傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)效率體系的全面質(zhì)疑

劉祖川

摘 要：基于傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)固有缺陷的重大發(fā)現(xiàn)：致使傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)效率不高的根本原因主要在于機(jī)械轉(zhuǎn)換損失（見(jiàn)附件一），而機(jī)械轉(zhuǎn)換損失則是曲軸連桿機(jī)構(gòu)構(gòu)成的固有缺陷，那么作為非曲軸連桿機(jī)構(gòu)發(fā)動(dòng)機(jī)則擁有巨大的熱效率提高潛力，并在探索熱效率的機(jī)理中，不僅發(fā)現(xiàn)了奧托理論熱效率明顯小于真實(shí)的指示熱效率，而作為實(shí)際循環(huán)的指示熱效率本應(yīng)還低于理論循環(huán)2%左右的熱損失，還發(fā)現(xiàn)作為傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)效率根基的卡諾循環(huán)熱效率并不適用奧托理論熱效率，因?yàn)榭ㄖZ循環(huán)熱效率的溫度熱源完全與奧托理論熱效率的壓縮比無(wú)關(guān)，既沒(méi)有符合性也沒(méi)有相關(guān)性。如果卡諾循環(huán)熱效率不適用奧托理論熱效率，那么建立在卡諾循環(huán)熱效率基礎(chǔ)之上的奧托理論熱效率就是錯(cuò)誤的。因此，傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)的整個(gè)效率體系將會(huì)面臨全線崩塌的尷尬境地。

關(guān)鍵詞：卡諾循環(huán)熱效率 奧托理論熱效率 適用性

1 引言

由于機(jī)械轉(zhuǎn)換損失過(guò)大（見(jiàn)附件一），加上其他損失，由曲軸連桿機(jī)構(gòu)造成的熱效率損失高達(dá)熱效率的100%，使得非曲軸連桿機(jī)構(gòu)發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率潛力的挖掘提高能夠大大超過(guò)奧托理論熱效率的上限（見(jiàn)附件二），以至于不得不追究奧托理論熱效率的來(lái)龍去脈，直到來(lái)到奧托理論熱效率的根基卡諾循環(huán)熱效率的帳前，簡(jiǎn)單對(duì)比了一下兩者的符合性及相關(guān)性，的確有問(wèn)題。

2 兩則實(shí)例

取壓縮比10，和高溫?zé)嵩?500K及低溫?zé)嵩?300K，首先利用奧托理論熱效率計(jì)算熱效率

η=1-1/εк-1（к=1.35） （1）

奧托理論熱效率下的η=1-1/101.35-1 =55%

利用卡諾循環(huán)熱效率計(jì)算熱效率

η=1-TL/TH （2）

卡諾循環(huán)熱效率下的η=1-1300/2500=48%

卡諾循環(huán)熱效率明顯小于奧托理論熱效率，兩者沒(méi)有符合性。如果取低溫?zé)嵩?300K和熱效率55%，則高溫?zé)嵩从桑?）式得到

TH=TL/（1-η） （3）

卡諾循環(huán)熱效率下的TH=1300/（1-55%）=2888K

卡諾循環(huán)55%熱效率所需的高溫?zé)嵩匆呀?jīng)超過(guò)汽油機(jī)最高燃燒溫度2800K的上限，即獲得同樣高的熱效率需要消耗更高的高溫?zé)嵩?。奧托理論熱效率似乎與決定卡諾循環(huán)熱效率的溫度熱源無(wú)關(guān)，事實(shí)上，柴油機(jī)的最高燃燒溫度低于汽油機(jī)的最高燃燒溫度，但憑借近一倍高出的壓縮比卻比汽油機(jī)的熱效率更高，兩者也沒(méi)有相關(guān)性。均質(zhì)壓燃燃燒也是如此，雖然最高燃燒溫度低于清潔排放1800 K的上限，但憑借高壓縮比照樣高效清潔。

再舉一例：如果沒(méi)有爆燃限制，將汽油機(jī)的壓縮比提高到20，通過(guò)調(diào)低混合氣濃度使得最高燃燒溫度限定在1800K以內(nèi)，且保持1300K的低溫?zé)嵩?，則

根據(jù)（1）式得到奧托理論熱效率下的η=1-1/201.35-1=65%，以及根據(jù)（2）式得到卡諾循環(huán)熱效率下的η=1-1300/1800=28%，同為高、低熱源的熱效率相差巨大，兩者沒(méi)有符合性。

而根據(jù)（3）式，TH=1300/（1-65%）=3700K，無(wú)論是汽油機(jī)還是柴油機(jī)都是承受不起的高溫?zé)嵩?，兩者也沒(méi)有相關(guān)性。這一結(jié)果表明同樣高的熱效率對(duì)于1300K的低溫?zé)嵩纯ㄖZ循環(huán)熱效率需要更高的高溫?zé)嵩矗鴬W托理論熱效率則只依賴(lài)于壓縮比，既沒(méi)有符合性也沒(méi)有相關(guān)性。

如果按照柴油機(jī)正常燃燒的高溫?zé)嵩?100K和低溫?zé)嵩?000K，卡諾循環(huán)熱效率下的熱效率為52.4%，僅高出汽油機(jī)9個(gè)百分點(diǎn)，而實(shí)際柴油機(jī)的熱效率至少高于汽油機(jī)15%，因此卡諾循環(huán)熱效率低于奧托理論熱效率。

3 卡諾循環(huán)熱效率的適用性

具有最高熱效率的卡諾循環(huán)熱效率難道還不及奧托理論熱效率？為了進(jìn)一步證實(shí)兩種效率的符合性及相關(guān)性，以上述兩例為基礎(chǔ)繪制熱效率為橫軸的壓縮比與高溫?zé)嵩吹膶?duì)比圖，找出兩者關(guān)聯(lián)及熱效率的高低分曉。

橫軸為兩者共同熱效率η及其單位%，縱軸為卡諾循環(huán)熱效率的高溫?zé)嵩碩H及其單位K，和奧托理論熱效率的壓縮比ε，低溫?zé)嵩碩L=1300K，且位于縱軸底部，取絕熱指數(shù)к=1.35。先從壓縮比入手，利用（1）式通過(guò)壓縮比求出熱效率，再利用（3）式通過(guò)熱效率和低溫?zé)嵩辞蟪龈邷責(zé)嵩?，并假設(shè)沒(méi)有爆燃限制，其結(jié)果見(jiàn)“奧托壓縮比與卡諾高溫?zé)嵩吹膶?duì)比圖”。

卡諾循環(huán)熱效率的高溫?zé)嵩磳?duì)應(yīng)汽油機(jī)2200K～2800K最高燃燒溫度下的41%～54%的熱效率范圍，和4.5～9.2的壓縮比范圍，卡諾循環(huán)熱效率范圍大都位于汽油機(jī)熱效率范圍的下限以外，兩者沒(méi)有符合性;卡諾循環(huán)熱效率對(duì)應(yīng)的壓縮比大都位于汽油機(jī)常用壓縮比范圍的下限以外，兩者也沒(méi)有相關(guān)性，即大多偏離汽油機(jī)8～12壓縮比及其52%～58%熱效率的有效范圍，兩者既沒(méi)有符合性也沒(méi)有相關(guān)性。因此，卡諾循環(huán)熱效率不適用奧托理論熱效率。

當(dāng)然，也可將環(huán)境溫度視為低溫?zé)嵩碩L=300K，則52%～58%熱效率范圍內(nèi)的高溫?zé)嵩碩H=625K～714K，遠(yuǎn)離汽油機(jī)2200K～2800K的最高燃燒溫度范圍;還可將汽油機(jī)的最高燃燒溫度2500K視為高溫?zé)嵩矗瑒t52%～58%熱效率范圍內(nèi)的低溫?zé)嵩碩L=1200K～1050K，也在汽油機(jī)1200K～1500K的排氣口溫度范圍之外，卡諾循環(huán)熱效率還是不適用奧托理論熱效率。因此卡諾循環(huán)熱效率的確不適用奧托理論熱效率。

總之，卡諾循環(huán)熱效率在相當(dāng)程度上低于奧托理論熱效率，或者同樣高的熱效率對(duì)于300K低溫?zé)嵩吹母邷責(zé)嵩匆廊贿h(yuǎn)離汽油機(jī)最高燃燒溫度范圍，或者同樣高的熱效率對(duì)于2500K高溫?zé)嵩吹牡蜏責(zé)嵩催€是位于汽油機(jī)排氣口溫度范圍之外，即再次表明同樣高的熱效率對(duì)于2500K的高溫?zé)嵩纯ㄖZ循環(huán)熱效率需要更低的低溫?zé)嵩?，無(wú)論是低溫?zé)嵩催€是高溫?zé)嵩?，乃至環(huán)境溫度還是排氣口溫度，兩者均無(wú)任何相關(guān)性。奧托理論熱效率主要取決于壓縮比，與卡諾循環(huán)熱效率的高、低溫?zé)嵩慈粺o(wú)關(guān)，甚至均質(zhì)壓燃燃燒中的最高燃燒溫度與熱效率的走向完全相反，即使奧托理論熱效率下的最高燃燒溫度很低，但熱效率卻“很高”，以至兩種循環(huán)的理論熱效率沒(méi)有任何關(guān)聯(lián)。從而可以作出如下判斷：卡諾循環(huán)熱效率完全不適用奧托理論熱效率，建立在卡諾循環(huán)熱效率基礎(chǔ)之上的奧托理論熱效率是錯(cuò)誤的。

4 有效熱效率公式的全新構(gòu)建

既然在發(fā)動(dòng)機(jī)上現(xiàn)實(shí)卡諾循環(huán)是沒(méi)有實(shí)際意義的[1]，那么基于該循環(huán)的奧托理論熱效率又有多少實(shí)際意義？為此，建立在大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)之上的擬合函數(shù)則更具實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，尤其是對(duì)于非曲軸連桿機(jī)構(gòu)發(fā)動(dòng)機(jī)僅需唯一有關(guān)定容加熱循環(huán)的經(jīng)驗(yàn)公式，既有較好準(zhǔn)度還可以上手作業(yè)。

有效熱效率等于指示熱效率與機(jī)械效率之積。指示熱效率可以通過(guò)指示功與所耗燃料之比求取，機(jī)械效率可以通過(guò)有效功率與指示功率之比求取，有效功率可從試驗(yàn)臺(tái)架上讀出，指示功率則是單位時(shí)間內(nèi)做的指示功。指示功既可通過(guò)P-V示功圖求取也可通過(guò)P-φ示功圖求取，而P-V示功圖或者P-φ示功圖則是能夠測(cè)定指示功的唯一測(cè)法。為什么？因?yàn)榈雇戏ê蜏绺追ǘ际菑妮敵龆蓑?qū)動(dòng)，曲軸由受力件變?yōu)閯?dòng)力件，避開(kāi)了曲軸連桿機(jī)構(gòu)阻礙，也就是避開(kāi)了機(jī)械轉(zhuǎn)換損失，只能測(cè)出摩擦損失，無(wú)法測(cè)出機(jī)械轉(zhuǎn)換損失，測(cè)定的指示功只能是低得多的現(xiàn)有指示功。雖然示功圖法能夠測(cè)定指示功，但由于“活塞上止點(diǎn)位置不易確定”[2]，使得所測(cè)結(jié)果出現(xiàn)錯(cuò)誤。指示功的錯(cuò)誤測(cè)定在所難免。

必要提示：在測(cè)定指示功時(shí)不得向現(xiàn)有指示功靠攏，不得湊數(shù)，不得篡改，測(cè)出什么結(jié)果就是什么結(jié)果。對(duì)于測(cè)定時(shí)出現(xiàn)的更大詫異恐怕不會(huì)相信自己的眼睛，測(cè)定的指示功竟然遠(yuǎn)高于現(xiàn)有的指示功，沒(méi)錯(cuò)！這就是真實(shí)的指示功！因?yàn)槿藶槿笔У臋C(jī)械轉(zhuǎn)換損失則是摩擦損失的三倍之多，真實(shí)的機(jī)械損失約為現(xiàn)有機(jī)械損失的四倍之巨（見(jiàn)附件一）。測(cè)定的指示功更高，指示功率更高，指示熱效率更高，而機(jī)械效率則更低，并為非曲軸連桿機(jī)構(gòu)發(fā)動(dòng)機(jī)的有效熱效率提高潛力提供理論依據(jù)（見(jiàn)附件二）。

分析法也可求出指示功率，但由于“發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械損失的原因極為復(fù)雜，以致無(wú)法用分析法來(lái)求出準(zhǔn)確的數(shù)值，即使有些經(jīng)驗(yàn)公式可用來(lái)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(guò)實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)的試驗(yàn)來(lái)測(cè)定?！盵2]而不能使用，反倒成為本文論點(diǎn)的最好佐證。

5 結(jié)語(yǔ)

卡諾循環(huán)熱效率不適用奧托理論熱效率，兩者既沒(méi)有符合性也沒(méi)有相關(guān)性，因此建立在卡諾循環(huán)熱效率基礎(chǔ)之上的奧托理論熱效率是錯(cuò)誤的。并且，在構(gòu)建有效熱效率經(jīng)驗(yàn)公式的過(guò)程中還會(huì)出現(xiàn)大幅高于現(xiàn)有指示功的更大驚喜（見(jiàn)附件二）。

參考文獻(xiàn)：

[1]京特·P.默克（德）等編;高宗英等譯. 內(nèi)燃機(jī)原理（上）——工作原理、數(shù)字模擬與測(cè)量技術(shù). 械工業(yè)出版社，2019：17.

[2]韓同群，姚勝華，苑金梁等.汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)原理[M].北京大學(xué)出版社，2007：137.