主题：【原创】NOx or Particulate-柴油发动机的抉择 -- 波波粥

进一步深度除硫和降低芳烃含量，保守的说法是，在汽车全寿命期间内，所获得的节能效果并不显著（从油井到废气）。

但是，对于其它的技术路线图而言，降低芳烃含量和除硫所付出的代价并不那么大了。

目前除硫主要考虑的是环保，但是硫和芳烃在燃烧过程中的确起到了恶化燃烧品质的作用。

面对日益严格的排放法规，也许在不远的将来，汽车动力装置会出现一个百花齐放的局面，在尘埃落定之前，要尽一切可能来挖掘潜力，而且电子技术，传感器技术，材料科学等方面的进步，让内燃机“重新焕发了青春”，这个方向上的应用，还有非常大的潜力，20美元的成本增加，甚至会换来数千美元的收益（全寿命期内）。

比如前面讲的新Smart的柴油发动机其实只代表了2002年的成熟技术。

排放法规可以说是极大的促进了发动机技术的进步，大家都在想既省钱又有效的办法，15年来，发动机技术度过了一个相对沉寂期，重新又活跃了许多（当然，也要托同时期特别是微电子技术的，软件技术进步的福）。

我觉得就是以小损耗换大收益啊.汽油标号问题先不说,通过降低进气温度增加进气密度从而增加实际参与燃烧的空气量,同时降低油气温和汽的温度,有助于提高压缩比.

代价是进气没有原来那么顺畅了...

“但除否进行增压，吸气温度和大气温度是一致的，”

气体被压缩后就回变热阿，中冷就使把压缩气体尽量冷却到大气温度用的，增压越厉害的发动机中冷就越有用。为什么说吸气温度是一样的？要么是我误解了这句话...

增压中冷看似只是增压的简单改进，但从能量流动看，有很大的改进。

与自然吸气相比，增压将部分气体压缩工作从气缸内转移出来，这样可以使用较小的气缸实现较大的压缩比。从而提高航空活塞发动机的高空性能，或者降低发动机尺寸。但从能量流来看，废气涡轮增压装置回收利用的废气能量，没有转化为有用功，而是从散热系统流失了。

散热系统消耗的能量，是由气缸内平均温度与大气温度的差值决定的。而热机有效功，是由气缸内平均温度与进气温度的差值决定的。因此，降低进气温度可以在有效功不变情况下降低散热，即提高有效功在总能量中的比率，从而提高效率。

但冷却进气是需要能量的，而增压+热交换（中冷）构成了一个完整的冷冻压缩机结构，通过废气涡轮驱动压缩机，回收利用的废气能量扩大了气缸内平均温度与进气温度的差值，减少了散热系统消耗的能量。从能量流角度看，最后不要称为“以小损耗换大收益”，而是称为“利用废气能量降低散热开销，提高有用功”为佳。

“但除否进行增压，吸气温度和大气温度是一致的，”

不好意思，是把“除非”打成“出否”了。意思就是没有压缩机，就不可能进行制冷。

最后讨论一下“通过降低进气温度增加进气密度从而增加实际参与燃烧的空气量,”实际参与燃烧的空气量是应由空燃比决定的，不是越多越好。

”降低油气温和汽的温度,有助于提高压缩比。“改为”有助于高压缩比下更经济有效运转“较为妥贴。早期用于航空发动机多级增压的intercooler的主要目的是尽量提高增压效果，即提高压缩比。但目前发动机增压系统均为一级压缩，冷却系统应该称为“后冷aftercooler",只是沿用了”中冷“这个词，后冷技术提高压缩比效果不明显，也不是其主要目的。

---“与自然吸气相比，增压将部分气体压缩工作从气缸内转移出来，这样可以使用较小的气缸实现较大的压缩比。从而提高航空活塞发动机的高空性能，或者降低发动机尺寸。。”

增压与否，压缩比是根据活塞行程和燃烧室的大小决定的,是发动机的几何设计参数. 所以增压压力高低理论上不影响压缩比，只是提高能量密度。当然实际上由于气体压缩变热容易预燃所以增压汽油机的压缩比需要人为地降低。

---“但从能量流来看，废气涡轮增压装置回收利用的废气能量，没有转化为有用功，而是从散热系统流失了

散热系统消耗的能量，是由气缸内平均温度与大气温度的差值决定的。而热机有效功，是由气缸内平均温度与进气温度的差值决定的。因此，降低进气温度可以在有效功不变情况下降低散热，即提高有效功在总能量中的比率，从而提高效率。”

柴油机和汽油机的热机是不一样的(太懒了不想查书了）。但是和理想热机相比，排气耗散的能量不仅仅是热能，还有动能（高压气体外泄+活塞推动排气）。热能是在排气冷却到大气温度的时候消失了，但是动能是被回收了一部分。从这个角度来说，经过turbo的排气其能量并没有从散热系统完全消失。

---“但冷却进气是需要能量的，而增压+热交换（中冷）构成了一个完整的冷冻压缩机结构，通过废气涡轮驱动压缩机，回收利用的废气能量扩大了气缸内平均温度与进气温度的差值，减少了散热系统消耗的能量。从能量流角度看，最后不要称为“以小损耗换大收益”，而是称为“利用废气能量降低散热开销，提高有用功”为佳。

”

这个思路有意思。设想3台发动机 A: 自然吸气 B: Turbo only C: Intercooler + Turbo

A: 进气温度等于大气温度

B: 进气受压缩，高于大气温度

C: 压缩后，经冷却，但是由于理想热源（冷源？）是大气，中冷后也没有气体再膨胀降温的过程，所以无法降温至低于大气温度下，所以进气温度介于A和B之间

这样说的话A自然吸气的发动机还是热效率最高的？

--“最后讨论一下“通过降低进气温度增加进气密度从而增加实际参与燃烧的空气量,”实际参与燃烧的空气量是应由空燃比决定的，不是越多越好。、

您说的没错。我觉得，涡轮增压（高热效率设计，而不是高马力设计）的一个主要好处是，在同样的转速和排量下，可以增加最大进气量（当然喷油量也要相应增加），提高能量密度，增加扭矩和功率。而相同排量的自然吸气发动机输出同样的功率则要以提高转速来实现。高转速工况对能量和金属件的损耗都很大，对效率和寿命都有负面影响。这里涡轮增压的发动机占了大便宜。如果实际参与燃烧的空气量是应由空燃比决定，而燃油喷射总是只有一点点的话，就说明A.功率过剩,这样的功率输出不用涡轮增压就能达到 或 B. 可以考虑换排量更小一级的涡轮增压发动机，维持输出，提高效率。

”降低油气温和汽的温度,有助于提高压缩比。“改为”有助于高压缩比下更经济有效运转“较为妥贴。早期用于航空发动机多级增压的intercooler的主要目的是尽量提高增压效果，即提高压缩比。但目前发动机增压系统均为一级压缩，冷却系统应该称为“后冷aftercooler",只是沿用了”中冷“这个词，后冷技术提高压缩比效果不明显，也不是其主要目的。”

这个问题我觉得比较复杂，我知道汽油机上，使用中冷可以降低预燃可能，因为汽油机设计时的最大实用压缩比受制于气缸压缩阶段的油汽混和气的温度(或者说受制于预燃)，降低温度自然可以使更高增压比的设计更为可行。

柴油机由于是直喷，中冷对压缩比的影响我就不清楚了 :-(

我们常说增加压缩比提高热机效率，实际上指的是增加活塞内外压力差，从而提高效率。因此，最好用活塞压力与大气压力进行比较，而不是用活塞压力与增压压力做比较。增压装置和活塞，可以看成级联的两级压缩装置，分析的时候应该算在一起。

三台发动机的比较上，要考虑到实际压缩比的一致性。当实际压缩比一致时，增压发动机可以看做将自然吸气发动机的活塞截短，这部分行程的压缩过程，是利用废气而不是曲轴做功，但另一方面做功过程中，这部分行程也没有对曲轴做功。当然这部分行程内外压差较小，做功效果较差，但毕竟是减少了部分有用功，所以增压发动机在能量角度上基本上能打个平手。

而增压中冷发动机，可以看出先将空气冷却几十度，再通入活塞截短的自然吸气发动机，与增压相比，大幅提高了经济性。与自然吸气发动机的比较，仍然有提升。

柴油机和汽油机的热机循环图本质是一样，高速柴油机的PV图更接近Otto循环而不是diesel循环。气体的动能和内能转化是非常直接的，两者密切相关，对外做功总是意味着气体温度降低，不太明白你这里的动能回收是指哪个阶段的？

汽油机增压技术的典范其实是二战活塞式战斗机的多级增压系统。其实也是一个很有意思的话题。提高柴油机压缩比的主要问题是收益递减而开销递增。增加10%压缩率能多获得的有效功在减少，而需要的活塞行程和材料强度在提升，还有严峻的排放问题。

请看 http://zh.wikipedia.org/wiki/%E5%A3%93%E7%B8%AE%E6%AF%94

壓縮比的定義：下死點燃燒室的容積　除以　上死點燃燒室的容積。这就汽车发动机的压缩比，没什么歧义。您说的“活塞压力与大气压力进行比较”和“用活塞压力与增压压力做比较”都是片面或者错误的理解。所以我上文里说了，压缩比是发动机的几何结构参数。

“因此，最好用活塞压力与大气压力进行比较” 您的这个定义延伸仅对于自然吸气发动机近似有效。

对于增压发动机，壓縮比等于活塞到上至点后燃烧室内的压力除以turbo后（intercooler 后，如果有的话）的压力。而且这个延伸也只是理想的，是忽略了一些实际工况后的近似。

热机是高度抽象的理想模型，与实际的发动机有很多区别。讨论发动机要联系实际讨论。建议您先详细了解四冲程发动机的工作原理和实际应用中的性能和各参数的关系。

比如说，我说的排气动能回收，理想热机就没有这个东西，只有现实的发动机才有。排气动能指的是，通俗的讲，就是发动机排气管里的废气有一定的速度，这个速度所代表的动能。

请看涡轮的定义 http://en.wikipedia.org/wiki/Turbine

涡轮的作用是把流体动能转换成轴动力。没有排气动能就没有涡轮增压。

我将增压PV曲线视为自然吸气PV曲线截短部分行程，以便于比较。两个循环叠放在一起，有效功多与少一目了然。

你将增压PV曲线视为原PV曲线的平移和变形，概念上是一致的，但不好比较。

10倍压缩比，1.5倍增压的发动机。其比较对象应该选择15倍压缩比的自然吸气发动机还是10倍压缩比的自然吸气发动机。这个方面是我和你的主要不同点。

一般汽油机和高速柴油机，经济转速在每分钟1500转左右，加速转速为每分钟3000转，极限转速一般不超过每分钟6000转。

以3000转计算，每秒钟转速为50转，曲轴每转一圈包含两个冲程。即每秒100个活塞行程。

活塞行程一般为10-20cm，以20cm计，则活塞平均速度为20m/s，排气速度应该与此接近。

因此，每千克废气的排气动能为

E=0.5×1×20×20=200J

而废气的比热容约为1KJ/KG×K，也就是说，这些动能大约相当于废气温度降低0.2度释放出来的能量，应该可以忽略不计。

废气涡轮的能力源仍然是依靠废气内能回收而不是排气动能回收。

而且是柴油机的最主要减排低成本工具。NOx尾气处理催化器，成本现在还是很高，这也是阻碍HGDI大规模应用的原因。谈到生产，现在NOx催化器的可靠性也是问题，实验室和小批量应该没有问题了，但涉及到可能的巨大warranty账单，还没有厂家大规模推出纯新NOx催化器的柴油车，和lean汽油直喷车。

排气速度远大于活塞平均速度为20m/s。 为啥呢，因为燃烧后的废弃虽然已经将活塞推至下止点完成 做工，但是其气压还是远大于大气压。所以排气门打开后，高压气体倾泻而出，同时活塞运动到上止点推出大部分残余废气。您的估算没有考虑到作完功的废气仍然具有高压这一重要因素。 热力学的热机模型也没有排气动能这一块,热机模型太理想了（高低温热源，两冲程运动），和实际应用上的技术问题真的区别太大。

我列几个明显的区别：

热机的压缩比可以任意调节，提高热效率。实际的四冲程发动机压缩比受到预燃的限制，只能限定在一定值。现实中提高压缩比是提高发动机热效率的重要手段和瓶颈。

热机没有机械磨损。现实中机械磨损导致的能量损耗很大，6000转时的热效率大大低于2000转时的。

前面提到的排气动能。

直喷（不是电喷，是直喷）发动机燃油对压缩气体的冷却作用。奥迪的FSI技术可以提高压缩比0.5到1。

还有，仔细看我给你的wiki链接，涡轮只能回收气体宏观动能，无法回收内能。

柴油机的转速大致是汽油机的一半。

应该是把水轮机和汽轮机搞混，以及内能和动能关系搞混了。对于热机而言，最重要的参数就是P，V，T。三者根据PV/T=nR=const建立联系，这部分能量属于内能的范畴。而气体动能0.5mv^2,与P，V,T无关。

你所说的“排气门打开后，高压气体倾泻而出，同时活塞运动到上止点推出大部分残余废气。”是一个典型的内能转化为动能的过程。热力学的热机模型没有排气动能，但可以从PV图直接看出废气压力高于大气，导致“高压气体倾泻而出”的过程，但没考虑“同时活塞运动到上止点推出大部分残余废气”，因为活塞推出效果就是我算出的那一点点。你所说的排气动能，绝大部分应该是废气内能继续做功。

“仔细看我给你的wiki链接，涡轮只能回收气体宏观动能，无法回收内能”。

请注意汽轮机气体压力、体积的变化曲线。显然，涡轮机前后气体的压力降低是做功的能量源，与气体动能无关，也是一个典型的内能转化为汽轮机动能的过程。

6000转时的热效率大大低于2000转，但主要问题不是摩擦，而是空燃比和放热曲线的不同。

汽油直喷其实是70年前的老技术，德国人广泛用于大功率航空汽油机，当时有冷却方面和降低辛烷值需求的考虑。但现在的直喷技术是建立在稀薄燃烧理论，通过直喷形成气缸内有序但非均匀的燃料分布效果，与冷却作用无关。

EGR这些以后有机会慢慢写写，呵呵，来日方长嘛

“应该是把水轮机和汽轮机搞混，以及内能和动能关系搞混了。对于热机而言，最重要的参数就是P，V，T。三者根据PV/T=nR=const建立联系，这部分能量属于内能的范畴。而气体动能0.5mv^2,与P，V,T无关。”

水轮机和气轮机的涡轮都叫Turbine，不同的是前端，我们要讨论的是最后端的涡轮，不能说水轮机的涡轮是水推动的就不是涡轮了。你可能想到turbine engine去了。

“你所说的“排气门打开后，高压气体倾泻而出，同时活塞运动到上止点推出大部分残余废气。”是一个典型的内能转化为动能的过程。热力学的热机模型没有排气动能，但可以从PV图直接看出废气压力高于大气，导致“高压气体倾泻而出”的过程，但没考虑“同时活塞运动到上止点推出大部分残余废气”，因为活塞推出效果就是我算出的那一点点。你所说的排气动能，绝大部分应该是废气内能继续做功。请注意汽轮机气体压力、体积的变化曲线。显然，涡轮机前后气体的压力降低是做功的能量源，与气体动能无关，也是一个典型的内能转化为汽轮机动能的过程。”

没错，“高压气体倾泻而出”这部分是主要的能量来源。但你算的那个方法不对，活塞很大，排气阀不大，对气流有加速（总的效果不大，但是现在的新技术很多也就是节省这些小小的能量）。你看发动机的进气歧管的设计如此考究，放到你的热机模型里去，那点变化也都被忽略了.

关于涡轮的能量来源，（比较乱，请慢慢看）:

说清楚的话，应该这么说 燃烧后留在气缸内的高温高压气体的内能 ，一部分推动了活塞的运动，一部分从排气阀受控流出。 流出的废气包含了宏观动能和气体内能，其中宏观动能推动了涡轮，转化为了机械能。怎么能说和宏观动能无关呢。

你说的涡轮机的前端就是燃烧室，整个过程被串起来了。你可以参考 http://en.wikipedia.org/wiki/Wind_turbine ，这个最基本的turbine（我说的turbine）。你说的涡轮机（我猜你说的是turbine engine）可以看作 前端（压缩机/燃烧室，产生高温高压气体的内能） + 排气整流（高温高压气体变为有宏观流动方向的排气） + wind turbine。 这是最为基础的流程，个部分都被分解开了。这点上要是咋们合不来，就有本质分歧了。

再举个例子，我说水力发电的涡轮的动力来自于流体的动能。你说那个涡轮的动力来自于大坝高位蓄水而来的势能，咋们都对。因为势能转化为了流体动能，然后流体动能转化成了机械能。粗糙的类比一下，势能=高温高压气体的内能，流体动能=排气宏观动能，水轮机=turbo's turbine

“6000转时的热效率大大低于2000转，但主要问题不是摩擦，而是空燃比和放热曲线的不同。

用你的热机来说，diesel/otto 循环里有和速度有关的变量吗？

“汽油直喷其实是70年前的老技术，德国人广泛用于大功率航空汽油机，当时有冷却方面和降低辛烷值需求的考虑。但现在的直喷技术是建立在稀薄燃烧理论，通过直喷形成气缸内有序但非均匀的燃料分布效果，与冷却作用无关。”

请再看wiki: http://en.wikipedia.org/wiki/Fuel_Stratified_Injection

注意第2句 “In addition, the cooling effect of the injected fuel, coupled with the more evenly dispersed mixtures allow for more aggressive ignition timing curves.”

Also note in auto industry "aggressive ignition timing curves" translates to "engine less prone to pre-ignition" = "allows a higher compression ratio"

还有 “Isuzu claimed the benefit of GDi is that the vaporizing fuel has a cooling effect, allowing a higher compression ratio (10.3 to 1 versus 9.1 to 1) ”

你看看这两个cycle:

http://web.mit.edu/16.unified/www/FALL/thermodynamics/notes/node27.html

http://www.grc.nasa.gov/WWW/K-12/airplane/otto.html

涡轮的原动力来自于那个水平线，等压膨胀之后，排气在排气管内高速流动的动能。不是书本上的封闭回路中的过程。所以把涡轮增压产生的热效率问题放作为封闭过程中的一部分讨论貌似不妥。