往复式发动机热力学模拟器

热效率 $\eta$ 定义为循环产生的净功 $W_{net}$ 与供应热量 $Q_{in}$ 的比值，对于不同循环类型有不同的计算公式。

$$ \eta = \frac{W_{net}}{Q_{in}}= 1 - \frac{Q_{out}}{Q_{in}}$$

$\eta$: 热效率 [-], $W_{net}$: 净功 [J], $Q_{in}$: 吸热量 [J], $Q_{out}$: 放热量 [J]

Otto循环（定容燃烧）和Diesel循环（定压燃烧）的热效率可用压缩比 $r$、比热比 $\kappa$、截断比 $\rho$ 表示如下：

$$ \eta_{otto}= 1 - \frac{1}{r^{\kappa - 1}}$$ $$ \eta_{diesel}= 1 - \frac{1}{r^{\kappa - 1}}\frac{\rho^{\kappa} - 1}{\kappa(\rho - 1)} $$

$r$: 压缩比 [-], $\kappa$: 比热比 [-], $\rho$: 截断比（Diesel专用） [-]。Otto循环的效率仅由压缩比和比热比决定，而Diesel循环还受到表示燃烧期间的截断比的影响。

汽车发动机的设计和开发：本模拟器处理的P-V图和IMEP（图示平均有效压力）是评估发动机基本性能最重要的指标。设计初期，工程师可以快速比较不同压缩比和燃烧方式对热效率和扭矩（与IMEP成正比）的影响，找到最优参数。

混合动力车高效能发动机：以丰田"Prius"为代表的混合动力车采用Atkinson或Dual循环，使膨胀比＞压缩比，最大化热效率。通过本模拟器选择Atkinson并调整膨胀比，你就能体验这种效果。

燃料特性影响评估：汽油、柴油、替代燃料的比热比 $\kappa$ 各不相同。调整工具的"比热比"滑块，可以定量理解相同发动机使用不同燃料时热效率的变化。

教育和培训：教科书上抽象的热力学循环可以通过参数调节和实时可视化来学习。学生和初级工程师通过改变压缩比、截断比等参数，直观理解这些参数对发动机性能的实际影响。

使用本模拟器时，特别是用于学习，容易陷入几个坑。首先是忽视"理想循环"和"真实机器"的巨大差异。这个工具计算的热效率是完全理想化的值，没有考虑摩擦、热损失、不完全燃烧等。比如，你把Otto循环的压缩比设到20，可能算出热效率超过60%；但实际汽油发动机会因为爆震（Knock）无法工作，而且现实中最高热效率也就40%多。一定要记住这个数字。

其次是把参数当成独立的来改变。现实的发动机设计中，改一个参数往往会牵动其他指标。比如提高压缩比，燃烧室形状改变了，气缸内流动强度、火焰传播速度都会变，燃烧可能反而不稳定，效率下降。模拟器看起来效率直线上升，但实机可能崩溃。所以改参数时，要想象这会给发动机整体带来什么连锁反应。

最后是只看P-V图面积（功），忽视"多少转速下"出这个功。虽然面积重要，但相同功输出的发动机，高转速运动型和低转速商用车的P-V图"形状"是战略性设计的。用本工具试各种循环时，养成问自己"这种线图适合高转速还是低转速应用？"的习惯。