重構(gòu)傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)的效率體系

劉祖川

成都雙鏇動(dòng)力科技有限公司 四川省成都市 610000

1 引言

百年前理想化的卡諾循環(huán)終將隨著傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)的淘汰出局一起走進(jìn)歷時(shí)博物館，難道所有的燃油發(fā)動(dòng)機(jī)也要隨著傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)的淘汰出局一起葬送大海？機(jī)械轉(zhuǎn)換損失、廢氣帶走損失、傳熱冷卻損失的三大發(fā)現(xiàn)，迫使理論熱效率大幅突破（見“從機(jī)械損失的大幅突升到熱效率的大幅突破”），讓擁有最高熱效率的卡諾循環(huán)黯然失色，更讓我們?yōu)橹@艷的是，對(duì)于非曲軸連桿機(jī)構(gòu)發(fā)動(dòng)機(jī)，不僅理論熱效率高達(dá)100%，有效熱效率還可媲美卡諾循環(huán)熱效率，一場(chǎng)顛覆動(dòng)力、引領(lǐng)未來的重大歷史機(jī)遇迎面撲來。在新能源時(shí)代的“高速換擋”之際，有效熱效率體系架構(gòu)的及時(shí)推出恰逢其時(shí)，不同于以熱力循環(huán)為架構(gòu)、以高、低溫?zé)嵩礊楹诵牡睦碚摕嵝鼠w系的繁雜、混亂、無效，以熱平衡為架構(gòu)、以膨脹功為核心的有效熱效率體系更為簡(jiǎn)潔、實(shí)用、有效。

2 體系架構(gòu)

相較于理論熱效率熱力循環(huán)的多個(gè)過程，為什么不利用單一明晰的絕熱膨脹過程？相較于理論熱效率定義式中遠(yuǎn)在天邊的高、低溫?zé)嵩?，為什么不直接利用近在眼前的膨脹功和壓縮功定義有效熱效率？何必曲線繞道理論熱效率？甚至，由于膨脹功和壓縮功可測(cè)，直接就可利用膨脹功定義有效熱效率（見“質(zhì)疑傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)理論熱效率的立足之本”）。

由于具有可逆過程的熱力循環(huán)不存在（見“質(zhì)疑傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)理論熱效率的立足之本”），無需糾結(jié)循環(huán)過程，輕裝上陣，只需聚焦膨脹作功過程，抓住既能反映燃燒熱量又能反映有效功的關(guān)聯(lián)核心，在熱平衡架構(gòu)內(nèi)簡(jiǎn)單明了、直截了當(dāng)、準(zhǔn)確無誤地求得有效熱效率，即可大功告成。

2.1 效率定義

如果利用膨脹功定義“理論熱效率”，由于只涉及到膨脹作功過程，無需其他過程，且膨脹功直接對(duì)應(yīng)有效功，因而直接就可鎖定有效熱效率。

理論熱效率的定義式未能構(gòu)成熱平衡（見“質(zhì)疑傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)理論熱效率的立足之本”），有效熱效率的定義式能否構(gòu)成熱平衡？根據(jù)有效熱效率的定義式，有：

有效熱效率=（燃燒熱量-壓縮功-燃燒熱量損失-機(jī)械熱量損失）/燃燒熱量

其中，膨脹功為作用于活塞上的機(jī)械功，燃燒熱量為缸內(nèi)燃料燃燒獲得的總熱量，則

有效熱效率×燃燒熱量=燃燒熱量-壓縮功-燃燒熱量損失-機(jī)械熱量損失

即：有效功=燃燒熱量-壓縮功-燃燒熱量損失-機(jī)械熱量損失

故：燃燒熱量=有效功+壓縮功+燃燒熱量損失+機(jī)械熱量損失，構(gòu)成熱平衡，符合熱力學(xué)第一定律。

由于有效熱效率的定義式能夠構(gòu)成熱平衡，所以有效熱效率公式既可用定義式表示，也可用熱平衡表示。

2.2 效率公式

膨脹功是來自燃料燃燒的熱量釋放，同時(shí)伴隨著壓縮功和燃燒損失；膨脹功還是驅(qū)動(dòng)有效功的熱量來源，同時(shí)伴隨著機(jī)械損失。膨脹功正比于缸內(nèi)壓力，缸內(nèi)壓力來源于示功圖，示功圖可從發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)中測(cè)得，既可反映燃燒熱量又可反映有效功。膨脹功猶如燃燒熱量與有效功之間的橋梁，只需建立膨脹功和壓縮功分別與壓縮比之間的關(guān)系式（從大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合曲線推導(dǎo)出的經(jīng)驗(yàn)公式），那么無論是通過測(cè)算還是通過估測(cè)，橋梁均可搭建通行。

一般認(rèn)為，理論熱效率，如果不考慮損失，即為最大熱效率，或?yàn)樽罡邿嵝?。?jù)此理解，理論熱效率應(yīng)為100%，即任何熱機(jī)的理論熱效率均為100%。理論熱效率減去各種損失占比，即為有效熱效率。徹底打破理論熱效率“天花板”，決然拋棄卡諾循環(huán)效率的最高上限。

按此思路，燃燒熱量等于100，理論熱效率等于1（100%）。有效功等于燃燒熱量減去壓縮功與燃燒熱量損失與機(jī)械熱量損失之和，或者有效熱效率等于理論熱效率減去壓縮功占比與燃燒熱量損失占比與機(jī)械熱量損失占比之和。燃燒熱量損失等于燃燒熱量減去壓縮功與膨脹功之和，或者燃燒效率等于膨脹功與燃燒熱量之比。機(jī)械熱量損失等于膨脹功與有效功之差，或者機(jī)械效率等于有效功與膨脹功之比。膨脹功和壓縮功分別正比于缸內(nèi)壓力，缸內(nèi)壓力既可直接測(cè)定也可通過缸內(nèi)壓力-壓縮比關(guān)系式測(cè)算。據(jù)此，設(shè)膨脹功為W1{p1（ε）}，壓縮功為W2{p2（ε）}，其中p1（ε）為膨脹功壓力，p2（ε）為壓縮功壓力，ε為壓縮比，且機(jī)械熱量損失既可測(cè)算也可估測(cè)，則

燃燒熱量損失=燃燒熱量-壓縮功-膨脹功=100-W2{p2（ε）}-W1{p1（ε）}，

機(jī)械熱量損失=膨脹功-有效功=W1{p1（ε）}-有效功，

有效熱效率=（膨脹功-機(jī)械熱量損失）/燃燒熱量=（W1{p1（ε）}-機(jī)械熱量損失）/100，或者

有效熱效率=（100-W2{p2（ε）}-燃燒熱量損失-機(jī)械熱量損失）/100，

只需測(cè)算或者估測(cè)機(jī)械熱量損失，再利用膨脹功W1{p1（ε）} 和壓縮功W2{p2（ε）}，就可得到有效熱效率。

如果將作用于活塞上的膨脹功視為指示功，燃燒效率則是指示熱效率，機(jī)械效率則是指示功克服機(jī)械損失的效率，有效熱效率也可等于指示熱效率與機(jī)械效率之積，或者燃燒效率與機(jī)械效率之積。如果燃燒損失為零，機(jī)械損失為零，那么有效熱效率就可等于100%的理論熱效率。只要沒有熱量損失，熱-功轉(zhuǎn)換就可100%的完全轉(zhuǎn)換。雖然不會(huì)出現(xiàn)這一極端場(chǎng)合，但卻是有效熱效率的最大上限。

3 實(shí)例估測(cè)

膨脹功和壓縮功既可分別通過測(cè)得的示功圖測(cè)算出的二者平均缸壓或者二者平均指示壓力求得，也可將ε分別代入W1{p1（ε）}和W2{p2（ε）}求得。機(jī)械熱量損失既可通過測(cè)算確定，也可通過估測(cè)與有效功的大致關(guān)系獲得。

對(duì)于曲軸連桿機(jī)構(gòu)發(fā)動(dòng)機(jī)，俗稱傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)，以43%的有效熱效率為例，有效功約定為43；壓縮功約為17.4（見“質(zhì)疑傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)理論熱效率的立足之本”）；機(jī)械轉(zhuǎn)換熱量損失約為有效功的70%（見附件），則機(jī)械轉(zhuǎn)換熱量損失約為30.1；以摩擦為主的機(jī)械熱量損失約為6，其中，摩擦損失約定為機(jī)械熱量損失的60%，即摩擦熱量損失約為3.6；泵氣熱量損失約定為機(jī)械熱量損失的20%，即泵氣熱量損失約為1.2；附件熱量損失約定為機(jī)械熱量損失的20%，即附件熱量損失約為1.2，則膨脹功：

W1{p（ε）}=有效功+機(jī)械轉(zhuǎn)換熱量損失+以摩擦為主的機(jī)械熱量損失=43+30.1+6=79.1，

燃 燒 熱 量 損 失=100-W2{p2（ε）}- W1{p1（ε）}=100-17.4-79.1=3.5，

燃燒熱量損失僅為3.5，機(jī)械熱量損失高達(dá)36，指示熱效率高達(dá)79%，機(jī)械效率低至54.4%。

對(duì)于作為非曲軸連桿機(jī)構(gòu)典型代表的旋轉(zhuǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)，機(jī)械轉(zhuǎn)換熱量損失為零；由于滾動(dòng)摩擦遠(yuǎn)低于滑動(dòng)摩擦，摩擦熱量損失約定為上述摩擦熱量損失3.6的四分之一，則摩擦熱量損失約為0.9；泵氣熱量損失約為1.2；由于附件遠(yuǎn)少于傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)，附件熱量損失約定為上述附件熱量損失1.2的三分之一，則附件熱量損失約為0.4，則機(jī)械熱量損失共計(jì)2.5；燃燒熱量損失約為3.5，由于沒有曲軸連桿機(jī)構(gòu)造成的爆燃限制而無需躲避上止點(diǎn)附近的最大燃燒壓力，也無需過長(zhǎng)的燃燒持續(xù)時(shí)間[1]，壓縮比更高，燃燒速度更快，燃燒更加充分有效，熱功轉(zhuǎn)化效率更高，膨脹功與壓縮功之比更大，也就是壓縮功與膨脹功之比更小，壓縮功從與膨脹功的22%占比降至15%（見“質(zhì)疑傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)理論熱效率的立足之本”），則

聯(lián)立（1）和（2），并代入具體數(shù)據(jù)，有：

有效熱效率突破80%。燃燒熱量損失僅為3.5，機(jī)械熱量損失僅為2.5，指示熱效率高達(dá)83.9%，機(jī)械效率高達(dá)97%。

以膨脹功為核心的熱平衡架構(gòu)使得效率體系的構(gòu)建與應(yīng)用更為簡(jiǎn)潔、明晰、實(shí)用、有效。

理論熱效率公式從未用于工程實(shí)踐，早已失去了對(duì)工程應(yīng)用的指導(dǎo)意義，而有效熱效率由于壓縮功和機(jī)械熱量損失均可得到較為精準(zhǔn)地測(cè)算或者方便地估測(cè)而能夠很好地用于發(fā)動(dòng)機(jī)的研究開發(fā)，因?yàn)樯鲜鰞身?xiàng)熱量損失的多少直接關(guān)系到有效熱效率的高低，極為有利于發(fā)動(dòng)機(jī)有效熱效率的提高改進(jìn)。

4 結(jié)語

（1）在新能源時(shí)代的“高速換擋”之際和重大歷史機(jī)遇的席卷之下，有效熱效率體系架構(gòu)的及時(shí)推出恰逢其時(shí)。（2）拋開熱力循環(huán)過程，只按膨脹作功過程，聚焦既能反映燃燒熱量又能反映有效功的關(guān)鍵核心，以熱平衡為原則構(gòu)建效率體系。（3）以膨脹功為核心的熱平衡架構(gòu)構(gòu)建起來的有效熱效率體系既實(shí)用又有效，能夠很好地用于發(fā)動(dòng)機(jī)的研究與開發(fā)，極為有利于發(fā)動(dòng)機(jī)有效熱效率的提高與改進(jìn)。