1、论述汽车发动机与热力学的关系摘要：本文就汽车发动机原理、分类，以及如何提高发动机效率做了阐述。动机即热机，大多人叫引擎。是一种把化学能转化为机械能的机器。其实，发动机是一整套动力输出设备，包括变速齿轮、引擎和传动轴等等，可见引擎是只是整个发动机的一个部分，但是却是整个发动机的核心部分，因此把引擎称为发动机也不为过。现在指的发动机即内燃机，常见的有汽油机和柴油机。汽车的主流发动机就是汽油机，也有少部分是柴油机。发动机的原理就是基于热力学的。首先，它遵循热力学第一定律：E=Q+A. 即燃料被引燃后，内能增加，E0，气体前后温度变化不大放热 Q0。从而使得发动机向外输出机械能。继而他同样遵循热力学第
2、二定律：即供热转换的方向性，并且，燃料燃烧产生的内能并没有完全转化为机械能。然后，从发动机的工作过程看，发动机工作的一个周期（四个冲程）即为热力学中的一个循环过程。 V2 V1如图所示，由 a 到 d 四个过程分别表示发动机工作的四个冲程：（1）：绝热压缩 a-b,空气和汽油的混合气从 a(低压) 到 b(高压)状态。 （2）：等体吸热 b-c,压缩到体积 V2 时气缸内气体被火花塞点燃，混合气体由 b 状态急速升温到 c 状态，并且压强也急剧升高。 （3）：绝热膨胀 c-d,混合气体绝热膨胀，推动活塞对外做功，温度降低（部分热传递给汽缸） ，压强减小。 （4）：等体放热 d-a,即将废气从缸
3、中排走，把热量带走。下一循环中，发动机又会吸入气体重复以上过程。通常用 8 个字概括便是：吸气、压缩、做功（燃烧） 、排气。综合这些过程，运用热力学知识，在理想情况下（气体为理想气体、存在真正的绝热过程、机械之间无摩擦等）：b-c 过程，气体吸热 Q1= C v, m(T3-T2) ,d-a 过程气体放热 Q2= C v, m(T4-T1) 所以 =1 - 又， a-b, c-d4132均为绝热过程，有 、 12= (12)1 34= (12)1得 =1- 1(1/2)1定义压缩比（V1/V2）=rCdbaP则 = 1 11由上式可以知道，奥托循环的热效率取决于压缩比 r。实际上，汽油内燃机的
4、压缩比不超过 7，不然的话，压缩比太高将导致油气混合物在绝热压缩过程中体积还未到 b 状态就会因温度升高过大而自行燃烧。所以，按压缩比为 7，空气 =1.4 来算的话，可得到发动机（汽油机）的理论热效率为 55%。但是由于实际情况达不到理想状态，所以现实生活中，汽油机的热效率不到 30%。然而，热机的最大理论效率是卡诺循环效率，即热机按照卡诺循环进行工作，其理论效率为 62.7% 但是，其条件在现实生活中也是比较可靠的，因为它由两个等温过程和两个绝热过程组成，况且，卡诺循环中要将冷凝温度减低到环境温度以下，这也是不经济的。将其做成汽油机或柴油机也存在很多问题比如工质的不同。但是有一类发动机也应
5、用了卡诺循环即斯特林发动机。斯特 林 发 动 机 是 独 特 的 热 热 机 ， 因 为 他 们 理 论 上 的 效 率 几 乎 等 于 理 论 最 大 效 率 ，称 为 卡 诺 循 环 效 率 。 斯 特 林 发 动 机 是 通 过 气 体 受 热 膨 胀 、 遇 冷 压 缩 而 产 生 动力 的 。 而 且 斯 特 林 发 动 机 是 外 燃 机 。 优 点 为 由 于 外 燃 机 避 免 了 传 统 内 燃 机的 震 爆 做 功 问 题 ， 从 而 实 现 了 高 效 率 、 低 噪 音 、 低 污 染 和 低 运 行 成 本 。 外 燃机 可 以 燃 烧 各 种 可 燃 气 体 ， 如
6、 ： 天 然 气 、 沼 气 、 石 油 气 、 氢 气 、 煤 气 等 ， 也可 燃 烧 柴 油 、 液 化 石 油 气 等 液 体 燃 料 ， 还 可 以 燃 烧 木 材 ， 以 及 利 用 太 阳 能等 。 只 要 热 腔 达 到 700 ， 设 备 即 可 做 功 运 行 ， 环 境 温 度 越 低 ， 外 燃 机 最 大的 优 点 是 出 力 和 效 率 不 受 海 拔 高 度 影 响 ， 非 常 适 合 于 高 海 拔 地 区 使 用 。 然而 其 缺 点 ： 制 造 成 本 较 高 ， 工 质 密 封 技 术 较 难 ， 密 封 件 的 可 靠 性 和 寿 命 还 存在 问 题
7、， 功 率 调 节 控 制 系 统 较 复 杂 ， 机 器 较 为 笨 重 。 我 想 这 也 是 实 际 生 活中 难 以 利 用 卡 诺 循 环 来 制 造 汽 车 发 动 机 的 原 因 。但 是 ， 如 何 就 目 前 状 况 进 一 步 提 高 汽 车 发 动 机 的 效 率 ， 依 然 是 一 个 很 有讨 论 价 值 的 。 目前的主流汽油发动机的进气、压缩、做功、排气四个过程的行程应该是相等的，这是造成发动机热效率低的原因之一，就是能量得不到充分利用。因为，在发动机做功过程中，会产生大量的热量，同时汽油燃烧也会产生新的气体，所以此过程的能量应该是非常大的。但现在的发动机做功距离只于压缩距离相等，造成的能量的浪费：一是做功完成之后缸内气体压力过大，仍有部分能量没有利用；二是缸内压力过大使排气过程使用过多的能量；三是缸内温度过高，利于热量向外散发要。改善这一问题便要缩短进气、压缩的行程，延长做功距离。可以延迟吸气的开始时间以减少吸气行程，相比之下便增大了做功行程。还有就是改进材料，减轻发动机质量；增加进气压力（可考虑使用可产生涡流的活塞） ，减小进气温度；减小摩擦等参考文献：（1）芶秉聪 胡海云 大学物理 ，国防工业出版社（2）赵凯华 新概念物理教程 ，高等教育出版社（3）严济慈热力学第一和第二定律 ，人民教育出版社
