从机械损失的大幅突升到热效率的大幅突破

刘祖川

成都双镟动力科技有限公司 四川省成都市 610000

1 引言

发动机损失由机械和燃烧两大部分热量构成。机械热量损失主要由以摩擦为主的机械热量构成，燃烧热量损失主要由废气带走和传热冷却两部分热量构成，燃烧热量损失占据了大头。然而，由于机械转换热量损失的重大发现（见附件），机械热量损失大幅突升，燃烧热量损失占比势必受到挤压，理论热效率也将会随着机械热量损失的大幅突升而大幅突破，甚至如果能够抑制或者规避造成机械转换热量损失的固有缺陷，不仅理论热效率得以大幅突破，有效热效率还可大幅突破。

2 热平衡

根据热平衡，废气带走热量损失占比为30%～50%，中间值为40%；传热冷却热量损失占比为12%～27%，中间值近20%，二者中间值之和高达近60%[1]。在正常燃烧环境下不完全燃烧损失为0。不妨约定以摩擦为主的机械热量损失占比为6%。机械转换热量损失约为有效功热量的70%（见附件）。如此，在三倍多于机械热量损失的机械转换热量损失的加持下，机械热量损失大幅突升，燃烧热量损失大幅缩减，指示热效率大幅突升，迫使理论热效率大幅突破。

2.1 机械转换热量

机械转换热量损失是活塞直线运动转换为曲轴旋转运动而造成的转换热量，是传统发动机曲轴连杆机构成的固有缺陷，其值约为有效功的70%，机械热量损失的三倍之多（见附件）。

如果有效热效率约定为40%，那么机械转换热量损失占比为28%，加上6%的以摩擦为主的机械热量损失占比，指示热效率高达74%，远超理论热效率。

多年来一直压在传统发动机头上的理论热效率“天花板”就此一举打破。

2.2 传热冷却热量

以目前能够达到的50%有效热效率，虽然传热冷却热量损失不可或缺，但约为20%的传热冷却热量损失占比势必需要大幅缩减。

当发动机气缸的表面积和材料导热系数一定，传热速度取决于温度差。发动机气缸壁平均温度差约为170度，气缸顶部平均温度差约为190度，活塞平均温度差约为225度，三者之和的平均温度差约为185度，在缸内平均温度高达1800多度的熔炉环境下，不足200度的平均温度差在约为十毫秒短暂时间内的瞬间损失极为有限，所以传热冷却热量损失很低。估测传热冷却热量损失占比低于5%。

因此，传热冷却热量损失大幅缩减。

2.3 废气带走热量

根据热平衡，由于机械热量损失的大幅突升，燃烧热量损失势必受到强力挤压，其中占比最高的废气带走热量损失难以回避立足之嫌。即使不考虑传热冷却热量损失，74%的指示热效率也难与高达40%的废气带走热量损失占比构成热平衡，而传热冷却热量损失又不可或缺，剔除废气带走热量损失则成为必然。所以在发动机燃烧热量损失中没有废气带走热量这项损失。

从膨胀作功过程来看，废气带走热量是排气前的缸内热量，是有效功的驱动热量，是作过功的热量，是同一热量，而燃烧热量转换为膨胀功，膨胀功又转换为有效功，所以有效功热量的变化与废气带走热量的变化是一致的，或者有效功热量的变化与废气带走热量损失的变化一致，即有效功热量增大则废气带走热量损失增多，或者有效功热量减小则废气带走热量损失减少。但按照热平衡，有效功热量的变化与废气带走热量损失的变化是不一致的，即有效功热量增大，废气带走热量损失就应减少，或者有效功热量减小，废气带走热量损失就应增多。二者发生矛盾，表明废气带走热量不是热量损失。

而且，观察膨胀作功过程，虽然燃烧热量损失和机械热量损失是在同一进程中同步出现，但二者所处的位置不同，即燃烧热量损失处于膨胀功之前，机械热量损失处于膨胀功之后。如果废气带走热量是燃烧热量损失，应处于膨胀功之前，而非膨胀功之后，而废气带走热量却处于膨胀功之后。有效功都出来了再去减除热量损失，不符合基本逻辑，所以废气带走热量不是热量损失，而燃烧热量损失也仅包括压缩功（见“质疑传统发动机理论热效率的立足之本”）和以传热冷却热量为主的热量损失，没有废气带走热量损失的位置。况且膨胀功一旦形成，直接面对的是有效功，与燃烧热量损失再无牵扯。废气带走热量是否为热量损失，是多是少，均与有效功无关，故废气带走热量不是热量损失。

因此，废气带走热量损失等于零。

3 新的热平衡

以43%有效热效率为例，根据热平衡，有效功热量为43；以摩擦为主的机械热量损失估测为6；机械转换热量损失约为43×70%=30.1；压缩功热量约为17.4（见“质疑传统发动机理论热效率的立足之本”），四部分热量之和约为96.5，与燃烧热量100之差为3.5，即传热冷却热量损失约为3.5，进而构成平衡。而理论热效率则高达100%（见“重构传统发动机的效率体系”）。

对于非曲轴连杆机构发动机，诸如旋转发动机，设有效功热量为X，压缩功热量约为17.4，传热冷却热量损失约为3.5，机械转换热量损失为0，以摩擦为主的机械热量损失约为6，根据热平衡，有100=X+17.4+3.5+6，则X=100-17.4-3.5-6=73.1，有效热效率高达73%。有效热效率突破70%。

非曲轴连杆机构发动机73.1的有效功与传统发动机43的有效功之差，恰好等于30.1的机械转换热量损失，表明传统发动机丢失的巨大机械转换热量损失正是非曲轴连杆机构发动机有效功的巨大提高潜力。

4 结语

机械转换热量损失的大力加持，不仅彻底剔除废气带走热量损失，和大幅缩减传热冷却热量损失，和载誉回归的压缩功，还迫使传统发动机的理论热效率大幅突破。虽然广为诟病的有效热效率未受丝毫影响，但作为非曲轴连杆机构发动机典型代表的旋转发动机，由于没有曲轴连杆机构的约束限制而没有机械转换热量损失，不仅理论热效率高达100%，有效热效率还可大幅突破。

三大发现所带来的巨大变化与理论热效率相去甚远，甚至危及到支撑理论效率体系的热力学第二定律（见“质疑传统发动机理论热效率的立足之本”）。对此，面对既不能用于工程实践、也难于指导工程应用的理论热效率所面临的严峻挑战，找出问题关键，开拓未来机遇，成为当前传统发动机能否淘汰出局的试金石。

附件：致使活塞发动机热效率低下的根本原因

机械转换损失是发动机活塞直线运动转换为曲轴旋转运动而造成的转换损失，是曲轴连杆机构构成的固有缺陷。由于该项损失较大，使得机械损失占比与燃烧损失占比发生改变，机械损失大幅突升，燃烧损失大幅突降。虽然活塞发动机的有效热效率并未因为机械损失的大幅突升而改变，但对于非曲轴连杆机构发动机的有效热效率却由于没有曲轴连杆机构的约束限制而大幅提升。

1 转换过程

活塞发动机中的重要构件曲轴连杆机构，是将活塞作功的直线运动转换为发动机扭矩所需的旋转运动，即直线运动转换为旋转运动的直线-旋转运动机构。

作用在活塞上的力，通过连杆分解为两个（见图1）：一是推动曲轴旋转的切向力Ft；二是压缩曲轴柄的径向力Fn。切向力通过曲柄形成扭矩，即为发动机输出动力；而径向力通过曲柄的压缩作用在曲轴上，产生连续的微小变形波动，造成震动，形成无用的变形能。变形震动消耗大量热能，产生机械转换热量，造成直线-旋转运动的转换损失，可将其称为机械转换损失。

图1 曲轴连杆机构中的切向力

因此，械转换损失产生于曲轴柄的径向力，是曲轴连杆机构直线-旋转运动带来的固有缺陷。

2 机械转换损失

利用内燃机动力学扭矩公式，通过转换指示功与未经转换指示功计算机械转换损失。

2.1 曲轴切向力

利用p-φ图确定活塞作用力F。汽缸压力p与F为线性关系，通过单位变换，由F替代p，即p-φ图也 是F-φ图（见图2），根据曲轴连杆机构受力分析。[1]

式中，Ft是转换切向力，即曲轴切向力；F是活塞作用力；r是曲轴半径；φ是曲轴转角；β是连杆夹角。其等式为

式中，λ= r/l，其中，l是连杆长度。

2.2 p-φ示功图

φ=360°时，气缸压缩压力p=0.8Mpa；φ=374°时，最大燃烧压力p=3.5MPa；φ=540°时，排气压力p=0.4MPa；φ=420°时，p=1.15MPa；φ=450°时，p=0.815MPa。图2中的实线是曲轴转角φi所对应的汽缸压力pi值，也是曲轴转角φi所对应的活塞作用力Fi。

图2 活塞作用力、扭矩与曲轴转角函数关系

实际上，活塞作用力在往复惯性力的作用下产生了新的合力，循环周期内，由于往复惯性力的准点对称性，即前小半部分曲轴转角的惯性力为负，后大半部分曲轴转角的惯性力为正，且分别与曲轴横坐标轴构成的正、负面积刚好相抵，所以合力曲线与曲轴横坐标轴构成的面积并未发生变化，即与活塞作用力曲线构成的面积相等。又由于合力形成的准轴对称性与往复惯性力的准点对称性重合，所以合力曲轴切向力（扭矩切向力）与曲轴横坐标轴构成的面积与活塞作用力的曲轴切向力构成的面积相等，其结果，曲轴切向力产生的扭矩并没有因为往复惯性力的作用而发生改变。出于F-φ图的构建便利，依然采用F-φ图来计算机械转换损失。

2.3 机械转换损失

活塞作用力F就是未经转换的切向力，未经转换扭矩为

转换扭矩为

不计摩擦损失，设λ=1/3，并令r =1，单位归一，无量纲，则（3）式和（4）式分别变换为：

根据（5）式，未经转换扭矩Ti形成的实线与曲轴横坐标轴所构成的面积是非转换指示功W（见图2），其等式为

根据（6）式，转换扭矩Ti＇形成的虚线与曲轴横坐标轴所构成的面积是转换指示功W＇（见图2），其等式为

在φ横坐标轴上，每隔4°取点，共计46个点，找出各点对应的Fi值。如果无直线-旋转转换运动过程，直接旋转并形成扭矩，未经转换切向力等于活塞作用力Fi，将该值代入（5）式，得到未经转换扭矩Ti，再按照（7）式将各Ti值相加，得到非转换指示功

将Fi及相应的βi代入（1）、（2）式，得到Fti，然后将其代入（6）式中Fti，得到转换扭矩Ti＇，再按照（8）式将各Ti＇值相加，得到转换指示功

因此，机械转换损失率为

对比两条曲线所构成的指示功面积，由虚线构成的面积明显小于由实线构成的面积。虚线只在曲轴转角418°～450°范围内略大于实线，而在其他曲轴转角都小于实线，直观上就可判断：转换指示功明显小于非转换指示功。

不妨设四冲程汽油发动机有效功为43，约定以摩擦为主的机械效率为85%，则以摩擦为主的机械损失约为6，设转机械换损失为x，指示功有40+6+x，则（40+6+x）（1-39%）= 40+6，得到机械转换损失

机械转换损失约为29.4，是有效功的73.5%，大于70%。机械损失约为35，指示功约为75，机械效率仅为53%。

机械转换损失不仅存在，而且很大，根植于曲轴连杆机构，是曲轴连杆机构一手造成的重大缺陷。

3 结语

（1）发现一项发动机活塞直线运动转换为曲轴旋转运动而造成的机械转换损失，是曲轴连杆机构构成的固有缺陷。

（2）机械转换损失大于活塞发动机有效功的70%。

（3）机械转换损失的重大发现，为非曲轴连杆机构发动机热效率的大幅提高赋予巨大机遇、开创巨大空间、拓展巨大潜能。