附件二：奥托理论热效率的大幅突破

1 引言

100多年以来，人们致力于提高传统发动机热效率的艱辛努力近乎东流，因为传统发动机即将退出历史舞台，传统发动机的有效热效率仅为25%～35%，与奥托55%～65%的理论热效率差距巨大，表明人类制作的热机效率还有很大潜力可以挖掘，而且远未止步于此，由于机械转换损失的人为缺失（见附件一），导致指示热效率被大大低估。并且还发现机械转换损失是由曲轴连杆机构构成的固有缺陷所致，再次表明在挖掘传统发动机效率的同时，有必要探索效率更高、性能更好的新型热机，例如非曲轴连杆机构发动机。事实如此，由曲轴连杆机构造成的热效率损失，除了机械转换损失外还有最大燃烧压力、燃烧持续时间、摩擦等多项损失，当然，机械转换损失是所有热效率损失中最大，达到有效热效率的75%（见附件一），致使热效率损失之和高达有效热效率的100%。因此，曲轴连杆机构固有缺陷的重大发现，尤其是曲轴连杆机构造成的巨大机械转换损失，使得奥托理论热效率有望大幅突破。

2 热效率损失

由曲轴连杆机构造成的热效率损失由四部分组成：燃烧过程中的最大燃烧压力损失（见图1）和燃烧持续时间损失（见图2），以及机械过程中的机械转换损失（见图3和图4）（见附件一）和摩擦损失。发动机有效热效率是指示热效率与机械效率之积，因此指示热效率和机械效率分别决定了有效热效率的高低。指示热效率取决于指示功，指示功取决于缸内燃烧压力;机械效率取决于机械损失，但需要强调的是无论是指示热效率还是机械效率，传统发动机都会受到自身曲轴连杆机构的严重制约。

对于指示热效率。首先，参阅图1，传统发动机要求最大燃烧压力位于活塞上止点的12°～15°曲轴转角之间[1]，而最大燃烧压力位于上止点附近，即0°曲轴转角附近，缸内燃烧压力最大，活塞获得最大膨胀功，则位于0°曲轴转角的最大活塞作用力F1大于位于13.5°曲轴转角的最大活塞作用力F。那为什么不在上止点呢？如果最大燃烧压力接近或者位于上止点，不仅会引发爆燃，动力还会急剧下降乃至无法输出。

其次，无论是作为汽油机的预混合燃烧还是作为柴油机的扩散燃烧，燃烧持续时间均需持续50°或者60°的曲轴转角[1]，但15°曲轴转角之后的燃烧压力则下降很快，膨胀功随之降低，也就是说随着膨胀功的下降还有部分在燃燃料和未然燃料未能得到有效利用，进而造成指示热效率损失。参阅图2，黄线为燃烧持续时间较长的活塞压力，蓝线为燃烧持续时间较短的活塞压力，燃烧持续时间越短，最大燃烧压力越大。为什么不能缩短燃烧时间？如果缩短燃烧时间，同样会面临上述问题。

不妨估计，两次降低之和的指示热效率损失约为有效热效率的10%。

对于机械效率。首先，传统发动机的机械损失除了摩擦损失外，还有一项更为致命的机械转换损失，即摩擦损失与机械转换损失之和为传统发动机的机械损失。参阅图3，作用在活塞上的力通过连杆分解为两个：一是垂直于并拨动曲轴曲柄、进而驱动曲轴转动的切向力Ft;二是压缩曲柄并指向曲轴的径向力Fn。切向力垂直于曲柄力臂，产生曲轴扭矩，进而产生动力。因为力矩=切向力×力臂半径，半径为常量，切向力减小，力矩随之减小，即曲轴转矩减小，动力降低，机械效率下降;而径向力通过曲柄的压缩作用在曲轴上，产生微小变形及其高频颤动，进而产生无用的变形能，造成机械转换损失（见附件一），即活塞直线运动转换为曲轴旋转运动时构成的固有缺陷。

参阅图3左图，曲轴切向力Ft公式，可以通过F'cos等式和F'sin等式推导，其中，连杆转角β等式，可以通过两个sin对边高度的相等关系推导。大致判断，最大燃烧压力处的曲轴切向力Ft还不及活塞作用力F的1/3，当然，也可通过曲轴切向力Ft公式计算。参阅图4，曲轴切向力Ft形成黄线，活塞作用力F形成蓝线。由蓝线与横轴构成的面积为未经转换指示功或者非曲指示功Wi（纠错：图中T应为W）;由黄线与横轴构成的面积为转换指示功W'i（纠错：图中T'应为W'），后者明显小于前者，其差为机械转换损失。

还可通过更为直观的受力分解图大致判断：参阅图3右图，β与γ的大小决定了Ft与F的大小。参阅图5，通过比较，β<γ，Ft

为此，经测算，机械转换损失远大于摩擦损失，是有效热效率的75%（见附件一）。

其次，如果对比非曲轴连杆机构发动机，例如旋转发动机的滚动摩擦损失，由于没有曲轴连杆机构的惯性负荷及滑动摩擦而远低于传统发动机的滑动摩擦损失，按照传统发动机摩擦损失的1/4计，且取传统发动机的摩擦损失为有效热效率的20%计，那么旋转发动机的摩擦损失，也就是非曲轴连杆机构发动机的机械损失仅为有效热效率的5%。

因此，由曲轴连杆机构造成的摩擦损失约为有效热效率的15%，加上75%热效率的的机械转换损失，由曲轴连杆机构造成的机械损失高达有效热效率的90%，再加上燃烧过程中10%有效热效率的指示热效率损失，由曲轴连杆机构造成的有效热效率损失高达100%。

豁然一亮，传统发动机的有效热效率之所以不高，完全是出于曲轴连杆机构这一固有缺陷的“暗中使绊”。

3 机械转换损失实证

曲轴连杆机构造成的巨大损失本可通过“机械损失的测定”来证实，但由于机械转换损失的人为缺失，使得所测的指示功率远低于真实的指示功率。有效功率、转矩和转速都可从试验台架上获取，但指示功率需要通过示功图来求取。指示功率与有效功率之差等于机械损失，但恰恰需要求取的指示功率出现了错误，从而导致机械转换损失的丢失。

3.1 机械损失的错误测定

由于“发动机机械损失的原因极为复杂，以致无法用分析的办法求出准确的数值，即使有些经验公式可用来计算，也是极为近似而不可靠。为了获得较为可信的结果，只有通过实际发动机的试验来测定。”[1]分析法求出的机械损失远高于现有的机械损失，不可能达到“极为近似”的结果，只能放弃。从一开始“机械损失的测定”就被人为因素扭曲了，分析计算被其他测法取代。

“机械损失的测定”有四种常用测法：示功图法、倒施法、灭缸法、耗油线法。其中只有第一种示功图法才能测出真实的机械损失，包括摩擦和机械转换两种损失。由于“结果的正确程度往往决定于示功图测录的正确程度，其中最大的误差来源于p-φ图或p-V图上活塞上止点位置不易正确地确定”，所以“示功图法一般用于当上止点位置能得到精确标定时才能取得较满意的结果”[2]。实际上由于转换损失是摩擦损失的三倍之多，示功图法测得的指示功率无论如何都无法等于或者接近后三种测法测得的指示功率，只有“精确标定”“活塞上止点位置”、且还需“校正”后的值接近后三种测法的结果时，“才能取得较满意的结果”。因此，利用示功图法测定机械损失时，只能向现有指示功率靠拢凑数。更不可思议的是倒施法和灭缸法都无法测得正确的指示功率。倒拖法和灭缸法都是从输出端驱动，曲轴由受力件变为动力件，避开了曲轴连杆机构阻碍，只能测出摩擦损失，无法测出机械转换损失，测得的指示功率很低，机械效率很高。

因此，从分析计算测法的“极为近似”到示功图法中“活塞上止点位置”的“不易正确地确定”，以及后两种错误测法可知，“机械损失的测定”除了有效功率外其他测定结果都是错误的。

3.2 现实应用

目前日系混动动力车的燃油动力采用了直线内燃发电机，正是因为直线内燃发电机的效率比传统内燃发电机要高，哪怕还有储能、输出等环节的更多消耗，依然“有利可图”。这充分说明非曲轴连杆机构发动机的热效率提高潜力的确很大，而曲轴连杆机构则是两种热效率出现巨大落差的分水岭。

3.3 操作经历

一台单缸发动机，从活塞这边向下施力，推动活塞向下运动来驱动曲轴转动（相当于示功图法），越靠近活塞上止点的位置时越吃力，如果转动曲轴带动活塞上下运动却很轻松（相当于倒施法和灭缸法），也就是说，活塞膨胀作功时只有部分功用于输出转矩，而另一部分功通过连杆消耗到曲轴上去了。

3.4 动手实践

直径约为100mm左右的纸片圆盘，一根圆珠笔芯的针尖穿过圆盘的圆心，一只手握住笔芯柄，并平行于地面将圆盘侧立悬空，另一只手在圆盘面内拨动圆盘：如果施力方向穿过圆心，圆盘不能转动，笔杆弯曲（曲轴受力），相当于0°曲轴转角，机械转换损失最大;如果圆盘边缘切线方向施力，圆盘转速最快，笔杆没有弯曲，相当于58°曲轴转角，机械转换损失为零;如果施力方向距离圆心小于圆盘半径，圆盘转速介于前两者转速之间，笔杆弯曲较小，相当于0°～58°曲轴转角，机械转换损失也介于前两者损失之间。

3.5 锤打木桩

根据能量守恒定律，大锤能量=木桩下移作功+锤击点变形能耗+发出沉闷声响的震动能耗。如果大锤打得是钢桩，钢桩下移作功，变形能耗很小，木桩震动的沉闷声响则变为钢桩清脆的“金属敲击声”。对照曲轴连杆机构，有用功为曲轴转矩，变形能耗很小，震动能耗就是活塞、连杆、曲柄及曲轴的微变形及其彼此间的高频震动。如果钢桩底部是金刚石，则钢桩没有下移，无法作功，变形能耗很小，大锤能量几乎全部消耗到活塞、连杆、曲柄及曲轴的微变形及其彼此间的高频震动。我们看到传统发动机运行时不停地震动，就是由“活塞、连杆、曲柄及曲轴的微变形及其彼此间的高频震动”引发的“发动机震动”，同时消耗了大量能量。

无论是测定上，还是应用上，还是操作上，还是动手上，还是锤打上，均可证明机械转换损失的实际存在，以及对机械转换损失非常明显的真实感受。

4 非曲轴连杆机构发动机

致使传统发动机效率不高的根本原因完全在于曲轴连杆机构构成的固有缺陷，如果没有曲轴连杆机构，就没有由曲轴连杆机构造成的有效热效率损失，那么非曲轴连杆机构发动机就会拥有巨大的热效率提高潜力。由于由曲轴连杆机构造成的热效率损失高达100%，那么摆脱曲轴连杆机构束缚限制的非曲轴连杆机构发动机的热效率就会拥有高达100%的提升空間。如果传统发动机的有效热效率为35%，那么非曲轴连杆机构发动机的有效热效率就为70%或者65%（考虑到传统发动机充分燃烧和摩擦性能的改进，使得非曲轴连杆机构发动机的燃烧持续时间和摩擦损失相应减少）;如果传统发动机的有效热效率为40%，那么非曲轴连杆机构发动机的有效热效率就为80%或者75%;如果传统发动机的有效热效率为50%，那么非曲轴连杆机构发动机的有效热效率就为100%或者90%。当然，高达100%或者90%的有效热效率几乎不大可能，不免会对传统发动机高达50%的有效热效率产生疑义，但并不影响非曲轴连杆机构发动机巨大的热效率提高潜力。

非曲轴连杆机构发动机的超高效率得益于传统发动机曲轴连杆机构的摒弃。传统发动机的重大弊端、致命缺陷就是非曲轴连杆机构发动机的重大机遇、天赐良机。既然能够大幅突破奥托理论热效率，那么作为奥托理论热效率鼻祖的卡诺循环热效率是否也会受到严峻挑战（见“传统发动机效率体系的全面质疑”）？

5 结语

（1）曲轴连杆机构造成的热效率损失由四部分组成：燃烧过程中的最大燃烧压力损失和燃烧持续时间损失，以及机械过程中的机械转换损失和摩擦损失，其中，最大燃烧压力损失为5%;燃烧持续时间损失为5%;机械转换损失为75%;摩擦损失为15%，四部分损失之和高达100%。

（2）上述所有损失都是由曲轴连杆机构构成的固有缺陷。

（3）原本传统发动机的效率很高，只是由于曲轴连杆机构的“暗中使绊”。

（4）对于非曲轴连杆机构发动机，则拥有高达100%的有效热效率提高潜力，也就是说，非曲轴连杆机构发动机的有效热效率有望突破80%的鼎极皇冠。

参考文献：

[1]韩同群，姚胜华，苑金梁等.汽车发动机原理[M].北京大学出版社，2007：189、194、219;137.

[2]周龙保，刘巽俊，高宗英，刘圣华等.内燃机学[M]. 机械工业出版社，2005：27.