全新的高效發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒原理

日本早稻田大學(xué)理工學(xué)院的內(nèi)藤健教授針對(duì)汽車、飛機(jī)及發(fā)電設(shè)施等采用的發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮、燃燒原理提出了全新的理念，可將影響性能的熱效率提高到現(xiàn)在的2倍水平。應(yīng)用新原理的發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮和燃燒過(guò)程不在整個(gè)燃燒室范圍內(nèi)進(jìn)行，而是集中在燃燒室中央的某一點(diǎn)，這樣，除了能提高混合氣的壓縮比外，而且由于燃燒后的高溫氣體不接觸燃燒室周圍壁面，熱能難以泄漏到外部，因而可以取消冷卻裝置。并且，可以有效利用原本會(huì)逸入冷卻液等處的熱能。

當(dāng)前車用汽油機(jī)的熱效率約為30％，低速行駛時(shí)則會(huì)降低至15％左右。若能有效應(yīng)用上述新原理，預(yù)計(jì)可以在更為寬廣的發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)60％以上的高熱效率，并且其應(yīng)用范圍將可涵蓋從汽車到飛機(jī)的各類發(fā)動(dòng)機(jī)。

利用理論計(jì)算和計(jì)算機(jī)模擬工具，確認(rèn)了這一新燃料壓縮及燃燒原理的可行性。內(nèi)藤教授的研究小組制作了2臺(tái)小型原型機(jī)，今后還將進(jìn)行正式的燃燒試驗(yàn)及設(shè)計(jì)優(yōu)化研究。

新型發(fā)動(dòng)機(jī)（試制原型機(jī)）由燃燒室和輸出動(dòng)力的活塞等部件構(gòu)成。在燃燒室的壁面設(shè)置若干個(gè)引導(dǎo)燃料氣體的噴口，將從外部引入的汽油等燃料氣體噴束從氣缸的周圍集中引入中央部位的某一點(diǎn)。發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)用起動(dòng)專用的電動(dòng)機(jī)拉動(dòng)活塞，為氣缸內(nèi)部減壓，利用內(nèi)部與外部的壓力差，將空燃混合氣快速引入缸內(nèi)，形成音速級(jí)的高速氣流噴束。

這一高速混合氣噴束在燃燒室中央的極小范圍內(nèi)發(fā)生沖突，由此自壓縮的氣體達(dá)到高溫高壓狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)自著火燃燒。混合氣噴束的數(shù)目越多，燃料氣體的壓縮比就越高，如有16～30根音速級(jí)噴束發(fā)生沖突，則壓縮比可提高至10～30倍的水平。

發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率是指從燃料能量中獲得的輸出動(dòng)力的比率。從理論上講，壓縮比越高，熱效率就越高，輸出的動(dòng)力也就越強(qiáng)勁。高壓縮比可將原本作為廢氣排出的熱能作為動(dòng)力加以利用。但目前的發(fā)動(dòng)機(jī)在燃燒后會(huì)因高溫氣體接觸燃燒室壁面而使熱能從壁面逃逸。此次新提出的壓縮、燃燒理念正是從原理上避免了這一點(diǎn)。

新型發(fā)動(dòng)機(jī)的計(jì)算機(jī)模擬結(jié)果顯示，燃料在燃燒室的中央部位燃燒后，高溫氣體會(huì)滯留在其附近，而不與其周圍壁面發(fā)生接觸。并且高溫氣體可能也不與活塞表面發(fā)生接觸。據(jù)內(nèi)藤教授稱，如能在燃燒試驗(yàn)中確認(rèn)上述結(jié)果，就有可能實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)周圍壁面的隔熱，這意味著可以廢除冷卻裝置。

此外，研究顯示，新型發(fā)動(dòng)機(jī)的噪聲及振動(dòng)可被控制在傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)的水平，因?yàn)橹挥性谌紵抑醒霕O小的范圍內(nèi)呈高壓狀態(tài)，而壁面附近的區(qū)域則基本處于大氣壓力水平下，極難傳遞噪聲及振動(dòng)。

內(nèi)藤教授的研究小組制作了2臺(tái)應(yīng)用新原理的原型機(jī)，并且將使用汽油進(jìn)行燃燒試驗(yàn)。其中，一臺(tái)是假定為汽車及家庭發(fā)電用的排量約為50 m L的發(fā)動(dòng)機(jī)，另一臺(tái)假設(shè)為是飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)，即嘗試用1臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)，實(shí)現(xiàn)從音速到超音速的飛行。

陳云生 供稿