燃?xì)忸A(yù)混型半循環(huán)活塞發(fā)動機(jī)設(shè)計

姜寅令，齊 績

(1.東北石油大學(xué)電氣信息工程學(xué)院，黑龍江 大慶 163318) (2.哈爾濱工程大學(xué)自動化學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001)

壓縮和膨脹沒有分離是導(dǎo)致傳統(tǒng)汽油發(fā)動機(jī)熱效率比較低的主要原因[1-2]。絕大多數(shù)汽車發(fā)動機(jī)都是奧托循環(huán)(Otto cycle)發(fā)動機(jī)[3-5]，壓縮比等于膨脹比，其弊端是活塞做功結(jié)束后氣缸內(nèi)仍有較高的壓強(qiáng)，使得大量該用于做功的能量被浪費了。不僅如此，活塞排氣時還要克服較高的壓強(qiáng)做負(fù)功，這使得傳統(tǒng)發(fā)動機(jī)的熱效率較低。為了提高發(fā)動機(jī)熱效率，膨脹比大于壓縮比的發(fā)動機(jī)應(yīng)運(yùn)而生，例如，阿特金森(Atkinson)循環(huán)發(fā)動機(jī)[6-8]、米勒循環(huán)發(fā)動機(jī)[9-11](Miller Engine)和可變壓縮比[12-13](variable compression ratio)發(fā)動機(jī)。發(fā)動機(jī)膨脹比大于壓縮比，熱效率有較明顯提升，混合動力車型多采用阿特金森或米勒循環(huán)發(fā)動機(jī)。但活塞發(fā)動機(jī)難以實現(xiàn)較大幅度的熱效率提升，這是因為膨脹比過大，將大幅增加活塞在各個沖程的行程，導(dǎo)致發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速降低，也增加了曲軸連桿的設(shè)計難度。

本文設(shè)計了一款燃?xì)忸A(yù)混型半循環(huán)活塞發(fā)動機(jī)，在半循環(huán)活塞發(fā)動機(jī)外設(shè)置一個燃?xì)忸A(yù)混缸，發(fā)動機(jī)的進(jìn)氣和壓縮在燃?xì)忸A(yù)混缸中完成，把壓縮和膨脹徹底分離開來。燃?xì)忸A(yù)混缸的吸氣容積和燃燒室的容積比決定了壓縮比ε，活塞的最大工作容積和燃燒室的容積比決定了膨脹比，較大的膨脹比使得燃?xì)庾龉Ω映浞帧?/p>

1 工作原理及設(shè)計說明

1.1 燃?xì)忸A(yù)混型半循環(huán)活塞發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)簡圖

圖1為燃?xì)忸A(yù)混缸結(jié)構(gòu)示意圖，燃?xì)忸A(yù)混缸由連桿、活塞、吸氣門、進(jìn)氣門等部件組成。圖2為燃?xì)忸A(yù)混型半循環(huán)活塞發(fā)動機(jī)的剖視圖(部分)，其由燃?xì)忸A(yù)混缸和工作氣缸組成。發(fā)動機(jī)的進(jìn)氣和壓縮通過活塞的往復(fù)運(yùn)動在燃?xì)忸A(yù)混缸中完成，然后把壓縮好的燃?xì)鈮喝肴紵?，燃?xì)馊紵龉υ跉飧字羞M(jìn)行，以這種方式實現(xiàn)吸氣壓縮與膨脹做功的分離。

圖1 燃?xì)忸A(yù)混缸結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 燃?xì)忸A(yù)混型半循環(huán)活塞發(fā)動機(jī)剖視圖(部分)

1.2 燃?xì)忸A(yù)混型半循環(huán)活塞發(fā)動機(jī)工作原理

燃?xì)忸A(yù)混缸工作原理如圖3所示，與轉(zhuǎn)動內(nèi)軸相連的轉(zhuǎn)軸齒輪帶動燃?xì)忸A(yù)混缸的曲軸轉(zhuǎn)動，使燃?xì)忸A(yù)混缸的活塞往復(fù)運(yùn)動從而完成吸氣和壓縮過程。轉(zhuǎn)軸齒輪與燃?xì)忸A(yù)混缸的曲軸齒輪數(shù)目比為1∶1，轉(zhuǎn)動內(nèi)軸旋轉(zhuǎn)一周，活塞往復(fù)運(yùn)動一次。如圖3(a)、(b)所示，傳動系統(tǒng)帶動燃?xì)忸A(yù)混缸的活塞上移，此時燃?xì)忸A(yù)混缸內(nèi)氣壓小于大氣壓，燃?xì)馔ㄟ^吸氣門被吸入燃?xì)忸A(yù)混缸；然后，如圖3(c)所示，傳動系統(tǒng)帶動燃?xì)忸A(yù)混缸活塞下移；接著，如圖3(d)所示，當(dāng)燃?xì)忸A(yù)混缸活塞下移到底端時，進(jìn)氣門打開，燃?xì)庋杆龠M(jìn)入燃燒室。可燃?xì)怏w進(jìn)入燃燒室后，進(jìn)氣門關(guān)閉，火花塞點火，可燃?xì)怏w在燃燒室燃燒膨脹做功。

圖3 燃?xì)忸A(yù)混缸工作原理示意圖

半循環(huán)活塞發(fā)動機(jī)的工作原理如圖4所示。圖4(a)中，氣缸活塞到達(dá)上止點后，排氣門關(guān)閉，燃?xì)忸A(yù)混缸內(nèi)的燃?xì)獗粔喝肴紵?；圖4(b)中，火花塞點火，燃?xì)馊紵蛎?，推動活塞向下做功，同時燃?xì)忸A(yù)混缸吸氣；圖4(c)中，做功結(jié)束，排氣門打開準(zhǔn)備排氣，同時燃?xì)忸A(yù)混缸開始壓縮混合燃?xì)?；圖4(d)中，氣缸活塞向上，燃燒室排氣，燃?xì)忸A(yù)混缸活塞壓縮燃?xì)狻Ｖ笥謴膱D4(a)開始進(jìn)入下一個循環(huán)。發(fā)動機(jī)做功與燃?xì)忸A(yù)混缸的吸氣同時進(jìn)行，發(fā)動機(jī)排氣與燃?xì)忸A(yù)混缸的壓縮同時進(jìn)行，省去了發(fā)動機(jī)氣缸吸氣、壓縮的過程，傳統(tǒng)發(fā)動機(jī)活塞在氣缸中運(yùn)行兩周做功一次，半循環(huán)發(fā)動機(jī)活塞在氣缸中運(yùn)行一周就可做功一次。

圖4 燃?xì)忸A(yù)混型半循環(huán)活塞發(fā)動機(jī)工作原理示意圖

2 發(fā)動機(jī)熱效率計算

為驗證所設(shè)計的燃?xì)忸A(yù)混型發(fā)動機(jī)的熱效率，以下進(jìn)行相關(guān)的計算。發(fā)動機(jī)一個工作循環(huán)由4個沖程組成，分別是吸氣沖程、壓縮沖程、做功沖程和排氣沖程?；钊鶑?fù)運(yùn)動時，外界大氣壓做功相互抵消，整個過程中只考慮氣缸內(nèi)氣體吸熱、做功等情況。發(fā)動機(jī)一個工作循環(huán)中，氣體對外所做凈功為W，氣體燃燒釋放的熱量為Q。根據(jù)熱力學(xué)規(guī)律來分析計算4個過程，得到發(fā)動機(jī)熱效率η：

(1)

(2)

(3)

式中：V0為燃燒室容積；P0為一個大氣壓；V1為氣缸吸氣最大工作容積，V1/V0=ε，為壓縮比；P1為吸氣結(jié)束時氣缸內(nèi)壓強(qiáng)；V2為氣體壓縮后的體積，V2=V0；P2為氣體壓縮后氣缸內(nèi)壓強(qiáng)；P3為燃?xì)馊紵髿飧變?nèi)最高壓強(qiáng)；V3為最高壓強(qiáng)P3對應(yīng)的氣缸容積；V4為氣缸最大工作容積；P4為做功結(jié)束時氣缸內(nèi)壓強(qiáng)；V5為排氣結(jié)束時氣缸容積，V5=V0；P5為排氣結(jié)束時氣缸內(nèi)壓強(qiáng)；i為自由度。

對于傳統(tǒng)活塞發(fā)動機(jī)，V4=V1,V4/V0=ε，即膨脹比等于壓縮比；做功結(jié)束時，P4遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于一個大氣壓；對于燃?xì)忸A(yù)混型半循環(huán)活塞發(fā)動機(jī)，V4?V1，V4/V0≥ε，即膨脹比遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于壓縮比；做功結(jié)束時，P4接近一個大氣壓。

4個循環(huán)過程中，包含有2個絕熱過程，滿足的絕熱方程分別為：

(4)

(5)

3 發(fā)動機(jī)熱效率

把不同壓縮比、進(jìn)氣量、燃燒最高壓強(qiáng)等代入式(1)～(3)，可分別求出傳統(tǒng)活塞發(fā)動機(jī)的熱效率η和燃?xì)忸A(yù)混型半循環(huán)活塞發(fā)動機(jī)的熱效率ηx，見表1～表3。

表1 P1=0.075 MPa、V3=2.0V0時兩種發(fā)動機(jī)熱效率對比值

表2 P1=0.082 5 MPa、V3=2.0V0時兩種發(fā)動機(jī)熱效率對比值

表3 P1=0.090 MPa、V3=2.0V0時兩種發(fā)動機(jī)熱效率對比值

結(jié)合表1～表3，分析氣缸吸入的燃?xì)饬?、壓縮比和燃?xì)馊紵髿飧鬃罡邏簭?qiáng)3個因素對傳統(tǒng)發(fā)動機(jī)和燃?xì)忸A(yù)混型半循環(huán)活塞發(fā)動機(jī)熱效率的影響，可以得出以下結(jié)論：

1)表1～表3中進(jìn)氣結(jié)束時氣缸內(nèi)壓強(qiáng)P1是逐漸增加的，對比可以看出，氣缸吸入的燃?xì)饬繉煞N發(fā)動機(jī)熱效率的影響較小。

2)壓縮比ε對傳統(tǒng)活塞發(fā)動機(jī)熱效率影響較大，隨著壓縮比的增加，傳統(tǒng)活塞發(fā)動機(jī)熱效率顯著增加，但壓縮比對燃?xì)忸A(yù)混型半循環(huán)活塞發(fā)動機(jī)熱效率影響較小。

3)燃?xì)馊紵髿飧鬃罡邏簭?qiáng)對燃?xì)忸A(yù)混型半循環(huán)活塞發(fā)動機(jī)熱效率的影響較大，隨著最高壓強(qiáng)的增加，半循環(huán)活塞發(fā)動機(jī)熱效率會明顯增加，但對傳統(tǒng)活塞發(fā)動機(jī)熱效率的影響較小。

4 結(jié)束語

本文設(shè)計的燃?xì)忸A(yù)混型半循環(huán)發(fā)動機(jī)，采用壓縮和膨脹分離的全新設(shè)計理念，使發(fā)動機(jī)擁有不同的壓縮比和膨脹比，發(fā)動機(jī)的熱效率得到了較大幅度的提高。本文的研究在理論上已經(jīng)較為深入，對以后發(fā)動機(jī)樣機(jī)的開發(fā)有一定的參考價值。