内燃机的理想循环及其效率

内燃机有着非常广泛的应用，汽车、船舶、飞机、火箭等的发动机基本都是内燃机。最常见的例子就是车用汽油机与柴油机，它将燃料与空气混合燃烧，产生热能，气体受热膨胀，通过机械装置转化为机械能对外做功。但是内燃机一般使用石油燃料，是不可再生能源，且会排出有害气体，因此研究内燃机的理想循环及其效率能够提高燃料的利用率，改善性能，在一定程度上节约资源、降低污染。

一、内燃机的发展历史

1794年，英国人斯特里特提出从燃料的燃烧中获取动力，并且第一次提出了燃料与空气混合的概念。1833年，英国人赖特提出了直接利用燃烧压力推动活塞做功的设计。19世纪中期，科学家完善了通过燃烧煤气、汽油和柴油等产生的热转化机械动力的理论，这为内燃机的发明奠定了基础。1860年，法国的勒努瓦模仿蒸汽机的结构，设计制造出第一台实用的煤气机。这是一种无压缩、电点火、使用照明煤气的内燃机。

1862年，法国科学家罗沙对内燃机热力过程进行理论分析之后，提出提高内燃机效率的要求，这就是最早的四冲程工作循环。1866年，德国发明家奥托运用罗沙的原理，成功创制第一台往复活塞式、单缸、卧式、3．2k W的四冲程内燃机，仍以煤气为燃料，采用火焰点火。

1881年，英国工程师克拉克研制成功第一台二冲程的煤气机，并在巴黎博览会上展出。

1892年，德国工程师狄塞尔（Diesel）受面粉厂粉尘爆炸的启发，设想将吸入气缸的空气高度压缩，使其温度超过燃料的自燃温度，再用高压空气将燃料吹入气缸，使之着火燃烧。他首创的压缩点火式内燃机（柴油机）于1897年研制成功，为内燃机的发展开拓了新途径。

二、研究内燃机过程中遇到的困难

当尼古拉斯·奥托发明的点火式内燃机比较成熟之时，却也存在着诸多问题，例如奥托发动机的燃料是煤气，储存、携带均不方便，效率也受到影响。而且19世纪末，石油产品在欧洲还是极为罕见的，于是狄塞尔决定选用植物油来解决机器的燃料问题（他用于实验的是花生油）。又因为植物油点火性能不佳，无法套用奥托内燃机的结构，所以狄塞尔决定另起炉灶。像所有伟大的发明家一样，狄塞尔的前进道路困难重重。实验证明，植物油燃烧不稳定，成本也太高，难以承担狄塞尔的“重任”。好在当时石油制品在欧洲逐渐普及，狄塞尔选择了本来用于取暖的重馏分燃油——柴油作为机器的燃料。

压燃式发动机的结构强度始终是个难题。一次实验中，气缸上的零件像炮弹碎片一样四处飞散，差点儿造成人员伤亡。实验不顺利，狄塞尔的资金也渐渐耗尽，他不得不回到制冷机工厂谋生。但狄塞尔没有向困难屈服，他利用业余时间继续实验，一步步完善自己的机器。1892年，狄塞尔终于能够向全世界展示自己的成果——一台实用的柴油动力压燃式发动机。这种发动机功率大，油耗低，可使用劣质燃油，显示出辉煌的发展前景。

三、内燃机理想循环的数学描述和物理解析

内燃机的理想循环叫奥托循环，它是火花塞点燃式汽油发动机经历的循环。在理想情况下，它可分为四个过程：绝热压缩过程、等容增压过程、绝热膨胀过程和等容降压过程。人们按照循环过程的功能差异把这四个过程外加两个辅助过程叫四行程。其中第一个行程叫吸气行程，在这个行程中，阀门打开，系统吸气，状态由a到b，可认为是等压过程。第二个行程叫压缩行程，关闭阀门压缩气体，状态由b到c，可认为是绝热压缩过程；当体积被压缩到V2时，混合气体由电火花点燃后迅速燃烧，压强增大，系统状态由c到d，这个过程可认为是等容增压过程。第三个行程是做功行程，在这个行程中，系统状态由d到e，气体膨胀推动活塞对外做功，可认为是绝热膨胀过程。第四个行程叫排气行程，在这个过程中，阀门打开，废弃排除，系统状态由e到b，可认为是等容降压过程；然后在等压下将废弃进一步排除，系统状态从b回到起始点a。从图29-1可以看出，第一行程（吸气行程）属于循环过程的辅助过程，系统状态循环从b开始，经历c，d，e回到b完成整个循环，所以第四行程——排气行程也属于循环过程的辅助过程。

图29-1

奥托循环在等容增压过程c—d吸热，则吸收的热量为

Q1=νCV（Td-Tc）（29-1）

在等容减压过程e—b放热，放出的热量为

Q2=νCV（Te-Tb）（29-2）

这样，奥托循环的效率为

显然，式（29-3）不是简化的效率表达式，还需要找到Te，Tb，Td，Tc之间的关系以简化该式。由于b—c和d—e经历的都是绝热过程，根据气体的绝热过程方程可得

将式（29-4）代入式（29-3）可得奥托循环的效率为

式（29-5）即是奥托循环完成后效率的表达式。从式（29-5）可以看出，奥托循环的效率由气缸容积压缩比决定（压缩比指发动机混合气体被压缩的程度，即压缩前的气缸总容积与压缩后的气缸容积（即燃烧室容积）之比）。目前，绝大部分汽车采用所谓的往复式发动机。简单地讲，就是在发动机气缸中，有一只活塞周而复始地做着直线往复运动，且一直循环不已，所以在这周而复始又持续不断的工作行程之中有其一定的运动行程范围。就发动机某个气缸而言，当活塞的行程到达最低点时，此时的位置点便称为下止点，整个气缸包括燃烧室所形成的容积便是最大行程容积；当活塞反向运动，到达最高点位置时，这个位置点便称为上止点，所形成的容积为整个活塞运动行程容积最小的状况，需计算的压缩比就是这最大行程容积与最小容积的比值。因此，内燃机气缸总容积与燃烧室容积的比值是内燃机的重要结构参数。压缩比对内燃机性能有多方面的影响。压缩比越高，热效率越高，但随压缩比的增高，热效率增长幅度越来越小。压缩比增高使压缩压力、最高燃烧压力均升高，故使内燃机机械效率下降。汽油机压缩比过高容易产生爆震。柴油机压缩比过低会使压缩终点温度变低，影响冷起动性能。现代柴油机的压缩比一般为12～22，但超高增压柴油机的压缩比可低至8。几年以前，汽油发动机的压缩比为6～10，但如今普遍都为9～12。为了满足国四（欧四）排放标准对于碳排放（即耗油量）的要求，汽车生产厂家普遍都提高发动机的压缩比至9～12，其中9～10．5主要用于涡轮增压发动机，10．0～12则主要用于自然吸气发动机。

四、实际循环与理论循环的区别

在工业应用的实际循环中，有很多地方会产生损耗，与理论循环效率有所差别，下面是几种导致损失的因素。

（1）实际工作物质成分在燃烧中是变化的：三原子分子变多，Cp，CV变大，意味着加入同样的热量，温度增加减小，热功转换能力下降。

（2）比热容随温度上升而增大：T增加，分子更多的自由度被激发，Cp，CV变大，同样降低热功转换效率。

（3）传热损失：顾名思义，是在传热过程中的损失，也包括对流、柴油机辐射等。

（4）燃烧时间损失：这是因为燃烧的进行需要足够的时间，为了尽可能使燃油在上止点附近燃烧，喷油就需要提前。燃烧损失包括不完全燃烧，混合不良，局部过稀、未燃、熄火等问题，而且不能保证理论上的等压燃烧。柴油机喷油后期还可能出现油压降低、喷油速率降低、混合变难。

（5）换气损失：理论循环是向冷源等容放热，属闭式循环；而实际与外界有工质交换，属开式循环；由于进排气流动损失与节流损失，将使进排气过程产生泵气损失。

（6）涡流和节流损失。

（7）泄漏损失。

总之，在实际循环中由于以上多方面的损失，无法达到理论循环计算的效率，甚至可以说相差甚远，所以，在不断对理论进行研究和突破的同时，更应该在实际循环中减少损耗。目前主要的途径有：提高热能转换效率、杜绝散热能损失、回收排气能即复合发动机的使用，还有有效利用发动机输出功来降低各种损失。所以我们还可以在新材料的研发使用、工业工艺的精进改造和各个环节的优化利用上下功夫。

五、内燃机的未来发展趋势

未来十年是汽车、船舶、工程机械、铁道机车等行业重要的发展阶段，内燃机仍是各种交通机械的主要动力，这也必然是内燃机行业的转型期。随着燃油质量越来越高和内燃机技术的逐步成熟，能源有效利用率得到了提高，与此同时，替代燃料也得到了迅速发展，中小型涡轮增压内燃机的开发必定在节能环保方面带来深远影响。

我国内燃机核心技术落后于国外的先进水平。因此，需要加大科技投入量，坚持走自主创新的道路，重点扶持例如电控、增压器等一些关键零部件的产业；改进燃烧系统；解决整机匹配问题，尤其是柴油机；改善内燃机制造工艺，开发应用新型材料，降低燃料消耗率。

由于扩大燃料资源及节能降耗要求，未来的内燃机需要将汽油机及柴油机的优点集于一身，今后的工作重点将集中在开发综合燃烧系统上。

同时，我国石油资源逐渐枯竭，不断加大对进口石油的依赖度，我们必须考虑可代用燃料。氢气是最理想的清洁燃料，也是技术人员追求的方向。但现阶段，制取氢气存在效率低、成本高的难题，氢气的储存也存在技术难题。国外自20世纪后期就开始研究生物质制氢技术，但至今仍没有完成产业化，国内也有一些高校和科研单位进行相关研究，积极开发并应用生物质能源和燃料，这是可持续发展的必经之路。