全新的高效發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒原理

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(chē)、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?chē)诿?，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(chē)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(chē)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?chē)幸胫醒氩课坏哪骋稽c(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?；旌蠚鈬娛臄?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?chē)诿姘l(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?chē)诿娴母魺?，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(chē)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