中国人的发明或将颠覆世界发动机发展进程㈡

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　 中国内燃机学会理事长、中国工程院院士、天津大学校长金东寒，2019年11月14日在中央二台《中国经济大讲堂》中指出，目前自主品牌的系列船用柴油发动机，性能已经达到了国际先进水平。在重型卡车等运输领域，我国生产的多系列柴油发动机，技术水平已经同世界先进国家并驾齐驱。而在家用轿车等乘用车领域，我国生产的发动机由于油耗较高、可靠性不足等原因，目前占据的主要是低端市场，正处在奋勇直追的跟跑阶段。我们虽然是发动机的制造大国，但不是制造强国。主要体现在三个方面：差距一是高端产品的自主创新能力不足。差距二核心零部件制造能力不足。差距三在产品质量稳定性方面我们还有差距。从整体来看，我国在发动机新材料研发、自主创新能力等方面依然存在一定的瓶颈。针对瓶颈提出我们要掌握正向设计的能力，通过建立数学模型，正向设计开发出满足需要的发动机，提高热效率和可靠性，缩短与制造强国之间的差距。

　　正向设计对内是中国经济转型升级和实施中国制造2025的必由之路，对外也是树立制造大国形象的必然之选。正向设计依托的是基础工程理论和方法。对发动机热效率而言，一百多年里,各种科技创新层出不穷,但是理论基础基本还是200多年前创立的工程热力学,奥托时代使用的单曲轴连杆机构目前绝大多数发动机还在使用。通过燃烧化学燃料，产生高温高压来推动活塞运动，从而带动曲轴旋转做功。这个燃烧燃油产生的化学能转化为发动机输出的机械功的比值就是我们常说的热效率。从奥托发动机14%的热效率进化到今天全世界主流的汽油发动机热效率在30-38%之间，个别汽油发动机热效率能达到40%，但是提高的步伐越来越小。如何打破这个瓶颈呢？我们来看一下热平衡图。

　　我们知道活塞发动机是由曲轴连杆机构将活塞的直线运动转化为发动机扭矩所需的旋转运动，存在机械转化损失，但是从传统发动机热平衡图上只表示出影响有效做功的因素有五种损失，而没有机械转化损失。这个损失有多大呢？按照内燃机动力学扭矩公式计算，指示热效率下有39%转化损失率，因此新热平衡理论需增加一项机械转化热量损失，其占比为16～24%。发达国家对降低传统发动机热平衡存在的五种损失做了大量的技术研发。而对降低传统单曲轴连杆作为功率传输机构造成的机械转化损失未见突破。
　　从发动机热能动力转换过程看，传统单曲轴结构功率传输机构在做功行程开始的1/4行程中，活塞虽然处于燃气高压作用下，但活塞对曲轴半径R的切向力却很小，导致热能转化为机械功少，未转化的热能经由缸盖、缸体被冷却液和废气带走，造成排气和冷却损失加大。为方便计算和分析将这个切向力除以R称之为力臂系数。如何提高这个力臂系数，从而提高转化功，便是提高发动机热效率的途径之一。下图是传统单曲轴结构功率传输机构力臂系数图，可以看出最大值略大于1。

国家发明专利《提高发动机有效热效率方法及其制备的功率传输机构》(201810308941.X)，在活塞发动机机械转化效率提高上有所突破。这项发明其核心是提高力臂系数从而提高转化效率，最终提高了发动机热效率。技术路线是采用双曲轴连杆结构负偏置运转，将发动机功率传输机构中的曲轴轴线与缸体中心线间设置较大偏心距。

由于采用双曲轴结构负偏置旋转，消除了活塞侧压力，机械损失减小；负偏置旋转使做功行程加快，利于低温燃烧降低了排气和冷却损失，同时做功行程活塞速度快不易产生爆燃，可大幅度提高压缩比；上述四个方面综合起来使得发动机热效率提高。 这项发明的意义是突破了传统发动机功率传输机构采用单曲轴连杆模式，找到了一条提高发动机机械转化效率来提高发动机热效率，降低排气污染的新路径。尤其是通过深入研究必将发动机的机械转化损失率进一步降低，从而掌握发动机正向设计的基础能力，提高热效率和可靠性，使我国真正成为发动机设计制造强国。

　　依托上述发明专利正向设计发明出双曲轴交叉连杆发动机，具有受力平衡，润滑良好，制作简单，虽然称之为左连杆、右连杆，但左连杆与右连杆形状和尺寸完全相同，只是安装时以活塞运动中心对称布置，避免了左、右连杆形状和尺寸不同造成的加工精度偏差。与采用活塞圆滑块方案相比，同样的偏心距e和同样的力臂系数，同步齿轮直径减小三分之一左右，双曲轴发动机尺寸及重量降幅较大。