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1、(8)#/4(8)汽车发动机“做功冲程”力学分析汽车发动机是现代汽车工业的基础，是汽车的心脏。而现代汽车使用的发动机的主要品 种是四冲程发动机。典型 4冲程汽油机的工作循环如下图所示，分为4个步骤：母气冲程 开 关吸冲程压缩沖程排气口关进丸口开啸釉唏僭功冲程关驱动瑚图T四神程活塞发动机工惟原理点火吸气冲程、压缩冲程、做功冲程和排气冲程。 吸气冲程：打开吸气阀，把空气吸入发动机汽缸； 压缩冲程：关闭吸气阀，对空气进行压缩，最后，喷入雾化汽油； 做功冲程：利用火花塞高压放 电，点燃被压缩的空气和雾化 汽油的混合汽体，利用燃烧气 体的膨胀压力，推动汽缸运动， 带动曲轴旋转，输出动力； 排气冲程：打开
2、排气阀，把燃 烧膨胀后的废气，排出发动机 汽缸，准备下一个循环。 这4个步骤中，吸气、压缩和 排气冲程需要消耗动力，只有 做功冲程一个步骤是提供动 力的。为保证这个间歇式工作 循环能连续运行，常规发动机 利用多个汽缸轮流做工和曲轴及相关旋转部件的惯性，来保障发动机的平稳运行。 鉴于做功冲程是发动机产生动力的关键步骤，而现在的文献中，关于在这个冲程中，汽 缸活塞向曲轴传递的动力，在做功冲程中是如何变化的，尚未见分析。而分析这个变化, 会对发动机设计提供帮助，从而优化发动机设计及控制，提升发动机的动力输出，减少 污染物排放。因此，本文试从纯力学分析的角度入手，抛砖引玉对这一问题进行解剖，供大家参考
3、及 讨论。机构和受力分解汽缸与曲轴的结合是典型的曲柄连杆机构，基本 构成由沿Y轴直线运动的活塞 A,绕C点旋转运 动的曲柄及连杆三个部分组成。如图2。现在设定这个机构的参数如下：曲柄长度R,连杆长度L, L=3R;曲柄在做功冲程的旋转角度为，其在活塞上止点的角度为0度，旋转到下止点的角度为 180度， 即，在做功冲程中，曲柄从0度，旋转到180度； 按力的正交分解法，活塞 A承受的汽缸膨胀推力 Fd，可以分解为沿连杆的推力 Fi和与其垂直的外 向推力Fso而连杆受力Fi，在曲柄与连杆的连接 点B，同样可以分解为外拉曲柄的拉力Fr和与曲柄垂直的推动曲柄旋转的旋转力 Fo由于A限定在Y轴直线运动，
4、并且受连杆L和 曲柄R的连接限制，而B限定绕C点等半径R (曲轴臂)旋转，所以，上面这些力 都会随A的推动而变化。那么 Fd转变为旋转力Fc的转化率，就决定了汽缸膨胀做功在多大程度上转化为发动机的输出动力。象 力输出无效，还会增加机械摩擦和动力损耗。 由力的正交分解法，可得下面的公式：Fi = Fd*cos( a)Fc= Fi*cos( a2)即Fc= Fd*cos( al)*cos( 02)Fr和Fs这样的力，不仅对发动机动(1)(3)现在的问题关键是找出a 1和a 2与旋转角，也就是做功进程的关系。做功冲程中，活塞A从上止点被推到下止点，旋转角&从0度增加到180度。那么，Fc与Fd的相对
5、比例，就反映了发动机膨胀做功的力传递效率。从图2,BD=R*sin(03)O是的补角：a = 180 - s所以，有：BD= R*sin(180 - s )(6)从图3可见：si n(a1) = BD/L从反三角函数可得：0 = arcsi n(BD/L)把公式(6)带入此式，有：0 = arcs in (R*si n(180 - s )/L)(7)由(5)式可得出：#/4(8)卩=180 - a因为o(2 = 90 -卩所以，把(7)式带入后，有a2=90 -( 180 - arcsin(R*sin(180 - )/L)0(2= 90 + arcsin(R*sin(180 - )/L)这样，
6、a1和力就都可以用已知的参数，曲轴臂 R,连杆L,旋转角来计算了把a和a代入受力传递公式(3),就有：Fc= Fd*cos( a)*cos( aFc= Fd*cos(arcsi n(R*si n(180 - )/L)*cos( 90 + arcs in (R*si n(180 - )/L)(9)即受力传递比为：Fc/Fd= cos(arcsin(R*sin(180 - )/L)*cos( - 90 + arcsin(R*sin(180 - )/L)(10)这个公式既是当连杆长度L、曲轴半径R确定后，膨胀力Fd在不同的曲轴旋转角时，产生的曲轴旋转力 Fa下节我们来分析这个公式的结果做功冲程曲柄连
7、杆受力变化分析现在来看一下，按照我们导出的公式（10）,Fc/Fd 会随着曲轴旋转角发生怎样的变化。曲铀征力传逮比与角度的关系1 &-I0.B#/4(8)从图中曲线可见，曲柄承受到的 旋转力，随着旋转角度的增大而 从0开始增加，达到一个极大值 后，再降低到o。这个结果从我们日常生活中也 可以体验到。自行车的脚踏部分C10 N0 2D 4060 W 10012Q140150(曲轴St转角即180是近似这种曲柄结构的。我们的 腿就是连杆，而脚蹬部分就是曲 柄。大家都可以体会到，脚蹬在 最上面和最下面的时候，无论我们如何用力，都不能让脚蹬转起来。最给力的是脚 蹬在前面的时候。那么，这个变化规律有何作
8、用呢？从图可见，活塞的受力不是完全传递给曲柄的, 也不是全冲程一致传递的。 在活塞行程的初始阶段（ 150#/4(8)度）非常低，传递比Fc/Fd30%。这个阶段占旋转角度的约 30%。因此，在发动机设计时，最好通过技术手段，调整汽缸膨胀发力的时间段，使较大的燃烧膨胀发力时，旋转角在20到150这个范围，这在相同的燃料消耗情况下，会大幅提升发动机的动力性能。影响做功冲程的设计因素有：点火提前角、火花塞点火强度、汽缸压缩比、空然比 等等。点火提前角会影响燃烧膨胀发力的起始时刻，过早就会在上止点或未到上止 点点火，导致敲缸；过晚会燃烧不充分，导致动力不足。火花塞的点火强度不足， 会导致不能点火，点
9、火燃烧扩散慢，动力不足，碳氢化合物排放增加。这些设计因 素，通常发动机厂商的应对策略，是采用发动机控制用的脉谱图，即发动机系统电 控ECU的控制方案，但厂商通常是通过真实发动机台架测试取得脉谱图，它是各厂商的商业机密。这个方案并非最佳，通常要兼顾发动机生产成本、环保指标，燃油 经济性等技术要求。汽车售后的改装品市场通常可以针对汽车产品的一些不足，如：动力不足、环保不 达标等进行改造，通常也会促进汽车厂商的进步。现在市场上，发动机点火系统的 改装品牌，女口：美国MSD,日本OKD和国内“力爽”,都是在提高火花塞点火强度、 微调点火提前角和延长点火时间等方面做文章，并取得了一定的效果。其中，力爽
10、点火系列产品，提升动力效果明显，可能是力爽产品对点火强度的提高，加快了汽 缸内燃烧的扩散速度，使燃料燃烧膨胀发力的时间段，较多的分布在做功冲程的理 想阶段，即曲柄旋转角20到150度范围，因而使发动机出力增加，油门明显轻快。 经马力机测试，整车动力曲线显示，在发动机从怠速到高速6000转的范围内，都有扭矩输出增加，动力输出增大，甚至有些车型增加了20匹马力。引申讨论前面的讨论，没有考虑实际发动机的摩擦损失。这个只会影响具体数值，不会影响变化趋势。前面的讨论，几何分析中，旋转角 是在做功冲程的下半段，曲轴臂承 受的是拉力和旋转力。旋转角的上 半段，曲轴臂承受的是压力和旋转 力，从几何上看，图形有
11、所不同， 得出的传递比 Fc/Fd的计算公式有 所不同，但与（10）式是等效的， 即数值相同。因此，这里就不推导 了，不占用读者的宝贵时间。有兴 趣的读者可以自行推导验证。前面的推导，设定了连杆L=3R,实际上，这个比例会影响图4曲线的形状，如图5。L/R 增大，曲线峰值向右移，而且，传递比Fc/Fd的峰值会增大，理想传递比的范围也有少许加宽。但是，L/R的增加意味着发动机的高度要加高，增加发动机制造成本，占用更 多的汽车宝贵空间，会得不偿失。至于如何调整汽缸燃烧发力的时间段，涉及燃料燃烧扩散， 缸内混合气分布，混合气的流动状态，火花塞的火花强度，火花位置等等诸多因素，大家可以进一步讨论研究。#/4
