韓培洲

(華星機動車科技(天津)有限責任公司， 天津 100078)

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大幅提高熱效率的新結構節(jié)油內燃機

韓培洲

(華星機動車科技(天津)有限責任公司， 天津 100078)

在內燃機中，提高壓縮比一直是降低油耗的主要方式，壓縮比提高后，會相應減少燃燒室的容積損失，但由于汽油機受爆燃限制，柴油機受最大爆發(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輔助活塞與氣缸內的活塞相配合運轉的節(jié)油內燃機結構方案，并介紹了這種節(jié)油內燃機的工作過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壓縮比燃油效率

0　前言

在內燃機中，無論是汽油機還是柴油機，較高的壓縮比都可讓發(fā)動機得到較高的效率。

為克服汽油機在低功率時因壓縮比相對較低而效率降低的不足，國內外的研究機構也開發(fā)試驗了可變壓縮比的多種不同汽油機方案[1]。但不論哪種方案，都無法消除燃燒室容積的不足。在本文中給出的新型節(jié)油內燃機中，可以在燃燒作功之后迅速消除燃燒室的容積，并會讓內燃機的效率大幅度提高，從而為提高內燃機效率又開辟了1條新的途徑。

1　節(jié)油內燃機的基本結構

該節(jié)油內燃機是在氣缸蓋上增設了裝有輔助活塞的小氣缸，這種結構在國內外的試驗型可調壓縮比汽油機中都有采用過[2]。

節(jié)油內燃機的基本構造如圖1所示，這種新型節(jié)油內燃機通過結構改進，除包括常規(guī)內燃機所具有的進排氣門、氣缸活塞和連桿傳動機構以外，還在氣缸蓋上增設了由輔助曲軸經連桿帶動的輔助活塞，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，輔助活塞的直徑相當于活塞直徑的1/2，行程與活塞基本相同。輔助活塞被輔助曲軸帶動，也能抵抗小氣缸燃燒室內很大的作功燃氣壓力，在結構上也較為簡單，并適合發(fā)動機的高速運轉。

在節(jié)油內燃機中，輔助曲軸與曲軸轉速相同，被帶動的輔助活塞在配合活塞完成1次提高效率的作功過程后，輔助活塞在進排氣過程時會多運行1次，并設置了在排氣過程中能擠走小氣缸燃燒室內廢氣的供氣管及閥門機構。

在輔助活塞與氣缸內的活塞運轉配合過程中，當氣缸內的活塞處于上止點位置時，被輔助曲軸帶動的輔助活塞則離開其下止點80～100°CA，與活塞形成圖2中所示的角度定時，并在輔助活塞下行過程中讓小氣缸內形成燃燒過程所需的燃燒室容積和開始燃燒時的基本壓縮比。這樣布置后便能在氣缸內的活塞開始作功時，由輔助曲軸帶動輔助活塞繼續(xù)下行，迅速把小氣缸燃燒室內的作功燃氣推進氣缸參與作功，消除了燃燒室的容積損失，讓原來在燃燒室膨脹的作功燃氣被壓進氣缸膨脹作功，使發(fā)動機的效率大幅度提高。

2　節(jié)油內燃機的工作過程

通過壓縮過程和作功過程，可以說明這種節(jié)油內燃機如何在作功過程中消除燃燒室的容積，并提高了工作效率。

2.1壓縮過程

在壓縮過程中，當氣缸中的活塞上行到上止點時已經完成了壓縮過程，這時的輔助活塞被輔助曲軸帶動提前85°向下壓進小氣缸燃燒室，在燃燒室容積變小的過程中形成了內燃機開始燃燒時的壓縮比。汽油機可形成相當于9∶1的壓縮比。在柴油機中，所形的小氣缸燃燒室的容積還可再小一些，以達到12∶1的柴油機壓燃點火溫度。

2.2作功過程

作功過程如圖3所示，當作功過程開始后，輔助活塞被帶動繼續(xù)下行，把小氣缸燃燒室內的作功燃氣快速壓進氣缸膨脹。當氣缸中的活塞作功下行帶動曲軸離開上止點45～50°CA，因輔助曲軸已離開其下止點135°CA，帶動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小氣缸燃燒室后到達其上止點的最下部位置，讓輔助活塞的凸出頭部伸進氣缸。隨著輔助活塞接近上止點，輔助活塞所消耗的壓縮功也在相應減少，而被活塞帶動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位置時，還處于不消耗壓縮功的位置處。當輔助活塞移過其上止點位置后，還能被燃氣推動相應對外作功，讓動力經輔助曲軸向外輸出。

圖3　節(jié)油內燃機的燃燒過程示意圖

在節(jié)油內燃機作功過程中，當輔助活塞移到消除了小氣缸燃燒室容積的位置后，如果這時把活塞上行到上止點位置時的余隙容積與氣缸的工作容積相比，所形成的相對壓縮比便可達到50～70。但由于燃燒室內的作功燃氣是在活塞下行后進入氣缸，氣缸中所產生的最大燃氣壓力并未升高。但因原來在燃燒室膨脹的作功燃氣被壓進氣缸中作功膨脹，使作功燃氣的壓力降幅相對較小，一般高于內燃機，隨著接近其上止點的輔助活塞所消耗的壓縮功正在相應減少，而曲軸則處于最有利的曲軸轉角下被活塞推動作功，從而讓曲軸的輸出功率增加，發(fā)動機的效率大幅度提高。

由于節(jié)油內燃機能在作功過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)動機仍可采用較輕便的活塞連桿傳動機構，讓傳動機構仍具有很高的機械效率。

3　節(jié)油內燃機的工作效率

根據節(jié)油內燃機的工作過程，所描繪的示意圖如圖4所示，示意圖的左側是經整理后旳輔助活塞壓力與工作容積的變化曲線，能很清楚的表示出輔助活塞上行到其上止點不消耗壓縮功位置時的這一刻工作狀態(tài)。在節(jié)油內燃機作功過程中，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)，所消耗的壓縮功會轉化為活塞多產生的輸出動力+Vc，-Vc和+Vc被傳遞到曲軸后便會相互抵消。但由于在作功過程中消除了小氣缸燃燒室的容積損失，讓原來在燃燒室膨脹的作功燃氣被壓入氣缸膨脹作功，而且隨著輔助活塞接近其上止點，輔助活塞所消耗的壓縮功也在相應減少，但被活塞帶動的曲軸則處于最有利的作功角度，讓內燃機多產生出了相應的功率。在最高燃燒壓力并未增大的條件下讓發(fā)動機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更加豐滿，并讓內燃機多得到了Vz面積中的動力。

圖4　節(jié)油內燃機的工作過程示意圖

圖5　節(jié)油內燃機有效工作效率的預測

在不同功率的節(jié)油內燃機中，由于在作功過程中消除了燃燒室容積，內燃機的基礎壓縮比也不是影響效率的因素，這時，因不同節(jié)油內燃機中活塞頂部的余隙容積有所不同，這便會成為影響這種內燃機效率的另一因素。為了明確這一因素，可再形成1種并不存在的相對壓縮比，即利用活塞處于上止點時的余隙容積Vx與氣缸的排量Vh之比((Vh+Vx)/Vx)形成相對壓縮比，根據節(jié)油內燃機結構的不同，其相對壓縮比可在50～70之間，這會讓實際中的節(jié)油內燃機工作效率有所不同。

當然，輔助活塞在運行過程中也會產生一定的壓力波動，在輔助活塞下移形成燃燒室容積時，由于燃燒過程的開始會讓輔助活塞突然受到最大的燃氣壓力作用，雖然最大燃氣作用壓力的角度很小，時間也很短，會迅速被活塞所產生的更大作用力所覆蓋，這一問題在多缸機中并不明顯，但用于單缸機時，可能需要適當增加飛輪的質量，以抵取輔助活塞所產生的壓力波動力。

4　節(jié)油內燃機的效率預測

關于節(jié)油內燃機提高效率的幅度，可參看圖5所示的有效效率預測。在內燃機中，當基礎壓縮比從汽油機的8和柴油機的13增加到50以上的壓縮比時，如果機械效率并未大幅度降低，發(fā)動機的工作效率還是會有很大幅度的提升。由于節(jié)油內燃機在作功過程中消除了燃燒室容積，所形成的相對壓縮比可達到50～70，同時因發(fā)動機的基礎壓縮比并不是很高，活塞連桿等傳動機構仍很輕便，能讓發(fā)動機

保持較高的機械效率，讓所制成的這種節(jié)油內燃機在運轉中工作效率會大幅度提高。實際中，無論制成節(jié)油汽油機還是節(jié)油柴油機，都能讓這種節(jié)油內燃機的有效效率提高到47%～50%，接近于燃料電池的效率。柴油機由于壓燃點火，實際中的有效效率還會略低于汽油機。

在采用輔助活塞的這種節(jié)油內燃機中，在氣缸內的活塞作功下行45～50°CA時，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。當然，由于汽油機初始的壓縮比更低，活塞連桿等也更輕便，實際工作效率還會略高一些。

5　總結

由于可借助輔助活塞在作功過程開始后迅速減小并消除小氣缸燃燒室的容積，因而能讓發(fā)動機消除燃燒室容積，從而大幅度提高了效率，為進一步降低內燃機油耗又找到了新途徑。在實際應用時，因汽油機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，也不用成本較高的高壓共軌系統(tǒng)，可把這種節(jié)油內燃機在城市車輛中優(yōu)先應用。這種新型節(jié)油內燃機可制成單缸及多缸機型，在功率上也無限制，可用于摩托車、汽車、船舶和電站等領域作為動力裝置使用，有利于節(jié)能減排和社會的可持續(xù)發(fā)展。

[1] 肖云魁.21世紀汽車[M].兵器工業(yè)出版社,北京，1999： 134.

[2] 高強.725/可變壓縮比技術[J].汽車知識,2013,05： 073.