李永純 張穎 袁海馬

（華晨汽車(chē)工程研究院動(dòng)力總成設(shè)計(jì)處）

隨著人們生活水平的日益提高，汽車(chē)已經(jīng)走進(jìn)千家萬(wàn)戶。汽車(chē)保有量的快速提高，造成空氣污染已十分嚴(yán)重；同時(shí)汽車(chē)消費(fèi)者對(duì)整車(chē)的燃油消耗也十分敏感，這關(guān)系到汽車(chē)的使用成本。因此，降低排放及降低整車(chē)的油耗已經(jīng)成為各大汽車(chē)廠的重要任務(wù)。目前，降低發(fā)動(dòng)機(jī)油耗主要采用新材料、新技術(shù)及整機(jī)輕量化等手段實(shí)現(xiàn)。其中曲軸偏置設(shè)計(jì)是近幾年在設(shè)計(jì)中應(yīng)用較多的方法之一，它能夠有效降低發(fā)動(dòng)機(jī)的摩擦功，從而達(dá)到降低發(fā)動(dòng)機(jī)油耗的目的。

1 曲軸偏置的原理

1.1 曲軸偏置種類(lèi)

傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸軸線與氣缸中心面是重合的。曲軸偏置是指曲軸軸線與氣缸中心面偏置。曲軸既可以向發(fā)動(dòng)機(jī)主壓力一側(cè)偏置，也可以向發(fā)動(dòng)機(jī)次壓側(cè)偏置。將朝向發(fā)動(dòng)機(jī)主壓力側(cè)偏置的稱(chēng)為曲軸正偏置，朝向發(fā)動(dòng)機(jī)次壓力側(cè)偏置的稱(chēng)為曲軸負(fù)偏置。

目前，曲軸偏置幾乎全部采用正偏置，其示意圖，如圖1所示。

1.2 曲軸偏置分析

1.2.1 活塞止點(diǎn)位置

偏置曲柄連桿機(jī)構(gòu)相比中心曲柄連桿機(jī)構(gòu)，活塞上下止點(diǎn)位置均有變化，偏置曲柄連桿機(jī)構(gòu)的簡(jiǎn)圖，如圖2所示。圖2 中：e 為曲軸偏置量，Se為活塞行程，S1和S2分別為活塞在上/下止點(diǎn)與曲軸中心的距離，α1和α2分別為上/下止點(diǎn)時(shí)曲軸轉(zhuǎn)角，l 為連桿長(zhǎng)度，r 為曲軸回轉(zhuǎn)半徑。A′和A 分別為活塞上/下止點(diǎn)位置。

α1和 α2的值可從△A′EO 和△AEO 中求得：

式中：λ——連桿比，λ=r/l；

ξ——偏置率，ξ=e/r。

當(dāng)活塞從上止點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到下止點(diǎn)時(shí)，曲柄轉(zhuǎn)過(guò)的角度是α2-α1＞180°，但是當(dāng)活塞從下止點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到上止點(diǎn)時(shí)，曲柄的轉(zhuǎn)角是 360°-α2+α1＞180°。這樣的偏置布置有利于加大進(jìn)氣行程和做功行程，使進(jìn)氣更充分，膨脹更徹底；同時(shí)使壓縮行程縮短，更有利于壓縮過(guò)程的絕熱效果[1]。

同時(shí)，與沒(méi)有曲軸偏置的發(fā)動(dòng)機(jī)（圖3a）不同，在曲軸偏置發(fā)動(dòng)機(jī)上（圖3b）連桿在做功行程中處于幾乎垂直的狀態(tài)。曲軸偏置措施可明顯減小活塞在氣缸壁上的側(cè)向壓緊力及活塞與缸壁之間的摩擦，從而提高發(fā)動(dòng)機(jī)工作效率[2]。

1.2.2 活塞行程

活塞行程為活塞上/下止點(diǎn)到曲軸中心距離的差值，即：

2 曲軸偏置設(shè)計(jì)示例

2.1 基本參數(shù)

某型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)為直列四缸、增壓水冷柴油機(jī)，采用可變進(jìn)氣、雙VVT 等技術(shù)，主要參數(shù)，如表1所示。

表1 某型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)主要參數(shù)

2.2 運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

2.2.1 曲軸偏置對(duì)活塞行程和曲軸轉(zhuǎn)角的影響

將 l=149 mm，r=44 mm 代入 λ=r/l，得：λ=0.295。將e=12 mm，r=44 mm 代入 ξ=e/r,得：ξ=0.273。

將上述數(shù)據(jù)分別代入式（1）～（3），得：

該型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸偏置12 mm 后，活塞行程增加0.313 mm。

當(dāng)活塞從上止點(diǎn)到下止點(diǎn)時(shí)，曲柄轉(zhuǎn)過(guò)的角度是：

當(dāng)活塞從下止點(diǎn)到上止點(diǎn)時(shí)，曲柄轉(zhuǎn)過(guò)的角度是：

360°-α2+α1=360°-186.562°+3.565°=177.003°

可見(jiàn)，活塞下行所占曲柄轉(zhuǎn)角變大了，而上行所占曲柄轉(zhuǎn)角卻變小了（即壓縮過(guò)程進(jìn)展較快，膨脹過(guò)程進(jìn)展較慢），有效地提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的工作效率。

2.2.2 曲軸偏置對(duì)活塞位移速度加速度的影響

曲軸偏置前后，活塞的位移、速度及加速度的總變化趨勢(shì)是一致的，如圖4～6所示。只是偏置后的活塞速度和加速度極值略為增加，對(duì)活塞運(yùn)動(dòng)的影響不大。

2.2.3 曲軸偏置對(duì)側(cè)向加速度及側(cè)向摩擦力的影響

曲軸偏置前后，活塞的側(cè)向加速度變化非常明顯，如圖7所示。偏置后，活塞下行過(guò)程中的側(cè)向加速度明顯減小，峰值約減小38%，而上行過(guò)程中的加速度明顯增加，峰值約增加50%。

這里分析的側(cè)向加速度，僅僅是由活塞運(yùn)動(dòng)的慣性力產(chǎn)生的。而由爆發(fā)壓力產(chǎn)生的側(cè)向力并沒(méi)有考慮。但同理可知，由爆發(fā)壓力產(chǎn)生的側(cè)向力也會(huì)減小。

曲軸偏置對(duì)摩擦平均有效壓力的影響，如圖8所示。從圖8 可以看出，隨著曲軸偏移量的增大，對(duì)摩擦平均有效壓力的影響也越大，對(duì)減小摩擦力起到非常有效的作用。但是當(dāng)曲軸偏移量超過(guò)15 mm 時(shí)，曲軸偏移量增加，對(duì)減小摩擦力的作用不是很明顯。

3 結(jié)論

該型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸向排氣側(cè)偏置12 mm 后，活塞行程增加0.313 mm。活塞下行所占曲柄轉(zhuǎn)角增加，上行則減小。下行過(guò)程活塞側(cè)向加速度減小，上行過(guò)程活塞側(cè)向加速度增加（由活塞慣性力引起的側(cè)向加速度）。同理，爆發(fā)壓力引起的活塞側(cè)向力也將減小。所以，曲軸偏置后，對(duì)燃油消耗有利。另外，也要考慮曲軸偏置后，對(duì)曲軸箱設(shè)計(jì)的影響。