韓培洲

(華星機(jī)動(dòng)車科技(天津)有限責(zé)任公司， 天津 100078)

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大幅提高熱效率的新結(jié)構(gòu)節(jié)油內(nèi)燃機(jī)

韓培洲

(華星機(jī)動(dòng)車科技(天津)有限責(zé)任公司， 天津 100078)

在內(nèi)燃機(jī)中，提高壓縮比一直是降低油耗的主要方式，壓縮比提高后，會(huì)相應(yīng)減少燃燒室的容積損失，但由于汽油機(jī)受爆燃限制，柴油機(jī)受最大爆發(fā)力的影響，提高壓縮比的幅度有一定限度，燃燒室容積也很難變得更小直至消除。為了消除燃燒室容積損失，提出了利用輔助曲軸帶動(dòng)輔助活塞與氣缸內(nèi)的活塞相配合運(yùn)轉(zhuǎn)的節(jié)油內(nèi)燃機(jī)結(jié)構(gòu)方案，并介紹了這種節(jié)油內(nèi)燃機(jī)的工作過程和提高效率的途徑。

輔助曲軸輔助活塞小氣缸燃燒室相對壓縮比燃油效率

0　前言

在內(nèi)燃機(jī)中，無論是汽油機(jī)還是柴油機(jī)，較高的壓縮比都可讓發(fā)動(dòng)機(jī)得到較高的效率。

為克服汽油機(jī)在低功率時(shí)因壓縮比相對較低而效率降低的不足，國內(nèi)外的研究機(jī)構(gòu)也開發(fā)試驗(yàn)了可變壓縮比的多種不同汽油機(jī)方案[1]。但不論哪種方案，都無法消除燃燒室容積的不足。在本文中給出的新型節(jié)油內(nèi)燃機(jī)中，可以在燃燒作功之后迅速消除燃燒室的容積，并會(huì)讓內(nèi)燃機(jī)的效率大幅度提高，從而為提高內(nèi)燃機(jī)效率又開辟了1條新的途徑。

1　節(jié)油內(nèi)燃機(jī)的基本結(jié)構(gòu)

該節(jié)油內(nèi)燃機(jī)是在氣缸蓋上增設(shè)了裝有輔助活塞的小氣缸，這種結(jié)構(gòu)在國內(nèi)外的試驗(yàn)型可調(diào)壓縮比汽油機(jī)中都有采用過[2]。

節(jié)油內(nèi)燃機(jī)的基本構(gòu)造如圖1所示，這種新型節(jié)油內(nèi)燃機(jī)通過結(jié)構(gòu)改進(jìn)，除包括常規(guī)內(nèi)燃機(jī)所具有的進(jìn)排氣門、氣缸活塞和連桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)以外，還在氣缸蓋上增設(shè)了由輔助曲軸經(jīng)連桿帶動(dòng)的輔助活塞，輔助活塞安裝在小氣缸中，位于氣缸之上，缸蓋上的小氣缸大部分處于氣缸范圍內(nèi)，輔助活塞的直徑相當(dāng)于活塞直徑的1/2，行程與活塞基本相同。輔助活塞被輔助曲軸帶動(dòng)，也能抵抗小氣缸燃燒室內(nèi)很大的作功燃?xì)鈮毫?，在結(jié)構(gòu)上也較為簡單，并適合發(fā)動(dòng)機(jī)的高速運(yùn)轉(zhuǎn)。

在節(jié)油內(nèi)燃機(jī)中，輔助曲軸與曲軸轉(zhuǎn)速相同，被帶動(dòng)的輔助活塞在配合活塞完成1次提高效率的作功過程后，輔助活塞在進(jìn)排氣過程時(shí)會(huì)多運(yùn)行1次，并設(shè)置了在排氣過程中能擠走小氣缸燃燒室內(nèi)廢氣的供氣管及閥門機(jī)構(gòu)。

在輔助活塞與氣缸內(nèi)的活塞運(yùn)轉(zhuǎn)配合過程中，當(dāng)氣缸內(nèi)的活塞處于上止點(diǎn)位置時(shí)，被輔助曲軸帶動(dòng)的輔助活塞則離開其下止點(diǎn)80～100°CA，與活塞形成圖2中所示的角度定時(shí)，并在輔助活塞下行過程中讓小氣缸內(nèi)形成燃燒過程所需的燃燒室容積和開始燃燒時(shí)的基本壓縮比。這樣布置后便能在氣缸內(nèi)的活塞開始作功時(shí)，由輔助曲軸帶動(dòng)輔助活塞繼續(xù)下行，迅速把小氣缸燃燒室內(nèi)的作功燃?xì)馔七M(jìn)氣缸參與作功，消除了燃燒室的容積損失，讓原來在燃燒室膨脹的作功燃?xì)獗粔哼M(jìn)氣缸膨脹作功，使發(fā)動(dòng)機(jī)的效率大幅度提高。

2　節(jié)油內(nèi)燃機(jī)的工作過程

通過壓縮過程和作功過程，可以說明這種節(jié)油內(nèi)燃機(jī)如何在作功過程中消除燃燒室的容積，并提高了工作效率。

2.1壓縮過程

在壓縮過程中，當(dāng)氣缸中的活塞上行到上止點(diǎn)時(shí)已經(jīng)完成了壓縮過程，這時(shí)的輔助活塞被輔助曲軸帶動(dòng)提前85°向下壓進(jìn)小氣缸燃燒室，在燃燒室容積變小的過程中形成了內(nèi)燃機(jī)開始燃燒時(shí)的壓縮比。汽油機(jī)可形成相當(dāng)于9∶1的壓縮比。在柴油機(jī)中，所形的小氣缸燃燒室的容積還可再小一些，以達(dá)到12∶1的柴油機(jī)壓燃點(diǎn)火溫度。

2.2作功過程

作功過程如圖3所示，當(dāng)作功過程開始后，輔助活塞被帶動(dòng)繼續(xù)下行，把小氣缸燃燒室內(nèi)的作功燃?xì)饪焖賶哼M(jìn)氣缸膨脹。當(dāng)氣缸中的活塞作功下行帶動(dòng)曲軸離開上止點(diǎn)45～50°CA，因輔助曲軸已離開其下止點(diǎn)135°CA，帶動(dòng)輔助活塞下行讓小氣缸燃燒室的容積變得很小并消失。繼續(xù)下行的輔助活塞在穿過小氣缸燃燒室后到達(dá)其上止點(diǎn)的最下部位置，讓輔助活塞的凸出頭部伸進(jìn)氣缸。隨著輔助活塞接近上止點(diǎn)，輔助活塞所消耗的壓縮功也在相應(yīng)減少，而被活塞帶動(dòng)的曲軸則處于更有利的作功角度上。在輔助活塞移到其上止點(diǎn)位置時(shí)，還處于不消耗壓縮功的位置處。當(dāng)輔助活塞移過其上止點(diǎn)位置后，還能被燃?xì)馔苿?dòng)相應(yīng)對外作功，讓動(dòng)力經(jīng)輔助曲軸向外輸出。

圖3　節(jié)油內(nèi)燃機(jī)的燃燒過程示意圖

在節(jié)油內(nèi)燃機(jī)作功過程中，當(dāng)輔助活塞移到消除了小氣缸燃燒室容積的位置后，如果這時(shí)把活塞上行到上止點(diǎn)位置時(shí)的余隙容積與氣缸的工作容積相比，所形成的相對壓縮比便可達(dá)到50～70。但由于燃燒室內(nèi)的作功燃?xì)馐窃诨钊滦泻筮M(jìn)入氣缸，氣缸中所產(chǎn)生的最大燃?xì)鈮毫Σ⑽瓷摺５蛟瓉碓谌紵遗蛎浀淖鞴θ細(xì)獗粔哼M(jìn)氣缸中作功膨脹，使作功燃?xì)獾膲毫捣鄬^小，一般高于內(nèi)燃機(jī)，隨著接近其上止點(diǎn)的輔助活塞所消耗的壓縮功正在相應(yīng)減少，而曲軸則處于最有利的曲軸轉(zhuǎn)角下被活塞推動(dòng)作功，從而讓曲軸的輸出功率增加，發(fā)動(dòng)機(jī)的效率大幅度提高。

由于節(jié)油內(nèi)燃機(jī)能在作功過程中迅速減小并消除燃燒室的容積，因最高燃燒壓力并未增大，發(fā)動(dòng)機(jī)仍可采用較輕便的活塞連桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，讓傳動(dòng)機(jī)構(gòu)仍具有很高的機(jī)械效率。

3　節(jié)油內(nèi)燃機(jī)的工作效率

根據(jù)節(jié)油內(nèi)燃機(jī)的工作過程，所描繪的示意圖如圖4所示，示意圖的左側(cè)是經(jīng)整理后旳輔助活塞壓力與工作容積的變化曲線，能很清楚的表示出輔助活塞上行到其上止點(diǎn)不消耗壓縮功位置時(shí)的這一刻工作狀態(tài)。在節(jié)油內(nèi)燃機(jī)作功過程中，輔助活塞為消除小氣缸燃燒室容積也是要消耗壓縮功的(-Vc)，所消耗的壓縮功會(huì)轉(zhuǎn)化為活塞多產(chǎn)生的輸出動(dòng)力+Vc，-Vc和+Vc被傳遞到曲軸后便會(huì)相互抵消。但由于在作功過程中消除了小氣缸燃燒室的容積損失，讓原來在燃燒室膨脹的作功燃?xì)獗粔喝霘飧着蛎涀鞴?，而且隨著輔助活塞接近其上止點(diǎn)，輔助活塞所消耗的壓縮功也在相應(yīng)減少，但被活塞帶動(dòng)的曲軸則處于最有利的作功角度，讓內(nèi)燃機(jī)多產(chǎn)生出了相應(yīng)的功率。在最高燃燒壓力并未增大的條件下讓發(fā)動(dòng)機(jī)的工作效率大幅度提高，反映在示功圖上就是示功圖形曲線更加豐滿，并讓內(nèi)燃機(jī)多得到了Vz面積中的動(dòng)力。

圖4　節(jié)油內(nèi)燃機(jī)的工作過程示意圖

圖5　節(jié)油內(nèi)燃機(jī)有效工作效率的預(yù)測

在不同功率的節(jié)油內(nèi)燃機(jī)中，由于在作功過程中消除了燃燒室容積，內(nèi)燃機(jī)的基礎(chǔ)壓縮比也不是影響效率的因素，這時(shí)，因不同節(jié)油內(nèi)燃機(jī)中活塞頂部的余隙容積有所不同，這便會(huì)成為影響這種內(nèi)燃機(jī)效率的另一因素。為了明確這一因素，可再形成1種并不存在的相對壓縮比，即利用活塞處于上止點(diǎn)時(shí)的余隙容積Vx與氣缸的排量Vh之比((Vh+Vx)/Vx)形成相對壓縮比，根據(jù)節(jié)油內(nèi)燃機(jī)結(jié)構(gòu)的不同，其相對壓縮比可在50～70之間，這會(huì)讓實(shí)際中的節(jié)油內(nèi)燃機(jī)工作效率有所不同。

當(dāng)然，輔助活塞在運(yùn)行過程中也會(huì)產(chǎn)生一定的壓力波動(dòng)，在輔助活塞下移形成燃燒室容積時(shí)，由于燃燒過程的開始會(huì)讓輔助活塞突然受到最大的燃?xì)鈮毫ψ饔?，雖然最大燃?xì)庾饔脡毫Φ慕嵌群苄?，時(shí)間也很短，會(huì)迅速被活塞所產(chǎn)生的更大作用力所覆蓋，這一問題在多缸機(jī)中并不明顯，但用于單缸機(jī)時(shí)，可能需要適當(dāng)增加飛輪的質(zhì)量，以抵取輔助活塞所產(chǎn)生的壓力波動(dòng)力。

4　節(jié)油內(nèi)燃機(jī)的效率預(yù)測

關(guān)于節(jié)油內(nèi)燃機(jī)提高效率的幅度，可參看圖5所示的有效效率預(yù)測。在內(nèi)燃機(jī)中，當(dāng)基礎(chǔ)壓縮比從汽油機(jī)的8和柴油機(jī)的13增加到50以上的壓縮比時(shí)，如果機(jī)械效率并未大幅度降低，發(fā)動(dòng)機(jī)的工作效率還是會(huì)有很大幅度的提升。由于節(jié)油內(nèi)燃機(jī)在作功過程中消除了燃燒室容積，所形成的相對壓縮比可達(dá)到50～70，同時(shí)因發(fā)動(dòng)機(jī)的基礎(chǔ)壓縮比并不是很高，活塞連桿等傳動(dòng)機(jī)構(gòu)仍很輕便，能讓發(fā)動(dòng)機(jī)

保持較高的機(jī)械效率，讓所制成的這種節(jié)油內(nèi)燃機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)中工作效率會(huì)大幅度提高。實(shí)際中，無論制成節(jié)油汽油機(jī)還是節(jié)油柴油機(jī)，都能讓這種節(jié)油內(nèi)燃機(jī)的有效效率提高到47%～50%，接近于燃料電池的效率。柴油機(jī)由于壓燃點(diǎn)火，實(shí)際中的有效效率還會(huì)略低于汽油機(jī)。

在采用輔助活塞的這種節(jié)油內(nèi)燃機(jī)中，在氣缸內(nèi)的活塞作功下行45～50°CA時(shí)，因小氣缸燃燒室的容積已被消除，其效率最后是基本相同的。當(dāng)然，由于汽油機(jī)初始的壓縮比更低，活塞連桿等也更輕便，實(shí)際工作效率還會(huì)略高一些。

5　總結(jié)

由于可借助輔助活塞在作功過程開始后迅速減小并消除小氣缸燃燒室的容積，因而能讓發(fā)動(dòng)機(jī)消除燃燒室容積，從而大幅度提高了效率，為進(jìn)一步降低內(nèi)燃機(jī)油耗又找到了新途徑。在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，因汽油機(jī)能形成更好的燃油混合氣，排氣中的顆粒物也較少，效率還高于柴油機(jī)，也不用成本較高的高壓共軌系統(tǒng)，可把這種節(jié)油內(nèi)燃機(jī)在城市車輛中優(yōu)先應(yīng)用。這種新型節(jié)油內(nèi)燃機(jī)可制成單缸及多缸機(jī)型，在功率上也無限制，可用于摩托車、汽車、船舶和電站等領(lǐng)域作為動(dòng)力裝置使用，有利于節(jié)能減排和社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展。

[1] 肖云魁.21世紀(jì)汽車[M].兵器工業(yè)出版社,北京，1999： 134.

[2] 高強(qiáng).725/可變壓縮比技術(shù)[J].汽車知識,2013,05： 073.