传统发动机效率体系的全面质疑

刘祖川

摘 要：基于传统发动机固有缺陷的重大发现：致使传统发动机效率不高的根本原因主要在于机械转换损失（见附件一），而机械转换损失则是曲轴连杆机构构成的固有缺陷，那么作为非曲轴连杆机构发动机则拥有巨大的热效率提高潜力，并在探索热效率的机理中，不仅发现了奥托理论热效率明显小于真实的指示热效率，而作为实际循环的指示热效率本应还低于理论循环2%左右的热损失，还发现作为传统发动机效率根基的卡诺循环热效率并不适用奥托理论热效率，因为卡诺循环热效率的温度热源完全与奥托理论热效率的压缩比无关，既没有符合性也没有相关性。如果卡诺循环热效率不适用奥托理论热效率，那么建立在卡诺循环热效率基础之上的奥托理论热效率就是错误的。因此，传统发动机的整个效率体系将会面临全线崩塌的尴尬境地。

关键词：卡诺循环热效率 奥托理论热效率 适用性

1 引言

由于机械转换损失过大（见附件一），加上其他损失，由曲轴连杆机构造成的热效率损失高达热效率的100%，使得非曲轴连杆机构发动机热效率潜力的挖掘提高能够大大超过奥托理论热效率的上限（见附件二），以至于不得不追究奥托理论热效率的来龙去脉，直到来到奥托理论热效率的根基卡诺循环热效率的帐前，简单对比了一下两者的符合性及相关性，的确有问题。

2 兩则实例

取压缩比10，和高温热源2500K及低温热源1300K，首先利用奥托理论热效率计算热效率

η=1-1/εк-1（к=1.35） （1）

奥托理论热效率下的η=1-1/101.35-1 =55%

利用卡诺循环热效率计算热效率

η=1-TL/TH （2）

卡诺循环热效率下的η=1-1300/2500=48%

卡诺循环热效率明显小于奥托理论热效率，两者没有符合性。如果取低温热源1300K和热效率55%，则高温热源由（2）式得到

TH=TL/（1-η） （3）

卡诺循环热效率下的TH=1300/（1-55%）=2888K

卡诺循环55%热效率所需的高温热源已经超过汽油机最高燃烧温度2800K的上限，即获得同样高的热效率需要消耗更高的高温热源。奥托理论热效率似乎与决定卡诺循环热效率的温度热源无关，事实上，柴油机的最高燃烧温度低于汽油机的最高燃烧温度，但凭借近一倍高出的压缩比却比汽油机的热效率更高，两者也没有相关性。均质压燃燃烧也是如此，虽然最高燃烧温度低于清洁排放1800 K的上限，但凭借高压缩比照样高效清洁。

再举一例：如果没有爆燃限制，将汽油机的压缩比提高到20，通过调低混合气浓度使得最高燃烧温度限定在1800K以内，且保持1300K的低温热源，则

根据（1）式得到奥托理论热效率下的η=1-1/201.35-1=65%，以及根据（2）式得到卡诺循环热效率下的η=1-1300/1800=28%，同为高、低热源的热效率相差巨大，两者没有符合性。

而根据（3）式，TH=1300/（1-65%）=3700K，无论是汽油机还是柴油机都是承受不起的高温热源，两者也没有相关性。这一结果表明同样高的热效率对于1300K的低温热源卡诺循环热效率需要更高的高温热源，而奥托理论热效率则只依赖于压缩比，既没有符合性也没有相关性。

如果按照柴油机正常燃烧的高温热源2100K和低温热源1000K，卡诺循环热效率下的热效率为52.4%，仅高出汽油机9个百分点，而实际柴油机的热效率至少高于汽油机15%，因此卡诺循环热效率低于奥托理论热效率。

3 卡诺循环热效率的适用性

具有最高热效率的卡诺循环热效率难道还不及奥托理论热效率？为了进一步证实两种效率的符合性及相关性，以上述两例为基础绘制热效率为横轴的压缩比与高温热源的对比图，找出两者关联及热效率的高低分晓。

横轴为两者共同热效率η及其单位%，纵轴为卡诺循环热效率的高温热源TH及其单位K，和奥托理论热效率的压缩比ε，低温热源TL=1300K，且位于纵轴底部，取绝热指数к=1.35。先从压缩比入手，利用（1）式通过压缩比求出热效率，再利用（3）式通过热效率和低温热源求出高温热源，并假设没有爆燃限制，其结果见“奥托压缩比与卡诺高温热源的对比图”。

卡诺循环热效率的高温热源对应汽油机2200K～2800K最高燃烧温度下的41%～54%的热效率范围，和4.5～9.2的压缩比范围，卡诺循环热效率范围大都位于汽油机热效率范围的下限以外，两者没有符合性;卡诺循环热效率对应的压缩比大都位于汽油机常用压缩比范围的下限以外，两者也没有相关性，即大多偏离汽油机8～12压缩比及其52%～58%热效率的有效范围，两者既没有符合性也没有相关性。因此，卡诺循环热效率不适用奥托理论热效率。

当然，也可将环境温度视为低温热源TL=300K，则52%～58%热效率范围内的高温热源TH=625K～714K，远离汽油机2200K～2800K的最高燃烧温度范围;还可将汽油机的最高燃烧温度2500K视为高温热源，则52%～58%热效率范围内的低温热源TL=1200K～1050K，也在汽油机1200K～1500K的排气口温度范围之外，卡诺循环热效率还是不适用奥托理论热效率。因此卡诺循环热效率的确不适用奥托理论热效率。

总之，卡诺循环热效率在相当程度上低于奥托理论热效率，或者同样高的热效率对于300K低温热源的高温热源依然远离汽油机最高燃烧温度范围，或者同样高的热效率对于2500K高温热源的低温热源还是位于汽油机排气口温度范围之外，即再次表明同样高的热效率对于2500K的高温热源卡诺循环热效率需要更低的低温热源，无论是低温热源还是高温热源，乃至环境温度还是排气口温度，两者均无任何相关性。奥托理论热效率主要取决于压缩比，与卡诺循环热效率的高、低温热源全然无关，甚至均质压燃燃烧中的最高燃烧温度与热效率的走向完全相反，即使奥托理论热效率下的最高燃烧温度很低，但热效率却“很高”，以至两种循环的理论热效率没有任何关联。从而可以作出如下判断：卡诺循环热效率完全不适用奥托理论热效率，建立在卡诺循环热效率基础之上的奥托理论热效率是错误的。

4 有效热效率公式的全新构建

既然在发动机上现实卡诺循环是没有实际意义的[1]，那么基于该循环的奥托理论热效率又有多少实际意义？为此，建立在大量实验数据基础之上的拟合函数则更具实际应用价值，尤其是对于非曲轴连杆机构发动机仅需唯一有关定容加热循环的经验公式，既有较好准度还可以上手作业。

有效热效率等于指示热效率与机械效率之积。指示热效率可以通过指示功与所耗燃料之比求取，机械效率可以通过有效功率与指示功率之比求取，有效功率可从试验台架上读出，指示功率则是单位时间内做的指示功。指示功既可通过P-V示功图求取也可通过P-φ示功图求取，而P-V示功图或者P-φ示功图则是能够测定指示功的唯一测法。为什么？因为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，也就是避开了机械转换损失，只能测出摩擦损失，无法测出机械转换损失，测定的指示功只能是低得多的现有指示功。虽然示功图法能够测定指示功，但由于“活塞上止点位置不易确定”[2]，使得所测结果出现错误。指示功的错误测定在所难免。

必要提示：在测定指示功时不得向现有指示功靠拢，不得凑数，不得篡改，测出什么结果就是什么结果。对于测定时出现的更大诧异恐怕不会相信自己的眼睛，测定的指示功竟然远高于现有的指示功，没错！这就是真实的指示功！因为人为缺失的机械转换损失则是摩擦损失的三倍之多，真实的机械损失约为现有机械损失的四倍之巨（见附件一）。测定的指示功更高，指示功率更高，指示热效率更高，而机械效率则更低，并为非曲轴连杆机构发动机的有效热效率提高潜力提供理论依据（见附件二）。

分析法也可求出指示功率，但由于“发动机机械损失的原因极为复杂，以致无法用分析法来求出准确的数值，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。”[2]而不能使用，反倒成为本文论点的最好佐证。

5 结语

卡诺循环热效率不适用奥托理论热效率，两者既没有符合性也没有相关性，因此建立在卡诺循环热效率基础之上的奥托理论热效率是错误的。并且，在构建有效热效率经验公式的过程中还会出现大幅高于現有指示功的更大惊喜（见附件二）。

参考文献：

[1]京特·P.默克（德）等编;高宗英等译. 内燃机原理（上）——工作原理、数字模拟与测量技术. 械工业出版社，2019：17.

[2]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，2007：137.