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發動機的效率為什麼那麼無法大幅度提升? 提升發動機效率的難點在哪裡?

2018年08月10日 知乎問答精選 暫無評論 閱讀 6 ℃ 次

【無往的回答(92票)】:

看到問題第一反應是:「胡鬧,你又把老師留的作業直接複製過來了吧?」正準備施放「學長的教誨」技能,仔細又讀了一遍題目,看到錯誤的標點符號,感覺老師留問題應該不會這麼問,才決定回答。

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  • 發動機效率的理論極限

在討論如何提升發動機效率之前,難道你對「發動機的效率是否有極限」這一問題感興趣嗎?

第一個回答這個問題的是一個叫尼古拉·萊昂納爾·薩迪·卡諾的人(Nicolas Leonard Sadi Carnot)。1824年,卡諾發表的一本書叫《關於火的動力》(Reflections on the Motive Power of Fire)。書中他提出了卡諾循環,創造了卡諾熱機,闡明了」一切實際熱機的效率都低於卡諾熱機的效率「這一觀點

那時沒有知乎,卡諾的回答在其生前無人關注,也沒有人點贊,直到十多年後才被大V點贊。從此卡諾定律被無數看得懂和看不懂的人跟風點贊,進入了教科書,掛了無數修習大學物理和熱力學的學生。

當然最重要的還是,卡諾定律為熱機/製冷供暖的設計者和研究者們指明了提高效率的道路——使熱機/製冷的工作循環更接近近卡諾循環/逆卡諾循環。

它當然毫無意外地適用於今天的發動機,當然也適用於蒸汽機,汽輪機,噴氣式發動機,冰箱空調等,甚至可能也適用於現在大家很關注的燃料電池(Fuel cell efficiency redefined : Carnot limit reassessed)。

卡諾定律的公式很簡單:

熱機的最高效率只與兩個熱源的熱力學溫度有關。

熱機(heat engine)是指是能夠將熱機(heat engine)是指是能夠將熱源提供的一部分熱量Q轉化成為對外輸出的機械能W的機器。發動機屬於熱機的一種.

對於發動機而言,一般高溫熱源來自於燃料燃燒提供的熱量,低溫熱源就是大氣環境。

從卡諾定律我們很容易想到提高發動機效率的途徑了吧:

既然環境溫度

我們無法改變,那我們提高高溫熱源的溫度

理論上,制約

提升的因素也是制約發動機效率提升的難點啦:比如材料的耐高溫性,加工工藝,燃燒的控制等等,這一展開就是材料學,機械製造設計,燃燒學,熱力學,化學反應動力學,流體力學blablablabla學方面的問題了

給出一些數字,感興趣的同學可以去估算一下提升發動機效率是怎樣的一個難易程度:

卡諾定律裡面的溫度是熱力學溫度,單位是K,攝氏溫度加上273才是熱力學溫度;

發動機在壓縮和做功行程一般溫度範圍會在800-2500℃左右;

發動機排氣出口溫度一般在300-1000攝氏度左右;

提升200度左右大約能提升多少效率。

  • 實際發動機效率的提升

卡諾循環全由可逆過程組成。可逆過程是指系統的某些屬性能夠在無能量損失或耗散的情形下通過無窮小的變化實現反轉的熱力學過程。現實中的熱機都是以不可逆循環來工作,因此卡諾循環是一個理想的循環,只具備指導意義,不可能實現。

卡諾循環是永遠不可能達到,此外無論是汽油機的奧托循環也好,柴油機的狄塞爾循環也好,實際發動機運轉時也都不會嚴格按照這些理想的動力循環去運轉。因為發動機需要散熱冷卻,會有機械摩擦,需要吸入新鮮空氣,排出廢氣,這些都會消耗或者耗散掉一部能量這些現實與理想的差別,也是阻礙發動機提升效率的因素。

從上圖可以看出,發動機熱量由以下幾部分構成:

  • 發動機做功輸出
  • 排氣中的熱量
  • 冷卻水中的熱量
  • 機械損失
  • 泵氣損失
  • 輻射及失火損失

最右下紅色部分是發動機的有效輸出,也就是說發動機的最高效率在30%多,大部分的熱量都被排氣、冷卻水帶走了,還有一部分為機械損失和泵氣損失,小部分熱量被熱輻射和失火損失。

自此我們也很容易得到提高發動機的效率的途徑——縮小理想與現實的差距,降低損失唄。如何降低這些損失也正是是提升發動機效率的難點。

如何降低這些損失,縮小理想與現實差距,的確也很不容易,下圖是某日系廠商在2010年前規劃的一些技術路線(說實話,很多技術名詞縮寫我也不能一下子認出來)。細心的朋友可能可以發現,搞了這麼多飛機也只能從20/100→ 20/70。這也側面說明,要想提高發動機效率,做出像樣的發動機,不是一朝一日所能完成的,需要有技術積累和沉澱。

當然還有一條途徑就是再回收——排氣中的能量不是占比很大麼,那麼回收起來用不就好啦?

比如像這樣的想法:

實際這樣的回收實現起來是非常困難的,具體原因及效果可以參考我之前的回答:

內燃機廢氣的能量可否回收用來做功? - 無往的回答

【埃裡克森貝塔的回答(0票)】:

科技的限制,發動機無法百分百的將內能(燃料)轉化機械能(動能),內燃機目前好像只能將燃料充分燃燒到百分之十幾。

【妖孽的回答(0票)】:

第一,普通汽車出廠時廠家會限制發動機的輸出功率,一般只在90%左右

第二,改變發動機缸徑,連桿,曲軸就相當於增大排量,當然進排氣也要相應升級

第三,刷發動機ECU,優化內部程序

第四,渦輪增壓,現代發動機都是根據進氣量為基礎來控制噴油量的

【某人的回答(0票)】:

百度一下卡諾循環或者看一下大學物理或者物理化學的熱學部分真的沒那麼費時間……

【路洋的回答(0票)】:

如果改用斯特林外燃機的話有可能大幅提高效率,這個看看卡諾循環就明白了,內燃機這方面基本沒太多潛力可挖。。。不過斯特林發動機的特性不適合作為汽車的直接動力,搭配電池,電機和變頻器做成增程電動車倒是有可能

標籤:-汽車 -汽車設計 -汽車發動機 -汽車製造


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