汽车技术
1传统发动机效率不高的原因
导致该结果的因素是多方面的，比如发动机工作过程存在着缺陷，燃料没有充分燃烧，等等。当然，发动机设计师们也在试图或者减轻这些不利因素的影响，然而，以前他们从未想过改变发动机的曲轴-连杆机构的结构。
传统发动机是靠活塞往复运动来使曲轴旋转的，如果对其进行深入分析，就可以轻而易举地得出，正是这种曲轴连杆机构影响着发动机的热效率。
众所周知，发动机的扭矩等于活塞受到的压力P 乘以活塞面积S 及连杆轴颈的偏心距L ，即M =P ×S ×L 。
在这个等式中，虽然P 、L 的变动量较大，但它们对扭矩的影响并不大，这是由曲轴连杆机构的工作特性所决定的。
从逻辑上说，要产生扭矩，就必须使连杆大头与连杆轴颈起主要作用。换言之，受活塞推动的连杆大头应该能提高连杆轴颈的角速度，但是实际上，在传统发动机活塞作功行程中，只在开始1/4行程和部分第二个1/4行程中。“连杆大头-连杆轴颈”的角速度在很大程度上受飞轮作用多于受活塞作用，即连杆大头反而靠连杆轴颈拉动。活塞虽然处于燃气高压作用下，但它白白消耗了能量，因为只有当活塞压力(最大压力8～
9MPa )降到1.2MPa (对于汽油机)或者2MPa 时(对于柴油机),
活塞才开始通过连杆带动曲轴，结果70%以上的能量被白白
浪费了。为了消除这些损耗，就应该取消曲轴同活塞的刚性连接，并在活塞压力最大时以最大力臂直接作用于曲轴，这是办得到的。
2研制新型发动机的理论
正如以上所述，在扭矩产生阶段，活塞靠剩下的1.2MPa 的压力，产生一个瞬间的作用于曲轴肩的作功推力。而且众所周知，在1.2MPa 的压力中，只有一半作了有效功。
在所有带连杆-曲轴机构的活塞式发动机上，扭矩都是由活塞在每一个工作行程中通过连杆对连杆轴颈的瞬间推力产生的，而且持续时间不会超过活塞一个工作行程的0.3%。但是，在现代高速多缸发动机上，扭矩是不间断输出的，因为连杆轴颈每一次受到推力之后，发动机旋转部件就有了微惯性。随着曲轴转速不断增大，在推力间隔期间，微惯性作用更加明显，使得输出的扭矩很平稳。在转速很高的情况下，推力持续时间与微惯性作用力持续时间之比甚至可以达到1∶10。
如果采用推力来获得稳定的扭矩，那么就可以最大限度地缩短每次作功推力的持续时间，因此，也就可以在保持发动机功率不变的情况下，减少活塞行程及发动机排量，而且在保持发动机功率不变的情况下，缩短每一次作功推力的持续时间也就相当于降低了单位油耗。
对于传统汽油发动机，其扭矩M =0.6×106
×S ×L ；对于柴油发动机，其扭矩M =1×106
×S ×L ，其中L 的单位为m ,S 的单位为m 2，而0.6×106及1×106为活塞作有效功时常受到
的压力，单位为MPa 。根据第一个公式计算出来的发动机最大扭矩与发动机标定扭矩相差不会超过5
%。这两个公式不仅仅
□文/张少华
7
2005.3.
H EA V Y T RU C K 《重型汽车》Q i c h e j i s h u
新型发动机
降低单位油耗的途径
图结构有所改变的新型活塞式发动机
8《重型汽车》H EA V Y TRU C K 2005.3.
Q i c h e j i s h u
传统发动机
801.65040-91.211837258
新型活塞式发动机
400.850-404.5347014744
活塞行程排量活塞面积连杆轴颈偏心距凸轮轴偏心距压缩比
产生扭矩时活塞受到的压力最大扭矩功率单位油耗
mm L cm
2
mm mm
MPa Nm
kW/3000r/m in
g /kWh 参数值
参数
表新型活塞式发动机与传统发动机的对比
可以用于设计发动机，而且还可以用来评价、改进新研制的发动机，比如在必要时改变活塞受到的压力。
因为发动机扭矩是靠瞬间推力获得的，那么就可以再得出一个结论：为了提高发动机的效率，就必须使推力变大，推力持续时间变短。为此，就必须取消曲轴与活塞的刚性连接，并且在活塞受到压力最大时，保证活塞以最小的行程、最大的力臂产生瞬间推力。
3新研制的发动机
油耗低3.1新型活塞式发动机
满足以上条件的新型发动机已经问世，这就是俄罗斯专家研制的新型活塞式发动机(俄联邦专利号N o2187006)、新型转子发动机(俄联邦专利号N o2114312、N o2170835)。
与传统发动机相比，新型活塞式发动机的结构有所改动，俄联邦专家把活塞的往复运动转变为凸轮轴(见图中5，它同时也是输出轴)的旋转运动。凸轮轴在活塞产生的瞬间推力作用下运转，准确地说是靠
活塞杆(见图中3)把推力传递到凸轮轴动力凸轮(见图中7)的凸缘(见图中9)上。凸轮轴曲线与气缸轴线所在的平面有一定距离(见图中L ，它等于传统发动机中的连杆偏心距)。依赖每一次推力(间隔几千分之一秒)产生的微惯性使凸轮轴连续产生扭矩。
在动力凸轮的两侧都有一个功能凸轮(见图中6)，它们靠横杆来控制活塞向上止点移动。横杆上具有滑动片(见图中
10)及推杆(见图中4)。
在吸气行程和及作功行程中，与功能凸轮圆周经向相切的凸肩(见图中12)断开活塞与推杆之间的连接。活塞在吸气行程被弹簧拉回到下止点。在作功行程中，活塞杆借助于夹紧辊，推动凸轮轴动力凸轮的凸缘。
产生推力的活塞行程，可以由动力凸轮旋转50～60(它大致等于传统发动机旋转件角速度增大时的角度)活塞杆的进给
(作用于动力凸轮的力臂L 上)值算出。但从各方面考虑，新型
内燃机活塞的工作行程最好取相同缸径的传统内燃机活塞工作行程的一半。
由于活塞运动速度降低，不存在象传统发动机上由于连杆产生的侧向作用力。因此，新型内燃机活塞的工作条件得到显著改善。而且因为吸入腔的体积变小，活塞的充填指数大为提高。
如果根据上述公式计算新型活塞式发动机的扭矩，就可以知道这种新型发动机的效率是很高的，计算的结果见表。
因为在具体情况下，活塞受到的压力不同，导致每一次产生的推力也略有不同，因此这种新型活塞式发动机的实际效率有可能比计算值稍大或稍小。
计算表明，如果把任何一种传统活塞式发动机(活塞尺寸不变)改为这种新型活塞式发动机，就可以把它的功率提高
4倍，同时把其单位油耗降低到40～55g /kWh.
3.2新型转子发动机
与汪克尔转子发动机不同，这种新型转子发动机完全没有曲轴-连杆机构。计算显示，它的效率丝毫不逊于新型活塞
式发动机，因为它在空燃混合气燃烧之后获得的最大压力下直接产生瞬间推力。如果考虑到这种新型转子发动机的压缩比要比新型活塞式发动机高得多，那么作功燃气的压力就会更高。此外，在相同功率下，作功叶轮的面积只有活塞面积几分之一，因为在上述计算扭矩的公式中，一个乘法因子的减小，可以从另一个乘数因子即最大作功力L 获得补偿(由于这种新型转子发动机的结构特殊，它的最大作功力臂要比新型活塞式发动机的大数倍)。
由于这种新型转子发动机的结构简单、设计紧凑、成本低廉，金属耗量也明显比新型活塞式发动机少一些，因此可以把它用于制造价廉物美的普及型汽车。
汽车技术
发布评论