排氣凸輪提高內燃機有效熱效率研究

李波波+黎耕+范毅+李建良

【摘 要】針對內燃機排氣溫度高、妨礙熱效率提高的問題，以及齒輪傳動往返活塞內燃機的活塞行程任意設計、齒輪傳動機械效率高、進氣無閥門的特點，用電子計算機進行運動學配氣仿真分析和排氣凸輪動力模型的模擬、處理，可使齒輪傳動往返活塞內燃機排氣溫度比曲柄內燃機低一半，提高內燃機的有效熱效率，在技術上支持齒輪傳動往返活塞內燃機的實施。

【關鍵詞】排氣凸輪 熱效率 排氣溫度 內冷 齒輪傳動往返活塞內燃機

【中圖分類號】G 【文獻標識碼】A

【文章編號】0450-9889（2016）09C-0189-02

由此可見，降低廢氣溫度能在很大程度上提高內燃機有效熱效率。曲柄機的活塞行程有限，排氣時的曲柄連桿機械效率很低，難以解決降低排氣溫度的問題。但是，齒傳機的活塞行程可任意設計，一對齒輪傳動，包括軸承損失，機械效率約為0.92-0.985，燃氣驅動活塞的齒輪傳動機械效率始終高于70%，有條件把尾氣的推力高效地轉化為機軸扭矩，提高功率，降低廢氣溫度，提高熱機有效熱效率。

一、模型建立

（一）往復活塞轉動內燃機的機構選型

為了得到往復活塞轉矩直接轉化為機軸定向轉矩的效果，選二缸二沖程的齒輪傳動往返活塞動力機做模型。以不完全齒輪與齒輪組合為傳動機構。圖1為齒輪傳動與活塞、氣缸做功配合示意圖。圖2為圖1A-A剖面的齒輪配置示意圖。在圖中，z2、z3的模數、齒數、轉速和轉矩相同，1—— 不完全齒輪z1，2—— 不完全齒輪z2（粗實線），3—— 齒輪z3（細實線），4—— 氣缸，5—— 氣門塞，6—— 排氣凸輪，7—— 噴油器，8—— 活塞，9—— 活塞桿，同時表示活塞轉動半徑R，10—— 機軸，P1—— 壓縮空氣z1 扭力，P2—— 燃氣z1 扭力。P3—— 機軸z2扭力，r—— 活塞半徑，二倍粗實線箭頭表示z2轉動方向扭力，粗實線箭頭表示壓縮空氣的z1扭力，特大箭頭表示燃氣的z1扭力，虛線箭頭表示氣體流動方向。

（二）模型尺寸選擇

以圖1、圖2的二缸二沖程齒傳機結構進行運動學配氣仿真的尺寸選擇如下：

首先擬定氣缸4的直徑為D，氣缸長度L=3.1D；活塞8完成一個往返行程工作循環，凸輪6轉動度數為360°；活塞壓縮空氣的行程為0.75D；燃氣推動活塞做功的行程為3D。

調整活塞轉動半徑R，使活塞離開氣缸底的最遠距離s=4.5D。則活塞完成一個往返的總行程S=9D，做功行程sG=3D，sG/S=3D/9D=1/3。

確定凸輪6近停角的度數β：活塞一個往返行程，凸輪轉動360°。近停角是氣門關閉的凸輪轉動角度，為活塞壓縮行程0.75D和做功行程3D的凸輪轉動角之和。所以，凸輪的近停角β=360°×（0.75D+3D）/9D=150°，凸輪的輪凸角α=推程角+遠停角+回程角=360°-150°=210°。

二、模型運動仿真分析

進行運動學配氣仿真分析：

凸輪轉動一周的活塞行程順序為：（壓縮行程0.75D→做功行程3D）150°→（氣缸內排氣行程0.1D→氣缸外排氣行程1.4D→氣缸外排氣回程1.4D→氣缸內排氣回程2.25D）210°。所以，氣缸壁接觸壓縮空氣高溫的行程比例約為0.3D/9D=0.03，接觸燃氣高溫的行程比例為3D/9D=0.33，接觸壓縮空氣和燃氣高溫的行程比例約為0.03+0.33=0.36，接觸冷空氣的行程比例約為2/3，氣缸內壁冷卻的時間約是受熱時間的一倍，齒傳機的氣缸有足夠時間的內風冷，氣缸壁的溫度不至于很高，起到內風冷的效果，可以省略氣缸冷卻裝置。

另外，一組齒傳機有兩個活塞交替做功，一個活塞完成一個往返行程工作循環，排氣凸輪轉動360°，兩個活塞各做功一次，氣缸內壓力p和凸輪轉角β的關系如圖2的二缸二沖程齒傳機p-β圖。圖中，粗實線A為氣缸A的p-β圖，雙點劃線B為氣缸B的p-β圖，虛線a、b為另一組氣缸a、b的p-β圖。示功圖如圖3的P-V圖。兩個活塞做功之間僅有（9D-2×3D）÷2=1.5D的行程沒有氣缸做功。

從圖2可以看出，兩組二缸二沖程齒傳機四個氣缸由同軸凸輪控制，90°交替做功，在一個工作循環中，氣缸A、a的做功壓力圖線在A的做功行程重疊，氣缸B、b的做功壓力圖線在A的換氣行程重疊。說明兩組二缸二沖程齒傳機的四個氣缸配合，能夠使內燃機的氣缸做功不間斷。

指示功是活塞完成一個工作循環所得到的有用功。指示功的大小由p-V圖中閉合曲線的面積表示。從圖3可以看出，用兩組二缸二沖程齒傳機四個氣缸配合可以連續輸出有用功。

壓縮沖程為0.75D，做功沖程為 3D，假如由被壓縮0.75D的空氣在做功沖程中膨脹3D，則3D/0.75D=4，空氣膨脹到原來的4倍才排出氣缸。按照曲柄機的活塞到達排氣止點時，未排凈的廢氣溫度仍有700K～900K估計，齒傳機活塞做功行程到達0.75D時，燃油溫度約為700K-900K，根據絕熱方程Vγ-1T=常量，參考干燥大氣γ=1.405，齒傳機排氣門排出的廢氣溫度約可降低一半，即廢氣溫度可降低到200℃以下。因此，大大提高了齒傳機的有效熱效率，同時減少熱機的熱污染和噪聲污染。

三、結論

利用齒傳機的活塞行程任意設計，齒輪傳動機械效率高、無0點，無進氣閥門的特點，以電子計算機對其活塞轉動半徑、氣缸長度、凸輪近停角等進行研究，擬定：氣缸的直徑為D，氣缸長度L=3.1D；活塞完成一個工作循環的凸輪轉動度數為360°；空氣壓縮行程為0.75D；燃氣推動活塞做功的行程為3D；調整活塞轉動半徑R，使活塞離開氣缸底的最遠距離s=4.5D；凸輪近停角β=150°，凸輪輪凸角α=210°，進行排氣凸輪動力模型的模擬和運動學配氣仿真分析，齒傳機廢氣溫度約比曲柄機降低一半，能提高內燃機的有效熱效率，降低熱污染和噪聲污染，在技術上支持齒傳機的實施。

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[5]李波波，黎耕.往復力矩轉化為單向力矩的齒輪機構研究[J].機械傳動，2015（10）

【基金項目】2013年廣西教育廳科學技術研究項目研究成果（20130333A）

【作者簡介】李波波（1970— ），女，廣西玉林人，研究生，南寧學院副教授；黎 耕（1943— ），男，廣西南寧人，南寧市能量環保研究室高級工程師。

（責編 黎 原）