L循环，一种新的内燃机理论循环（转载）

jackheqq

一种新的内燃机理论循环
                            刘 少 康
1 内燃机的前途
   经过一百多年的发展，内燃机十分成熟，甚至有些衰老了。其主要问题是：热效率不够
高，所依赖的石油资源逐渐减少；排出有害废气污染大气环境。人们开始怀疑内燃机的前
途，特别是作为汽车动力的前途。也许，更确切地说是人们希望有新动力机能够取代内燃
机。新动力机的根本点是：工作过程清洁，不荇染环境；减少使用或不使用石油燃料。
目前，有两个主要途径：电力驱动；内燃机再改进
各种电力驱动方式已经有大量报道，主要是各种汽车的电力驱动方式，有的已经接近
实用阶段。但是，电力驱动目前还没有足够的优势，一时还不可能大规模取代内燃机，电力
驱动系统本身有许多问题需要进一步研究。可以预料，内燃机在石油燃料枯竭之前，还将
有相当的实力与电力驱动竞争汽车动力。
内燃机自身虽然十分成熟，但是也有进一步改进的可能。改进的方向主要有两方面：
扩大燃料来源和工作过程优化(主要是节能和废气净化)。除了石油之外，内燃机还可以使
用其他多种碳氢化合物，例如液化石油气，压缩天然气，醇类，氢气等。其中天然气和氢气
的数量很大，远景光明。
内燃机的节能和净化的研究一直是世界各国汽车公司的研究课题，而且一直不断取
得进步。所进行的努力是全方位的，对于内燃机工作过程的所有环节，人们不断有所发现、
发明。本文将要提出的新的理论循环也是一种尝试，是从内燃机的基本循环着眼的改进。
怎样评价内燃机的前途呢?笔者认为：
目前世界石油可以开采的前景，按多个公开报道的散据，大约为1200~1400亿吨，按
目前的世界年消耗30~32亿吨估计可以支持40~50年。如果考虑到其他碳氢燃料，倒如
天然气、氢气等的巨大储量，内燃机有接近100年的充足的燃料支持。

与电力驱动相比，内燃机主要的缺点是有害气体排放。如果内燃机在排气净化方面取
得重大进展，无疑将提高内燃机的竞争力。
电力驱动系统需要做出极其巨大的努力，包括巨大的人力、物力、财力投入，建立庞
大的制造、使用、维修、回收体系，并且在性能方面取得绝对优势，才能全面战胜内燃机。一
个时期中，内燃机与电力驱动将展开友谊比赛，估计还是马拉松比赛。对世界和人类而言，
这个比赛十分有益，随便哪一个胜利都是好事。两个对手各自的进步，也多有益而无害。这
个比赛或许需要几十年才会有结果。基于此，内燃机界应该采取积极主动的态度，继续不
断改进内燃机，使其以更高的水平为人类社会服务。即使几十年后可能被超越，以更高水
平进入博物馆也是光荣的
2 内燃机的缺点根源在于基本循环
    现在使用广泛的内燃机基本循环是舆托(Otto)循环和狱塞尔(Diese1)循环，即定容
加热循环和混合加热循环。在结构上可以分别用四行程或二行程实现，即外源点火的四或
二行程汽油机t四或二行程柴油机 此外，还有采用米勒循环的内燃机已经有商品问世，根
据报道，1995年日本马自达公司推出了用米勒循环工作的内燃机轿车。从本质上看，所有
这些循环的共同点是：
a、从大气中吸人空气作为氧气的来源。氧气在空气中的比例是2l% ，其余是大约为
79% 的氮。氧是作为氧化剂参与燃烧，是内燃机工作循环不可缺少的物质。而氮则不是内
燃机工作过程的必要成分，是被夹带进入气缸，被动地作为气体工质的一部分参与过程。
少数氮气在高温高压下被氧化，生成了成分复杂的氧化氮(NOx)，成为内燃机有害排放
中的主要成分之一。
b、都有压缩过程。因为吸入的空气压力低，即使增压机，其进气压力也不高，需要一
个较高的压缩过程以便实现工作过程。压缩过程消耗部分能量，使得内燃机效率下降。另
一方面，内燃机的效率又与压缩比(实际上是与膨胀比)关系很大，压缩比高，热效率也高。
但是，实际可以使用的压缩比并不高，汽油机lo上下，柴油机20上下。米勒循环的本质是
膨胀比大于压缩比，因此热效率提高一些
显然，如果能够克服上述内燃机固有的缺点，内燃机将获得重大进步。
3 一种新的内燃机理论循环——L循环的构想
新的循环出发点是；
a、不再从大气中吸人空气，而是由供给氧气的气源向气缸供给工业氧气。这样，就可
以从根本上切断有害的氧化氮(NOx)的产生，在氧有富裕的条件下，还可以减少CO和
HC 的排放。内燃机有望成为无污染的绿色动力
b，工业氧气一般具有很大压力t因此，只要在适当的时机，以适当的压力将它引入气
缸，创造适当条件使之与随后喷人的燃料充分混合，并且用外源使之着火、燃烧。这样，工
作过程不再需要进气过程和压缩过程，成为只有加热(燃烧)膨胀和排气两个过程的二行
程内燃机。


按照这个思想构造的理论循环PV图如图1。图l中1—2—3—4—5一l是一般混合

加热循环PV 图。1—0—3—4-5- 1是新循环的
PV图。新循环命名为刘氏循环，简称L循环。L
循环的工作过程如下：上一次燃烧(0—3)发生之
后，接着为等压加热(3—4)，再接着是膨胀过程(4
— 5)和排气过程(定容放热)，1—0是活塞上行推
出废气的流动过程。当活塞接近上止点时，排气门
提前关闭，氧气和燃料分别在适当时间、以适当的
压力喷人气缸，在少量残余废气和温度很高的燃
烧室中混台，再以外电源给以点火，使之着火燃烧
(0—3)，循环得以继续。囡此，新循环的根本点是 图1 L循环和混台加热循环PV图比较
无氧化氮排放和无压缩过程(也没有进气过程)的二行程内燃机。为了初步估计I 循环的
热效率，将它与一般混台加热循环作一个计算比较。下面是计算的结果。
“例题10—2，试分析某柴油机的混合加热理论循环，并求其循环热效率。已知下列数
据：P =1．7bar，压缩比=14．5，气缸中气体最大爆发压力P =103 bar，循环加热量Q。=
9ooRJ／kg，假定所用循环工质为空气，且为一公斤，又比热为定值，cp=1．004kJ／kg—K，
Cv=O．718kJ／ —K，k=Cp／Cv一1．4，解的结果(过程从略)：
P1= 1．7bar T1= 333K vt= 0．562M ／kg
P2—71．8bar T2— 968K 2— 0．0387M ／kg
Pa=103bar T3— 1389K v3=0．0387M ／kg
P‘=103bar T4= 1985K v．一0．055M ／kg
P5= 3．98bar T5= 779K v5一v1— 0．562M ／kg
Q = 598kJ／kg Qh一3o2kJ／kg
Q2=Cv(T5一T1)一0．718(779—333)=32okJ／kg
循环功Wo=Q1一Q：一58okJ／kg
循环热效率=w。／Ql=580／900=64．4 【1]
现假定I 循环的工作过程中，1、3、4和5点完全与上述柴油机循环相同，所不同的仅
仅是1-0-3的过程。即：
Q2 一Q2=320kJ／kg Po‘=PI To。；Tl v。 =va Q =Q =598kJ／kg
Q =Cv(T3 一To。)=0．718(1389— 333)= 758kJ／kg
Q1’=598+758—1356kJ／kg
I 循环的循环功Wo。=1356-320=1o36kJ／kg，增加到原循环的1036／580：178．6
L循环的理论热效率一w。 ／Q ‘=1036／1356=76．4 ，比原循环提高12 。
功率比较：如果将本循环应用于改造现有四行程内燃机，在其他条件相同时，因二行
程之故功率应增长一倍。计总共增长到357．2 。
由于I 循环没有压缩过程，同时，燃烧所需的氧气只有普通循环的21 (假定燃料数
量相同)，I 循环所需燃烧室容积也为普通循环的21 ，这就是说，I 循环具有很大的膨胀
比(如果其他条件不变，大约可以达到7O上下)。因此，L循环的热效率应该更高一些。
维普资讯 http://www.cqvip.com
一16 一 锅北^车工业学院学报 Z000年l2胃
再者，除了投有NOx生成的条件外，如果适当形成富氧条件，保证燃烧完垒，则CO、
HC的生成数量必然也大为下降，乃致投有。
4 可行性研究
4．1 机构学
传统往复内燃机的机构绝大部分可以继续使用，可垒部省去进气系统，排气系统需调
整其凸轮转速和排气相位，适应二行程循环。润滑系统无变化，冷却系统应按需要调整冷
却强度。主要的改变是氧和燃料的喷射装置以及点火装置。柴油喷射有成熟的喷射系统。
汽油缸内喷射也有商品应用 ]。高压天然气喷射的方法正在开发0 ]。国内也有人进行液
态石油气缸内直接喷射技术研究 ]。这些都为本循环提供重要的技术基础。点火装置可以
用现有的点火装置作为技术基础，考虑新的循环混合气形成特征进行研制开发。
4．2 主要研究课题
需要研究的课题分为两类。一类是在实验室实现新循环的具体实践。一类是将成功
的样机向商业化过渡。
将燃料和氧喷人气缸并使之按一定比例混合，在缸内形成适当的着火条件，并用外电
源使之着火燃烧是第一类问题的基本要点。可以肯定燃烧将会发生，要研究的是着火条件
的准备，点火时机和燃烧速率如何控制，这属于第一类问题。可能要开发适当的技术装备。
现代汽油喷射技术、柴油机技术、柴油机的燃料喷射系统新技术、汽油缸内喷射技术、
天然气内燃机技术等，为实现I 循环提供了很多有益的启示和参考[ “”。
实现并且达到预期的目标之后如何将样机向工业化商品过渡，特别是作为汽车驱动
单元，这属于第二类问题。这里要解决的是机器在汽车上的安装问题、氧气的供应、储存、
运输系统以及安全问题。以当代科学和技术发展水平来看上述问题都属于具体的技术范
畴，处于传统工业生产水平的层面，因而具有明显的可行性。
4．3 代价问题
为了实现I 循环需要付出一定代价，这是肯定的。怎样评价付出与收获，是一个困
难。目前还难以估计需要付出的具体数量，也难以估计在节能和环境保护方面可以获得的
利益。但是可以认为，I 循环与普通循环处于不同的层面上，一个是无污染和高效率的循
环，一个是有污染需要治理，并且效率比较低。如果考虑到现在广泛使用的内燃机尾气处
理方法可能产生新的二次污染，从源头根除NOx具有更太的吸引力。
5 结论
L循环在理论上具有严密的逻辑性，其理论热效率比较高，可以有较大的节能潜力{
同时，可以根除NOx的产生，减少以至捎除cO、HC的排放。
L循环实现=行程工作过程，故可期望整机有高功率密度，比四行程高一倍上下。
L循环在结构方面的优点是在很大程度上延用普通内燃机的成熟机构，并且有所简
化，因此比较容易实现。

清平世界

全新的能源循环理念 谢谢楼主的分享

uyxiaolin

现在都在研究混动了，L循环还不如直接搞H能源发动机，要实现的条件都差不多

YUEWANG

好长，没有看完，是不是把高温废气通过注入氧气和点火源再次热效应。
那氧气哪里来，制造出来的氧气要比其本身消耗的能量更大。
我觉得，最环保的代步工具只有自行车

william_fang

想法是好的 ，考虑到成本什么的，实现比较难

xuey1120

等氧气制取的成本降低后。。。。。。。。

佩剑骑士

燃料+铝(活塞）+纯氧=燃烧弹。彻头彻尾的谬论！

micky317

7楼正解！！！

jackheqq

回复 7# 佩剑骑士


    那我想反问你一句！你知道什么事燃烧弹吗？
它的作用是什么知道不？

micky317

剧烈燃烧，发出耀眼的白光，放出大量热，有白色固体生成

佩剑骑士

这位刘兄：复习一下初中化学《氧的性质》内容及相关实验。悲哀！

古典音乐

很好 这个可以均质压燃的

allvei

新的理论的诞生，谈何容易？

allvei

必须投入+灵感，还有一定的运气。

lv保时捷

理论和思路上 都比较好。 但也要考虑的现在氧气的压缩成本，且在车上氧气罐的安装和安全问题.....