附件一：致使活塞發動機熱效率低下的根本原因

致使活塞發動機熱效率低下的根本原因是其自身曲軸連桿機構構成的固有缺陷，即機械轉換損失。

現有活塞發動機熱平衡中缺少直線-旋轉運動的轉換熱量損失，轉換后的活塞發動機械效率較真實的機械效率低得多。值得關注的是，此轉換熱量非但不能省略還給我們帶來意外驚喜，促使非曲軸連桿機構發動機的研究開發價值驟然凸顯。

1 發動機熱平衡概述

現有活塞發動機熱平衡有5個熱量：有效熱量qe、排氣熱量qr、冷卻熱量qs、不完全燃燒熱量qb和其他熱量ql，這些熱量之和等于燃燒所產生的全部熱量，并保持平衡，其中有效熱量能夠轉換為有效功外，其他部分均以不同的熱傳遞方式散失于發動機之外。對于四沖程汽油發動機，以100為能量數限的總熱量具體分配如下：qe=20～30;qr=30～50;qs=12～27;qb=0～45;ql=3～10。如果假設：qe=30，qb=0，ql=10，那么排氣熱量與冷卻熱量之和為60，即在良好燃燒狀態下，發動機熱效率和其他損失均為上限時，排氣和冷卻熱量的損失依然高達60。

活塞發動機為內燃機，是各種發動機中熱效率最高者之一，但其熱損失依然很大。面對如此之高的熱損失，不免會產生疑問：活塞發動機的熱損失有這么大嗎？如果熱損失沒有那么大，那么這部分熱量又會到哪里去呢？

2 直線-旋轉運動的轉換過程

我們知道，活塞發動機中的重要構件曲軸連桿機構，是將活塞作功的直線運動轉換為發動機扭矩所需的旋轉運動，即直線運動轉換為旋轉運動的直線-旋轉運動機構。

作用在活塞上的力，通過連桿分解為兩個（見圖1）：一是推動曲軸旋轉的切向力Ft;二是壓縮曲軸臂的徑向力Fn。切向力通過曲柄形成扭矩，即為發動機輸出動力;而徑向力通過曲柄的壓縮作用在曲軸上，產生連續的微小變形波動，造成震動，形成無用的變形能。變形震動消耗大量熱能，產生機械轉換熱量，造成直線-旋轉運動的轉換損失，可將其稱為機械轉換損失。

現有活塞發動機熱平衡沒有這一熱量損失，卻將這部分損失歸入到了冷卻損失之中，造成冷卻熱量損失虛高不下。

或是因為機械轉換損失較小可以忽略？下面讓我們看看這一損失到底有多大，是否可以忽略。

3 機械轉換損失

根據內燃機動力學扭矩公式，通過轉換指示功與未經轉換指示功計算機械轉換損失。

3.1 活塞作用力與曲軸切向力

利用p-φ圖確定活塞作用力F。汽缸壓力p與F為線性關系，通過單位變換，由F替代p，即p-φ圖也是F-φ圖（見圖2）。

Fti=Fisin（φi+βi）/cosβi，i=360°，364°，368°，……540°（1）

式中：Ft為轉換切向力，即曲軸切向力;F為活塞作用力;r為曲軸半徑;φ為曲軸轉角;β為連桿夾角，其等式為：

βi=arcsin（λsinφi），i=360°，364°，368°，……540°（2）

式中：λ= r/l，其中，l為連桿長度。

3.2 p-φ圖構建

φ=360°時，氣缸壓縮壓力p=0.8Mpa;φ=374°時，最大燃燒壓力p=3.5MPa;φ=540°時，排氣壓力p=0.4MPa;φ=420°時，p=1.15MPa;φ=450°時，p=0.815MPa。圖2中的實線是曲軸轉角φi所對應的汽缸壓力pi值，也是曲軸轉角φi所對應的活塞作用力Fi。

實際上，活塞作用力在往復慣性力的作用下產生了新的合力，循環周期內，由于往復慣性力的準點對稱性，即前小半部分曲軸轉角的慣性力為負，后大半部分曲軸轉角的慣性力為正，且分別與曲軸橫坐標軸構成的正、負面積剛好相抵，所以合力曲線與曲軸橫坐標軸構成的面積并未發生變化，即與活塞作用力曲線構成的面積相等。又由于合力形成的準軸對稱性與往復慣性力的準點對稱性重合，所以合力曲軸切向力（扭矩切向力）與曲軸橫坐標軸構成的面積與活塞作用力的曲軸切向力構成的面積相等，其結果，曲軸切向力產生的扭矩并沒有因為往復慣性力的作用而發生改變。出于F-φ圖的構建便利，我們依然采用F-φ圖來計算機械轉換損失。

3.3 機械轉換損失率

活塞作用力F就是未經轉換的切向力，未經轉換扭矩為：

Ti=Fir，i=360°，364°，368°，……540°（3）

轉換扭矩為：

T'i=Ftir，i=360°，364°，368°，……540°（4）

不計摩擦損失，且不妨設λ=1/3，并令r=1，單位歸一，無量綱，則（3）式和（4）式分別變換為

Ti=Fi，i=360°，364°，368°，……540°（5）

T'i=Fti，i=360°，364°，368°，……540°（6）

根據（5）式，未經轉換扭矩Ti形成的實線與曲軸橫坐標軸所構成的面積是未經轉換指示功W（見圖2），其等式為

W=∑Ti，i=360°，364°，368°，……540°（7）

根據（6）式，轉換扭矩Ti′形成的虛線與曲軸橫坐標軸所構成的面積是轉換指示功W'（見圖2），其等式為

W'=∑T'i，i=360°，364°，368°，……540°（8）

在φ橫坐標軸上，每隔4°取點，共計46個點，找出各點對應的Fi值。如果無直線-旋轉轉換運動過程，直接旋轉并形成扭矩，未經轉換切向力等于活塞作用力Fi，將該值代入（5）式，得到未經轉換扭矩Ti，再按照（7）式將各Ti值相加，得到未經轉換指示功：

W=52.7

將Fi及相應的βi代入（1）、（2）式，得到Fti，然后將其代入（6）式中Fti，得到轉換扭矩Ti'，再按照（8）式將各Ti'值相加，得到轉換指示功：

W'=32

因此，機械轉換損失率為：

（W-W'）/W=39%

對比兩條曲線所構成的指示功面積，由虛線構成的面積明顯小于由實線構成的面積。虛線只在曲軸轉角418°～450°范圍內略大于實線，而在其他曲軸轉角都小于實線，直觀上就可判斷：轉換指示功明顯小于未經轉換指示功。

3.4 新的熱平衡分布

不妨設四沖程汽油發動機有效熱量25，即熱效率25%。取機械效率80%，機械損失5，即其它熱量5。設轉換熱量x，指示熱量為25+5+x，由（25+5+x）（1-39%）= 25+5，得到轉換熱量：

x=（25+5）/（1-39%）-（25+5）=19.18

該值是有效熱量的76.7%。轉換損失相當大，無法忽略。如果加總轉換損失與現有的機械損失，兩者熱量損失高達（19.18+5=）24.18，接近有效熱量，即真實的機械效率僅為現有機械效率的一半多點。

按照新的熱平衡，在完全燃燒狀態下，排氣和冷卻熱量為60，實際上僅為40多點兒。因此，非曲軸連桿機構發動機則具有大大超出現有指標熱效率30%～45%的巨大潛力。

發動機新的熱平衡，以100為能量數限的總熱量重新分配如下：qe=20～30;qr=28～48;qs=2～6;qb=0～45;ql=3～10;轉換熱量=15～23。

新的熱平衡多出一項機械轉換熱量，是有效熱量的75%以上。冷卻熱量沒有那么大，其多出部分正是非曲軸連桿機構發動機熱效率遠大于活塞發動機的潛力所在。

4 結語

活塞發動機熱平衡中缺少一項直線-旋轉運動轉換熱量。

直線-旋轉運動的轉換熱量損失很大，超過活塞發動機有效熱量的75%，致使活塞發動機的熱效率低下。

非曲軸連桿機構發動機的機械效率具有極大的提高潛力，為開展大規模研究與開發提供科學依據，為科學技術動力領域提出重大課題，為“大眾創業，萬眾創新”塑造重大素材，同時也為我們開創全新機遇。