一款令人神往的超高性能发动机

刘祖川

摘 要：根据《奥托理论热效率的大幅突破》和《传统发动机的污染排放与爆燃诠释》，非曲轴连杆机构发动机不仅拥有传统发动机100%的热效率提高潜力，还有近零排放巨大的降低空间，不仅如此，由于省去了曲轴连杆机构而使得结构更为简明紧凑，由于近零排放及其低温燃烧的稀燃特性使得缸内燃烧温度减低而无需冷却系统，由于没有惯性负荷下的滑动摩擦使得没有机件之间的较大磨损而无需润滑系统，更由于两大性能之高而无需任何先进复杂的高难技术和眼花缭乱的辅助装置，非曲轴连杆机构发动机还可拥有极好的经济性能。既然非曲轴连杆机构发动机拥有如此之好的性能提升前景，那么可否打造一款从未奢望过的理想发动机呢？按照这一思路，以奥托定容循环为原则，以两大性能为目标，以高效清洁着火燃烧条件为基础，开启你的逻辑探索力，拓展你的空间想象力，模拟设计一款令人神往的超高性能发动机。

关键词：非曲轴连杆机构发动机 理想发动机 模拟设计

1 引言

新能源汽车电动化的发展步伐正在紧密锣鼓，传统发动机的退出步伐也在按部就班，传统车企更是迫不及待地纷纷挤入新能源电动汽车的开发大军行列，然而，随着传统发动机固有缺陷重大发现的惊世而出，尤其是淘汰传统发动机的第一大祸首大量污染排放完全是来自自身的固有缺陷，从而为非曲轴连杆机构发动机带来历史机遇，而且我们还会看到，继百年辉煌历史的传统发动机之后还有传统燃油发动机的百年传承。

2 总体架构

2.1 确定机型

旋转发动机是非曲轴连杆机构发动机的典型代表，只要燃烧压力形成的作用力与主轴回转半径的切线重合，且与相当于活塞作用的驱动件作用面垂直，就构成典型的非曲轴连杆机构发动机的基本骨架。而当年叱咤风云的三角转子发动机并非真正意义上的旋转发动机，表面上看起来是在作旋转运动，实质上却与传统发动机曲轴连杆机构的工作方式没有本质区别，而且由于力臂（偏心距）较小，力矩更小，热效率更低，这也是三角转子发动机油耗极高的根本原因。正是这一拙略表现，却让我们完全忽略了传统发动机与非曲轴连杆机构发动机背后的巨大落差。因此，本非曲轴连杆机构发动机所构想的发动机为旋转发动机。

2.2 燃烧模式

由于没有曲轴连杆机构限制，可直接采用均质压燃燃烧技术，只要满足高压缩比、适度稀薄、均匀混合气等高效清洁的着火燃烧条件，就可进行充分燃烧，因此所构想的发动机为均质压燃燃烧模式。

2.3 结构布局

由于没有惯性负荷及滑动摩擦，无需靠多缸来降低大排量缸径带来的高速摩擦，缸数越少越简单。为此，以对称方式构置的双缸，既能够较为平稳地运转又能够分担一半负荷，还无需多缸降速，因此，無论排放大小所构想的发动机均为双缸。

2.4 核心骨架

主轴贯穿缸体轴心，缸体两侧可以设置电磁驱动及其控制装置，并通过周向位置传感器方便地控制电磁驱动装置发力驱动，从而构成所构想的发动机的主体轴心。

2.5 冲程选择

四冲程传统发动机无论是效率和排放都要好于二冲程，虽然二冲程结构简单紧凑，成本低廉，但较之四冲程，二冲程由于充气系数较低而效率较低，和由于燃烧不充分而排放不好。采用均质压燃燃烧的非曲轴连杆机构发动机没有上述问题，由于燃烧充分而排放好，和由于直流扫气充气系数接近甚至好于四冲程。总的来看，性能与四冲程相差不大，但技术难度则大为简化，因此所构想的发动机为二冲程发动机。

2.6 机构系统

传统发动机有两大机构和五大系统，即曲轴连杆和配气机构，以及燃料供给、润滑、冷却、点火、启动等五大系统，而非曲轴连杆机构发动机仅有燃料供给和启动两大系统。非曲轴连杆机构发动机没有曲轴连杆机构;非曲轴连杆机构发动机的进、排气为驱动件与缸壁之间相互位置上的开口，无需配气机构;非曲轴连杆机构没有惯性负荷下的滑动摩擦，无需润滑系统;采用均质压燃燃烧的非曲轴连杆机构发动机燃烧温度较低，无需冷却系统;采用均质压燃燃烧的非曲轴连杆机构发动机为压燃着火，无需点火系统，因此所构想的发动机仅有燃料供给和启动两大系统。

2.7 压缩驱动

为确保高效输出，需要各种工况充分燃烧，就不能受到外界环境的干扰，即发动机各种工况的压缩驱动力均来自自身，电磁驱动装置将承担这一职能。如果利用两缸运行中的交错驱动，一缸的压缩作用力来自另一缸的驱动力，则无需额外驱动，那么压缩驱动仅用于启动系统，因此所构想的发动机的电磁驱动装置主要用于启动所需的压缩驱动。

2.8 充电蓄能

膨胀作功过程中除了压缩另一缸的混合气外还需通过电磁驱动装置对蓄电池充电蓄能，因此所构想的发动机的电磁驱动装置除了压缩驱动外还需承担充电蓄能的职能。

2.9 控制程序

由于所构想的发动机为二冲程，驱动件两个方向的运动就可完成奥拓循环所需的四个冲程，为此，只需在驱动件的动作两端设置信号源，即可实现四个冲程的循环往复。因此，所构想的发动机的控制程序为程序控制。

2.10 排放应对

为确保清洁，需要对混合气浓度加以限制。对于汽油混合气：启动工况的过量空气系数为2，压缩比为30;整个负荷工况的过量空气系数在2至4之间，压缩比大于等于25;怠速工况的过量空气系数为4，压缩比大于等于25。对于柴油混合气：启动工况的过量空气系数为2.5，压缩比为30;整个负荷工况的过量空气系数在2.5至4.5之间，压缩比大于等于25;怠速工况的过量空气系数为4.5，压缩比大于等于25。如此确保全工况高效清洁燃烧。

3 局部细节

3.1 主体结构

所构想的发动机主要由主轴、活片、缸体、端盖等核心零件，以及辅以进排气、供油、密封、驱动等装置组成，主轴、活片、端盖与缸体形成的两个形腔构成一对气缸。

3.2 材料

所构想的发动机缸体材料为硅铝合金，主轴、活片为碳钢。大马力重载机型的缸体、主轴、活片均为钛合金。

3.3 工作原理

所构想的发动机活片在气缸中作圆弧运动，气缸工作容积产生规律性变化，依次形成压缩与膨胀-排气-进气的循环过程。

3.4 进气排气

所构想的发动机的进气口位于气缸的压缩侧端，排气口位于气缸的燃烧侧端。

传统二冲程发动机的充气系数较低，残余废气系数较大，碳氢化合物排放较多，热效率和排放性能均不及四冲程发动机。所构想的发动机的进、排气口分别位于两端，为直流扫气，加上进气高压形成的压差雾障驱赶废气，进气与排气的界面分明，废气驱赶通畅，充气系数较高，残余废气近乎于零，充气系数不亚于四冲程发动机，二冲程热效率低和排放不好的劣势完全消除。

3.5 压缩比

所构想的发动机启动超高压缩比的压缩力来自电磁驱动装置，运行压缩力来自另一缸的膨胀作功，两级高压缩比的设定确保各种工况着火燃烧，且稳定运行。

3.6 密封

由于非曲轴连杆机构发动机的驱动件除旋转支撑外并未与其他零件作用，所构想的发动机的两个气缸与主轴、两个活片、两个端盖之间形成的缝隙均设有密封装置，可以是间隙密封，也可是气动密封。无密封件摩擦损耗，以确保气缸的长久密闭。

3.7 供油方式

所构想的发动机的汽油燃料供给为可调式化油器，负荷质调节，无节流损失，无需成本较高的燃油喷射系统。柴油機燃料供给为进气道喷射，喷射压力可调高到中等压力即可，确保燃料与空气的均匀混合。

3.8 高效清洁燃烧

所构想的发动机全工况均质压燃燃烧，包括怠速和启动工况。怠速时的转速虽然降低，但由于不受外界干扰且稳定如一的着火燃烧条件无需加浓混合气，碳氢化合物和一氧化碳废气排放大为减少，以至近乎为零;启动时由于超高压缩比也无需加浓混合气，碳氢化合物和一氧化碳废气排放依然近乎为零。两种工况均在各自高压缩比的条件下正常运行，确保全程高效清洁燃烧。

3.9 启动

所构想的发动机的电磁驱动装置主要用于启动压缩，驱动作用力需达到低温环境所需的超高压缩比，确保低温环境下的冷启动快捷可靠。

3.10 控制

所构想的发动机为程序控制，主要由启动和运行两段程序构成。电控信号为位于燃烧侧端的温度传感器和位于另一压缩侧端的位置传感器。

电磁驱动装置是所构想的发动机唯一的控制执行元件，用于启动压缩和运行充电。

3.11 排量

所构想的发动机排量可大可小，小到不足百瓦，大到上万千瓦，因为没有惯性负荷及滑动摩擦的高速限制，无需靠多缸限速来增大排量。相对于传统发动机，排量越大体积越小，且不会加重多缸结构的复杂性。

3.12 基本参数

对于常规机型的活片：宽（轴向）为1，高（径向）为1;对于高速低矩机型的活片：宽大于1，高为1或者小于1;对于低速高矩机型的活片：宽为1或者小于1，高大于1。

3.13 工作范围

所构想的发动机不受爆燃或者粗暴限制，无论是汽油还是柴油均可全工况均质压燃燃烧。但为了减少污染排放，可将工作范围下移至较为稀薄的低功率区间，动力大致减半，因为传统发动机的高效工作区间狭窄，局限于中、低转速或者中、大负荷的狭小范围，清洁工作区间仅限于中、偏小负荷。所构想的发动机高效工作区间宽泛，无论是高、低转速还是大、小负荷，清洁工作区间则扩展到中负荷以下的更宽范围。

由于所构想的发动机为双缸，与传统发动机的动力相当，考虑高出的热效率，动力还可高出传统发动机的75%左右。当然，在以动力输出为主的场合，工作范围不下移，动力不降低。对于军用装备、赛车等强动力需求还可高出，即工作范围上移。正因为如此，以非曲轴连杆机构发动机为动力源的混合动力没有任何意义，省油操作也是多此一举，因为所构想的发动机的各工况区均为高效输出，没有耗油区间可以利用。

因此，所构想的发动机结构简洁，材料普通，技术成熟，控制单一，燃烧充分，高效清洁，极为理想。

4 性能指标

所构想的发动机热效率之所以能够大幅提高，主要在于固有缺陷曲轴连杆机构的摒弃。无机械转化损失，无惯性负荷，各运动件之间的摩擦副为滚动摩擦，机械效率提高潜力达90%;加上全工况均质压燃燃烧，没有最大燃烧压力和燃烧持续时间损失，考虑到自身损失，所构想的发动机的热效率可达60%～70%，应是较为保守的估计。

所构想的发动机污染排放之所以能够大幅降低，主要在于均质压燃燃烧模式。由于不存在爆燃和粗暴问题，工作范围没有任何限制，可将整个工况调节到污染排放较少的低温燃烧区，污染排放大为减少乃至近乎于零。

所构想的发动机技术成熟，控制单一，所涉技术要求均在传统发动机的现有技术范围以内，无需任何先进复杂的高难技术和眼花缭乱的辅助装置，成本优势一目了然。

因此，所构想的发动机不仅性能超高还有不同于一般高技术高成本特点的巨大优势。

5 其他性能

5.1 实用性

所构想的发动机除了高空高速、深海长潜等特殊场合外广泛应用于各大相关领域，诸如汽车、船舶、小型飞机、摩托车、无人机、内燃机车、火力电站、工程机械、农业机械、建筑机械、军用装备、移动电源、备用电源等各种配套动力。

5.2 适用性

均质压燃传统发动机适用汽油、柴油、天然气、液化气、甲醇、乙醇、植物等多种燃料，所构想的均质压燃发动机同样适用多种燃料，而且无论油品好坏，敏感性不大。

5.3 使用性

所构想的发动机由于没有磨损零件而除了定期更换蓄电池外无需日常维护;由于超高压缩比而启动快捷可靠;由于全工况高效输出而无需省油操作。

5.4 启动性

所构想的发动机专门用于冷启动的超高压缩比来自电磁驱动装置，确保零下30度的低温环境也能够顺利启动。

5.5 波动性

由于各种工况下的混合气均匀，浓度适宜，充气量稳定，高压缩比恒定，所构想的发动机能够确保各工况稳定燃烧， 特性曲线平缓，高效输出如一，不会出现循环波动。

5.6 可靠性

由于缸内着火燃烧不受外界工况变化的影响，无爆燃或者粗暴破坏，无惯性负荷冲击，缸内温度较低，所构想的发动机能够承受持续不断的高强度运转。

5.7 耐久性

所构想的发动机最大燃烧压力低，无惯性负荷及滑动摩擦，主要磨损件为滚动轴承，使用寿命远大于传统发动机。

5.8 紧凑性

所构想的发动机的主体结构呈长圆形，卧式安置，整体外形为附着园筒而成的长方体，结构紧凑，易于安装与使用，有利于各大相关领域的普及利用。

5.9 典型应用

用于赛车。赛车的最大要求就是高强动力，由于不考虑排放，所构想的发动机是同排量传统发动机的2倍，考虑到高出的热效率，按照75%的提高量，所构想的发动机的动力则是同排量传统发动机的3.5倍。

用于大型水面舰只。例如我国055型大型驱逐舰配备四台共计10.6万千瓦动力的燃气轮机，所构想的发动机可用两台每台6万千瓦动力或者四台每台3万千瓦动力替代。由于所构想的发动机每台占地空间小于传统发动机，加上热效率高出75%，以及每台双缸与传统发动机多缸的体积差，两台每台6万千瓦所构想的发动机的占地空间不会大于四台共计10.6万千瓦动力的燃气轮机，还不包括用于巡航低负荷搭配的数台柴油机占地。

因此，所构想的发动机除了深海潜艇、高空高速战机、大型飞机外各大相关领域均可大规模广泛应用。

6 结语

（1）所构想的发动机的热效率为60%～70%。

（2）所构想的发动机全工况均质压燃燃烧，排放近乎于零。

（3）所构想的发动机结构简洁，技术成熟，控制单一，没有任何先进复杂的高难技术和眼花缭乱的辅助装置，成本低廉。

（4）所构想的发动机适用性良好，可以使用多种燃料。

（5）所構想的发动机启动快捷可靠，无需日常维护，故障率低，无需省油操作。

（6）所构想的发动机除了高空高速、深海长潜等特殊场合外广泛应用于各大相关领域。