双缸一室型可变压缩比发动机的研究.pdf

第3 1 卷第5 期 2 0 1 4 年1 0 月 内燃机与动力装置I C E P o w e r p la n t V 0 1 3 1N o 5 0 c t 2 0 1 4 设计开发 双缸一室型可变压缩比发动机的研究 张佰力1 孙常林2 张玉川3 赵生彦4 1 山东省交通运输厅 山东济南2 5 0 0 0 2 2 山东大学机械工程学院 山东济南2 5 0 0 6 1 3 塔斯马尼亚大学科学与技术工程学院 霍巴特7 0 0 5 4 济南先机科技有限公司 山东济南2 5 0 1 0 2 摘要 一种由两气缸组成的可变压缩比发动机 其特点是两气缸的曲柄机构反向转动 且 共用同一燃烧室 理论分析了该可变压缩比发动机的燃烧室容积和气缸排量的变化规律 研 制了原理样机 试验结果表明 该发动机的压缩比实现了在较大范围内的连续可变 且压缩比 调节机构运行平稳可靠 关键词 汽油机 可变压缩比 理论计算 试验 中图分类号 T K 4 1 2 2 文献标志码 A 文章编号 1 6 7 3 6 3 9 7 2 0 1 4 0 5 0 0 0 7 0 4 T h eS t u d yo nV C RE n g in ew it hT w oC y lin d e r sa n d O n eC o m b u s t io nC h a m b e r Z H A N GB a i li 1 S U NC h a n g lin 2 Z H A N GY u c h u a n 3 Z H A OS h e n g y a n 4 1 S h a n d o n gP r o v in c eD e p a r t m e n to fT r a n s p o r t a t io n J in a n2 5 0 0 0 2 C h in a 2 S c h o o lo fM e c h a n ic a l E n g in e e r in g S h a n d o n gU n iv e r s it y J in a n2 5 0 0 61 C h in a 3 S c h o o lo fE n g in e e r in g I C T U n iv e r s it yo fT a s m a n ia H o b a a7 0 0 5 A u s t r a lia 4 J ih a nX ia n j iT e c h n o lo g yC o L t d J in a n2 5 0 1 0 2 C h in a A b s t r a c t T h isp a p e rp r e s e n t sat y p eo fV C Re n g in ew it ht w oc y lin d e r s T h em a inf e a t u r eo ft h e t w oc y lin d e re n 舀n eist h a tt w oc r a n km e c h a n is m sr o t a t einr e v e r s ea n ds h a r eo n ec o m b u s t io nc h a m b e r T h isp a p e ra ls oa n a ly z e st h e o r e t ic a llyt h ec h a n g er u leo ft h ec o m b u s t io nc h a m b e rv o lu m ea n d t h ec y lin d e rd is p la c e m e n to ft h eV C R e n g in ea n dd e v e lo p st h ep r in c ip lep r o t o t y p e E x p e r im e n t Mt e s t r e s u lt ss h o wt h a tt h ec o m p r e s s io nr a t ioo ft h ise n g in ec a nb ec o n t in u o u s lyv a r yw it h inaw id er a n g e T h ec o m p r e s s io nr a t ioa d j u s t in gm e c h a n is mo p e r a t e ss m o o t h lya n ds t e a d ily K e yW o r d s G a s o lin eE n g in e V a r ia b leC o m p r e s s io nR a t io T h e o r e t icC a lc u la t io n E x p e r im e n t 引言 随着世界能源危机和环境污染严重 各国的排 放法规日益严格 对发动机的性能提出了更高的要 求 为了适应这些新要求 同时使发动机拥有更好的 动力性 达到节能减排目标 可变压缩比技术越来越 受到人们的重视 压缩比过低是汽油机油耗高于柴油机的主要原 因之一 为提高汽油机效率而又不造成机械摩擦功 明显增加 应使汽油机的压缩比 1 2 1 5 在此方 面主要受到汽油机爆燃的限制 但仍具有很大的改 善潜力 而柴油机中过大的压缩比使柴油机气缸压 力过高 导致振动噪声加剧 运动部件所承受的冲击 负荷增大 从而影响柴油机的工作可靠性和使用寿 命 因此 随着负荷的变化连续调节压缩比 可以最 大限度地挖掘发动机的潜力 使其在整个工况区域 内提高有效热效率 进而提高发动机的综合性能 目前可变压缩比的技术方案有很多种 虽然此 作者简介 张佰力 1 9 6 1 一 男 山东济南人 工学学士 高级工程师 主要研究方向为内燃机节能 收稿日期 2 0 1 4 0 7 0 3 内燃机与动力装置 2 0 1 4 年1 0 月 技术对发动机的动力性 燃油经济性和排放性都有 显著的提高 但大多数方案都存在机械结构比较复 杂 可变压缩比控制困难 动平衡变动大等问题 这 些不足降低了可变压缩比技术的竞争力 使得其在 商品化方面的进展受到限制 1基本结构及工作原理 针对当前可变压缩比技术所存在的不足 本文 设计了一种双缸型可变压缩比发动机 图1 为其结 构简图 该发动机设计为二冲程工作模式 一侧的 气缸仅设进气门称为进气缸A 另一侧气缸仅设排 气门称为排气缸B 进气缸A 和排气缸B 共用同一 个燃烧室 支撑轮2 的左右两侧分别与消侧压滑块 啮合 2J 消侧压滑块在滑轨4 内运动 使进气缸A 和排气缸B 缸产生的侧压力相互抵消 图1 中 活塞1 驱动消测压滑块3 向下运动 并 通过连杆5 将动力输送到曲柄6 上 由于活塞与直 杆连接 因此活塞在运动时其力的传递方向为垂直 方向 不会在水平方向产生分力 本设计不仅可以 基本消除活塞对缸壁的侧压力 由于进气缸A 和 排气缸B 的曲柄反向转动 所以比较容易解决了发 动机的往复惯性力的动平衡问题 从而减少了发动 机的运行噪音 提高其使用寿命 1 活塞 2 支撑轮 3 消测压滑块 4 滑轨 5 连杆 6 曲 柄 图1 运动机构简图 图2 所示可变相位机构简图 可变相位齿轮组 置于曲柄轴端侧面 两根曲柄轴5 由一种平行轴可 变相位传动机构通过齿轮耦联 使它们具有相同的 转速 1 介齿轮 2 连接 槽 板 3 曲臂 4 曲柄轴齿轮 5 曲柄轴 图2 可变相位机构简图 通过调节可变相位齿轮组曲臂3 的角度 可以控 制两根曲轴之间的转动相位差 实现两个曲轴之间相 对相位的连续可变 从而导致两活塞运动到上 下止 点的相对位置产生变化 引起压缩比的连续变化旧j 图3 示出气缸工作容积随曲轴转角的变化规律 图3 气缸工作容积变化规律 此外 从图3 还可以看出 压缩比可变时进 排 气相位也随之发生变化 当发动机大功率工作时压 缩比降低 排气活塞提前打开排气口 进气活塞延时 打开扫气口 有利于二冲程发动机扫气 提高功率输 出 由于进 排气定时的改变 造成了有效压缩比更 大程度的变化 2 可变压缩比的理论计算 为了定量说明双缸一室可变压缩比发动机的压 缩比变化特性 对其压缩比可变的特性进行了理论 计算 设发动机机型的基本参数分别为 缸径 5 7 m m 冲程4 8 8 r a m 连杆长度1 0 6 4 m m 单缸活塞 排量为0 1 2 5 L 最大理论压缩比为1 9 通过理论计算得到的排气缸比进气缸的提前角 在0 5 0 0 C A 之间变化时 燃烧室容积圪 气缸工作 容积K 以及压缩比占随排气缸提前角的变化规律 参见图4 图5 和图6 从图4 图5 和图6 中可 2 0 1 4 年第5 期张佰力 等 双缸一室型可变压缩比发动机的研究 9 以看出 a 燃烧室容积K 随排气缸 副缸 提前角的增 大而增大 且变化率呈增大趋势 b 气缸工作容积K 随副缸提前角的增大而减 小 且变化率呈增大趋势 c 压缩比s 随副缸提前角的增大而减小 当提 前角在0 0 5 0 0 C A 范围内变化时 压缩比s 可在9 1 9 之间变化 变化范围宽广 副缸的提前角 图4 燃烧室容积的变化 副缸的提前角 图5汽油机排量的变化趋势 3 样机的研制及试验 作为一种新结构的发动机设计 制作原理样机 主要是验证工作模式是否可靠 能否达到设计的可 变压缩比范围 考虑到研发周期和研发成本的投 人 因此设计选材考虑优先采用已有发动机的零部 件 对样机的功率等性能指标未做要求 图7 示出发 动机装配图 如图8 所示为二冲程试验样机图 其中研制发 动机的有关技术性能参数为 活塞直径4 7 m m 两缸 副缸的提前角 图6 压缩比的变化规律 1 缸盖 2 缸体 3 活塞 4 齿轮箱板 5 曲臂 可变相位 齿轮组 6 变压缩比螺丝 7 曲柄 组合 8 风机带轮 9 机体 1 0 嗌轴箱板 i葶I7发 巩饥 技眦H 图8二冲程可变压缩比样机照片 内燃机与动力装置2 0 1 4 年1 0 月 中心距6 7 r a m 曲柄销旋转直径4 1 4 m m 连杆长 9 4 r a m 两曲柄轴中心距1 0 8 4 r a m 实际行程 4 2 5 m m 燃烧室容积1 1 1 7 c m 3 最大理论压缩比 1 4 2 压缩比调整螺丝工作距离1 2 r a m 两曲轴相位 差调整范围0 5 8 0 试验时 通过调节压缩比调整机构 测得发动机 缸内最大压力值 由热力学基本理论 P P o 占 1 式 1 中 P 为最大缸内压力 P 为压缩开始时刻的 缸内压力 7 为空气的多变指数 一般取1 3 5 可以 得到 本试验机构的压缩比可以在7 6 1 4 2 之间 连续可变 试验验证样机能够实现可变压缩比的功 能 同时也证明了可变压缩比的齿轮调节机构运行 平稳可靠 达到了使用要求 4结论 1 本设计中双曲柄对称布置的结构配合支撑 轮的作用 使得活塞侧压力完全消除 对降低发动机 的摩擦功 提高机械效率非常有利 2 理论分析表明该可变压缩比发动机随两缸 曲柄相位角差值的增大 燃烧室容积逐渐增大 气缸 排量有所降低 压缩比的可变范围比较宽广 3 试验研究进一步表明 通过调整发动机可 变相位齿轮组的曲臂角度 可实现压缩比的连续可 变 可变压缩比齿轮调节机构运行平稳可靠 达到了 使用要求 参考文献 1 孙常林 谢宗法 朱琰 可变压缩比发动机技术现状的分 析与研究 J 内燃机与动力装置 2 0 1 2 3 5 1 5 4 2 张佰力 一种双缸无侧压发动机 中国 2 0 0 8 1 0 1 3 9 4 9 4 6 P 2 0 0 8 一0 9 2 6 3 张佰力 一种平行轴可变相位传动机构 中国 2 0 0 8 2 0 1 7 2 0 5 4 6 f P 2 0 0 8 0 9 2 6 上接第3 页 而下降 分布在内圈的3 支P t l0 0 所处的区域 因 靠近锥盖上的3 个旋流一次进气孔 故所受到的冷 却作用较外圈强而温度较低 外圈3 支P t l0 0 所在区域 则因离锥盖旋流进 气孔远一点 故温度要高一些 外3 的位置因在 锥盖的油孔1 和油孑L2 之间 该处吸油锥衬上的燃 油远浓于其它区域 故温度较高 图6 锥盖内表面温度 需要说明的是 在各种方案的试验过程中 其锥 盖内表面温度仅偶有个别测点 个别时候超过 3 0 0 C 大多情况下是在9 0 C 至2 0 0 C 之间 看来完 全可以将锥盖现在所用的耐高温合金材料更换为普 通材料 从而降低生产成本 3 结论 1 燃烧室的中心轴线区域燃烧温度最高 而 又尤以二级燃烧室的中前部为最高 2 高温燃气自燃