IHI发动机结构和运行原理（常见技术20问）

往复活塞式内燃发动机自问世至今已经170年，在这170年中有无数的人尝试过无数的设计，先后出现了50多万件的相关专利，至今，传统的四冲程和二冲程发动机的基本原理依然沿用。  

IHI发动机的本质，依然是一种二冲程发动机，只不过是在进气道结构和进气方式上做了改进，在加大进气窗口时间的同时大幅度简化了进气结构，在此基础上，IHI发动机继承了活塞发动机的各种成熟结构及其优点，创新提出了一种同时具备很多优势的新型活塞发动机。

问题1：IHI的结构和基本原理是什么？

    IHI的结构和运行原理，可参考德国的一个教学视频。两者的原理和结构十分接近。另外，可参考《新型对置二冲发动机- 对外版》，里面有详细的结构和原理说明。

      问题2：IHI的本质是一种新型对置二冲程发动机，与传统四冲程/二冲程发动机有什么主要区别（结构方面的主要创新点）？

  IHI发动机相对现有四冲程发动机来说，IHI具有这些特殊性：

  1）IHI发动机省略了四冲程发动机的进气排气控制系统（进排气凸轮轴，以及相关结构部件）；

  2）IHI发动机的一个曲轴拐同时连接两支活塞，四冲程发动机则是一个曲轴拐只连接一支活塞；

  3）IHI发动机的一个曲轴拐旋转一周，受到两次活塞推力，四冲程发动机则是一个曲轴拐旋转两周，才受到一次活塞推力。

  IHI 发动机相对现有二冲程发动机来说，IHI具有这些特殊性：

  1）IHI发动机的进气更加充沛；

  2）IHI发动机的扫气更加彻底；

  3）IHI发动机的实际压缩比动态可调（让功率曲线更加贴合需求）；

  4）IHI发动机的一个曲轴拐同时连接两支活塞，二冲程发动机则是一个曲轴拐只连接一支活塞；

  5）IHI发动机的一个曲轴拐旋转一周，受到两次活塞推力，二冲程发动机则是一个曲轴拐旋转一周，受到一次活塞推力。

    问题3：IHI发动机和以色列的自由活塞发动机十分近似，两者有什么区别？哪种方案更有优势？

  为了详细对比说明IHI发动机同以色列的自由活塞发动机之区别，我专门提取了两者共有的10个结构特征和指标进行了对比，IHI发动机有9个方面明显优于以色列的自由活塞发动机，剩余一项虽然有所不足，但也可以通过外围装备进行补偿，最终结论是： IHI发动机功率更强，更具备实用性；以色列的自由活塞发动机不具备实用价值。具体的内容可参考《IHI与以色列技术对比分析(202012)》的分析介绍。        

问题4：IHI 发动机的设计定位是什么？

  IHI发动机的设计定位是：活塞发动机里的AK47 ——功率大，自重轻，廉价，耐用，可靠/低维护，易于量产制造，性能中上，可扩展性强。这里说的“性能”是指除了功率之外的其他指标，比如：每KW 输出对应油耗，扭矩，环保等。说明下，并非IHI发动机做不到高性能，假如在某些特定场合，除了功率之外，需要高性能的表现，IHI在适当增加成本后，其性能的最终表现与中高端车用发动机是有得一拼的。IHI主要的目标领域，还是在强调高功率，廉价，耐用的场景。

      问题5：相对现有活塞发动机，IHI发动机自身有些什么优点？

  （据现有活塞发动机理论分析得知）IHI发动机可具备以下优点：

  1）较高的功重比—— 同样的发动机重量，IHI发动机的功率几乎可以达到传统四冲程发动机的4倍。

  2）极简单的内部结构，确保了可靠性好、维护要求低。

  3）十分耐用—— 由于结构优势，发动机寿命得以增加（工字活塞结构确保了活塞对侧壁的压力减小；配合独立润滑系统，有效减缓了缸壁磨损），进气排气系统的可靠性高，极低的故障率，确保了较长的免维护使用周期。

  4）适应能力强—— 借助简单且可调的增压系统，IHI可轻松适应不同的海拔环境，从低海拔到高海拔条件，维持稳定的功率输出。同时，由于增压装置成本低，简单易行，让IHI容易实现高功率输出。

  5）无需改变机械部件，简单电路切换就可实现发动机正反旋转。

    问题6：相对现有活塞发动机，IHI发动机在量产制备方面有些什么优势？

  再优秀的设计图，假如制造过程复杂，加工要求高，制作和组装过于复杂，这对于产品的普及是很不利的，现在我们看看IHI发动机的这方面表现。

  * 需要加工和组装的零件数量少，高精度要求的零件就一两个；

  * 简单的模块化结构让组装和维护十分简单，同时，零件制造和组装均容易实现自动化流水线装配；

  * 零件的通用性和互换性好；

  * 外围简单—— IHI发动机的外围辅助系统较传统四冲发动机简单，这也带来了制造成本的降低。

  * （针对多缸发动机）曲轴制造难度降低—— IHI的独特结构，让曲轴拐数量降低一半（同样的功率输出，曲轴可以更轻、更短）；曲轴的动平衡，结构强度，加工精度要求均变得相对容易；曲轴制造成本伴随曲轴拐的数量减少，以及强度要求降低而下降。

  * 模块化结构，可低成本实现产品多元化（不同的几个标准模块就可以方便地组合出不同参数，不同针对性的多元化产品）；

  * 电动高压燃油泵的采用—— 由于采用了新概念的高压燃油泵技术，发动机整体重量，燃油效率，可靠性还有提升空间。

  从以上解答中不难得到这样的结论：IHI发动机功率强，自重小，可靠耐用，易用；同时IHI发动机自身结构简单，易于廉价制造；IHI发动机的生产组装也易于低成本实现，大部分零件的加工精度没有过高要求。所以，我认为IHI发动机完全有能力成为发动机里的AK47。

    问题7：IHI 发动机的四倍功率输出（甚至更高），是如何做到的？

  功重比——代表了同样重量的发动机，输出功率的大小。作为发动机，特别是航空发动机，这个指标更加重要，为了保证无人机或飞机的续航和载重能力，必须采用高功重比的，稳定可靠的发动机。IHI是目前已知活塞发动机中，功重比最高的发动机。我们看看IHI是如何做到这点的：

  * 首先，由运行机制保证了高功率密度。四冲程发动机，曲轴旋转2 轴，活塞对曲轴拐做功一次；IHI发动机曲轴旋转2轴，活塞对曲轴拐做功达到四次。

  * 足够的进气量，适当的压缩比，这些确保了缸内点火前压力足够高，不论在何转速条件下，均维持在一个适当压力值范围。让发动机动力充沛且功率曲线足够平坦。

  * 更加通畅的排气通道，减小了排气阻力。

  * 没有进排气门控制机构和凸轮轴，减少了能量消耗，进一步提升发动机输出功率

  * 活塞对侧壁的径向摩擦和其他机械摩擦力有所缓解，摩擦力损失的功率减小。

  * 可支持重油压燃，进一步确保了发动机的输出功率。

  * 曲轴相对曲轴箱的摩擦面积减小，接触压力减小，相应的摩擦功耗减少。

    问题8：从原理可以直接看出，IHI发动机的的进气道偏窄，所以预期转速似乎不高？功率能和现有高转速四冲发动机匹敌？

  在回复这个问题之前，建议先梳理下两组关系：转速和功率的关系，进气道宽度和进气量的关系。在四冲程发动机中，输出功率与转速对应的曲线大致为一个单峰形状，当转速达到某个值，一般3000～4000范围，输出功率达到最高值；对于IHI发动机，其输出曲线应该会平坦很多。在这么高的转速下，四冲程或者IHI 发动机的吸气的窗口时间就会变得很短，吸气不足将直接导致功率下降。区别来了——（后面数值为推测） IHI发动机在1500转时，功率已经是350KW，且，功率曲线较平坦，IHI有必要去纠结四冲程发动机转速4000时，功率达到最大值，110KW输出么？！（确实，如果IHI上到4000的转速，IHI的进气量严重不足，功率不足70KW了）。在发动机的世界里，功率才是本质目标，转速只是表现。

        问题9：IHI发动机的活塞质量偏大，IHI发动机的振动抑制问题如何解决？

  活塞作为一个高速运动部件，在缸体内做高频次的，高强度的往复加速运动，必然给发动机带来振动，并且，振动强度与活塞的质量呈正比关系。IHI发动机也遵从这一规律。利用IHI 发动机相对体积小的特点，尽量设计为多缸发动机，比如水平对置2 缸，水平4对置缸（两个活塞对称设置，做镜向运动），利用对称结构来尽量消除振动；也可设置为直列4缸结构（1、4缸上行，2、3缸下行），采用类似四冲发动机的方式来减小振动，必要时，模仿四冲程发动机，设置平衡轴来抑制振动。最终，可以将活塞质量导致的振动，抑制在一个理想水平。（传统四冲程发动机能够做到，IHI 就能同样做到）。IHI发动机不建议设计为单缸发动机使用，假如需要单缸，在动平衡方面结构投入会较多，平衡块导致自重增加！

    问题10：IHI发动机的活塞质量偏大，是否带来活塞惯性过大？

  活塞质量导致的惯性力对于四冲程发动机来说，会导致十分严重的后果，对于IHI 发动机来说则影响不大，有可能完全不用担心这个问题.....

  在四冲程发动机中，活塞在吸气阶段的状态是这样的：活塞以30~40米/秒的速度下行，由于只是吸气，缸内负压对活塞的上牵力可以忽略，活塞高速下行到止点附后，速度在几十分之一秒的时间内减慢至零，之后迅速折返并快速加速到先前速度，这一过程，活塞的速度在瞬间出现剧烈变化，数百个G的惯性力完全地施加在活塞销，连杆和曲轴上，力量是十分之大的！长时间重复，势必导致机械损伤，所以，四冲程发动机十分强调活塞轻量化，并且严格控制发动机的最高转速。

  与之不同的IHI发动机，活塞以20~30米/秒的速度下行，此时上气缸正在进行压缩行程，下气缸处于爆燃中后期，当活塞高速下行到止点附近时，上气缸内刚好是压缩末期，即将点火时刻，上缸内的气压很高，有很强的推力阻止活塞继续下行，“空气弹簧”强力对活塞进行制动，活塞惯性下冲力基本被压缩空气给承担掉了，最终，在活塞从高速变为零速度的过程中，施加在活塞销，连杆和曲轴上的力很小；接着，上缸内点火爆炸，活塞受到爆炸力推动，活塞从零速度加速至高速，这个过程中是活塞拉动连杆迅速上行，活塞并非由活塞销和连杆及曲轴的机械力推动，所以，也没有出现高机械负荷的情况（四冲程发动机中，吸气行程结束进入压缩行程后，活塞快速从零加速到高速是依靠活塞连杆的上推力实现的，这个过程出现了很高的机械负荷）。所以，活塞惯性力对IHI发动机的影响很小，应该小于四冲程发动机受到的影响。同时，当气缸内点火爆炸瞬间，活塞有一点质量，还可以适当缓解爆炸瞬间活塞对活塞销，连杆的冲击力，这一点对延长IHI发动机寿命，提升可靠性来说，是有十分益的。

    问题11：凭什么说IHI 发动机的寿命及可靠性会较好？（磨损，密封问题可是活塞发动机的通病！）

  影响活塞发动机寿命的因素大致是这些：机械负荷均衡性，磨损快慢，长期应力导致变形，气密性能。下面逐条剖析：

  ■ 机械负荷均衡性—— 每个零件的受力应该是尽量的平顺，均衡，尽可能减少突发性的受力，局部区域集中受力情况的发生。在问题10的解答中有说过，IHI发动机的平顺性优于四冲程发动机。

  ■ 磨损—— 首先来个简单数学比较：假如，用四冲程发动机驱动在四冲程发动机中，多个地方存在磨损，活塞对缸壁磨损；轴销磨损，轴瓦磨损，曲轴轴承磨损，进排气控制机构（凸轮轴系统）的磨损......在IHI 发动机里，首先，进排气控制机构（凸轮轴系统）的磨损不存在了；曲轴轴承的磨损也几乎可以忽略；由于有“工字活塞”结构，消除了活塞旋转力，活塞侧壁对缸壁的磨损有所改善；由于机械负荷均衡性改善了，轴瓦的磨损也得到了改善。

  另外，有个简单的数学公式，也可以证明IHI 的磨损会远低于四冲程发动机。

  假设用两种发动机驱动车辆行驶，四冲程发动机行驶120公里，每支活塞大约要在缸内经历40万个单边行程；IHI发动机行驶120公里，每支活塞大约要在缸内经历10万个单边行程。IHI发动机的磨损自然要低于传统四冲程发动机很多。

  ■ 结构件变形—— 在IHI发动机中，“工字活塞”轴杆结构持续受到拉力，没有压缩力，不存在致变形焦虑；活塞连杆交替受到压力和拉力，需要的结构强度与四冲发动机的一致。

  ■ 气密性能—— 在IHI发动机中，由于活塞侧壁对缸壁的磨损有所缓解，前面关于“磨损”有分析过，活塞的气密性能与四冲程发动机相当，或者稍有提升。活塞轴杆的寿命（有的朋友担心轴杆在H体内部往复运动，最终会导致活塞轴杆与H体密封不严），我预计的情况是，磨损会很小，活塞轴杆的寿命会较长，因为活塞轴杆两端的活塞起到了限位作用，轴杆对于H体的径向压力是很小的，对应的磨损量也会十分的小。同时，H体内会设置润滑油的油道，确保活塞轴杆持续得到润滑，这就让轴杆长时间维持良好的气密性成为可能。

    问题12 ：凭什么说IHI发动机的油耗水平会接近甚至低于现有成熟的中高端四冲程？

  虽然说IHI发动机理论上可以做到常规四冲程发动机的4倍，但是，假如油耗达到了常规四冲程发动机的6倍或更高，那IHI发动机实用性还是大打折扣了。这里需要探讨下，IHI发动机的油耗预测会是个什么水平。我觉得还是用大家熟悉的家用轿车四冲程发动机做对比的好。

  一台活塞发动机有良好的燃油效率指标，至少需要这些要素，我们看看IHI发动机表现得又如何：

  * 进气充沛，合适的空燃比例（IHI发动机的进气窗口时间是很长的，这里说的不单是窗口时间在整个运行周期里的占比，也包括绝对时间）；

  * 足够多的进气量，确保点火前缸压足够高（IHI发动机的进气压力可调，并且有二次进气机制，所以缸内压力可以足够高）；

  * 各种喷油和点火新技术加持（在四冲程发动机里能实现的，在IHI发动机里也同样能实现。比如，缸内多点多次直喷，稀薄燃烧，预燃点火，汽油压燃点火）；

  * 缸内气体温度和滚流效果（这点不方便预测，但是IHI发动机相对容易控制和改变）；

  * IHI发动机排气道更加流畅，气道阻力减小；

  * 扫气做到了彻底（纯净新鲜空气参与燃烧）；扫气过程没有未燃烧燃油排出；

  * IHI发动机的机械摩擦损耗要比一般四冲程发动机少。

  由于以上推理，可以判断：IHI发动机的油耗水平可以低于传统四冲程发动机。当然，由于不同排量，不同的燃料（热值，挥发速度，燃烧速度不同），IHI发动机的油耗表现会有差异，具体还是需要实物来验证。

    问题13：IHI发动机的研发难度很大？

  难度是相对而言的：相对传统结构四冲程发动机，IHI的验证和产品研发必定简单很多的。

  ■首先，IHI的零件组数和精密零件数量较四冲程发动机少了一个数量级。此外，IHI发动机的部件都是模块化结构的，可以做到哪里不对换哪里，不会出现“牵一发而动全身”的痛苦。

    ■此外，从基本工作机制来看，IHI发动机依然是活塞发动机，完全遵循已知的发动机理论，一百多年积累下来的发动机理论及规律能够让IHI发动机的研发投入和时间少很多。

  ■ IHI发动机的初期定位是小型活塞发动机里的AK47，并不追求所有指标达到和超越现在中高端四冲程发动机，具体说，就是升功率，油耗，排放这些指标一般般即可，在功重比，廉价，可靠性，寿命方面尽量靠近极致就好。至于高指标的升功率和排放，并非说IHI注定就差，只是把这些指标放在后面阶段来提升罢了。

  在这么样的前提下，依托现在的机加工能力，IHI发动机的研发应该是比较容易的。我的预测是300W以内，时间不超过两年。

    问题14：IHI发动机的功率输出曲线和传统四冲程发动机的有什么不同？

  一般四冲程发动机的功率曲线为一个单峰形状，当四冲程发动机转速偏离最佳工作范围很多时，发动机的输出功率会下降，为了维持输出功率只能通过高油耗来弥补.....在某些场合，比油耗更严重的问题是危及安全，比如直升机。不论是低端的农机还是高端的直升机发动机，都希望发动机的输出功率曲线尽量平坦些，在很宽的转速区间，发动机都工作在最佳状态。

  此时，IHI 发动机的优势，可能就凸显出来了—— IHI发动机的进气压力/进气量（或者说是点火前的缸内压力）是可以自由设定的，可以做到与发动机转速脱钩；此外，由于采用了缸内直喷供油技术（与车用高压共轨一样的配置），可以对喷油量和时机进行精确控制。在这两个机制的共同作用下，（理论上）可以让IHI发动机的输出曲线平缓很多。今后，不排除另外的调控/辅助机制被采纳，进一步强化IHI发动机的输出表现。

    问题15：IHI发动机的积碳问题将会如何？

  针对积碳，我尝试着说点自己的看法。这个问题比较复杂，和燃油品质，缸内温度，压力，燃烧充分程度，氧气的比例都有些关系。IHI发动机是否容易积碳，什么工况容易积碳，这些我都回答不了。不过有一点，我可以确定：IHI发动机的结构是在太简单了，假如出现了积碳问题，可以简单快速的完成清洗除碳操作（比如，拆开排气管，向缸内直接喷射清洗剂，就可进行清洗积碳操作。而四冲程发动机则会麻烦很多）。

    问题16：IHI发动机“工字活塞”中间轴会不会存在过热问题？

  我认为存在一定的焦虑，但是在“四种散热机制”的加持下，出现过热的可能性不高，或者说，有法子让温度维持在合理区间。

  散热机制一， 进气气流辅助散热。在IHI发动机中，活塞中间的轴为带孔槽结构，进气气流从这些空槽流过，每次进气都会借助气流带走一些热量；

  散热机制二，通过热传递带走部分热量。在IHI发动机中，活塞中间的轴与H体之间为紧密滑动配合关系，两者之间还存在有润滑油脂，有部分热量可以通过接触面，从轴传递到H体，从而帮助轴进行散热；

  散热机制三，油雾冷却降温。在IHI发动机中，当喷油嘴向缸内喷注燃料时，总会有部分细小油滴会直接喷到轴的表面，这些细小油滴会瞬间汽化蒸发，这个过程会带走数量可观的汽化热。

  散热机制四，机油辅助散热。这是备选方案！在IHI发动机中，可将活塞中间的轴内部设置机油油道，并加压实现循环，流动的机油可以带走轴上面积累的热，将轴维持在一个合理的温度范围。

    问题17：IHI发动机是否有不可解决的结构性先天不足？

  “就一个先天不足—— 进气道狭窄！但是可以后天补救”简单理论分析可以得知：IHI 发动机的活塞中间的轴不可能过粗，面容比过大不利于提高燃烧效率；活塞中间的轴也不能过小，否则强度不足，有断裂发现。 一个不太粗的轴，可以容纳的进气道是不可能太大的，这就注定IHI 发动机的进气道有点先天不足。不过，还好有补救措施，由于IHI发动机的进气是有单独加压系统的，有专门加压泵向IHI 发动机进气道输送空气，只要适当提高加压泵的转速，提升IHI发动机的进气压力值，还是能够保证有足量的空气流过进气通道，进入到气缸内部的。

    问题18：IHI发动机需要专门配置独立的进气加压装置，是否导致整体结构复杂，成本过高？

  在IHI发动机中，确实需要专门的加压系统，确保进入发动机的空气具有一定压力，可以考虑两种解决方向—— 缸体上单独设立一个或多个独立冷缸，用曲轴驱动连杆，带动压气活塞做往复运动，实现压气；另外一种就是设置涡轮增压泵（电驱动或者尾气驱动）。目前第二种方案较为常见，涡轮增压泵也比较成熟，价位也能接受。当然，不论哪种加压泵都是有成本增加的，这个增加和IHI发动机在其他方面的简洁会导致综合成本降低，最后的整台发动机成本应该被控制在较低水平。

    问题19：IHI发动机除了汽油是否能兼容多种燃料，比如，天然气，柴油？IHI发动机如何实现？

  传统四冲程发动机在汽车领域运用十分普及，近几年，缸内直喷型发动机十分流行，在很多主流车型都有使用。针对汽油直喷方式，IHI发动机将采用与车用高压共轨一样的系统和喷油器；针对柴油压燃，预计会采用更高的进气加压，提高缸内压力和温度；采用压力更高的燃油泵来实现更高的燃油喷射压力（这点目前是初步构想，有待后续验证）；在天然气作为燃料的情况下，需要更换掉原来的喷油嘴，使用天然气专用喷嘴。

  考虑到IHI发动机定位于廉价耐用，在燃油泵方面专门设计了不同于博世高压燃油泵的方案，目标是实现电动高压燃油泵，降低成本，提高输出压力，并实现压力流量连续可调。借助该新型高压燃油泵，来满足不同燃料，不同工况的IHI发动机的需求。

    问题20：这种新型发动机有可能在哪些领域得到运用？更适合哪些领域来用？

  考虑到设计定位和初期研发投入不会太高，我预计IHI 发动机的初期产品应该更加适合功率密度高，低速，耐用，吃粗粮的场合，比如，农机/农具，应急发电机机组，小型船只等领域。假如第一代产品就达到了足够高的功重比，那么，大载重无人机，消防无人机可以尝试进入，后期，IHI经过改良后，可靠性，油耗，升功率进一步提升的情况下，无人机，轻型直升机，轻型载人固定翼飞机都将很需要IHI发动机作为动力。

  假如IHI已经形成系列化成熟产品，将会有十分广泛的运用领域：除了农机/农具，应急发电机机组，小型船只，无人机，轻型直升机，轻型载人固定翼飞机之外，特种车辆，摩托车，卡丁车，各种发电机组/应急供电/不间断电源，移动式照明，抽水设备，冷链物流，新能源车增程器，军用机器人动力单元，诸多领域均可广泛使用。当然，IHI发动机在乘用车市场展露头角也不无可能！
   

编辑：黄飞