4、为什么必须放弃曲轴箱泵气和汽缸扫气功能?
5、LZF扫气方案
6、介绍LZF于1999年制作并成功运转的验证机
7、提高二冲程柴油机性能方案分析
8、基于二冲程柴油机而发展的辅助系统
9、批判伪“先进”
10、二冲程机燃油效率能达多高?
11、细析发动机内耗
12、二冲程机和四冲程机与汽车匹配对比
13、柴油机定义
14、从节油驾驶方式分析汽车传动
15、节油汽车应当如何变速和传动
16、颠覆汽车传动传统设计
17、总结
1、二冲程发动机
以上介绍二冲程发动机构造、优点、缺陷仅针对其表面浅层常识性认知,本文适合人群是具备相当发动机知识和经验、并富含创新思想和勇气的读者,笔者认定二冲程发动机是轿车柴油化并走向节油之路的首选,它经过深入研究加以系列改进后具备四冲程发动机无可比拟优点,笔者手头有基本完整的方案策略,编写本文旨在引起读者兴趣,推动轿车柴油化节油之路的进程,因此本文以后将常识性范畴缩略。
二冲程发动机存在扫气短路,若二冲程发动机用于柴油机,扫气短路就不会对其造成负面影响,但现实二冲程柴油机几乎闻所未闻(坦克或舰船除外),这里有二冲程发动机构造缺陷的深层次原因,就是扫气口造成活塞环快速磨损,这种磨损是致命的,众所周知柴油机压缩比大于汽油机压缩比,密封性能稍有差池,就会启动困难,扫气口造成活塞环快速磨损使二冲程发动机密封性能不佳,是限制其向柴油机方向发展的直接原因,下面分析这种磨损的发生过程和危害程度。
汽缸扫气构造是二冲程本质缺陷的根源,泄漏是固有弊病无法改善,众所周知柴油机稍有泄漏就会引起启动困难甚至无法启动,泄漏是限制其在柴油机方面应用的直接原因。
四冲程机能实现精密润滑和洁净燃烧,并广泛应用于柴油机,毫无疑问,经改进后的二冲程机也必须丝毫不差地能实现这些目标,这意味着经改进的二冲程机必须将曲轴箱改为如四冲程机一样,放弃原有扫气泵功能(扫气泵不是重点、在后面其它章节介绍)。经改进后的二冲程机,曲轴箱有润滑油飞溅润滑,活塞油括(油环)经过扫气口时,油括油槽中的润滑油将从扫气口“逃油”溢出,上面已提过扫气口“热力效应”和“弹跳”“磨环”作用,“逃油”和“磨环”是汽缸扫气不可逆转的根源性问题,不放弃等于没有出路。毫无疑问缸顶扫气方案也被无数二冲程机研究者考虑过,甚至制作了样机,无疑最后均归于失败。必须指出,这里所说的失败并不是说机器不能运转,机器肯定能够运转,但未达到设想中的容积功率,甚至不及四冲程机。为什么会出现这种情况?这主要在于研究者们没有充分考虑气动原理,沿用四冲程机的配气方案,使扫气过程存在大量盲区和短路(图:4),结果导致换气效率不高,所以失败是必然的。不难想象,高效的二冲程机方案,必须让进气首先直冲活塞顶、从活塞顶部开始填充(图:5)积累,逐渐把废气挤向排气门,从而达成高效率换气目标。
笔者作为LZF助手于1999年由于工作上的原因,对二冲程机做了比较深入细致的研究,亲手制作验证机并做了大量运行试验,限于当时的仅相当于“业余”的条件,所得数据比较有限。实验用的验证机由一台江门柴油机厂生产的F170四冲程风冷柴油机改装,功率、转速、油耗等试验籍由发电机、电度表,电炉和电压计,频率计和量杯等组合完成,过程因简就陋,但是即使因简就陋的制作和测试,也证明了初部改装是十分成功的。与四冲程机相比,运转品质和洁净燃烧方面不必解释,读者能从其原理推测结果;容积功率(扭力增加)达到原机1.5倍(图:6方式);重载油耗量有所减少但不太明显,轻载油耗量减少十分明显;展现了二冲程机比社会上正在运行的四冲程机更具优越性。
可以猜想其他二冲程机研究者也走过这样的路,可以想象他们也很接近了成功,就算他们完全沿用四冲程机的气门构造,只要改变气门启闭和喷油配置,无疑机器能正常运行,只是机器的容积功率达不到期望值,甚至还远不及普通四冲程机。上面说过,LZF改进二冲程发动机建立于探寻节油目的,继验证机“惊人”地成功后,实验当然不会嘎然停止,现实中二冲程机已被四冲程机挤向绝境,改进后的二冲程机除性能外还必须具备低成本、简单、高可靠等优势,实验还必须为二冲程机广泛应用于社会铺平道路。二冲程机不管它是单缸的或多缸的、小排量或大排量的都需要至少配备一个独立专门的压缩机—扫气泵,尽管扫气泵只需要产生略大于一个大气压的压缩空气,消耗不多,并且这个压缩机在多缸中、大排量机里不会显得累赘,但它仍然在二冲程机高功率密度、高运转平顺度、高燃油效率,高装机适应度和低结构复杂度中显得麻烦,尽管现成的成熟的机械增压系统能彻底解决问题,但是一根传动皮带就让扫气泵布局位置没有太多的选择余地,因此对这个扫气泵也做了简单的研究。
从热功原理看,柴油机热效率比汽油机高主要在于点火压力与排气压力之差较大,即一高一低:高压缩比和低排气压力,增压型排气背压远高于自然吸气型,显然背离高效理论,单从发动机对燃油热能利用率考虑,增压型当然不及自然吸气型。但事实恰好相反,增压型总体热效率还稍高于自然吸气型,出现悖论原因在于未将发动机内耗因素考虑在内。相同功率情况下增压型发动机只需要较小的排气量,较小的排气量意味着内耗较少,内耗减少弥补排气损失还有剩余,所以综合热效率反而更高。有经验的货车司机驾车载重货下坡时必挂低档位,让发动机把车速拖慢,减轻刹车负担。可见连货车司机也认识到发动机内耗的存在并很好地加以利用,说明货车司机基本掌握发动机内耗与其工况的关系,并基本准确推断出内耗量的大小。发动机内耗存在确凿有据,并且其量相当可观,至于究竟有多大?笔者未做过这方面的测试无法给出准确数据,据具备机械知识并富有驾驶经验的司机推测:发动机内耗主要表现在发动机的扭转阻力,约为发动机输出扭矩的1/3-1/4,并且扭转阻力与发动机转速成正比。
车市现实很好地反映汽车工业技术难题,“开瑞优优”为国内“首辆”搭载柴油动力微型车,可是只有3个汽缸,华泰汽车说了10多年的“系列柴油”化,结果怎样大家有目共睹。不管怎么说怎么吹,排除其商业动机以外,不难发现他们造的性能勉强的柴油机无法装进这个狭窄的发动机仓。可是“优优”的确尽可能多地搭载了让柴油机能驱动轿车的当今最先进的技术,涡轮增压器能让1升柴油机拥有足够驱动车子的动力,还有高压共轨喷油器的预喷功能改善了柴油机运转品质,但高压共轨(后面再作具体分析)喷油器也不是只好不坏,它不容得任何哪怕是两个分子叠在一起的杂质,设计师当然毫不犹豫装上一大串燃油过滤器,这样势必阻碍燃油通过性,设计师当然可以预见“豪车爱熄火”。再说这个涡轮增压也不是什么新玩艺,它在二战时就已装置于飞机上,但最近十多年才装上汽车,个中原因不需要笔者费心,读者早已在其它文献中了解。但“可变截面”设计之大胆的确令人惊叹,几块铁片在500多度高温里摆动也够让人揪心,其中包含的技术凤险说明四冲程机技术已达尽头再无潜力可挖,性能稍为提高也非常困难,设计师不得不考虑在性能与可靠性之间作适度折衷。
以一辆轮距为1470mm、两厢、自重1000kg的标准普通家用轿车为例,若配置1.5增压电喷4缸四冲程柴油机则属于标准置备,性能一般,无法再减。而此类产品目前国内车企仍无法向市场提供,只能以1.2L—1.6L汽油机代替,至于为什么车企不提供柴油机配置?简单地说第一机器太大装不进去、第二造价太高消费者嗝不下去。若执意要车企提供柴油动力配置也并非全无可能,只是可靠性不及自然吸气汽油机并且价格高出近4万元,出现这种情况原因复杂,片言只语难以表达,但不是本文讨论重点,以后再作分析。
换一种方式若以同样的动力要求配置,二冲程柴油机(图:8)仅需要2缸0.9L就能满足,2缸0.9L二冲程柴油机造价、外形均远小于常配4缸1.4L自然吸气汽油机,再把0.9L二冲程柴油机扫气泵加入考虑,以目前任意一种成熟的机械增压泵代替,其体积及造价仍低于常配汽油机。
柴油机无疑能燃用经“改性”的汽油,只要把汽油的闪点、燃点、粘度等指标调至与柴油相仿,必要时也可调整柴油机压缩比或喷油压力使机器适应燃料的燃点和粘度解决问题,而燃油“改性”属于石油化学工业课题,不在本文讨论范围,只需要搞清楚并确信无疑石化界能视需要将相同原料更多地生产适用于柴油机的燃料。
无级变速CVT表面看可将发动机动力以最佳速比匹配至轮胎、驱动车辆前行,它应能实现经验丰富的老司机以节油模式小心驾驶的节油效果,但事实恰好与之相反,无级变速CVT系统恰好是所有变速形式中最费油的一种。从物理学角度解剖无级变速CVT系统,首先是技术条件导致速比的限制,再是变速动作参考依据,理想情况下参考依据当然是发动机扭矩剩余值,可惜现有技术条件难以达成此一目标,现实商业需求的催促迫使怪胎产品诞生,折衷参考发动机转速可即刻改变困局,现实无级变速CVT系统是科学技术屈服于商业利益的产物,它能自动变速但却更加费油。
上面说过:油电混合动力汽车很看似几步走的油—动—电—动过程无疑存在能量损失,但终仍节油达35%,这其中加入了电的因素。众所周知汽车从发动机动力输出到驱动车辆前行,是通过一大堆齿轮组合完成联接,并改变齿轮间的组合适应千变万化的路况,改变齿轮间的组合需要外力甚至是蛮力干涉并在适当时机才能完成,改变速度和改变频率也不能太高,是个十分麻烦复杂并难以实现自动控制的装置。但若换成电,要高质量实现以上功能却十分地简单,油电混合动力汽车是个敢于突破传统思维的成功的先例,它加入了电池和电机,传感器和控制器随时监测直接控制,无须人工干预操作自动完成。
现代永磁尤其是稀土永磁直流电机和直流发电机的体积或重量功率密度已十分地高、成本有限,高功率密度电池也不稀缺,用于控制系统的电子电路元件成本也不高,直流电机的转速要做到从10r/min至15000r/min无损控制也十分方便,电机直接驱动或经少级数变速驱动车轮也不存在技术及工艺问题。现实汽车变速器受体积、成本等限制了变比和变级数,节油需要也让驾驶感到麻烦,这些相互纠缠的茅盾,油电混合动力汽车为解决茅盾找到了新的途径,但现时的油电混合动力汽车仍大多使用汽油机和机械变速,存在变比约制和成本约制,完全抛弃直接机械传动未尝不是一种更简单有效低成本的解决方案。
如图:9为颠覆传统汽车变速传动设计方案。单电机、单变速器+差速器驱动模式可能成本较低,独立驱动当然更利于防止轮胎打滑同时成本也可能更高,但独立驱动能省去麻烦复杂的差速器、能避开工艺要求较高的复杂的机械加工,所以成本也未必高得很多。再说直流电机调节供电直流脉冲脉宽可实现很大范围的调速,变速器无须设置太多变速级数,二级已经足够,另外行星齿轮变速也仅需要一般加工精度的齿轮就能满足性能要求,所以变速器成本其实也不高。
笔者作为LZF项目助手参与并见证了1999年的LZF实验,笔者不是“滚”这行业的人,认为手头资料价值不大,但认定LZF项目将力助探索节油之路,不想荒废实验结果所以公开发表。笔者也将在以后陆续发表关于柴油电喷的分析和解决方案意见。