缸内单向和双向作用的曲柄-等距固接双连杆-滑块机构发动机特点

与传统曲柄连杆机构发动机相比，曲柄-等距固接双连杆-滑块机构发动机具有许多显著的优点。

没有了连杆，只有作往复直线运动的活塞与连接杆，使曲轴箱尺寸可以减小，并使气缸体与曲柄中心轴可以靠得更近，从而最大限度地减小发动机的横向尺寸。

图13中阴影部分为发动机的工作容积区域，从图13中可以看出，与传统曲柄连杆机构发动机相比，通过使用曲柄-等距固接双连杆机构，可以使气缸工作容积更靠近发动机输出轴的中心。

图14所示是一台最大功率为80.85 kW的五缸星型曲柄连杆机构发动机M-11和一台功率为102.9 kW的四缸曲柄-等距固接双连杆机构发动机OMB的横剖面，二者比例相同，两台发动机都是缸内单向工作的四冲程发动机，都有相同系列的气缸、活塞直径及活塞行程。仅因曲轴箱尺寸减小，与发动机M-11相比，曲柄-等距固接双连杆机构发动机的横向外廓尺寸约减小至M-11的1/2。

由于曲柄-等距固接双连杆机构的运动与结构特点，其可以在气缸中实现活塞的双向工作，使气缸工作容积的利用率增加近1倍。

图13　传统曲柄连杆机构发动机与曲柄-等距固接双连杆机构发动机的输出轴中心与气缸的距离比较

图14　两类四冲程发动机横剖面的比较

（a）五缸星型曲轴连杆机构发动机M-11；（b）四缸曲柄-等距固接双连杆机构发动机OMB

图15所示是双作用发动机的运动机构及布置方案，其高速性能与传统的单作用发动机相同，但发动机的功率几乎增加到2倍，而整体尺寸的增加不大。因此，所有用于航空的大功率及超大功率曲柄-等距固接双连杆机构发动机都采用缸内双向工作方式。例如，二十四缸双作用发动机的设计最大功率在2 600 r/min时为7 350 kW，其气缸直径为160 mm，活塞行程为170 mm。众所周知，当活塞直径与行程这样大时，使用曲柄连杆机构方案的发动机是不允许以这么高的转速产生这样大的功率的。

图15　曲柄-等距固接双连杆机构发动机结构方案

（a）单向工作；（b）双向工作

为了在曲柄连杆机构发动机气缸中实现双向工作，必要设置活塞杆与带滑块的十字头[见图16（b）]，这样会导致曲柄连杆机构发动机的往复运动件的尺寸和质量显著增加，并显著减少其高速性。现有的双向工作曲柄连杆机构发动机与单向工作高速发动机相比，不仅不增加升功率，还使比空间与比质量减小。

图16　传统曲柄连杆机构发动机的基本布局

（a）单作用；（b）双作用

具有十字头滑块的大型和重型双作用曲柄连杆发动机的主要优点是气缸壁没有活塞的侧压力，这减少了摩擦损失和燃料消耗，延长了使用寿命。曲柄-等距固接双连杆机构发动机也有这些性质，正是由于具有这些性质和相关的优势，曲柄-等距固接双连杆机构发动机具有更小的体积、质量和更好的高速性能。

图17所示为两类不同双作用发动机的升功率比较。

图17　曲柄连杆机构发动机与双作用曲柄-等距固接双连杆机构发动机的升功率比较

1—曲柄连杆机构发动机OM-127PH；2—曲柄-等距固接双连杆机构发动机M-127K
① 1马力（hp）≈735瓦特（W），该单位现已不用。后文中亦有使用，不再赘述。

图18所示为双作用曲柄连杆机构发动机与曲柄-等距固接双连杆机构发动机外廓截面的比较（同一比例）。分两种条件比较，一种条件是在允许的强化条件下两者达到相同的功率，图18（a）所示为双作用曲柄连杆机构发动机的外廓截面，图18（b）所示为与图18（a）所示发动机有相同功率的曲柄-等距固接双连杆机构发动机的外廓截面。另一种条件是两者具有相同活塞直径与行程，图18（c）所示为与图18（a）所示发动机有相同缸径和活塞行程的曲柄-等距固接双连杆机构发动机的外廓截面。

曲柄-等距固接双连杆机构发动机（图14和图15）的对置气缸中，燃气的压力作用在活塞-连接杆组件的两个活塞对末端，等距固接双连杆的连接杆轴颈只传递出它们的差值。由于这两个活塞共用一根连接杆和滑块，两个活塞与连接杆及滑块如一个整体，在接近活塞的死点位置时，其总的惯性力总是与活塞上燃气压力方向相反，因而显著降低了合力P∑对机构各环节的负荷。

图18　双作用大功率发动机外廓截面的比较

（a）曲柄连杆机构发动机；（b）与（a）具有相同功率的曲柄-等距固接双连杆机构发动机；
（c）与（a）具有相同缸径和活塞行程的曲柄-等距固接双连杆机构发动机

所以，曲柄-等距固接双连杆机构发动机运动副的负载比曲柄连杆机构发动机的更小，相应地也使其摩擦损失更小。

特别是在缸内双作用的二冲程曲柄-等距固接双连杆机构发动机中，实现了燃气压力与惯性力的合力的最佳组合，使受力机构的运动副载荷最小。

还应注意的是，在双作用曲柄-等距固接双连杆机构发动机或二冲程机构运动副工作中，如果增压压力和最大循环压力保持不变，则当排气背压增加时，机构运动副也会被减少部分负载。

图19所示为当保证燃气压力和运动质量惯性力的最佳组合时，高速二冲程曲柄-等距固接双连杆机构发动机作用于气缸轴线方向的气体作用力、惯性力及合力随曲轴转角的变化及比例关系，横坐标为曲轴转角。

图19　高速二冲程曲柄-等距固接双连杆机构发动机各力的比例

PgB，PgH—活塞上部与下部的气体压力；
Pu—运动质量惯性力；P∑—合力

作用在曲柄连杆机构发动机连杆轴承上的合力与施加在曲柄-等距固接双连杆机构双作用发动机OM-127PH连接杆轴承上的合力P∑=∑Pg+Pu，当折算成单位有效功率的合力时，其随曲轴转角α的变化关系如图20所示。通过力的研究可以看出，平均合力P∑cp是确定机构运动副的摩擦与轴承磨损的主要因素，曲柄-等距固接双连杆机构发动机的P∑3cp比曲柄连杆机构发动机的P∑1cp和P∑2cp小1.6～1.8倍。切向力T是做有效功的，径向力Z是不做有效功的，只加大机构的负载和运动副摩擦。曲柄-等距固接双连杆机构发动机保证T与Z的比例更有利于做有效功。

图20　双缸机单位功率作用于轴承的合力(www.xing528.com)

1—转速为2 050 r/min、功率为883 kW的V形发动机AM-35连杆轴承；
2—转速为2 050 r/min、功率为808.5 kW的V形发动机C-15连杆轴承；
3—转速为2 800 r/min、功率为2 352 kW的曲柄-等距固接双连杆机构双作用发动机AM-35齿轮轴承

图21所示为单位功率径向力Z的值的比较，曲柄连杆发动机的单位功率径向力比曲柄-等距固接双连杆机构发动机的大3～3.6倍。

此外，滑块与导轨摩擦温度明显降低，其摩擦力也明显低于活塞与气缸壁的。在所有工况下，曲柄-等距固接双连杆机构发动机的活塞与气缸壁又均能保证液体摩擦。

在曲柄-等距固接双连杆机构发动机中，连接杆轴承不仅单位功率载荷较小，而且在整个工作表面上加载更均匀。轴承有两个减压区，润滑油通过该区域从连接杆供到难以到达的摩擦表面。所有这一切确保了受力机构运动副中的液体摩擦，从而使磨损更小，轴承使用寿命更长，还能防止轴承的局部过热。

图21　按单位功率折算后，作用于曲柄中心方向不做功的力Z

1—V形曲柄连杆机构发动机AM-35；2—直列曲柄连杆机构发动机C-15；
3—曲柄-等距固接双连杆机构发动机OM-127PH

曲柄-等距固接双连杆机构发动机由于机构中摩擦副少，负载小，活塞与气缸壁几乎没有摩擦力，并保证所有旋转和运动副间实现液体摩擦，因此与类似的曲柄连杆发动机相比，摩擦功率损失减少为原来的1/4～1/2，在相应轴承上使用相同的减摩材料时，具有更高的机械效率。

例如，在相同大气状态条件和相同燃料的情况下，传统曲柄连杆机构发动机M-11和四缸曲柄-等距固接双连杆机构柴油发动机进行的比较试验（参见图14）表明，发动机M-11的标称转速为1 580 r/min时，机械效率ηM=0.845，对于这一转速下的曲柄-等距固接双连杆机构发动机机，机械效率ηM=0.932，因此，M-11发动机的摩擦功率损耗比曲柄-等距固接双连杆机构发动机大2.28倍。

详细计算方法是（1-0.932）/（1-0.845）=2.2794≈2.28。

这一事实说明，和相同类别的曲柄连杆机构发动机相比，曲柄-等距固接双连杆机构发动机在测试过程中升功率更高，有效燃料消耗率更低，使用寿命长几倍。

在八缸双作用曲柄-等距固接双连杆机构发动机中，强制用润滑油循环润滑滑块、导轨和铅青铜合金轴承，滑块、导轨用铅涂覆摩擦表面。当n=2 650 r/min时，摩擦损失只占指示功率的6%，传统的曲柄连杆发动机比它大3～4倍。这意味着：采用曲柄-等距固接双连杆机构方案，每10万kW的指示功率可额外增加1万～1.5万kW的有效功率，而不需要花费更多的金属和燃料。

对于曲柄-等距固接双连杆机构发动机，需要的水、机油为传统的曲柄连杆发动机的1/3～2/5，空气散热器约为其2/3，因此相应地降低了冷却发动机的风扇所需消耗的功率。

图22　曲柄连杆机构发动机与曲柄-等距固接双连杆机构发动机有效功率随发动机活塞平均速度的变化关系比较（虚线为双作用曲柄-等距固接双连杆机构发动机的有效功率）

发动机的机械效率按下述公式计算：

下标为“0”的参数表示平均速度为vn0=10 m/s所对应的值。

曲柄连杆机构发动机的机械效率ηM02=0.74～0.85，曲柄-等距固接双连杆机构发动机的ηM01=0.93～0.96。

图线表明，在曲柄连杆发动机中，摩擦损失功率较大，活塞速度在中速工作、比曲柄-等距固接双连杆机构发动机转速低时，有效功率就不再增加。曲柄-等距固接双连杆机构发动机实际的高速性好，其高速性不受高速时摩擦损失的限制。

在这种方式下，曲柄-等距固接双连杆机构发动机比同级别的现代高速曲柄连杆机构发动机可以获得更大的功率。

因此，曲柄-等距固接双连杆机构发动机得以认可的优点有：可以实现缸内双作用工作，而且发动机外廓尺寸小，转速高，单位功率下机构负荷小，在最高的循环压力下，双作用气缸中燃气泄漏到曲轴箱的可能性低，可以制造高效的曲柄-等距固接双连杆机构活塞-燃气发生器及联合发动机，这特别有利于运输汽车所需要的牵引特性。

双作用曲柄-等距固接双连杆机构摩托燃气发生器发动机在怠速时，运动副及受力机构零部件负载和磨损最小，工作寿命长，燃气发生器机械效率高。

图23所示为涡轮-活塞复合式曲柄-等距固接双连杆机构发动机方案，它由一个四行程双作用曲柄-等距固接双连杆机构摩托燃气发生器产生高温高压的燃气，并在燃气涡轮工作时，在发动机输出轴产生转矩。

图23　涡轮-活塞复合式曲柄-等距固接双连杆机构发动机方案

为了获得燃烧完全的燃气，从气缸中出来的、在允许温度范围的高温工质进入涡轮4，在方案中使用离心式压气机1作为轴向压气机2的出口，向系统提供压缩空气，并输送空气到混合室3。

在某些情况下，根据复合式发动机不同的要求和使用条件，可以利用特殊泵供给水或过氧化氢来代替压缩空气进入混合室3。

【注释】

[1]γ为轴线x-x与y-y的夹角。