传统发动机的污染排放与爆燃诠释

刘祖川

摘 要：传统发动机之所以被淘汰出局不仅只是效率不高，还有更为重要的大量污染排放，虽然传统发动机效率不高，但依然位居各类发动机的较高者之列，而污染排放虽经尾气后处理而大幅下降，但却难以摆脱环境污染的最大贡献者。已经发现污染排放与爆燃或者粗暴密切相关，致使传统发动机始终受制于爆燃或者粗暴的束缚限制，而爆燃或者粗暴则是曲轴连杆机构构成的固有缺陷。如果没有曲轴连杆机构这一固有缺陷，排放性能就会很好，燃油发动机不仅不会被淘汰，还将再续昔日辉煌。

关键词：污染排放 爆燃 曲轴连杆机构 固有缺陷

1 引言

致使传统发动机将要退出历史舞台的根本原因主要在于大量的污染排放，但产生污染排放的根本原因却无人知晓。然而，曲轴连杆机构固有缺陷的重大发现，尤其是隐秘于曲轴连杆机构背后的爆燃或者粗暴，透过爆燃密码的全新诠释，产生污染排放的根本原因终究浮出水面。

2 污染排放

排放不好的直接原因主要在于冗长的燃烧持续时间和不均匀混合气，但为了避免爆燃或者粗暴，又不得不延长燃烧持续时间和使用不均匀混合气，所以长达50°或者60°曲轴转角的燃烧持续时间则是不得已而为之[1]。汽油机的压缩比较低，主要是为了避免爆燃需要抑制燃烧速度;柴油机的压缩比较高，但为了避免粗暴也要抑制燃烧速度，不均匀混合气则是抑制燃烧速度的必然结果，而冗长的燃烧持续时间和不均匀混合气又促使局部燃烧温度的高、低起伏和混合气的浓、稀不一，难以充分燃烧，为污染排放物提供了适宜生长的繁衍环境[1]，致使污染排放居高不下。

因此，污染排放则是传统发动机受制于爆燃或者粗暴限制的必然产物。

3 爆燃密码

如果说由曲轴连杆机构造成的机械转换损失犹如一尊眼花缭乱的变形金刚而难以侦断，那么对时不时在我们眼前晃荡的爆燃的模糊认识而令人费解。爆燃只出现在汽油机的燃烧中，柴油机只有粗暴没有爆燃，但如果像汽油机那样上止点前完成大部分燃料喷射或者着火时混合气比较均匀，爆燃一样会出现在柴油机的燃烧中。从中很容易得出基本结论：只要最大燃烧压力出现在上止点附近就有可能产生爆燃，无论是汽油机还是柴油机，最大燃烧压力越接近上止点越有可能发生爆燃。这不得不使人联想到构成上止点的曲轴连杆机构，如果考虑爆燃中的“金属敲击声”，则曲轴连杆机构更是难辞其疚。

要求最大燃烧压力位于活塞上止点12°～15°曲轴转角的点火控制[1]，除了保持较高的指示热效率外还要避免12°曲轴转角内极易产生的爆燃或者粗暴。爆燃是不正常的爆发燃烧，在上止点附近产生高温高压，机械转换损失很大，动力输出急剧下降，破坏性骤然增大。如果最大燃烧压力位于上止点或者之前，所有的燃烧能量都会集中到曲轴上，动力无法输出，而位于上止点处的最高燃烧温度则更高，最大燃烧压力更大。高温加上高压，此时的爆燃极有可能烧蚀活塞。发生爆燃时，缸内压力曲线出现高频锯齿波，同时产生一种金属敲击声[1]。实际上是由于更大的最大燃烧压力几乎全部集中到了活塞、连杆、曲柄及曲轴上，产生微变形，使得这些机件在彼此之间的间隙中高频颤动，造成机械震动，发出“金属敲击声”，同时激发“高频锯齿波”大幅度波动，爆燃由此爆发。爆燃中的“金属敲击声”并非“高频锯齿波”的产物也非燃料混合气本身的燃烧特性，而是活塞、连杆和曲轴这些机件之间的相互撞击。因此，污染排放由于需要规避爆燃或者粗暴而在所难免。

“由于爆燃处产生局部的压力和温度突升，气缸内压力来不及平衡，也就是说，这时的化学反应速率大于气体膨胀速率，在自燃区形成一个压力脉冲，并以极高的速率向四周传播，这个压力脉冲在气缸壁面、活塞顶面与汽缸盖底面多次反射时产生高频（频率约为5kHz或更高）振音（金属振音）。由于压力波冲击会破坏气缸壁面层流边界层，从而使向气缸壁面的传热量大大增加，冷却损失增加，输出功率降低。”[2]这些“金属振音”应是这些“反射面”汇集而来、且类似共振现象的或者至少大于“压力波”的“高频振音”，但由于来自“四周”“反射面”的波动处于抵消状态，使得这些“高频振音”既不能形成共振也不可能大于“压力波”，因此，“在自燃区形成”的“压力脉冲”不可能通过“四周”面壁的“多次反射”而“产生高频振音”。再者，“传热量大大增加”取决于高、低温热源差的增大，同样高、低温热源差的增大，导致输出功率增大，而非“输出功率降低”。如果“输出功率降低”，“高、低温热源差”应减小，说明在低温热源不变的前提下“高温热源”的温度降低，与爆燃时“高温热源”的温度“突升”矛盾，而没有“高、低温热源差的增大”就没有“传热量大大增加”，也就没有“冷却损失增加”，同样也就没有“输出功率降低”。因此，“输出功率降低”仅有极小部分来自“高、低温热源差的增大”，而绝大部分“降低”主要还是活塞上止点附近的机械转换损失所致。

因此，爆燃是曲轴连杆机构固有缺陷“暗中使绊”的典型表现。

4 均质压燃

均质压燃是传统发动机寄予厚望的理想燃烧模式，但经过多年大规模的深入研究和多家车企的长期试水，热效率的提高有限，污染排放的减少未达预期，规模化应用前景不明。

均質压燃着火始点和燃烧速率的精确控制要求构成了主要障碍，成为大规模应用均质压燃模式的拦路虎，而精确控制着火始点和燃烧放热速率则是为了规避爆燃或者粗暴的不得已而为之。均质压燃多点同时着火，燃烧迅猛，只受到化学动力学控制，尾气排放干净利落，着火始点一旦开启，急速燃烧，放热速率迅猛，且难以控制，既难以控制着火始点也难以控制燃烧放热速率[3]，因为爆燃或者粗暴随时都有可能引爆。但要想获得高效清洁的理想燃烧效果，高压缩比、适度稀薄、均匀混合气缺一不可[3]，这也是均质压燃燃烧的着火燃烧条件，并且成为高效清洁燃烧不可或缺的充要条件。即在均质压燃燃烧的过程中，没有滞燃期、急燃期和后燃期之分，没有传播速度的变化之影响，也没有循环变动和各缸不均匀的不规则燃烧，一旦着火，满缸通红，瞬间完结，立竿见影。高压缩比加上均匀混合气可以确保高效，再加上适度稀薄的混合气确保清洁，当三者同时满足时高效清洁的理想燃烧模式立马呈现。然而，作为传统发动机的无论是均质压燃汽油机还是均质压燃柴油机都无法同时满足上述条件，也就难以避免污染排放的大量产生。

因此，未能大规模应用的均质压燃燃烧模式还是因为曲轴连杆机构固有缺陷的“暗中使绊”。

5 有关爆燃密码的实证

5.1 爆燃危害

动力下降则一大爆燃危害。按照专业文献说法，燃烧温度升高，传热损失增大，动力输出下降。然而，燃烧温度升高，缸内压力增大，即使传热损失增大，动力输出也会增大，因为即使传热损失增大，燃烧温度依然比正常工作时的缸内温度要高。但为什么动力本该提高却在下降？只要最大燃烧压力出现在上止点及其附近，动力就无法输出或者急剧下降，无论温度多高，压力多大，乃至有无爆燃，动力都会下降至零或者急剧下降，与燃烧温度高低、传热损失大小、有无爆燃无关。因此，爆燃时的动力输出下降并非是传热损失的增大，而是机械转换损失的急剧增大。

此乃曲轴连杆机构固有缺陷的又一“精华之作”，不妨将此点称作爆燃死点。

5.2 活塞死点

都知道传统发动机的活塞上止点，或者0°曲轴转角，或者活塞死点，在这一点活塞不能向下运动，但普遍认为绕过这一点就没事了。能绕过去吗？NO！5°曲轴转角能绕过去吗？那么10°曲轴转角呢？依然绕不过！“要求最大燃烧压力位于上止点12°～15°的曲轴转角”，就是因为小于12°曲轴转角则会有爆燃或者粗暴风险，大于15°曲轴转角则缸内压力急剧下降。即使这段曲轴转角躲过了上止点附近的爆燃或者粗暴风险，污染排放也“躲不过”，因为这段曲轴转角难以充分燃烧。只有最大燃烧压力接近上止点时才有可能充分燃烧，但现实燃烧过程中的最大燃烧压力却远离这一区域，污染排放在所难免。

因此，曲轴连杆机构构成的活塞死点则是“绕不过去”的固有缺陷。

5.3 充分燃烧

燃烧速度越快，燃烧持续时间越短，燃烧越充分。但为了避免爆燃或者粗暴限制，无论是汽油机还是柴油机都难以进行充分燃烧。根据均质压燃燃烧模式，要想达到理想的燃烧效果，高压缩比、适度稀薄、均匀混合气缺一不可，也是均质压燃燃烧不可或缺的充要条件，即高效清洁着火燃烧条件。换句话说，只要满足充要条件，任何发动机都可达到理想的燃烧效果。例如非曲轴连杆机构发动机：压缩比大于等于25，空燃比30～60，混合气均匀，则均质压燃多点同时着火，只受化学动力学控制，燃烧迅猛，10°曲轴转角内燃烧完毕，尾气排放干净利落。由于没有曲轴连杆机构的束缚限制，经高压多点同时着火，为高效燃烧奠定坚实基础;加上30～60的空燃比，使得燃烧温度大致控制在1500 K～1800K清洁排放的范围内，基本确保高效清洁燃烧;再加上均匀混合气，几乎整体同时着火，同步燃烧，所有燃烧温度都在清洁排放的范围内充分燃烧，从而完全确保高效清洁燃烧。因此，高效清洁的着火燃烧条件则是传统发动机是否产生污染排放的试金石，而作为传统发动机，无论如何都难以达到清洁着火燃烧条件，即便是采用均质压燃燃烧模式，负荷范围也会由于爆燃或者粗暴的束缚限制而被大大压缩。

因此，传统发动机由于无法满足高效清洁着火燃烧条件而难以充分燃烧，而非曲轴连杆机构发动机则由于能够满足这些条件而能够充分燃烧。

无论是爆燃上，还是死点上，还是燃烧上，污染排放均与爆燃或者粗暴紧密关联，形影相随。如果说曲轴连杆机构造成的机械转换损失还需进一步验证确认，那么由曲轴连杆机构造成的爆燃或者粗暴给予污染排放的最大贡献则没有任何悬念。

6 非曲轴连杆机构发动机

致使传统发动机排放不好的根本原因完全在于爆燃或者粗暴的束缚限制，而爆燃或者粗暴则是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污染排放，那么非曲轴连杆机构发动机就会有很好的排放性能，传统发动机由于爆燃或者粗暴的束缚限制而难以充分燃烧，那么没有爆燃或者粗暴束缚限制的非曲轴连杆机构发动机则自然高效清洁。传统发动机之所以难以充分燃烧，关键在于难以满足高效清洁着火燃烧的充要条件，而非曲轴连杆机构发动机之所以能够充分燃烧，关键在于能够完全满足高效清洁着火燃烧的充要条件。

由于传统发动机排放不好，且承受着能源大量消耗、环境污染肆虐、全球气候变暖等多重压力，迫使传统发动机加快改进，其主要性能指标日趋苛刻，从而出于满足这些苛刻条件的各种先进技术层出不穷，诸如缸内高压直喷、废气再循环、涡轮增压、可变气门正时及升程、爆燃控制、可变压缩比等高技术层层加码，那么作为非曲轴连杆机构发动机又将如何面对？

缸内高压直喷技术能够通过混合气的浓、稀分布大幅提升着火稳定性和燃烧速度，并在燃烧效率、降低能耗和减少污染排放等各方面都有一定的提高。然而，非曲轴连杆机构发动机则无需缸内高压直喷，因为均匀混合气和高压缩比足以确保着火稳定性和燃烧速度。虽然缸内高压直喷能够一定程度地提高燃烧效率、降低能耗和减少污染排放，但均质压燃非曲轴连杆机构发动机的高效输出和清洁排放均已达到近乎完美的理想程度，能够带来多方面好处的缸内高压直喷技术在非曲轴连杆机构发动机的面前不过雕虫小技而已。

废气再循环技术能够通过调节温度较大幅度地降低尾气排放中的氮氧化物，并在部分負荷时提高燃料经济性，以及在一定程度上降低污染排放物。然而，非曲轴连杆机构发动机则无需废气再循环，因为在高压缩比、适度稀薄、均匀混合气的理想燃烧条件下，缸内各种污染排放物均很少，并在各种负荷工况下均可达到极好的燃料经济性。

涡轮增压技术能够通过提高进气量提高发动机动力，增量高达40%甚至更高。然而，非曲轴连杆机构发动机则无需涡轮增压，因为升功率大于传统发动机一倍（视非曲轴连杆机构发动机为二冲程发动机），即便考虑污染排放的燃料稀释后的动力减半，以非曲轴连杆机构发动机的超高效率动力输出依然轻松高出传统发动机动力的70%乃至80%。

可变气门正时及升程技术能够通过各工况之间的均衡选择大幅降低氮氧化物和碳烟微粒排放，并在一定程度上提高效率与动力和降低油耗。然而，非曲轴连杆机构发动机无需可变气门正时及升程，因为进、排气均不受外界干扰，且充气系数较高，各种工况均处于良好的燃烧状态，氮氧化物和碳烟微粒排放近乎为零，动力强劲有力，输出稳定如一，无需可变气门正时及升程一定程度上的改善与提高。

爆燃控制是为了避免爆燃所采取的各种防爆措施。然而，非曲轴连杆机构发动机无需爆燃控制，由于没有曲轴连杆机构的固有缺陷，不存在爆燃问题，当然也就无需爆燃控制。

可变压缩比技术能够通过大、小负荷的不同压缩比调节更为精准地控制着火始点，提高动力，降低油耗。然而，非曲轴连杆机构发动机无需可变压缩比，因为无需控制着火始点就可强劲输出及很低油耗。况且可变压缩比技术能够提高的动力和降低的油耗十分有限，对于有着超高动力和超低能耗的非曲轴连杆机构发动机没有丝毫的诱惑力。

传统发动机必不可少的诸多高技术对于非曲轴连杆机构发动机毫无意义，除了高难繁杂没有任何价值。

设想一下：按照均质压燃燃烧的着火条件，只要燃料和空气混合均匀，空燃比大致在30～60之间，压缩比提高到22甚至更高，则多点同时着火，并以氧化反应迅猛燃烧，放热速率接近理想的等容燃烧，整个过程在12°曲轴转角内便燃烧得干干净净，火焰温度低，没有任何污染排放[3]。高效清洁，理想之极。既无需控制着火始点和燃烧速率，也无法控制着火始点和燃烧速率，没有必要附加种种改进有限的高难技术，没有必要加裝种种用于尾气排放的处理装置，也没有必要添加花样繁多的先进装置，一切还原本来，一切回归自然。汽油机做不到，柴油机做不到，传统发动机做不到，但非曲轴连杆机构发动机则轻而易举。

7 结语

（1）污染排放是传统发动机受制于爆燃或者粗暴限制的必然产物，而爆燃或者粗暴则是曲轴连杆机构构成的固有缺陷。

（2）爆燃中的“金属敲击声”并非“高频锯齿波”的产物，也非燃料混合气本身的燃烧特性，而是活塞、连杆和曲轴这些机件之间的相互撞击。

（3）传统发动机难以满足高压缩比、适度稀薄、均匀混合气等高效清洁燃烧所需的充要条件。

（4）原本传统发动机的排放很好，只是由于曲轴连杆机构的“暗中使绊”。

（5）非曲轴连杆机构发动机的尾气排放由于没有爆燃或者粗暴的束缚限制而高效清洁。

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;256-265;189、194、219;192-193.

[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，2005：97.

[3]蒋德明.高等内燃机原理[M].西安交通大学出版社，2002年.