燃气预混型半循环活塞发动机设计

姜寅令，齐 绩

(1.东北石油大学电气信息工程学院，黑龙江 大庆 163318) (2.哈尔滨工程大学自动化学院，黑龙江 哈尔滨 150001)

压缩和膨胀没有分离是导致传统汽油发动机热效率比较低的主要原因[1-2]。绝大多数汽车发动机都是奥托循环(Otto cycle)发动机[3-5]，压缩比等于膨胀比，其弊端是活塞做功结束后气缸内仍有较高的压强，使得大量该用于做功的能量被浪费了。不仅如此，活塞排气时还要克服较高的压强做负功，这使得传统发动机的热效率较低。为了提高发动机热效率，膨胀比大于压缩比的发动机应运而生，例如，阿特金森(Atkinson)循环发动机[6-8]、米勒循环发动机[9-11](Miller Engine)和可变压缩比[12-13](variable compression ratio)发动机。发动机膨胀比大于压缩比，热效率有较明显提升，混合动力车型多采用阿特金森或米勒循环发动机。但活塞发动机难以实现较大幅度的热效率提升，这是因为膨胀比过大，将大幅增加活塞在各个冲程的行程，导致发动机转速降低，也增加了曲轴连杆的设计难度。

本文设计了一款燃气预混型半循环活塞发动机，在半循环活塞发动机外设置一个燃气预混缸，发动机的进气和压缩在燃气预混缸中完成，把压缩和膨胀彻底分离开来。燃气预混缸的吸气容积和燃烧室的容积比决定了压缩比ε，活塞的最大工作容积和燃烧室的容积比决定了膨胀比，较大的膨胀比使得燃气做功更加充分。

1 工作原理及设计说明

1.1 燃气预混型半循环活塞发动机结构简图

图1为燃气预混缸结构示意图，燃气预混缸由连杆、活塞、吸气门、进气门等部件组成。图2为燃气预混型半循环活塞发动机的剖视图(部分)，其由燃气预混缸和工作气缸组成。发动机的进气和压缩通过活塞的往复运动在燃气预混缸中完成，然后把压缩好的燃气压入燃烧室，燃气燃烧做功在气缸中进行，以这种方式实现吸气压缩与膨胀做功的分离。

图1 燃气预混缸结构示意图

图2 燃气预混型半循环活塞发动机剖视图(部分)

1.2 燃气预混型半循环活塞发动机工作原理

燃气预混缸工作原理如图3所示，与转动内轴相连的转轴齿轮带动燃气预混缸的曲轴转动，使燃气预混缸的活塞往复运动从而完成吸气和压缩过程。转轴齿轮与燃气预混缸的曲轴齿轮数目比为1∶1，转动内轴旋转一周，活塞往复运动一次。如图3(a)、(b)所示，传动系统带动燃气预混缸的活塞上移，此时燃气预混缸内气压小于大气压，燃气通过吸气门被吸入燃气预混缸；然后，如图3(c)所示，传动系统带动燃气预混缸活塞下移；接着，如图3(d)所示，当燃气预混缸活塞下移到底端时，进气门打开，燃气迅速进入燃烧室。可燃气体进入燃烧室后，进气门关闭，火花塞点火，可燃气体在燃烧室燃烧膨胀做功。

图3 燃气预混缸工作原理示意图

半循环活塞发动机的工作原理如图4所示。图4(a)中，气缸活塞到达上止点后，排气门关闭，燃气预混缸内的燃气被压入燃烧室；图4(b)中，火花塞点火，燃气燃烧膨胀，推动活塞向下做功，同时燃气预混缸吸气；图4(c)中，做功结束，排气门打开准备排气，同时燃气预混缸开始压缩混合燃气；图4(d)中，气缸活塞向上，燃烧室排气，燃气预混缸活塞压缩燃气。之后又从图4(a)开始进入下一个循环。发动机做功与燃气预混缸的吸气同时进行，发动机排气与燃气预混缸的压缩同时进行，省去了发动机气缸吸气、压缩的过程，传统发动机活塞在气缸中运行两周做功一次，半循环发动机活塞在气缸中运行一周就可做功一次。

图4 燃气预混型半循环活塞发动机工作原理示意图

2 发动机热效率计算

为验证所设计的燃气预混型发动机的热效率，以下进行相关的计算。发动机一个工作循环由4个冲程组成，分别是吸气冲程、压缩冲程、做功冲程和排气冲程。活塞往复运动时，外界大气压做功相互抵消，整个过程中只考虑气缸内气体吸热、做功等情况。发动机一个工作循环中，气体对外所做净功为W，气体燃烧释放的热量为Q。根据热力学规律来分析计算4个过程，得到发动机热效率η：

(1)

(2)

(3)

式中：V0为燃烧室容积；P0为一个大气压；V1为气缸吸气最大工作容积，V1/V0=ε，为压缩比；P1为吸气结束时气缸内压强；V2为气体压缩后的体积，V2=V0；P2为气体压缩后气缸内压强；P3为燃气燃烧后气缸内最高压强；V3为最高压强P3对应的气缸容积；V4为气缸最大工作容积；P4为做功结束时气缸内压强；V5为排气结束时气缸容积，V5=V0；P5为排气结束时气缸内压强；i为自由度。

对于传统活塞发动机，V4=V1,V4/V0=ε，即膨胀比等于压缩比；做功结束时，P4远远大于一个大气压；对于燃气预混型半循环活塞发动机，V4≫V1，V4/V0≥ε，即膨胀比远远大于压缩比；做功结束时，P4接近一个大气压。

4个循环过程中，包含有2个绝热过程，满足的绝热方程分别为：

(4)

(5)

3 发动机热效率

把不同压缩比、进气量、燃烧最高压强等代入式(1)～(3)，可分别求出传统活塞发动机的热效率η和燃气预混型半循环活塞发动机的热效率ηx，见表1～表3。

表1 P1=0.075 MPa、V3=2.0V0时两种发动机热效率对比值

表2 P1=0.082 5 MPa、V3=2.0V0时两种发动机热效率对比值

表3 P1=0.090 MPa、V3=2.0V0时两种发动机热效率对比值

结合表1～表3，分析气缸吸入的燃气量、压缩比和燃气燃烧后气缸最高压强3个因素对传统发动机和燃气预混型半循环活塞发动机热效率的影响，可以得出以下结论：

1)表1～表3中进气结束时气缸内压强P1是逐渐增加的，对比可以看出，气缸吸入的燃气量对两种发动机热效率的影响较小。

2)压缩比ε对传统活塞发动机热效率影响较大，随着压缩比的增加，传统活塞发动机热效率显著增加，但压缩比对燃气预混型半循环活塞发动机热效率影响较小。

3)燃气燃烧后气缸最高压强对燃气预混型半循环活塞发动机热效率的影响较大，随着最高压强的增加，半循环活塞发动机热效率会明显增加，但对传统活塞发动机热效率的影响较小。

4 结束语

本文设计的燃气预混型半循环发动机，采用压缩和膨胀分离的全新设计理念，使发动机拥有不同的压缩比和膨胀比，发动机的热效率得到了较大幅度的提高。本文的研究在理论上已经较为深入，对以后发动机样机的开发有一定的参考价值。