從機械損失的大幅突升到熱效率的大幅突破

劉祖川

成都雙鏇動力科技有限公司 四川省成都市 610000

1 引言

發(fā)動機損失由機械和燃燒兩大部分熱量構(gòu)成。機械熱量損失主要由以摩擦為主的機械熱量構(gòu)成，燃燒熱量損失主要由廢氣帶走和傳熱冷卻兩部分熱量構(gòu)成，燃燒熱量損失占據(jù)了大頭。然而，由于機械轉(zhuǎn)換熱量損失的重大發(fā)現(xiàn)（見附件），機械熱量損失大幅突升，燃燒熱量損失占比勢必受到擠壓，理論熱效率也將會隨著機械熱量損失的大幅突升而大幅突破，甚至如果能夠抑制或者規(guī)避造成機械轉(zhuǎn)換熱量損失的固有缺陷，不僅理論熱效率得以大幅突破，有效熱效率還可大幅突破。

2 熱平衡

根據(jù)熱平衡，廢氣帶走熱量損失占比為30%～50%，中間值為40%；傳熱冷卻熱量損失占比為12%～27%，中間值近20%，二者中間值之和高達近60%[1]。在正常燃燒環(huán)境下不完全燃燒損失為0。不妨約定以摩擦為主的機械熱量損失占比為6%。機械轉(zhuǎn)換熱量損失約為有效功熱量的70%（見附件）。如此，在三倍多于機械熱量損失的機械轉(zhuǎn)換熱量損失的加持下，機械熱量損失大幅突升，燃燒熱量損失大幅縮減，指示熱效率大幅突升，迫使理論熱效率大幅突破。

2.1 機械轉(zhuǎn)換熱量

機械轉(zhuǎn)換熱量損失是活塞直線運動轉(zhuǎn)換為曲軸旋轉(zhuǎn)運動而造成的轉(zhuǎn)換熱量，是傳統(tǒng)發(fā)動機曲軸連桿機構(gòu)成的固有缺陷，其值約為有效功的70%，機械熱量損失的三倍之多（見附件）。

如果有效熱效率約定為40%，那么機械轉(zhuǎn)換熱量損失占比為28%，加上6%的以摩擦為主的機械熱量損失占比，指示熱效率高達74%，遠超理論熱效率。

多年來一直壓在傳統(tǒng)發(fā)動機頭上的理論熱效率“天花板”就此一舉打破。

2.2 傳熱冷卻熱量

以目前能夠達到的50%有效熱效率，雖然傳熱冷卻熱量損失不可或缺，但約為20%的傳熱冷卻熱量損失占比勢必需要大幅縮減。

當發(fā)動機氣缸的表面積和材料導熱系數(shù)一定，傳熱速度取決于溫度差。發(fā)動機氣缸壁平均溫度差約為170度，氣缸頂部平均溫度差約為190度，活塞平均溫度差約為225度，三者之和的平均溫度差約為185度，在缸內(nèi)平均溫度高達1800多度的熔爐環(huán)境下，不足200度的平均溫度差在約為十毫秒短暫時間內(nèi)的瞬間損失極為有限，所以傳熱冷卻熱量損失很低。估測傳熱冷卻熱量損失占比低于5%。

因此，傳熱冷卻熱量損失大幅縮減。

2.3 廢氣帶走熱量

根據(jù)熱平衡，由于機械熱量損失的大幅突升，燃燒熱量損失勢必受到強力擠壓，其中占比最高的廢氣帶走熱量損失難以回避立足之嫌。即使不考慮傳熱冷卻熱量損失，74%的指示熱效率也難與高達40%的廢氣帶走熱量損失占比構(gòu)成熱平衡，而傳熱冷卻熱量損失又不可或缺，剔除廢氣帶走熱量損失則成為必然。所以在發(fā)動機燃燒熱量損失中沒有廢氣帶走熱量這項損失。

從膨脹作功過程來看，廢氣帶走熱量是排氣前的缸內(nèi)熱量，是有效功的驅(qū)動熱量，是作過功的熱量，是同一熱量，而燃燒熱量轉(zhuǎn)換為膨脹功，膨脹功又轉(zhuǎn)換為有效功，所以有效功熱量的變化與廢氣帶走熱量的變化是一致的，或者有效功熱量的變化與廢氣帶走熱量損失的變化一致，即有效功熱量增大則廢氣帶走熱量損失增多，或者有效功熱量減小則廢氣帶走熱量損失減少。但按照熱平衡，有效功熱量的變化與廢氣帶走熱量損失的變化是不一致的，即有效功熱量增大，廢氣帶走熱量損失就應減少，或者有效功熱量減小，廢氣帶走熱量損失就應增多。二者發(fā)生矛盾，表明廢氣帶走熱量不是熱量損失。

而且，觀察膨脹作功過程，雖然燃燒熱量損失和機械熱量損失是在同一進程中同步出現(xiàn)，但二者所處的位置不同，即燃燒熱量損失處于膨脹功之前，機械熱量損失處于膨脹功之后。如果廢氣帶走熱量是燃燒熱量損失，應處于膨脹功之前，而非膨脹功之后，而廢氣帶走熱量卻處于膨脹功之后。有效功都出來了再去減除熱量損失，不符合基本邏輯，所以廢氣帶走熱量不是熱量損失，而燃燒熱量損失也僅包括壓縮功（見“質(zhì)疑傳統(tǒng)發(fā)動機理論熱效率的立足之本”）和以傳熱冷卻熱量為主的熱量損失，沒有廢氣帶走熱量損失的位置。況且膨脹功一旦形成，直接面對的是有效功，與燃燒熱量損失再無牽扯。廢氣帶走熱量是否為熱量損失，是多是少，均與有效功無關(guān)，故廢氣帶走熱量不是熱量損失。

因此，廢氣帶走熱量損失等于零。

3 新的熱平衡

以43%有效熱效率為例，根據(jù)熱平衡，有效功熱量為43；以摩擦為主的機械熱量損失估測為6；機械轉(zhuǎn)換熱量損失約為43×70%=30.1；壓縮功熱量約為17.4（見“質(zhì)疑傳統(tǒng)發(fā)動機理論熱效率的立足之本”），四部分熱量之和約為96.5，與燃燒熱量100之差為3.5，即傳熱冷卻熱量損失約為3.5，進而構(gòu)成平衡。而理論熱效率則高達100%（見“重構(gòu)傳統(tǒng)發(fā)動機的效率體系”）。

對于非曲軸連桿機構(gòu)發(fā)動機，諸如旋轉(zhuǎn)發(fā)動機，設(shè)有效功熱量為X，壓縮功熱量約為17.4，傳熱冷卻熱量損失約為3.5，機械轉(zhuǎn)換熱量損失為0，以摩擦為主的機械熱量損失約為6，根據(jù)熱平衡，有100=X+17.4+3.5+6，則X=100-17.4-3.5-6=73.1，有效熱效率高達73%。有效熱效率突破70%。

非曲軸連桿機構(gòu)發(fā)動機73.1的有效功與傳統(tǒng)發(fā)動機43的有效功之差，恰好等于30.1的機械轉(zhuǎn)換熱量損失，表明傳統(tǒng)發(fā)動機丟失的巨大機械轉(zhuǎn)換熱量損失正是非曲軸連桿機構(gòu)發(fā)動機有效功的巨大提高潛力。

4 結(jié)語

機械轉(zhuǎn)換熱量損失的大力加持，不僅徹底剔除廢氣帶走熱量損失，和大幅縮減傳熱冷卻熱量損失，和載譽回歸的壓縮功，還迫使傳統(tǒng)發(fā)動機的理論熱效率大幅突破。雖然廣為詬病的有效熱效率未受絲毫影響，但作為非曲軸連桿機構(gòu)發(fā)動機典型代表的旋轉(zhuǎn)發(fā)動機，由于沒有曲軸連桿機構(gòu)的約束限制而沒有機械轉(zhuǎn)換熱量損失，不僅理論熱效率高達100%，有效熱效率還可大幅突破。

三大發(fā)現(xiàn)所帶來的巨大變化與理論熱效率相去甚遠，甚至危及到支撐理論效率體系的熱力學第二定律（見“質(zhì)疑傳統(tǒng)發(fā)動機理論熱效率的立足之本”）。對此，面對既不能用于工程實踐、也難于指導工程應用的理論熱效率所面臨的嚴峻挑戰(zhàn)，找出問題關(guān)鍵，開拓未來機遇，成為當前傳統(tǒng)發(fā)動機能否淘汰出局的試金石。

附件：致使活塞發(fā)動機熱效率低下的根本原因

機械轉(zhuǎn)換損失是發(fā)動機活塞直線運動轉(zhuǎn)換為曲軸旋轉(zhuǎn)運動而造成的轉(zhuǎn)換損失，是曲軸連桿機構(gòu)構(gòu)成的固有缺陷。由于該項損失較大，使得機械損失占比與燃燒損失占比發(fā)生改變，機械損失大幅突升，燃燒損失大幅突降。雖然活塞發(fā)動機的有效熱效率并未因為機械損失的大幅突升而改變，但對于非曲軸連桿機構(gòu)發(fā)動機的有效熱效率卻由于沒有曲軸連桿機構(gòu)的約束限制而大幅提升。

1 轉(zhuǎn)換過程

活塞發(fā)動機中的重要構(gòu)件曲軸連桿機構(gòu)，是將活塞作功的直線運動轉(zhuǎn)換為發(fā)動機扭矩所需的旋轉(zhuǎn)運動，即直線運動轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)運動的直線-旋轉(zhuǎn)運動機構(gòu)。

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(zhuǎn)的切向力Ft；二是壓縮曲軸柄的徑向力Fn。切向力通過曲柄形成扭矩，即為發(fā)動機輸出動力；而徑向力通過曲柄的壓縮作用在曲軸上，產(chǎn)生連續(xù)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(chǎn)生機械轉(zhuǎn)換熱量，造成直線-旋轉(zhuǎn)運動的轉(zhuǎn)換損失，可將其稱為機械轉(zhuǎn)換損失。

圖1 曲軸連桿機構(gòu)中的切向力

因此，械轉(zhuǎn)換損失產(chǎn)生于曲軸柄的徑向力，是曲軸連桿機構(gòu)直線-旋轉(zhuǎn)運動帶來的固有缺陷。

2 機械轉(zhuǎn)換損失

利用內(nèi)燃機動力學扭矩公式，通過轉(zhuǎn)換指示功與未經(jīng)轉(zhuǎn)換指示功計算機械轉(zhuǎn)換損失。

2.1 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(guān)系，通過單位變換，由F替代p，即p-φ圖也 是F-φ圖（見圖2），根據(jù)曲軸連桿機構(gòu)受力分析。[1]

式中，F(xiàn)t是轉(zhuǎn)換切向力，即曲軸切向力；F是活塞作用力；r是曲軸半徑；φ是曲軸轉(zhuǎn)角；β是連桿夾角。其等式為

式中，λ= r/l，其中，l是連桿長度。

2.2 p-φ示功圖

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(zhuǎn)角φi所對應的汽缸壓力pi值，也是曲軸轉(zhuǎn)角φi所對應的活塞作用力Fi。

圖2 活塞作用力、扭矩與曲軸轉(zhuǎn)角函數(shù)關(guān)系

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

2.3 機械轉(zhuǎn)換損失

活塞作用力F就是未經(jīng)轉(zhuǎn)換的切向力，未經(jīng)轉(zhuǎn)換扭矩為

轉(zhuǎn)換扭矩為

不計摩擦損失，設(shè)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：

根據(jù)（5）式，未經(jīng)轉(zhuǎn)換扭矩Ti形成的實線與曲軸橫坐標軸所構(gòu)成的面積是非轉(zhuǎn)換指示功W（見圖2），其等式為

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

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(zhuǎn)轉(zhuǎn)換運動過程，直接旋轉(zhuǎn)并形成扭矩，未經(jīng)轉(zhuǎn)換切向力等于活塞作用力Fi，將該值代入（5）式，得到未經(jīng)轉(zhuǎn)換扭矩Ti，再按照（7）式將各Ti值相加，得到非轉(zhuǎn)換指示功

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(zhuǎn)換扭矩Ti＇，再按照（8）式將各Ti＇值相加，得到轉(zhuǎn)換指示功

因此，機械轉(zhuǎn)換損失率為

對比兩條曲線所構(gòu)成的指示功面積，由虛線構(gòu)成的面積明顯小于由實線構(gòu)成的面積。虛線只在曲軸轉(zhuǎn)角418°～450°范圍內(nèi)略大于實線，而在其他曲軸轉(zhuǎn)角都小于實線，直觀上就可判斷：轉(zhuǎn)換指示功明顯小于非轉(zhuǎn)換指示功。

不妨設(shè)四沖程汽油發(fā)動機有效功為43，約定以摩擦為主的機械效率為85%，則以摩擦為主的機械損失約為6，設(shè)轉(zhuǎn)機械換損失為x，指示功有40+6+x，則（40+6+x）（1-39%）= 40+6，得到機械轉(zhuǎn)換損失

機械轉(zhuǎn)換損失約為29.4，是有效功的73.5%，大于70%。機械損失約為35，指示功約為75，機械效率僅為53%。

機械轉(zhuǎn)換損失不僅存在，而且很大，根植于曲軸連桿機構(gòu)，是曲軸連桿機構(gòu)一手造成的重大缺陷。

3 結(jié)語

（1）發(fā)現(xiàn)一項發(fā)動機活塞直線運動轉(zhuǎn)換為曲軸旋轉(zhuǎn)運動而造成的機械轉(zhuǎn)換損失，是曲軸連桿機構(gòu)構(gòu)成的固有缺陷。

（2）機械轉(zhuǎn)換損失大于活塞發(fā)動機有效功的70%。

（3）機械轉(zhuǎn)換損失的重大發(fā)現(xiàn)，為非曲軸連桿機構(gòu)發(fā)動機熱效率的大幅提高賦予巨大機遇、開創(chuàng)巨大空間、拓展巨大潛能。