傳統(tǒng)發(fā)動機的污染排放與爆燃詮釋

劉祖川

摘 要：傳統(tǒng)發(fā)動機之所以被淘汰出局不僅只是效率不高，還有更為重要的大量污染排放，雖然傳統(tǒng)發(fā)動機效率不高，但依然位居各類發(fā)動機的較高者之列，而污染排放雖經(jīng)尾氣后處理而大幅下降，但卻難以擺脫環(huán)境污染的最大貢獻者。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)污染排放與爆燃或者粗暴密切相關(guān)，致使傳統(tǒng)發(fā)動機始終受制于爆燃或者粗暴的束縛限制，而爆燃或者粗暴則是曲軸連桿機構(gòu)構(gòu)成的固有缺陷。如果沒有曲軸連桿機構(gòu)這一固有缺陷，排放性能就會很好，燃油發(fā)動機不僅不會被淘汰，還將再續(xù)昔日輝煌。

關(guān)鍵詞：污染排放 爆燃 曲軸連桿機構(gòu) 固有缺陷

1 引言

致使傳統(tǒng)發(fā)動機將要退出歷史舞臺的根本原因主要在于大量的污染排放，但產(chǎn)生污染排放的根本原因卻無人知曉。然而，曲軸連桿機構(gòu)固有缺陷的重大發(fā)現(xiàn)，尤其是隱秘于曲軸連桿機構(gòu)背后的爆燃或者粗暴，透過爆燃密碼的全新詮釋，產(chǎn)生污染排放的根本原因終究浮出水面。

2 污染排放

排放不好的直接原因主要在于冗長的燃燒持續(xù)時間和不均勻混合氣，但為了避免爆燃或者粗暴，又不得不延長燃燒持續(xù)時間和使用不均勻混合氣，所以長達50°或者60°曲軸轉(zhuǎn)角的燃燒持續(xù)時間則是不得已而為之[1]。汽油機的壓縮比較低，主要是為了避免爆燃需要抑制燃燒速度;柴油機的壓縮比較高，但為了避免粗暴也要抑制燃燒速度，不均勻混合氣則是抑制燃燒速度的必然結(jié)果，而冗長的燃燒持續(xù)時間和不均勻混合氣又促使局部燃燒溫度的高、低起伏和混合氣的濃、稀不一，難以充分燃燒，為污染排放物提供了適宜生長的繁衍環(huán)境[1]，致使污染排放居高不下。

因此，污染排放則是傳統(tǒng)發(fā)動機受制于爆燃或者粗暴限制的必然產(chǎn)物。

3 爆燃密碼

如果說由曲軸連桿機構(gòu)造成的機械轉(zhuǎn)換損失猶如一尊眼花繚亂的變形金剛而難以偵斷，那么對時不時在我們眼前晃蕩的爆燃的模糊認識而令人費解。爆燃只出現(xiàn)在汽油機的燃燒中，柴油機只有粗暴沒有爆燃，但如果像汽油機那樣上止點前完成大部分燃料噴射或者著火時混合氣比較均勻，爆燃一樣會出現(xiàn)在柴油機的燃燒中。從中很容易得出基本結(jié)論：只要最大燃燒壓力出現(xiàn)在上止點附近就有可能產(chǎn)生爆燃，無論是汽油機還是柴油機，最大燃燒壓力越接近上止點越有可能發(fā)生爆燃。這不得不使人聯(lián)想到構(gòu)成上止點的曲軸連桿機構(gòu)，如果考慮爆燃中的“金屬敲擊聲”，則曲軸連桿機構(gòu)更是難辭其疚。

要求最大燃燒壓力位于活塞上止點12°～15°曲軸轉(zhuǎn)角的點火控制[1]，除了保持較高的指示熱效率外還要避免12°曲軸轉(zhuǎn)角內(nèi)極易產(chǎn)生的爆燃或者粗暴。爆燃是不正常的爆發(fā)燃燒，在上止點附近產(chǎn)生高溫高壓，機械轉(zhuǎn)換損失很大，動力輸出急劇下降，破壞性驟然增大。如果最大燃燒壓力位于上止點或者之前，所有的燃燒能量都會集中到曲軸上，動力無法輸出，而位于上止點處的最高燃燒溫度則更高，最大燃燒壓力更大。高溫加上高壓，此時的爆燃極有可能燒蝕活塞。發(fā)生爆燃時，缸內(nèi)壓力曲線出現(xiàn)高頻鋸齒波，同時產(chǎn)生一種金屬敲擊聲[1]。實際上是由于更大的最大燃燒壓力幾乎全部集中到了活塞、連桿、曲柄及曲軸上，產(chǎn)生微變形，使得這些機件在彼此之間的間隙中高頻顫動，造成機械震動，發(fā)出“金屬敲擊聲”，同時激發(fā)“高頻鋸齒波”大幅度波動，爆燃由此爆發(fā)。爆燃中的“金屬敲擊聲”并非“高頻鋸齒波”的產(chǎn)物也非燃料混合氣本身的燃燒特性，而是活塞、連桿和曲軸這些機件之間的相互撞擊。因此，污染排放由于需要規(guī)避爆燃或者粗暴而在所難免。

“由于爆燃處產(chǎn)生局部的壓力和溫度突升，氣缸內(nèi)壓力來不及平衡，也就是說，這時的化學(xué)反應(yīng)速率大于氣體膨脹速率，在自燃區(qū)形成一個壓力脈沖，并以極高的速率向四周傳播，這個壓力脈沖在氣缸壁面、活塞頂面與汽缸蓋底面多次反射時產(chǎn)生高頻（頻率約為5kHz或更高）振音（金屬振音）。由于壓力波沖擊會破壞氣缸壁面層流邊界層，從而使向氣缸壁面的傳熱量大大增加，冷卻損失增加，輸出功率降低?！盵2]這些“金屬振音”應(yīng)是這些“反射面”匯集而來、且類似共振現(xiàn)象的或者至少大于“壓力波”的“高頻振音”，但由于來自“四周”“反射面”的波動處于抵消狀態(tài)，使得這些“高頻振音”既不能形成共振也不可能大于“壓力波”，因此，“在自燃區(qū)形成”的“壓力脈沖”不可能通過“四周”面壁的“多次反射”而“產(chǎn)生高頻振音”。再者，“傳熱量大大增加”取決于高、低溫?zé)嵩床畹脑龃?，同樣高、低溫?zé)嵩床畹脑龃?，?dǎo)致輸出功率增大，而非“輸出功率降低”。如果“輸出功率降低”，“高、低溫?zé)嵩床睢睉?yīng)減小，說明在低溫?zé)嵩床蛔兊那疤嵯隆案邷責(zé)嵩础钡臏囟冉档?，與爆燃時“高溫?zé)嵩础钡臏囟取巴簧泵?，而沒有“高、低溫?zé)嵩床畹脑龃蟆本蜎]有“傳熱量大大增加”，也就沒有“冷卻損失增加”，同樣也就沒有“輸出功率降低”。因此，“輸出功率降低”僅有極小部分來自“高、低溫?zé)嵩床畹脑龃蟆?，而絕大部分“降低”主要還是活塞上止點附近的機械轉(zhuǎn)換損失所致。

因此，爆燃是曲軸連桿機構(gòu)固有缺陷“暗中使絆”的典型表現(xiàn)。

4 均質(zhì)壓燃

均質(zhì)壓燃是傳統(tǒng)發(fā)動機寄予厚望的理想燃燒模式，但經(jīng)過多年大規(guī)模的深入研究和多家車企的長期試水，熱效率的提高有限，污染排放的減少未達預(yù)期，規(guī)?；瘧?yīng)用前景不明。

均質(zhì)壓燃著火始點和燃燒速率的精確控制要求構(gòu)成了主要障礙，成為大規(guī)模應(yīng)用均質(zhì)壓燃模式的攔路虎，而精確控制著火始點和燃燒放熱速率則是為了規(guī)避爆燃或者粗暴的不得已而為之。均質(zhì)壓燃多點同時著火，燃燒迅猛，只受到化學(xué)動力學(xué)控制，尾氣排放干凈利落，著火始點一旦開啟，急速燃燒，放熱速率迅猛，且難以控制，既難以控制著火始點也難以控制燃燒放熱速率[3]，因為爆燃或者粗暴隨時都有可能引爆。但要想獲得高效清潔的理想燃燒效果，高壓縮比、適度稀薄、均勻混合氣缺一不可[3]，這也是均質(zhì)壓燃燃燒的著火燃燒條件，并且成為高效清潔燃燒不可或缺的充要條件。即在均質(zhì)壓燃燃燒的過程中，沒有滯燃期、急燃期和后燃期之分，沒有傳播速度的變化之影響，也沒有循環(huán)變動和各缸不均勻的不規(guī)則燃燒，一旦著火，滿缸通紅，瞬間完結(jié)，立竿見影。高壓縮比加上均勻混合氣可以確保高效，再加上適度稀薄的混合氣確保清潔，當(dāng)三者同時滿足時高效清潔的理想燃燒模式立馬呈現(xiàn)。然而，作為傳統(tǒng)發(fā)動機的無論是均質(zhì)壓燃汽油機還是均質(zhì)壓燃柴油機都無法同時滿足上述條件，也就難以避免污染排放的大量產(chǎn)生。

因此，未能大規(guī)模應(yīng)用的均質(zhì)壓燃燃燒模式還是因為曲軸連桿機構(gòu)固有缺陷的“暗中使絆”。

5 有關(guān)爆燃密碼的實證

5.1 爆燃危害

動力下降則一大爆燃危害。按照專業(yè)文獻說法，燃燒溫度升高，傳熱損失增大，動力輸出下降。然而，燃燒溫度升高，缸內(nèi)壓力增大，即使傳熱損失增大，動力輸出也會增大，因為即使傳熱損失增大，燃燒溫度依然比正常工作時的缸內(nèi)溫度要高。但為什么動力本該提高卻在下降？只要最大燃燒壓力出現(xiàn)在上止點及其附近，動力就無法輸出或者急劇下降，無論溫度多高，壓力多大，乃至有無爆燃，動力都會下降至零或者急劇下降，與燃燒溫度高低、傳熱損失大小、有無爆燃無關(guān)。因此，爆燃時的動力輸出下降并非是傳熱損失的增大，而是機械轉(zhuǎn)換損失的急劇增大。

此乃曲軸連桿機構(gòu)固有缺陷的又一“精華之作”，不妨將此點稱作爆燃死點。

5.2 活塞死點

都知道傳統(tǒng)發(fā)動機的活塞上止點，或者0°曲軸轉(zhuǎn)角，或者活塞死點，在這一點活塞不能向下運動，但普遍認為繞過這一點就沒事了。能繞過去嗎？NO！5°曲軸轉(zhuǎn)角能繞過去嗎？那么10°曲軸轉(zhuǎn)角呢？依然繞不過！“要求最大燃燒壓力位于上止點12°～15°的曲軸轉(zhuǎn)角”，就是因為小于12°曲軸轉(zhuǎn)角則會有爆燃或者粗暴風(fēng)險，大于15°曲軸轉(zhuǎn)角則缸內(nèi)壓力急劇下降。即使這段曲軸轉(zhuǎn)角躲過了上止點附近的爆燃或者粗暴風(fēng)險，污染排放也“躲不過”，因為這段曲軸轉(zhuǎn)角難以充分燃燒。只有最大燃燒壓力接近上止點時才有可能充分燃燒，但現(xiàn)實燃燒過程中的最大燃燒壓力卻遠離這一區(qū)域，污染排放在所難免。

因此，曲軸連桿機構(gòu)構(gòu)成的活塞死點則是“繞不過去”的固有缺陷。

5.3 充分燃燒

燃燒速度越快，燃燒持續(xù)時間越短，燃燒越充分。但為了避免爆燃或者粗暴限制，無論是汽油機還是柴油機都難以進行充分燃燒。根據(jù)均質(zhì)壓燃燃燒模式，要想達到理想的燃燒效果，高壓縮比、適度稀薄、均勻混合氣缺一不可，也是均質(zhì)壓燃燃燒不可或缺的充要條件，即高效清潔著火燃燒條件。換句話說，只要滿足充要條件，任何發(fā)動機都可達到理想的燃燒效果。例如非曲軸連桿機構(gòu)發(fā)動機：壓縮比大于等于25，空燃比30～60，混合氣均勻，則均質(zhì)壓燃多點同時著火，只受化學(xué)動力學(xué)控制，燃燒迅猛，10°曲軸轉(zhuǎn)角內(nèi)燃燒完畢，尾氣排放干凈利落。由于沒有曲軸連桿機構(gòu)的束縛限制，經(jīng)高壓多點同時著火，為高效燃燒奠定堅實基礎(chǔ);加上30～60的空燃比，使得燃燒溫度大致控制在1500 K～1800K清潔排放的范圍內(nèi)，基本確保高效清潔燃燒;再加上均勻混合氣，幾乎整體同時著火，同步燃燒，所有燃燒溫度都在清潔排放的范圍內(nèi)充分燃燒，從而完全確保高效清潔燃燒。因此，高效清潔的著火燃燒條件則是傳統(tǒng)發(fā)動機是否產(chǎn)生污染排放的試金石，而作為傳統(tǒng)發(fā)動機，無論如何都難以達到清潔著火燃燒條件，即便是采用均質(zhì)壓燃燃燒模式，負荷范圍也會由于爆燃或者粗暴的束縛限制而被大大壓縮。

因此，傳統(tǒng)發(fā)動機由于無法滿足高效清潔著火燃燒條件而難以充分燃燒，而非曲軸連桿機構(gòu)發(fā)動機則由于能夠滿足這些條件而能夠充分燃燒。

無論是爆燃上，還是死點上，還是燃燒上，污染排放均與爆燃或者粗暴緊密關(guān)聯(lián)，形影相隨。如果說曲軸連桿機構(gòu)造成的機械轉(zhuǎn)換損失還需進一步驗證確認，那么由曲軸連桿機構(gòu)造成的爆燃或者粗暴給予污染排放的最大貢獻則沒有任何懸念。

6 非曲軸連桿機構(gòu)發(fā)動機

致使傳統(tǒng)發(fā)動機排放不好的根本原因完全在于爆燃或者粗暴的束縛限制，而爆燃或者粗暴則是曲軸連桿機構(gòu)構(gòu)成的固有缺陷。如果沒有曲軸連桿機構(gòu)，就沒有由曲軸連桿機構(gòu)造成的污染排放，那么非曲軸連桿機構(gòu)發(fā)動機就會有很好的排放性能，傳統(tǒng)發(fā)動機由于爆燃或者粗暴的束縛限制而難以充分燃燒，那么沒有爆燃或者粗暴束縛限制的非曲軸連桿機構(gòu)發(fā)動機則自然高效清潔。傳統(tǒng)發(fā)動機之所以難以充分燃燒，關(guān)鍵在于難以滿足高效清潔著火燃燒的充要條件，而非曲軸連桿機構(gòu)發(fā)動機之所以能夠充分燃燒，關(guān)鍵在于能夠完全滿足高效清潔著火燃燒的充要條件。

由于傳統(tǒng)發(fā)動機排放不好，且承受著能源大量消耗、環(huán)境污染肆虐、全球氣候變暖等多重壓力，迫使傳統(tǒng)發(fā)動機加快改進，其主要性能指標日趨苛刻，從而出于滿足這些苛刻條件的各種先進技術(shù)層出不窮，諸如缸內(nèi)高壓直噴、廢氣再循環(huán)、渦輪增壓、可變氣門正時及升程、爆燃控制、可變壓縮比等高技術(shù)層層加碼，那么作為非曲軸連桿機構(gòu)發(fā)動機又將如何面對？

缸內(nèi)高壓直噴技術(shù)能夠通過混合氣的濃、稀分布大幅提升著火穩(wěn)定性和燃燒速度，并在燃燒效率、降低能耗和減少污染排放等各方面都有一定的提高。然而，非曲軸連桿機構(gòu)發(fā)動機則無需缸內(nèi)高壓直噴，因為均勻混合氣和高壓縮比足以確保著火穩(wěn)定性和燃燒速度。雖然缸內(nèi)高壓直噴能夠一定程度地提高燃燒效率、降低能耗和減少污染排放，但均質(zhì)壓燃非曲軸連桿機構(gòu)發(fā)動機的高效輸出和清潔排放均已達到近乎完美的理想程度，能夠帶來多方面好處的缸內(nèi)高壓直噴技術(shù)在非曲軸連桿機構(gòu)發(fā)動機的面前不過雕蟲小技而已。

廢氣再循環(huán)技術(shù)能夠通過調(diào)節(jié)溫度較大幅度地降低尾氣排放中的氮氧化物，并在部分負荷時提高燃料經(jīng)濟性，以及在一定程度上降低污染排放物。然而，非曲軸連桿機構(gòu)發(fā)動機則無需廢氣再循環(huán)，因為在高壓縮比、適度稀薄、均勻混合氣的理想燃燒條件下，缸內(nèi)各種污染排放物均很少，并在各種負荷工況下均可達到極好的燃料經(jīng)濟性。

渦輪增壓技術(shù)能夠通過提高進氣量提高發(fā)動機動力，增量高達40%甚至更高。然而，非曲軸連桿機構(gòu)發(fā)動機則無需渦輪增壓，因為升功率大于傳統(tǒng)發(fā)動機一倍（視非曲軸連桿機構(gòu)發(fā)動機為二沖程發(fā)動機），即便考慮污染排放的燃料稀釋后的動力減半，以非曲軸連桿機構(gòu)發(fā)動機的超高效率動力輸出依然輕松高出傳統(tǒng)發(fā)動機動力的70%乃至80%。

可變氣門正時及升程技術(shù)能夠通過各工況之間的均衡選擇大幅降低氮氧化物和碳煙微粒排放，并在一定程度上提高效率與動力和降低油耗。然而，非曲軸連桿機構(gòu)發(fā)動機無需可變氣門正時及升程，因為進、排氣均不受外界干擾，且充氣系數(shù)較高，各種工況均處于良好的燃燒狀態(tài)，氮氧化物和碳煙微粒排放近乎為零，動力強勁有力，輸出穩(wěn)定如一，無需可變氣門正時及升程一定程度上的改善與提高。

爆燃控制是為了避免爆燃所采取的各種防爆措施。然而，非曲軸連桿機構(gòu)發(fā)動機無需爆燃控制，由于沒有曲軸連桿機構(gòu)的固有缺陷，不存在爆燃問題，當(dāng)然也就無需爆燃控制。

可變壓縮比技術(shù)能夠通過大、小負荷的不同壓縮比調(diào)節(jié)更為精準地控制著火始點，提高動力，降低油耗。然而，非曲軸連桿機構(gòu)發(fā)動機無需可變壓縮比，因為無需控制著火始點就可強勁輸出及很低油耗。況且可變壓縮比技術(shù)能夠提高的動力和降低的油耗十分有限，對于有著超高動力和超低能耗的非曲軸連桿機構(gòu)發(fā)動機沒有絲毫的誘惑力。

傳統(tǒng)發(fā)動機必不可少的諸多高技術(shù)對于非曲軸連桿機構(gòu)發(fā)動機毫無意義，除了高難繁雜沒有任何價值。

設(shè)想一下：按照均質(zhì)壓燃燃燒的著火條件，只要燃料和空氣混合均勻，空燃比大致在30～60之間，壓縮比提高到22甚至更高，則多點同時著火，并以氧化反應(yīng)迅猛燃燒，放熱速率接近理想的等容燃燒，整個過程在12°曲軸轉(zhuǎn)角內(nèi)便燃燒得干干凈凈，火焰溫度低，沒有任何污染排放[3]。高效清潔，理想之極。既無需控制著火始點和燃燒速率，也無法控制著火始點和燃燒速率，沒有必要附加種種改進有限的高難技術(shù)，沒有必要加裝種種用于尾氣排放的處理裝置，也沒有必要添加花樣繁多的先進裝置，一切還原本來，一切回歸自然。汽油機做不到，柴油機做不到，傳統(tǒng)發(fā)動機做不到，但非曲軸連桿機構(gòu)發(fā)動機則輕而易舉。

7 結(jié)語

（1）污染排放是傳統(tǒng)發(fā)動機受制于爆燃或者粗暴限制的必然產(chǎn)物，而爆燃或者粗暴則是曲軸連桿機構(gòu)構(gòu)成的固有缺陷。

（2）爆燃中的“金屬敲擊聲”并非“高頻鋸齒波”的產(chǎn)物，也非燃料混合氣本身的燃燒特性，而是活塞、連桿和曲軸這些機件之間的相互撞擊。

（3）傳統(tǒng)發(fā)動機難以滿足高壓縮比、適度稀薄、均勻混合氣等高效清潔燃燒所需的充要條件。

（4）原本傳統(tǒng)發(fā)動機的排放很好，只是由于曲軸連桿機構(gòu)的“暗中使絆”。

（5）非曲軸連桿機構(gòu)發(fā)動機的尾氣排放由于沒有爆燃或者粗暴的束縛限制而高效清潔。

參考文獻：

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