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致使活塞发动机热效率低下的根本原因是其自身曲轴连杆机构构成的固有缺陷，即机械转换损失。
現有活塞发动机热平衡中缺少直线-旋转运动的转换热量损失，转换后的活塞发动机械效率较真实的机械效率低得多。值得关注的是，此转换热量非但不能省略还给我们带来意外惊喜，促使非曲轴连杆机构发动机的研究开发价值骤然凸显。
1 发动机热平衡概述
现有活塞发动机热平衡有5个热量：有效热量qe、排气热量qr、冷却热量qs、不完全燃烧热量qb和其他热量ql，这些热量之和等于燃烧所产生的全部热量，并保持平衡，其中有效热量能够转换为有效功外，其他部分均以不同的热传递方式散失于发动机之外。对于四冲程汽油发动机，以100为能量数限的总热量具体分配如下：qe=20～30;qr=30～50;qs=12～27;qb=0～45;ql=3～10。如果假设：qe=30，qb=0，ql=10，那么排气热量与冷却热量之和为60，即在良好燃烧状态下，发动机热效率和其他损失均为上限时，排气和冷却热量的损失依然高达60。
活塞发动机为内燃机，是各种发动机中热效率最高者之一，但其热损失依然很大。面对如此之高的热损失，不免会产生疑问：活塞发动机的热损失有这么大吗？如果热损失没有那么大，那么这部分热量又会到哪里去呢？
2 直线-旋转运动的转换过程
我们知道，活塞发动机中的重要构件曲轴连杆机构，是将活塞作功的直线运动转换为发动机扭矩所需的旋转运动，即直线运动转换为旋转运动的直线-旋转运动机构。
作用在活塞上的力，通过连杆分解为两个（见图1）：一是推动曲轴旋转的切向力Ft;二是压缩曲轴臂的径向力Fn。切向力通过曲柄形成扭矩，即为发动机输出动力;而径向力通过曲柄的压缩作用在曲轴上，产生连续的微小变形波动，造成震动，形成无用的变形能。变形震动消耗大量热能，产生机械转换热量，造成直线-旋转运动的转换损失，可将其称为机械转换损失。
现有活塞发动机热平衡没有这一热量损失，却将这部分损失归入到了冷却损失之中，造成冷却热量损失虚高不下。
或是因为机械转换损失较小可以忽略？下面让我们看看这一损失到底有多大，是否可以忽略。
3 机械转换损失
根据内燃机动力学扭矩公式，通过转换指示功与未经转换指示功计算机械转换损失。
3.1 活塞作用力与曲轴切向力
利用p-φ图确定活塞作用力F。汽缸压力p与F为线性关系，通过单位变换，由F替代p，即p-φ图也是F-φ图（见图2）。
Fti=Fisin（φi+βi）/cosβi，i=360°，364°，368°，……540°（1）
式中：Ft为转换切向力，即曲轴切向力;F为活塞作用力;r为曲轴半径;φ为曲轴转角;β为连杆夹角，其等式为：
βi=arcsin（λsinφi），i=360°，364°，368°，……540°（2）
式中：λ= r/l，其中，l为连杆长度。
3.2 p-φ图构建
φ=360°时，气缸压缩压力p=0.8Mpa;φ=374°时，最大燃烧压力p=3.5MPa;φ=540°时，排气压力p=0.4MPa;φ=420°时，p=1.15MPa;φ=450°时，p=0.815MPa。图2中的实线是曲轴转角φi所对应的汽缸压力pi值，也是曲轴转角φi所对应的活塞作用力Fi。
实际上，活塞作用力在往复惯性力的作用下产生了新的合力，循环周期内，由于往复惯性力的准点对称性，即前小半部分曲轴转角的惯性力为负，后大半部分曲轴转角的惯性力为正，且分别与曲轴横坐标轴构成的正、负面积刚好相抵，所以合力曲线与曲轴横坐标轴构成的面积并未发生变化，即与活塞作用力曲线构成的面积相等。又由于合力形成的准轴对称性与往复惯性力的准点对称性重合，所以合力曲轴切向力（扭矩切向力）与曲轴横坐标轴构成的面积与活塞作用力的曲轴切向力构成的面积相等，其结果，曲轴切向力产生的扭矩并没有因为往复惯性力的作用而发生改变。出于F-φ图的构建便利，我们依然采用F-φ图来计算机械转换损失。
3.3 机械转换损失率
活塞作用力F就是未经转换的切向力，未经转换扭矩为：
Ti=Fir，i=360°，364°，368°，……540°（3）
转换扭矩为：
T'i=Ftir，i=360°，364°，368°，……540°（4）
不计摩擦损失，且不妨设λ=1/3，并令r=1，单位归一，无量纲，则（3）式和（4）式分别变换为
Ti=Fi，i=360°，364°，368°，……540°（5）
T'i=Fti，i=360°，364°，368°，……540°（6）
根据（5）式，未经转换扭矩Ti形成的实线与曲轴横坐标轴所构成的面积是未经转换指示功W（见图2），其等式为
W=∑Ti，i=360°，364°，368°，……540°（7）
根据（6）式，转换扭矩Ti′形成的虚线与曲轴横坐标轴所构成的面积是转换指示功W'（见图2），其等式为
W'=∑T'i，i=360°，364°，368°，……540°（8）
在φ横坐标轴上，每隔4°取点，共计46个点，找出各点对应的Fi值。如果无直线-旋转转换运动过程，直接旋转并形成扭矩，未经转换切向力等于活塞作用力Fi，将该值代入（5）式，得到未经转换扭矩Ti，再按照（7）式将各Ti值相加，得到未经转换指示功：
W=52.7
将Fi及相应的βi代入（1）、（2）式，得到Fti，然后将其代入（6）式中Fti，得到转换扭矩Ti'，再按照（8）式将各Ti'值相加，得到转换指示功：
W'=32
因此，机械转换损失率为：
（W-W'）/W=39%
对比两条曲线所构成的指示功面积，由虚线构成的面积明显小于由实线构成的面积。虚线只在曲轴转角418°～450°范围内略大于实线，而在其他曲轴转角都小于实线，直观上就可判断：转换指示功明显小于未经转换指示功。
3.4 新的热平衡分布
不妨设四冲程汽油发动机有效热量25，即热效率25%。取机械效率80%，机械损失5，即其它热量5。设转换热量x，指示热量为25+5+x，由（25+5+x）（1-39%）= 25+5，得到转换热量：
x=（25+5）/（1-39%）-（25+5）=19.18
该值是有效热量的76.7%。转换损失相当大，无法忽略。如果加总转换损失与现有的机械损失，两者热量损失高达（19.18+5=）24.18，接近有效热量，即真实的机械效率仅为现有机械效率的一半多点。
按照新的热平衡，在完全燃烧状态下，排气和冷却热量为60，实际上仅为40多点儿。因此，非曲轴连杆机构发动机则具有大大超出现有指标热效率30%～45%的巨大潜力。
发动机新的热平衡，以100为能量数限的总热量重新分配如下：qe=20～30;qr=28～48;qs=2～6;qb=0～45;ql=3～10;转换热量=15～23。
新的热平衡多出一项机械转换热量，是有效热量的75%以上。冷却热量没有那么大，其多出部分正是非曲轴连杆机构发动机热效率远大于活塞发动机的潜力所在。
4 结语
活塞发动机热平衡中缺少一项直线-旋转运动转换热量。
直线-旋转运动的转换热量损失很大，超过活塞发动机有效热量的75%，致使活塞发动机的热效率低下。
非曲轴连杆机构发动机的机械效率具有极大的提高潜力，为开展大规模研究与开发提供科学依据，为科学技术动力领域提出重大课题，为“大众创业，万众创新”塑造重大素材，同时也为我们开创全新机遇。
現有活塞发动机热平衡中缺少直线-旋转运动的转换热量损失，转换后的活塞发动机械效率较真实的机械效率低得多。值得关注的是，此转换热量非但不能省略还给我们带来意外惊喜，促使非曲轴连杆机构发动机的研究开发价值骤然凸显。
1 发动机热平衡概述
现有活塞发动机热平衡有5个热量：有效热量qe、排气热量qr、冷却热量qs、不完全燃烧热量qb和其他热量ql，这些热量之和等于燃烧所产生的全部热量，并保持平衡，其中有效热量能够转换为有效功外，其他部分均以不同的热传递方式散失于发动机之外。对于四冲程汽油发动机，以100为能量数限的总热量具体分配如下：qe=20～30;qr=30～50;qs=12～27;qb=0～45;ql=3～10。如果假设：qe=30，qb=0，ql=10，那么排气热量与冷却热量之和为60，即在良好燃烧状态下，发动机热效率和其他损失均为上限时，排气和冷却热量的损失依然高达60。
活塞发动机为内燃机，是各种发动机中热效率最高者之一，但其热损失依然很大。面对如此之高的热损失，不免会产生疑问：活塞发动机的热损失有这么大吗？如果热损失没有那么大，那么这部分热量又会到哪里去呢？
2 直线-旋转运动的转换过程
我们知道，活塞发动机中的重要构件曲轴连杆机构，是将活塞作功的直线运动转换为发动机扭矩所需的旋转运动，即直线运动转换为旋转运动的直线-旋转运动机构。
作用在活塞上的力，通过连杆分解为两个（见图1）：一是推动曲轴旋转的切向力Ft;二是压缩曲轴臂的径向力Fn。切向力通过曲柄形成扭矩，即为发动机输出动力;而径向力通过曲柄的压缩作用在曲轴上，产生连续的微小变形波动，造成震动，形成无用的变形能。变形震动消耗大量热能，产生机械转换热量，造成直线-旋转运动的转换损失，可将其称为机械转换损失。
现有活塞发动机热平衡没有这一热量损失，却将这部分损失归入到了冷却损失之中，造成冷却热量损失虚高不下。
或是因为机械转换损失较小可以忽略？下面让我们看看这一损失到底有多大，是否可以忽略。
3 机械转换损失
根据内燃机动力学扭矩公式，通过转换指示功与未经转换指示功计算机械转换损失。
3.1 活塞作用力与曲轴切向力
利用p-φ图确定活塞作用力F。汽缸压力p与F为线性关系，通过单位变换，由F替代p，即p-φ图也是F-φ图（见图2）。
Fti=Fisin（φi+βi）/cosβi，i=360°，364°，368°，……540°（1）
式中：Ft为转换切向力，即曲轴切向力;F为活塞作用力;r为曲轴半径;φ为曲轴转角;β为连杆夹角，其等式为：
βi=arcsin（λsinφi），i=360°，364°，368°，……540°（2）
式中：λ= r/l，其中，l为连杆长度。
3.2 p-φ图构建
φ=360°时，气缸压缩压力p=0.8Mpa;φ=374°时，最大燃烧压力p=3.5MPa;φ=540°时，排气压力p=0.4MPa;φ=420°时，p=1.15MPa;φ=450°时，p=0.815MPa。图2中的实线是曲轴转角φi所对应的汽缸压力pi值，也是曲轴转角φi所对应的活塞作用力Fi。
实际上，活塞作用力在往复惯性力的作用下产生了新的合力，循环周期内，由于往复惯性力的准点对称性，即前小半部分曲轴转角的惯性力为负，后大半部分曲轴转角的惯性力为正，且分别与曲轴横坐标轴构成的正、负面积刚好相抵，所以合力曲线与曲轴横坐标轴构成的面积并未发生变化，即与活塞作用力曲线构成的面积相等。又由于合力形成的准轴对称性与往复惯性力的准点对称性重合，所以合力曲轴切向力（扭矩切向力）与曲轴横坐标轴构成的面积与活塞作用力的曲轴切向力构成的面积相等，其结果，曲轴切向力产生的扭矩并没有因为往复惯性力的作用而发生改变。出于F-φ图的构建便利，我们依然采用F-φ图来计算机械转换损失。
3.3 机械转换损失率
活塞作用力F就是未经转换的切向力，未经转换扭矩为：
Ti=Fir，i=360°，364°，368°，……540°（3）
转换扭矩为：
T'i=Ftir，i=360°，364°，368°，……540°（4）
不计摩擦损失，且不妨设λ=1/3，并令r=1，单位归一，无量纲，则（3）式和（4）式分别变换为
Ti=Fi，i=360°，364°，368°，……540°（5）
T'i=Fti，i=360°，364°，368°，……540°（6）
根据（5）式，未经转换扭矩Ti形成的实线与曲轴横坐标轴所构成的面积是未经转换指示功W（见图2），其等式为
W=∑Ti，i=360°，364°，368°，……540°（7）
根据（6）式，转换扭矩Ti′形成的虚线与曲轴横坐标轴所构成的面积是转换指示功W'（见图2），其等式为
W'=∑T'i，i=360°，364°，368°，……540°（8）
在φ横坐标轴上，每隔4°取点，共计46个点，找出各点对应的Fi值。如果无直线-旋转转换运动过程，直接旋转并形成扭矩，未经转换切向力等于活塞作用力Fi，将该值代入（5）式，得到未经转换扭矩Ti，再按照（7）式将各Ti值相加，得到未经转换指示功：
W=52.7
将Fi及相应的βi代入（1）、（2）式，得到Fti，然后将其代入（6）式中Fti，得到转换扭矩Ti'，再按照（8）式将各Ti'值相加，得到转换指示功：
W'=32
因此，机械转换损失率为：
（W-W'）/W=39%
对比两条曲线所构成的指示功面积，由虚线构成的面积明显小于由实线构成的面积。虚线只在曲轴转角418°～450°范围内略大于实线，而在其他曲轴转角都小于实线，直观上就可判断：转换指示功明显小于未经转换指示功。
3.4 新的热平衡分布
不妨设四冲程汽油发动机有效热量25，即热效率25%。取机械效率80%，机械损失5，即其它热量5。设转换热量x，指示热量为25+5+x，由（25+5+x）（1-39%）= 25+5，得到转换热量：
x=（25+5）/（1-39%）-（25+5）=19.18
该值是有效热量的76.7%。转换损失相当大，无法忽略。如果加总转换损失与现有的机械损失，两者热量损失高达（19.18+5=）24.18，接近有效热量，即真实的机械效率仅为现有机械效率的一半多点。
按照新的热平衡，在完全燃烧状态下，排气和冷却热量为60，实际上仅为40多点儿。因此，非曲轴连杆机构发动机则具有大大超出现有指标热效率30%～45%的巨大潜力。
发动机新的热平衡，以100为能量数限的总热量重新分配如下：qe=20～30;qr=28～48;qs=2～6;qb=0～45;ql=3～10;转换热量=15～23。
新的热平衡多出一项机械转换热量，是有效热量的75%以上。冷却热量没有那么大，其多出部分正是非曲轴连杆机构发动机热效率远大于活塞发动机的潜力所在。
4 结语
活塞发动机热平衡中缺少一项直线-旋转运动转换热量。
直线-旋转运动的转换热量损失很大，超过活塞发动机有效热量的75%，致使活塞发动机的热效率低下。
非曲轴连杆机构发动机的机械效率具有极大的提高潜力，为开展大规模研究与开发提供科学依据，为科学技术动力领域提出重大课题，为“大众创业，万众创新”塑造重大素材，同时也为我们开创全新机遇。