1、内燃机排气喷水增加压力做功可行性分析全球目前约有九亿辆汽车, 其中绝大部分是普通的燃油内燃机汽车。内燃机作为汽车最关键的部件，其性能直接影响汽车油耗的高低。到目前为止，汽车行业在提高内燃机效率方面已经取得了巨大的进步，对内燃机效率的改进主要集中在优化油气混合和缸内燃烧等方面，虽然内燃机效率通过上述方法已有很大提升，但仅通过这些途径还是不能充分满足未来燃油经济性的目标。对于车用柴油机，仅有 40%多的燃油能量转换为机械能，剩余能量最终通过发动机排气、冷却水等释放到大气环境中。若能将发动机剩余能量有效回收利用，则对提升发动机效率、降低发动机油耗量具有重大意义。1 发动机热平衡分析表 1-1 为柴油
2、机各部分能量分布比例，由表可知燃油能量仅有 38.5%转化为机械能，而近 60%的燃油能量没有被利用。柴油机余热主要通排气、冷却水、中冷器等释放到大气环境中。其中，发动机尾气带走了 32.7%的能量，冷却水带走 18%的能量，而中冷器损失了 8.4%的能量。表 1-1 某柴油机热平衡分析输出功 尾气 冷却水 中冷器 未燃烧油kW 2150 1821 1003 471 132% 38.5 32.7 18 8.4 2.4汽车发动机动力输出占燃油燃烧总热量的25% - 42%, 其余以废热形式从冷却水和尾气等中排出。车外的能量占燃烧总能量的58% - 75%, 这不仅是一种能量浪费, 同时也会造成一
3、定程度的大气热污染。发动机尾气的余热具有温度高、压强大、流速快的特点,因此尾气所含能量在浪费的热量中占主要部分。根据工程热力学热力性质和过程, 若发动机尾气初比焓值 为607. 02 kJ /kg, 1h背压状况比焓值 为300. 19 kJ /kg时, 则尾气中含有的能量为：2h12h=306.8kJ/g可见, 尾气中含有相当数量的能量, 若从尾气中回收这部分能量并加以利用, 则是提高能量利用率的重要途径之一。这样既节省能源又会使车辆运行费用降低。通过对发动机各部分的能量分析可知，发动机尾气能占输入能量的比例最高，其所占比例达 40%以上，因此，需要对其能量进行 火用 分析，确定其能量回收价
4、值。发动机尾气 火用 值计算公式为 , 00xHexhaustexhaustexhaustEmT（2-1）式中， ,x为发动机涡轮后尾气 火用 （kW）ehaust为发动机涡轮后尾气熵（kJ/kg.K）0T为环境温度（K）为达到与环境相平衡状态时的尾气焓（kJ/kg）0s为达到与环境相平衡状态时的尾气熵（kJ/kg.K）通过以上对发动机的热平衡分析以及尾气的能分析和 火用 分析可知，发动机尾气作为发动机余热的主要组成部分，不仅能值最高，而且其 火用 值也较大，而对于发动机其他部分的热损失，所占比例最大的为发动机冷却水热量，在发动机正常运转时，其工作温度大约为80-90，也具有一定的回收价值。2
5、 排气喷水增压做功发动机方案根据发动机在结构和工作原理我们提出两种排气喷水增压方案。（1）六冲程发动机。采用排气与喷水接触式增压。将普通发动机在一个气缸内完成的进气、压缩、燃烧做功、排气的四个过程增加为进气、压缩、燃烧做功、压缩喷水、膨胀做功和排气六个工作过程。在废气压缩行程末端时向气缸内喷水,水吸热变成水蒸汽,体积膨胀继续推动活塞做功,从而达到做第二次功的过程。（2）寄生循环发动机。燃料燃烧与喷水汽化不在一个汽缸内进行,而是将燃烧室生产的尾气导入到专供喷水蒸发汽化的汽化室内,当汽化室内的温度升至一定温度值时,计算机将通过传导系统自动向该汽化室内喷水,使水在高温中迅速汽化膨胀推动活塞运动而做功
6、,将原来采用各种散热装置散失掉的热能量充分利用。这样的发动机做功方法，必须有热源才能维持工作循环，因而称这样的循环为寄生循环。2.1 六冲程发动机原理 普通的四冲程发动机把 3/4 的能量以热能的形式散发掉了。六冲程发动机则利用了部分散发的热能去制造蒸汽以回收部分本来会损失的能量。在普通四冲程发动机的“ 进气- 压缩- 燃烧做功- 排气”四个冲程之后，第五个冲程开始的时候，把水喷进炽热的气缸里面，水马上就变成了温度高达 816 度的蒸汽，体积急剧膨胀 1600 倍，同时气缸内压强急剧增大，推动活塞再次做功如此一来，每 6 个冲程中就出现 2 个做功冲程，而消耗的燃油却没有变化。到了第 6个冲程
7、，发动机把水蒸气排放到一个冷却器，水蒸气在那里重新变成水。根据计算，六冲程发动机能比传统的四冲程发动机效率提高 40%。如果是柴油机的话，还可以再提高 5%。系统热力学分析将利用热力学第一定律和热力学第二定律，分别采用能分析法和 火用 分析法对六冲程发动机系统进行热力学分析，为下节的计算提供理论基础。计算中对六冲程发动机系统做出以下假设：（1）把燃料定容及定压燃烧产生高温，高压燃气的过程简化为工质从高温热源可逆定容及定压吸热过程，高压喷水的吸热过程为定压吸热过程。废气和水蒸气的排放过程简化为向向低温热源可逆定容放热过程。（2）把循环工质简化为空气，且作理想气体处理，比热容取定值。（3）在膨胀和
8、压缩过程中忽略气体与气缸之间的热交换，简化为可逆绝热过程。通过上述简化，将整个循环进行抽象和概括，其 p-v图如 1-2，T-s 图如 1-3.循环构成如下：1-2 为定熵压缩过程；2-3 为定容加热过程；3-4 为定压加热过程；4-5 为定熵膨胀过程；5-6 为定熵压缩过程；6-7 为定容加热过程；7-8为等熵膨胀过程；8-1 为定容放热过程。图 2-1图 2-2下面进行循环的热力学分析。易知：循环中工质从高温热源吸收热量 为1Q123467324276()()()vppQqcTcTc向低温热源发出的热量 为 2Q8181vq循环净功 为 即图中所围成区域面积netw2netwQ据循环热效率
9、定义有 2 8111324276()()()net vt vppcTQccT=1- 81324276()()()T3 寄生循环做功方法和寄生循环发动机该做功方法利用高温热源为发动机供气，发动机吸入高温进气后，进行压缩使气体升温；在压缩过程结束之前喷水，水吸热后迅即变为蒸汽，蒸汽膨胀从而推动活塞做功，之后进行排气，由此形成“高温进气-压缩喷水- 蒸汽膨胀做功 -排气”四个工作过程（图1） ，如此反复，形成工作循环。寄生循环做功不需要燃烧过程，因而不需要为寄生循环发动机提供燃料。通过水汽化吸热减少发动机的压缩负功。图 3-1 寄生循环发动机的工作过程3.1 寄生循环发动机的机构寄生循环发动机包括活
10、塞、动力输出轴、机体、挤气通道和排气通道，由活塞和机体构建工作室，进气通道和排气通道与工作室相接，其特征在于，发动机进气通道与热源相连通；工作室内有向工作室内喷水的喷水器。3.2 寄生循环发动机热力过程分析工质为水蒸气的朗肯循环热力学第二定律指出在相同的温限内，卡诺循环的热效率最高。在采用气体做工质的循环中，因定温加热和放热难以实施，而且在 p-v 图上气体的定温线和绝热线的斜率相差不多，以致卡诺循环的净功并不大，故在实际上难以采用。在采用蒸汽做工质时，压力不变时液体的汽化和蒸汽的凝结的温度也不变，因而也就有了定温加热和放热的可能。然而实际的蒸汽动力装置中并不采用卡诺循环（如图 2 所示） ，
11、其主要原因是：首先在压缩机中绝热压缩过程 8-5 难于实现，因状态 8 为水和蒸汽的混合物，压缩过程中压缩机做功不稳定；同时状态 8 的比体积比水的比体积大得多，需用比水泵大得多的压缩机。其次，循环局限于饱和区，上限温度受制于临界温度，故即使实现卡诺循环，其效率也不高。再次，膨胀末期，湿蒸汽干度过小，含水分甚多，不利于动力机安全。因此，实际蒸汽动力循环均以朗肯循环为其基础。图图 3-2 水蒸气的朗肯循环寄生循环发动机中水的热力过程及其分析在该寄生循环发动机中，水经过的热力过程是非闭合的（如图 3-3 所示） 。图 3-3 寄生循环中水的热力过程下面分析此循环的热效率。每千克新蒸汽在汽轮机内可逆
12、绝热膨胀做出的技术工为新蒸汽从热源吸热量为此时，压缩高温尾气所作（比热容按定值计算）的功为 pw所以循环效率为 4 结论六冲程和寄生发动机优点：1.油耗少、排放低.六冲程发动机在低转速 /节气门开启时比传统的发动机省油35% 。在高转速/节气门全开时也可节油 13% 。由此减少了 CO2 的排放。2.改进了低转速扭矩. 六冲程发动机比产生相同扭矩的四冲程发动机的转速低1000r/min 同时,随着转速的上升, 其扭矩将会呈线性增加。缺点1.首先，在向气缸内喷水，确实可以利用气缸余热多做功。但是必须考虑这些水对气缸的腐蚀，以及润滑问题。然后，做功之后的水蒸气需要冷凝，这就需要体积重量都很大的冷凝
13、器，加重了汽车的整备质量，增加了单位油耗，同时会使汽车动力性能严重恶化。2.接下来还是一个技术上的问题：如果不润滑，那么气缸的磨损、腐蚀十分严重；而如果润滑，那么做功之后排出来的水蒸气就被润滑油污染，进入冷凝器之后，润滑油凝结，时间稍长就会堵塞管路。3.另外，这样做，气缸壁会受到强烈的冷热交变应力，会使其寿命严重降低。实际上，向内燃机气缸喷水（与燃油一起喷入），就可以提高输出功率和热效率，这种尝试几十年前就有人研究过，但主要就是因为气缸腐蚀问题而放弃的。在上述两种方案中分析发现在方案一可以降低汽缸壁温度，直接吸热做功从而做出更多功，燃料利用效率更高。方案一中由于直接在气缸内喷入了一定量的水，将会造成燃气缸内产生一系列的化学反应，将会生成一系列的腐蚀性物质，如硝酸，硫酸等，对气缸产生了强烈的腐蚀，最终使得发动机性能受到影响；而后者很好的避免了这一问题，但第二种方案存在气体导入时温度热量有所下降，缸内蒸汽温度低、压力小的特点，影响到最终的作功性能。
