田豐果 睢 娟

[摘 要]在曲柄、連桿、缸徑等重要參數(shù)不變的情況下,僅改變其曲軸中心的位置,能提高發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性,國外有該種發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)用報(bào)道,國內(nèi)也有專利,但對(duì)其動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性提高的原因及理論依據(jù)國內(nèi)外都未見分析報(bào)道。本文應(yīng)用運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)、熱力學(xué)和發(fā)動(dòng)機(jī)理論等相關(guān)知識(shí),對(duì)曲軸偏移式發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性及可靠性方面進(jìn)行理論分析,結(jié)論是偏置式發(fā)動(dòng)機(jī)比中心式發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性及經(jīng)濟(jì)性都得到提升;同時(shí)也帶來一些負(fù)面影響,經(jīng)過工藝改進(jìn)可以克服。

[關(guān)鍵詞]曲軸偏移式中心式力學(xué)分析

[中圖分類號(hào)]TP311[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A[文章編號(hào)]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(fā)動(dòng)機(jī)是在中心式發(fā)動(dòng)機(jī)的基礎(chǔ)上,將曲柄中心左偏一定距離,而其他參數(shù)不變。以往發(fā)動(dòng)機(jī)采取活塞銷偏置,目的是解決敲缸問題,改善發(fā)動(dòng)機(jī)工作的平順性。寶馬公司V10、本田飛度i-DSIM、豐田1SZ-FE和日產(chǎn)LIVINA驪威等款發(fā)動(dòng)機(jī)采用了偏置式曲軸設(shè)計(jì),提高低轉(zhuǎn)速的扭力和高轉(zhuǎn)速的功率。國內(nèi)相關(guān)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(fù)活塞式內(nèi)燃機(jī)報(bào)道。但對(duì)其動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性提高的原因及理論依據(jù)國內(nèi)外都未見分析報(bào)道。

本文以462Q發(fā)動(dòng)機(jī)為基礎(chǔ),曲軸偏移25mm,應(yīng)用發(fā)動(dòng)機(jī)原理、運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)及熱力學(xué)等相關(guān)理論,對(duì)曲軸偏移帶來的發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性及可靠性等方面得到改善的原因進(jìn)行分析。

1 運(yùn)動(dòng)與動(dòng)力分析

1.1 活塞行程

偏置式發(fā)動(dòng)機(jī)比中心式發(fā)動(dòng)機(jī)活塞行程增大了2.86%(見圖1)。

1.2 活塞速度

曲軸偏置式發(fā)動(dòng)機(jī)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(jìn)氣和壓縮行程,切向力相差不大;做功行程,燃燒結(jié)束做功開始,達(dá)到峰值,偏置式發(fā)動(dòng)機(jī)的切向力較中心式發(fā)動(dòng)機(jī)的切向力大5.17%;排氣行程,在強(qiáng)制排氣階段,切向力達(dá)到負(fù)向峰值,偏置式發(fā)動(dòng)機(jī)絕對(duì)值大于中心式發(fā)動(dòng)機(jī),自由排氣階段,偏置式發(fā)動(dòng)機(jī)小于中心式發(fā)動(dòng)機(jī)(見圖3)。

1.3.2 側(cè)向力

進(jìn)氣行程,開始偏置式發(fā)動(dòng)機(jī)側(cè)壓力大于中心式發(fā)動(dòng)機(jī),隨著缸內(nèi)壓力增大,偏置式發(fā)動(dòng)機(jī)側(cè)壓力減小并一直小于中心式發(fā)動(dòng)機(jī);壓縮行程,偏置式發(fā)動(dòng)機(jī)側(cè)壓力一直小于中心式發(fā)動(dòng)機(jī),到壓縮終了二者相等;做功行程偏置式發(fā)動(dòng)機(jī)與中心式發(fā)動(dòng)機(jī)同時(shí)達(dá)到峰值但符號(hào)相反,分別為950N和-1200N;排氣行程,在自由排氣階段,偏置式發(fā)動(dòng)機(jī)遠(yuǎn)小于中心式發(fā)動(dòng)機(jī),強(qiáng)制排氣階段偏置式發(fā)動(dòng)機(jī)側(cè)壓力大于中心式發(fā)動(dòng)機(jī)。

2 理論分析

2.1 活塞行程

活塞行程增大2.86%,導(dǎo)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(qiáng)更高,循環(huán)熱效率和平均壓力得到提高;做功行程時(shí)間延長(zhǎng),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?；钊谐淘龃?還可以恢復(fù)在高原使用的內(nèi)燃機(jī)的功率,改善因?yàn)檫M(jìn)氣密度下降燃燒惡化情況下的動(dòng)力性能和經(jīng)濟(jì)性能?；钊谐?、壓縮比增大雖然也可在中心式的基礎(chǔ)上用加長(zhǎng)氣缸行程的方式獲得,但帶來了增加制造成本和發(fā)動(dòng)機(jī)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(yùn)動(dòng)速度越快泄露越少,熱損失和可燃?xì)怏w損失降低,有利于提高最高溫度、最高壓力和循環(huán)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(chǎn)生渦流時(shí)的速度,在排氣門截面不變的情況下,超臨界排氣時(shí)期有利于廢氣的排除;自由排氣階段,偏置式發(fā)動(dòng)機(jī)切向力小于中心式發(fā)動(dòng)機(jī),耗功少;強(qiáng)制排氣階段,切向力達(dá)到負(fù)向峰值,偏置式發(fā)動(dòng)機(jī)絕對(duì)值大于中心式發(fā)動(dòng)機(jī),但是,偏置式發(fā)動(dòng)機(jī)排氣行程開始的時(shí)候曲軸早已轉(zhuǎn)過中心式發(fā)動(dòng)機(jī)下止點(diǎn)的位置,此時(shí)缸內(nèi)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(nèi)排出,還可防止發(fā)動(dòng)機(jī)過熱,從而導(dǎo)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(shí)間內(nèi),同樣曲軸轉(zhuǎn)角的情況下,偏置式發(fā)動(dòng)機(jī)活塞位移較小,燃燒室容積改變相對(duì)較小,如燃燒速度不變(燃燒速度應(yīng)該有所增加,因?yàn)楦變?nèi)壓力、溫度有所增加),則偏移式與中心式比較,氣缸內(nèi)燃燒更接近等容燃燒,而在內(nèi)燃機(jī)三種理論燃燒形式中,等容燃燒熱效率最高,故偏置式發(fā)動(dòng)機(jī)的循環(huán)熱效率高于中心式發(fā)動(dòng)機(jī)。

2.3.2 平均有效壓力提高

做功行程,偏置式發(fā)動(dòng)機(jī)的切向力大于中心式發(fā)動(dòng)機(jī)的切向力,燃燒結(jié)束做功開始,達(dá)到峰值,加之活塞運(yùn)動(dòng)速度減慢,使活塞下壓力作用在曲軸上的時(shí)間更大更長(zhǎng),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(fā)動(dòng)機(jī)下行速度變慢,連桿和曲柄的夾角在以為中心的某一區(qū)間內(nèi)的時(shí)間更長(zhǎng),扭矩得到更好的釋放,使發(fā)動(dòng)機(jī)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(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和相同活塞行程下,進(jìn)氣時(shí)間增加,適當(dāng)調(diào)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(cè)壓力方面

側(cè)壓力是偏置式發(fā)動(dòng)機(jī)最大的負(fù)面影響。因?yàn)檫B桿擺角始終為負(fù),側(cè)壓力始終存在,且大部分時(shí)間集中作用在一個(gè)方向?？紤]到無論正負(fù)均對(duì)缸壁造成摩擦且與壓力絕對(duì)值成正比,分析時(shí)取絕對(duì)值。

進(jìn)氣行程,開始偏置式發(fā)動(dòng)機(jī)側(cè)壓力大于中心式發(fā)動(dòng)機(jī),隨著缸內(nèi)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(fā)動(dòng)機(jī)側(cè)壓力一直大于中心式發(fā)動(dòng)機(jī),到壓縮終了二者相等,偏置式發(fā)動(dòng)機(jī)功耗較中心式發(fā)動(dòng)機(jī)大。

做功行程,偏置式發(fā)動(dòng)機(jī)與中心式發(fā)動(dòng)機(jī)同時(shí)達(dá)到峰值且數(shù)值相差不大,總的來說,偏置式發(fā)動(dòng)機(jī)比中心式發(fā)動(dòng)機(jī)摩擦耗功小,缸壁磨損分布相對(duì)較為均衡,但偏置式發(fā)動(dòng)機(jī)側(cè)壓力曲線變化較為突然,造成對(duì)缸壁瞬間沖擊加劇,正壓力較大,磨損嚴(yán)重,必須在現(xiàn)有基礎(chǔ)上,針對(duì)磨損加劇處增強(qiáng)缸壁硬化處理,才能保證發(fā)動(dòng)機(jī)的工作可靠性。但是通過改變片質(zhì)量的大小可以使這一現(xiàn)象明顯地得到改善。

排氣行程,偏置式發(fā)動(dòng)機(jī)側(cè)壓力大于中心式發(fā)動(dòng)機(jī),偏置式發(fā)動(dòng)機(jī)排氣過程耗功略大于中心式發(fā)動(dòng)機(jī)。

從循環(huán)全過程來看,偏置式發(fā)動(dòng)機(jī)摩擦耗功小于中心式發(fā)動(dòng)機(jī)。

3 結(jié)語

與中心式發(fā)動(dòng)機(jī)相比,偏置式發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)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(cè)壓力都加大;發(fā)動(dòng)機(jī)理論特征表現(xiàn)為:壓縮比、充氣效率、燃?xì)庾饔脮r(shí)間都有所提高。以上特征從理論上看,對(duì)提高發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性都有好處;所帶來的負(fù)面影響,雖不容忽視,但經(jīng)過工藝改善,以及試驗(yàn)調(diào)整,也應(yīng)該可以克服;曲軸偏移式發(fā)動(dòng)機(jī)在動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性的提升上,仍然有較大的空間,應(yīng)加強(qiáng)對(duì)曲軸偏置式發(fā)動(dòng)機(jī)的理論和實(shí)驗(yàn)研究。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 裘澄立.“曲軸偏移式發(fā)動(dòng)機(jī)”專利證書.[P].貴陽.2002.

QIU Chengli.The patent certificate of “offset crankshaft engine ".[P].Guiyang,2002

[2] 董敬,莊志,常思勤.汽車拖拉機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī).[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社2000 DONG Jing,ZHUANG Zhi,CHANG Siqin. Automobile&tractor;s engine.[M].Beijing:China Machine Press,2000.

[3] 王敏智,周恒昌.微型汽車構(gòu)造與維修.[M].北京:人民交通出版社,1993.

WANG Minzhi,ZHOU Hengchang. The baby car structure and maintained.[M].Beijing:The peoples Jiaotong Press,1993.

[4] 陸際清,孟嗣宗.汽車發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì).[M].北京:清華大學(xué)出版社,1990.

LU Jiqing,MENG Cizong.The engine designs of automobile[M].Beijing:Tsinghua University Press,1993.

[5] 周龍保.內(nèi)燃機(jī)學(xué).[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社.1999.

ZHOU Longbao.Study of internal-combustion engine. [M].Beijing:China Machine Press,1999

[6] 陳家瑞.汽車構(gòu)造.[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社.2005.

[7] CHEN Jiarui. Automobile structure. [M].Beijing:China Machine Press,2005.