提高热效率、降低噪声的小型发动机



提高热效率、降低噪声的小型发动机

研究了一种廉价、轻量级且噪声相对低的发动机，可以使小型发动机提高50%热效率，这是通过避免空气接触室壁和活塞表面，减少空气喷射流，使气体在燃烧室中心燃烧实现的。可以在不同空燃比的情况下维持高压缩比，而传统的均匀压缩发动机由于活塞运动的原因，不能在不同的空燃比条件下获得较高的压力比。发动机更高的压缩比可以减少燃烧过程中产生的噪声。

对一个具有射流碰撞脉冲和强烈不对称双活塞系统的小型原型发动机利用计算机模拟进行试验研究，可以通过一个约40mm的双活塞系统产生一个短行程脉冲。在一定的负荷下通过发动机转速计算表明，热效率有可能超过60%，因为燃烧室和活塞表面有非常少的热损失。研究了喷射口数量和射流直径大小比例的设计准则。

吸气式内燃机距今已有100多年的历史，其活塞、涡轮和随机存储器（RAM）冲压急停系统在燃料供应中浪费了一半的能量。尤其是小型发动机（如汽车和摩托车，通常低于在低负荷条件下，热效率小于20%）。

提高发动机热效率和燃烧功率的重点在于提高气缸的气体压缩比。发动机气缸壁的热损失，在传统发动机中占总能量的30%。如果压缩比超过20∶1，气缸壁没有热损失，热效率将超过60%。

压缩比不能超过20∶1，因为如此高的压缩比会导致敲缸，由此引起的噪声会损坏发动机。传统的发动机，如往复运动、脉冲爆震和RAM急停系统不可能在高压缩的情况下保证低噪声。

彻底消除传递给气缸壁热量的目标尚未实现，即使在这方面已经做了广泛的研究。基于流体力学结合化学反应动力学，进行了超级计算机模拟和理论研究，阐明了传统发动机对气缸壁热损失并没有减少的原因。这是因为燃烧引起的膨胀流将燃烧气体带向墙壁，而湍流扩散的影响是比较小的。

Ken Naitoh et al. SAE 2014-32-0100.

编译：祁祥