活塞懸停式發動機突破熱效率的天花板

呂建偉

（重慶木材有限責任公司，重慶 400020）

0.引言

活塞式發動機出現了100多年了，汽油點燃式發動機熱效率只能在35%左右，柴油壓燃式發動機熱效率可以達到40%；現在的技術手段，如阿特金森或米勒循環，缸內直噴、提高壓縮比HCCI壓燃技術等，把所有的技術手段用上汽油點燃式發動機熱效率只能提高在40%左右，因此每提高1%都非常難，在不改變發動機現有構造的情況下發動機熱效率很難做到大幅度提升，熱效率在現在的基礎上就很難突破了[1]。

1.往復式發動機的熱效率為什么底

根據現有資料表明內燃機汽缸里活塞上力的大小是由產生膨脹氣體的體積與做功前缸體空間的比值，在上止點上它的空間體積基數最小需要膨脹氣體的量相對較小就能獲得較大的作用力，當活塞開始運動后曲軸由0°～135°有效做功只有60%，而其他40%的做功都轉變成了連桿對軸瓦的摩擦力而做無用功，曲軸傳動也只有在90°一個點上能把做功完全傳遞到曲軸上，其它的任何點都存在做或多或少的無用功，但在90°這個點上缸體的空間體積比活塞在上止點上增大了5倍；在曲軸0°～135°的轉動中活塞的運動將造成缸體空間的逐漸增大，也就是大量的膨脹氣體所做的無用功的空間會轉變成軸瓦對曲軸的摩擦力；而活塞需要運動到下止點后又返回到上曲軸575°的圓周變活塞直線運動中的排氣、吸氣、壓縮自身消耗掉的有用功，又要在轉換中損失40%，可見曲軸傳動在進行力的互換中自身損失造成的能量損失可以達到80%以上，往復式內燃機浪費的力根源就在力的傳遞和轉換上；從上述分析可以看出活塞在曲軸臂從0°～45°角轉動區間中力基本損失了，而轉到45°時燃燒室空間已經增大一倍(活塞下降了曲軸臂長度的25%左右）所以曲軸臂從45°～135°的轉動中活塞上的力平均值也降低了25%左右。

2.提高熱效率的歷程

1862年法國一位工程師首先提出四沖程循環原理，1876年德國工程師尼古拉斯·奧托利用這個原理發明了發動機，奧托循環其熱效率在30%左右，1882年，英國工程師JamesAtk(詹姆斯·阿特金森)在使用奧托循環內燃機的基礎上，通過一套復雜的連桿機構，使得發動機的壓縮行程小于膨脹行程，這種巧妙的設計，不僅改善了發動機的進氣效率，也使得發動機的膨脹比高于壓縮比，有效地提高了發動機效率，這種發動機的工作原理被稱為阿特金森循環。阿特金森循環的實質就是膨脹比大于壓縮比，后來采用進氣門晚關的方法，讓缸內的混合氣被壓回進氣管一部分，這樣活塞的加速做功沖程就長于壓縮沖程，所以阿特金森循環的好處就是發動機的效能更高，也就是熱效率更高。1940年美國機械工程師羅爾夫·米勒(Ralph Miller)于1940年代取得專利發明了米勒循環采用的是氣門早關實現，在進氣行程結束前，提前關閉氣門；相比與阿特金森循環，這樣的方法在低負荷情況下能更省油，但在高負荷是會導致發動機功率不足；后來的缸內直噴、提高壓縮比HCCI壓燃技術等都是一些輔助技術對熱效率的進一步提高都收效不大[2]。

3.減少做功沖程的損失相應就提高熱效率

為了減少發動機能量傳遞時力的損失，本文提供一種活塞懸停式高效率發動機設計，本設計采用把曲軸臂的連桿軸頸直徑加大并且把連桿軸頸向曲軸臂左側凸出更高設計，而產生了一種新的活塞運行循環方式，使其活塞在做壓縮沖程達到上止點后曲軸臂在45°夾角轉動時讓活塞在氣缸上止點不下降呈“懸停”狀態，保持氣缸內的壓強和溫度不變，而當曲軸臂轉到45°夾角時活塞才開始下降，而點火位置則選擇在活塞下降前的一個合適的提前角；而這時曲軸臂轉動到45°夾角時力臂也變化到較長區間，這時可然氣體燃燒產生的強大壓力作用在活塞上，推動曲軸臂帶動曲軸的主軸頸轉動，輸出強大的扭矩力帶動負載做功。

4.具體的技術方案

那連桿軸頸怎么設計和安裝才能使曲軸臂傾斜時曲軸臂上端帶動連桿大頭下降而使活塞不下降呢？我們把曲軸的連桿軸頸設計為比常規連桿軸頸直徑大的大圓，并且把連桿軸頸大圓中心相對于曲軸臂的豎向中心線往左側水平移動一個位置凸出更高同曲軸臂連接固定在一起，當然連桿的大頭也設計較大與連桿軸頸大圓匹配；而在裝配時所面對曲軸臂旋轉的方向是順時針時在上止點位置時連桿的大頭是從左向右運動，那么連桿軸頸大圓凸出方向就向左與之相反安裝，反之則反（而連桿軸頸直徑具體設計多大，相對于曲軸臂凸出多少連接，要根據發動機自身設計的排量、活塞的大小、連桿的長短、活塞的行程和需要下降的角度位置來計算）；其運行時曲軸臂帶動連桿在繞著主軸頸旋轉過程中連桿軸頸大圓自身也相對于連桿大頭旋轉，當曲軸臂帶動活塞做壓縮沖程到氣缸上止點后，在曲軸臂從0°夾角至45°夾角的轉動過程中由于曲軸臂在傾斜，曲軸臂上端在逐漸下降，而這時曲軸的連桿軸頸大圓相對于曲軸臂凸出部位逐漸轉動至上側面以凸出部位的高度來彌補曲軸臂上端下降高度，使連桿大頭不下降也就使活塞在上止點不下降“懸停”，保持氣缸內的壓強和溫度不變，待曲軸臂轉動到45°夾角位置時活塞才開始下降，使得發動機活塞上的力在曲軸臂在45°夾角至145°夾角轉動中最有效傳遞區間獲得更大的作用力（因為此時氣缸壓縮空間較小待膨脹的空間較大），因而活塞上的力在傳遞給曲軸臂旋轉的每一個點上比傳統在上止點位置點火方式的發動機大幅度增加，而且減輕了傳統方式在上止點0°附近點火造成的對曲軸的沖擊和對氣缸壁側向壓力，也就是說使得活塞上的力在壓縮沖程損失很小了；因此把活塞“懸停”后開始下降位置設置在40°～45°夾角區間最佳；這種連桿軸頸加大并且向曲軸臂左側凸出的巧妙設計簡單易行，不需要改變發動機的基本結構，比傳統方式的發動機熱效率大幅度提高，而且這種新的循環方式比阿特金森和米勒循環提高熱效率更明顯，但又可以與之兼容并存[3]。

5.結語

此種發動機循環技術突破了活塞式發動機熱效率的瓶頸；通過摸似實驗數據推測發動機輸出功率提高60%～70%左右；同阿特金森循環或米勒循環等其他技術疊加，使發動機熱效率更可以達到60%左右；能大大降低排放，特別是用在增程式、和發電式新能源車上速航距離大大增加；而且特別適用氫能（爆燃特性）的直接燃燒，和大幅度提高其他新能源如天然氣、甲醇、乙醇、生物柴油的功率及扭矩力，是一款名副其實的新能源發動機。