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(chē)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(chē)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(guò)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(duì)壓縮比燃油效率

0　前言

在內(nèi)燃機(jī)中，無(wú)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(duì)較低而效率降低的不足，國(guó)內(nèi)外的研究機(jī)構(gòu)也開(kāi)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(wú)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(kāi)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(guó)內(nèi)外的試驗(yàn)型可調(diào)壓縮比汽油機(jī)中都有采用過(guò)[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(guò)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(mén)、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Γ诮Y(jié)構(gòu)上也較為簡(jiǎn)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(guò)程后，輔助活塞在進(jìn)排氣過(guò)程時(shí)會(huì)多運(yùn)行1次，并設(shè)置了在排氣過(guò)程中能擠走小氣缸燃燒室內(nèi)廢氣的供氣管及閥門(mén)機(jī)構(gòu)。

在輔助活塞與氣缸內(nèi)的活塞運(yùn)轉(zhuǎn)配合過(guò)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(kāi)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(guò)程中讓小氣缸內(nèi)形成燃燒過(guò)程所需的燃燒室容積和開(kāi)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(kāi)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(lái)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(guò)程

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

2.1壓縮過(guò)程

在壓縮過(guò)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(guò)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(guò)程中形成了內(nèi)燃機(jī)開(kāi)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(guò)程

作功過(guò)程如圖3所示，當(dāng)作功過(guò)程開(kāi)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(kāi)上止點(diǎn)45～50°CA，因輔助曲軸已離開(kāi)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(guò)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(guò)其上止點(diǎn)位置后，還能被燃?xì)馔苿?dòng)相應(yīng)對(duì)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(guò)程示意圖

在節(jié)油內(nèi)燃機(jī)作功過(guò)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(duì)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?lái)在燃燒室膨脹的作功燃?xì)獗粔哼M(jìn)氣缸中作功膨脹，使作功燃?xì)獾膲毫捣鄬?duì)較小，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(guò)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(guò)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(xiàn)，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(guò)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(guò)程中消除了小氣缸燃燒室的容積損失，讓原來(lái)在燃燒室膨脹的作功燃?xì)獗粔喝霘飧着蛎涀鞴Γ译S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(xiàn)更加豐滿(mǎn)，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(guò)程示意圖

圖5　節(jié)油內(nèi)燃機(jī)有效工作效率的預(yù)測(cè)

在不同功率的節(jié)油內(nèi)燃機(jī)中，由于在作功過(guò)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(duì)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(duì)壓縮比，根據(jù)節(jié)油內(nèi)燃機(jī)結(jié)構(gòu)的不同，其相對(duì)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(guò)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(guò)程的開(kāi)始會(huì)讓輔助活塞突然受到最大的燃?xì)鈮毫ψ饔茫m然最大燃?xì)庾饔脡毫Φ慕嵌群苄。瑫r(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(wèn)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(cè)

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(cè)。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(guò)程中消除了燃燒室容積，所形成的相對(duì)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(wú)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(guò)程開(kāi)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(chē)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(wú)限制，可用于摩托車(chē)、汽車(chē)、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(chē)[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(chē)知識(shí),2013,05： 073.