一款令人神往的超高性能發(fā)動機

劉祖川

摘 要：根據(jù)《奧托理論熱效率的大幅突破》和《傳統(tǒng)發(fā)動機的污染排放與爆燃詮釋》，非曲軸連桿機構(gòu)發(fā)動機不僅擁有傳統(tǒng)發(fā)動機100%的熱效率提高潛力，還有近零排放巨大的降低空間，不僅如此，由于省去了曲軸連桿機構(gòu)而使得結(jié)構(gòu)更為簡明緊湊，由于近零排放及其低溫燃燒的稀燃特性使得缸內(nèi)燃燒溫度減低而無需冷卻系統(tǒng)，由于沒有慣性負荷下的滑動摩擦使得沒有機件之間的較大磨損而無需潤滑系統(tǒng)，更由于兩大性能之高而無需任何先進復(fù)雜的高難技術(shù)和眼花繚亂的輔助裝置，非曲軸連桿機構(gòu)發(fā)動機還可擁有極好的經(jīng)濟性能。既然非曲軸連桿機構(gòu)發(fā)動機擁有如此之好的性能提升前景，那么可否打造一款從未奢望過的理想發(fā)動機呢？按照這一思路，以奧托定容循環(huán)為原則，以兩大性能為目標，以高效清潔著火燃燒條件為基礎(chǔ)，開啟你的邏輯探索力，拓展你的空間想象力，模擬設(shè)計一款令人神往的超高性能發(fā)動機。

關(guān)鍵詞：非曲軸連桿機構(gòu)發(fā)動機 理想發(fā)動機 模擬設(shè)計

1 引言

新能源汽車電動化的發(fā)展步伐正在緊密鑼鼓，傳統(tǒng)發(fā)動機的退出步伐也在按部就班，傳統(tǒng)車企更是迫不及待地紛紛擠入新能源電動汽車的開發(fā)大軍行列，然而，隨著傳統(tǒng)發(fā)動機固有缺陷重大發(fā)現(xiàn)的驚世而出，尤其是淘汰傳統(tǒng)發(fā)動機的第一大禍首大量污染排放完全是來自自身的固有缺陷，從而為非曲軸連桿機構(gòu)發(fā)動機帶來歷史機遇，而且我們還會看到，繼百年輝煌歷史的傳統(tǒng)發(fā)動機之后還有傳統(tǒng)燃油發(fā)動機的百年傳承。

2 總體架構(gòu)

2.1 確定機型

旋轉(zhuǎn)發(fā)動機是非曲軸連桿機構(gòu)發(fā)動機的典型代表，只要燃燒壓力形成的作用力與主軸回轉(zhuǎn)半徑的切線重合，且與相當(dāng)于活塞作用的驅(qū)動件作用面垂直，就構(gòu)成典型的非曲軸連桿機構(gòu)發(fā)動機的基本骨架。而當(dāng)年叱咤風(fēng)云的三角轉(zhuǎn)子發(fā)動機并非真正意義上的旋轉(zhuǎn)發(fā)動機，表面上看起來是在作旋轉(zhuǎn)運動，實質(zhì)上卻與傳統(tǒng)發(fā)動機曲軸連桿機構(gòu)的工作方式?jīng)]有本質(zhì)區(qū)別，而且由于力臂（偏心距）較小，力矩更小，熱效率更低，這也是三角轉(zhuǎn)子發(fā)動機油耗極高的根本原因。正是這一拙略表現(xiàn)，卻讓我們完全忽略了傳統(tǒng)發(fā)動機與非曲軸連桿機構(gòu)發(fā)動機背后的巨大落差。因此，本非曲軸連桿機構(gòu)發(fā)動機所構(gòu)想的發(fā)動機為旋轉(zhuǎn)發(fā)動機。

2.2 燃燒模式

由于沒有曲軸連桿機構(gòu)限制，可直接采用均質(zhì)壓燃燃燒技術(shù)，只要滿足高壓縮比、適度稀薄、均勻混合氣等高效清潔的著火燃燒條件，就可進行充分燃燒，因此所構(gòu)想的發(fā)動機為均質(zhì)壓燃燃燒模式。

2.3 結(jié)構(gòu)布局

由于沒有慣性負荷及滑動摩擦，無需靠多缸來降低大排量缸徑帶來的高速摩擦，缸數(shù)越少越簡單。為此，以對稱方式構(gòu)置的雙缸，既能夠較為平穩(wěn)地運轉(zhuǎn)又能夠分擔(dān)一半負荷，還無需多缸降速，因此，無論排放大小所構(gòu)想的發(fā)動機均為雙缸。

2.4 核心骨架

主軸貫穿缸體軸心，缸體兩側(cè)可以設(shè)置電磁驅(qū)動及其控制裝置，并通過周向位置傳感器方便地控制電磁驅(qū)動裝置發(fā)力驅(qū)動，從而構(gòu)成所構(gòu)想的發(fā)動機的主體軸心。

2.5 沖程選擇

四沖程傳統(tǒng)發(fā)動機無論是效率和排放都要好于二沖程，雖然二沖程結(jié)構(gòu)簡單緊湊，成本低廉，但較之四沖程，二沖程由于充氣系數(shù)較低而效率較低，和由于燃燒不充分而排放不好。采用均質(zhì)壓燃燃燒的非曲軸連桿機構(gòu)發(fā)動機沒有上述問題，由于燃燒充分而排放好，和由于直流掃氣充氣系數(shù)接近甚至好于四沖程。總的來看，性能與四沖程相差不大，但技術(shù)難度則大為簡化，因此所構(gòu)想的發(fā)動機為二沖程發(fā)動機。

2.6 機構(gòu)系統(tǒng)

傳統(tǒng)發(fā)動機有兩大機構(gòu)和五大系統(tǒng)，即曲軸連桿和配氣機構(gòu)，以及燃料供給、潤滑、冷卻、點火、啟動等五大系統(tǒng)，而非曲軸連桿機構(gòu)發(fā)動機僅有燃料供給和啟動兩大系統(tǒng)。非曲軸連桿機構(gòu)發(fā)動機沒有曲軸連桿機構(gòu);非曲軸連桿機構(gòu)發(fā)動機的進、排氣為驅(qū)動件與缸壁之間相互位置上的開口，無需配氣機構(gòu);非曲軸連桿機構(gòu)沒有慣性負荷下的滑動摩擦，無需潤滑系統(tǒng);采用均質(zhì)壓燃燃燒的非曲軸連桿機構(gòu)發(fā)動機燃燒溫度較低，無需冷卻系統(tǒng);采用均質(zhì)壓燃燃燒的非曲軸連桿機構(gòu)發(fā)動機為壓燃著火，無需點火系統(tǒng)，因此所構(gòu)想的發(fā)動機僅有燃料供給和啟動兩大系統(tǒng)。

2.7 壓縮驅(qū)動

為確保高效輸出，需要各種工況充分燃燒，就不能受到外界環(huán)境的干擾，即發(fā)動機各種工況的壓縮驅(qū)動力均來自自身，電磁驅(qū)動裝置將承擔(dān)這一職能。如果利用兩缸運行中的交錯驅(qū)動，一缸的壓縮作用力來自另一缸的驅(qū)動力，則無需額外驅(qū)動，那么壓縮驅(qū)動僅用于啟動系統(tǒng)，因此所構(gòu)想的發(fā)動機的電磁驅(qū)動裝置主要用于啟動所需的壓縮驅(qū)動。

2.8 充電蓄能

膨脹作功過程中除了壓縮另一缸的混合氣外還需通過電磁驅(qū)動裝置對蓄電池充電蓄能，因此所構(gòu)想的發(fā)動機的電磁驅(qū)動裝置除了壓縮驅(qū)動外還需承擔(dān)充電蓄能的職能。

2.9 控制程序

由于所構(gòu)想的發(fā)動機為二沖程，驅(qū)動件兩個方向的運動就可完成奧拓循環(huán)所需的四個沖程，為此，只需在驅(qū)動件的動作兩端設(shè)置信號源，即可實現(xiàn)四個沖程的循環(huán)往復(fù)。因此，所構(gòu)想的發(fā)動機的控制程序為程序控制。

2.10 排放應(yīng)對

為確保清潔，需要對混合氣濃度加以限制。對于汽油混合氣：啟動工況的過量空氣系數(shù)為2，壓縮比為30;整個負荷工況的過量空氣系數(shù)在2至4之間，壓縮比大于等于25;怠速工況的過量空氣系數(shù)為4，壓縮比大于等于25。對于柴油混合氣：啟動工況的過量空氣系數(shù)為2.5，壓縮比為30;整個負荷工況的過量空氣系數(shù)在2.5至4.5之間，壓縮比大于等于25;怠速工況的過量空氣系數(shù)為4.5，壓縮比大于等于25。如此確保全工況高效清潔燃燒。

3 局部細節(jié)

3.1 主體結(jié)構(gòu)

所構(gòu)想的發(fā)動機主要由主軸、活片、缸體、端蓋等核心零件，以及輔以進排氣、供油、密封、驅(qū)動等裝置組成，主軸、活片、端蓋與缸體形成的兩個形腔構(gòu)成一對氣缸。

3.2 材料

所構(gòu)想的發(fā)動機缸體材料為硅鋁合金，主軸、活片為碳鋼。大馬力重載機型的缸體、主軸、活片均為鈦合金。

3.3 工作原理

所構(gòu)想的發(fā)動機活片在氣缸中作圓弧運動，氣缸工作容積產(chǎn)生規(guī)律性變化，依次形成壓縮與膨脹-排氣-進氣的循環(huán)過程。

3.4 進氣排氣

所構(gòu)想的發(fā)動機的進氣口位于氣缸的壓縮側(cè)端，排氣口位于氣缸的燃燒側(cè)端。

傳統(tǒng)二沖程發(fā)動機的充氣系數(shù)較低，殘余廢氣系數(shù)較大，碳氫化合物排放較多，熱效率和排放性能均不及四沖程發(fā)動機。所構(gòu)想的發(fā)動機的進、排氣口分別位于兩端，為直流掃氣，加上進氣高壓形成的壓差霧障驅(qū)趕廢氣，進氣與排氣的界面分明，廢氣驅(qū)趕通暢，充氣系數(shù)較高，殘余廢氣近乎于零，充氣系數(shù)不亞于四沖程發(fā)動機，二沖程熱效率低和排放不好的劣勢完全消除。

3.5 壓縮比

所構(gòu)想的發(fā)動機啟動超高壓縮比的壓縮力來自電磁驅(qū)動裝置，運行壓縮力來自另一缸的膨脹作功，兩級高壓縮比的設(shè)定確保各種工況著火燃燒，且穩(wěn)定運行。

3.6 密封

由于非曲軸連桿機構(gòu)發(fā)動機的驅(qū)動件除旋轉(zhuǎn)支撐外并未與其他零件作用，所構(gòu)想的發(fā)動機的兩個氣缸與主軸、兩個活片、兩個端蓋之間形成的縫隙均設(shè)有密封裝置，可以是間隙密封，也可是氣動密封。無密封件摩擦損耗，以確保氣缸的長久密閉。

3.7 供油方式

所構(gòu)想的發(fā)動機的汽油燃料供給為可調(diào)式化油器，負荷質(zhì)調(diào)節(jié)，無節(jié)流損失，無需成本較高的燃油噴射系統(tǒng)。柴油機燃料供給為進氣道噴射，噴射壓力可調(diào)高到中等壓力即可，確保燃料與空氣的均勻混合。

3.8 高效清潔燃燒

所構(gòu)想的發(fā)動機全工況均質(zhì)壓燃燃燒，包括怠速和啟動工況。怠速時的轉(zhuǎn)速雖然降低，但由于不受外界干擾且穩(wěn)定如一的著火燃燒條件無需加濃混合氣，碳氫化合物和一氧化碳廢氣排放大為減少，以至近乎為零;啟動時由于超高壓縮比也無需加濃混合氣，碳氫化合物和一氧化碳廢氣排放依然近乎為零。兩種工況均在各自高壓縮比的條件下正常運行，確保全程高效清潔燃燒。

3.9 啟動

所構(gòu)想的發(fā)動機的電磁驅(qū)動裝置主要用于啟動壓縮，驅(qū)動作用力需達到低溫環(huán)境所需的超高壓縮比，確保低溫環(huán)境下的冷啟動快捷可靠。

3.10 控制

所構(gòu)想的發(fā)動機為程序控制，主要由啟動和運行兩段程序構(gòu)成。電控信號為位于燃燒側(cè)端的溫度傳感器和位于另一壓縮側(cè)端的位置傳感器。

電磁驅(qū)動裝置是所構(gòu)想的發(fā)動機唯一的控制執(zhí)行元件，用于啟動壓縮和運行充電。

3.11 排量

所構(gòu)想的發(fā)動機排量可大可小，小到不足百瓦，大到上萬千瓦，因為沒有慣性負荷及滑動摩擦的高速限制，無需靠多缸限速來增大排量。相對于傳統(tǒng)發(fā)動機，排量越大體積越小，且不會加重多缸結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性。

3.12 基本參數(shù)

對于常規(guī)機型的活片：寬（軸向）為1，高（徑向）為1;對于高速低矩機型的活片：寬大于1，高為1或者小于1;對于低速高矩機型的活片：寬為1或者小于1，高大于1。

3.13 工作范圍

所構(gòu)想的發(fā)動機不受爆燃或者粗暴限制，無論是汽油還是柴油均可全工況均質(zhì)壓燃燃燒。但為了減少污染排放，可將工作范圍下移至較為稀薄的低功率區(qū)間，動力大致減半，因為傳統(tǒng)發(fā)動機的高效工作區(qū)間狹窄，局限于中、低轉(zhuǎn)速或者中、大負荷的狹小范圍，清潔工作區(qū)間僅限于中、偏小負荷。所構(gòu)想的發(fā)動機高效工作區(qū)間寬泛，無論是高、低轉(zhuǎn)速還是大、小負荷，清潔工作區(qū)間則擴展到中負荷以下的更寬范圍。

由于所構(gòu)想的發(fā)動機為雙缸，與傳統(tǒng)發(fā)動機的動力相當(dāng)，考慮高出的熱效率，動力還可高出傳統(tǒng)發(fā)動機的75%左右。當(dāng)然，在以動力輸出為主的場合，工作范圍不下移，動力不降低。對于軍用裝備、賽車等強動力需求還可高出，即工作范圍上移。正因為如此，以非曲軸連桿機構(gòu)發(fā)動機為動力源的混合動力沒有任何意義，省油操作也是多此一舉，因為所構(gòu)想的發(fā)動機的各工況區(qū)均為高效輸出，沒有耗油區(qū)間可以利用。

因此，所構(gòu)想的發(fā)動機結(jié)構(gòu)簡潔，材料普通，技術(shù)成熟，控制單一，燃燒充分，高效清潔，極為理想。

4 性能指標

所構(gòu)想的發(fā)動機熱效率之所以能夠大幅提高，主要在于固有缺陷曲軸連桿機構(gòu)的摒棄。無機械轉(zhuǎn)化損失，無慣性負荷，各運動件之間的摩擦副為滾動摩擦，機械效率提高潛力達90%;加上全工況均質(zhì)壓燃燃燒，沒有最大燃燒壓力和燃燒持續(xù)時間損失，考慮到自身損失，所構(gòu)想的發(fā)動機的熱效率可達60%～70%，應(yīng)是較為保守的估計。

所構(gòu)想的發(fā)動機污染排放之所以能夠大幅降低，主要在于均質(zhì)壓燃燃燒模式。由于不存在爆燃和粗暴問題，工作范圍沒有任何限制，可將整個工況調(diào)節(jié)到污染排放較少的低溫燃燒區(qū)，污染排放大為減少乃至近乎于零。

所構(gòu)想的發(fā)動機技術(shù)成熟，控制單一，所涉技術(shù)要求均在傳統(tǒng)發(fā)動機的現(xiàn)有技術(shù)范圍以內(nèi)，無需任何先進復(fù)雜的高難技術(shù)和眼花繚亂的輔助裝置，成本優(yōu)勢一目了然。

因此，所構(gòu)想的發(fā)動機不僅性能超高還有不同于一般高技術(shù)高成本特點的巨大優(yōu)勢。

5 其他性能

5.1 實用性

所構(gòu)想的發(fā)動機除了高空高速、深海長潛等特殊場合外廣泛應(yīng)用于各大相關(guān)領(lǐng)域，諸如汽車、船舶、小型飛機、摩托車、無人機、內(nèi)燃機車、火力電站、工程機械、農(nóng)業(yè)機械、建筑機械、軍用裝備、移動電源、備用電源等各種配套動力。

5.2 適用性

均質(zhì)壓燃傳統(tǒng)發(fā)動機適用汽油、柴油、天然氣、液化氣、甲醇、乙醇、植物等多種燃料，所構(gòu)想的均質(zhì)壓燃發(fā)動機同樣適用多種燃料，而且無論油品好壞，敏感性不大。

5.3 使用性

所構(gòu)想的發(fā)動機由于沒有磨損零件而除了定期更換蓄電池外無需日常維護;由于超高壓縮比而啟動快捷可靠;由于全工況高效輸出而無需省油操作。

5.4 啟動性

所構(gòu)想的發(fā)動機專門用于冷啟動的超高壓縮比來自電磁驅(qū)動裝置，確保零下30度的低溫環(huán)境也能夠順利啟動。

5.5 波動性

由于各種工況下的混合氣均勻，濃度適宜，充氣量穩(wěn)定，高壓縮比恒定，所構(gòu)想的發(fā)動機能夠確保各工況穩(wěn)定燃燒， 特性曲線平緩，高效輸出如一，不會出現(xiàn)循環(huán)波動。

5.6 可靠性

由于缸內(nèi)著火燃燒不受外界工況變化的影響，無爆燃或者粗暴破壞，無慣性負荷沖擊，缸內(nèi)溫度較低，所構(gòu)想的發(fā)動機能夠承受持續(xù)不斷的高強度運轉(zhuǎn)。

5.7 耐久性

所構(gòu)想的發(fā)動機最大燃燒壓力低，無慣性負荷及滑動摩擦，主要磨損件為滾動軸承，使用壽命遠大于傳統(tǒng)發(fā)動機。

5.8 緊湊性

所構(gòu)想的發(fā)動機的主體結(jié)構(gòu)呈長圓形，臥式安置，整體外形為附著園筒而成的長方體，結(jié)構(gòu)緊湊，易于安裝與使用，有利于各大相關(guān)領(lǐng)域的普及利用。

5.9 典型應(yīng)用

用于賽車。賽車的最大要求就是高強動力，由于不考慮排放，所構(gòu)想的發(fā)動機是同排量傳統(tǒng)發(fā)動機的2倍，考慮到高出的熱效率，按照75%的提高量，所構(gòu)想的發(fā)動機的動力則是同排量傳統(tǒng)發(fā)動機的3.5倍。

用于大型水面艦只。例如我國055型大型驅(qū)逐艦配備四臺共計10.6萬千瓦動力的燃氣輪機，所構(gòu)想的發(fā)動機可用兩臺每臺6萬千瓦動力或者四臺每臺3萬千瓦動力替代。由于所構(gòu)想的發(fā)動機每臺占地空間小于傳統(tǒng)發(fā)動機，加上熱效率高出75%，以及每臺雙缸與傳統(tǒng)發(fā)動機多缸的體積差，兩臺每臺6萬千瓦所構(gòu)想的發(fā)動機的占地空間不會大于四臺共計10.6萬千瓦動力的燃氣輪機，還不包括用于巡航低負荷搭配的數(shù)臺柴油機占地。

因此，所構(gòu)想的發(fā)動機除了深海潛艇、高空高速戰(zhàn)機、大型飛機外各大相關(guān)領(lǐng)域均可大規(guī)模廣泛應(yīng)用。

6 結(jié)語

（1）所構(gòu)想的發(fā)動機的熱效率為60%～70%。

（2）所構(gòu)想的發(fā)動機全工況均質(zhì)壓燃燃燒，排放近乎于零。

（3）所構(gòu)想的發(fā)動機結(jié)構(gòu)簡潔，技術(shù)成熟，控制單一，沒有任何先進復(fù)雜的高難技術(shù)和眼花繚亂的輔助裝置，成本低廉。

（4）所構(gòu)想的發(fā)動機適用性良好，可以使用多種燃料。

（5）所構(gòu)想的發(fā)動機啟動快捷可靠，無需日常維護，故障率低，無需省油操作。

（6）所構(gòu)想的發(fā)動機除了高空高速、深海長潛等特殊場合外廣泛應(yīng)用于各大相關(guān)領(lǐng)域。