论述汽车发动机与热力学的关系

论述汽车发动机与热力学的关系

摘要：本文就汽车发动机原理、分类，以及如何提高发动机效率做了阐述。

动机即热机，大多人叫引擎。是一种把化学能转化为机械能的机器。其实，发动机是一整套动力输出设备，包括变速齿轮、引擎和传动轴等等，可见引擎是只是整个发动机的一个部分，但是却是整个发动机的核心部分，因此把引擎称为发动机也不为过。现在指的发动机即内燃机，常见的有汽油机和柴油机。汽车的主流发动机就是汽油机，也有少部分是柴油机。发动机的原理就是基于热力学的。首先，它遵循热力学第一定律：△E=Q+A. 即燃料被引燃后，内能增加，△E>0，气体前后温度变化不大放热Q<0,所以使得A>0。从而使得发动机向外输出机械能。继而他同样遵循热力学第二定律：即供热转换的方向性，并且，燃料燃烧产生的内能并没有完全转化为机械能。然后，从发动机的工作过程看，发动机工作的一个周期（四个冲程）即为热力学中的一个循环过程。 P

C b d a V2 V1

如图所示，由a到d四个过程分别表示发动机工作的四个冲程：（1）：绝热压缩a-b,空气和汽油的混合气从a(低压)到b(高压)状态。（2）：等体吸热b-c,压缩到体积V2时气缸内气体被火花塞点燃，混合气体由b状态急速升温到c状态，并且压强也急剧升高。（3）：绝热膨胀c-d,混合气体绝热膨胀，推动活塞对外做功，温度降低（部分热传递给汽缸），压强减小。（4）：等体放热d-a,即将废气从缸中排走，把热量带走。下一循环中，发动机又会吸入气体重复以上过程。通常用8个字概括便是：吸气、压缩、做功（燃烧）、排气。综合这些过程，运用热力学知识，在理想情况下（气体为理想气体、存在真正的绝热过程、机械之间无摩擦等）：

b-c过程，气体吸热Q1=μC v, m(T3-T2) , d-a过程气体放热 Q2=μC v, m(T4-T1)

所以 η =1 -

T4?T1T3?T2

T1

又， a-b, c-d

V1γ?1

= ()

V2

V1γ?1T3

均为绝热过程，有= () 、

T2V2T4

1

得η=1-

(V1/V2)γ?1

定义压缩比（V1/V2）=r

则η =1? γ?1 r1

由上式可以知道，奥托循环的热效率取决于压缩比r。实际上，汽油内燃机的压缩比不超过7，不然的话，压缩比太高将导致油气混合物在绝热压缩过程中体积还未到b状态就会因温度升高过大而自行燃烧。所以，按压缩比为7，空气γ=1.4来算的话，可得到发动机（汽油机）的理论热效率为55%。但是由于实际情况达不到理想状态，所以现实生活中，汽油机的热效率不到30%。

然而，热机的最大理论效率是卡诺循环效率，即热机按照卡诺循环进行工作，其理论效率为62.7% 但是，其条件在现实生活中也是比较可靠的，因为它由两个等温过程和两个绝热过程组成，况且，卡诺循环中要将冷凝温度减低到环境温度以下，这也是不经济的。将其做成汽油机或柴油机也存在很多问题比如工质的不同。但是有一类发动机也应用了卡诺循环——即斯特林发动机。斯特林发动机是独特的热热机，因为他们理论上的效率几乎等于理论最大效率，称为卡诺循环效率。斯特林发动机是通过气体受热膨胀、遇冷压缩而产生动力的。而且斯特林发动机是外燃机。优点为由于外燃机避免了传统内燃机的震爆做功问题，从而实现了高效率、低噪音、低污染和低运行成本。外燃机可以燃烧各种可燃气体，如：天然气、沼气、石油气、氢气、煤气等，也可燃烧柴油、液化石油气等液体燃料，还可以燃烧木材，以及利用太阳能等。只要热腔达到700℃，设备即可做功运行，环境温度越低，外燃机最大的优点是出力和效率不受海拔高度影响，非常适合于高海拔地区使用。然而其缺点：制造成本较高，工质密封技术较难，密封件的可靠性和寿命还存在问题，功率调节控制系统较复杂，机器较为笨重。我想这也是实际生活中难以利用卡诺循环来制造汽车发动机的原因。

但是，如何就目前状况进一步提高汽车发动机的效率，依然是一个很有讨论价值的。目前的主流汽油发动机的进气、压缩、做功、排气四个过程的行程应该是相等的，这是造成发动机热效率低的原因之一，就是能量得不到充分利用。因为，在发动机做功过程中，会产生大量的热量，同时汽油燃烧也会产生新的气体，所以此过程的能量应该是非常大的。但现在的发动机做功距离只于压缩距离相等，造成的能量的浪费：一是做功完成之后缸内气体压力过大，仍有部分能量没有利用；二是缸内压力过大使排气过程使用过多的能量；三是缸内温度过高，利于热量向外散发要。改善这一问题便要缩短进气、压缩的行程，延长做功距离。可以延迟吸气的开始时间以减少吸气行程，相比之下便增大了做功行程。

还有就是改进材料，减轻发动机质量；增加进气压力（可考虑使用可产生涡流的活塞），减小进气温度；减小摩擦等

参考文献：（1）芶秉聪 胡海云 《大学物理》，国防工业出版社 （2）赵凯华 《新概念物理教程》，高等教育出版社 （3）严济慈《热力学第一和第二定律》，人民教育出版社

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