当前课程知识点：汽车发动机原理 > 第三章：工作循环与能量利用 > 3.10 发动机的节能途径与技术 > Video
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
-0.1 总论
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-0.2 车用发动机的种类
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-1.1 示功图及其测取
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-1.2 四冲程发动机示功图分析
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-1.3 二冲程发动机示功图分析
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-1.4 性能指标分类与循环指示功
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-1.5 动力、经济性能指标与测定换算
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-1.6 影响动力、经济性能指标的环节和因素
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-第一章习题(计入课程成绩)--作业
-2.0 导论
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-2.1 燃料的分类
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-2.2 汽油、柴油的炼制
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-2.3 汽油的理化特性
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-2.4 柴油的理化特性
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-2.5 燃料构成与理化特性
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-2.6 汽油、柴油质量标准
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-2.7 燃料与发动机工作模式
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-2.8 工质主要热力参数
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-2.9 燃烧热化学
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-第二章习题(计入课程成绩)--作业
-3.0 导论
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-3.1 热力过程与热机循环的简化
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-3.2 理论循环分类及循环热效率
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-3.3 理论循环热力参数对热效率的影响
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-3.4 工质对循环热效率的影响
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-3.5 真实循环对热效率的影响
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-3.6 机械损失的构成
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-3.7 机械损失的测量方法
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-3.8 机械效率的影响因素
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-3.9 发动机的能量分配与转化效率
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-3.10 发动机的节能途径与技术
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-第三章：工作循环与能量利用--第三章习题(计入课程成绩)
-4.0 导论
--Video
-4.1 四冲程发动机换气系统及换气过程
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-4.2 配气相位对发动机性能的影响
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-4.3 充量系数的解析式
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-4.4 进气阻力对充量系数的影响
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-4.5 其他因素对充量系数的影响
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-4.6 充量系数的速度特性
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-4.7 压力波及其传播特性
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-4.8 单缸机的进排气动态效应
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-4.9 多缸机的进排气动态效应与进气不均匀性
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-4.10 四冲程发动机增压系统及性能
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-4.11 二冲程发动机的换气过程与换气质量
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-第四章习题(计入课程成绩)--作业
-5.0 导论
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-5.1 发动机运行工况
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-5.2 发动机特性曲线分类
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-5.3 发动机速度特性
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-5.4 发动机负荷特性
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-5.5 发动机全特性
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-5.6 发动机外特性与整车动力性
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-5.7 发动机全特性与整车经济性
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-5.8 混合动力专用发动机及其运行特性
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-第五章习题(计入课程成绩)--作业
-期中考试（只有一次答题机会！）--期中测试题（占30%总分）
-6.0 导论
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-6.1 燃烧现象及其分类
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-6.2 可燃混合气的着火与着火理论
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-6.3 湍流及其在燃烧中的作用
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-6.4 均质混合气中的火焰传播
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-6.5 液体燃料的雾化
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-6.6 油滴的蒸发与燃烧
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-6.7 示功图与燃烧放热率
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-第六章习题(计入课程成绩)--作业
-7.1 柴油机燃烧过程分析
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-7.2 柴油机燃烧放热规律
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-7.3 柴油机燃油喷射系统
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-7.4 柴油机喷油过程
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-7.5 柴油机缸内气流运动
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-7.6 柴油机燃烧室的分类及其特性
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-7.7 柴油机混合气形成方式
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-7.8 柴油机粗暴燃烧与燃烧噪声
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-第七章习题(计入课程成绩)--作业
-8.1 汽油机燃烧过程分析
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-8.2 汽油机的不正常燃烧：爆燃和表面点火
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-8.3 汽油机的不规则燃烧：循环波动和各缸不均匀性
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-8.4 汽油机燃油喷射系统及其演变
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-8.5 非直喷汽油机燃烧室及其特性
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-8.6 汽油机进气道喷射与混合气形成
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-8.7 汽油机缸内直喷与混合气形成
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-第八章习题(计入课程成绩)--作业
-9.1 有害排放物种类及其危害
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-9.2.1 NO的生成机理
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-9.2.2 CO和HC的生成机理
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-9.2.3 PM和Soot的生成机理
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-9.3 有害排放物生成的影响因素
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-9.4 汽油机机内净化技术
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-9.5 柴油机机内净化技术
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-9.6 汽油机后处理技术
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-9.7 柴油机后处理技术
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-第九章习题(计入课程成绩)--作业
-10.1 燃烧模式及其分类
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-10.2 汽油机均质混合气压燃（HCCI）模式
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-10.3 柴油机均质混合气压燃（HCCI）模式
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-10.4 内燃机部分预混压燃（PCCI）模式
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-10.5 均质混合气引燃（HCII）模式
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-10.6 天然气发动机
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-10.7 氢燃料发动机
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-10.8 二甲醚发动机
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-10.9 甲醇发动机
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-10.10 乙醇发动机
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-10.11 生物柴油发动机
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-第十章习题(计入课程成绩)--作业
-期末考试--期末测试题（占30%总分）
