俞彬

摘? 要：現(xiàn)有四沖程往復(fù)活塞式內(nèi)燃機(jī)上采用的氣門式配氣機(jī)構(gòu)，制約了該內(nèi)燃機(jī)節(jié)能減排水平的進(jìn)一步提高：1.汽油機(jī)中，氣門式配氣機(jī)構(gòu)向內(nèi)往復(fù)開閉，使氣門頭向內(nèi)伸出占用了缸內(nèi)空間，導(dǎo)致缸內(nèi)廢氣無(wú)法完全排出。在怠速、低速時(shí)，為了克服殘余廢氣的稀釋作用，需加濃混合氣，造成CO的大量生成;2.柴油機(jī)中，氣門式配氣機(jī)構(gòu)的氣門頭對(duì)進(jìn)氣氣流有阻礙作用，使充量系數(shù)和進(jìn)氣流速成反比，為保證充量系數(shù)而降低進(jìn)氣流速，導(dǎo)致缸內(nèi)氣體運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度不夠、油氣混合不均勻，實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)造成CO、PM、NOx的大量生成。為解決上述問(wèn)題，本人設(shè)計(jì)了旋轉(zhuǎn)式配氣機(jī)構(gòu)。

關(guān)鍵詞：減少排放;氣門式配氣機(jī)構(gòu);旋轉(zhuǎn)式配氣機(jī)構(gòu)

中圖分類號(hào)：U464.134? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? 文章編號(hào)：1005-2550（2019）02-0074-06

在所有的熱力機(jī)械里，四沖程往復(fù)活塞式內(nèi)燃機(jī)（汽油機(jī)、柴油機(jī)）是應(yīng)用最廣泛的，對(duì)它的節(jié)能減排研究，意義十分重大。在對(duì)該內(nèi)燃機(jī)中污染物的生成機(jī)理及現(xiàn)有減排措施進(jìn)行分析后，本人認(rèn)為：四沖程往復(fù)活塞式內(nèi)燃機(jī)污染物排放的進(jìn)一步降低，受到氣門式配氣機(jī)構(gòu)的制約，改變配氣機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，是當(dāng)下減少四沖程往復(fù)活塞式內(nèi)燃機(jī)污染物排放的最佳選擇，具體闡述如下。

1? ? 氣門式配氣機(jī)構(gòu)改進(jìn)的必要性

討論四沖程往復(fù)活塞式內(nèi)燃機(jī)（以下簡(jiǎn)稱內(nèi)燃機(jī)）的減排，首先要明確內(nèi)燃機(jī)污染物生成的條件。內(nèi)燃機(jī)常用的HC燃料（汽油、柴油、天然氣等），在氣缸內(nèi)完全燃燒時(shí)（即氧氣、溫度、燃燒時(shí)間均滿足條件時(shí)），不考慮燃料中混雜的微量雜質(zhì)，將只產(chǎn)生CO2和H2O。而內(nèi)燃機(jī)中污染物的生成主要的原因，概括的來(lái)說(shuō)是：HC燃料在缺氧條件下，不完全燃燒生成的CO和PM;高溫（2000K左右）、富氧（過(guò)量空氣系數(shù)Φa≈1.1）的條件下，參與燃燒的空氣中的氧和氮發(fā)生反應(yīng)生成NOx;未來(lái)得及燃燒的HC作為污染物直接排出[1]。

根據(jù)以上污染物生成的條件，首先對(duì)現(xiàn)有缸內(nèi)減排技術(shù)作一個(gè)概略分析。

1.1? ?對(duì)現(xiàn)有內(nèi)燃機(jī)上缸內(nèi)減排技術(shù)的分析

內(nèi)燃機(jī)誕生到現(xiàn)在已經(jīng)有一百多年的歷史，隨著內(nèi)燃機(jī)中污染物排放對(duì)環(huán)境的影響越來(lái)越大，人們對(duì)內(nèi)燃機(jī)的研究方向也從最初的如何提高功率，發(fā)展到現(xiàn)在的如何減少污染物的排放。目前內(nèi)燃機(jī)上采用的減排技術(shù)主要有：渦輪增壓、高壓共軌噴油、排氣再循環(huán)系統(tǒng)等，這些技術(shù)應(yīng)用在內(nèi)燃機(jī)上目前都取得了很好的減排效果。但要想進(jìn)一步提高減排效果，這些技術(shù)都受到各種條件的制約，難以再提高。這里以高壓共軌噴油系統(tǒng)和排氣再循環(huán)系統(tǒng)為例來(lái)說(shuō)明。

1.1.1 高壓共軌系統(tǒng)CRS

在柴油機(jī)上，噴油系統(tǒng)方面現(xiàn)在普遍采用高壓共軌系統(tǒng)CRS，其主要優(yōu)點(diǎn)是可以產(chǎn)生較高的噴油壓力（150～200MPa）。較高的噴油壓力配上合適的噴油嘴可以使燃料在缸內(nèi)噴出的油束更細(xì)、分布的更均勻，從而使油氣混合更加均勻，減少了HC燃料燃燒時(shí)由于缺氧和富氧而產(chǎn)生的CO、PM和NOx[1]。

近年來(lái)，由于內(nèi)燃機(jī)的使用量和保有量越來(lái)越大，人們對(duì)于節(jié)能減排效果的要求越來(lái)越高。但是目前高壓共軌系統(tǒng)的噴油壓力已經(jīng)非常的高了，如果為了進(jìn)一步提高減排效果而繼續(xù)提高噴油壓力，不僅會(huì)造成內(nèi)燃機(jī)功率的過(guò)度損耗，還會(huì)使故障率和制造成本大幅提高。

1.1.2 排氣再循環(huán)系統(tǒng)EGR

排氣再循環(huán)系統(tǒng)EGR主要應(yīng)用在汽油機(jī)上，該技術(shù)是將一部分尾氣重新輸入缸內(nèi)，使缸內(nèi)混合氣總熱容量大大增加，促使最高燃燒溫度下降，降低NOx的排放。EGR對(duì)中等負(fù)荷下NOx的排放有明顯影響，在中等負(fù)荷下一般10%的EGR率，可以使NOx的排放量下降50%～70%。但在大負(fù)荷或全負(fù)荷時(shí)，為保證內(nèi)燃機(jī)有足夠的動(dòng)力性，即使NOx的排放很多也不進(jìn)行EGR。怠速和小負(fù)荷時(shí)NOx的排放不大，也不進(jìn)行EGR[1]。

綜上所述，雖然現(xiàn)有內(nèi)燃機(jī)減排技術(shù)已經(jīng)十分優(yōu)秀，但受到各種條件的制約很難再提高。要取得進(jìn)一步提高，必須要從內(nèi)燃機(jī)污染物生成的原因入手，尋找新的途徑和技術(shù)措施。

1.2? ?氣門式配氣機(jī)構(gòu)制約了內(nèi)燃機(jī)減排水平的進(jìn)一步提高

由前文內(nèi)燃機(jī)污染物生成的條件分析可知，油氣混合的均勻性對(duì)于內(nèi)燃機(jī)的減排效果來(lái)說(shuō)至關(guān)重要。油氣混合的越均勻，混合氣體中的富氧區(qū)域和缺氧區(qū)域越少，污染物的生成就越少。而在燃油與空氣混合的過(guò)程中，燃油分布的越細(xì)密，缸內(nèi)氣體運(yùn)動(dòng)的強(qiáng)度越強(qiáng)，油氣混合的就越均勻。所以缸內(nèi)氣體的運(yùn)動(dòng)情況和噴油情況對(duì)油氣混合的均勻性有決定性影響。目前，噴油系統(tǒng)及噴油壓力再提高十分困難，使得適度增強(qiáng)缸內(nèi)氣體的運(yùn)動(dòng)、提高換氣質(zhì)量成為最合適的研究方向。

缸內(nèi)氣體運(yùn)動(dòng)和換氣質(zhì)量是依靠配氣機(jī)構(gòu)來(lái)控制的。現(xiàn)今內(nèi)燃機(jī)上普遍采用的配氣機(jī)構(gòu)是氣門式配氣機(jī)構(gòu)。在對(duì)其原理和結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析后，筆者認(rèn)為，氣門式配氣機(jī)構(gòu)在四沖程往復(fù)活塞式內(nèi)燃機(jī)上的應(yīng)用存在著二大弊?。簹忾T式配氣機(jī)構(gòu)對(duì)進(jìn)氣氣流存在著阻礙作用;氣門式配氣機(jī)構(gòu)對(duì)缸內(nèi)廢氣完全排出的制約。這兩個(gè)弊病限制了缸內(nèi)氣體運(yùn)動(dòng)的增強(qiáng)和換氣質(zhì)量的提高，具體分析如下：

1.2.1 氣門式配氣機(jī)構(gòu)對(duì)進(jìn)氣氣流的阻礙作用及其影響

氣門式配氣機(jī)構(gòu)中，通過(guò)“菌形”氣門頭和氣門座之間的往復(fù)開閉動(dòng)作來(lái)實(shí)現(xiàn)進(jìn)排氣。在進(jìn)氣流速較高時(shí)，進(jìn)氣氣流在“菌形”氣門頭處會(huì)產(chǎn)生氣阻，對(duì)進(jìn)氣氣流形成阻礙，造成進(jìn)氣流速與充量系數(shù)相互制約成反比的現(xiàn)象。當(dāng)進(jìn)氣流速增大時(shí)，充量系數(shù)減小，在進(jìn)氣平均流速超過(guò)0.5Ma時(shí)，充量系數(shù)急劇下降。采用氣門式配氣機(jī)構(gòu)的內(nèi)燃機(jī)，面對(duì)此種情況，只能通過(guò)增加氣門數(shù)量來(lái)增大進(jìn)氣面積，降低進(jìn)氣流速，保證充量系數(shù)。而降低進(jìn)氣流速，會(huì)降低進(jìn)氣氣流的動(dòng)能[1]。

在燃料缸內(nèi)直噴的內(nèi)燃機(jī)（柴油機(jī)和部分缸內(nèi)直噴式汽油機(jī)）中降低進(jìn)氣氣流的動(dòng)能會(huì)影響缸內(nèi)氣體運(yùn)動(dòng)的強(qiáng)度，降低油氣混合的均勻性，從而使混合氣體中含氧量分布不均，造成局部富氧和局部缺氧，制約了CO、PM、NOx排放的減少。

以柴油機(jī)為例具體分析：隨著近百年來(lái)柴油機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，現(xiàn)今的柴油機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的平均過(guò)量空氣系數(shù)Φa，即使在全負(fù)荷時(shí)一般也都在1.3以上，在通常負(fù)荷下一般也都在2.0以上。在這樣的Φa下，如果達(dá)到理想的混合，干碳煙DS（PM的主要組成物質(zhì)）是不可能生成的，氮氧化合物NOx的生成也不會(huì)很多。但在實(shí)際柴油機(jī)中，由于油氣混合的不均勻?qū)е露嗵幊霈F(xiàn)Φa<0.6的局部嚴(yán)重缺氧區(qū)，使DS大量生成，從而導(dǎo)致PM的大量生成，同時(shí)存在很多Φa=1.0～1.2的高NOx生成區(qū)[1]。在噴油壓力不宜再提高時(shí)，解決的辦法只有增大進(jìn)氣流速來(lái)提高缸內(nèi)氣體運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度，以解決油氣混合不均勻問(wèn)題。

不僅如此，降低進(jìn)氣氣流的動(dòng)能還會(huì)使進(jìn)氣渦流強(qiáng)度降低。在直噴式柴油機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，噴油持續(xù)角一般為20°～25°，燃料開始燃燒后，噴油嘴還會(huì)沿固定的軌跡持續(xù)噴射一段時(shí)間[1]。在此過(guò)程中如果降低了進(jìn)氣渦流的強(qiáng)度，會(huì)使缸內(nèi)渦流不能有效的將先期噴入的燃料卷入其中并隨渦流一起轉(zhuǎn)動(dòng)。由于燃料是邊噴入邊燃燒的，導(dǎo)致后續(xù)噴入的燃料容易進(jìn)入已燃燒過(guò)的區(qū)域，造成缺氧燃燒，導(dǎo)致CO的大量生成，嚴(yán)重缺氧時(shí)燃料還會(huì)直接裂解生成PM。

1.2.2 氣門式配氣機(jī)構(gòu)對(duì)缸內(nèi)廢氣完全排出的限制及其后續(xù)影響

氣門式配氣機(jī)構(gòu)的氣門占據(jù)了汽缸蓋上很大一部分面積，僅進(jìn)氣門流通截面積就占汽缸截面積的18～27%[1]。排氣時(shí)，氣門頭向下伸出占用了燃燒室的一定空間，使活塞為了避開氣門頭而無(wú)法上行至汽缸蓋下端面，以至于廢氣無(wú)法完全排出。

在汽油機(jī)中，怠速時(shí)，缸內(nèi)油氣混合氣的進(jìn)氣量較少，而此時(shí)缸內(nèi)殘余廢氣所占比例相對(duì)較多，油氣混合氣被缸內(nèi)殘余廢氣嚴(yán)重稀釋，導(dǎo)致燃燒速度減慢甚至熄火。為了保證被稀釋的混合氣能夠穩(wěn)定燃燒，必須加濃混合氣，使混合氣滿足Φa=0.6～0.8。加濃混合氣中含氧量下降，導(dǎo)致部分燃料缺氧燃燒從而生成大量CO[1]。

小負(fù)荷時(shí)，油氣混合氣進(jìn)氣量雖然有所增加，但缸內(nèi)殘余廢氣所占比例仍然相對(duì)較多，廢氣的稀釋作用依然存在。為了保證穩(wěn)定燃燒，需要使用Φa=0.7～0.9的濃油氣混合氣。此時(shí)油氣混合氣中含氧量還是很低，仍然會(huì)導(dǎo)致燃燒過(guò)程中CO的大量生成[1]。

怠速和小負(fù)荷時(shí)，缸內(nèi)殘余廢氣對(duì)油氣混合氣的稀釋作用一直是常規(guī)汽油機(jī)的CO排放量很大的一個(gè)主要原因。尤其是車用發(fā)動(dòng)機(jī)，隨著汽車保有量越來(lái)越大，交通擁堵越來(lái)越嚴(yán)重，怠速運(yùn)轉(zhuǎn)所占時(shí)間比例很大，CO的排放很嚴(yán)重。

缸內(nèi)廢氣的稀釋作用還對(duì)三效催化轉(zhuǎn)化器的效率有嚴(yán)重影響。汽油機(jī)上通常采用三效催化轉(zhuǎn)化器作為后處理技術(shù)來(lái)降低污染物的排放。三效催化劑轉(zhuǎn)化效率與發(fā)動(dòng)機(jī)過(guò)量空氣系數(shù)Φa 有關(guān)，其中三效催化劑同時(shí)凈化CO、HC、NOx三種污染物達(dá)80%以上時(shí)的Φa=1.00，而且窗口很小，寬度只有0.01～0.02左右，且相對(duì)Φa=1.00不對(duì)稱，而是稍微偏向濃的一側(cè)。怠速時(shí)，汽油機(jī)加濃混合氣會(huì)導(dǎo)致過(guò)量空氣系數(shù)Φa<1.00，錯(cuò)過(guò)最佳窗口，造成三效催化轉(zhuǎn)化器轉(zhuǎn)化效率低下，導(dǎo)致排污大增[1]。

綜上所述，缸內(nèi)廢氣的稀釋作用對(duì)CO的減排存在制約關(guān)系，且對(duì)三效催化轉(zhuǎn)化器具有負(fù)面影響。而廢氣能否完全排出是受到配氣機(jī)構(gòu)中氣門頭向下伸出動(dòng)作的制約。如果能將缸內(nèi)殘余廢氣完全排出，汽油機(jī)能夠全程燃燒Φa=1.00的均勻油氣混合氣，必將使CO的排放進(jìn)一步降低。

2? ? 氣門式配氣機(jī)構(gòu)改進(jìn)的方法

針對(duì)氣門式配氣機(jī)構(gòu)在四沖程往復(fù)活塞式內(nèi)燃機(jī)上應(yīng)用，存在的限制進(jìn)氣流速和廢氣無(wú)法完全排出的問(wèn)題，筆者設(shè)計(jì)出了旋轉(zhuǎn)式配氣機(jī)構(gòu)。旋轉(zhuǎn)式配氣機(jī)構(gòu)已申請(qǐng)國(guó)家發(fā)明專利，為避免文章過(guò)長(zhǎng)，對(duì)于該設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)和原理，本文只做簡(jiǎn)單介紹。該設(shè)計(jì)的具體詳情，請(qǐng)查詢國(guó)家專利局網(wǎng)站，專利申請(qǐng)?zhí)?01710104362.9。

如圖1所示，旋轉(zhuǎn)式配氣機(jī)構(gòu)的基本工作原理是：汽缸蓋上分別開有排氣孔、進(jìn)氣孔（通孔的大小、具體形狀根據(jù)實(shí)際需要的氣體流速大小和加工工藝而定，此處以扇形孔為例），配氣盤上開有上述同形的、用于配氣的配氣孔。

該設(shè)計(jì)通過(guò)旋轉(zhuǎn)的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)配氣，代替了氣門式配氣機(jī)構(gòu)中氣門頭往復(fù)開閉的方式。旋轉(zhuǎn)式配氣機(jī)構(gòu)取消了氣門頭，對(duì)進(jìn)氣氣流沒有阻礙作用，使進(jìn)氣氣流在不影響充量系數(shù)的前提下，流速的大小可控可調(diào)。同時(shí)因?yàn)楦變?nèi)沒有了氣門頭的阻礙，為缸內(nèi)廢氣徹底排除提供了必要條件，從而使廢氣可以徹底排盡。其具體特點(diǎn)歸納如下：

1. 旋轉(zhuǎn)式配氣機(jī)構(gòu)可滿足正時(shí)配氣的各項(xiàng)要求。

由往復(fù)活塞式四沖程內(nèi)燃機(jī)的配氣原理可知，四沖程配氣必須要在360°內(nèi)完成，即每沖程所占角度為90°[2]。 旋轉(zhuǎn)式配氣機(jī)構(gòu)開始工作時(shí)，配氣盤緊貼汽缸蓋作同心轉(zhuǎn)動(dòng)（旋轉(zhuǎn)方向假定為逆時(shí)針），其轉(zhuǎn)速為曲軸轉(zhuǎn)速的二分之一，如圖1所示。當(dāng)曲軸位于下止點(diǎn)，缸內(nèi)準(zhǔn)備排氣時(shí)，配氣孔與排氣孔的初始邊相重合（即配氣盤安裝時(shí)相對(duì)于汽缸蓋的初始位置）。繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，排氣孔逐漸打開，直至配氣盤旋轉(zhuǎn)45°時(shí)，配氣孔與排氣孔重合，排氣孔開度為最大，此后逐漸減小，至90°時(shí)完全關(guān)閉。此時(shí)配氣孔的初始邊正好與進(jìn)氣孔的初始邊重合（最先接觸的邊為初始邊，最后接觸的邊為終邊），配氣盤繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)氣孔逐漸打開，轉(zhuǎn)至135°時(shí)進(jìn)氣孔開度最大，此后進(jìn)氣孔逐漸減小，轉(zhuǎn)至180°時(shí)，進(jìn)氣孔完全關(guān)閉。在配氣過(guò)程中，缸內(nèi)與進(jìn)排氣道直通，中間無(wú)任何阻礙。配氣盤轉(zhuǎn)動(dòng)的180°—360°用于缸內(nèi)氣體的壓縮與作功沖程。配氣盤完成上述工作周期后，再繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)入下一循環(huán)。

當(dāng)進(jìn)氣孔或排氣孔需要早開時(shí)，只需要將進(jìn)、排氣孔的始邊向前移適當(dāng)?shù)慕嵌?。同理，?dāng)進(jìn)氣孔或排氣孔需要遲閉時(shí)，只需要將進(jìn)排氣孔的終邊向后移適當(dāng)?shù)慕嵌取?/p>

進(jìn)氣孔的時(shí)面值[4]也與采用氣門式配氣機(jī)構(gòu)的柴油機(jī)、汽油機(jī)相當(dāng)（多氣門除外）。

2.旋轉(zhuǎn)式配氣機(jī)構(gòu)在進(jìn)、排氣過(guò)程中，當(dāng)配氣孔與進(jìn)、排氣孔導(dǎo)通時(shí)，缸內(nèi)與進(jìn)、排氣道直接連通，無(wú)任何障礙。在同等條件下，缸內(nèi)的充量系數(shù)在任何工況下都可以保證為最大，且不受進(jìn)氣流速的影響。

為證明上述特點(diǎn)，現(xiàn)將兩種配氣機(jī)構(gòu)在同等條件的前提下，對(duì)進(jìn)氣流速及充量系數(shù)進(jìn)行對(duì)比分析如下：

氣門式配氣機(jī)構(gòu)進(jìn)氣的平均流速超過(guò)0.5Ma時(shí)，充量系數(shù)急劇下降。當(dāng)平均流速超過(guò)1Ma時(shí)，充量系數(shù)己小于0.6。

為方便比較，分別取平均流速為160m/s（>0.5Ma）和320m/s（>1Ma），計(jì)算旋轉(zhuǎn)式配氣機(jī)構(gòu)的充量系數(shù)：

由充量系數(shù)的定義和計(jì)算公式可知[3]，在同等條件下，即缸內(nèi)殘余廢氣系數(shù)、氣體溫度相同的條件下，充量系數(shù)的大小，取決于缸內(nèi)進(jìn)氣終了壓力與進(jìn)氣道內(nèi)氣體壓力的比值。在自然吸氣的配氣機(jī)構(gòu)中，進(jìn)氣道內(nèi)的氣壓以標(biāo)準(zhǔn)大氣壓為基準(zhǔn)。因?yàn)槠骄魉俸w了進(jìn)氣終了時(shí)的流速，所以此處暫用平均流速來(lái)代替進(jìn)氣終了時(shí)的流速，計(jì)算旋轉(zhuǎn)式配氣機(jī)構(gòu)的缸內(nèi)進(jìn)氣終了時(shí)的壓力，用以完成充量系數(shù)的比較。

計(jì)算如下：

要完成旋轉(zhuǎn)式配氣機(jī)構(gòu)的缸內(nèi)進(jìn)氣終了壓力計(jì)算，首先要計(jì)算出氣體流動(dòng)時(shí)，缸內(nèi)進(jìn)氣壓力與進(jìn)氣道內(nèi)氣體壓力之間的壓力差。

1.用平均流速來(lái)代替進(jìn)氣終了時(shí)的流速，計(jì)算平均流速為160m/s、320m/s時(shí)，缸內(nèi)氣體與進(jìn)氣道內(nèi)氣體之間的壓力差。

分析：內(nèi)燃機(jī)的進(jìn)氣流速是由活塞的運(yùn)行速度和進(jìn)氣孔的面積來(lái)決定的。當(dāng)進(jìn)氣門打開、活塞下行時(shí)，此時(shí)燃燒室體積增大、氣體壓力減小。當(dāng)缸內(nèi)氣體壓力小于進(jìn)氣道內(nèi)氣體壓力時(shí)，在壓力差的作用下，進(jìn)氣道內(nèi)氣體向缸內(nèi)流動(dòng)。旋轉(zhuǎn)式配氣機(jī)構(gòu)在配氣時(shí)，缸內(nèi)與進(jìn)氣道之間直接連通，無(wú)任何障礙。進(jìn)氣道內(nèi)的氣體，通過(guò)缸蓋上的進(jìn)氣孔和配氣盤上的配氣孔，二者共同構(gòu)成的進(jìn)氣通道，源源不斷的流入缸內(nèi)。因此，要求出壓力差，需先求出處于進(jìn)氣通道中的氣體，在初速度為零的條件下，需要多大的壓力，才能使進(jìn)氣氣流產(chǎn)生160m/s的速度（本文僅討論配氣機(jī)構(gòu)的改動(dòng)，氣體與進(jìn)氣通道的摩擦力忽略不計(jì)）。

計(jì)算：取進(jìn)氣通道內(nèi)1平方厘米面積的氣體為研究對(duì)象，設(shè)進(jìn)氣通道長(zhǎng)度為L(zhǎng)=2cm。

己知：標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的空氣質(zhì)量

M=1.29kg/m3=1.29×10-6kg/cm3，V=160m/s，V0=0，由物理學(xué)公式V=V0+αt可知，在初速度為零的條件下，速度等于加速度和時(shí)間的乘積。

由牛頓第二定律：F=M×α

及上述條件可得：F= M×α=1.29×10-6kg/cm3×2cm3×160m/s2=412.8×10-6kg×m=4.128x10-4N

同理，可求得平均流速為320m/s時(shí)

F=8.256×10-4N

上式計(jì)算出的力F是作用在1平方厘米面積上的，由此可知，缸內(nèi)氣體與進(jìn)氣道中的氣體的壓力差達(dá)到4.128×10-4N/ cm2時(shí)，進(jìn)氣道中的氣體將通過(guò)進(jìn)氣通道，以160m/s的速度進(jìn)入缸內(nèi)。當(dāng)壓力差達(dá)到8.256×10-4N/ cm2時(shí)，氣體的流速相應(yīng)提高到320m/s。

2.進(jìn)氣終了壓力及充量系數(shù)

上述計(jì)算說(shuō)明：當(dāng)進(jìn)氣流速為160m/s、320m/s時(shí)，缸內(nèi)氣體的壓力與進(jìn)氣道中的氣體的壓力相差極小，（在自然吸氣的內(nèi)燃機(jī)中，進(jìn)氣道內(nèi)空氣氣壓以標(biāo)準(zhǔn)大氣壓為基準(zhǔn)：10.1325N / cm2）分別為十萬(wàn)分之4.128和8.256。也說(shuō)明了在進(jìn)氣通道無(wú)任何障礙物的條件下，進(jìn)氣流速的變化對(duì)缸內(nèi)氣體壓力影響極小，可忽略不計(jì);因?yàn)樵搲毫Σ顢?shù)值極小，可以認(rèn)為以平均流速計(jì)算得出的缸內(nèi)氣體壓力，是進(jìn)氣終了壓力。且它與進(jìn)氣道內(nèi)氣體壓力的比值接近于1。

由此可以證明：采用旋轉(zhuǎn)式配氣機(jī)構(gòu)的內(nèi)燃機(jī)，在同等條件下，缸內(nèi)的充量系數(shù)在任何工況下都可以保證為最大，且不受進(jìn)氣流速的影響。

在實(shí)際運(yùn)用中，上述這一特點(diǎn)還可以克服原氣門式配氣機(jī)構(gòu)采用切向進(jìn)氣道向缸內(nèi)進(jìn)氣時(shí)的缺點(diǎn)。旋轉(zhuǎn)式配氣機(jī)構(gòu)配合上切向進(jìn)氣道向缸內(nèi)進(jìn)氣，通過(guò)調(diào)節(jié)進(jìn)氣道的進(jìn)氣角度，可以在缸內(nèi)形成不同形式的氣體運(yùn)動(dòng)（渦流、紊流……）;通過(guò)調(diào)節(jié)進(jìn)氣孔的大小，可改變進(jìn)氣流速，從而使缸內(nèi)氣體運(yùn)動(dòng)的強(qiáng)度做到可控可調(diào)。

氣體運(yùn)動(dòng)形式和強(qiáng)度的可控可調(diào)，有利于確定提高缸內(nèi)混合氣體均勻度的最佳運(yùn)動(dòng)形式和強(qiáng)度。實(shí)踐證明，既具有高的流通能力，又具有中等強(qiáng)度渦流的進(jìn)氣系統(tǒng)，再配上合適的供油系統(tǒng)（油束射程增大），可對(duì)柴油機(jī)的性能有較大的改進(jìn)[1]。

3.取消了氣門式配氣機(jī)構(gòu)的氣門頭，為將缸內(nèi)廢氣徹底排盡提供了條件。例如，后續(xù)可設(shè)計(jì)、修改活塞的結(jié)構(gòu)，使其能夠根據(jù)壓縮終了與排氣終了時(shí)缸內(nèi)氣體的壓力差，產(chǎn)生一定的彈性伸縮。通過(guò)活塞的彈性伸縮，既可實(shí)現(xiàn)將缸內(nèi)廢氣徹底排盡，又可在壓縮終了時(shí)讓出燃燒室空間。對(duì)汽油機(jī)，實(shí)現(xiàn)全程燃燒Φa=1.00的均勻混合氣，使碳?xì)鋵傩缘娜剂贤耆紵尷碚撋系摹傲闩欧拧背蔀榭蓪?shí)現(xiàn)的目標(biāo)。殘余廢氣徹底排盡，對(duì)柴油機(jī)可增大充量系數(shù)。

4.旋轉(zhuǎn)式配氣機(jī)構(gòu)對(duì)現(xiàn)有減排技術(shù)有良好的兼容性（渦輪增壓、高壓共軌噴油、排氣再循環(huán)系統(tǒng)等）。如果與現(xiàn)有減排技術(shù)有機(jī)的結(jié)合，可進(jìn)一步降低內(nèi)燃機(jī)污染物的排放。

5.如圖2所示： 旋轉(zhuǎn)式配氣機(jī)構(gòu)的配氣，通過(guò)與配氣盤中心軸相聯(lián)的齒輪或齒形帶來(lái)完成旋轉(zhuǎn)配氣的。省掉了以往用于控制氣門開閉的凸輪系統(tǒng)及由該系統(tǒng)帶來(lái)的弊病。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造成本低，以單缸為例，旋轉(zhuǎn)式配氣機(jī)構(gòu)的制造成本比氣門式配氣機(jī)構(gòu)一個(gè)單氣門的制造成本還要低。另外，因?yàn)榕錃獗P緊貼汽缸蓋旋轉(zhuǎn)，沒有往復(fù)質(zhì)量，所以運(yùn)動(dòng)更平穩(wěn)，更可靠，使用壽命更長(zhǎng)，故障率更小。潤(rùn)滑和冷卻都很方便。

圖2為旋轉(zhuǎn)式配氣在單缸往復(fù)活塞式內(nèi)燃機(jī)汽缸蓋上的安裝示意圖。

圖2所示，旋轉(zhuǎn)式配氣機(jī)構(gòu)的零件包括：螺帽1、彈墊2、平墊3、配氣齒輪4、配氣盤連接軸5、墊圈6、配氣預(yù)緊彈簧7、汽缸蓋8、螺栓9、承壓盤10、鍵11、銷12、配氣盤13。

具體工作說(shuō)明：配氣齒輪4將轉(zhuǎn)動(dòng)通過(guò)配氣盤連接軸5傳輸給配氣盤13。其中配氣齒輪并用銷12周向固定。

火花塞或噴油嘴從配氣盤連接軸5上通孔插入并固定在承壓盤10上。

為了保證配氣盤13與汽缸蓋8之間的密封，要求配氣盤13時(shí)刻緊貼汽缸蓋8上壁。為此配氣盤連接軸5軸肩與汽缸蓋8之間安裝有墊圈6和配氣預(yù)緊彈簧7。

為了防止配氣盤13受到缸內(nèi)高溫高壓氣體的壓力而產(chǎn)生極大的摩擦力，本發(fā)明設(shè)有與汽缸蓋8開有一樣通孔的承壓盤10。承壓盤10與汽缸蓋8通過(guò)螺栓9連接，并將配氣盤13包夾在兩者中間。配氣盤13僅受承壓盤10通孔處的缸內(nèi)氣體壓力。

3? ? 結(jié)論

面對(duì)日益嚴(yán)重的環(huán)境污染問(wèn)題和越來(lái)越嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)，本人認(rèn)為：減排問(wèn)題的突破口依然在內(nèi)燃機(jī)自身，對(duì)現(xiàn)有的氣門式配氣機(jī)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，是一個(gè)很好選擇。旋轉(zhuǎn)式配氣機(jī)構(gòu)，它能夠滿足配氣機(jī)構(gòu)在正時(shí)配氣方面各項(xiàng)要求的基礎(chǔ)上，幫助減少缸內(nèi)各項(xiàng)污染物的產(chǎn)生，再配上合適的后處理技術(shù)，必將使內(nèi)燃機(jī)總的污染物排放大幅減少，同時(shí)還可大幅降低配氣機(jī)構(gòu)的制造成本，減小故障率。

由于本人個(gè)人力量有限，無(wú)法完成旋轉(zhuǎn)式配氣機(jī)構(gòu)的樣機(jī)試制。所以本文僅在理論上，客觀分析了現(xiàn)有配氣機(jī)構(gòu)改進(jìn)的必要性及旋轉(zhuǎn)式配氣機(jī)構(gòu)的可行性和先進(jìn)性。希望能為廣大內(nèi)燃機(jī)從業(yè)人員提供一個(gè)在現(xiàn)有內(nèi)燃機(jī)節(jié)能減排水平基礎(chǔ)上進(jìn)一步提高的新思路。

參考文獻(xiàn)：

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