提高熱效率、降低噪聲的小型發(fā)動機

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提高熱效率、降低噪聲的小型發(fā)動機

研究了一種廉價、輕量級且噪聲相對低的發(fā)動機，可以使小型發(fā)動機提高50%熱效率，這是通過避免空氣接觸室壁和活塞表面，減少空氣噴射流，使氣體在燃燒室中心燃燒實現(xiàn)的。可以在不同空燃比的情況下維持高壓縮比，而傳統(tǒng)的均勻壓縮發(fā)動機由于活塞運動的原因，不能在不同的空燃比條件下獲得較高的壓力比。發(fā)動機更高的壓縮比可以減少燃燒過程中產(chǎn)生的噪聲。

對一個具有射流碰撞脈沖和強烈不對稱雙活塞系統(tǒng)的小型原型發(fā)動機利用計算機模擬進(jìn)行試驗研究，可以通過一個約40mm的雙活塞系統(tǒng)產(chǎn)生一個短行程脈沖。在一定的負(fù)荷下通過發(fā)動機轉(zhuǎn)速計算表明，熱效率有可能超過60%，因為燃燒室和活塞表面有非常少的熱損失。研究了噴射口數(shù)量和射流直徑大小比例的設(shè)計準(zhǔn)則。

吸氣式內(nèi)燃機距今已有100多年的歷史，其活塞、渦輪和隨機存儲器（RAM）沖壓急停系統(tǒng)在燃料供應(yīng)中浪費了一半的能量。尤其是小型發(fā)動機（如汽車和摩托車，通常低于在低負(fù)荷條件下，熱效率小于20%）。

提高發(fā)動機熱效率和燃燒功率的重點在于提高氣缸的氣體壓縮比。發(fā)動機氣缸壁的熱損失，在傳統(tǒng)發(fā)動機中占總能量的30%。如果壓縮比超過20∶1，氣缸壁沒有熱損失，熱效率將超過60%。

壓縮比不能超過20∶1，因為如此高的壓縮比會導(dǎo)致敲缸，由此引起的噪聲會損壞發(fā)動機。傳統(tǒng)的發(fā)動機，如往復(fù)運動、脈沖爆震和RAM急停系統(tǒng)不可能在高壓縮的情況下保證低噪聲。

徹底消除傳遞給氣缸壁熱量的目標(biāo)尚未實現(xiàn)，即使在這方面已經(jīng)做了廣泛的研究。基于流體力學(xué)結(jié)合化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)，進(jìn)行了超級計算機模擬和理論研究，闡明了傳統(tǒng)發(fā)動機對氣缸壁熱損失并沒有減少的原因。這是因為燃燒引起的膨脹流將燃燒氣體帶向墻壁，而湍流擴散的影響是比較小的。

Ken Naitoh et al. SAE 2014-32-0100.

編譯：祁祥