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汽车内燃机的热效率真的不可能比发电厂的热效率高吗？

电脑杂谈　发布时间：2020-07-17 10:18:55　来源：网络整理

卡诺循环效率_奥托循环阿特金森循环_海陆间循环与陆上内循环

这是我所知道的有关写作的第一篇文章. 自从我知道并回答了一些与汽车有关的问题以来，已经过去了两年多. 我要写这篇文章的主要原因是，大多数人对热效率的概念感到困惑. 我希望本文可以澄清以下问题:

什么是热效率. 热力学的第一定律和第二定律是什么，卡诺循环和卡诺效率是什么. 汽车内燃机的热效率. 电厂的热效率.

本文不可避免地会有一些学者，我希望它不会像教科书那样乏味，欢迎大家进行讨论. 但我需要澄清的一件事是，本文，尤其是1-3，是绝对正确的. 这些不是我个人的主观观点，而是客观事实，就像1 + 1 = 2. 内燃机不断发展，但是确定内燃机极限的基本热力学理论是在200年前明确考虑的. 因此，如果您不理解它，我很愿意解释它，但是请不要质疑它的正确性. 如果您认为我是胡说八道，请立即给我涂黑，不要犹豫.

对于往复式内燃机，热效率是指气缸中的气体对活塞所做的功与释放的热量之比，

$\eta_{th}=\frac{W_{out}}{Q_{in}}$

热效率的概念很简单. 但是需要明确的是，发动机的热效率以及摩擦和机械效率

$\eta_m$

完全没有关系，并且热机的效率已完全测量. 还有很无法区分热效率和燃烧效率

$\eta_{c}$

. 燃烧效率是指气缸中燃料完全燃烧的程度，通常高于90-95％. 如果发动机的热效率仅为30％，并不意味着气缸中只有三分之一的燃料被燃烧，而是气缸中的燃料燃烧之后，只有三分之一的能量转化为机械能. 工作. 输出. 燃烧效率，热效率和机械效率相乘，可以视为整个发动机的总效率:

$\eta_{b}=\eta_{c}\eta_{th}\eta_{m}$

由于燃烧效率和机械效率通常在90％以上，因此提高热效率是关键. 因此通常仅提高热效率. 当然，这些效率的定义在不同情况下会略有不同，因此在这里我将不做详细介绍.

道路上批量生产的汽车的热效率通常超过30％，剩下的60％的能量又流向哪里？可以简单地认为汽油燃烧的热量分为三部分，一部分被用于冷却气缸的冷却水带走，另一部分在排气时被浪费掉了，其余的三分之一是有效的功，因此热效率超过30％. 换句话说，只要您的汽车水箱很热，排气管很热，就会浪费能量.

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热力学的第一定律是能量守恒. 如果您对此有任何疑问，我想知道这不适合您，您应该立即进行一些能够获得诺贝尔奖的研究.

热力学第二定律指的是能量转换，不仅观察能量守恒，即不发生量的变化. 同时，不同的能量具有质量差异. 从优质能源到劣质能源，转换效率为100％，但是从劣质能源到优质能源，转换效率不能为100％. 也就是说，不同形式的能量相互转化并具有方向性. 优质能源包括电能和机械能. 最低质量的能量是热. 电阻丝产生热量，消耗的电能可以100％转换为热量. 但是，不可能通过将热量转换为机械能达到100％的效率，这是热机的理论上限. 因为热机是将热量转换成机械能的装置.

对于卡诺循环，可以认为是热机热力学第二定律的定量表达. 换句话说，无论热机是什么，无论是内燃机还是外燃机，无论是往复式热机还是旋转（涡轮）热机，无论其如何获取热量，其终极效率不容侵犯. 根据热力学第二定律，该极限效率是卡诺循环的效率，简称卡诺效率.

可以考虑将任何热机从高温热源获取能量，然后在外部进行工作，最后必须将少量能量从系统释放到低温热源. 作为一个简单的示例，下图是蒸汽轮机的. 蒸汽轮机在2-3处从锅炉吸收热量，并在3-4处通过涡轮从外部进行工作，但必须将一部分热量排放到4-1冷凝器中的环境中，否则此热力循环无法完成.

1824年，卡诺（Carnot）认为热机的终极效率仅与高温热源和低温热源的温度有关，与这种热机的运行方式无关:

$\eta_{Carnot}=1-\frac{T_{low}}{T_{high}}$

$T_{low}$

和

$T_{high}$

所有温度都是开尔文的热力学温度. 低温热源的温度相对简单. 在大多数情况下，它可以视为室温23℃（296 K，300 K）. 因此，如果蒸汽机锅炉的加热温度为600 K（327℃），则该蒸汽机的极限效率为50％，并且不可能突破. 这就是卡诺效率的含义.

卡诺循环的指导意义是它告诉我们，为了提高热机的效率，尽管我们不能降低低温热源的温度，但我们应该尝试提高高温的温度. 温度热源，以提高热机的效率.

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上面的第一张图片使用锅炉加热工作流体（工作物质，用于工作的流体），并通过冷凝器中的热交换进行冷却. 这样就很好地理解了低温和高温热源. 这是典型的内燃机.

对于汽车内燃发动机，没有所谓的高温热源. 通常认为，由于燃料的燃烧，气缸内气体的极限温度是高温热源，并且该温度不低于2000 K（是的，您没有看错，我没有写错了，我也可以告诉你，钢的熔点约为1400℃，即1700 K，铝的熔点是660℃，约1000 K），那么汽车内燃机的卡诺效率在

$\eta_{Carnot}=1-\frac{300}{2000}=0.85$

那么，目前汽车内燃机的热效率只有30％，40％，潜力很大？

实际上，2000 K是相对保守的. 对于传统的汽油发动机，气缸中的最高温度达到2500 K是正常的. 那么为什么内燃机的极限温度可能会如此之高，甚至会突破金属的熔点？主要原因很简单. 汽车的内燃机是往复式热机. 四冲程内燃机以两个旋转完成工作循环，即720°，可能只有大约10°的时间，并且气缸内的气体温度可能高于2000K. 在整个循环中从进气和排气的角度来看，气瓶中的气体温度可能仅为300-400 K，因此尽管气瓶中的气体温度暂时很高，但平均温度却不高（400-500 K ），因此往复式内燃机对气缸壁的材料非常友好，有利于降低成本. 因此，往复式内燃机的高温热源的温度会非常高. 根据卡诺定律，往复式内燃机的极限效率非常高. 对于气缸壁的温度有更好的答案. 您可以在发动机工作时参考@苏黎世贝勒爷，它在内部如何承受超过2000度的高温？

由于汽车内燃机的理论卡诺效率很高，为什么汽车内燃机的效率不高？因为这受热力学循环的限制. 汽车的往复式内燃机可以近似为理想的奥托循环. 1-2是压缩，2-3是燃烧，3-4是膨胀功，4-1是排气，0-1-0是通风. （感谢@Patrickshiro告诉我中文是奥托而不是奥托，我总是打错了）

对于奥托循环，其热效率计算非常简单，请参见以下公式.

$\gamma$

是一个称为比热容比的数字，它随温度和气体成分的不同而略有不同，可以认为是1.35.

$CR$

是压缩率. 因此，如果压缩比为10，则Otto循环的理论热效率为55％，如果压缩比为15，则Otto循环的理论热效率为61％.

海陆间循环与陆上内循环_奥托循环阿特金森循环_卡诺循环效率

$\eta_{Otto}=1-\frac{1}{{CR}^{\gamma-1}}$

因此可以看出，奥托循环的效率不高，并且与卡诺循环的间隙非常大，因此汽车的内燃机的效率相对较低. 严格来说，热力学第二定律的局限性对汽车内燃机没有用，而且太过分了. 但是，由于汽车的内燃机的极限温度较高，因此提高了内燃机的效率. 此外，热力学告诉我们，汽车内燃机的效率很容易超过50％. 实际上卡诺循环效率，先进的内燃机技术不再受奥托循环的限制，因此，奥托循环的理论热效率并不完全是内燃机的上限. 但是本文不会扩展.

这实际上是熟悉的沸水. 您可以燃烧煤炭，天然气，铀. 简而言之，燃烧一些东西，释放热量，然后把水烧开做功. 这就是蒸汽轮机，与热力学相对应. 朗肯循环.

沸水的最大问题是水温不能太高. 在传统的蒸汽涡轮机中，涡轮机的入口温度通常低于374℃（水的临界点），因此根据该温度计算出的卡诺效率仅为54％卡诺循环效率，远低于内燃机的85％. 但是，由于兰金循环中水的液相-气相变化，因此兰金循环本身实际上非常接近卡诺循环，因此可以使实际效率非常高，达到30％以上. 我不会详细介绍.

这时，有人说超临界和超超临界朗肯循环. 这是指水蒸气的状态，这意味着当水温高于374℃时，无论加压程度如何，水都不会变成液体. 根据维基百科（超临界蒸汽发生器），超临界单元的最高温度可以达到566℃，此时卡诺效率为64％，超超临界单元的最高温度可以达到760℃，卡诺效率是71％. 因此，使用超临界和超超临界单元确实可以大大提高蒸汽机的热效率. 实际效率可以达到40-50％，但这伴随着对材料需求的增加. 蒸汽机是旋转机械，高压涡轮叶片总是暴露在高温下，因此它们所能承受的温度远低于往复式内燃机的温度.

最后，我要说一下联合循环电源. 由于兰金循环的热源的温度不能太高，因此所有人都认为燃气单元和蒸汽单元是串联连接的，如下所示. 图6的燃气轮机是使用布雷顿循环（Brayton Cycle）的，这种循环效率相对较低，并且出口温度非常高. 因此，燃气轮机出口可用于加热2-5的蒸汽轮机.

燃气轮机中的温度相对较高，可能达到数千度. 如果恰好是1000℃，则此时的卡诺效率为76％，这是很高的. 但是燃气轮机的出口温度也很高，有时达到500或600摄氏度. 如果不重复使用，效率会很低. 但是这个温度恰好适合朗肯循环. 因此，联合循环的效率非常高，可以达到60％. 但是同样，燃气轮机内部的温度不能太高，并且也受材料的限制. 原因与汽轮机相似.

最后添加几句话. 也许有些人可能不理解，因为对热力学的研究如此深入，为什么现在的热机仍然有改进的空间？实际上，作为一门基础科学，热力学只会告诉您什么是可能的，什么是不可能的，以及如何做到的是工程问题. 一方面，如前所述，对于发电厂中的旋转式热机，增加材料极限可以显着改善热机性能. 另一方面，无论哪种热机，工作流体的流动，热交换和燃料燃烧都是非常复杂和重要的过程，涉及流体力学，传热，燃烧，化学动力学等. 应用科学. 因此，对这些学科的深入了解和应用可以减少各种损失，并使实际效率接近理论效率. 这就是行业和学术界正在做的事情.

好的，我没想到编辑器会包含它. 尽管没什么大不了的，但它至少表明有人会读它. 我考虑了一会儿，它会这样写:

汽油和柴油发动机之间的区别. 这似乎是一个非常简单的问题，没有任何解释，但是实际上，它并不是那么简单. 如果不了解汽油和柴油发动机，就不可能理解为什么HCCI和马自达的SPCCI可以提高热效率. 改善发动机效率的方式和局限性. 各种汽油机的魔术变化，仅集中在发动机本身，暂时不涉及混合动力. （我不会写柴油发动机的死机）均质压燃HCCI. 其他HCCI衍生技术，例如PCCI，SACI（马自达的SPCCI），RCCI等. 您还可以引入湍流喷射点火. 各种奇特的引擎: 例如旋转引擎，自由活塞引擎，对置活塞引擎等. 这纯粹是有趣的写法，这些引擎可能甚至没有意义，但它们非常有趣.

我希望每1至2周更新一次. 实际上，我也可以撰写有关电动汽车和混合动力总成以及整个汽车水平的分析，但是我目前还没有想到特别好的主意.

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第二篇文章: 洋葱: 汽油发动机和柴油发动机之间的本质区别是什么？

2019.03.05补充

@清月问我，为什么在计算卡诺效率时不将发动机排气温度用作低温热源，但是环境温度为300K. 我认为这是一个好问题. 有人问过我实际上，将排气温度用作低温热源温度会获得较低的效率，这似乎更接近实际情况. 但是，卡诺定律作为表达热力学第二定律的一种方式，并不是要更接近实际情况，而是要表达理论上的上限. 只要排气温度高于环境温度，实际的热效率就可以提高，因此低温热源必须设置为300K. 此外，卡诺热机不考虑热机的类型，但只关心高温和低温热源温度，这非常适合在不同类型的热机之间进行比较. 因此，使用300 K的环境温度是一个更合理的值.

标题图片是布加迪Chiron发动机的照片. 其他所有数字均取自维基百科.

洋葱: 均质压燃式HCCI: 内燃机将来会依赖它吗？专栏.zhihu.com