附件二：奧托理論熱效率的大幅突破

1 引言

100多年以來，人們致力于提高傳統(tǒng)發(fā)動機(jī)熱效率的艱辛努力近乎東流，因?yàn)閭鹘y(tǒng)發(fā)動機(jī)即將退出歷史舞臺，傳統(tǒng)發(fā)動機(jī)的有效熱效率僅為25%～35%，與奧托55%～65%的理論熱效率差距巨大，表明人類制作的熱機(jī)效率還有很大潛力可以挖掘，而且遠(yuǎn)未止步于此，由于機(jī)械轉(zhuǎn)換損失的人為缺失（見附件一），導(dǎo)致指示熱效率被大大低估。并且還發(fā)現(xiàn)機(jī)械轉(zhuǎn)換損失是由曲軸連桿機(jī)構(gòu)構(gòu)成的固有缺陷所致，再次表明在挖掘傳統(tǒng)發(fā)動機(jī)效率的同時(shí)，有必要探索效率更高、性能更好的新型熱機(jī)，例如非曲軸連桿機(jī)構(gòu)發(fā)動機(jī)。事實(shí)如此，由曲軸連桿機(jī)構(gòu)造成的熱效率損失，除了機(jī)械轉(zhuǎn)換損失外還有最大燃燒壓力、燃燒持續(xù)時(shí)間、摩擦等多項(xiàng)損失，當(dāng)然，機(jī)械轉(zhuǎn)換損失是所有熱效率損失中最大，達(dá)到有效熱效率的75%（見附件一），致使熱效率損失之和高達(dá)有效熱效率的100%。因此，曲軸連桿機(jī)構(gòu)固有缺陷的重大發(fā)現(xiàn)，尤其是曲軸連桿機(jī)構(gòu)造成的巨大機(jī)械轉(zhuǎn)換損失，使得奧托理論熱效率有望大幅突破。

2 熱效率損失

由曲軸連桿機(jī)構(gòu)造成的熱效率損失由四部分組成：燃燒過程中的最大燃燒壓力損失（見圖1）和燃燒持續(xù)時(shí)間損失（見圖2），以及機(jī)械過程中的機(jī)械轉(zhuǎn)換損失（見圖3和圖4）（見附件一）和摩擦損失。發(fā)動機(jī)有效熱效率是指示熱效率與機(jī)械效率之積，因此指示熱效率和機(jī)械效率分別決定了有效熱效率的高低。指示熱效率取決于指示功，指示功取決于缸內(nèi)燃燒壓力;機(jī)械效率取決于機(jī)械損失，但需要強(qiáng)調(diào)的是無論是指示熱效率還是機(jī)械效率，傳統(tǒng)發(fā)動機(jī)都會受到自身曲軸連桿機(jī)構(gòu)的嚴(yán)重制約。

對于指示熱效率。首先，參閱圖1，傳統(tǒng)發(fā)動機(jī)要求最大燃燒壓力位于活塞上止點(diǎn)的12°～15°曲軸轉(zhuǎn)角之間[1]，而最大燃燒壓力位于上止點(diǎn)附近，即0°曲軸轉(zhuǎn)角附近，缸內(nèi)燃燒壓力最大，活塞獲得最大膨脹功，則位于0°曲軸轉(zhuǎn)角的最大活塞作用力F1大于位于13.5°曲軸轉(zhuǎn)角的最大活塞作用力F。那為什么不在上止點(diǎn)呢？如果最大燃燒壓力接近或者位于上止點(diǎn)，不僅會引發(fā)爆燃，動力還會急劇下降乃至無法輸出。

其次，無論是作為汽油機(jī)的預(yù)混合燃燒還是作為柴油機(jī)的擴(kuò)散燃燒，燃燒持續(xù)時(shí)間均需持續(xù)50°或者60°的曲軸轉(zhuǎn)角[1]，但15°曲軸轉(zhuǎn)角之后的燃燒壓力則下降很快，膨脹功隨之降低，也就是說隨著膨脹功的下降還有部分在燃燃料和未然燃料未能得到有效利用，進(jìn)而造成指示熱效率損失。參閱圖2，黃線為燃燒持續(xù)時(shí)間較長的活塞壓力，藍(lán)線為燃燒持續(xù)時(shí)間較短的活塞壓力，燃燒持續(xù)時(shí)間越短，最大燃燒壓力越大。為什么不能縮短燃燒時(shí)間？如果縮短燃燒時(shí)間，同樣會面臨上述問題。

不妨估計(jì)，兩次降低之和的指示熱效率損失約為有效熱效率的10%。

對于機(jī)械效率。首先，傳統(tǒng)發(fā)動機(jī)的機(jī)械損失除了摩擦損失外，還有一項(xiàng)更為致命的機(jī)械轉(zhuǎn)換損失，即摩擦損失與機(jī)械轉(zhuǎn)換損失之和為傳統(tǒng)發(fā)動機(jī)的機(jī)械損失。參閱圖3，作用在活塞上的力通過連桿分解為兩個(gè)：一是垂直于并撥動曲軸曲柄、進(jìn)而驅(qū)動曲軸轉(zhuǎn)動的切向力Ft;二是壓縮曲柄并指向曲軸的徑向力Fn。切向力垂直于曲柄力臂，產(chǎn)生曲軸扭矩，進(jìn)而產(chǎn)生動力。因?yàn)榱?切向力×力臂半徑，半徑為常量，切向力減小，力矩隨之減小，即曲軸轉(zhuǎn)矩減小，動力降低，機(jī)械效率下降;而徑向力通過曲柄的壓縮作用在曲軸上，產(chǎn)生微小變形及其高頻顫動，進(jìn)而產(chǎn)生無用的變形能，造成機(jī)械轉(zhuǎn)換損失（見附件一），即活塞直線運(yùn)動轉(zhuǎn)換為曲軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動時(shí)構(gòu)成的固有缺陷。

參閱圖3左圖，曲軸切向力Ft公式，可以通過F'cos等式和F'sin等式推導(dǎo)，其中，連桿轉(zhuǎn)角β等式，可以通過兩個(gè)sin對邊高度的相等關(guān)系推導(dǎo)。大致判斷，最大燃燒壓力處的曲軸切向力Ft還不及活塞作用力F的1/3，當(dāng)然，也可通過曲軸切向力Ft公式計(jì)算。參閱圖4，曲軸切向力Ft形成黃線，活塞作用力F形成藍(lán)線。由藍(lán)線與橫軸構(gòu)成的面積為未經(jīng)轉(zhuǎn)換指示功或者非曲指示功Wi（糾錯(cuò)：圖中T應(yīng)為W）;由黃線與橫軸構(gòu)成的面積為轉(zhuǎn)換指示功W'i（糾錯(cuò)：圖中T'應(yīng)為W'），后者明顯小于前者，其差為機(jī)械轉(zhuǎn)換損失。

還可通過更為直觀的受力分解圖大致判斷：參閱圖3右圖，β與γ的大小決定了Ft與F的大小。參閱圖5，通過比較，β<γ，F(xiàn)t

為此，經(jīng)測算，機(jī)械轉(zhuǎn)換損失遠(yuǎn)大于摩擦損失，是有效熱效率的75%（見附件一）。

其次，如果對比非曲軸連桿機(jī)構(gòu)發(fā)動機(jī)，例如旋轉(zhuǎn)發(fā)動機(jī)的滾動摩擦損失，由于沒有曲軸連桿機(jī)構(gòu)的慣性負(fù)荷及滑動摩擦而遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)發(fā)動機(jī)的滑動摩擦損失，按照傳統(tǒng)發(fā)動機(jī)摩擦損失的1/4計(jì)，且取傳統(tǒng)發(fā)動機(jī)的摩擦損失為有效熱效率的20%計(jì)，那么旋轉(zhuǎn)發(fā)動機(jī)的摩擦損失，也就是非曲軸連桿機(jī)構(gòu)發(fā)動機(jī)的機(jī)械損失僅為有效熱效率的5%。

因此，由曲軸連桿機(jī)構(gòu)造成的摩擦損失約為有效熱效率的15%，加上75%熱效率的的機(jī)械轉(zhuǎn)換損失，由曲軸連桿機(jī)構(gòu)造成的機(jī)械損失高達(dá)有效熱效率的90%，再加上燃燒過程中10%有效熱效率的指示熱效率損失，由曲軸連桿機(jī)構(gòu)造成的有效熱效率損失高達(dá)100%。

豁然一亮，傳統(tǒng)發(fā)動機(jī)的有效熱效率之所以不高，完全是出于曲軸連桿機(jī)構(gòu)這一固有缺陷的“暗中使絆”。

3 機(jī)械轉(zhuǎn)換損失實(shí)證

曲軸連桿機(jī)構(gòu)造成的巨大損失本可通過“機(jī)械損失的測定”來證實(shí)，但由于機(jī)械轉(zhuǎn)換損失的人為缺失，使得所測的指示功率遠(yuǎn)低于真實(shí)的指示功率。有效功率、轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速都可從試驗(yàn)臺架上獲取，但指示功率需要通過示功圖來求取。指示功率與有效功率之差等于機(jī)械損失，但恰恰需要求取的指示功率出現(xiàn)了錯(cuò)誤，從而導(dǎo)致機(jī)械轉(zhuǎn)換損失的丟失。

3.1 機(jī)械損失的錯(cuò)誤測定

由于“發(fā)動機(jī)機(jī)械損失的原因極為復(fù)雜，以致無法用分析的辦法求出準(zhǔn)確的數(shù)值，即使有些經(jīng)驗(yàn)公式可用來計(jì)算，也是極為近似而不可靠。為了獲得較為可信的結(jié)果，只有通過實(shí)際發(fā)動機(jī)的試驗(yàn)來測定?！盵1]分析法求出的機(jī)械損失遠(yuǎn)高于現(xiàn)有的機(jī)械損失，不可能達(dá)到“極為近似”的結(jié)果，只能放棄。從一開始“機(jī)械損失的測定”就被人為因素扭曲了，分析計(jì)算被其他測法取代。

“機(jī)械損失的測定”有四種常用測法：示功圖法、倒施法、滅缸法、耗油線法。其中只有第一種示功圖法才能測出真實(shí)的機(jī)械損失，包括摩擦和機(jī)械轉(zhuǎn)換兩種損失。由于“結(jié)果的正確程度往往決定于示功圖測錄的正確程度，其中最大的誤差來源于p-φ圖或p-V圖上活塞上止點(diǎn)位置不易正確地確定”，所以“示功圖法一般用于當(dāng)上止點(diǎn)位置能得到精確標(biāo)定時(shí)才能取得較滿意的結(jié)果”[2]。實(shí)際上由于轉(zhuǎn)換損失是摩擦損失的三倍之多，示功圖法測得的指示功率無論如何都無法等于或者接近后三種測法測得的指示功率，只有“精確標(biāo)定”“活塞上止點(diǎn)位置”、且還需“校正”后的值接近后三種測法的結(jié)果時(shí)，“才能取得較滿意的結(jié)果”。因此，利用示功圖法測定機(jī)械損失時(shí)，只能向現(xiàn)有指示功率靠攏湊數(shù)。更不可思議的是倒施法和滅缸法都無法測得正確的指示功率。倒拖法和滅缸法都是從輸出端驅(qū)動，曲軸由受力件變?yōu)閯恿?，避開了曲軸連桿機(jī)構(gòu)阻礙，只能測出摩擦損失，無法測出機(jī)械轉(zhuǎn)換損失，測得的指示功率很低，機(jī)械效率很高。

因此，從分析計(jì)算測法的“極為近似”到示功圖法中“活塞上止點(diǎn)位置”的“不易正確地確定”，以及后兩種錯(cuò)誤測法可知，“機(jī)械損失的測定”除了有效功率外其他測定結(jié)果都是錯(cuò)誤的。

3.2 現(xiàn)實(shí)應(yīng)用

目前日系混動動力車的燃油動力采用了直線內(nèi)燃發(fā)電機(jī)，正是因?yàn)橹本€內(nèi)燃發(fā)電機(jī)的效率比傳統(tǒng)內(nèi)燃發(fā)電機(jī)要高，哪怕還有儲能、輸出等環(huán)節(jié)的更多消耗，依然“有利可圖”。這充分說明非曲軸連桿機(jī)構(gòu)發(fā)動機(jī)的熱效率提高潛力的確很大，而曲軸連桿機(jī)構(gòu)則是兩種熱效率出現(xiàn)巨大落差的分水嶺。

3.3 操作經(jīng)歷

一臺單缸發(fā)動機(jī)，從活塞這邊向下施力，推動活塞向下運(yùn)動來驅(qū)動曲軸轉(zhuǎn)動（相當(dāng)于示功圖法），越靠近活塞上止點(diǎn)的位置時(shí)越吃力，如果轉(zhuǎn)動曲軸帶動活塞上下運(yùn)動卻很輕松（相當(dāng)于倒施法和滅缸法），也就是說，活塞膨脹作功時(shí)只有部分功用于輸出轉(zhuǎn)矩，而另一部分功通過連桿消耗到曲軸上去了。

3.4 動手實(shí)踐

直徑約為100mm左右的紙片圓盤，一根圓珠筆芯的針尖穿過圓盤的圓心，一只手握住筆芯柄，并平行于地面將圓盤側(cè)立懸空，另一只手在圓盤面內(nèi)撥動圓盤：如果施力方向穿過圓心，圓盤不能轉(zhuǎn)動，筆桿彎曲（曲軸受力），相當(dāng)于0°曲軸轉(zhuǎn)角，機(jī)械轉(zhuǎn)換損失最大;如果圓盤邊緣切線方向施力，圓盤轉(zhuǎn)速最快，筆桿沒有彎曲，相當(dāng)于58°曲軸轉(zhuǎn)角，機(jī)械轉(zhuǎn)換損失為零;如果施力方向距離圓心小于圓盤半徑，圓盤轉(zhuǎn)速介于前兩者轉(zhuǎn)速之間，筆桿彎曲較小，相當(dāng)于0°～58°曲軸轉(zhuǎn)角，機(jī)械轉(zhuǎn)換損失也介于前兩者損失之間。

3.5 錘打木樁

根據(jù)能量守恒定律，大錘能量=木樁下移作功+錘擊點(diǎn)變形能耗+發(fā)出沉悶聲響的震動能耗。如果大錘打得是鋼樁，鋼樁下移作功，變形能耗很小，木樁震動的沉悶聲響則變?yōu)殇摌肚宕嗟摹敖饘偾脫袈暋?。對照曲軸連桿機(jī)構(gòu)，有用功為曲軸轉(zhuǎn)矩，變形能耗很小，震動能耗就是活塞、連桿、曲柄及曲軸的微變形及其彼此間的高頻震動。如果鋼樁底部是金剛石，則鋼樁沒有下移，無法作功，變形能耗很小，大錘能量幾乎全部消耗到活塞、連桿、曲柄及曲軸的微變形及其彼此間的高頻震動。我們看到傳統(tǒng)發(fā)動機(jī)運(yùn)行時(shí)不停地震動，就是由“活塞、連桿、曲柄及曲軸的微變形及其彼此間的高頻震動”引發(fā)的“發(fā)動機(jī)震動”，同時(shí)消耗了大量能量。

無論是測定上，還是應(yīng)用上，還是操作上，還是動手上，還是錘打上，均可證明機(jī)械轉(zhuǎn)換損失的實(shí)際存在，以及對機(jī)械轉(zhuǎn)換損失非常明顯的真實(shí)感受。

4 非曲軸連桿機(jī)構(gòu)發(fā)動機(jī)

致使傳統(tǒng)發(fā)動機(jī)效率不高的根本原因完全在于曲軸連桿機(jī)構(gòu)構(gòu)成的固有缺陷，如果沒有曲軸連桿機(jī)構(gòu)，就沒有由曲軸連桿機(jī)構(gòu)造成的有效熱效率損失，那么非曲軸連桿機(jī)構(gòu)發(fā)動機(jī)就會擁有巨大的熱效率提高潛力。由于由曲軸連桿機(jī)構(gòu)造成的熱效率損失高達(dá)100%，那么擺脫曲軸連桿機(jī)構(gòu)束縛限制的非曲軸連桿機(jī)構(gòu)發(fā)動機(jī)的熱效率就會擁有高達(dá)100%的提升空間。如果傳統(tǒng)發(fā)動機(jī)的有效熱效率為35%，那么非曲軸連桿機(jī)構(gòu)發(fā)動機(jī)的有效熱效率就為70%或者65%（考慮到傳統(tǒng)發(fā)動機(jī)充分燃燒和摩擦性能的改進(jìn)，使得非曲軸連桿機(jī)構(gòu)發(fā)動機(jī)的燃燒持續(xù)時(shí)間和摩擦損失相應(yīng)減少）;如果傳統(tǒng)發(fā)動機(jī)的有效熱效率為40%，那么非曲軸連桿機(jī)構(gòu)發(fā)動機(jī)的有效熱效率就為80%或者75%;如果傳統(tǒng)發(fā)動機(jī)的有效熱效率為50%，那么非曲軸連桿機(jī)構(gòu)發(fā)動機(jī)的有效熱效率就為100%或者90%。當(dāng)然，高達(dá)100%或者90%的有效熱效率幾乎不大可能，不免會對傳統(tǒng)發(fā)動機(jī)高達(dá)50%的有效熱效率產(chǎn)生疑義，但并不影響非曲軸連桿機(jī)構(gòu)發(fā)動機(jī)巨大的熱效率提高潛力。

非曲軸連桿機(jī)構(gòu)發(fā)動機(jī)的超高效率得益于傳統(tǒng)發(fā)動機(jī)曲軸連桿機(jī)構(gòu)的摒棄。傳統(tǒng)發(fā)動機(jī)的重大弊端、致命缺陷就是非曲軸連桿機(jī)構(gòu)發(fā)動機(jī)的重大機(jī)遇、天賜良機(jī)。既然能夠大幅突破奧托理論熱效率，那么作為奧托理論熱效率鼻祖的卡諾循環(huán)熱效率是否也會受到嚴(yán)峻挑戰(zhàn)（見“傳統(tǒng)發(fā)動機(jī)效率體系的全面質(zhì)疑”）？

5 結(jié)語

（1）曲軸連桿機(jī)構(gòu)造成的熱效率損失由四部分組成：燃燒過程中的最大燃燒壓力損失和燃燒持續(xù)時(shí)間損失，以及機(jī)械過程中的機(jī)械轉(zhuǎn)換損失和摩擦損失，其中，最大燃燒壓力損失為5%;燃燒持續(xù)時(shí)間損失為5%;機(jī)械轉(zhuǎn)換損失為75%;摩擦損失為15%，四部分損失之和高達(dá)100%。

（2）上述所有損失都是由曲軸連桿機(jī)構(gòu)構(gòu)成的固有缺陷。

（3）原本傳統(tǒng)發(fā)動機(jī)的效率很高，只是由于曲軸連桿機(jī)構(gòu)的“暗中使絆”。

（4）對于非曲軸連桿機(jī)構(gòu)發(fā)動機(jī)，則擁有高達(dá)100%的有效熱效率提高潛力，也就是說，非曲軸連桿機(jī)構(gòu)發(fā)動機(jī)的有效熱效率有望突破80%的鼎極皇冠。

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