二冲程压缩空气混合引擎简介
《混合动力发动机》以柴油机为主体结构,将空气动力的构成原理,移植于往复活塞的压缩行程,使空气被压缩后的膨胀力与燃烧动力相融合;它将气缸分为作功缸和泵气缸,两种气缸呈一对一相互隔离布置;泵气缸将过滤后的空气进行第一次压缩,经过蓄压和稳压装置,喷入作功缸,在作功前完成二次压缩;空气动力系统的强制喷射进气方法,解决了内燃机有史以来进气量不足的难题,满足了透彻燃烧,并获得了空气动力,还可采用不间断废气再循环;它可依靠调节喷气数量,初步控制压缩比,进而对输出动力有一定的调控能力,增加发动机的储备功率,使其与车型的匹配范围更宽.压缩空气在转化成膨胀力,替代部分燃料的同时,还能降低燃爆噪声;进气密度与充气效率提高、气缸与活塞环完全密封和二冲程压燃等综合功能,使发动机的传统燃烧方式得以根本改变,新的燃烧方式,对解决氧化氮与微粒生成矛盾和积炭等诸多难题,均有良好的预期.
空气动力有巨大的发展潜力,而与内燃机这一成熟动力的组合,将达到最佳的优势互补.它能避免压缩空气加气站和加气设施的投入,依靠自身的泵气系统,将无处不在的空气,作为取之不尽、源源不断地补充能源,解决了纯空气动力的频繁加气以及续驶里程不足等问题.两种动力的组合,具有推广普及迅速和成本最低等特点,它不存在难以预料的不确定性.内燃机产业的崛起与延深,也非常符合"可持续发展"的主题目标.它所具有的高度成熟优势,是少投入或不投入,无弯路更无损失的最佳方案.把压缩空气动力引入传统内燃机,或许是早日实现纯空气动力的阶梯和最佳路径.在活塞式内燃机的压缩行程中,具备了将空气转换成能量的条件.只是自然吸气的局限,一直未能满足对进气数量的需求.尽管各种增压技术、多气门技术和诸多可变技术都有不错的效果,却均不能摆脱活塞泵吸能力的限制,也难以应对高温气缸的蒸发效应.导致这些工序繁杂和成本过高的技术,不能发挥更理想的作用.空气动力的出现,必将为内燃机发展带来新的跨越.
汽车发动机运行时的工况变化,是由司机脚下的"油门"来控制,基本上是依靠单一燃料数量的增加或减少,来满足发动机转速与负荷的变化,空气则是固定数值,不能与之同步变化.即使是采用了电控燃油喷射系统,仍延续了这一模式,无法使空气数量像燃料那样随机变化.正是燃料数量的单独增加和空气数量的相对固定,形成了不完全燃烧,造成大量浪费,致使这部分被浪费的燃料转化成有毒有害气体,污染了环境,燃烧效率和热效率始终没有较大幅度的提高.空气混合动力,将改变这一现状.它通过对稳压装置内气体压力的调节,使空气数量能随发动机工况的变化而变化,缩小燃料数量的变化幅度,达到替代和节省部分燃料之目的.有数据表明：涡轮增压同比非增压发动机节油10%左右.据此预测,高压喷射的超增压能力和空气压缩膨胀能力,可节省燃料近两成.随着技术的进步和对空气量的更多控制,压缩空气的替代能力也会随之提高.加大空气数量的变化范围,缩小燃料数量的增减幅度,是内燃机尚待发掘的薄弱环节,这一薄弱环节,蕴藏着很大的节油潜力.把燃料数量相对固定下来,而让空气数量"变化"起来,是节油的关键之处,也是空气动力与传统动力的结合点.与燃油电子控制技术相比,实现空气数量的电子控制,有着更为重要的节能减排意义.
柴油机比汽油机节油20%至30%,这是业内共知的数值.选择柴油机作为空气动力的主体结构,不仅是因为它更节油,它还具有对多种燃料的适应能力和更高的动力性能.将柴油机和汽油机各自的优势和显著功能集聚到一种机型上,是未来趋势.空气动力的出现和参与,必将使这种趋势变为现实.新型混合动力能根据所用燃料的不同,通过调节进气数量，配给不同的压缩比,以满足各种燃料所需要的最佳压缩比,并依靠压缩比的提高和控制幅度,来弥补各种燃料之间所存在的能量密度和热值上的差异,以降低对动力性能的影响.通过调节进气数量来控制压缩比的方法,简便实用,效果明显.与国外的“可变压缩比”技术相比,“可控压缩比”有结构和成本等明显优势.加大进气量,提高压缩比,不仅是开发传统内燃机更多潜力的根本,也是空气动力逐渐替代更多燃料的前提.柴油机的低油耗能力,集中体现在较长的压缩行程、单独进气和单独压缩,以及因此而得到的高压缩比上.这些特点和它的低转速特性,恰好成为空气动力充分施展的条件.它的低转速很容易将排气和进气两个行程合并,在活塞运行到下止点前后的170至240度之间完成排气和进气.使作功活塞的每次上止点均可压燃作功,从而使二冲程作功方式与四冲程润滑方式达到完美组合.
依靠对喷气数量的调节,实现对压缩比的控制,无论对传统内燃机还是空气动力来讲,都是非同小可的进步.压缩比不仅决定着输出功率,也决定着稀燃能力,燃料的混合速度和燃烧效率等诸多数值,均与压缩比有密切关系.尤其是稀燃能力,直接取决于压缩比,压缩比提高了,稀燃能力也随之提高.在业内有一认识上的误区：认为是实现稀燃后可使压缩比再提高.这是一种颠倒.稀燃与压缩比并非是"互为"关系.完全是压缩比决定了空燃比.在传统的压缩比条件下,由于气缸压力和温度不足,时常出现因混合气过稀而不能点燃的现象,造成此现象的根本原因就是压缩比不足.只有大进气量下的高压缩比,才能将缸内被压缩空气的压力和温度进一步提高,使其完全满足燃料着火燃烧的条件,燃烧环境因高温高压而得到改善,这就保障了燃料在数量极少条件下的稳定燃烧,稀燃范围得到前所未有的拓宽.靠大进气量和高压缩比所达到的超稀燃能力,可将空燃比提高至70:1或更高.前不久,是本田公司将空燃比提高到65:1.
作功缸与泵气缸的间隔设置,使发动机增添了隔热散热功能,提高了降温能力.当燃烧气体完成膨胀功能之后,缸内的高温气体对现代活塞内燃机来讲,就变得毫无用途,应立即清除以使其迅速降温.否则,会直接影响下一燃烧循环,对发动机及整体性能有百害而无一利.传统四冲程是依靠活塞的排气行程,将高温废气推出缸外,延长了高温废气在缸内的滞留时间,因此它的降温能力很低,致使燃烧效率和升功率等难以有效提高.提前排气和高压喷射进气,将排气和进气两个冲程抵消,使高温废气的滞留时间缩短了半数以上,较早中断了废热的传导,特别是新鲜而充足的空气对高温废气的快速置换,获得了无以伦比的降温效果.空气混合动力所具有的这些特殊而优越性能,非常值得期待.温度控制能力增强,还能提高发动机对气候变暖的适应能力,也为采用空气冷却,实现"轻量化"目标,奠定了基础条件.
喷气量增加使气缸内含氧量增多,而具备了较高的节油能力之后,进入缸内的燃料数量就减少了很多,这种气多油少的有利条件,为综合技术中的不间断废气再循环方案提供了用武之地.传统的废气再循环,由于进气量较少,含氧量不足和燃油数量较多等因素制约,只限于在中等负荷时才能使用.进气量、含氧量增加和压缩比提高后,保障了缸内随时备有充裕的氧气、较高的压力和温度,因而能在所有运行工况下,始终采用废气再循环.这种不间断再循环方法,有效解决了因压缩比再提高造成的燃烧温度升高以及氧化氮增多的后顾之忧.特别是二冲程燃烧具有先天的低氧化氮优势.有数据表明：二冲程的氮氧化物排放比四冲程低50%以上.不间断废气再循环、二冲程压燃作功与"三集中"燃烧方式之间绝佳的珠联璧合,将使空气动力发动机的氮氧化物排放达到最低,国内外现有技术难以相比.
另有试验数据记载：仅"三集中"燃烧方式,就降低燃料着壁所避免的淬熄层这一功能,可节省15%的燃料.
压缩空气的喷射进气技术,排除了活塞泵吸能力的限制,克服了高温气缸的蒸发效应,并形成独立的强制供气系统.它可将进气和增压一并同时完成,把有较高压力的空气,在进气门开启瞬间,及时喷注于作功缸内,使内燃机在任何转速时均可获得充足的进气量,满足了燃料的充分燃烧需要,也使压缩空气的膨胀能量,转化成一定的输出动力.这种高效供气系统,省掉了涡轮增压和繁杂的多气门及各种“可变”技术,使内燃机恢复到原来的双气门状态,免去了现有多种技术在材料、制造和使用上的过多成本,也减少了动力消耗,二次压缩负功的“投入”,所得到的“产出”即剩余功率高达三成以上.如此低的成本和油耗,即使是功率没有增加,也极具投资价值和竞争优势.
活塞环与气缸的完全密封,是空气动力的顺利施展和燃用气体燃料的根本保障.活塞气环的合并技术,从1987年开始使用,至今已经21年之久.它除了密封增功、杜绝漏气窜油、避免气缸椭圆形和其它不规则磨损之外,还有一种奇特功能：将发动机运行初期或磨合后所得到的最低油耗、最低排放和最高功率等最佳数值锁定,在发动机的整个寿命期内,此几种最佳数值可长期保持不变.这是令业界极为瞠目的功能.仅活塞气环合并一个单项就可节油8－10%,发动机的使用寿命,因此延长一倍左右.如果没有经过长期的使用和试验,如果不是亲身经历,如此出乎意料的功能和数据,让我这个技术发明者也难以置信!
由于空气混合动力所需燃料数量大幅度减少,避免了燃料过多时所形成的过于剧烈的燃烧,加之压缩空气膨胀时所独有的安静与柔和特点,使发动机运转平稳性增强,因而能明显降低发动机在燃用柴油时的燃爆噪声,也将使整车运行时的振动噪声降低.
空气动力还有很多特点,由于能力所限,难以完整表述,敬请谅解!
2005年10月(初稿)
河北省张家口市宣化区建国街地质四队： 王金忠
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2008年3月
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