改善柴油機壓縮比的新結構方法

【印度】　S.Mandagaddi

改善柴油機壓縮比的新結構方法

【印度】S.Mandagaddi

摘要：在柴油機系統中，壓縮比是對柴油機性能起重要作用的關鍵參數之一。吸入氣缸的空氣及其在壓縮沖程得到進一步壓縮的容積取決于活塞在氣缸內從上止點運動至下止點的掃氣容積。在不改變氣缸或活塞尺寸，以及不改變上止點位置的情況下，通過增大掃氣容積來提高壓縮比是非常有效的。為提高壓縮比，提出了基于可變長度連桿法和可移動曲柄銷法的2種方案，簡單介紹了這兩種方案中的壓縮比變化范圍。

關鍵詞：壓縮比連桿曲柄銷

0前言

柴油機通過柴油在高溫高壓下的燃燒進行工作。與汽油機不同，柴油機因其燃油價格低廉而被廣泛用于各種用途。由于壓縮和溫度是柴油機有效運行的非常關鍵的參數，因此，人們正在這方面進行大量的研究和開發。

研究者們已研究了大量能實現可變壓縮比的不同方案。例如添加輔助燃燒室、氣缸蓋移動、曲軸軸線移動、改變活塞頂高度、可變長度連桿等。盡管有關這方面的研究已有不少文獻作了報道，但在本文中探討了一些其他結構方法。在討論這些新提出的方法之前，首先介紹了發動機工作的基本原理。

1柴油機工作原理

四沖程柴油機由進氣、壓縮、作功和排氣4個行程組成。

在進氣行程中，活塞從上止點向下止點運動，過濾后的空氣進入氣缸。然后，活塞從下止點起始位置向上止點返回運動時對進入氣缸的空氣進行壓縮，該行程被稱為壓縮行程。在該行程中，氣缸內的空氣被加熱到一定的溫度，該溫度通常高于在上止點附近的噴入氣缸的燃油的自燃溫度。當燃油燃燒時，釋放出的熱能使上止點附近的溫度和壓力得以提升。升高的壓力施加在活塞頂面上，并將活塞推向下止點。由于該行程是通過氣缸內大氣高壓膨脹產生的作用力，迫使活塞向下止點運動，因而該行程被稱為作功行程或膨脹行程。最后是排氣行程，在該行程中，燃燒副產品排入排氣系統中，進而進入大氣。圖1所示為柴油機的“心臟”部件。

圖1　柴油機的基本組件

1.1壓縮比的影響

氣缸的總容積被分成2部分，分別是余隙容積Vc和掃氣容積Vs。余隙容積是指活塞處于上止點位置時氣缸蓋底面與活塞頂面之間的間隙。對于氣缸和活塞尺寸給定的每臺發動機，這個間隙是固定的。活塞從上止點運動至下止點時掃過的氣缸容積被稱為掃氣容積。如式(1)所示，幾何壓縮比或容積壓縮比通常定義為氣缸總容積(最大容積)與氣缸最小容積之比。

(1)

式(1)中的最大容積是進氣行程終了時的氣缸容積，最小容積是壓縮行程終了時的氣缸容積。按照掃氣容積(Vs)和余隙容積(Vc)計算壓縮比的關系式(2)如下

(2)

理論熱效率(η)由以下的公式(3)給出

η=1-Cr1-γ

(3)

式中，γ是工作流體的比熱比。式(3)是卡諾效率的替代形式。圖2表明，較高的壓縮比能提高理論熱效率，進而有助于節省燃油和減少污染物排放等。

圖2　理論效率與壓縮比的關系

1.2行程長度

行程長度由曲軸的曲柄半徑決定，它是活塞在上止點和下止點之間的運行距離。活塞銷距曲軸中心的位置取決于連桿長度和曲柄半徑。圖3所示為曲柄旋轉過程中活塞銷的典型位置。

圖3　行程長度示意圖

其中

(4)

式中：l為連桿長度；r為曲柄半徑；x為活塞銷距曲軸中心的位置；A為距上止點的曲軸轉角。

在上止點位置時，A=0°，在下止點位置時，A=180°。因此，在上止點時，x1=(1+r)，在下止點時，x2=(l-r)。所以，行程長度s可由如下公式(5)求得

s=(x1-x2)=2r

(5)

因此，距上止點的行程長度是曲柄半徑的2倍。壓縮比取決于余隙容積和掃氣容積。

2改善壓縮比的方法

研究人員對實現可變壓縮比(VCR)的幾種方法及其對各相關參數的影響，以及這些方法的優點和限制條件等進行了討論。但是，本文所提方法的主要目標是要在保持余隙容積不變的情況下通過改變掃氣容積來實現較高的壓縮比。由于余隙容積在燃燒過程中起著非常重要的作用，因而對于給定尺寸的氣缸和活塞該間隙是固定的。所以，該間隙不應改變(即不應增大或減小)，因為該間隙改變會導致燃油出現異常燃燒。

為了在不影響余隙容積的情況下，提高現有氣缸尺寸的壓縮比，必須采用1種僅只改變下止點位置進而增加掃氣容積的機理。由式(5)可以看出，通過動態改變連桿長度或曲柄半徑可以改變掃氣容積，且不會影響上止點位置。本文闡述了針對這些機理的結構方法。

通過增大進氣行程的掃氣容積可以使現有的氣缸尺寸達到較高的壓縮比。用于連接活塞和曲軸總成的連桿長度應該動態可變。當活塞從上止點向下止點運動時(即在進氣和作功行程)，連桿長度變短，這會導致下止點位置移動，使掃氣容積增大，因而在相同氣缸尺寸下會吸入更多空氣，這就能使壓縮比升高。反之，當活塞從下止點向上止點運動時(即在壓縮和排氣行程)，連桿長度變長至其原始長度，這樣上止點位置就能保持不變。這可以通過在曲軸旋轉時同步增加/縮短連桿長度來實現。

在進氣和作功行程中，活塞是從上止點向下止點運動(即曲軸從0°CA旋轉至180°CA)，此時，隨著曲軸從0°CA旋轉至180°CA，活塞的連桿長度逐漸縮短，當曲軸處于180°CA位置時，連桿就能達到最短的可能長度。由于這種布置，掃氣容積得以增大。或者，可以在曲軸旋轉過程中使曲柄銷位置逐步向外推移，使之在曲軸處于180°CA位置時達到外側極限位置來實現相同的效果。

與之類似，在壓縮和排氣行程中，活塞是從下止點向上止點運動(即曲軸從180°CA旋轉至360°CA)，此時，隨著曲軸從180°CA旋轉至360°CA活塞的連桿長度逐漸回復變長，當曲軸處于360°CA位置時，連桿長度就會恢復至原始長度(即最長的可能長度)。這樣，特定氣缸的余隙容積就不會發生任何變化。或者可以采用前述類似的方式，將曲柄銷位置逐步移至內側極限位置，進而減小曲柄半徑來實現相同的效果。這兩種結構稱之為可移動曲柄銷和可變長度連桿。下文將具體闡述。

2.1可移動曲柄銷法

在該結構中，曲柄銷的徑向位置是變化的。標準連桿配裝在曲柄銷上。曲柄銷能克服曲軸中心與曲柄銷之間的連接彈簧力沿徑向從最小位置運動至最大位置。圓盤處于其某個偏心位置與連桿剛性連接。曲軸中心安裝滾珠軸承，圓盤緊靠該滾珠軸承，具體結構見圖4。

圖4　可移動曲柄銷及配裝圓盤組件的連桿

當曲柄旋轉時，圓盤圓周上的不同點都會與滾珠軸承保持接觸。這就能使曲柄銷在曲柄盤徑向槽內的最小和最大位置之間來回滑動，這樣曲柄銷與曲軸中心之間就能產生1個可變曲柄半徑，從而實現了可移動曲柄銷結構。圖5所示為這種結構的示意圖。

圖5　可移動曲柄銷結構

行程長度由如下公式給定：

S=(L+R)-(L-R′)

(6)

S=R+R′

(7)

其中，L為連桿長度；R為上止點位置時的曲柄半徑；R′為下止點位置時的曲柄半徑。

如果R′>R，那么(R+R′)表示連桿長度會比采用固定曲柄半徑“R”的標準連桿長度有所增加。

整個部件可以按以下這樣的方式來設計： 行程長度增加只會使下止點位置移動，而上止點位置保持不變。

2.2帶專用凸輪的可移動曲柄銷法

實現可移動曲柄銷的替代方法是采用專用凸輪。在該結構中，凸輪盤是1個固定在專用凸輪軸上的圓盤，該凸輪軸與曲軸軸線共軸。但是，凸輪盤轉速是曲柄盤轉速的2倍。凸輪盤始終緊靠著曲柄銷。凸輪盤偏心地固定在該凸輪軸上，這樣當活塞位于上止點位置時，曲柄銷距旋轉軸中心的距離最短。當曲柄旋轉時，凸輪圓盤圓周上的不同點都會與曲柄銷接觸。該總成的具體結構見圖6所示。當活塞到達下止點位置時，由于凸輪的轉速是曲柄轉速的2倍，曲柄銷將被推至其最大半徑位置。這樣，曲柄銷就能克服彈簧力在曲柄盤徑向凹槽內的最小和最大半徑位置之間來回滑動，從而使曲柄銷與曲軸中心之間產生可變的曲柄半徑。圖7所示為這種結構的示意圖。為實現平滑移動，可以將相關滾珠或圓柱軸承安裝在曲柄銷上。

圖6　曲柄盤總成上的可移動曲柄銷

可以用這樣的方式來設計整個總成： 行程長度增加只會使下止點位置移動，而上止點位置保持不變。

圖7　可移動曲柄銷結構用專用凸輪

2.3可變長度連桿

在該結構中，將采用可伸縮連接的氣缸筒取代標準連桿。盡管如此，連桿與曲柄銷和活塞的末端連接將與標準連桿的連接方式相似。外氣缸與活塞連接，內氣缸與曲柄銷連接。外側氣缸能克服彈簧力從內側氣缸的方向外移動。具體結構見圖8所示。

圓盤以偏心位置與曲柄銷剛性連接。該圓盤緊靠在安裝在外側氣缸上的滾珠軸承上。當曲柄旋轉時，該圓盤圓周上的不同點都會與外側氣缸上的滾珠軸承接觸，因此，使氣缸能在最小和最大位置之間移動，可伸縮連接的氣缸總成的長度就會發生變化，從而實現了可變長度連桿結構。圖9為該結構的示意圖。

圖8　可伸縮連桿與偏心盤總成

圖9　可伸縮連桿結構

行程長度可由如下公式給出：

S=(L+C+a+R)-(L+b-R)

=(L+C+a+R-L+R-(C-a))

=L+C+a+R-L+R-C+a

=2a+2R

(5)式中：L為外側氣缸長度；C為圓盤半徑；R為曲柄半徑；C=a+b，a為圓盤中心與曲柄銷位置的距離。

行程長度增加量為2a，而采用標準連桿長度時的行程長度為2R。

采用這樣的方式可以設計可伸縮總成和圓盤，行程長度增加只會移動下止點位置，而上止點位置保持不變。

2.4實現范圍可變壓縮比的方法

圖10　可變長度連桿和可移動曲柄銷結構的錐形盤法

盡管較高的壓縮比比較有利，但是根據各種運轉工況調節壓縮比會更加有利。這可以通過改變圓盤(圓周)的接觸面和采用1個控制執行器機構圓盤來使它與適當嚙合，這樣就能在不干擾上止點位置的條件下只改變下止點位置。圖10和圖11為幾種不同結構的示意圖。

圖11　可變長度連桿和可移動曲柄銷結構的分割盤法

2.4.1可移動曲柄銷方案

由于偏心盤距曲柄銷較遠的部分控制著最大半徑R′，因此只需改變該部分的圓周輪廓(如錐形輪廓)。在這種情況下，控制執行器必須在與偏心盤垂直的方向上拉動或推動偏心盤(如換檔結構)。

改變R′的1種替代方法是使用分割盤結構，在這種結構中，偏心盤的較遠部分可以克服彈簧力沿徑向朝曲軸軸線進/出移動。必須在活塞處于下止點位置時由控制執行器實施這種移動。上述方法適用于“帶專用凸輪的可移動曲柄銷”和“帶有改形連桿的可移動曲柄銷”。

2.4.2可變長度連桿方案

由于偏心盤距曲柄銷較近的部分通過縮短可伸縮連桿總成的長度可以控制下止點的移動，因而只需要改變該部分的圓周輪廓(如錐形輪廓)。在這種情況下，控制執行器必須在與偏心盤垂直的方向拉動或推動偏心盤(如換檔結構)。

可變壓縮比的1種替代方法是使用分割盤結構，偏心盤的較近部分可以克服彈簧力沿徑向朝曲軸軸線進/出移動。必須在活塞處于下止點位置時由控制執行器實施這種移動。但要將這些理念轉化成實際的工作結構還需要進行詳細的研究。

2.5相對比較

將所有3種結構與基準結構“可移動曲柄銷(不帶專用凸輪)”進行了各個方面的比較。具體內容見表1。根據相對比較可以得出，“可移動曲柄銷(不帶專用凸輪)”優于其他2種結構。

2.6優點

活塞在作功行程中向下止點運動的距離更長(行程長度增加)，在氣缸尺寸相同的情況下，能使發動機所作的功或輸出功率增大。在不改變余隙容積的條件下可實現可變壓縮比。

3總結

本文提出了2種在不影響上止點位置的條件下實現較高壓縮比的新型結構方法，即“可移動曲柄銷”和“可變長度連桿”。此外，概述了采用上述2種新方法實現可變壓縮比的可行性。在這3種結構中，“可移動曲柄銷(不帶專用凸輪)”優于其他2種結構。對于這些結構的工作機械設計、技術復雜度和成本-收益分析，還需要進行進一步的研究。

表1　各種結構方法的相對比較

孫丹紅譯自SAE PAPER2015-26-0025

朱炳全校

虞展編輯

(收稿時間：2015-10-12)