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不畏石油“危机”,浅析SAE展会上的“鼠笼”发动机

发布时间:2016-05-16     作者:

  就在今年四月12日,一年一度的SAE(SAE:美国汽车工程师学会)全球汽车年会与展览在美国底特律科博会议展览中心召开。回顾之前2015年的展会,我们可以发现,有28%的展商技术类型为动力推进技术方向,可见动力方面是当前汽车行业研究的重点。

➤SAE2016 全球汽车年会与展览

➤2015年SAE全球汽车年会与展览的展商技术类型

  由于石油是公认的非可再生能源,而且许多“专家”们给出了几十年之后即将开采完的预测,因此,新能源汽车几乎成为了所有车企的新研究方向,为的是在石油耗尽的将来不被淘汰。不过,尽管当前的新能源汽车使用了可再生能源,但是,能源的源头在许多发展中国家中依然是不环保的(如:国内纯电动汽车使用的电能主要还是来源于火力发电),与此同时,居高不下的制造成本和并不完善的配套设施使得新能源汽车还没能广泛普及。由此可见,使用传统发动机的汽车还会存在比较长的一段时间。

➤成本、续航能力和能源补给站数量都是新能源汽车发展的绊脚石

  对于传统汽车的动力总成,特别是发动机效率方面,其实还有不少的改进空间。在本年度的SAE 全球汽车年会与展览上,各大展商也纷纷展示了各自在传统发动机方面的研发成果。今天,小编就为大家介绍一款展会中让人脑洞大开的“鼠笼”发动机。

➤“鼠笼”发动机实物外观

  在介绍之前,为了能够让大家更好地去理解此款发动机的原理,首先温习一下汽油发动机的原理。通常我们所说的发动机主要指的是汽油四冲程发动机,其每个工作循环,有进气,压缩,做功,排气四个动作,并在曲轴旋转两周完成。

➤四冲程汽油发动机工作原理

  除了传统的四冲程,还有在动力强悍的二冲程发动机。其工作原理是:第一个行程,活塞向上运动,压缩混合气体,同时,混合气体通过进气道进入活塞下部曲柄箱中;随后是第二个行程,活塞向下运动做功,经过一段行程后,废气进入排气道排气,与此同时,向下运动的活塞将曲柄箱中的新鲜混合气体通过侧边的扫气道压入燃烧室。活塞一上一下,一个循环,曲轴只旋转一周。

➤二冲程汽油发动机工作原理

  之所以称之强悍,因为二冲程曲轴转一周就能够做一次功,相比四冲程的转两周才能做一次功,做功更加频繁,理论上二冲程产生的功率是四冲程的两倍,不过,由于排气不完全,扫气道关闭早于排气道而造成额外排气,因此,大约会在1.4-1.7倍的样子。没有了复杂的配气机构(控制进气门和排气门的开闭),二冲程的结构更加简单,成本更低。然而,特殊的进排气方式也造成了燃油消耗大(额外排出未燃烧的混合气体)和排放污染严重(缸内残余废气多)的问题。

  今天的主角“鼠笼”发动机正是采用了二冲程的形式,因为其内部为8个气缸绕主轴一圈布置,整体布局像个鼠笼,所以称之为“鼠笼”发动机。


   “鼠笼”发动机的每个气缸都有两个活塞,对置布置,节省了传统气缸中的气缸盖,工作循环和传统二冲程类似。由于每个气缸中的两个活塞相反运动,因此可以有效抵消运行过程中的冲击和振动。


➤活塞对置工作原理--进气和压缩

➤活塞对置工作原理--做功和排气

  事实上,“鼠笼”发动机最大的设计特点是那一对设有波浪形结构的圆盘,这对圆盘连接在同一个输出轴上。在活塞上下运动时,活塞连杆末端的滚轮在此波浪形结构上滚动,从而实现了将活塞的上下运动转化为波浪形结构在圆周方向的运动,最终转换为输出轴上的旋转运动。该种设计相比传统的曲柄连杆运动具有更好的动力学特性。

➤“鼠笼”发动机活塞运动示意图

  得益于设计上的创新,“鼠笼”发动机重量仅为149.7公斤(330磅),在同等动力输出的前提下,制造成本只有传统发动机的十分之一。动力方面,在转速为746rpm时每升发动机排量就能提供高达908牛.米(670.2 lb-ft)的扭矩,即升扭矩达908牛.米(福特1.0T发动机的升扭矩为170牛.米,天生大扭矩的道奇3.0T柴油发动机的升扭矩也不到190牛.米),可见“鼠笼”发动机动力爆发的强大性。燃油经济性发面,其有效燃油消耗率比福特的EcoBoost低15%,比丰田的阿特金森循环发动机还要低7%。

➤“鼠笼”发动机试验数据


  结语:“鼠笼”发动机独特的设计,继承了二冲程发动机高爆发的特性,同时,燃油经济性也有着不错的表现。然而,虽然“鼠笼”发动机看似制造成本相比传统发动机更加低廉,但由于没有一个现成的装置和制造工艺可以直接沿用,因此,说到量产,要走的路还很长。