活塞悬停式发动机突破热效率的天花板

吕建伟

（重庆木材有限责任公司，重庆 400020）

0.引言

活塞式发动机出现了100多年了，汽油点燃式发动机热效率只能在35%左右，柴油压燃式发动机热效率可以达到40%；现在的技术手段，如阿特金森或米勒循环，缸内直喷、提高压缩比HCCI压燃技术等，把所有的技术手段用上汽油点燃式发动机热效率只能提高在40%左右，因此每提高1%都非常难，在不改变发动机现有构造的情况下发动机热效率很难做到大幅度提升，热效率在现在的基础上就很难突破了[1]。

1.往复式发动机的热效率为什么底

根据现有资料表明内燃机汽缸里活塞上力的大小是由产生膨胀气体的体积与做功前缸体空间的比值，在上止点上它的空间体积基数最小需要膨胀气体的量相对较小就能获得较大的作用力，当活塞开始运动后曲轴由0°～135°有效做功只有60%，而其他40%的做功都转变成了连杆对轴瓦的摩擦力而做无用功，曲轴传动也只有在90°一个点上能把做功完全传递到曲轴上，其它的任何点都存在做或多或少的无用功，但在90°这个点上缸体的空间体积比活塞在上止点上增大了5倍；在曲轴0°～135°的转动中活塞的运动将造成缸体空间的逐渐增大，也就是大量的膨胀气体所做的无用功的空间会转变成轴瓦对曲轴的摩擦力；而活塞需要运动到下止点后又返回到上曲轴575°的圆周变活塞直线运动中的排气、吸气、压缩自身消耗掉的有用功，又要在转换中损失40%，可见曲轴传动在进行力的互换中自身损失造成的能量损失可以达到80%以上，往复式内燃机浪费的力根源就在力的传递和转换上；从上述分析可以看出活塞在曲轴臂从0°～45°角转动区间中力基本损失了，而转到45°时燃烧室空间已经增大一倍(活塞下降了曲轴臂长度的25%左右）所以曲轴臂从45°～135°的转动中活塞上的力平均值也降低了25%左右。

2.提高热效率的历程

1862年法国一位工程师首先提出四冲程循环原理，1876年德国工程师尼古拉斯·奥托利用这个原理发明了发动机，奥托循环其热效率在30%左右，1882年，英国工程师JamesAtk(詹姆斯·阿特金森)在使用奥托循环内燃机的基础上，通过一套复杂的连杆机构，使得发动机的压缩行程小于膨胀行程，这种巧妙的设计，不仅改善了发动机的进气效率，也使得发动机的膨胀比高于压缩比，有效地提高了发动机效率，这种发动机的工作原理被称为阿特金森循环。阿特金森循环的实质就是膨胀比大于压缩比，后来采用进气门晚关的方法，让缸内的混合气被压回进气管一部分，这样活塞的加速做功冲程就长于压缩冲程，所以阿特金森循环的好处就是发动机的效能更高，也就是热效率更高。1940年美国机械工程师罗尔夫·米勒(Ralph Miller)于1940年代取得专利发明了米勒循环采用的是气门早关实现，在进气行程结束前，提前关闭气门；相比与阿特金森循环，这样的方法在低负荷情况下能更省油，但在高负荷是会导致发动机功率不足；后来的缸内直喷、提高压缩比HCCI压燃技术等都是一些辅助技术对热效率的进一步提高都收效不大[2]。

3.减少做功冲程的损失相应就提高热效率

为了减少发动机能量传递时力的损失，本文提供一种活塞悬停式高效率发动机设计，本设计采用把曲轴臂的连杆轴颈直径加大并且把连杆轴颈向曲轴臂左侧凸出更高设计，而产生了一种新的活塞运行循环方式，使其活塞在做压缩冲程达到上止点后曲轴臂在45°夹角转动时让活塞在气缸上止点不下降呈“悬停”状态，保持气缸内的压强和温度不变，而当曲轴臂转到45°夹角时活塞才开始下降，而点火位置则选择在活塞下降前的一个合适的提前角；而这时曲轴臂转动到45°夹角时力臂也变化到较长区间，这时可然气体燃烧产生的强大压力作用在活塞上，推动曲轴臂带动曲轴的主轴颈转动，输出强大的扭矩力带动负载做功。

4.具体的技术方案

那连杆轴颈怎么设计和安装才能使曲轴臂倾斜时曲轴臂上端带动连杆大头下降而使活塞不下降呢？我们把曲轴的连杆轴颈设计为比常规连杆轴颈直径大的大圆，并且把连杆轴颈大圆中心相对于曲轴臂的竖向中心线往左侧水平移动一个位置凸出更高同曲轴臂连接固定在一起，当然连杆的大头也设计较大与连杆轴颈大圆匹配；而在装配时所面对曲轴臂旋转的方向是顺时针时在上止点位置时连杆的大头是从左向右运动，那么连杆轴颈大圆凸出方向就向左与之相反安装，反之则反（而连杆轴颈直径具体设计多大，相对于曲轴臂凸出多少连接，要根据发动机自身设计的排量、活塞的大小、连杆的长短、活塞的行程和需要下降的角度位置来计算）；其运行时曲轴臂带动连杆在绕着主轴颈旋转过程中连杆轴颈大圆自身也相对于连杆大头旋转，当曲轴臂带动活塞做压缩冲程到气缸上止点后，在曲轴臂从0°夹角至45°夹角的转动过程中由于曲轴臂在倾斜，曲轴臂上端在逐渐下降，而这时曲轴的连杆轴颈大圆相对于曲轴臂凸出部位逐渐转动至上侧面以凸出部位的高度来弥补曲轴臂上端下降高度，使连杆大头不下降也就使活塞在上止点不下降“悬停”，保持气缸内的压强和温度不变，待曲轴臂转动到45°夹角位置时活塞才开始下降，使得发动机活塞上的力在曲轴臂在45°夹角至145°夹角转动中最有效传递区间获得更大的作用力（因为此时气缸压缩空间较小待膨胀的空间较大），因而活塞上的力在传递给曲轴臂旋转的每一个点上比传统在上止点位置点火方式的发动机大幅度增加，而且减轻了传统方式在上止点0°附近点火造成的对曲轴的冲击和对气缸壁侧向压力，也就是说使得活塞上的力在压缩冲程损失很小了；因此把活塞“悬停”后开始下降位置设置在40°～45°夹角区间最佳；这种连杆轴颈加大并且向曲轴臂左侧凸出的巧妙设计简单易行，不需要改变发动机的基本结构，比传统方式的发动机热效率大幅度提高，而且这种新的循环方式比阿特金森和米勒循环提高热效率更明显，但又可以与之兼容并存[3]。

5.结语

此种发动机循环技术突破了活塞式发动机热效率的瓶颈；通过摸似实验数据推测发动机输出功率提高60%～70%左右；同阿特金森循环或米勒循环等其他技术叠加，使发动机热效率更可以达到60%左右；能大大降低排放，特别是用在增程式、和发电式新能源车上速航距离大大增加；而且特别适用氢能（爆燃特性）的直接燃烧，和大幅度提高其他新能源如天然气、甲醇、乙醇、生物柴油的功率及扭矩力，是一款名副其实的新能源发动机。