某小型發(fā)動機(jī)性能優(yōu)化

（上汽通用五菱汽車股份有限公司技術(shù)中心，廣西 柳州 545007）

汽油發(fā)動機(jī)是一種依靠汽油與空氣的可燃混合物在氣缸內(nèi)部燃燒釋放化學(xué)能，再由曲柄連桿機(jī)構(gòu)，將熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的一種火花點(diǎn)火式內(nèi)燃機(jī)。隨著中國城鎮(zhèn)化的發(fā)展和越來越嚴(yán)格的油耗法規(guī)要求，緊湊高性能小型發(fā)動機(jī)成為一種發(fā)展趨勢。通過提高發(fā)動機(jī)的壓縮比，改善優(yōu)化發(fā)動機(jī)的進(jìn)排氣歧管，從而提升發(fā)動機(jī)的輸出性能以及燃油經(jīng)濟(jì)性。

1 現(xiàn)狀

某小型自然吸氣發(fā)動機(jī)的參數(shù)和性能如表1所示，其設(shè)計(jì)時發(fā)動機(jī)的最佳使用區(qū)域?yàn)橹懈咿D(zhuǎn)速范圍，無法滿足城鎮(zhèn)市場要求，客戶抱怨發(fā)動機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性較差，動力不足。

表1自然吸氣發(fā)動機(jī)參數(shù)、性能

2 發(fā)動機(jī)性能強(qiáng)化技術(shù)方案

2.1 壓縮比選型

氣缸最小工作容積，即活塞處于上止點(diǎn)時活塞上方的總?cè)莘e，稱燃燒室容積，用Vc表示；而活塞在下止點(diǎn)時活塞上方的全部容枳，即氣缸最大容積，稱氣缸總?cè)莘e，用Va表示。即

壓縮比表示活塞由下止點(diǎn)運(yùn)動到上止點(diǎn)時，氣缸內(nèi)氣體被壓縮的程度。壓縮比是發(fā)動機(jī)的重要參數(shù)之一。現(xiàn)代汽車發(fā)動機(jī)的壓縮比，汽油機(jī)由于受到爆震的限制，壓縮比一般為8～11[1].

壓縮比是發(fā)動機(jī)一個重要參數(shù)，其影響到發(fā)動機(jī)功率和扭矩的輸出。發(fā)動機(jī)在壓縮氣體的過程中，壓縮時所產(chǎn)生的氣缸壓力與溫度都會升高，若發(fā)動機(jī)的壓縮比提高了，這樣氣缸內(nèi)壓縮氣體的溫度升高了，有利于混合氣體中汽油分子的氣化，顆粒能夠更細(xì)。當(dāng)火花塞點(diǎn)火后，混合氣體能夠在瞬間完成燃燒，釋放出最大的爆發(fā)容量，最終轉(zhuǎn)化為發(fā)動機(jī)的動力輸出。基于以上，將原型機(jī)的壓縮比由9.8增大到10.2，并通過CAE計(jì)算，原型發(fā)動機(jī)主要運(yùn)動件強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。故本次選型在不改變原型機(jī)的其他參數(shù)的前提下，只提高發(fā)動機(jī)的壓縮比。發(fā)動機(jī)主要參數(shù)如表2所示。

表2發(fā)動機(jī)主要參數(shù)

經(jīng)過發(fā)動機(jī)性能試驗(yàn)，結(jié)果如圖1所示。

圖1不同壓縮比下的發(fā)動機(jī)性能對比

從臺架試驗(yàn)結(jié)果可以得出，提高發(fā)動機(jī)的壓縮比至10.2，提升了發(fā)動機(jī)高速區(qū)域的動力性約1%，提高了發(fā)動機(jī)中低速區(qū)域燃油經(jīng)濟(jì)性約0.7%，本次選型滿足設(shè)計(jì)要求。

2.2 進(jìn)氣歧管選型優(yōu)化

低阻力長氣道塑料進(jìn)氣歧管，內(nèi)表面光滑，氣流的流動阻力小，提高了發(fā)動機(jī)的進(jìn)氣效率，降低空氣流速，能讓空氣和燃料更好的混合，燃燒更充分，提升發(fā)動機(jī)中低速區(qū)域動力性和改善發(fā)動機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性。原型機(jī)的塑料進(jìn)氣歧管氣道長度較短，著重于中高速下得動力體現(xiàn)。結(jié)合發(fā)動機(jī)的使用環(huán)境以及客戶的需求，在2.1選型的基礎(chǔ)上，將改進(jìn)機(jī)1的進(jìn)氣歧管氣道長度由420 mm更改到560 mm，其他發(fā)動機(jī)參數(shù)不變。發(fā)動機(jī)主要參數(shù)如表3所示。

表3發(fā)動機(jī)主要參數(shù)

經(jīng)過發(fā)動機(jī)性能試驗(yàn)，性能結(jié)果如圖2所示。

圖2不同進(jìn)氣歧管長度下發(fā)動機(jī)性能對比

從臺架試驗(yàn)結(jié)果可以得出，使用長氣道的塑料進(jìn)氣歧管，提升了發(fā)動機(jī)中低速區(qū)域動力性約8%，提高了發(fā)動機(jī)中速區(qū)域燃油經(jīng)濟(jì)性約0.2%，本次選型滿足設(shè)計(jì)要求。

2.3 排氣歧管選型優(yōu)化

排氣歧管，是與發(fā)動機(jī)缸蓋相連的，將各缸的排氣集中起來導(dǎo)入排氣總管的，帶有分歧的管路。零件的設(shè)計(jì)要求是，盡量減少排氣阻力，并避免各缸之間相互干擾。排氣過分集中時，各缸之間會產(chǎn)生相互干擾，也就是某缸排氣時，正好碰到別的缸竄來的沒有排凈的廢氣。這樣，就會增加排氣的阻力，進(jìn)而降低發(fā)動機(jī)的輸出功率。解決的辦法是，使各缸的排氣盡量分開，每缸一個分支，或者兩缸一個分支，并使每個分支盡量加長并成型，以減少不同管內(nèi)的氣體相互影響。同時，排氣歧管在設(shè)計(jì)時應(yīng)考慮到發(fā)動機(jī)動力性能、發(fā)動機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性能、排放標(biāo)準(zhǔn)、發(fā)動機(jī)的成本、匹配的整車前艙布置及溫度場等[2]。

原型機(jī)的排氣歧管采用的是4-1式，排氣過程排氣阻力較大，影響發(fā)動機(jī)的輸出性能。在2.2選型的基礎(chǔ)上，將改進(jìn)機(jī)2的排氣歧管由4-1式更改為4-2-1式，即4個缸的排氣先兩兩（1缸和4缸的排氣集合在一起，2缸和3缸的排氣集合在一起）集合后（1缸和4缸的排氣集合在一起，2缸和3缸的排氣集合在一起）再統(tǒng)一集合到一根總管內(nèi)。這種結(jié)構(gòu)型式的排氣歧管能更有效地避免各缸氣流之間的影響，使排氣更順暢，減小排氣背壓，有利于廢氣及時有效的排出氣缸，從而提高發(fā)動機(jī)的效率和性能。

發(fā)動機(jī)主要參數(shù)如表4所示。

表4發(fā)動機(jī)主要參數(shù)

經(jīng)過發(fā)動機(jī)性能試驗(yàn)，性能結(jié)果如圖3所示。

圖3不同排氣歧管下發(fā)動機(jī)性能對比

從臺架試驗(yàn)結(jié)果可以得出，使用4-2-1式的排氣歧管，能夠提高發(fā)動機(jī)高速區(qū)域的動力性約2%，提高發(fā)動機(jī)中速區(qū)域燃油經(jīng)濟(jì)性約0.1%，本次選型滿足設(shè)計(jì)要求。

綜上，經(jīng)過對發(fā)動機(jī)的壓縮比、進(jìn)氣歧管、排氣歧管的設(shè)計(jì)優(yōu)化，能夠提升發(fā)動機(jī)中低速區(qū)域內(nèi)的動力型輸出，提高發(fā)動機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性。最終改進(jìn)后的發(fā)動機(jī)性能滿足最初的設(shè)計(jì)要求。

改進(jìn)機(jī)的主要參數(shù)及性能如表5所示。

表5發(fā)動機(jī)主要參數(shù)

原型機(jī)與改進(jìn)機(jī)的外特性對比，如圖4所示。

圖4改進(jìn)機(jī)與原型機(jī)的性能對比

3 結(jié)束語

通過對某小型發(fā)動機(jī)的壓縮比、進(jìn)氣歧管、排氣歧管的優(yōu)化，提高了發(fā)動機(jī)中低速區(qū)域內(nèi)的動力性和燃油經(jīng)濟(jì)性。改進(jìn)后的發(fā)動機(jī)動力性比原機(jī)提升了10%，燃油經(jīng)濟(jì)性提升了3%。

[1]周龍保.內(nèi)燃機(jī)學(xué)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

[2]龐興華.機(jī)械設(shè)計(jì)[M].北京:電子工業(yè)出版社，2010.

[3]楊連生.內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)[M].北京:中國農(nóng)業(yè)機(jī)械出版社，1981.