大幅提高热效率的新结构节油内燃机

韩培洲

(华星机动车科技(天津)有限责任公司， 天津 100078)



大幅提高热效率的新结构节油内燃机

韩培洲

(华星机动车科技(天津)有限责任公司， 天津 100078)

在内燃机中，提高压缩比一直是降低油耗的主要方式，压缩比提高后，会相应减少燃烧室的容积损失，但由于汽油机受爆燃限制，柴油机受最大爆发力的影响，提高压缩比的幅度有一定限度，燃烧室容积也很难变得更小直至消除。为了消除燃烧室容积损失，提出了利用辅助曲轴带动辅助活塞与气缸内的活塞相配合运转的节油内燃机结构方案，并介绍了这种节油内燃机的工作过程和提高效率的途径。

辅助曲轴辅助活塞小气缸燃烧室相对压缩比燃油效率

0　前言

在内燃机中，无论是汽油机还是柴油机，较高的压缩比都可让发动机得到较高的效率。

为克服汽油机在低功率时因压缩比相对较低而效率降低的不足，国内外的研究机构也开发试验了可变压缩比的多种不同汽油机方案[1]。但不论哪种方案，都无法消除燃烧室容积的不足。在本文中给出的新型节油内燃机中，可以在燃烧作功之后迅速消除燃烧室的容积，并会让内燃机的效率大幅度提高，从而为提高内燃机效率又开辟了1条新的途径。

1　节油内燃机的基本结构

该节油内燃机是在气缸盖上增设了装有辅助活塞的小气缸，这种结构在国内外的试验型可调压缩比汽油机中都有采用过[2]。

节油内燃机的基本构造如图1所示，这种新型节油内燃机通过结构改进，除包括常规内燃机所具有的进排气门、气缸活塞和连杆传动机构以外，还在气缸盖上增设了由辅助曲轴经连杆带动的辅助活塞，辅助活塞安装在小气缸中，位于气缸之上，缸盖上的小气缸大部分处于气缸范围内，辅助活塞的直径相当于活塞直径的1/2，行程与活塞基本相同。辅助活塞被辅助曲轴带动，也能抵抗小气缸燃烧室内很大的作功燃气压力，在结构上也较为简单，并适合发动机的高速运转。

在节油内燃机中，辅助曲轴与曲轴转速相同，被带动的辅助活塞在配合活塞完成1次提高效率的作功过程后，辅助活塞在进排气过程时会多运行1次，并设置了在排气过程中能挤走小气缸燃烧室内废气的供气管及阀门机构。

在辅助活塞与气缸内的活塞运转配合过程中，当气缸内的活塞处于上止点位置时，被辅助曲轴带动的辅助活塞则离开其下止点80～100°CA，与活塞形成图2中所示的角度定时，并在辅助活塞下行过程中让小气缸内形成燃烧过程所需的燃烧室容积和开始燃烧时的基本压缩比。这样布置后便能在气缸内的活塞开始作功时，由辅助曲轴带动辅助活塞继续下行，迅速把小气缸燃烧室内的作功燃气推进气缸参与作功，消除了燃烧室的容积损失，让原来在燃烧室膨胀的作功燃气被压进气缸膨胀作功，使发动机的效率大幅度提高。

2　节油内燃机的工作过程

通过压缩过程和作功过程，可以说明这种节油内燃机如何在作功过程中消除燃烧室的容积，并提高了工作效率。

2.1压缩过程

在压缩过程中，当气缸中的活塞上行到上止点时已经完成了压缩过程，这时的辅助活塞被辅助曲轴带动提前85°向下压进小气缸燃烧室，在燃烧室容积变小的过程中形成了内燃机开始燃烧时的压缩比。汽油机可形成相当于9∶1的压缩比。在柴油机中，所形的小气缸燃烧室的容积还可再小一些，以达到12∶1的柴油机压燃点火温度。

2.2作功过程

作功过程如图3所示，当作功过程开始后，辅助活塞被带动继续下行，把小气缸燃烧室内的作功燃气快速压进气缸膨胀。当气缸中的活塞作功下行带动曲轴离开上止点45～50°CA，因辅助曲轴已离开其下止点135°CA，带动辅助活塞下行让小气缸燃烧室的容积变得很小并消失。继续下行的辅助活塞在穿过小气缸燃烧室后到达其上止点的最下部位置，让辅助活塞的凸出头部伸进气缸。随着辅助活塞接近上止点，辅助活塞所消耗的压缩功也在相应减少，而被活塞带动的曲轴则处于更有利的作功角度上。在辅助活塞移到其上止点位置时，还处于不消耗压缩功的位置处。当辅助活塞移过其上止点位置后，还能被燃气推动相应对外作功，让动力经辅助曲轴向外输出。

图3　节油内燃机的燃烧过程示意图

在节油内燃机作功过程中，当辅助活塞移到消除了小气缸燃烧室容积的位置后，如果这时把活塞上行到上止点位置时的余隙容积与气缸的工作容积相比，所形成的相对压缩比便可达到50～70。但由于燃烧室内的作功燃气是在活塞下行后进入气缸，气缸中所产生的最大燃气压力并未升高。但因原来在燃烧室膨胀的作功燃气被压进气缸中作功膨胀，使作功燃气的压力降幅相对较小，一般高于内燃机，随着接近其上止点的辅助活塞所消耗的压缩功正在相应减少，而曲轴则处于最有利的曲轴转角下被活塞推动作功，从而让曲轴的输出功率增加，发动机的效率大幅度提高。

由于节油内燃机能在作功过程中迅速减小并消除燃烧室的容积，因最高燃烧压力并未增大，发动机仍可采用较轻便的活塞连杆传动机构，让传动机构仍具有很高的机械效率。

3　节油内燃机的工作效率

根据节油内燃机的工作过程，所描绘的示意图如图4所示，示意图的左侧是经整理后旳辅助活塞压力与工作容积的变化曲线，能很清楚的表示出辅助活塞上行到其上止点不消耗压缩功位置时的这一刻工作状态。在节油内燃机作功过程中，辅助活塞为消除小气缸燃烧室容积也是要消耗压缩功的(-Vc)，所消耗的压缩功会转化为活塞多产生的输出动力+Vc，-Vc和+Vc被传递到曲轴后便会相互抵消。但由于在作功过程中消除了小气缸燃烧室的容积损失，让原来在燃烧室膨胀的作功燃气被压入气缸膨胀作功，而且随着辅助活塞接近其上止点，辅助活塞所消耗的压缩功也在相应减少，但被活塞带动的曲轴则处于最有利的作功角度，让内燃机多产生出了相应的功率。在最高燃烧压力并未增大的条件下让发动机的工作效率大幅度提高，反映在示功图上就是示功图形曲线更加丰满，并让内燃机多得到了Vz面积中的动力。

图4　节油内燃机的工作过程示意图

图5　节油内燃机有效工作效率的预测

在不同功率的节油内燃机中，由于在作功过程中消除了燃烧室容积，内燃机的基础压缩比也不是影响效率的因素，这时，因不同节油内燃机中活塞顶部的余隙容积有所不同，这便会成为影响这种内燃机效率的另一因素。为了明确这一因素，可再形成1种并不存在的相对压缩比，即利用活塞处于上止点时的余隙容积Vx与气缸的排量Vh之比((Vh+Vx)/Vx)形成相对压缩比，根据节油内燃机结构的不同，其相对压缩比可在50～70之间，这会让实际中的节油内燃机工作效率有所不同。

当然，辅助活塞在运行过程中也会产生一定的压力波动，在辅助活塞下移形成燃烧室容积时，由于燃烧过程的开始会让辅助活塞突然受到最大的燃气压力作用，虽然最大燃气作用压力的角度很小，时间也很短，会迅速被活塞所产生的更大作用力所覆盖，这一问题在多缸机中并不明显，但用于单缸机时，可能需要适当增加飞轮的质量，以抵取辅助活塞所产生的压力波动力。

4　节油内燃机的效率预测

关于节油内燃机提高效率的幅度，可参看图5所示的有效效率预测。在内燃机中，当基础压缩比从汽油机的8和柴油机的13增加到50以上的压缩比时，如果机械效率并未大幅度降低，发动机的工作效率还是会有很大幅度的提升。由于节油内燃机在作功过程中消除了燃烧室容积，所形成的相对压缩比可达到50～70，同时因发动机的基础压缩比并不是很高，活塞连杆等传动机构仍很轻便，能让发动机

保持较高的机械效率，让所制成的这种节油内燃机在运转中工作效率会大幅度提高。实际中，无论制成节油汽油机还是节油柴油机，都能让这种节油内燃机的有效效率提高到47%～50%，接近于燃料电池的效率。柴油机由于压燃点火，实际中的有效效率还会略低于汽油机。

在采用辅助活塞的这种节油内燃机中，在气缸内的活塞作功下行45～50°CA时，因小气缸燃烧室的容积已被消除，其效率最后是基本相同的。当然，由于汽油机初始的压缩比更低，活塞连杆等也更轻便，实际工作效率还会略高一些。

5　总结

由于可借助辅助活塞在作功过程开始后迅速减小并消除小气缸燃烧室的容积，因而能让发动机消除燃烧室容积，从而大幅度提高了效率，为进一步降低内燃机油耗又找到了新途径。在实际应用时，因汽油机能形成更好的燃油混合气，排气中的颗粒物也较少，效率还高于柴油机，也不用成本较高的高压共轨系统，可把这种节油内燃机在城市车辆中优先应用。这种新型节油内燃机可制成单缸及多缸机型，在功率上也无限制，可用于摩托车、汽车、船舶和电站等领域作为动力装置使用，有利于节能减排和社会的可持续发展。

[1] 肖云魁.21世纪汽车[M].兵器工业出版社,北京，1999： 134.

[2] 高强.725/可变压缩比技术[J].汽车知识,2013,05： 073.