曲轴偏置式发动机力学分析研究

田丰果 睢 娟

[摘 要]在曲柄、连杆、缸径等重要参数不变的情况下,仅改变其曲轴中心的位置,能提高发动机的动力性和经济性,国外有该种发动机应用报道,国内也有专利,但对其动力性、经济性提高的原因及理论依据国内外都未见分析报道。本文应用运动学、动力学、热力学和发动机理论等相关知识,对曲轴偏移式发动机的动力性、经济性及可靠性方面进行理论分析,结论是偏置式发动机比中心式发动机的动力性及经济性都得到提升;同时也带来一些负面影响,经过工艺改进可以克服。

[关键词]曲轴偏移式中心式力学分析

[中图分类号]TP311[文献标识码]A[文章编号]1007-9416(2009)11-0095-03

MECHANICAL ANALYSIS OF THE OFFSET CRANSHAFT ENGINE

TIAN Fengguo SUI Juan

(College of Mechanical Engineering Guizhou UniversityGuiyang550003 )

[Abstract] This paper is about offset crankshaft engine, which is based on former reciprocating engine, only to revolve the crank center centre position to the left with the crank, connecting rod, cylinder bore and other important parameters of the same situation.In abroad, engeers have that kind engine to apply news reports , There are also patents in the homeland, but all do not have theoretical analysis Theoretically analyze its power, economy and reliability with kinematics, dynamics and other related knowledge, and eventually come to the conclusion that the power of the bias type engine may be enhanced compared to that of the central type engine; thus it increases the engine power and economy. At the same time ,there isa little negative effect,but it would be overcomed by improving technological level.

[Key word]offset crankshaftthe central type engineMechanical analysis

前言

曲柄偏置式发动机是在中心式发动机的基础上,将曲柄中心左偏一定距离,而其他参数不变。以往发动机采取活塞销偏置,目的是解决敲缸问题,改善发动机工作的平顺性。宝马公司V10、本田飞度i-DSIM、丰田1SZ-FE和日产LIVINA骊威等款发动机采用了偏置式曲轴设计,提高低转速的扭力和高转速的功率。国内相关有裘澄立专利(ZL01256936.4)、李德平等专利(89205287)、杨入山专利(89205287)等曲轴偏置往复活塞式内燃机报道。但对其动力性、经济性提高的原因及理论依据国内外都未见分析报道。

本文以462Q发动机为基础,曲轴偏移25mm,应用发动机原理、运动学、动力学及热力学等相关理论,对曲轴偏移带来的发动机动力性、经济性及可靠性等方面得到改善的原因进行分析。

1 运动与动力分析

1.1 活塞行程

偏置式发动机比中心式发动机活塞行程增大了2.86%(见图1)。

1.2 活塞速度

曲轴偏置式发动机活塞上行平均速度较中心式快6.45%,下行平均速度慢6.45%(见图2)。

1.3 作用力

1.3.1 切向力

在进气和压缩行程,切向力相差不大;做功行程,燃烧结束做功开始,达到峰值,偏置式发动机的切向力较中心式发动机的切向力大5.17%;排气行程,在强制排气阶段,切向力达到负向峰值,偏置式发动机绝对值大于中心式发动机,自由排气阶段,偏置式发动机小于中心式发动机(见图3)。

1.3.2 侧向力

进气行程,开始偏置式发动机侧压力大于中心式发动机,随着缸内压力增大,偏置式发动机侧压力减小并一直小于中心式发动机;压缩行程,偏置式发动机侧压力一直小于中心式发动机,到压缩终了二者相等;做功行程偏置式发动机与中心式发动机同时达到峰值但符号相反,分别为950N和-1200N;排气行程,在自由排气阶段,偏置式发动机远小于中心式发动机,强制排气阶段偏置式发动机侧压力大于中心式发动机。

2 理论分析

2.1 活塞行程

活塞行程增大2.86%,导致气缸排量增加2.81%、压缩比提高2.49%,使压缩终了温度、压强更高,循环热效率和平均压力得到提高;做功行程时间延长,有利于燃料的充分燃烧,在同样的燃烧条件下可以获得更多的有用功。活塞行程增大,还可以恢复在高原使用的内燃机的功率,改善因为进气密度下降燃烧恶化情况下的动力性能和经济性能。活塞行程、压缩比增大虽然也可在中心式的基础上用加长气缸行程的方式获得,但带来了增加制造成本和发动机布置的困难。

2.2 活塞上行过程

活塞上行过程速度较中心式快,压缩行程,切向力相差不大,耗功基本不变。活塞运动速度越快泄露越少,热损失和可燃气体损失降低,有利于提高最高温度、最高压力和循环的热效率。

排气行程,活塞速度较快,通过增大排气提前角,使得排气速度增加且不超过能产生涡流时的速度,在排气门截面不变的情况下,超临界排气时期有利于废气的排除;自由排气阶段,偏置式发动机切向力小于中心式发动机,耗功少;强制排气阶段,切向力达到负向峰值,偏置式发动机绝对值大于中心式发动机,但是,偏置式发动机排气行程开始的时候曲轴早已转过中心式发动机下止点的位置,此时缸内气压虽然较大气压高,就活塞做功而言,作用不大,大部分废气在此压力的作用下可迅速自缸内排出,还可防止发动机过热,从而导致功率损失不大。

2.3 活塞下行过程

偏置式活塞下行过程速度较中心式慢,带来以下一些好处。

2.3.1 燃烧效率提高

在做功过程开始的一定时间内,同样曲轴转角的情况下,偏置式发动机活塞位移较小,燃烧室容积改变相对较小,如燃烧速度不变(燃烧速度应该有所增加,因为缸内压力、温度有所增加),则偏移式与中心式比较,气缸内燃烧更接近等容燃烧,而在内燃机三种理论燃烧形式中,等容燃烧热效率最高,故偏置式发动机的循环热效率高于中心式发动机。

2.3.2 平均有效压力提高

做功行程,偏置式发动机的切向力大于中心式发动机的切向力,燃烧结束做功开始,达到峰值,加之活塞运动速度减慢,使活塞下压力作用在曲轴上的时间更大更长,平均有效压力得到提高,而且,切向力的大小与连杆和曲柄所成夹角的正弦成正比,曲柄偏置式发动机下行速度变慢,连杆和曲柄的夹角在以为中心的某一区间内的时间更长,扭矩得到更好的释放,使发动机扭矩和功率都有所提高。

2.3.3 充气效率提高

活塞下行速度降低,在同等发动机转速和相同活塞行程下,进气时间增加,适当调整配气相位,能使充其量得到提高,在残余废气相等的情况下,充气效率有所提高。

2.4 侧压力方面

侧压力是偏置式发动机最大的负面影响。因为连杆摆角始终为负,侧压力始终存在,且大部分时间集中作用在一个方向。考虑到无论正负均对缸壁造成摩擦且与压力绝对值成正比,分析时取绝对值。

进气行程,开始偏置式发动机侧压力大于中心式发动机,随着缸内压力增大,二者相差不大,摩擦耗功亦没有太大的差别。

压缩行程,偏置式发动机侧压力一直大于中心式发动机,到压缩终了二者相等,偏置式发动机功耗较中心式发动机大。

做功行程,偏置式发动机与中心式发动机同时达到峰值且数值相差不大,总的来说,偏置式发动机比中心式发动机摩擦耗功小,缸壁磨损分布相对较为均衡,但偏置式发动机侧压力曲线变化较为突然,造成对缸壁瞬间冲击加剧,正压力较大,磨损严重,必须在现有基础上,针对磨损加剧处增强缸壁硬化处理,才能保证发动机的工作可靠性。但是通过改变片质量的大小可以使这一现象明显地得到改善。

排气行程,偏置式发动机侧压力大于中心式发动机,偏置式发动机排气过程耗功略大于中心式发动机。

从循环全过程来看,偏置式发动机摩擦耗功小于中心式发动机。

3 结语

与中心式发动机相比,偏置式发动机运动特征为:活塞行程增加、上行速度加快、下行速度降低;力的特征为:切向力和侧压力都加大;发动机理论特征表现为:压缩比、充气效率、燃气作用时间都有所提高。以上特征从理论上看,对提高发动机的动力性和经济性都有好处;所带来的负面影响,虽不容忽视,但经过工艺改善,以及试验调整,也应该可以克服;曲轴偏移式发动机在动力性和经济性的提升上,仍然有较大的空间,应加强对曲轴偏置式发动机的理论和实验研究。

[参考文献]

[1] 裘澄立.“曲轴偏移式发动机”专利证书.[P].贵阳.2002.

QIU Chengli.The patent certificate of “offset crankshaft engine ".[P].Guiyang,2002

[2] 董敬,庄志,常思勤.汽车拖拉机发动机.[M].北京:机械工业出版社2000 DONG Jing,ZHUANG Zhi,CHANG Siqin. Automobile&tractor;s engine.[M].Beijing:China Machine Press,2000.

[3] 王敏智,周恒昌.微型汽车构造与维修.[M].北京:人民交通出版社,1993.

WANG Minzhi,ZHOU Hengchang. The baby car structure and maintained.[M].Beijing:The peoples Jiaotong Press,1993.

[4] 陆际清,孟嗣宗.汽车发动机设计.[M].北京:清华大学出版社,1990.

LU Jiqing,MENG Cizong.The engine designs of automobile[M].Beijing:Tsinghua University Press,1993.

[5] 周龙保.内燃机学.[M].北京:机械工业出版社.1999.

ZHOU Longbao.Study of internal-combustion engine. [M].Beijing:China Machine Press,1999

[6] 陈家瑞.汽车构造.[M].北京:机械工业出版社.2005.

[7] CHEN Jiarui. Automobile structure. [M].Beijing:China Machine Press,2005.