改善柴油機(jī)壓縮比的新結(jié)構(gòu)方法

【印度】　S.Mandagaddi

改善柴油機(jī)壓縮比的新結(jié)構(gòu)方法

【印度】S.Mandagaddi

摘要：在柴油機(jī)系統(tǒng)中，壓縮比是對(duì)柴油機(jī)性能起重要作用的關(guān)鍵參數(shù)之一。吸入氣缸的空氣及其在壓縮沖程得到進(jìn)一步壓縮的容積取決于活塞在氣缸內(nèi)從上止點(diǎn)運(yùn)動(dòng)至下止點(diǎn)的掃氣容積。在不改變氣缸或活塞尺寸，以及不改變上止點(diǎn)位置的情況下，通過(guò)增大掃氣容積來(lái)提高壓縮比是非常有效的。為提高壓縮比，提出了基于可變長(zhǎng)度連桿法和可移動(dòng)曲柄銷法的2種方案，簡(jiǎn)單介紹了這兩種方案中的壓縮比變化范圍。

關(guān)鍵詞：壓縮比連桿曲柄銷

0前言

柴油機(jī)通過(guò)柴油在高溫高壓下的燃燒進(jìn)行工作。與汽油機(jī)不同，柴油機(jī)因其燃油價(jià)格低廉而被廣泛用于各種用途。由于壓縮和溫度是柴油機(jī)有效運(yùn)行的非常關(guān)鍵的參數(shù)，因此，人們正在這方面進(jìn)行大量的研究和開(kāi)發(fā)。

研究者們已研究了大量能實(shí)現(xiàn)可變壓縮比的不同方案。例如添加輔助燃燒室、氣缸蓋移動(dòng)、曲軸軸線移動(dòng)、改變活塞頂高度、可變長(zhǎng)度連桿等。盡管有關(guān)這方面的研究已有不少文獻(xiàn)作了報(bào)道，但在本文中探討了一些其他結(jié)構(gòu)方法。在討論這些新提出的方法之前，首先介紹了發(fā)動(dòng)機(jī)工作的基本原理。

1柴油機(jī)工作原理

四沖程柴油機(jī)由進(jìn)氣、壓縮、作功和排氣4個(gè)行程組成。

在進(jìn)氣行程中，活塞從上止點(diǎn)向下止點(diǎn)運(yùn)動(dòng)，過(guò)濾后的空氣進(jìn)入氣缸。然后，活塞從下止點(diǎn)起始位置向上止點(diǎn)返回運(yùn)動(dòng)時(shí)對(duì)進(jìn)入氣缸的空氣進(jìn)行壓縮，該行程被稱為壓縮行程。在該行程中，氣缸內(nèi)的空氣被加熱到一定的溫度，該溫度通常高于在上止點(diǎn)附近的噴入氣缸的燃油的自燃溫度。當(dāng)燃油燃燒時(shí)，釋放出的熱能使上止點(diǎn)附近的溫度和壓力得以提升。升高的壓力施加在活塞頂面上，并將活塞推向下止點(diǎn)。由于該行程是通過(guò)氣缸內(nèi)大氣高壓膨脹產(chǎn)生的作用力，迫使活塞向下止點(diǎn)運(yùn)動(dòng)，因而該行程被稱為作功行程或膨脹行程。最后是排氣行程，在該行程中，燃燒副產(chǎn)品排入排氣系統(tǒng)中，進(jìn)而進(jìn)入大氣。圖1所示為柴油機(jī)的“心臟”部件。

圖1　柴油機(jī)的基本組件

1.1壓縮比的影響

氣缸的總?cè)莘e被分成2部分，分別是余隙容積Vc和掃氣容積Vs。余隙容積是指活塞處于上止點(diǎn)位置時(shí)氣缸蓋底面與活塞頂面之間的間隙。對(duì)于氣缸和活塞尺寸給定的每臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)，這個(gè)間隙是固定的?；钊麖纳现裹c(diǎn)運(yùn)動(dòng)至下止點(diǎn)時(shí)掃過(guò)的氣缸容積被稱為掃氣容積。如式(1)所示，幾何壓縮比或容積壓縮比通常定義為氣缸總?cè)莘e(最大容積)與氣缸最小容積之比。

(1)

式(1)中的最大容積是進(jìn)氣行程終了時(shí)的氣缸容積，最小容積是壓縮行程終了時(shí)的氣缸容積。按照掃氣容積(Vs)和余隙容積(Vc)計(jì)算壓縮比的關(guān)系式(2)如下

(2)

理論熱效率(η)由以下的公式(3)給出

η=1-Cr1-γ

(3)

式中，γ是工作流體的比熱比。式(3)是卡諾效率的替代形式。圖2表明，較高的壓縮比能提高理論熱效率，進(jìn)而有助于節(jié)省燃油和減少污染物排放等。

圖2　理論效率與壓縮比的關(guān)系

1.2行程長(zhǎng)度

行程長(zhǎng)度由曲軸的曲柄半徑?jīng)Q定，它是活塞在上止點(diǎn)和下止點(diǎn)之間的運(yùn)行距離?；钊N距曲軸中心的位置取決于連桿長(zhǎng)度和曲柄半徑。圖3所示為曲柄旋轉(zhuǎn)過(guò)程中活塞銷的典型位置。

圖3　行程長(zhǎng)度示意圖

其中

(4)

式中：l為連桿長(zhǎng)度；r為曲柄半徑；x為活塞銷距曲軸中心的位置；A為距上止點(diǎn)的曲軸轉(zhuǎn)角。

在上止點(diǎn)位置時(shí)，A=0°，在下止點(diǎn)位置時(shí)，A=180°。因此，在上止點(diǎn)時(shí)，x1=(1+r)，在下止點(diǎn)時(shí)，x2=(l-r)。所以，行程長(zhǎng)度s可由如下公式(5)求得

s=(x1-x2)=2r

(5)

因此，距上止點(diǎn)的行程長(zhǎng)度是曲柄半徑的2倍。壓縮比取決于余隙容積和掃氣容積。

2改善壓縮比的方法

研究人員對(duì)實(shí)現(xiàn)可變壓縮比(VCR)的幾種方法及其對(duì)各相關(guān)參數(shù)的影響，以及這些方法的優(yōu)點(diǎn)和限制條件等進(jìn)行了討論。但是，本文所提方法的主要目標(biāo)是要在保持余隙容積不變的情況下通過(guò)改變掃氣容積來(lái)實(shí)現(xiàn)較高的壓縮比。由于余隙容積在燃燒過(guò)程中起著非常重要的作用，因而對(duì)于給定尺寸的氣缸和活塞該間隙是固定的。所以，該間隙不應(yīng)改變(即不應(yīng)增大或減小)，因?yàn)樵撻g隙改變會(huì)導(dǎo)致燃油出現(xiàn)異常燃燒。

為了在不影響余隙容積的情況下，提高現(xiàn)有氣缸尺寸的壓縮比，必須采用1種僅只改變下止點(diǎn)位置進(jìn)而增加掃氣容積的機(jī)理。由式(5)可以看出，通過(guò)動(dòng)態(tài)改變連桿長(zhǎng)度或曲柄半徑可以改變掃氣容積，且不會(huì)影響上止點(diǎn)位置。本文闡述了針對(duì)這些機(jī)理的結(jié)構(gòu)方法。

通過(guò)增大進(jìn)氣行程的掃氣容積可以使現(xiàn)有的氣缸尺寸達(dá)到較高的壓縮比。用于連接活塞和曲軸總成的連桿長(zhǎng)度應(yīng)該動(dòng)態(tài)可變。當(dāng)活塞從上止點(diǎn)向下止點(diǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)(即在進(jìn)氣和作功行程)，連桿長(zhǎng)度變短，這會(huì)導(dǎo)致下止點(diǎn)位置移動(dòng)，使掃氣容積增大，因而在相同氣缸尺寸下會(huì)吸入更多空氣，這就能使壓縮比升高。反之，當(dāng)活塞從下止點(diǎn)向上止點(diǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)(即在壓縮和排氣行程)，連桿長(zhǎng)度變長(zhǎng)至其原始長(zhǎng)度，這樣上止點(diǎn)位置就能保持不變。這可以通過(guò)在曲軸旋轉(zhuǎn)時(shí)同步增加/縮短連桿長(zhǎng)度來(lái)實(shí)現(xiàn)。

在進(jìn)氣和作功行程中，活塞是從上止點(diǎn)向下止點(diǎn)運(yùn)動(dòng)(即曲軸從0°CA旋轉(zhuǎn)至180°CA)，此時(shí)，隨著曲軸從0°CA旋轉(zhuǎn)至180°CA，活塞的連桿長(zhǎng)度逐漸縮短，當(dāng)曲軸處于180°CA位置時(shí)，連桿就能達(dá)到最短的可能長(zhǎng)度。由于這種布置，掃氣容積得以增大?；蛘?，可以在曲軸旋轉(zhuǎn)過(guò)程中使曲柄銷位置逐步向外推移，使之在曲軸處于180°CA位置時(shí)達(dá)到外側(cè)極限位置來(lái)實(shí)現(xiàn)相同的效果。

與之類似，在壓縮和排氣行程中，活塞是從下止點(diǎn)向上止點(diǎn)運(yùn)動(dòng)(即曲軸從180°CA旋轉(zhuǎn)至360°CA)，此時(shí)，隨著曲軸從180°CA旋轉(zhuǎn)至360°CA活塞的連桿長(zhǎng)度逐漸回復(fù)變長(zhǎng)，當(dāng)曲軸處于360°CA位置時(shí)，連桿長(zhǎng)度就會(huì)恢復(fù)至原始長(zhǎng)度(即最長(zhǎng)的可能長(zhǎng)度)。這樣，特定氣缸的余隙容積就不會(huì)發(fā)生任何變化?；蛘呖梢圆捎们笆鲱愃频姆绞?，將曲柄銷位置逐步移至內(nèi)側(cè)極限位置，進(jìn)而減小曲柄半徑來(lái)實(shí)現(xiàn)相同的效果。這兩種結(jié)構(gòu)稱之為可移動(dòng)曲柄銷和可變長(zhǎng)度連桿。下文將具體闡述。

2.1可移動(dòng)曲柄銷法

在該結(jié)構(gòu)中，曲柄銷的徑向位置是變化的。標(biāo)準(zhǔn)連桿配裝在曲柄銷上。曲柄銷能克服曲軸中心與曲柄銷之間的連接彈簧力沿徑向從最小位置運(yùn)動(dòng)至最大位置。圓盤處于其某個(gè)偏心位置與連桿剛性連接。曲軸中心安裝滾珠軸承，圓盤緊靠該滾珠軸承，具體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖4。

圖4　可移動(dòng)曲柄銷及配裝圓盤組件的連桿

當(dāng)曲柄旋轉(zhuǎn)時(shí)，圓盤圓周上的不同點(diǎn)都會(huì)與滾珠軸承保持接觸。這就能使曲柄銷在曲柄盤徑向槽內(nèi)的最小和最大位置之間來(lái)回滑動(dòng)，這樣曲柄銷與曲軸中心之間就能產(chǎn)生1個(gè)可變曲柄半徑，從而實(shí)現(xiàn)了可移動(dòng)曲柄銷結(jié)構(gòu)。圖5所示為這種結(jié)構(gòu)的示意圖。

圖5　可移動(dòng)曲柄銷結(jié)構(gòu)

行程長(zhǎng)度由如下公式給定：

S=(L+R)-(L-R′)

(6)

S=R+R′

(7)

其中，L為連桿長(zhǎng)度；R為上止點(diǎn)位置時(shí)的曲柄半徑；R′為下止點(diǎn)位置時(shí)的曲柄半徑。

如果R′>R，那么(R+R′)表示連桿長(zhǎng)度會(huì)比采用固定曲柄半徑“R”的標(biāo)準(zhǔn)連桿長(zhǎng)度有所增加。

整個(gè)部件可以按以下這樣的方式來(lái)設(shè)計(jì)： 行程長(zhǎng)度增加只會(huì)使下止點(diǎn)位置移動(dòng)，而上止點(diǎn)位置保持不變。

2.2帶專用凸輪的可移動(dòng)曲柄銷法

實(shí)現(xiàn)可移動(dòng)曲柄銷的替代方法是采用專用凸輪。在該結(jié)構(gòu)中，凸輪盤是1個(gè)固定在專用凸輪軸上的圓盤，該凸輪軸與曲軸軸線共軸。但是，凸輪盤轉(zhuǎn)速是曲柄盤轉(zhuǎn)速的2倍。凸輪盤始終緊靠著曲柄銷。凸輪盤偏心地固定在該凸輪軸上，這樣當(dāng)活塞位于上止點(diǎn)位置時(shí)，曲柄銷距旋轉(zhuǎn)軸中心的距離最短。當(dāng)曲柄旋轉(zhuǎn)時(shí)，凸輪圓盤圓周上的不同點(diǎn)都會(huì)與曲柄銷接觸。該總成的具體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖6所示。當(dāng)活塞到達(dá)下止點(diǎn)位置時(shí)，由于凸輪的轉(zhuǎn)速是曲柄轉(zhuǎn)速的2倍，曲柄銷將被推至其最大半徑位置。這樣，曲柄銷就能克服彈簧力在曲柄盤徑向凹槽內(nèi)的最小和最大半徑位置之間來(lái)回滑動(dòng)，從而使曲柄銷與曲軸中心之間產(chǎn)生可變的曲柄半徑。圖7所示為這種結(jié)構(gòu)的示意圖。為實(shí)現(xiàn)平滑移動(dòng)，可以將相關(guān)滾珠或圓柱軸承安裝在曲柄銷上。

圖6　曲柄盤總成上的可移動(dòng)曲柄銷

可以用這樣的方式來(lái)設(shè)計(jì)整個(gè)總成： 行程長(zhǎng)度增加只會(huì)使下止點(diǎn)位置移動(dòng)，而上止點(diǎn)位置保持不變。

圖7　可移動(dòng)曲柄銷結(jié)構(gòu)用專用凸輪

2.3可變長(zhǎng)度連桿

在該結(jié)構(gòu)中，將采用可伸縮連接的氣缸筒取代標(biāo)準(zhǔn)連桿。盡管如此，連桿與曲柄銷和活塞的末端連接將與標(biāo)準(zhǔn)連桿的連接方式相似。外氣缸與活塞連接，內(nèi)氣缸與曲柄銷連接。外側(cè)氣缸能克服彈簧力從內(nèi)側(cè)氣缸的方向外移動(dòng)。具體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖8所示。

圓盤以偏心位置與曲柄銷剛性連接。該圓盤緊靠在安裝在外側(cè)氣缸上的滾珠軸承上。當(dāng)曲柄旋轉(zhuǎn)時(shí)，該圓盤圓周上的不同點(diǎn)都會(huì)與外側(cè)氣缸上的滾珠軸承接觸，因此，使氣缸能在最小和最大位置之間移動(dòng)，可伸縮連接的氣缸總成的長(zhǎng)度就會(huì)發(fā)生變化，從而實(shí)現(xiàn)了可變長(zhǎng)度連桿結(jié)構(gòu)。圖9為該結(jié)構(gòu)的示意圖。

圖8　可伸縮連桿與偏心盤總成

圖9　可伸縮連桿結(jié)構(gòu)

行程長(zhǎng)度可由如下公式給出：

S=(L+C+a+R)-(L+b-R)

=(L+C+a+R-L+R-(C-a))

=L+C+a+R-L+R-C+a

=2a+2R

(5)式中：L為外側(cè)氣缸長(zhǎng)度；C為圓盤半徑；R為曲柄半徑；C=a+b，a為圓盤中心與曲柄銷位置的距離。

行程長(zhǎng)度增加量為2a，而采用標(biāo)準(zhǔn)連桿長(zhǎng)度時(shí)的行程長(zhǎng)度為2R。

采用這樣的方式可以設(shè)計(jì)可伸縮總成和圓盤，行程長(zhǎng)度增加只會(huì)移動(dòng)下止點(diǎn)位置，而上止點(diǎn)位置保持不變。

2.4實(shí)現(xiàn)范圍可變壓縮比的方法

圖10　可變長(zhǎng)度連桿和可移動(dòng)曲柄銷結(jié)構(gòu)的錐形盤法

盡管較高的壓縮比比較有利，但是根據(jù)各種運(yùn)轉(zhuǎn)工況調(diào)節(jié)壓縮比會(huì)更加有利。這可以通過(guò)改變圓盤(圓周)的接觸面和采用1個(gè)控制執(zhí)行器機(jī)構(gòu)圓盤來(lái)使它與適當(dāng)嚙合，這樣就能在不干擾上止點(diǎn)位置的條件下只改變下止點(diǎn)位置。圖10和圖11為幾種不同結(jié)構(gòu)的示意圖。

圖11　可變長(zhǎng)度連桿和可移動(dòng)曲柄銷結(jié)構(gòu)的分割盤法

2.4.1可移動(dòng)曲柄銷方案

由于偏心盤距曲柄銷較遠(yuǎn)的部分控制著最大半徑R′，因此只需改變?cè)摬糠值膱A周輪廓(如錐形輪廓)。在這種情況下，控制執(zhí)行器必須在與偏心盤垂直的方向上拉動(dòng)或推動(dòng)偏心盤(如換檔結(jié)構(gòu))。

改變R′的1種替代方法是使用分割盤結(jié)構(gòu)，在這種結(jié)構(gòu)中，偏心盤的較遠(yuǎn)部分可以克服彈簧力沿徑向朝曲軸軸線進(jìn)/出移動(dòng)。必須在活塞處于下止點(diǎn)位置時(shí)由控制執(zhí)行器實(shí)施這種移動(dòng)。上述方法適用于“帶專用凸輪的可移動(dòng)曲柄銷”和“帶有改形連桿的可移動(dòng)曲柄銷”。

2.4.2可變長(zhǎng)度連桿方案

由于偏心盤距曲柄銷較近的部分通過(guò)縮短可伸縮連桿總成的長(zhǎng)度可以控制下止點(diǎn)的移動(dòng)，因而只需要改變?cè)摬糠值膱A周輪廓(如錐形輪廓)。在這種情況下，控制執(zhí)行器必須在與偏心盤垂直的方向拉動(dòng)或推動(dòng)偏心盤(如換檔結(jié)構(gòu))。

可變壓縮比的1種替代方法是使用分割盤結(jié)構(gòu)，偏心盤的較近部分可以克服彈簧力沿徑向朝曲軸軸線進(jìn)/出移動(dòng)。必須在活塞處于下止點(diǎn)位置時(shí)由控制執(zhí)行器實(shí)施這種移動(dòng)。但要將這些理念轉(zhuǎn)化成實(shí)際的工作結(jié)構(gòu)還需要進(jìn)行詳細(xì)的研究。

2.5相對(duì)比較

將所有3種結(jié)構(gòu)與基準(zhǔn)結(jié)構(gòu)“可移動(dòng)曲柄銷(不帶專用凸輪)”進(jìn)行了各個(gè)方面的比較。具體內(nèi)容見(jiàn)表1。根據(jù)相對(duì)比較可以得出，“可移動(dòng)曲柄銷(不帶專用凸輪)”優(yōu)于其他2種結(jié)構(gòu)。

2.6優(yōu)點(diǎn)

活塞在作功行程中向下止點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的距離更長(zhǎng)(行程長(zhǎng)度增加)，在氣缸尺寸相同的情況下，能使發(fā)動(dòng)機(jī)所作的功或輸出功率增大。在不改變余隙容積的條件下可實(shí)現(xiàn)可變壓縮比。

3總結(jié)

本文提出了2種在不影響上止點(diǎn)位置的條件下實(shí)現(xiàn)較高壓縮比的新型結(jié)構(gòu)方法，即“可移動(dòng)曲柄銷”和“可變長(zhǎng)度連桿”。此外，概述了采用上述2種新方法實(shí)現(xiàn)可變壓縮比的可行性。在這3種結(jié)構(gòu)中，“可移動(dòng)曲柄銷(不帶專用凸輪)”優(yōu)于其他2種結(jié)構(gòu)。對(duì)于這些結(jié)構(gòu)的工作機(jī)械設(shè)計(jì)、技術(shù)復(fù)雜度和成本-收益分析，還需要進(jìn)行進(jìn)一步的研究。

表1　各種結(jié)構(gòu)方法的相對(duì)比較

孫丹紅譯自SAE PAPER2015-26-0025

朱炳全校

虞展編輯

(收稿時(shí)間：2015-10-12)