附件一：致使活塞發(fā)動機熱效率低下的根本原因

致使活塞發(fā)動機熱效率低下的根本原因是其自身曲軸連桿機構(gòu)構(gòu)成的固有缺陷，即機械轉(zhuǎn)換損失。

現(xiàn)有活塞發(fā)動機熱平衡中缺少直線-旋轉(zhuǎn)運動的轉(zhuǎn)換熱量損失，轉(zhuǎn)換后的活塞發(fā)動機械效率較真實的機械效率低得多。值得關(guān)注的是，此轉(zhuǎn)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(gòu)發(fā)動機的研究開發(fā)價值驟然凸顯。

1 發(fā)動機熱平衡概述

現(xiàn)有活塞發(fā)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(chǎn)生的全部熱量，并保持平衡，其中有效熱量能夠轉(zhuǎn)換為有效功外，其他部分均以不同的熱傳遞方式散失于發(fā)動機之外。對于四沖程汽油發(fā)動機，以100為能量數(shù)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(shè)：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(tài)下，發(fā)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(dá)60。

活塞發(fā)動機為內(nèi)燃機，是各種發(fā)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(chǎn)生疑問：活塞發(fā)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(zhuǎn)運動的轉(zhuǎn)換過程

我們知道，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;二是壓縮曲軸臂的徑向力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。

現(xiàn)有活塞發(fā)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(zhuǎn)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(zhuǎn)換損失

根據(jù)內(nèi)燃機動力學(xué)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。

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(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）。

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

式中：Ft為轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(gòu)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(zhuǎn)角φi所對應(yīng)的汽缸壓力pi值，也是曲軸轉(zhuǎn)角φi所對應(yīng)的活塞作用力Fi。

實際上，活塞作用力在往復(fù)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(fù)慣性力的準(zhǔn)點對稱性，即前小半部分曲軸轉(zhuǎn)角的慣性力為負(fù)，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(biāo)軸構(gòu)成的正、負(fù)面積剛好相抵，所以合力曲線與曲軸橫坐標(biāo)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(zhǔn)軸對稱性與往復(fù)慣性力的準(zhǔn)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(biāo)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(fù)慣性力的作用而發(fā)生改變。出于F-φ圖的構(gòu)建便利，我們依然采用F-φ圖來計算機械轉(zhuǎn)換損失。

3.3 機械轉(zhuǎn)換損失率

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：

Ti=Fir，i=360°，364°，368°，……540°（3）

轉(zhuǎn)換扭矩為：

T'i=Ftir，i=360°，364°，368°，……540°（4）

不計摩擦損失，且不妨設(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

Ti=Fi，i=360°，364°，368°，……540°（5）

T'i=Fti，i=360°，364°，368°，……540°（6）

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(biāo)軸所構(gòu)成的面積是未經(jīng)轉(zhuǎn)換指示功W（見圖2），其等式為

W=∑Ti，i=360°，364°，368°，……540°（7）

根據(jù)（6）式，轉(zhuǎn)換扭矩Ti′形成的虛線與曲軸橫坐標(biāo)軸所構(gòu)成的面積是轉(zhuǎn)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(biāo)軸上，每隔4°取點，共計46個點，找出各點對應(yīng)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，得到未經(jīng)轉(zhuǎn)換指示功：

W=52.7

將Fi及相應(yīng)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：

W'=32

因此，機械轉(zhuǎn)換損失率為：

（W-W'）/W=39%

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)換指示功明顯小于未經(jīng)轉(zhuǎn)換指示功。

3.4 新的熱平衡分布

不妨設(shè)四沖程汽油發(fā)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(shè)轉(zhuǎn)換熱量x，指示熱量為25+5+x，由（25+5+x）（1-39%）= 25+5，得到轉(zhuǎn)換熱量：

x=（25+5）/（1-39%）-（25+5）=19.18

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

按照新的熱平衡，在完全燃燒狀態(tài)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(gòu)發(fā)動機則具有大大超出現(xiàn)有指標(biāo)熱效率30%～45%的巨大潛力。

發(fā)動機新的熱平衡，以100為能量數(shù)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(zhuǎn)換熱量=15～23。

新的熱平衡多出一項機械轉(zhuǎn)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(gòu)發(fā)動機熱效率遠(yuǎn)大于活塞發(fā)動機的潛力所在。

4 結(jié)語

活塞發(fā)動機熱平衡中缺少一項直線-旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換熱量。

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

非曲軸連桿機構(gòu)發(fā)動機的機械效率具有極大的提高潛力，為開展大規(guī)模研究與開發(fā)提供科學(xué)依據(jù)，為科學(xué)技術(shù)動力領(lǐng)域提出重大課題，為“大眾創(chuàng)業(yè)，萬眾創(chuàng)新”塑造重大素材，同時也為我們開創(chuàng)全新機遇。