重构传统发动机的效率体系

刘祖川

成都双镟动力科技有限公司 四川省成都市 610000

1 引言

百年前理想化的卡诺循环终将随着传统发动机的淘汰出局一起走进历时博物馆，难道所有的燃油发动机也要随着传统发动机的淘汰出局一起葬送大海？机械转换损失、废气带走损失、传热冷却损失的三大发现，迫使理论热效率大幅突破（见“从机械损失的大幅突升到热效率的大幅突破”），让拥有最高热效率的卡诺循环黯然失色，更让我们为之惊艳的是，对于非曲轴连杆机构发动机，不仅理论热效率高达100%，有效热效率还可媲美卡诺循环热效率，一场颠覆动力、引领未来的重大历史机遇迎面扑来。在新能源时代的“高速换挡”之际，有效热效率体系架构的及时推出恰逢其时，不同于以热力循环为架构、以高、低温热源为核心的理论热效率体系的繁杂、混乱、无效，以热平衡为架构、以膨胀功为核心的有效热效率体系更为简洁、实用、有效。

2 体系架构

相较于理论热效率热力循环的多个过程，为什么不利用单一明晰的绝热膨胀过程？相较于理论热效率定义式中远在天边的高、低温热源，为什么不直接利用近在眼前的膨胀功和压缩功定义有效热效率？何必曲线绕道理论热效率？甚至，由于膨胀功和压缩功可测，直接就可利用膨胀功定义有效热效率（见“质疑传统发动机理论热效率的立足之本”）。

由于具有可逆过程的热力循环不存在（见“质疑传统发动机理论热效率的立足之本”），无需纠结循环过程，轻装上阵，只需聚焦膨胀作功过程，抓住既能反映燃烧热量又能反映有效功的关联核心，在热平衡架构内简单明了、直截了当、准确无误地求得有效热效率，即可大功告成。

2.1 效率定义

如果利用膨胀功定义“理论热效率”，由于只涉及到膨胀作功过程，无需其他过程，且膨胀功直接对应有效功，因而直接就可锁定有效热效率。

理论热效率的定义式未能构成热平衡（见“质疑传统发动机理论热效率的立足之本”），有效热效率的定义式能否构成热平衡？根据有效热效率的定义式，有：

有效热效率=（燃烧热量-压缩功-燃烧热量损失-机械热量损失）/燃烧热量

其中，膨胀功为作用于活塞上的机械功，燃烧热量为缸内燃料燃烧获得的总热量，则

有效热效率×燃烧热量=燃烧热量-压缩功-燃烧热量损失-机械热量损失

即：有效功=燃烧热量-压缩功-燃烧热量损失-机械热量损失

故：燃烧热量=有效功+压缩功+燃烧热量损失+机械热量损失，构成热平衡，符合热力学第一定律。

由于有效热效率的定义式能够构成热平衡，所以有效热效率公式既可用定义式表示，也可用热平衡表示。

2.2 效率公式

膨胀功是来自燃料燃烧的热量释放，同时伴随着压缩功和燃烧损失；膨胀功还是驱动有效功的热量来源，同时伴随着机械损失。膨胀功正比于缸内压力，缸内压力来源于示功图，示功图可从发动机实际运转中测得，既可反映燃烧热量又可反映有效功。膨胀功犹如燃烧热量与有效功之间的桥梁，只需建立膨胀功和压缩功分别与压缩比之间的关系式（从大量试验数据拟合曲线推导出的经验公式），那么无论是通过测算还是通过估测，桥梁均可搭建通行。

一般认为，理论热效率，如果不考虑损失，即为最大热效率，或为最高热效率。据此理解，理论热效率应为100%，即任何热机的理论热效率均为100%。理论热效率减去各种损失占比，即为有效热效率。彻底打破理论热效率“天花板”，决然抛弃卡诺循环效率的最高上限。

按此思路，燃烧热量等于100，理论热效率等于1（100%）。有效功等于燃烧热量减去压缩功与燃烧热量损失与机械热量损失之和，或者有效热效率等于理论热效率减去压缩功占比与燃烧热量损失占比与机械热量损失占比之和。燃烧热量损失等于燃烧热量减去压缩功与膨胀功之和，或者燃烧效率等于膨胀功与燃烧热量之比。机械热量损失等于膨胀功与有效功之差，或者机械效率等于有效功与膨胀功之比。膨胀功和压缩功分别正比于缸内压力，缸内压力既可直接测定也可通过缸内压力-压缩比关系式测算。据此，设膨胀功为W1{p1（ε）}，压缩功为W2{p2（ε）}，其中p1（ε）为膨胀功压力，p2（ε）为压缩功压力，ε为压缩比，且机械热量损失既可测算也可估测，则

燃烧热量损失=燃烧热量-压缩功-膨胀功=100-W2{p2（ε）}-W1{p1（ε）}，

机械热量损失=膨胀功-有效功=W1{p1（ε）}-有效功，

有效热效率=（膨胀功-机械热量损失）/燃烧热量=（W1{p1（ε）}-机械热量损失）/100，或者

有效热效率=（100-W2{p2（ε）}-燃烧热量损失-机械热量损失）/100，

只需测算或者估测机械热量损失，再利用膨胀功W1{p1（ε）} 和压缩功W2{p2（ε）}，就可得到有效热效率。

如果将作用于活塞上的膨胀功视为指示功，燃烧效率则是指示热效率，机械效率则是指示功克服机械损失的效率，有效热效率也可等于指示热效率与机械效率之积，或者燃烧效率与机械效率之积。如果燃烧损失为零，机械损失为零，那么有效热效率就可等于100%的理论热效率。只要没有热量损失，热-功转换就可100%的完全转换。虽然不会出现这一极端场合，但却是有效热效率的最大上限。

3 实例估测

膨胀功和压缩功既可分别通过测得的示功图测算出的二者平均缸压或者二者平均指示压力求得，也可将ε分别代入W1{p1（ε）}和W2{p2（ε）}求得。机械热量损失既可通过测算确定，也可通过估测与有效功的大致关系获得。

对于曲轴连杆机构发动机，俗称传统发动机，以43%的有效热效率为例，有效功约定为43；压缩功约为17.4（见“质疑传统发动机理论热效率的立足之本”）；机械转换热量损失约为有效功的70%（见附件），则机械转换热量损失约为30.1；以摩擦为主的机械热量损失约为6，其中，摩擦损失约定为机械热量损失的60%，即摩擦热量损失约为3.6；泵气热量损失约定为机械热量损失的20%，即泵气热量损失约为1.2；附件热量损失约定为机械热量损失的20%，即附件热量损失约为1.2，则膨胀功：

W1{p（ε）}=有效功+机械转换热量损失+以摩擦为主的机械热量损失=43+30.1+6=79.1，

燃 烧 热 量 损 失=100-W2{p2（ε）}- W1{p1（ε）}=100-17.4-79.1=3.5，

燃烧热量损失仅为3.5，机械热量损失高达36，指示热效率高达79%，机械效率低至54.4%。

对于作为非曲轴连杆机构典型代表的旋转发动机，机械转换热量损失为零；由于滚动摩擦远低于滑动摩擦，摩擦热量损失约定为上述摩擦热量损失3.6的四分之一，则摩擦热量损失约为0.9；泵气热量损失约为1.2；由于附件远少于传统发动机，附件热量损失约定为上述附件热量损失1.2的三分之一，则附件热量损失约为0.4，则机械热量损失共计2.5；燃烧热量损失约为3.5，由于没有曲轴连杆机构造成的爆燃限制而无需躲避上止点附近的最大燃烧压力，也无需过长的燃烧持续时间[1]，压缩比更高，燃烧速度更快，燃烧更加充分有效，热功转化效率更高，膨胀功与压缩功之比更大，也就是压缩功与膨胀功之比更小，压缩功从与膨胀功的22%占比降至15%（见“质疑传统发动机理论热效率的立足之本”），则

联立（1）和（2），并代入具体数据，有：

有效热效率突破80%。燃烧热量损失仅为3.5，机械热量损失仅为2.5，指示热效率高达83.9%，机械效率高达97%。

以膨胀功为核心的热平衡架构使得效率体系的构建与应用更为简洁、明晰、实用、有效。

理论热效率公式从未用于工程实践，早已失去了对工程应用的指导意义，而有效热效率由于压缩功和机械热量损失均可得到较为精准地测算或者方便地估测而能够很好地用于发动机的研究开发，因为上述两项热量损失的多少直接关系到有效热效率的高低，极为有利于发动机有效热效率的提高改进。

4 结语

（1）在新能源时代的“高速换挡”之际和重大历史机遇的席卷之下，有效热效率体系架构的及时推出恰逢其时。（2）抛开热力循环过程，只按膨胀作功过程，聚焦既能反映燃烧热量又能反映有效功的关键核心，以热平衡为原则构建效率体系。（3）以膨胀功为核心的热平衡架构构建起来的有效热效率体系既实用又有效，能够很好地用于发动机的研究与开发，极为有利于发动机有效热效率的提高与改进。