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.