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轿车发动机节能的更高目标,不是代价高昂、结构复杂,而是从现有发动机<1/4功率损失于内耗>入手,使结构彻底简化,体积、重量、造价彻底减下来。达到,利用废气动能；解决内耗问题；提高升功率；实行稀薄燃烧；解决节气门问题；以及起动发电-发动机一体化。为汽油车,从汽油到可再生能源,提供经济实用、高效节能的轻巧动力。
换气的微观层面,实现<粒子有序运动>和<无强制排气>,从根本上解决二冲程问题.---
<二冲程新机制>优于<四冲程机制>的结果是：
发动机一整套气门传动机构（耗能占内耗的20%）和排气、吸气两个冲程（泵气损失和机械损失占内耗的50%）可以取消,从而实现：
<复杂结构、两转作功一次>高成本的耗能做法,改为<简单结构、一转作功一次>低成本的节能做法。使升功率和扭矩提高一倍以上,而无需动用增压的办法；汽油机的节能效果将超过柴油机,尤其,低负荷的燃油经济性将成倍提高；而发动机成本可大幅下降；比功率超过1.5kw/kg。汽油车的续驶里程、动力性、低排放和高可靠性将有全新的表现。 （图片）
图 1 （图片） 继承传统发动机的优点,简化其结构---
<传统活塞直接推动曲轴旋转、典型的二冲程气缸工作容积>
机构演化（见第7 页图2、图4）无需改变曲柄连杆机构的运动链,即可使传统理想圆柱形活塞的往复运动,变成行星运动（与转子发动机的三角活塞一样,公转加自转）,实现由活塞[11]、[12]（见图3 图5）直接推动曲轴[31]旋转。从而,不仅大幅度减小发动机的体积、重量,而且从根本上消除了往复惯性力,为减少发动机的内耗；为发动机的高速化,扫除一个障碍。与此同时,气缸的旋转不仅取代以尺寸、重量发挥作用的飞轮,为发动机的轻量化扫除一个障碍（转子发动机仍须有飞轮和曲轴平衡重）,更主要的是,<气缸的旋转>展开了《全序发动机》的节能新途径：（图片）
图 3 （图片）
图4 （图片）
图 5 1.气缸的旋转,使传统二冲程换气过程产生了质变,换气问题的解决进入微观层面,如图3 所示,废气粒子[20]、新气粒子[19]分别在方向相反的科氏力强烈约束下,紧贴各自一侧缸壁（分别称前进面、落后面）的深处,实现粒子的有序运动。并且,废气粒子始终主动从排气窗口[18t 或18u]射出,特别是<自由排气>阶段,接近排气窗口的废气粒子科氏加速度Wkp 可达105米/秒2（Wkp=2Vω,与气流速度V、气缸的角速度ω有关,而与发动机的尺寸无关）,数万乃至数十万米/秒2 的巨大加速度在其每个废气粒子的质量上,产生巨大的惯性力(科氏力),致使气流V 内的粒子紊乱状态,在剧烈加速中,变成粒子的一致射出（宏观上将是可观的动能从热能中转化出来,为废气动能的再利用创造条件）,进而又导致V 的增大、形成瞬时激发的连锁反应,造成<自由排气>后期缸内出现真空。紧随进气窗口[16]的开启,<以真空吸气为主的进气阶段>,取代了传统的<扫气与强制排气阶段>,节省了扫气泵的能耗,并根本上减少了两种粒子相遇的机会。
全序发动机<二冲程新机制>的特征在于,<无强制排气>使换气成为一个全<自由>过程;科氏力使换气成为一个<有序>过程。其意义在于：①换气所需泵气能量已由废气动能支付,从而增加了动力输出(Ne),并使汽油机部分负荷下的节气损失问题得到改善;②真空吸气对(罗茨)扫气泵是一个助力过程(作功)。仅在进气后期需要扫气泵向缸内填补新气至大气压,但无驱赶废气的负担,因此泵气损失可以忽略;③进气阶段,缸内残余废气粒子继续主动从排气窗口射出,直到新气灌满气缸(而传统四冲程换气,进气开始,燃烧室里的废气已经被关闭在缸内),因此排气更加彻底;④另外,由于进气顺畅、新气粒子又有强烈约束,故可将原有两个进气窗口[16](图3、图8 所示)作为进气主窗口,围绕下止点落后面、紧挨着增设多个进气副窗口。从而可以降低进、排气窗口的高度,使传统二冲程发动机<有效工作行程减小>的缺点得以解决;⑤总之,全序发动机换气的<自由、有序>得益于科氏加速度Wk=2Vω(矢量关系）。由于ω=2π n/60≈n/10, n 是气缸转速;接近排气窗口的气流速度V 按<自由排气>的音速500～700 米/秒(与温度相关)。可见n 只需1000 转/分,废气粒子的Wkp 的数量级即高达105 米/秒2.。说明,转速n 对发动机性能具有正面效应,与传统汽油机充气效率ηv、机械效率ηm 等随n 升高而下降的总趋势相反(但并不意味着高速化,由于二冲程已经使有效作功次数增加一倍),从而有益于改善发动机的动力性和经济性,使其成倍和大幅增长。（图片） （图片） （图片）
活塞杆[11g][12g]上对开式滚动轴承[36t][36u]的滚道[39t][39u]的齿形结合部[40]即将对接时的立体放大图 <能区分两种粒子>的根本原因是运动状态不同：
△废气粒子来自燃烧室,距离旋转中心O（该点的线速度是零）最远,线速度最大,一旦离开燃烧室,例如在向排气窗口运动中,因每一点气缸的线速度是递减的,从而产生了超越气缸旋转的科氏惯性力,使废气粒子紧贴缸壁前进面深处运动（从而还推动气缸旋转作功）,一旦到达排气窗口即主动射出。
△新气粒子来自缸外,没有建立气缸旋转的线速度,一旦进入气缸即冲向远离排气窗口的缸壁落后面（见图3）,始终被落后面推着加速（即作负功,但远小于废气粒子所作的功）,尽管缸内废气稀薄,但仍然紧贴落后面深处,楔子式地进入燃烧室,并以“楔子”为底,向排气窗口方向堆积。被排挤的废气粒子,即主动靠向前进面,一旦到达排气窗口,即主动射出。从而最大限度地减少了两种粒子掺混的机会。
△总之,新气粒子既不可能超越气缸的旋转,从排气窗口流失；废气粒子也难以滞留缸内。从而进气末期,扫气泵可以有效地向缸内填补新气至大气压,而使废气残留量极低,充气效率ηv接近1。这都是非增压四冲程汽油机（ηv=0.75～0.85）难以做到的。加之换气所需泵气能量已由废气动能支付等等,发动机换气的理想状态<排气彻底、进气充分、换气损失小>基本得以实现,从而为提高发动机动力性、经济性奠定基础。
<真空吸气与无强制排气>的验证(全序发动机样机排量1 升,见第7 页图1)在(罗茨)扫气泵精度高、性能好、输气容积不大于气缸有效容积（从排气窗口上沿计算）,即输气不过量的前提下,在发动机高、中、低三种速度运转情况下,测量扫气泵的输出压力,①扫气泵压力无显示;②扫气泵测压口(直径20mm)打开,与大气相通的情况下,发动机转速稍有下降，但运转依然十分稳定。
<所述粒子>包括 汽油雾滴到新气所含气体分子、废气所含气体分子乃至少数碳的固体颗粒等,均作为质点（即粒子）简化分析。忽略了分子热运动等真实气体的物理特征。（图片） 图6 是全序发动机运转实验中,在新活塞顶面刚刚出现积碳时,显现的,被油气混合物强烈冲刷,形成的新气流线痕迹(因是徒手描绘,失去了原有流线的致密、连续、强劲)。从图中可见：
①新气进入气缸是直逼落后面,以至于贴着活塞顶面横扫而过,与气体进入“真空容器”,立即扩散至“容器”所有空间的特征相悖。说明,新气分子热运动的扩散力与质点惯性力不在一个数量级。按<质点简化分析>,在新气通过短小的进气道[16a]时,因流速高,又是远离旋转中心O 的方向,故已经具备了很大的科氏加速度(Wkj)和惯性力,从而导致新气粒子进入气缸即直逼落后面；
②流线与进气窗口[16]的导向不能衔接,尤其左右两个进气窗口应是两股流线，而实际却是致密无间的一整片流线。说明,在流线的垂直方向,新气的扩散力与惯性力是垂直的,不受惯性力约束,因而扩散使流线连成一片,均匀分布。同理,在垂直于流线的另一个方向(垂直于活塞顶面),新气的扩散是远离旋转中心O的方向,瞬间发生、速度极快,因而科氏加速度和惯性力很大(消耗气体内能,使新气降温),使新气更贴向落后面深处。可见,这是<质点简化分析>需要修正的地方。
<传统二冲程换气>微观上两种粒子是没有任何约束的,单靠宏观上对新气加压和导向,用新气驱赶废气的办法,难免废气滞留缸内；新气从排气窗口流失；以及两种粒子的掺混。其结果是耗能大、效果差、污染大,致使四冲程成为理想的换气方式。但是,四冲程发动机每两转作功一次的耗能做法(往复惯性力、机件的摩擦、活塞正反两面的泵气能量损失等等),以及结构的日趋复杂,使发动机内耗的减少更加困难,只能通过发动机的强化(如增压),相对缩小内耗所占份额,而代价则是增加结构,及对寿命和可靠性的影响。（图片） 2.气缸具有鼓风叶片形的散热片[56](见图7),借助气缸的旋转,实现风冷散热,省掉了风扇、水箱、水泵等复杂的冷却装置,并减少了能耗。同时,既节省了汽车的有限空间,又进一步减轻了汽车自重（汽车自重每减轻10%,燃油效率可提高6%～8%）。而且,四个气缸呈十字形分布,解决了传统多缸风冷发动机因缸心距的限制造成散热片布局的困难,及过风阻力大等问题。由图7 可见全序发动机散热片布局比较疏散,既减少过风阻力,又使外围靠近燃烧室的高温区,拥有足够的散热面积。辐板[15](见图3、图7、图8)厚度较大,连接了十字形分布的四个气缸,确保强度、刚性的同时,在相邻两缸的排气高温区[P]、进气低温区[J]和散热片三者之间,担负传热、平衡温度场的作用。特别是下止点的落后面深处是新气冲刷的起点,距相邻气缸的高温区[P]最近（见图3），为避免对新气过分加热,如果需要,这里的辐板厚度可局部减小,甚至空缺。气缸由铝合金铸造,缸壁采用多孔镀铬,散热好、寿命高、重量轻。但是作为飞轮,就明显重量不足,然而,也恰好给气缸旋转体的进一步完善,例如,起动发电-发动机一体化,留出了加重的余地。
风冷发动机使用、维修简便,对酷热或严寒、沙漠或高原等气候和地理环境适应性强；而冷起动后,暖机时间短的优点,则具有节能意义。
气缸体上的曲轴箱[32c](见图7)是一个圆柱形空间;从剖开的图3 看,它位于两对气缸[13t]、[13u]的十字交汇处;也是前、后轴承座[23a]、[23b]之间的空间(对照图5)。前、后轴承座上的轴承[32a]分别坐落在曲轴箱前后端的轴承孔[32b]内,支承着气缸体的旋转。前、后轴承座分别安装在机壳[1]的前、后端中央(前端是机壳的端盖[7],见图9),轴承座周围有冷却空气的进风口;(样机的)机壳周边有出风口[2]、[10]、[10c]。
3.<天然分层稀燃式汽油机>
新气紧贴落后面深处,向远离旋转中心O 的燃烧室方向运动，其科氏加速度Wkj（数量级10³米/秒2）在每个粒子的质量上产生强烈惯性力，因汽油分子（以至雾滴）的相对质量比空气大，而更贴近落后面深处，形成浓混合气、较稀混合气（乃至空气）的气流分层,且进入燃烧室因离心力的作用维持已有层次，至点火前稳定保持新气浓区贴近燃烧室顶火花塞[4]（见图3）附近, 使全序发动机成为<天然分层稀燃式汽油机>, 为实现<少节气>、<免节气>,进一步降低油耗、减少排放,提供了条件。与传统分层稀燃汽油机（须同时兼顾油气混合与分层稳定）相比,新气这种<缸内非均质化>因有惯性力的支持,浓区稳定、适应宽广的转速负荷范围；但同时也存在出现汽油凝聚现象的可能（气体燃料无此问题。燃用氢气时,浓区将会颠倒）。因此,人为只须侧重油气混合,使燃烧和运转更加稳定；甚至（如果需要）可以达到<分层>和<均质>之间的选择。为此,就决定了：①要求新气在缸外达到最均质化的预混合，扫气泵前要有尽可能好的汽油雾化,并在进入气缸前尽可能充分地蒸发混合；②利用相邻气缸排气高温区[P]的热量,经辐板[15]（见图3、图8）的导热,使冲向落后面深处缸壁（新气）的残存汽油雾滴,从一开始就被加热汽化；③利用落后面增设进气副窗口的气流对新气主气流施加干扰,促使残存汽油雾滴蒸发混合；甚至（如果需要）形成密集连续的小滚流,削弱或消除非均质化过程，等等。相应的要求和办法，从容充分地进行油气混合，提高混合的微观均匀性，减小循环波动，为汽油机，尤其稀燃汽油机改善燃油经济性和HC 排放，提供保障。
分层稀燃可使燃油消耗降低 15%,它是一种充分利用燃料能量提高热效率ηi的办法,因而具有重要意义。但由于燃烧在富氧环境(如不能利用低的燃烧温度)会产生大量NOx ,需要增加昂贵的NOx 后处理装置。因此,分层稀燃可以作为一种选择。而<缸内非均质化>使火花塞周围区域具有稍浓的混合气,可以缩短着火滞后期,加快燃烧速度,改善燃烧。
对接在后轴承座[23b](见图 5)上的扫气泵(泵轴[26]由曲轴[31]带动),通过轴承座内十分短小的总进气道,与曲轴箱[32c](见图7)相通,构成紧凑的曲轴箱换气结构(即曲轴箱成为各缸进气的中转空间)。曲轴箱里各缸的进气口[16a](见图6)到进气窗口[16]的路程,仅是第二道活塞环到活塞顶的距离,故可忽略不计(对照图3 可知)。除了必要的进气空间,曲轴箱容积大部分被两对活塞[11]、[12]充填。显然,全序发动机上,既不存在传统发动机进气总管到进气歧管那样大范围管道空间里的气波回荡、气流及壁面油膜蒸发等复杂多变的情况；也不存在进气路径差异造成的“边缘气缸”。而是,在气缸的旋转中,各缸均在同一位置、经由同一路径进气,形成机械的分配式进气过程(排气也有类似),确保了各缸进气均匀一致。从而,使传统意义的多点电喷失去必要性。为结构简单、成本低、故障率低、工作可靠的单点电控汽油喷射与点火系统的使用,创造了条件。进而,为新气在缸外精确的达到最均质化的预混合,更好地实现分层稀燃或均质燃烧的目的创造条件。
汽车排放到大气中的HC 总量中,20%来自曲轴箱窜气,因此上述曲轴箱换气的意义还在于<减少了一个HC 污染源>,从而免去了相应的控制措施与复杂的结构。
全序发动机样机（排量1 升、见图1）实验中,采用雾化性能好的化油器,发动机的加速性非常好,仅½的油门开度,转速即达到4000 转/分；而怠速则稳定在200 转/分,着火稳定、运转均匀。且在怠速油门上,用手拉绳轮,只需一次即可顺利起动,供油量极少、无需加浓。说明在燃烧室顶,确实存在着有利于点火燃烧的浓区,保证燃烧安定性。同时也说明,由于消除了往复惯性力,整机结构又非常简单,除了活塞气缸之间是滑动摩擦外、所有运动副已全部实现滚动轴承化,加之换气所需泵气能量已由废气动能支付,等等,使全序发动机的自身功率消耗极低。总之,全序发动机须在匹配良好的单点电控汽油喷射系统条件下完善和优化。（图片） 4.废气从四个气缸的排气窗口［18t、18u］排出后,经接口[54](见图7、图8、图9),分别由四根隔热管[52]通往排气圆环[69]内的四条排气道。排气道对外开口K 的方向,与气缸转向相反,从而可以利用排气的反推作用,构成废气动能的二次利用。其实,废气从排气窗口到接口[54]以及从隔热管[52]到排气圆环,经历了两次流向改变（见第7 页“pdk 管道路线”）,大部分废气动能已经传递给气缸旋转体。（图片） 气缸旋转体由滚动轴承[32a]（见图5）支承,与机壳定子[1]没有任何接触摩擦,废气从气缸旋转体到机壳定子排气总管的传递,是在既无接触摩擦,又无散漏的消音条件下进行的。如图9所示,在气缸排气窗口初开瞬间，排气道里出现了很大的冲击压力,使之产生了压力波。当波的正压通过迷宫间隙[70]时,间隙里的数次流向转折,极大地削弱了波的压力。进而,又遇到消音槽[72]及与其相通的蓄压腔[73],波的通道空间骤然千百倍地扩大, 使其压力几乎消失。残留的微弱正压难以迅速通过下一道迷宫间隙[71],被暂时蓄容下来。但波的负压紧接着又同样地进入了消音槽,并抵消了残留正压。从而,有效地解决了排气传递过程产生的噪音及废气散漏问题,可在端盖[7]上的定子排气总管(内管口设在,与排气圆环[69]一个处于排气位置的开口K,相接应的地方)装接传统的消音器,使排气消音问题得到圆满解决。
5.气缸盖［14］上的火花塞［4］随气缸一起旋转（见图3）,火花塞接线端与机壳上的弧形电极［5］之间有一个规定的间隙（与配电器里的配电间隙一致）,高压电跳过时,产生的火花可在弧形电极的刻度上显示点火提前角的数值。这样,不但省掉了配电器,也省掉了通往各缸的高压线,为使用、维修带来方便。随着点火技术的发展,全序发动机的点火系统也需更新和优化。
6. <¼功率损失于内耗>是指发动机在全负荷时,燃料所具有的热量的40%转换成动力（指示功率Ni）, 而动力输出却只有30%（有效功率Ne）,另外10%耗于发动机自身运转（内耗Nm）。其余热量,30%随废气排出；30%随冷却散发。然而,这仅是一种概括,车用发动机往往低负荷运转工况多,内耗所占份额接近或超过输出动力。因此,大幅度（70%～80%）降低内耗,不仅增加动力输出（达Ne 的18%以上）、节省相应的燃料，而且，低负荷燃油经济性将成倍提高,这对车用发动机尤为重要。总之,降低内耗是不可忽视的廉价潜力,由此展开汽油机<多方位的节能增效>（包括大幅度减小发动机的体积、重量）,不仅足以弥补与柴油机的差距,而且也是汽、柴油机,不同成本、不同资源间的性能竞争。
内耗包括：发动机的机械摩擦损失；泵气损失；以及附件消耗（含水泵、机油泵、燃油泵及点火装置等,但不包括水箱风扇、发电机等）。内耗是发动机能量转换中不可避免的环节,但不等于不能降低损失。大的方面,改变发动机运行机制（四冲程机制改为二冲程新机制）；简化结构、消除往复惯性力等,已经使内耗降低70%以上。小的方面,滚动轴承化；减轻运动件的质量,减少摩擦副等等,甚至减少附件以外的消耗（例如起动发电-发动机一体化；去除皮带传动，等等）都具有一定的意义。
7. 全序发动机的HCCI 燃烧条件：①始于扫气泵前的预混合，确保新气在更高的微观均匀性基础上，实现缸内稳定分层，从而有益于稳定燃烧；②高热效率（ηi）的HCCI 由于高稀释度的新气，会大幅降低功率密度。并且排气温度低，又难以采取涡轮增压。而全序发动机因二冲程新机制的优点，已经具备了升功率（提高一倍以上）的实力；③以电控扫气泵（发动机外观尺寸布局更紧凑）取代节气门,可以灵活地配合HCCI 燃烧。
其实,HCCI 减少部分负荷时的泵气损失之目的，已经由于<真空吸气>而实现，因此HCCI对全序发动机的意义,主要在于进一步提高热效率ηi 。
8. 在气缸旋转体上设置电机转子图7、图9 所示，可以在气缸散热片凸台[55]上，以凸缘[57]定位、螺钉孔[58]紧固的办法，安装所述的排气圆环[69]。而在图7 气缸背面,有同样的散热片凸台[55]（但没有排气接口[54]）可以安装一圈永久磁铁,作为电机转子,与机壳后端相应的定子线圈构成起动发电机,实现全序发动机的<起动发电-发动机一体化>。省掉单独的电机壳体和轴承，并省掉皮带传动,减少机械损失；使结构更紧凑。同时可增大电机容量,既可实行起动/停止，取消怠速及其油耗；又可适应发动机所驱动的设备，逐步从机械传动改为电气传动的发展。甚至，采取全序发动机只发电，不输出动力的办法，采用日渐成熟的轮毂电机驱动汽车，并回收制动能量，从而取消机械变速等传动装置，和多达10%的动力损耗。但是，电驱动不等于混合动力，需要那么多蓄电池，不仅增加汽车自重和成本，充、放电的能量转换也不经济。在解决了发动机低负荷燃油经济性差的问题之后，对蓄电池的依赖可以减少。总之，全序发动机可以适应不同排量、不同驱动方式的轿车要求。
曾由奢侈品变成大众消费品的轿车，今又凸显为奢侈的能耗方式(1:10 或更低的人车重量比)。节能是节约资源，保护环境的要求。未来，可再生能源将更需要高效节能。已经面世的1L 车(百公里仅耗油1 升的汽车)，汽车自重已经减至300kg 以下，进一步的发展，在轻量化的同时，需要增加动力；增加乘坐空间；降低成本。为此，需要经济实用、高效节能的轻巧动力。
发动机高效节能与结构大精简（下集）
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视频: 传统活塞化做转子直接推动曲轴产生节能新机制
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6/22/2011
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