此方程式表明，提高壓縮比可以提高效率。然而，汽油引擎受限於爆震（爆燃），爆震是由於高溫高壓導致混合氣在火星塞產生穩定火焰鋒面之前發生不受控制的燃燒。因此，汽油引擎的壓縮比通常低於柴油引擎。
理想柴油引擎循環：柴油循環
理想柴油引擎由柴油循環表示，其主要區別在於，假設在初始膨脹衝程中，由於燃油噴射，熱量增加發生在恆定（或接近恆定）壓力下。理想柴油循環的各階段如下：
1. 等熵壓縮：僅將空氣壓縮到非常高的溫度。
2. 恆壓加熱：燃料注入並燃燒，在部分過程中保持相對恆定的壓力。
3. 等熵膨脹：熱氣體膨脹並做功。
4. 定容散熱：排出熱量以恢復到初始狀態。
理想柴油循環的效率取決於壓縮比和截止比 (ρ)，截止比是指最終加熱體積與初始加熱體積之比。通常情況下，在相同的壓縮比下，奧托循環的效率往往高於理想柴油循環。然而，實際情況恰恰相反：柴油引擎通常效率更高，因為它們可以使用更高的壓縮比，並且節氣門損失更小。
熱力學比較：為什麼柴油效率更高？
從應用熱力學的角度來看，有幾個令人信服的理由：
1. 柴油引擎更高的壓縮比
柴油引擎只壓縮空氣，因此爆震對柴油引擎的限制遠小於汽油引擎。柴油引擎的壓縮比可以更高，從而帶來更高的壓縮末期溫度、更易燃燒和更高的效率。
2. 部分負載下無油門運行
許多汽油引擎透過節氣門限制進氣流量來調節動力輸出。這會造成泵氣損失，尤其是在輕載工況下。柴油引擎通常透過調節燃油噴射量來調節動力輸出，同時保留多餘的空氣，從而降低泵氣損失並提高部分效率。
3. 燃燒特性和空燃比
柴油引擎通常採用極稀的混合氣，在特定條件下可降低峰值溫度，從而減少熱損失。然而，柴油引擎也存在粒狀物（煙塵）和氮氧化物排放的問題，需要加以控制。
4. 燃料的熱值與能量密度
柴油的體積能量密度高於汽油。雖然熱效率是一個獨立的概念，但這一因素會影響每公里和每公升的油耗，因此柴油往往看起來更「高效」。
實際流程面：從理想週期到實際週期
理想的奧托循環和柴油循環都假設過程是等熵的，並且熱量是以「純粹」的方式添加的。而實際引擎則會經歷顯著的偏差，包括：
– 熱量傳遞到氣缸壁會降低工作氣體的溫度，從而減少膨脹功。
– 活塞環、軸承和氣門機構零件上的機械摩擦會降低有效功率。
燃燒持續時間：燃燒並非瞬時完成。在汽油引擎中，燃燒需要曲軸轉動幾度；在柴油引擎中，有延遲點火和擴散燃燒現象。
– 前一個循環的殘餘氣體改變了後續混合物的組成和溫度。
– 容積效率受進氣/排氣設計和氣門正時的影響，決定了進入的空氣質量，從而影響功率和油耗。
在工程分析中，性能通常以指示平均有效壓力（IMEP）和煞車平均有效壓力（BMEP）來衡量。 IMEP反映的是氣缸內所做的熱力學功，而BMEP則是扣除機械損失後實際作用於軸上的功。兩者之間的差異與機械效率有關。
熱力學對排放的影響
熱力學的研究與排放物的形成密不可分，因為混合物的溫度、壓力和組成決定了化學反應。
– 如果燃燒不完全，汽油引擎往往會產生 CO 和 HC，但當混合物接近化學計量比時，三元催化劑是有效的。
柴油引擎由於高溫和過量氧氣，容易產生氮氧化物（NOx），由於擴散燃燒中局部富燃區，也容易產生粒狀物/煙塵。為了平衡燃油效率和排放，通常會採用廢氣再循環（EGR）、渦輪增壓和後處理（SCR/DPF）等技術。
現代發展：渦輪增壓、汽缸內直噴和混合循環
技術進步正在模糊「汽油特性」和「柴油特性」之間的界線。現代汽油引擎通常採用缸內直噴和渦輪增壓技術來提高效率並降低油耗，但這會增加顆粒物排放並需要使用過濾器。同時，現代柴油引擎則採用多級噴射控制和可變渦輪增壓技術來優化燃燒。
在熱力學研究中，現代引擎通常被分析為雙循環：熱添加部分發生在定容條件下，部分發生在定壓條件下。這種模型更能真實地描述實際燃燒過程，因為實際燃燒並不完全符合奧托循環或柴油循環的假設。
結論
柴油和汽油引擎的熱力學研究表明，不同的點火和混合氣形成方式會導致不同的理想循環：汽油引擎的理想循環為奧托循環（定容循環），柴油引擎的理想循環為柴油循環（定壓循環）。雖然在相同的壓縮比下，理想的奧托循環效率更高，但實際上，柴油引擎往往效率更高，因為它們能夠利用更高的壓縮比，並在部分負載下降低泵氣損失。然而，效率並非唯一考量：排放、扭力特性、系統成本和維護需求等都是決定應用的關鍵因素。隨著直噴、渦輪增壓、廢氣再循環（EGR）和後處理等現代技術的應用，兩種類型的引擎都在不斷進步，朝著新的最佳狀態邁進——在提高熱效率的同時降低排放——因此，對熱力學的理解仍然是內燃機設計和性能評估的關鍵基礎。
