内燃机的热效率和发展方向

内燃机的热效率和发展方向

发表时间：2014-09-04T16:21:11.903Z 来源：《科学与技术》2014年第7期下供稿作者：李培石[导读] 高压共轨，提供一致的油压，精确供油，使油量进气量和转速匹配，达到节油提高热效率的目的。

李培石

内燃机的可变气门和升程控制技术是根据内燃机转速和供油量，优化进气量，组织气流，调整点火时间，使燃烧充分，使热能充分利用提供热效率。

涡轮增压，提供了平均压力，变相提高压缩比，提高热效率。增压在单位时间，温差，散热面积一定，就是增加排量，散热不变就是增加绝热指数，提高热效率。

喷油调整角，是随转速调整喷油提前角，调整点火时间，使燃烧充分进行，提高热效率。

直喷，提供良好的雾化，缩短燃烧时间，提高热效率。

高压共轨，提供一致的油压，精确供油，使油量进气量和转速匹配，达到节油提高热效率的目的。上述各项措施都为了降低油耗，提高热效率减少大气污染。然而热效率的提高有个门槛不可逾越，那就是由最高燃烧温度和排气温度决定的理想状态下的热效率。此排气温度指排气阀打开时的气体温度。汽油机最高燃烧温度1600K，排气温度1000K，由卡诺循环公式可知，η=﹙T1-T2﹚／T1。代入得出热效率等于0.375，汽油机的排气温度可能还高于1000K，就是现在的汽油机很难以降低排气温度，那么汽油机的热效率只能止步于0.375，现在的汽油机热效率已达0.3，已没有多少提高余地。柴油机的最高燃烧温度2200K，排气温度1000K，代入卡诺循环公式可知，η=﹙T1-T2﹚／T1。柴油机最高热效率0.545，现在柴油机的平均热效率是0.42，最高热效率有报道是0.49，在现在曲轴活塞内燃机的燃烧膨胀工作方式的基础上，热效率已没有多少提高的空间。

上述数据是大众数据作为参考。这两种状态都是在理想绝热，没摩擦的情况下的热效率，考虑现实的摩擦散热，热效率达不到这两个热效率数值。

要降低油耗减少大气污染就要提高热效率，现在的技术结构已到达完美的高度，要大幅提高热效率就要采用新的技术方案。内燃机的理想状态下的热效率是多少，我们要清楚这个目标，明白有多少路可以走，还可以提高多少热效率，方能有的放矢。根据门捷列夫—克拉铂龙绝热曲线方程，T2／T1＝( 1 / 2) 1 V V r ? 以柴油机为例，T1 燃烧温度2200K，压缩比20，空气以氮气为主r 取为1.4，把指标参数代入，计算得出膨胀结束排气温度是663.8K，就是在理想绝热状态下应该是663.8K，由最高温度和最低温度决定的理想状态下的内燃机热效率是多少，根据卡诺循环热效率η=﹙T1－T2﹚／T1，可以得出最高热效率是0.698，再跟据等容加热循环热效率公式η＝1－﹙1／ ?k ?1﹚还以压缩比20 的柴油机为例，绝热指数分别取1.35 和1.4，得出热效率分别是0.65 和0.699，在绝热指数1.4 时，其热效率与卡诺的理想状态非常近似。现在柴油机的混合循环理论最高热效率0.545（指最高燃烧温度2200K，排气温度1000K），据报极限热效率是0.49，就是说摩擦散热最少降低0.055 个热效率，那么等容循环内燃机的现实最高热效率可达0.643。现实与理论为什么有如此大的距离，根源在于排气温度的差异，主要由现在内燃机的曲轴活塞系统结构，燃烧特性，材料性能决定。

材料的性能已没有大的挖掘余地，燃料的燃烧特性很难改变。

如果材料可以承受，有理论的爆燃内燃机，就是近似的等容循环内燃机，可以极大的提高热效率。在现有的技术，活塞在不停运动，不同的燃料有特定的燃烧速度，转速越高，相对燃烧时间越长，等容度降低，燃烧和膨胀同时进行，甚至到做功结束，排气温度升高，热效率大为降低。再根据黄金分割，内燃机的最佳热效率应是0.617，就是最佳的经济制造成本。燃料不能在瞬间释放热量，燃烧伴随膨胀作功同时进行，提高了排气温度，后燃期的时间和油量直接决定排气温度。主燃期应在上止点后35 度结束，后燃期应在上止点后90 度结束，燃烧延迟甚至到作功结束，更是提高了排气温度，当前的内燃机结构不能解决上述问题。

如何降低排气温度，提高热效率，只有让它基本遵循等容循环作功。既然不能瞬间燃烧释放热量，那么燃烧和膨胀就要分离，就是把燃烧独立出来，在循环中作为单独的一段。就是在燃烧阶段实现等容，活塞到达上止点时，静止不动，燃烧室容积不变，活塞做间歇性往复运动，实现等容燃烧加热，燃烧结束膨胀作功，燃烧和膨胀作功分离，由于燃烧有一定的过程时间，只能近似的遵循等容加热循环，但它的排气温度将遵循温度和体积之间相互变化关系。现在的材料，加工技术，结构理论已经能够实现等容燃烧循环。这种结构理论采用非传统的曲轴连杆结构，而是把曲轴连杆的摆线往复运动分解为摆线运动和直线往复运动两个独立运动，不再同时进行。部件主要采用非圆齿轮，行星齿轮和辅助闭环控制件。非圆齿轮包含两端的两个半圆齿轮和中间两段平行的直线齿段，作为行星齿轮的运动轨迹，通过他们之间的相互作用，活塞实现闭环间歇往复直线运动。行星齿轮和非圆齿轮啮合在直线齿段，行星齿轮停止公转，非圆齿轮完成往复直线运动。行星齿轮和非圆齿轮啮合在半圆齿段，行星齿轮公转加自转，非圆齿轮不动，实现摆线运动的换向和活塞的间歇静止。实现等容加热循环的内燃机，将使内燃机的热效率跃上一个新的台阶，降低油耗减少大气污染，同时更经济。固在现有的各项技术的基础上，等容燃烧循环内燃机是未来发展的方向。