曲軸偏置式發動機力學分析研究

田豐果 睢 娟

[摘 要]在曲柄、連桿、缸徑等重要參數不變的情況下,僅改變其曲軸中心的位置,能提高發動機的動力性和經濟性,國外有該種發動機應用報道,國內也有專利,但對其動力性、經濟性提高的原因及理論依據國內外都未見分析報道。本文應用運動學、動力學、熱力學和發動機理論等相關知識,對曲軸偏移式發動機的動力性、經濟性及可靠性方面進行理論分析,結論是偏置式發動機比中心式發動機的動力性及經濟性都得到提升;同時也帶來一些負面影響,經過工藝改進可以克服。

[關鍵詞]曲軸偏移式中心式力學分析

[中圖分類號]TP311[文獻標識碼]A[文章編號]1007-9416(2009)11-0095-03

MECHANICAL ANALYSIS OF THE OFFSET CRANSHAFT ENGINE

TIAN Fengguo SUI Juan

(College of Mechanical Engineering Guizhou UniversityGuiyang550003 )

[Abstract] This paper is about offset crankshaft engine, which is based on former reciprocating engine, only to revolve the crank center centre position to the left with the crank, connecting rod, cylinder bore and other important parameters of the same situation.In abroad, engeers have that kind engine to apply news reports , There are also patents in the homeland, but all do not have theoretical analysis Theoretically analyze its power, economy and reliability with kinematics, dynamics and other related knowledge, and eventually come to the conclusion that the power of the bias type engine may be enhanced compared to that of the central type engine; thus it increases the engine power and economy. At the same time ,there isa little negative effect,but it would be overcomed by improving technological level.

[Key word]offset crankshaftthe central type engineMechanical analysis

前言

曲柄偏置式發動機是在中心式發動機的基礎上,將曲柄中心左偏一定距離,而其他參數不變。以往發動機采取活塞銷偏置,目的是解決敲缸問題,改善發動機工作的平順性。寶馬公司V10、本田飛度i-DSIM、豐田1SZ-FE和日產LIVINA驪威等款發動機采用了偏置式曲軸設計,提高低轉速的扭力和高轉速的功率。國內相關有裘澄立專利(ZL01256936.4)、李德平等專利(89205287)、楊入山專利(89205287)等曲軸偏置往復活塞式內燃機報道。但對其動力性、經濟性提高的原因及理論依據國內外都未見分析報道。

本文以462Q發動機為基礎,曲軸偏移25mm,應用發動機原理、運動學、動力學及熱力學等相關理論,對曲軸偏移帶來的發動機動力性、經濟性及可靠性等方面得到改善的原因進行分析。

1 運動與動力分析

1.1 活塞行程

偏置式發動機比中心式發動機活塞行程增大了2.86%(見圖1)。

1.2 活塞速度

曲軸偏置式發動機活塞上行平均速度較中心式快6.45%,下行平均速度慢6.45%(見圖2)。

1.3 作用力

1.3.1 切向力

在進氣和壓縮行程,切向力相差不大;做功行程,燃燒結束做功開始,達到峰值,偏置式發動機的切向力較中心式發動機的切向力大5.17%;排氣行程,在強制排氣階段,切向力達到負向峰值,偏置式發動機絕對值大于中心式發動機,自由排氣階段,偏置式發動機小于中心式發動機(見圖3)。

1.3.2 側向力

進氣行程,開始偏置式發動機側壓力大于中心式發動機,隨著缸內壓力增大,偏置式發動機側壓力減小并一直小于中心式發動機;壓縮行程,偏置式發動機側壓力一直小于中心式發動機,到壓縮終了二者相等;做功行程偏置式發動機與中心式發動機同時達到峰值但符號相反,分別為950N和-1200N;排氣行程,在自由排氣階段,偏置式發動機遠小于中心式發動機,強制排氣階段偏置式發動機側壓力大于中心式發動機。

2 理論分析

2.1 活塞行程

活塞行程增大2.86%,導致氣缸排量增加2.81%、壓縮比提高2.49%,使壓縮終了溫度、壓強更高,循環熱效率和平均壓力得到提高;做功行程時間延長,有利于燃料的充分燃燒,在同樣的燃燒條件下可以獲得更多的有用功。活塞行程增大,還可以恢復在高原使用的內燃機的功率,改善因為進氣密度下降燃燒惡化情況下的動力性能和經濟性能。活塞行程、壓縮比增大雖然也可在中心式的基礎上用加長氣缸行程的方式獲得,但帶來了增加制造成本和發動機布置的困難。

2.2 活塞上行過程

活塞上行過程速度較中心式快,壓縮行程,切向力相差不大,耗功基本不變。活塞運動速度越快泄露越少,熱損失和可燃氣體損失降低,有利于提高最高溫度、最高壓力和循環的熱效率。

排氣行程,活塞速度較快,通過增大排氣提前角,使得排氣速度增加且不超過能產生渦流時的速度,在排氣門截面不變的情況下,超臨界排氣時期有利于廢氣的排除;自由排氣階段,偏置式發動機切向力小于中心式發動機,耗功少;強制排氣階段,切向力達到負向峰值,偏置式發動機絕對值大于中心式發動機,但是,偏置式發動機排氣行程開始的時候曲軸早已轉過中心式發動機下止點的位置,此時缸內氣壓雖然較大氣壓高,就活塞做功而言,作用不大,大部分廢氣在此壓力的作用下可迅速自缸內排出,還可防止發動機過熱,從而導致功率損失不大。

2.3 活塞下行過程

偏置式活塞下行過程速度較中心式慢,帶來以下一些好處。

2.3.1 燃燒效率提高

在做功過程開始的一定時間內,同樣曲軸轉角的情況下,偏置式發動機活塞位移較小,燃燒室容積改變相對較小,如燃燒速度不變(燃燒速度應該有所增加,因為缸內壓力、溫度有所增加),則偏移式與中心式比較,氣缸內燃燒更接近等容燃燒,而在內燃機三種理論燃燒形式中,等容燃燒熱效率最高,故偏置式發動機的循環熱效率高于中心式發動機。

2.3.2 平均有效壓力提高

做功行程,偏置式發動機的切向力大于中心式發動機的切向力,燃燒結束做功開始,達到峰值,加之活塞運動速度減慢,使活塞下壓力作用在曲軸上的時間更大更長,平均有效壓力得到提高,而且,切向力的大小與連桿和曲柄所成夾角的正弦成正比,曲柄偏置式發動機下行速度變慢,連桿和曲柄的夾角在以為中心的某一區間內的時間更長,扭矩得到更好的釋放,使發動機扭矩和功率都有所提高。

2.3.3 充氣效率提高

活塞下行速度降低,在同等發動機轉速和相同活塞行程下,進氣時間增加,適當調整配氣相位,能使充其量得到提高,在殘余廢氣相等的情況下,充氣效率有所提高。

2.4 側壓力方面

側壓力是偏置式發動機最大的負面影響。因為連桿擺角始終為負,側壓力始終存在,且大部分時間集中作用在一個方向。考慮到無論正負均對缸壁造成摩擦且與壓力絕對值成正比,分析時取絕對值。

進氣行程,開始偏置式發動機側壓力大于中心式發動機,隨著缸內壓力增大,二者相差不大,摩擦耗功亦沒有太大的差別。

壓縮行程,偏置式發動機側壓力一直大于中心式發動機,到壓縮終了二者相等,偏置式發動機功耗較中心式發動機大。

做功行程,偏置式發動機與中心式發動機同時達到峰值且數值相差不大,總的來說,偏置式發動機比中心式發動機摩擦耗功小,缸壁磨損分布相對較為均衡,但偏置式發動機側壓力曲線變化較為突然,造成對缸壁瞬間沖擊加劇,正壓力較大,磨損嚴重,必須在現有基礎上,針對磨損加劇處增強缸壁硬化處理,才能保證發動機的工作可靠性。但是通過改變片質量的大小可以使這一現象明顯地得到改善。

排氣行程,偏置式發動機側壓力大于中心式發動機,偏置式發動機排氣過程耗功略大于中心式發動機。

從循環全過程來看,偏置式發動機摩擦耗功小于中心式發動機。

3 結語

與中心式發動機相比,偏置式發動機運動特征為:活塞行程增加、上行速度加快、下行速度降低;力的特征為:切向力和側壓力都加大;發動機理論特征表現為:壓縮比、充氣效率、燃氣作用時間都有所提高。以上特征從理論上看,對提高發動機的動力性和經濟性都有好處;所帶來的負面影響,雖不容忽視,但經過工藝改善,以及試驗調整,也應該可以克服;曲軸偏移式發動機在動力性和經濟性的提升上,仍然有較大的空間,應加強對曲軸偏置式發動機的理論和實驗研究。

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