排气凸轮提高内燃机有效热效率研究

李波波+黎耕+范毅+李建良

【摘 要】针对内燃机排气温度高、妨碍热效率提高的问题，以及齿轮传动往返活塞内燃机的活塞行程任意设计、齿轮传动机械效率高、进气无阀门的特点，用电子计算机进行运动学配气仿真分析和排气凸轮动力模型的模拟、处理，可使齿轮传动往返活塞内燃机排气温度比曲柄内燃机低一半，提高内燃机的有效热效率，在技术上支持齿轮传动往返活塞内燃机的实施。

【关键词】排气凸轮 热效率 排气温度 内冷 齿轮传动往返活塞内燃机

【中图分类号】G 【文献标识码】A

【文章编号】0450-9889（2016）09C-0189-02

由此可见，降低废气温度能在很大程度上提高内燃机有效热效率。曲柄机的活塞行程有限，排气时的曲柄连杆机械效率很低，难以解决降低排气温度的问题。但是，齿传机的活塞行程可任意设计，一对齿轮传动，包括轴承损失，机械效率约为0.92-0.985，燃气驱动活塞的齿轮传动机械效率始终高于70%，有条件把尾气的推力高效地转化为机轴扭矩，提高功率，降低废气温度，提高热机有效热效率。

一、模型建立

（一）往复活塞转动内燃机的机构选型

为了得到往复活塞转矩直接转化为机轴定向转矩的效果，选二缸二冲程的齿轮传动往返活塞动力机做模型。以不完全齿轮与齿轮组合为传动机构。图1为齿轮传动与活塞、气缸做功配合示意图。图2为图1A-A剖面的齿轮配置示意图。在图中，z2、z3的模数、齿数、转速和转矩相同，1—— 不完全齿轮z1，2—— 不完全齿轮z2（粗实线），3—— 齿轮z3（细实线），4—— 气缸，5—— 气门塞，6—— 排气凸轮，7—— 喷油器，8—— 活塞，9—— 活塞杆，同时表示活塞转动半径R，10—— 机轴，P1—— 压缩空气z1 扭力，P2—— 燃气z1 扭力。P3—— 机轴z2扭力，r—— 活塞半径，二倍粗实线箭头表示z2转动方向扭力，粗实线箭头表示压缩空气的z1扭力，特大箭头表示燃气的z1扭力，虚线箭头表示气体流动方向。

（二）模型尺寸选择

以图1、图2的二缸二冲程齿传机结构进行运动学配气仿真的尺寸选择如下：

首先拟定气缸4的直径为D，气缸长度L=3.1D；活塞8完成一个往返行程工作循环，凸轮6转动度数为360°；活塞压缩空气的行程为0.75D；燃气推动活塞做功的行程为3D。

调整活塞转动半径R，使活塞离开气缸底的最远距离s=4.5D。则活塞完成一个往返的总行程S=9D，做功行程sG=3D，sG/S=3D/9D=1/3。

确定凸轮6近停角的度数β：活塞一个往返行程，凸轮转动360°。近停角是气门关闭的凸轮转动角度，为活塞压缩行程0.75D和做功行程3D的凸轮转动角之和。所以，凸轮的近停角β=360°×（0.75D+3D）/9D=150°，凸轮的轮凸角α=推程角+远停角+回程角=360°-150°=210°。

二、模型运动仿真分析

进行运动学配气仿真分析：

凸轮转动一周的活塞行程顺序为：（压缩行程0.75D→做功行程3D）150°→（气缸内排气行程0.1D→气缸外排气行程1.4D→气缸外排气回程1.4D→气缸内排气回程2.25D）210°。所以，气缸壁接触压缩空气高温的行程比例约为0.3D/9D=0.03，接触燃气高温的行程比例为3D/9D=0.33，接触压缩空气和燃气高温的行程比例约为0.03+0.33=0.36，接触冷空气的行程比例约为2/3，气缸内壁冷却的时间约是受热时间的一倍，齿传机的气缸有足够时间的内风冷，气缸壁的温度不至于很高，起到内风冷的效果，可以省略气缸冷却装置。

另外，一组齿传机有两个活塞交替做功，一个活塞完成一个往返行程工作循环，排气凸轮转动360°，两个活塞各做功一次，气缸内压力p和凸轮转角β的关系如图2的二缸二冲程齿传机p-β图。图中，粗实线A为气缸A的p-β图，双点划线B为气缸B的p-β图，虚线a、b为另一组气缸a、b的p-β图。示功图如图3的P-V图。两个活塞做功之间仅有（9D-2×3D）÷2=1.5D的行程没有气缸做功。

从图2可以看出，两组二缸二冲程齿传机四个气缸由同轴凸轮控制，90°交替做功，在一个工作循环中，气缸A、a的做功压力图线在A的做功行程重叠，气缸B、b的做功压力图线在A的换气行程重叠。说明两组二缸二冲程齿传机的四个气缸配合，能够使内燃机的气缸做功不间断。

指示功是活塞完成一个工作循环所得到的有用功。指示功的大小由p-V图中闭合曲线的面积表示。从图3可以看出，用两组二缸二冲程齿传机四个气缸配合可以连续输出有用功。

压缩冲程为0.75D，做功冲程为 3D，假如由被压缩0.75D的空气在做功冲程中膨胀3D，则3D/0.75D=4，空气膨胀到原来的4倍才排出气缸。按照曲柄机的活塞到达排气止点时，未排净的废气温度仍有700K～900K估计，齿传机活塞做功行程到达0.75D时，燃油温度约为700K-900K，根据绝热方程Vγ-1T=常量，参考干燥大气γ=1.405，齿传机排气门排出的废气温度约可降低一半，即废气温度可降低到200℃以下。因此，大大提高了齿传机的有效热效率，同时减少热机的热污染和噪声污染。

三、结论

利用齿传机的活塞行程任意设计，齿轮传动机械效率高、无0点，无进气阀门的特点，以电子计算机对其活塞转动半径、气缸长度、凸轮近停角等进行研究，拟定：气缸的直径为D，气缸长度L=3.1D；活塞完成一个工作循环的凸轮转动度数为360°；空气压缩行程为0.75D；燃气推动活塞做功的行程为3D；调整活塞转动半径R，使活塞离开气缸底的最远距离s=4.5D；凸轮近停角β=150°，凸轮轮凸角α=210°，进行排气凸轮动力模型的模拟和运动学配气仿真分析，齿传机废气温度约比曲柄机降低一半，能提高内燃机的有效热效率，降低热污染和噪声污染，在技术上支持齿传机的实施。

【参考文献】

[1]林加让.汽车发动机简明教学图解（第二版）[M].北京：电子工业出版社，2007

[2]马文蔚.物理学教程：上册[M].北京：高等教育出版社，2002

[3]周龙保.内燃机学（第二版）[M].北京：机械工业出版社，2005

[4]上海机器制造学校.理论力学[M].北京：人民教育出版社，1966

[5]李波波，黎耕.往复力矩转化为单向力矩的齿轮机构研究[J].机械传动，2015（10）

【基金项目】2013年广西教育厅科学技术研究项目研究成果（20130333A）

【作者简介】李波波（1970— ），女，广西玉林人，研究生，南宁学院副教授；黎 耕（1943— ），男，广西南宁人，南宁市能量环保研究室高级工程师。

（责编 黎 原）