某型号发动机曲轴偏置分析

李永纯 张颖 袁海马

（华晨汽车工程研究院动力总成设计处）

随着人们生活水平的日益提高，汽车已经走进千家万户。汽车保有量的快速提高，造成空气污染已十分严重；同时汽车消费者对整车的燃油消耗也十分敏感，这关系到汽车的使用成本。因此，降低排放及降低整车的油耗已经成为各大汽车厂的重要任务。目前，降低发动机油耗主要采用新材料、新技术及整机轻量化等手段实现。其中曲轴偏置设计是近几年在设计中应用较多的方法之一，它能够有效降低发动机的摩擦功，从而达到降低发动机油耗的目的。

1 曲轴偏置的原理

1.1 曲轴偏置种类

传统发动机曲轴轴线与气缸中心面是重合的。曲轴偏置是指曲轴轴线与气缸中心面偏置。曲轴既可以向发动机主压力一侧偏置，也可以向发动机次压侧偏置。将朝向发动机主压力侧偏置的称为曲轴正偏置，朝向发动机次压力侧偏置的称为曲轴负偏置。

目前，曲轴偏置几乎全部采用正偏置，其示意图，如图1所示。

1.2 曲轴偏置分析

1.2.1 活塞止点位置

偏置曲柄连杆机构相比中心曲柄连杆机构，活塞上下止点位置均有变化，偏置曲柄连杆机构的简图，如图2所示。图2 中：e 为曲轴偏置量，Se为活塞行程，S1和S2分别为活塞在上/下止点与曲轴中心的距离，α1和α2分别为上/下止点时曲轴转角，l 为连杆长度，r 为曲轴回转半径。A′和A 分别为活塞上/下止点位置。

α1和 α2的值可从△A′EO 和△AEO 中求得：

式中：λ——连杆比，λ=r/l；

ξ——偏置率，ξ=e/r。

当活塞从上止点运动到下止点时，曲柄转过的角度是α2-α1＞180°，但是当活塞从下止点运动到上止点时，曲柄的转角是 360°-α2+α1＞180°。这样的偏置布置有利于加大进气行程和做功行程，使进气更充分，膨胀更彻底；同时使压缩行程缩短，更有利于压缩过程的绝热效果[1]。

同时，与没有曲轴偏置的发动机（图3a）不同，在曲轴偏置发动机上（图3b）连杆在做功行程中处于几乎垂直的状态。曲轴偏置措施可明显减小活塞在气缸壁上的侧向压紧力及活塞与缸壁之间的摩擦，从而提高发动机工作效率[2]。

1.2.2 活塞行程

活塞行程为活塞上/下止点到曲轴中心距离的差值，即：

2 曲轴偏置设计示例

2.1 基本参数

某型号发动机为直列四缸、增压水冷柴油机，采用可变进气、双VVT 等技术，主要参数，如表1所示。

表1 某型号发动机主要参数

2.2 运动学分析

2.2.1 曲轴偏置对活塞行程和曲轴转角的影响

将 l=149 mm，r=44 mm 代入 λ=r/l，得：λ=0.295。将e=12 mm，r=44 mm 代入 ξ=e/r,得：ξ=0.273。

将上述数据分别代入式（1）～（3），得：

该型号发动机曲轴偏置12 mm 后，活塞行程增加0.313 mm。

当活塞从上止点到下止点时，曲柄转过的角度是：

当活塞从下止点到上止点时，曲柄转过的角度是：

360°-α2+α1=360°-186.562°+3.565°=177.003°

可见，活塞下行所占曲柄转角变大了，而上行所占曲柄转角却变小了（即压缩过程进展较快，膨胀过程进展较慢），有效地提高了发动机的工作效率。

2.2.2 曲轴偏置对活塞位移速度加速度的影响

曲轴偏置前后，活塞的位移、速度及加速度的总变化趋势是一致的，如图4～6所示。只是偏置后的活塞速度和加速度极值略为增加，对活塞运动的影响不大。

2.2.3 曲轴偏置对侧向加速度及侧向摩擦力的影响

曲轴偏置前后，活塞的侧向加速度变化非常明显，如图7所示。偏置后，活塞下行过程中的侧向加速度明显减小，峰值约减小38%，而上行过程中的加速度明显增加，峰值约增加50%。

这里分析的侧向加速度，仅仅是由活塞运动的惯性力产生的。而由爆发压力产生的侧向力并没有考虑。但同理可知，由爆发压力产生的侧向力也会减小。

曲轴偏置对摩擦平均有效压力的影响，如图8所示。从图8 可以看出，随着曲轴偏移量的增大，对摩擦平均有效压力的影响也越大，对减小摩擦力起到非常有效的作用。但是当曲轴偏移量超过15 mm 时，曲轴偏移量增加，对减小摩擦力的作用不是很明显。

3 结论

该型号发动机曲轴向排气侧偏置12 mm 后，活塞行程增加0.313 mm。活塞下行所占曲柄转角增加，上行则减小。下行过程活塞侧向加速度减小，上行过程活塞侧向加速度增加（由活塞惯性力引起的侧向加速度）。同理，爆发压力引起的活塞侧向力也将减小。所以，曲轴偏置后，对燃油消耗有利。另外，也要考虑曲轴偏置后，对曲轴箱设计的影响。