主题：【原创】NOx or Particulate-柴油发动机的抉择 -- 波波粥
家园 讨论增压时，最好将压缩比视为上止点容积与总吸气量的比值 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。
家园 定义没错，但是您后来的理解有误 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。
家园 排气动能回收最好定量算一下 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。
家园 您用的模型太理想，已经产生定性的误差 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。
家园 看来你长期没翻过大学物理了：） 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。
家园 我当时学的是热力学，不是大学物理~ “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。
家园 不想在别人的帖子里讨论了 我准备过段时间再发个帖子，从理想热机模型开始做减法，将各种损耗和非理想状态考虑进去，再用系统和控制的观点讨论一下各种节能方法的本质，希望和你讨论。
关于排气动能问题，你可以说涡轮增压就是个涡轮。我可以说是由废气作为热源的汽轮机。我们的讨论基本上是在扣概念和说法，没太大意思。气体的动能内能转化又非常容易，管子变粗点就是内能转化为动能，管子变细，就是动能转化为内能，这是与水的动能势能转化的本质不同。
我想强调的一点是，涡轮增压发动机的排气温度低于自然吸气发动机，废气内能得到回收。但没有中冷装置，这些回收的能量没有得到很好的利用。
家园 好好，以后有机会慢慢聊 打了这么多字聊得还是比较尽兴。虽然概念理解上有点区别，你比较喜欢用热机，我比较喜欢拆开看。不过其实概念穷究下去是没啥意思，实际的东西还是那个样。
家园 比较对象的选择 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。
家园 一个硬币的两面 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。
家园 说的有道理
家园 那您也见过不带intercooler的涡轮（标题改，造成了歧义） 降低吸气温度可以在更高压缩比条件下使用较低辛烷值的燃料。但除否进行增压，吸气温度和大气温度是一致的，车内没有一个简单的热源和冷源可以进行热交换。我是100%同意，
涡轮增压发动机用这个intercooler的原因，不是以小损耗换大收益，能量的考虑也是设计的重要因素之一。
柴油机的压缩比理论上还有很大潜力，这也是工程技术人员努力的方向之一
家园 对柴油机而言，中冷没那么重要 没有辛烷值问题后，中冷只是在功率和效率上略有提升，
同型号柴油机一般都有三个亚型，自然吸气，增压，增压中冷，主要就是实际压缩比不同。
其实向进气管喷水和甲醇溶液可以得到比中冷更好的效果，实施成本也更低，这一技术在二战时期就被用于活塞式战斗机。
但要这一技术需要石油商的配合，建立大量添加加甲醇的站点，才有推广的可能。
家园 我的标题产生误解了 我的本意是有带的，也有不带的，不好意思，产生错误的意思了。
柴油机的涡轮增压冷却系统对于功率，效率，排放非常之重要，我的看法是这样，目前所看到的技术方向也是在朝这个方向而努力的。
至于进气道内喷水，在大型柴油发动机上采用很多了，由于喷射系统和电控系统的进步，在喷水系统方面有了很多新的进展，在降低排放方面起到了很显著的作用。
- 复 燃料的趋势
家园 还是合成油前途光明么 合成油硫含量在ppb级，芳烃含量低于1%。
不过工业界不会通过没有技术解决前途的标准的，所以如果下一代标准太严格，估计不大可能通过，或者定一个遥远的期限。
液体脱硫成本很高的，降低芳烃含量更是有很远的路要走。