汽油机的热效率探讨

目前，排放法规对汽车有害气体排放物的限值已经达到了极低的水平，汽车污染物排放已经得到了基本的控制。随着国际社会对能源、温室效应以及CO2排放问题的日益重视，节能将成为汽车研究的核心问题。目前，全球汽车保有量接近10亿辆，其中汽油约占60-70%。虽然汽油机的排气污染问题采用三效催化器能得到有效的控制，但是其油耗平均比柴油车高20-30%左右。因此，本文将主要探讨一下汽油机热效率低的原因以及改善汽油机热效率的技术途径。

汽油机热效率低的主要原因：

1. 压缩比过低。为了防止汽油机发生爆震，汽油机的压缩比ε通常在8-11之间，远低于柴油机16-22的压缩比。研究表明，压缩比每提高1个单位，热效率可提高1%-3%。因此，压缩比低是汽油机热效率低的一个主要原因。

2. 等熵指数低。空气的等熵指数k为1.4，燃料与空气混合气的等熵指数小于1.4，混合气稀，等熵指数增加，热效率增加。汽油机的燃烧为当量比燃烧，而柴油机为稀薄燃烧，因此，汽油机的等熵指数较低，这也是造成汽油机热效率低的一个重要原因。

3. 泵气损失大。汽油机是量调节，通过节气门开度控制混合气量，从而控制发动机负荷；柴油机属于质调节，通过缸内直喷油量控制发动机的负荷。相比柴油机而言，汽油机采用了节气门的控制方式，因此，其泵气损失增加。

4. 燃烧定容度低。由于柴油机燃油喷射系统的不断进步，高压喷射系统在柴油机上得到了广泛的应用，使柴油机的燃烧持续期不断的缩短。增加汽油机的缸内湍流速度有利于提高火焰传播速度，使燃烧定容度增加，但是过高的缸内湍流速度会造成点火困难。相比而言，汽油机定容度低也是其热效率低的一个原因。

5. 燃烧稳定性差。有研究表明，循环波动每增加1%，指示热效率降低1.5%。汽油机的循环波动为5-10%，柴油机仅为1-3%。

6. 常用工况效率低。汽油机的常用工况为中小负荷区域，而柴油机通过位于中高负荷区域，发动机在中高负荷工况运行时的燃油经济性会明显好于中小负荷区域，因此，汽油机运行于中小负荷也是其热效率偏低的原因之一。

改善汽油机热效率的主要途径：

1. 增压小排量。增压小排量技术可以使发动机常用工况点从小负荷向中高负荷区域迁移，使运行区域得以优化。发动机在中高负荷区域运行，节气门开度相对较大，由此也使得泵气损失降低。增压技术使得充量系数提高，改善燃烧效率，提高燃油经济性。

2. 缸内直喷（GDI）。第一代缸内直喷技术采用稀薄分层混合气的燃烧方式，由于稀混合气具有抑制爆震的能力，因此，汽油机的压缩 比可以进一步提高；同时稀混合气提高了等熵指数；此外，缸内直喷技术降低了进气节流损失。总体而言，采用第一代GCI技术，汽油机的油耗改善幅度高达20%以上。但由于三效催化器在稀薄燃烧时转化效率会急剧降低，因此，第一代缸内直喷技术并未得到广泛的应用。而第二代缸内直喷（GDI）技术，主要采用当量比燃烧，可以采用成熟的三效催化器才满足排放法规的要求；采用第二代缸内直喷技术，可以提高发动机的压缩比，油耗可以改善10%左右。

参考文献：

[1] 王建昕. 高效车用汽油机的技术进步[J].《内燃机学报》，2008（s1).