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内燃机的并联与复合（vbcbs）技术简介（本人原创，已被多家转载）1。并联与复合概念的引入传统内燃机是一闭口系统，其热效率主要受压缩比的影响；压缩比较高相应热效率较高。但压缩比受爆震的限制不可能无限提高。当压缩比过高时不仅不能提高热效率，由于爆震还会引起排放恶化，甚至发动机结构的破坏 。多方面的研究报告表明，爆燃的发生对一定的燃料与发动机的压缩比、缸内压力增长率、燃料的分布、燃烧室的形状有关。压缩比较高，爆燃几率较高；缸内压力增长率超过一定值时必然发生爆燃。现在设想在缸盖上设一高压燃气阀，当缸内压力增长率达到某一临界值时，高压燃气阀打开，控制缸内压力增长，达到控制爆震的目的。我们称为阀控预混合燃烧系统（Bypass Valve Control Burn System简称VCBBS或 VBCBS）。这一系统中，从高压燃气阀排出的燃气可驱动其他动力装置，就构成了一种复合发动机系统。由于该系统区别与传统复合发动机，存在一个主动力系统与副动力装置并行作功的过程（如图三）。所以称为并联复合系统(Bypass Compound Engine System简称BCES)。2。vbcbs的工程热力学原理阿托金逊循环日本丰田公司在混合动力汽车Prius中装用了前所未闻的称为阿托金逊循环的4冲程汽油发动机。阿托金逊循环是由英国的琼斯阿托金逊提倡的奥托循环的改进，压缩冲程与膨胀冲程是能够独立设定的高效率热循环。其基本的特点是压缩容积膨胀容积即压缩比膨胀比。在Prius混合动力汽车上应用的发动机说明书标称压缩比为13.5，实际上由于延迟进气阀关闭时间（可变调节最大下止点后120o）,在压缩行程初始吸如缸内的部分空气被挤回进气支管一侧，实际延迟了压缩冲程的开始时间，从而降低了压缩比；另一方面，排气阀在下止点后30o开启，所以膨胀冲程容积增大；形成膨胀比大于压缩比的高膨胀比循环。Prius混合动力汽车的汽油机装有VVT-I气阀正时系统。由于输出功率、扭矩较低，高负荷时以蓄电池供给能量，低负荷时采用燃油经济性良好的发动机驱动。1947年R.H.Miller在美国机械工程学会（ASME）发表的旨在实现内燃机的理想性能“压缩比膨胀比的工作循环。其主要特点是具有能够调整进气阀开启和关闭功能，从而实现上述功能的系统，为提高发动机输出功率和扭矩而采用了涡轮增压和中冷技术。这种改进的热循环就是米勒循环。米勒的发明直到1980年开始再次引起人们的重视，发表了许多研究论文，但均未能实用化。日本马自达公司为尤诺斯轿车开发的6发动机就是一款米勒循环发动机。该机为摆脱涡轮增压的“增压滞后”而采用了李肖姆螺旋式压缩机。vbcbs系统采用高压燃气并行作功的方法实现了作功膨胀比大于压缩比，具有方法简单可靠的特点。借鉴奥托循环可以和工程热力学原理可以推出.vbcbs的理想热效率可用式一表示：t=1-(1/k-1)/(-1)k-1式中=T3/T2为燃烧过程的升温比，= V4/ V1， =V2/V1为压缩比，k为工质的绝热系数。显然，阿托金逊循环的热效率高于奥托循环。采用混合加热模型也可得出相同的结论。vbcbs在实际应用中膨胀系数通常设计为定值，其理想热效率可用式二表示：t=1-(1-k-1)/(-1)k-1按照式二，当k-1时，系统热效率大于100%，似乎违背了热力学基本原理，其实际含义表示实际循环的作功行程后期，当k时，系统开始从环境如缸壁吸热，这个过程实际就是汽缸的冷却过程，相当于过膨胀制冷过程，可使发动机免去冷却设计，同时排气温度极低；因而vbcbs不仅具有较高的热效率，系统平均温度较低；且排气温度极低，对某些需要防热辐射（如防热寻的导弹）的车辆有特殊意义。3.vbcbs的燃烧学原理对内燃机尤其是点燃式预混合燃烧过程的排放生成机理，现在已有了比较清楚的认识，甚至可用计算机模拟预测主要污染物的生成及排放浓度。江苏大学的王谦等就以燃烧反应的化学动力学程序为基础，建立了发动机排放预测计算模型，并针对自由活塞式发动机的特点进行修正和实验验证。据王谦等人的报告介绍，Van Blarigan等人曾在一台快速压缩装置（RCEM）即自由活塞模拟机上用丙烷作燃料、压缩比为36：1、燃空比为0.337、初始温度和压力分别为54o和0.101MP(1atm)作试验。在快速压缩装置中，活塞到达上止点（TDC）的时间是16.3ms，对应于带曲轴的发动机转速是30.58Hz，Van Blarigan等人在快速压缩装置上对氮氧化物的实测值是1510-6,而在同样几何参数的带曲轴的发动机上的氮氧化物实测值是21510-6。两者之间存在很大的差距。造成这一差距的原因，Van Blarigan等人给出了合理的解释：自由活塞式发动机由于活塞加速度变化很大，导致一氧化氮排放远低于常规发动机。他们认为自由活塞式发动机一氧化氮浓度的减少主要是由于在燃烧高温时生成一氧化氮的时间太短。与上述自由活塞式发动机同一原理，VBCBS发动机采用高压燃气阀放出早期点燃顺序燃烧的已燃气，使之温度、压力迅速下降，阻断了氮氧化物的生成，使氮氧化物排放量很低。在发动机大型化设计发面，传统发动机由于爆震和氮氧化物排放的限制，限制了缸径的增大。Vbcbs使系统突破缸径限制，有利于大缸径低速设计，简化控制系统，节约材料，降低成本。4、vbcbs的相关技术4.1 VBCBS的制气结构与压缩比选择阀控点燃式燃烧系统预混合气的调制分为缸外制气和缸内制气两大类。所谓缸外制气包括现有技术中各种气体燃料的混合装置、汽油机的化油器、电磁化油器、进气口汽油喷射系统、柴油机的进气道加热汽化装置、柴油进气道超声波汽化混合装置等，构成阀控点燃式预混合燃烧系统。主要动能是调制出符合工况要求的匀质预混合气，或配合气流组织技术调制成分层混合气，是VBCBS预混合燃烧系统最重要的调节系统。所谓缸内制气主要是指应用缸内直喷、半直喷及相关的制气方法，可构成预混合燃烧或杂交燃烧系统。我们统称为阀控点燃式燃烧系统或阀控并联燃烧系统（VBCBS）。阀控点燃式燃烧系统的压缩比是其基本参数。在缸外制气的VBCBS汽油发动机上，可选择较普通发动机稍高的压缩比，而在缸内制气的VBCBS汽油发动机上，由于燃料扩散大量吸热，可选择更高的压缩比。在缸外制气的VBCBS柴油发动机上（如HCCI）,由于柴油的扩散、分解、氧化时间较长，可选择较低的压缩比。在缸内制气的VBCBS汽油发动机上，可选择稍高的压缩比。4.2阀控点燃式燃烧系统的点火方式与点火正时控制最常用的是电火花点火方式。由于柴油机预混合气的混合特点，普通电火花点火可靠性难以保证，为此可采用高能点火或电热塞辅助电火花点火，或其它辅助方法以提高点火可靠性。点火正时控制是阀控预混合燃烧发动机的一个重要调节手段，通常采用电子控制，并与高压燃气阀控制配合，保证系统正常工作，降低排放、提高热效率。4.3高压燃气阀的控制高压燃气阀控制是阀控预混合燃烧系统又一重要调节要素。分为定时控制和定压控制两种。所谓定时控制是在某一固定的曲轴转角如上止点、下止点打开或关闭高压燃气阀的控制方式。常用的方法有凸轮轴驱动的摇臂机构，定时控制VBCBS具有成本低、结构简单、控制要素少、易于实施的特点。所谓定压控制是在某一可能导致爆震的缸内压力临界值打开或关闭高压燃气阀的控制方式。可采用缸内气压驱动弹力限压阀的结构，也可采用电磁辅助气压驱动或电控液压辅助驱动弹力限压阀的结构，还可采用缸内压力感应电控液压驱动的控制方式。vbcbs的理想热效率可用式一表示：t=1-(1/k-1)/(-1)k-1式中=T3/T2为燃烧过程的升温比，= V4/ V1， =V2/V1为压缩比，k为工质的绝热系数。显然，阿托金逊循环的热效率高于奥托循环。采用混合加热模型也可得出相同的结论。vbcbs在实际应用中膨胀系数通常设计为定值，其理想热效率可用式二表示：t=1-(1-k-1)/(-1)k-1按照式二，当k-1时，系统热效率大于100%，似乎违背了热力学基本原理，其实际含义表示实际循环的作功行程后期，当k时，系统开始从环境如缸壁吸热，这个过程实际就是汽缸的冷却过程，相当于过膨胀制冷过程，可使发动机免去冷却设计，同时排气温度极低；因而vbcbs不仅具有较高的热效率，系统平均温度较低；且排气温度极低，对某些需要防热辐射（如防热寻的导弹）的车辆有特殊意义。内燃机的并联与复合系统是以阿托金逊循环和燃烧学为基础，综合运用现代电控和预混合燃烧技术的内燃机新技术。包括阀控点燃式预混合燃烧系统、并联复合系统，组成内燃机系统。主要特征以高压燃气阀把传统内燃机由一个闭口系统变成一 个半开口系统。其基本原理是适当提高内燃机的压缩比，在点火器（火花塞）附近 设高压燃气阀。中配合点火提前角的控制，当点火后随着活塞的上行和燃烧过程的 进行，缸内压力温度迅速上升，当可能引起未燃区混合气压缩自燃时高压燃气阀打开，释放部分已燃气，限制压力增长，防止爆震发生。发出的已燃气可用于驱动其 它动力装置如涡轮机，构成燃气同时驱动活塞和其它动力装置的并联动力系统 。 分析：1.高压缩比和趋于爆燃的临界燃烧，提高了远离点火中心的燃烧温度，有利 于降低HC/CO生成量，而提前排出汽缸的已燃气温度压力迅速降低，阻断了NOx的生 成，达到降低总的排放水平的目的。2.部分已燃气提前排出汽缸，使系统的作功膨 胀比大于压缩比，系统的热效率提高。3.在低负荷时，高压燃气阀不工作，系统相 当于一台常规发动机；高负荷时时，高压燃气阀开始工作，扩展了系统的功率范围 ，提高了系统的工况适应性。4.由于膨胀比大于压缩比，排气温度较低，系统循环温度降低，有利于采用绝热技术，进一步提高系统的热效率。应用系统：1