 引言：为了使发动机具有良好的燃油经济性，减小气缸的内径并延长冲程至关重要。然而，对于带有连杆的现有发动机来说，这是非常困难的一件事情。在新的连载系列“动力总成机构”第1部分中，我们将为大家解说没有连杆的省油发动机。 连杆可以将活塞的往复运动改变为曲柄的旋转运动，所以在往返式发动机中它是不可或缺的存在，然而，如果想要改善发动机的油耗效率，连杆的存在却是一个困扰，所以新的一个研发方向朝着没有连杆的发动机发展。 其中一个典型的研发实例是Z MECHANISM TECHNOLOGY公司开发的被称为“XY分离曲柄机构”的技术。将活塞的往返运动分离成往返方向（X）以及与（X）垂直的（Y）方向，从而将往返运动转换成旋转运动。沿着这个研发方向，目前加压力3kN，转速为800rpm的往返式滑动摩擦试验机型已经进入实用化阶段（图1）。在制造的压缩机中，完成了出口压力3MPa条件下200小时的耐久性测试（图2）。  图1由无连杆机构驱动的往返式滑动摩擦试验机型 活塞的往返运动被分成往返运动方向（X）和垂直方向（Y）并被转换成旋转运动。  图2试制的压缩机 中间是XY分离曲轴，右侧是低压活塞，左侧是高压活塞。 研发人员制造了三款发动机试验机型。前两款试验机型基于市面上一款排量50cc的汽油发动机制成，将单缸和水平对置的发动机各自进行了100小时的运行试验（图3）。单缸最高转速为7000转/分钟，水平对置转速为10000转/分钟。之后还试制了基于排量为320cc柴油发动机的两缸直列发动机（该公司称为U型），三款试验机型都去掉了连杆。  图3使用市售排量50cc汽油发动机的零件试制的单缸发动机模型，最大转速为7000rpm。 连杆有三大劣势 连杆有三个主要缺点，而且都是因为连杆倾斜而造成的。 第一个缺点是不能增加冲程/内径比（SB比）。未来，为了使发动机具有良好的燃油经济性，有必要提高SB比率。但是，连杆的倾斜度决定了SB比值的上限。如果单纯地增加SB比率，则倾斜的连杆会碰到气缸的下端。 此时如果延长连杆，会解决这一问题，然而发动机的脊柱则需要变得更高。根据日产的试算，如果SB比为1.07的条件下，从曲轴到上止点的活塞上表面的距离为215mm [图4的（a）]。如果将SB比率提高到2，则该距离将增加到527mm [图4（b）]。这一高度将无法收纳进引擎室内。  图4连杆和缸体下端之间的干涉 （a）当SB比为1.07时，连杆不干涉的高度为215mm。（b）当SB比例增加时，高度需增加到527mm。（根据日产汽车资料创建）。 第二个缺点是二次振动。活塞销的高度是曲柄销高度和连杆高度之和（图5）。曲柄销的高度每转一次上下一次。这是主要的振动。连杆在上止点和下止点位置时直立，在其他地方时则倾斜。也就是说，它每转直立两次，倾斜两次。所以连杆的高度每次旋转增加两次并减少两次。这是二次振动。曲柄/连杆系统的振动是主要振动和次要振动的总和。 注1）在实践中，还存在3次以上的高阶振动，但是一般设计中连杆长度（曲柄销中心与活塞销中心的距离）都大于冲程的1.7倍以上，所以3次以上振动很小基本可以忽略。  图5曲柄/连杆机构 活塞销的高度是曲柄销高度和连杆高度之和。 第三个缺点是连杆的横向力。被爆发力推下的活塞向下推动连杆转动它。由于连杆倾斜，反作用力和爆发力的合力作用在活塞上，并推动到缸壁（图6），产生锤击声，还会产生摩擦阻力。  图6活塞和连杆 横向力是由爆发力和连杆推力的反作用力产生的。 XY两个滑块共同承担角色 在Z MECHANISM TECHNOLOGY公司开发的新机构中，活塞向下推动直立的活塞杆而不是推动连杆（图7）。图为水平轴方向，所以正确来说应该是横向推动，但在解释原理时垂直轴更容易理解，所以解释为向下推动。活塞杆下方有一个称为组合器的构件。组合器由带X轴滑块的引擎块支撑。此外还用Y轴滑块支撑曲柄连接板，曲柄销通过其中的孔旋转。 注2）如果取消曲柄连接板和Y轴滑块并将轴承连接到曲柄销上，则变成了苏格兰轭型机构。  图7 XY分离曲柄机构，此图中，活塞在水平轴上移动。 为了使原理更容易理解，图7中的组合器是L形的。事实上，研究人员考虑的是将它设置成能将连接板包围的类似框架一样的形状。注3）整体而言，包括活塞杆在内，其形状类似于连杆大端的一个矩形孔，并在水平方向上变宽（图8）。 如果仅考虑发动机的爆发力，活塞杆只会推动组合器，但因为存在惯性，活塞杆还可能会拉动组合器。注4）尽管可以设计Y轴滑块的横截面形状使之承受拉力，但是要被推动的区域会减小。另外，由于希望在磨削加工滑块时为了避免磨石的形状过于复杂，所以仅仅在上下两方各放置了一个推动滑块从上下两方夹住曲柄连接板（图8中为左右两方）。 注3）由于Z MECHANISMTECHNOLOGY公司试制了汽缸轴水平的发动机试验机，所以将上述形状称为“门形状”。在对原理的解释中，气缸轴处于垂直方向更容易理解，因此称它是“框架形状”。 注4）计算施加于连杆的应力时，在宽负载范围内惯性力的旋转速度大于爆发力。连杆在全速加速时很少断裂，但是在发动机制动时容易断裂。  图8 组合器呈框架型而不是L形，图为水平相对2气缸型。 曲柄连接板被分成两部分（图9）。其中一个原因是组装的简易性。为了避免曲柄采用悬臂式，或组装成曲柄等等特殊设计，就像常规的大端部分割成连接杆侧与盖侧一样分割成两块，分别从两侧夹持。注5）。图9为压缩机部件。对于发动机部件来说，与连杆大端部一样需要安装轴承金属。 注5）在滑动轴承中，将轴承分成两部分，从两侧夹紧。其中，不属于发动机缸体，连杆等主要部件，而是覆盖侧的部分称为盖。  图9分成2部分的曲柄连接板 左右通过Y轴滑块的滑架侧，中间通过曲柄销。分开的部分设置了约0.2mm的间隙。 另一个原因是曲柄连接板本身的变形[图10（a）]。连接板由于活塞的推动而变形，并在远离压制位置的地方拧紧销[图10（b）]，这样会增加阻力，严重的时候还会起火。而分成2部分的话，则仅有推动侧变形。相对于连杆长度为杆销直径，连杆帽的跨距则很长相当于组合器部分的冲程+连接板宽度+间隙的长度（图11）注6）。而跨距越长，偏转则越大，所以这个位置必须制造牢固。 注6）因此，组合器比连杆的大端部还要大，需要从底部插入。这一点从常规的设计理念“组装时活塞从顶部插入，所以大端部应该穿过气缸“的常识来看这是不符合常识的，但不打破常识就无法进步，所以采取了从底部插入。  图10曲柄连接板的变形 （A）分割后对侧难以受到力的影响。（B）如果不分割，则整体变形，并且拧紧销。分割后，左连接板的右侧咬入销内，图示上的变形量扩大了1000倍以上，实际上最大变形量也不超过5/1000mm。 图11框架型组合器，连杆的大端部设置成矩形形状。 但是，组合器所需的刚度不如连杆那么高。连杆被拉动时，拉动销的入孔由正圆形变形为椭圆形，与盖帽侧的连接部位收紧曲柄销。在这种情况下，发动机容易起火，因此通过增加刚度来防止发动机燃烧。而组合器只需要在连接板上方和下方打开间隙就行，因此允许一定程度的变形。此外，为了使滑块的导轨侧即使变形也不产生表面压力的偏倚，需要采取例如将滑架侧的接触面加工成曲面等等的应对措施。注7） 注7）滑块结合了导轨和托架。短托架沿着长导轨进行往返运动。 提高SB比率 通过上述结构，活塞杆做直线运动，诸如图4所示的问题被解决，SB比率得到提升。其结果是，燃烧时间短，从燃烧室表面的热损失变小，燃料消耗得到改善。 连杆倾斜造成的SB比上限虽然不存在了，但是并不代表就可以无限地提升比例，依然存在发动机的本质上限。如果比较对准气缸布置，SB比大率越大，宽度越宽，高度越高，与此同时也就变成了短发动机。注8）所以SB比率只能是在车内空间布局成立的范围内提高。此外即使变短了也不必担心曲轴的设计会很痛苦。串联的场合，发动机的长度由孔径与之间的壁厚决定。由此曲轴侧，具体来说轴颈宽度，销宽度，腹板宽度都没有设计界限。利用余量可以缩短曲轴。 即使小幅增加也很重要，因为业界就曾出现因为细微的SB比率差异引发了行业重组的实例。当三菱汽车着手开发微型车“ eK wagon”的时候，与其竞争的大发工业正生产内径63mm（SB比为1.12），铃木、本田生产内径64mm（SB比为1.07）的发动机。三菱不得不设计内径65.4mm（SB比1.0）的模块来提高燃料效率（图12）。最终生产设备无法摊销而导致了重组。虽然假设在试图克服浅表技术的SB比结果的基本性能的障碍，注9燃料消耗模拟所发生）。此外，本田随后开发的内径60mm（SB比率1.29）的发动机则进一步甩开了其他对手。 注9）三菱汽车在2016年4月发表承认其提交给国土交通省的燃油经济性测试数据比实际数据值高，存在非法操作。 图12三菱汽车的“3B20”发动机，引发问题的“eK wagon“发动机以此模块为基础 没有横向推动力，不产生碰触 XY分离曲柄可以降低摩擦阻力。首先消除活塞的侧向力。由于活塞通过X轴滑块定位，因此只有活塞环碰到气缸。在发动机研究中，研究人员使用玻璃制气缸并观察燃烧。通常，由于活塞与玻璃摩擦，使用寿命短，成本高。然而使用XY分离曲柄后，玻璃寿命延长而且成本也下降（图13）。甚至有实际使用10年的效果事例。 图13：利用使用XY分离曲柄的设备进行的发动机燃烧测试， 由于与玻璃滚筒的摩擦减少，使用寿命变长。 尽管活塞的横向力失去了，但分支X轴滑块的侧向力仍然存在。活塞销的功能由Y轴的滑块代替。问题在于该横向力大于还是小于摩擦损失。Z MECHANISM公司计划在联合研究中测量摩擦损失。虽然用手转动这样的低转速情况下已经完成了确认，但是惯性力非常重要所以由必要再去验证高转速下的损失。 摩擦损失的主要原因是Y轴滑块。爆发力和惯性力被同时接受，所以垂直阻力很大。然而， 针对这一情况活塞销由于存在尺寸、质量的限制因此表面压力非常大，出现难以给油等，对于轴承来说绝不是优良的方式。与此相比，有可能减少损失。剩下的则取决于未来的开发研究。进一步改善横截面形状，间隙设置，金属材质、润滑油的提供方法等等，还有很大的成长空间。 与此相比，X轴滑块的负担很小。当爆发力，惯性力的作用点远离销的正面时，生成使组合器旋转的间隙时刻，而X轴滑块的垂直应力只是对应该时刻的力。普通的发动机使用汽缸和活塞的组合作为直线运动导向装置。这种组合不能泄露燃烧气体，也不能让润滑油泄露到燃烧室侧等，因此同样存在局限性，所以如果作为单独的直线运动方案来说并不是最佳方案， 与此相比，摩擦损失应该可以变小。 不需要平衡轴 XY分离曲柄没有倾斜的连杆。由于活塞与曲柄销做完全一样的上下移动，因此活塞与曲轴运动之间的关系变成简单的正弦曲线。这意味着没有二次振动。 广泛使用的直列四缸发动机的最大弱点是存在二次振动。为了解决这一问题，有研究尝试通过以发动机转速的两倍转动平衡轴来减少二次振动。然而，最近，这一研究方向有撤退的趋势，仅限于大型的4缸发动机。如果安装在发动机下侧，发动机就会增高。如果单独安装在左侧和右侧，发动机的宽度会变宽。成本效益评估下来较贵。但如果是XY分离曲柄，无需增加额外的零件，就可以消除连接平衡轴的二次振动。 |
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