汽车发动机实际热力循环和热平衡

2.1　汽车发动机实际热力循环和热平衡

发动机的工作循环是指发动机由几个热力过程组成并做一次机械功的热力循环。冲程活塞式发动机的工作循环由气缸的进气、压缩、做功、排气4个过程组成，如图2－1所示。

图2－1　发动机工作循环图

这4个过程可模拟为4个热力模型组成的进气、压缩、燃烧、膨胀和排气5个过程组成的一个热力循环，如汽油机的一个工作循环可模拟为奥托热力循环，柴油机的一个工作循环可模拟为萨巴德循环(混合的加热循环)或狄塞尔循环。但实际上发动机所测得的实际示功图与上述模型的理论示功图有差别。有用功的面积减少，实际热量损失加大。如图2－2所示，实际示功图的机械功面积A小于理论功面积B，两个功面积图A面积被B面积包围起来。

在图2－2中可明显地看出这些差异来。因实际工质与理论工质的差异引起的损失、提前排气损失、换气损失、传热损失和补燃损失等减少了有效功。其主要原因是:

(1)工质的影响。工质的比热实际上是根据外部环境，工质的性质、温度、压力等因素而变化的，不是常数。因为工质在燃烧过程中经过物理化学变化，其分子数是个变数，在高温条件下，工质会分解，要吸收部分热量，所以工质的比热不是常数。实际工质与理想气体工质的分子质量、分子之间的相互作用均不同。

(2)换气损失。实际循环是开放系统，排气会失去部分热量。

(3)气缸内壁多是金属构成，因金属的导热性也会向外传导而失去部分热量。

(4)不完全燃烧，失去部分热量。

(5)时间损失和摩擦损失等诸多因素。

图2－2　发动机实际循环与理论循环对比

图2－3　发动机热能平衡示意图

由于这些因素会影响发动机的性能，比如一台汽油机的实际压缩比是10，经测定热效率为38%，而用进行理论计算可达到69%，两者相差31个百分点。

可见发动机设计的优劣和性能的差异也是很大的。为了客观反映发动机性能的优劣，人们在实践过程中建立了发动机性能指标体系。如用编制热能平衡图来评论发动机热能利用的充分与否。发动机热能平衡图是根据热力学第一定律对一系统进行闭环(封闭)核定测算而制成的。图2－3就是某一发动机的热能平衡示意图，具体数据见表2－1。

表2－1　发动机热量平衡表

从表2－1中或图2－3中得知，转化为有效功的热量只有25%～40%，汽油机为25%～30%，柴油机为30%～40%;传给冷却介质的热量，汽油机为12%～27%，柴油机为15%～35%;排气带走的热量汽油机为30%～50%，柴油机为25%～45%。人们可以通过采取技术措施和方法把流失的热量收回来加以利用，提高燃料利用率。如EGR技术、排气涡轮增加器和液化石油气发动机上的蒸发调压器、进气加温装置等都是利用热量提高热效率的例子。近年来有人研究在混合动力汽车上利用排气所携带的能量发电反馈到电池组，或利用半导体制冷改善车内空调系统。