活塞懸停式發(fā)動(dòng)機(jī)突破熱效率的天花板

呂建偉

（重慶木材有限責(zé)任公司，重慶 400020）

0.引言

活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)了100多年了，汽油點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率只能在35%左右，柴油壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率可以達(dá)到40%；現(xiàn)在的技術(shù)手段，如阿特金森或米勒循環(huán)，缸內(nèi)直噴、提高壓縮比HCCI壓燃技術(shù)等，把所有的技術(shù)手段用上汽油點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率只能提高在40%左右，因此每提高1%都非常難，在不改變發(fā)動(dòng)機(jī)現(xiàn)有構(gòu)造的情況下發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率很難做到大幅度提升，熱效率在現(xiàn)在的基礎(chǔ)上就很難突破了[1]。

1.往復(fù)式發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率為什么底

根據(jù)現(xiàn)有資料表明內(nèi)燃機(jī)汽缸里活塞上力的大小是由產(chǎn)生膨脹氣體的體積與做功前缸體空間的比值，在上止點(diǎn)上它的空間體積基數(shù)最小需要膨脹氣體的量相對(duì)較小就能獲得較大的作用力，當(dāng)活塞開(kāi)始運(yùn)動(dòng)后曲軸由0°～135°有效做功只有60%，而其他40%的做功都轉(zhuǎn)變成了連桿對(duì)軸瓦的摩擦力而做無(wú)用功，曲軸傳動(dòng)也只有在90°一個(gè)點(diǎn)上能把做功完全傳遞到曲軸上，其它的任何點(diǎn)都存在做或多或少的無(wú)用功，但在90°這個(gè)點(diǎn)上缸體的空間體積比活塞在上止點(diǎn)上增大了5倍；在曲軸0°～135°的轉(zhuǎn)動(dòng)中活塞的運(yùn)動(dòng)將造成缸體空間的逐漸增大，也就是大量的膨脹氣體所做的無(wú)用功的空間會(huì)轉(zhuǎn)變成軸瓦對(duì)曲軸的摩擦力；而活塞需要運(yùn)動(dòng)到下止點(diǎn)后又返回到上曲軸575°的圓周變活塞直線運(yùn)動(dòng)中的排氣、吸氣、壓縮自身消耗掉的有用功，又要在轉(zhuǎn)換中損失40%，可見(jiàn)曲軸傳動(dòng)在進(jìn)行力的互換中自身?yè)p失造成的能量損失可以達(dá)到80%以上，往復(fù)式內(nèi)燃機(jī)浪費(fèi)的力根源就在力的傳遞和轉(zhuǎn)換上；從上述分析可以看出活塞在曲軸臂從0°～45°角轉(zhuǎn)動(dòng)區(qū)間中力基本損失了，而轉(zhuǎn)到45°時(shí)燃燒室空間已經(jīng)增大一倍(活塞下降了曲軸臂長(zhǎng)度的25%左右）所以曲軸臂從45°～135°的轉(zhuǎn)動(dòng)中活塞上的力平均值也降低了25%左右。

2.提高熱效率的歷程

1862年法國(guó)一位工程師首先提出四沖程循環(huán)原理，1876年德國(guó)工程師尼古拉斯·奧托利用這個(gè)原理發(fā)明了發(fā)動(dòng)機(jī)，奧托循環(huán)其熱效率在30%左右，1882年，英國(guó)工程師JamesAtk(詹姆斯·阿特金森)在使用奧托循環(huán)內(nèi)燃機(jī)的基礎(chǔ)上，通過(guò)一套復(fù)雜的連桿機(jī)構(gòu)，使得發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮行程小于膨脹行程，這種巧妙的設(shè)計(jì)，不僅改善了發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣效率，也使得發(fā)動(dòng)機(jī)的膨脹比高于壓縮比，有效地提高了發(fā)動(dòng)機(jī)效率，這種發(fā)動(dòng)機(jī)的工作原理被稱為阿特金森循環(huán)。阿特金森循環(huán)的實(shí)質(zhì)就是膨脹比大于壓縮比，后來(lái)采用進(jìn)氣門晚關(guān)的方法，讓缸內(nèi)的混合氣被壓回進(jìn)氣管一部分，這樣活塞的加速做功沖程就長(zhǎng)于壓縮沖程，所以阿特金森循環(huán)的好處就是發(fā)動(dòng)機(jī)的效能更高，也就是熱效率更高。1940年美國(guó)機(jī)械工程師羅爾夫·米勒(Ralph Miller)于1940年代取得專利發(fā)明了米勒循環(huán)采用的是氣門早關(guān)實(shí)現(xiàn)，在進(jìn)氣行程結(jié)束前，提前關(guān)閉氣門；相比與阿特金森循環(huán)，這樣的方法在低負(fù)荷情況下能更省油，但在高負(fù)荷是會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)功率不足；后來(lái)的缸內(nèi)直噴、提高壓縮比HCCI壓燃技術(shù)等都是一些輔助技術(shù)對(duì)熱效率的進(jìn)一步提高都收效不大[2]。

3.減少做功沖程的損失相應(yīng)就提高熱效率

為了減少發(fā)動(dòng)機(jī)能量傳遞時(shí)力的損失，本文提供一種活塞懸停式高效率發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)，本設(shè)計(jì)采用把曲軸臂的連桿軸頸直徑加大并且把連桿軸頸向曲軸臂左側(cè)凸出更高設(shè)計(jì)，而產(chǎn)生了一種新的活塞運(yùn)行循環(huán)方式，使其活塞在做壓縮沖程達(dá)到上止點(diǎn)后曲軸臂在45°夾角轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)讓活塞在氣缸上止點(diǎn)不下降呈“懸停”狀態(tài)，保持氣缸內(nèi)的壓強(qiáng)和溫度不變，而當(dāng)曲軸臂轉(zhuǎn)到45°夾角時(shí)活塞才開(kāi)始下降，而點(diǎn)火位置則選擇在活塞下降前的一個(gè)合適的提前角；而這時(shí)曲軸臂轉(zhuǎn)動(dòng)到45°夾角時(shí)力臂也變化到較長(zhǎng)區(qū)間，這時(shí)可然氣體燃燒產(chǎn)生的強(qiáng)大壓力作用在活塞上，推動(dòng)曲軸臂帶動(dòng)曲軸的主軸頸轉(zhuǎn)動(dòng)，輸出強(qiáng)大的扭矩力帶動(dòng)負(fù)載做功。

4.具體的技術(shù)方案

那連桿軸頸怎么設(shè)計(jì)和安裝才能使曲軸臂傾斜時(shí)曲軸臂上端帶動(dòng)連桿大頭下降而使活塞不下降呢？我們把曲軸的連桿軸頸設(shè)計(jì)為比常規(guī)連桿軸頸直徑大的大圓，并且把連桿軸頸大圓中心相對(duì)于曲軸臂的豎向中心線往左側(cè)水平移動(dòng)一個(gè)位置凸出更高同曲軸臂連接固定在一起，當(dāng)然連桿的大頭也設(shè)計(jì)較大與連桿軸頸大圓匹配；而在裝配時(shí)所面對(duì)曲軸臂旋轉(zhuǎn)的方向是順時(shí)針時(shí)在上止點(diǎn)位置時(shí)連桿的大頭是從左向右運(yùn)動(dòng)，那么連桿軸頸大圓凸出方向就向左與之相反安裝，反之則反（而連桿軸頸直徑具體設(shè)計(jì)多大，相對(duì)于曲軸臂凸出多少連接，要根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)自身設(shè)計(jì)的排量、活塞的大小、連桿的長(zhǎng)短、活塞的行程和需要下降的角度位置來(lái)計(jì)算）；其運(yùn)行時(shí)曲軸臂帶動(dòng)連桿在繞著主軸頸旋轉(zhuǎn)過(guò)程中連桿軸頸大圓自身也相對(duì)于連桿大頭旋轉(zhuǎn)，當(dāng)曲軸臂帶動(dòng)活塞做壓縮沖程到氣缸上止點(diǎn)后，在曲軸臂從0°夾角至45°夾角的轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中由于曲軸臂在傾斜，曲軸臂上端在逐漸下降，而這時(shí)曲軸的連桿軸頸大圓相對(duì)于曲軸臂凸出部位逐漸轉(zhuǎn)動(dòng)至上側(cè)面以凸出部位的高度來(lái)彌補(bǔ)曲軸臂上端下降高度，使連桿大頭不下降也就使活塞在上止點(diǎn)不下降“懸?！保３謿飧變?nèi)的壓強(qiáng)和溫度不變，待曲軸臂轉(zhuǎn)動(dòng)到45°夾角位置時(shí)活塞才開(kāi)始下降，使得發(fā)動(dòng)機(jī)活塞上的力在曲軸臂在45°夾角至145°夾角轉(zhuǎn)動(dòng)中最有效傳遞區(qū)間獲得更大的作用力（因?yàn)榇藭r(shí)氣缸壓縮空間較小待膨脹的空間較大），因而活塞上的力在傳遞給曲軸臂旋轉(zhuǎn)的每一個(gè)點(diǎn)上比傳統(tǒng)在上止點(diǎn)位置點(diǎn)火方式的發(fā)動(dòng)機(jī)大幅度增加，而且減輕了傳統(tǒng)方式在上止點(diǎn)0°附近點(diǎn)火造成的對(duì)曲軸的沖擊和對(duì)氣缸壁側(cè)向壓力，也就是說(shuō)使得活塞上的力在壓縮沖程損失很小了；因此把活塞“懸?！焙箝_(kāi)始下降位置設(shè)置在40°～45°夾角區(qū)間最佳；這種連桿軸頸加大并且向曲軸臂左側(cè)凸出的巧妙設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單易行，不需要改變發(fā)動(dòng)機(jī)的基本結(jié)構(gòu)，比傳統(tǒng)方式的發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率大幅度提高，而且這種新的循環(huán)方式比阿特金森和米勒循環(huán)提高熱效率更明顯，但又可以與之兼容并存[3]。

5.結(jié)語(yǔ)

此種發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)技術(shù)突破了活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率的瓶頸；通過(guò)摸似實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)推測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率提高60%～70%左右；同阿特金森循環(huán)或米勒循環(huán)等其他技術(shù)疊加，使發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率更可以達(dá)到60%左右；能大大降低排放，特別是用在增程式、和發(fā)電式新能源車上速航距離大大增加；而且特別適用氫能（爆燃特性）的直接燃燒，和大幅度提高其他新能源如天然氣、甲醇、乙醇、生物柴油的功率及扭矩力，是一款名副其實(shí)的新能源發(fā)動(dòng)機(jī)。