傳統發動機效率體系的全面質疑

劉祖川

摘 要：基于傳統發動機固有缺陷的重大發現：致使傳統發動機效率不高的根本原因主要在于機械轉換損失（見附件一），而機械轉換損失則是曲軸連桿機構構成的固有缺陷，那么作為非曲軸連桿機構發動機則擁有巨大的熱效率提高潛力，并在探索熱效率的機理中，不僅發現了奧托理論熱效率明顯小于真實的指示熱效率，而作為實際循環的指示熱效率本應還低于理論循環2%左右的熱損失，還發現作為傳統發動機效率根基的卡諾循環熱效率并不適用奧托理論熱效率，因為卡諾循環熱效率的溫度熱源完全與奧托理論熱效率的壓縮比無關，既沒有符合性也沒有相關性。如果卡諾循環熱效率不適用奧托理論熱效率，那么建立在卡諾循環熱效率基礎之上的奧托理論熱效率就是錯誤的。因此，傳統發動機的整個效率體系將會面臨全線崩塌的尷尬境地。

關鍵詞：卡諾循環熱效率 奧托理論熱效率 適用性

1 引言

由于機械轉換損失過大（見附件一），加上其他損失，由曲軸連桿機構造成的熱效率損失高達熱效率的100%，使得非曲軸連桿機構發動機熱效率潛力的挖掘提高能夠大大超過奧托理論熱效率的上限（見附件二），以至于不得不追究奧托理論熱效率的來龍去脈，直到來到奧托理論熱效率的根基卡諾循環熱效率的帳前，簡單對比了一下兩者的符合性及相關性，的確有問題。

2 兩則實例

取壓縮比10，和高溫熱源2500K及低溫熱源1300K，首先利用奧托理論熱效率計算熱效率

η=1-1/εк-1（к=1.35） （1）

奧托理論熱效率下的η=1-1/101.35-1 =55%

利用卡諾循環熱效率計算熱效率

η=1-TL/TH （2）

卡諾循環熱效率下的η=1-1300/2500=48%

卡諾循環熱效率明顯小于奧托理論熱效率，兩者沒有符合性。如果取低溫熱源1300K和熱效率55%，則高溫熱源由（2）式得到

TH=TL/（1-η） （3）

卡諾循環熱效率下的TH=1300/（1-55%）=2888K

卡諾循環55%熱效率所需的高溫熱源已經超過汽油機最高燃燒溫度2800K的上限，即獲得同樣高的熱效率需要消耗更高的高溫熱源。奧托理論熱效率似乎與決定卡諾循環熱效率的溫度熱源無關，事實上，柴油機的最高燃燒溫度低于汽油機的最高燃燒溫度，但憑借近一倍高出的壓縮比卻比汽油機的熱效率更高，兩者也沒有相關性。均質壓燃燃燒也是如此，雖然最高燃燒溫度低于清潔排放1800 K的上限，但憑借高壓縮比照樣高效清潔。

再舉一例：如果沒有爆燃限制，將汽油機的壓縮比提高到20，通過調低混合氣濃度使得最高燃燒溫度限定在1800K以內，且保持1300K的低溫熱源，則

根據（1）式得到奧托理論熱效率下的η=1-1/201.35-1=65%，以及根據（2）式得到卡諾循環熱效率下的η=1-1300/1800=28%，同為高、低熱源的熱效率相差巨大，兩者沒有符合性。

而根據（3）式，TH=1300/（1-65%）=3700K，無論是汽油機還是柴油機都是承受不起的高溫熱源，兩者也沒有相關性。這一結果表明同樣高的熱效率對于1300K的低溫熱源卡諾循環熱效率需要更高的高溫熱源，而奧托理論熱效率則只依賴于壓縮比，既沒有符合性也沒有相關性。

如果按照柴油機正常燃燒的高溫熱源2100K和低溫熱源1000K，卡諾循環熱效率下的熱效率為52.4%，僅高出汽油機9個百分點，而實際柴油機的熱效率至少高于汽油機15%，因此卡諾循環熱效率低于奧托理論熱效率。

3 卡諾循環熱效率的適用性

具有最高熱效率的卡諾循環熱效率難道還不及奧托理論熱效率？為了進一步證實兩種效率的符合性及相關性，以上述兩例為基礎繪制熱效率為橫軸的壓縮比與高溫熱源的對比圖，找出兩者關聯及熱效率的高低分曉。

橫軸為兩者共同熱效率η及其單位%，縱軸為卡諾循環熱效率的高溫熱源TH及其單位K，和奧托理論熱效率的壓縮比ε，低溫熱源TL=1300K，且位于縱軸底部，取絕熱指數к=1.35。先從壓縮比入手，利用（1）式通過壓縮比求出熱效率，再利用（3）式通過熱效率和低溫熱源求出高溫熱源，并假設沒有爆燃限制，其結果見“奧托壓縮比與卡諾高溫熱源的對比圖”。

卡諾循環熱效率的高溫熱源對應汽油機2200K～2800K最高燃燒溫度下的41%～54%的熱效率范圍，和4.5～9.2的壓縮比范圍，卡諾循環熱效率范圍大都位于汽油機熱效率范圍的下限以外，兩者沒有符合性;卡諾循環熱效率對應的壓縮比大都位于汽油機常用壓縮比范圍的下限以外，兩者也沒有相關性，即大多偏離汽油機8～12壓縮比及其52%～58%熱效率的有效范圍，兩者既沒有符合性也沒有相關性。因此，卡諾循環熱效率不適用奧托理論熱效率。

當然，也可將環境溫度視為低溫熱源TL=300K，則52%～58%熱效率范圍內的高溫熱源TH=625K～714K，遠離汽油機2200K～2800K的最高燃燒溫度范圍;還可將汽油機的最高燃燒溫度2500K視為高溫熱源，則52%～58%熱效率范圍內的低溫熱源TL=1200K～1050K，也在汽油機1200K～1500K的排氣口溫度范圍之外，卡諾循環熱效率還是不適用奧托理論熱效率。因此卡諾循環熱效率的確不適用奧托理論熱效率。

總之，卡諾循環熱效率在相當程度上低于奧托理論熱效率，或者同樣高的熱效率對于300K低溫熱源的高溫熱源依然遠離汽油機最高燃燒溫度范圍，或者同樣高的熱效率對于2500K高溫熱源的低溫熱源還是位于汽油機排氣口溫度范圍之外，即再次表明同樣高的熱效率對于2500K的高溫熱源卡諾循環熱效率需要更低的低溫熱源，無論是低溫熱源還是高溫熱源，乃至環境溫度還是排氣口溫度，兩者均無任何相關性。奧托理論熱效率主要取決于壓縮比，與卡諾循環熱效率的高、低溫熱源全然無關，甚至均質壓燃燃燒中的最高燃燒溫度與熱效率的走向完全相反，即使奧托理論熱效率下的最高燃燒溫度很低，但熱效率卻“很高”，以至兩種循環的理論熱效率沒有任何關聯。從而可以作出如下判斷：卡諾循環熱效率完全不適用奧托理論熱效率，建立在卡諾循環熱效率基礎之上的奧托理論熱效率是錯誤的。

4 有效熱效率公式的全新構建

既然在發動機上現實卡諾循環是沒有實際意義的[1]，那么基于該循環的奧托理論熱效率又有多少實際意義？為此，建立在大量實驗數據基礎之上的擬合函數則更具實際應用價值，尤其是對于非曲軸連桿機構發動機僅需唯一有關定容加熱循環的經驗公式，既有較好準度還可以上手作業。

有效熱效率等于指示熱效率與機械效率之積。指示熱效率可以通過指示功與所耗燃料之比求取，機械效率可以通過有效功率與指示功率之比求取，有效功率可從試驗臺架上讀出，指示功率則是單位時間內做的指示功。指示功既可通過P-V示功圖求取也可通過P-φ示功圖求取，而P-V示功圖或者P-φ示功圖則是能夠測定指示功的唯一測法。為什么？因為倒拖法和滅缸法都是從輸出端驅動，曲軸由受力件變為動力件，避開了曲軸連桿機構阻礙，也就是避開了機械轉換損失，只能測出摩擦損失，無法測出機械轉換損失，測定的指示功只能是低得多的現有指示功。雖然示功圖法能夠測定指示功，但由于“活塞上止點位置不易確定”[2]，使得所測結果出現錯誤。指示功的錯誤測定在所難免。

必要提示：在測定指示功時不得向現有指示功靠攏，不得湊數，不得篡改，測出什么結果就是什么結果。對于測定時出現的更大詫異恐怕不會相信自己的眼睛，測定的指示功竟然遠高于現有的指示功，沒錯！這就是真實的指示功！因為人為缺失的機械轉換損失則是摩擦損失的三倍之多，真實的機械損失約為現有機械損失的四倍之巨（見附件一）。測定的指示功更高，指示功率更高，指示熱效率更高，而機械效率則更低，并為非曲軸連桿機構發動機的有效熱效率提高潛力提供理論依據（見附件二）。

分析法也可求出指示功率，但由于“發動機機械損失的原因極為復雜，以致無法用分析法來求出準確的數值，即使有些經驗公式可用來計算，也是極為近似而不可靠。為了獲得較為可信的結果，只有通過實際發動機的試驗來測定。”[2]而不能使用，反倒成為本文論點的最好佐證。

5 結語

卡諾循環熱效率不適用奧托理論熱效率，兩者既沒有符合性也沒有相關性，因此建立在卡諾循環熱效率基礎之上的奧托理論熱效率是錯誤的。并且，在構建有效熱效率經驗公式的過程中還會出現大幅高于現有指示功的更大驚喜（見附件二）。

參考文獻：

[1]京特·P.默克（德）等編;高宗英等譯. 內燃機原理（上）——工作原理、數字模擬與測量技術. 械工業出版社，2019：17.

[2]韓同群，姚勝華，苑金梁等.汽車發動機原理[M].北京大學出版社，2007：137.