往復活塞式內燃發動機自問世至今已經170年，在這170年中有無數的人嘗試過無數的設計，先后出現了50多萬件的相關專利，至今，傳統的四沖程和二沖程發動機的基本原理依然沿用。 ?

IHI發動機的本質，依然是一種二沖程發動機，只不過是在進氣道結構和進氣方式上做了改進，在加大進氣窗口時間的同時大幅度簡化了進氣結構，在此基礎上，IHI發動機繼承了活塞發動機的各種成熟結構及其優點，創新提出了一種同時具備很多優勢的新型活塞發動機。

問題1：IHI的結構和基本原理是什么？

? ? IHI的結構和運行原理，可參考德國的一個教學視頻。兩者的原理和結構十分接近。另外，可參考《新型對置二沖發動機- 對外版》，里面有詳細的結構和原理說明。

? ? ? 問題2：IHI的本質是一種新型對置二沖程發動機，與傳統四沖程/二沖程發動機有什么主要區別（結構方面的主要創新點）？

? IHI發動機相對現有四沖程發動機來說，IHI具有這些特殊性：

? 1）IHI發動機省略了四沖程發動機的進氣排氣控制系統（進排氣凸輪軸，以及相關結構部件）；

? 2）IHI發動機的一個曲軸拐同時連接兩支活塞，四沖程發動機則是一個曲軸拐只連接一支活塞；

? 3）IHI發動機的一個曲軸拐旋轉一周，受到兩次活塞推力，四沖程發動機則是一個曲軸拐旋轉兩周，才受到一次活塞推力。

? IHI 發動機相對現有二沖程發動機來說，IHI具有這些特殊性：

? 1）IHI發動機的進氣更加充沛；

? 2）IHI發動機的掃氣更加徹底；

? 3）IHI發動機的實際壓縮比動態可調（讓功率曲線更加貼合需求）；

? 4）IHI發動機的一個曲軸拐同時連接兩支活塞，二沖程發動機則是一個曲軸拐只連接一支活塞；

? 5）IHI發動機的一個曲軸拐旋轉一周，受到兩次活塞推力，二沖程發動機則是一個曲軸拐旋轉一周，受到一次活塞推力。

? ? 問題3：IHI發動機和以色列的自由活塞發動機十分近似，兩者有什么區別？哪種方案更有優勢？

? 為了詳細對比說明IHI發動機同以色列的自由活塞發動機之區別，我專門提取了兩者共有的10個結構特征和指標進行了對比，IHI發動機有9個方面明顯優于以色列的自由活塞發動機，剩余一項雖然有所不足，但也可以通過外圍裝備進行補償，最終結論是： IHI發動機功率更強，更具備實用性；以色列的自由活塞發動機不具備實用價值。具體的內容可參考《IHI與以色列技術對比分析(202012)》的分析介紹。 ? ? ? ?

問題4：IHI 發動機的設計定位是什么？

? IHI發動機的設計定位是：活塞發動機里的AK47 ——功率大，自重輕，廉價，耐用，可靠/低維護，易于量產制造，性能中上，可擴展性強。這里說的“性能”是指除了功率之外的其他指標，比如：每KW 輸出對應油耗，扭矩，環保等。說明下，并非IHI發動機做不到高性能，假如在某些特定場合，除了功率之外，需要高性能的表現，IHI在適當增加成本后，其性能的最終表現與中高端車用發動機是有得一拼的。IHI主要的目標領域，還是在強調高功率，廉價，耐用的場景。

? ? ? 問題5：相對現有活塞發動機，IHI發動機自身有些什么優點？

? （據現有活塞發動機理論分析得知）IHI發動機可具備以下優點：

? 1）較高的功重比—— 同樣的發動機重量，IHI發動機的功率幾乎可以達到傳統四沖程發動機的4倍。

? 2）極簡單的內部結構，確保了可靠性好、維護要求低。

? 3）十分耐用—— 由于結構優勢，發動機壽命得以增加（工字活塞結構確保了活塞對側壁的壓力減小；配合獨立潤滑系統，有效減緩了缸壁磨損），進氣排氣系統的可靠性高，極低的故障率，確保了較長的免維護使用周期。

? 4）適應能力強—— 借助簡單且可調的增壓系統，IHI可輕松適應不同的海拔環境，從低海拔到高海拔條件，維持穩定的功率輸出。同時，由于增壓裝置成本低，簡單易行，讓IHI容易實現高功率輸出。

? 5）無需改變機械部件，簡單電路切換就可實現發動機正反旋轉。

? ? 問題6：相對現有活塞發動機，IHI發動機在量產制備方面有些什么優勢？

? 再優秀的設計圖，假如制造過程復雜，加工要求高，制作和組裝過于復雜，這對于產品的普及是很不利的，現在我們看看IHI發動機的這方面表現。

? * 需要加工和組裝的零件數量少，高精度要求的零件就一兩個；

? * 簡單的模塊化結構讓組裝和維護十分簡單，同時，零件制造和組裝均容易實現自動化流水線裝配；

? * 零件的通用性和互換性好；

? * 外圍簡單—— IHI發動機的外圍輔助系統較傳統四沖發動機簡單，這也帶來了制造成本的降低。

? * （針對多缸發動機）曲軸制造難度降低—— IHI的獨特結構，讓曲軸拐數量降低一半（同樣的功率輸出，曲軸可以更輕、更短）；曲軸的動平衡，結構強度，加工精度要求均變得相對容易；曲軸制造成本伴隨曲軸拐的數量減少，以及強度要求降低而下降。

? * 模塊化結構，可低成本實現產品多元化（不同的幾個標準模塊就可以方便地組合出不同參數，不同針對性的多元化產品）；

? * 電動高壓燃油泵的采用—— 由于采用了新概念的高壓燃油泵技術，發動機整體重量，燃油效率，可靠性還有提升空間。

? 從以上解答中不難得到這樣的結論：IHI發動機功率強，自重小，可靠耐用，易用；同時IHI發動機自身結構簡單，易于廉價制造；IHI發動機的生產組裝也易于低成本實現，大部分零件的加工精度沒有過高要求。所以，我認為IHI發動機完全有能力成為發動機里的AK47。

? ? 問題7：IHI 發動機的四倍功率輸出（甚至更高），是如何做到的？

? 功重比——代表了同樣重量的發動機，輸出功率的大小。作為發動機，特別是航空發動機，這個指標更加重要，為了保證無人機或飛機的續航和載重能力，必須采用高功重比的，穩定可靠的發動機。IHI是目前已知活塞發動機中，功重比最高的發動機。我們看看IHI是如何做到這點的：

? * 首先，由運行機制保證了高功率密度。四沖程發動機，曲軸旋轉2 軸，活塞對曲軸拐做功一次；IHI發動機曲軸旋轉2軸，活塞對曲軸拐做功達到四次。

? * 足夠的進氣量，適當的壓縮比，這些確保了缸內點火前壓力足夠高，不論在何轉速條件下，均維持在一個適當壓力值范圍。讓發動機動力充沛且功率曲線足夠平坦。

? * 更加通暢的排氣通道，減小了排氣阻力。

? * 沒有進排氣門控制機構和凸輪軸，減少了能量消耗，進一步提升發動機輸出功率

? * 活塞對側壁的徑向摩擦和其他機械摩擦力有所緩解，摩擦力損失的功率減小。

? * 可支持重油壓燃，進一步確保了發動機的輸出功率。

? * 曲軸相對曲軸箱的摩擦面積減小，接觸壓力減小，相應的摩擦功耗減少。

? ? 問題8：從原理可以直接看出，IHI發動機的的進氣道偏窄，所以預期轉速似乎不高？功率能和現有高轉速四沖發動機匹敵？

? 在回復這個問題之前，建議先梳理下兩組關系：轉速和功率的關系，進氣道寬度和進氣量的關系。在四沖程發動機中，輸出功率與轉速對應的曲線大致為一個單峰形狀，當轉速達到某個值，一般3000～4000范圍，輸出功率達到最高值；對于IHI發動機，其輸出曲線應該會平坦很多。在這么高的轉速下，四沖程或者IHI 發動機的吸氣的窗口時間就會變得很短，吸氣不足將直接導致功率下降。區別來了——（后面數值為推測） IHI發動機在1500轉時，功率已經是350KW，且，功率曲線較平坦，IHI有必要去糾結四沖程發動機轉速4000時，功率達到最大值，110KW輸出么？！（確實，如果IHI上到4000的轉速，IHI的進氣量嚴重不足，功率不足70KW了）。在發動機的世界里，功率才是本質目標，轉速只是表現。

? ? ? ? 問題9：IHI發動機的活塞質量偏大，IHI發動機的振動抑制問題如何解決？

? 活塞作為一個高速運動部件，在缸體內做高頻次的，高強度的往復加速運動，必然給發動機帶來振動，并且，振動強度與活塞的質量呈正比關系。IHI發動機也遵從這一規律。利用IHI 發動機相對體積小的特點，盡量設計為多缸發動機，比如水平對置2 缸，水平4對置缸（兩個活塞對稱設置，做鏡向運動），利用對稱結構來盡量消除振動；也可設置為直列4缸結構（1、4缸上行，2、3缸下行），采用類似四沖發動機的方式來減小振動，必要時，模仿四沖程發動機，設置平衡軸來抑制振動。最終，可以將活塞質量導致的振動，抑制在一個理想水平。（傳統四沖程發動機能夠做到，IHI 就能同樣做到）。IHI發動機不建議設計為單缸發動機使用，假如需要單缸，在動平衡方面結構投入會較多，平衡塊導致自重增加！

? ? 問題10：IHI發動機的活塞質量偏大，是否帶來活塞慣性過大？

? 活塞質量導致的慣性力對于四沖程發動機來說，會導致十分嚴重的后果，對于IHI 發動機來說則影響不大，有可能完全不用擔心這個問題.....

? 在四沖程發動機中，活塞在吸氣階段的狀態是這樣的：活塞以30~40米/秒的速度下行，由于只是吸氣，缸內負壓對活塞的上牽力可以忽略，活塞高速下行到止點附后，速度在幾十分之一秒的時間內減慢至零，之后迅速折返并快速加速到先前速度，這一過程，活塞的速度在瞬間出現劇烈變化，數百個G的慣性力完全地施加在活塞銷，連桿和曲軸上，力量是十分之大的！長時間重復，勢必導致機械損傷，所以，四沖程發動機十分強調活塞輕量化，并且嚴格控制發動機的最高轉速。

? 與之不同的IHI發動機，活塞以20~30米/秒的速度下行，此時上氣缸正在進行壓縮行程，下氣缸處于爆燃中后期，當活塞高速下行到止點附近時，上氣缸內剛好是壓縮末期，即將點火時刻，上缸內的氣壓很高，有很強的推力阻止活塞繼續下行，“空氣彈簧”強力對活塞進行制動，活塞慣性下沖力基本被壓縮空氣給承擔掉了，最終，在活塞從高速變為零速度的過程中，施加在活塞銷，連桿和曲軸上的力很小；接著，上缸內點火爆炸，活塞受到爆炸力推動，活塞從零速度加速至高速，這個過程中是活塞拉動連桿迅速上行，活塞并非由活塞銷和連桿及曲軸的機械力推動，所以，也沒有出現高機械負荷的情況（四沖程發動機中，吸氣行程結束進入壓縮行程后，活塞快速從零加速到高速是依靠活塞連桿的上推力實現的，這個過程出現了很高的機械負荷）。所以，活塞慣性力對IHI發動機的影響很小，應該小于四沖程發動機受到的影響。同時，當氣缸內點火爆炸瞬間，活塞有一點質量，還可以適當緩解爆炸瞬間活塞對活塞銷，連桿的沖擊力，這一點對延長IHI發動機壽命，提升可靠性來說，是有十分益的。

? ? 問題11：憑什么說IHI 發動機的壽命及可靠性會較好？（磨損，密封問題可是活塞發動機的通病！）

? 影響活塞發動機壽命的因素大致是這些：機械負荷均衡性，磨損快慢，長期應力導致變形，氣密性能。下面逐條剖析：

? ■ 機械負荷均衡性—— 每個零件的受力應該是盡量的平順，均衡，盡可能減少突發性的受力，局部區域集中受力情況的發生。在問題10的解答中有說過，IHI發動機的平順性優于四沖程發動機。

? ■ 磨損—— 首先來個簡單數學比較：假如，用四沖程發動機驅動在四沖程發動機中，多個地方存在磨損，活塞對缸壁磨損；軸銷磨損，軸瓦磨損，曲軸軸承磨損，進排氣控制機構（凸輪軸系統）的磨損......在IHI 發動機里，首先，進排氣控制機構（凸輪軸系統）的磨損不存在了；曲軸軸承的磨損也幾乎可以忽略；由于有“工字活塞”結構，消除了活塞旋轉力，活塞側壁對缸壁的磨損有所改善；由于機械負荷均衡性改善了，軸瓦的磨損也得到了改善。

? 另外，有個簡單的數學公式，也可以證明IHI 的磨損會遠低于四沖程發動機。

? 假設用兩種發動機驅動車輛行駛，四沖程發動機行駛120公里，每支活塞大約要在缸內經歷40萬個單邊行程；IHI發動機行駛120公里，每支活塞大約要在缸內經歷10萬個單邊行程。IHI發動機的磨損自然要低于傳統四沖程發動機很多。

? ■ 結構件變形—— 在IHI發動機中，“工字活塞”軸桿結構持續受到拉力，沒有壓縮力，不存在致變形焦慮；活塞連桿交替受到壓力和拉力，需要的結構強度與四沖發動機的一致。

? ■ 氣密性能—— 在IHI發動機中，由于活塞側壁對缸壁的磨損有所緩解，前面關于“磨損”有分析過，活塞的氣密性能與四沖程發動機相當，或者稍有提升。活塞軸桿的壽命（有的朋友擔心軸桿在H體內部往復運動，最終會導致活塞軸桿與H體密封不嚴），我預計的情況是，磨損會很小，活塞軸桿的壽命會較長，因為活塞軸桿兩端的活塞起到了限位作用，軸桿對于H體的徑向壓力是很小的，對應的磨損量也會十分的小。同時，H體內會設置潤滑油的油道，確保活塞軸桿持續得到潤滑，這就讓軸桿長時間維持良好的氣密性成為可能。

? ? 問題12 ：憑什么說IHI發動機的油耗水平會接近甚至低于現有成熟的中高端四沖程？

? 雖然說IHI發動機理論上可以做到常規四沖程發動機的4倍，但是，假如油耗達到了常規四沖程發動機的6倍或更高，那IHI發動機實用性還是大打折扣了。這里需要探討下，IHI發動機的油耗預測會是個什么水平。我覺得還是用大家熟悉的家用轎車四沖程發動機做對比的好。

? 一臺活塞發動機有良好的燃油效率指標，至少需要這些要素，我們看看IHI發動機表現得又如何：

? * 進氣充沛，合適的空燃比例（IHI發動機的進氣窗口時間是很長的，這里說的不單是窗口時間在整個運行周期里的占比，也包括絕對時間）；

? * 足夠多的進氣量，確保點火前缸壓足夠高（IHI發動機的進氣壓力可調，并且有二次進氣機制，所以缸內壓力可以足夠高）；

? * 各種噴油和點火新技術加持（在四沖程發動機里能實現的，在IHI發動機里也同樣能實現。比如，缸內多點多次直噴，稀薄燃燒，預燃點火，汽油壓燃點火）；

? * 缸內氣體溫度和滾流效果（這點不方便預測，但是IHI發動機相對容易控制和改變）；

? * IHI發動機排氣道更加流暢，氣道阻力減小；

? * 掃氣做到了徹底（純凈新鮮空氣參與燃燒）；掃氣過程沒有未燃燒燃油排出；

? * IHI發動機的機械摩擦損耗要比一般四沖程發動機少。

? 由于以上推理，可以判斷：IHI發動機的油耗水平可以低于傳統四沖程發動機。當然，由于不同排量，不同的燃料（熱值，揮發速度，燃燒速度不同），IHI發動機的油耗表現會有差異，具體還是需要實物來驗證。

? ? 問題13：IHI發動機的研發難度很大？

? 難度是相對而言的：相對傳統結構四沖程發動機，IHI的驗證和產品研發必定簡單很多的。

? ■首先，IHI的零件組數和精密零件數量較四沖程發動機少了一個數量級。此外，IHI發動機的部件都是模塊化結構的，可以做到哪里不對換哪里，不會出現“牽一發而動全身”的痛苦。

? ? ■此外，從基本工作機制來看，IHI發動機依然是活塞發動機，完全遵循已知的發動機理論，一百多年積累下來的發動機理論及規律能夠讓IHI發動機的研發投入和時間少很多。

? ■ IHI發動機的初期定位是小型活塞發動機里的AK47，并不追求所有指標達到和超越現在中高端四沖程發動機，具體說，就是升功率，油耗，排放這些指標一般般即可，在功重比，廉價，可靠性，壽命方面盡量靠近極致就好。至于高指標的升功率和排放，并非說IHI注定就差，只是把這些指標放在后面階段來提升罷了。

? 在這么樣的前提下，依托現在的機加工能力，IHI發動機的研發應該是比較容易的。我的預測是300W以內，時間不超過兩年。

? ? 問題14：IHI發動機的功率輸出曲線和傳統四沖程發動機的有什么不同？

? 一般四沖程發動機的功率曲線為一個單峰形狀，當四沖程發動機轉速偏離最佳工作范圍很多時，發動機的輸出功率會下降，為了維持輸出功率只能通過高油耗來彌補.....在某些場合，比油耗更嚴重的問題是危及安全，比如直升機。不論是低端的農機還是高端的直升機發動機，都希望發動機的輸出功率曲線盡量平坦些，在很寬的轉速區間，發動機都工作在最佳狀態。

? 此時，IHI 發動機的優勢，可能就凸顯出來了—— IHI發動機的進氣壓力/進氣量（或者說是點火前的缸內壓力）是可以自由設定的，可以做到與發動機轉速脫鉤；此外，由于采用了缸內直噴供油技術（與車用高壓共軌一樣的配置），可以對噴油量和時機進行精確控制。在這兩個機制的共同作用下，（理論上）可以讓IHI發動機的輸出曲線平緩很多。今后，不排除另外的調控/輔助機制被采納，進一步強化IHI發動機的輸出表現。

? ? 問題15：IHI發動機的積碳問題將會如何？

? 針對積碳，我嘗試著說點自己的看法。這個問題比較復雜，和燃油品質，缸內溫度，壓力，燃燒充分程度，氧氣的比例都有些關系。IHI發動機是否容易積碳，什么工況容易積碳，這些我都回答不了。不過有一點，我可以確定：IHI發動機的結構是在太簡單了，假如出現了積碳問題，可以簡單快速的完成清洗除碳操作（比如，拆開排氣管，向缸內直接噴射清洗劑，就可進行清洗積碳操作。而四沖程發動機則會麻煩很多）。

? ? 問題16：IHI發動機“工字活塞”中間軸會不會存在過熱問題？

? 我認為存在一定的焦慮，但是在“四種散熱機制”的加持下，出現過熱的可能性不高，或者說，有法子讓溫度維持在合理區間。

? 散熱機制一， 進氣氣流輔助散熱。在IHI發動機中，活塞中間的軸為帶孔槽結構，進氣氣流從這些空槽流過，每次進氣都會借助氣流帶走一些熱量；

? 散熱機制二，通過熱傳遞帶走部分熱量。在IHI發動機中，活塞中間的軸與H體之間為緊密滑動配合關系，兩者之間還存在有潤滑油脂，有部分熱量可以通過接觸面，從軸傳遞到H體，從而幫助軸進行散熱；

? 散熱機制三，油霧冷卻降溫。在IHI發動機中，當噴油嘴向缸內噴注燃料時，總會有部分細小油滴會直接噴到軸的表面，這些細小油滴會瞬間汽化蒸發，這個過程會帶走數量可觀的汽化熱。

? 散熱機制四，機油輔助散熱。這是備選方案！在IHI發動機中，可將活塞中間的軸內部設置機油油道，并加壓實現循環，流動的機油可以帶走軸上面積累的熱，將軸維持在一個合理的溫度范圍。

? ? 問題17：IHI發動機是否有不可解決的結構性先天不足？

? “就一個先天不足—— 進氣道狹窄！但是可以后天補救”簡單理論分析可以得知：IHI 發動機的活塞中間的軸不可能過粗，面容比過大不利于提高燃燒效率；活塞中間的軸也不能過小，否則強度不足，有斷裂發現。 一個不太粗的軸，可以容納的進氣道是不可能太大的，這就注定IHI 發動機的進氣道有點先天不足。不過，還好有補救措施，由于IHI發動機的進氣是有單獨加壓系統的，有專門加壓泵向IHI 發動機進氣道輸送空氣，只要適當提高加壓泵的轉速，提升IHI發動機的進氣壓力值，還是能夠保證有足量的空氣流過進氣通道，進入到氣缸內部的。

? ? 問題18：IHI發動機需要專門配置獨立的進氣加壓裝置，是否導致整體結構復雜，成本過高？

? 在IHI發動機中，確實需要專門的加壓系統，確保進入發動機的空氣具有一定壓力，可以考慮兩種解決方向—— 缸體上單獨設立一個或多個獨立冷缸，用曲軸驅動連桿，帶動壓氣活塞做往復運動，實現壓氣；另外一種就是設置渦輪增壓泵（電驅動或者尾氣驅動）。目前第二種方案較為常見，渦輪增壓泵也比較成熟，價位也能接受。當然，不論哪種加壓泵都是有成本增加的，這個增加和IHI發動機在其他方面的簡潔會導致綜合成本降低，最后的整臺發動機成本應該被控制在較低水平。

? ? 問題19：IHI發動機除了汽油是否能兼容多種燃料，比如，天然氣，柴油？IHI發動機如何實現？

? 傳統四沖程發動機在汽車領域運用十分普及，近幾年，缸內直噴型發動機十分流行，在很多主流車型都有使用。針對汽油直噴方式，IHI發動機將采用與車用高壓共軌一樣的系統和噴油器；針對柴油壓燃，預計會采用更高的進氣加壓，提高缸內壓力和溫度；采用壓力更高的燃油泵來實現更高的燃油噴射壓力（這點目前是初步構想，有待后續驗證）；在天然氣作為燃料的情況下，需要更換掉原來的噴油嘴，使用天然氣專用噴嘴。

? 考慮到IHI發動機定位于廉價耐用，在燃油泵方面專門設計了不同于博世高壓燃油泵的方案，目標是實現電動高壓燃油泵，降低成本，提高輸出壓力，并實現壓力流量連續可調。借助該新型高壓燃油泵，來滿足不同燃料，不同工況的IHI發動機的需求。

? ? 問題20：這種新型發動機有可能在哪些領域得到運用？更適合哪些領域來用？

? 考慮到設計定位和初期研發投入不會太高，我預計IHI 發動機的初期產品應該更加適合功率密度高，低速，耐用，吃粗糧的場合，比如，農機/農具，應急發電機機組，小型船只等領域。假如第一代產品就達到了足夠高的功重比，那么，大載重無人機，消防無人機可以嘗試進入，后期，IHI經過改良后，可靠性，油耗，升功率進一步提升的情況下，無人機，輕型直升機，輕型載人固定翼飛機都將很需要IHI發動機作為動力。

? 假如IHI已經形成系列化成熟產品，將會有十分廣泛的運用領域：除了農機/農具，應急發電機機組，小型船只，無人機，輕型直升機，輕型載人固定翼飛機之外，特種車輛，摩托車，卡丁車，各種發電機組/應急供電/不間斷電源，移動式照明，抽水設備，冷鏈物流，新能源車增程器，軍用機器人動力單元，諸多領域均可廣泛使用。當然，IHI發動機在乘用車市場展露頭角也不無可能！
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編輯：黃飛

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