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同学们好

这节课我们学习

从能量分配的角度

来探讨发动机节能的途径

并展示几种典型的节能技术

上节课我们分析了

发动机的能量流向

主要有三大块

一是有效输出功

二是废气散热

三是冷却散热

所有发动机的节能技术

都是围绕如何提高有效输出功率

以及减少排气散热和冷却散热

进行研发的

我们先来分析一下

提高有效输出功率的途径和技术

可以从提高燃烧效率

循环热效率和机械效率着手

比如采用含氧燃料或者稀燃

加强气体流动

加速油气混合等等

都可以提高燃烧效率

但对于汽油机和柴油机正常燃烧

由于其燃烧效率已经很高

节能潜力并不大

下面我们重点关注

提高循环热效率

和提高机械效率的途径和技术

尤其是提高发动机的

循环热效率仍有较大空间

提高汽油机的压缩比和膨胀比

节能效果较为明显

比如可变压缩比技术

就是让发动机在低负荷时

按高压缩比 节能运行

而在大负荷的时候

按照低压缩比 抗爆运行

实现可变压缩比的方案很多

这幅图给出了九种典型的

可变压缩比设计方案

瑞典萨博公司推出的

可变压缩比发动机

它的压缩比在8到14之间可变

综合运行工况 节能效果良好

通过增加膨胀比同时减少压缩比

也可以实现节能

如果能将理想循环的等容放热

改为等压放热

也就是将图中所示的绝热膨胀线

z-b延长为z-b'

再按b'-a进行等压放热

回到压缩始点a

则会增加图中所示的b-b'-a-b

面积大小的有效功或热量

使得循环热效率提高

这种循环我们叫Atkinson循环

是一种超膨胀发动机循环

由英国人James Atkinson

在1882年提出

由于Atkinson循环发动机的

膨胀冲程增加

会增加发动机的外形尺寸和重量

实现起来有难度

如果将绝热膨胀线适当延长到b''

再按b''-a''

进行等容放热

再按a''-a进行等压放热

回到压缩始点a

从而获得图示的b-b''-a''-a-b

面积大小的

超膨胀功或热量

从而提高热效率

这种循环就是Miller循环

是由美国人Ralph Miller

在20世纪40年代提出的

Miller循环的实质是膨胀比

大于压缩比

Miller循环在实际应用中

通常不是通过增加活塞行程

来增加膨胀功

而是利用可变配气正时VVT机构

灵活控制进气终点

以降低泵气损失

从而提高循环热效率

这幅图给出了自然吸气汽油机

Miller循环换气过程

与正常循环换气过程的对比

图a表示进气门关闭

正好在下止点

这时的泵气损失是用阴影面积

表示的泵气功

如果Miller循环是通过进气门早关

来实现 如图b所示

由于可以加大节气门开度

以维持进气量不变

因此进气压力可以提高

从而减少泵气损失

若Miller循环是通过

进气门晚关来实现

如图c所示

则泵气损失也就是阴影面积

泵气功较进气门早关的还要小

但是注意在动力过程功中

也相应的损失了一小块

就是我们的剖线封闭面积

这样总的来看

Miller循环进气门早关

和晚关的净指示功是差不多的

但实际Miller循环发动机

一般采用进气门晚关

因为这样可以充分利用进气惯性

增加进气量

而晚关还可以增加进气冷却气缸

降低混合气压缩终点温度

从而减少爆燃倾向

由于常规汽油机

在中低负荷的泵气损失

占到整个循环净指示功的

大约30%到40%

因此Miller循环在汽油机上的应用

具有较大的实用价值

是一种有效的节能技术

实现Miller循环关键要有

可变配气正时VVT机构

此外Miller循环发动机

一般都采用增压技术

以弥补进气门晚关或早关

造成的进气充量损失

为了提高发动机的循环热效率

还可以采用稀燃

就是Lean burn技术

柴油机就是一种稀燃发动机

所以它的热效率较高

但常规汽油机

是工作在理论空燃比附近

采用稀燃节能的潜力大

汽油机稀燃并不是为了提高

燃烧效率

因为汽油容易实现预混合

汽油机稀燃的主要目的

是增大工质的等熵指数

提高工质的做功能力

从而提高循环热效率

早期的缸内直喷汽油机

GDI汽油机

就是在部分负荷采用稀燃模式

实现了较大幅度的节能

此外缸内直喷降低了

进气充量的压缩温度和压力

减少了爆燃倾向

在相同爆燃条件下

可以提高发动机的压缩比

缸内直喷汽油机稀燃模式

一般采用质调节负荷方式

减少了泵气损失

关于缸内直喷汽油机的

混合气形成和燃烧

在第八章中会详细讨论（此处口误）

提高发动机燃烧的等容度

也是一种有效的节能手段

如采用加大汽油机

缸内湍流提高火焰传播速度

进行快速燃烧

以及汽油机采用均质混合气压燃

等都是一种有效的节能手段

采用低温燃烧

燃烧时隔热或绝热等

可以减少传热损失

也是一种有效的节能手段

提高机械效率也是目前

提高输出功的有效途径

对汽油机取消节气门

通过控制喷油量直接调节负荷

比如直喷稀燃或者通过调节

废气再循环EGR

直接调节负荷

从而降低泵气损失

可以获得良好的节油效果

此外采用DLC类金刚石减摩材料

或者改善润滑条件

也可以减少摩擦损失

采用电驱动可变转速水泵

增压器等也可以大幅度降低

附件消耗功率

发动机由冷却介质

和废气带走的热量

各占燃料总能量的三分之一左右

但是这些散热能量

再利用的程度是不相同的

由热力学第二定律可以知道

热量是存在不同品质差别的

当工质温度越接近环境温度时

其携带热能的品质就越差

可利用的百分比就越低

我们这里以摄氏一百度的热水

和摄氏五百度的废气为例

在20摄氏度的环境温度下

如果按照卡诺循环

来比较他们最大可利用能的

百分比

计算表明

热水的循环热效率

仅有21.4%

而废气则可达到62.1%

两者有近三倍的差别

因此人们更关注温度高的

废气能量的再利用

废气能量再利用的典型技术

就是涡轮增压发动机

增压的主要目的是加大进气充量

提高输出功率

同时由于增压发动机的

泵气过程功一般为正功

加上机械效率的相对提高

因此整机有效效率将有较大增长

如果对增压后的热空气

再进行冷却

降低其进气温度

则输出功率将进一步增大

排放噪声性能也有所改善

这种被称为增压中冷

英文叫inter-cooling的技术

是发动机当前很重要的

一个发展方向

实际应用中

如果涡轮排出的废气中

仍含有较多的能量

则可利用其所含的热能

直接驱动动力涡轮

增大曲轴输出功率

这就是复合增压发动机

如图所示

还有一种排气废热利用的方法

就是基于Rankine循环

利用换热器将排气中的热量

回收之后

再将加热的气体送到涡轮端

或者专用的活塞

转化为机械功

如图所示

冷却散热能量再利用的典型技术

就是低散热发动机

20世纪70年代以来

国外有少数厂家

进行了研制低散热柴油机

最初叫绝热发动机

它的初衷是想利用

陶瓷材料使燃烧室及排气系统

壁面高度隔热

减少散热损失增大输出功率

但是隔热虽然能降低冷却损失

却难以获得明显的功率增加

这是因为从热力循环的观点看

冷却系统带走的相当部分热量

实际上应归于像低温热源

放出的热量

也就是“火无”英文叫“anergy”

这部分能量不由冷却系统带走

就会改由废气排出

而不是直接提高输出功率

根据计算全部绝热后

非增压发动机的指示效率

仅能提高大概4%到6%

主要原因就是绝热之后

虽然提高了缸内燃烧温度

相应的提高了热量的品质

但排温也会有所提高

循环热效率提高有限

考虑到实际

不可能做到百分之百的绝热

再加上绝热后使进气温度上升

充气系数也就是充量系数

充量效率也会降低这些因素

那么实际输出的功率增加

是有限的

原来由冷却散热带走的热量

如果相当部分改由废气带出

可以增大废气总的可利用能量

如果能将低散热技术

与涡轮增压和复合增压

相结合 如图所示

充分利用废气的可用能

则可以使发动机的有效效率

提高到48%到54%的较高水平

实际上由于陶瓷件

难以满足低散热发动机

工作时高可靠性

和高温润滑的要求

以及燃烧室内温度过高

带来的一些工作过程

恶化的影响难以消除

低散热发动机

绝热散热发动机

大规模应用还面临很大挑战

关于发动机的各种节能途径

以及典型的节能技术

我们就介绍到这里

同学们再见