基于改裝的節(jié)能車發(fā)動機燃油經(jīng)濟性能提升

鄧鵬

摘要：以Honda中國節(jié)能競技大賽為背景，以賽方提供的125cc低油耗4沖程發(fā)動機為基礎(chǔ)，在不違背比賽規(guī)則的情況下，從發(fā)動機的切割減重、發(fā)動機的點火系改裝、發(fā)動機保溫、發(fā)動機潤滑系統(tǒng)改裝等方面提出可行的降低燃油消耗率的方案，并且在實際的道路試驗中取得了較好的效果。

關(guān)鍵詞：節(jié)能車;發(fā)動機;改裝;燃油經(jīng)濟性

0? 引言

為了喚起人們對于環(huán)保的探索欲， Honda創(chuàng)始人本田宗一郎先生于1981年在日本創(chuàng)辦首屆Honda節(jié)能競技大賽;2007年Honda節(jié)能競技大賽來到中國成為Honda中國節(jié)能競技大賽，至今為止已經(jīng)成功舉辦了12屆，比賽搭載Honda統(tǒng)一提供的125cc低油耗4沖程發(fā)動機，車架和車身等則由各車隊獨立創(chuàng)作完成，最終以燃油的消耗量多少而一決勝負[1]。自Honda中國節(jié)能競技大賽創(chuàng)辦以來，來自全國各地的科研團隊無不想盡各種辦法減少節(jié)能車的燃油消耗率。在整車結(jié)構(gòu)方面，通過盡量精簡車架結(jié)構(gòu)、使用碳纖維等輕量化的復(fù)合材料制作車身車架、設(shè)計流線型低風(fēng)阻的車身結(jié)構(gòu)、使用性能更加優(yōu)越的軸承、輪胎等來降低行駛阻力;在發(fā)動機方面，通過切割不必要的發(fā)動機結(jié)構(gòu)來減少其質(zhì)量、使用電控燃油噴射系統(tǒng)代替原有的化油器、改進發(fā)動機零部件結(jié)構(gòu)，進而提升發(fā)動機性能。本文將針對賽方提供的125cc發(fā)動機，從發(fā)動機的切割減重、發(fā)動機的點火系改裝、發(fā)動機保溫、發(fā)動機潤滑系統(tǒng)改裝等方面提出可行方案。

1? 大賽發(fā)動機及規(guī)則介紹

1.1 大賽發(fā)動機介紹（表1）

1.2 大賽規(guī)則介紹

發(fā)動機以Honda提供的四沖程125cc發(fā)動機為基礎(chǔ)，可自由改造。但需要遵守以下要求：

①氣缸蓋、曲軸箱、曲軸要求使用下發(fā)的發(fā)動機零部件（可加工使用）。

②排氣量在125cc以下，為自然進氣式，其結(jié)構(gòu)必須確保潤滑油不會泄漏。

2? 發(fā)動機具體改裝方案

2.1 大體切割方向和理論基礎(chǔ)

本田節(jié)能大賽提供的單缸125cc發(fā)動機共有4個擋位，兩種離合，而我們僅需要保留直接擋位和一個離合即可。因為比賽過程中發(fā)動機工作時間短，故缸體部分的散熱鰭也可進行切割處理，并選擇另外一種保溫材料進行缸體保溫。

2.2 具體切割方案和最終效果

變速箱部分切割：按照維修手冊上的操作方法，將手動離合模塊、變檔軸、起動軸、主軸、從動軸、軸承等零件拆下，對發(fā)動機變速箱部分進行切割，具體切割路徑如圖1。

因拆除了發(fā)動機的主軸和從動軸，故破壞了其所在的潤滑油路，要想維持原有潤滑系統(tǒng)的正常工作，必須保證切割后油路部分密封良好。另外，由于切割放棄了原有的機油注入口，故需要在原有既有注入口附近的保留機體上鉆取一個機油注入孔。

散熱鰭切割：用數(shù)控銑床對散熱鰭部分進行切割，僅留缸體部分。切割深度5mm（根據(jù)實際情況可有調(diào)整）。

發(fā)動機密封：因切割后失去了原有的密封效果，且因為需要利用右側(cè)離心式離合器下方齒輪傳動，故需要加工兩塊金屬板代替原有的右側(cè)曲軸箱蓋和切割后的發(fā)動機尾部。對于發(fā)動機尾部部分，由于沒有原始的固定位置，故采用焊接加密封膠的方法密封;對于發(fā)動機右側(cè)，由于原始的螺孔依然保留，故可以在原有螺栓固定基礎(chǔ)上加適當(dāng)密封膠進行密封，但須注意的是，右側(cè)有離合器軸和螺母，無法使金屬板整塊直接安裝，故考慮采用先對兩軸位置進行打孔擴孔操作后，用SolidWorks軟件畫出具體的孔密封模塊，利用3D打印的方式制造出一塊檔板，將擋板用密封膠密封于金屬板上。

傳動部分：切割之后的發(fā)動機無法進行正常傳動，故考慮利用離心使離合器傳動，這就需要對離合器軸套部分進行加工，加上一個皮帶傳動齒輪。

3? 發(fā)動機保溫

發(fā)動機工作在溫度范圍為80～90℃時，其效率最高。節(jié)能車在比賽過程中采取的是以滑行為主的行駛策略，故發(fā)動機停機時間較長，散熱速度過快，對維持發(fā)動機工作效率不利。為了解決這個問題，我們考慮在切除散熱片的氣缸周圍包裹一圈保溫材料，由于錫箔紙能夠較好的貼合缸體表面、質(zhì)量輕、保溫效果好，故考慮使用錫箔紙包裹切割后的氣缸，外部用軋帶加以固定，以達到保溫效果。[2]

4? 發(fā)動機點火系改裝

4.1 大體改裝方向和理論基礎(chǔ)

本田節(jié)能大賽提供的單缸125cc發(fā)動機僅配裝有一個原廠火花塞，無論是在點火能量還是點火成功率上都沒有達到我們的期望值，故考慮加裝火花塞來增加點火成功率和點火能量。

加裝雙火花塞有以下幾個優(yōu)點：

①采用雙火花塞點火后，兩個火花塞同時點火使混合氣爆炸燃燒，急速形成較強烈的渦流，大幅度加快了火焰的傳播速度，同時火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x縮短1/2，燃燒所用的時間也相應(yīng)縮短，提高了熱效率。

②由于燃燒時間縮短，點火提前角可以顯著推遲。因此，點火時燃燒室混合氣的溫度和壓力都較高，有利于著火和速燃。

③兩個火花塞同時點火，可使著火概率提高一倍，降低失火率，還可以進一步調(diào)稀空燃比，實現(xiàn)稀燃。[3]

④實現(xiàn)穩(wěn)定燃燒。

4.2 具體改裝方案

通常的雙火花塞點火系統(tǒng)是在半球形燃燒室兩側(cè)對稱布置兩個同型號火花塞，這兩個火花塞與燃燒室中心的距離相等，發(fā)動機怠速或低速運行時仍采用單火花塞點火;正常工作后，兩個火花塞才同時點火。[4]為實現(xiàn)雙火花塞點火，考慮原火花塞位置的對面鉆斜孔布置另一只火花塞，形成對置的雙火花塞點火機構(gòu)。由于雙火花塞的會使得火焰的蔓延速度加快，從而導(dǎo)致發(fā)動機工作循環(huán)出現(xiàn)問題，所以我們需要進行臺架實驗重新標定點火提前角并確定其最優(yōu)空燃比。

5? 發(fā)動機潤滑系改裝

通過對發(fā)動機的相關(guān)拆解我們發(fā)現(xiàn)，該發(fā)動機是通過曲軸直接輸出轉(zhuǎn)矩帶動機械式的機油泵工作，從而實現(xiàn)發(fā)動機的潤滑;而這就意味著，發(fā)動機的相當(dāng)一部分功率被消耗于潤滑系統(tǒng)的工作而非節(jié)能車的行駛，而且在準備發(fā)動機的相關(guān)臺架試驗的過程中，我們發(fā)現(xiàn)長時間的高功率運行會造成發(fā)動機機油過熱從而導(dǎo)致發(fā)動機出現(xiàn)故障甚至飛車拉缸等嚴重后果;故考慮去除原有的機械式內(nèi)置機油泵，在不改變其既有潤滑系統(tǒng)循環(huán)的基礎(chǔ)上，采用外置的電動機油泵，并且在油路上添加相應(yīng)的散熱器和壓力表、溫度傳感器等裝置，從而實現(xiàn)對機油溫度和壓力的實時監(jiān)控。

6? 發(fā)動機改裝后的穩(wěn)定性和數(shù)據(jù)標定試驗

由于對發(fā)動機進行上述改裝后，較大程度的改變了其原有機械結(jié)構(gòu)，故會對其相關(guān)工作循環(huán)造成一定影響，所以考慮對改裝后的發(fā)動機進行相關(guān)磨合試驗和臺架標定實驗，以實現(xiàn)其機械機構(gòu)的穩(wěn)定性并確定其最優(yōu)空燃比、改裝后的點火提前角、萬有特性圖等相關(guān)數(shù)據(jù)。

7? 改進成果

在此前2019年殼牌中國環(huán)保馬拉松賽中，西華大學(xué)節(jié)能車隊的最優(yōu)成績?yōu)?7.06KM/L，經(jīng)過上述的改裝后和數(shù)據(jù)標定后，我們于2020年寒假期間獲得的最新練車數(shù)據(jù)顯示，在同樣的道路條件和行駛策略及行駛距離下，改裝以后的成績達到了421.82KM/L，實際燃油消耗率降低了近80%，實現(xiàn)了較好的燃油經(jīng)濟性。

8? 結(jié)論

通過對Honda中國節(jié)能競技大賽賽方提供的125cc發(fā)動機進行切割減重、點火系改裝、潤滑系改裝、發(fā)動機保溫等改裝操作，并且經(jīng)過后期的發(fā)動機臺架試驗和道路試驗，證明所做技術(shù)改裝對發(fā)動機的經(jīng)濟性性能有積極表現(xiàn)，此套改裝方案可以實際應(yīng)用到比賽當(dāng)中并且有較好的表現(xiàn)。

參考文獻：

[1]Honda中國節(jié)能競技大賽|社會貢獻|企業(yè)信息|本田中國 《互聯(lián)網(wǎng)資源庫（https：//www.honda.com.cn）》.

[2]藍保楨，陳劭，孫曉天.基于CFD節(jié)能車隨動尾翼節(jié)油技術(shù)分析[J].交通節(jié)能與環(huán)保，2014，10（04）：17-22.

[3]閻希成，張俊杰，林漫群，朱保華，王之東.摩托車雙火花塞點火技術(shù)分析與應(yīng)用[J].小型內(nèi)燃機與車輛技術(shù)，2015，44（06）：68-70，85.

[4]徐中明，伍小龍，杜明磊，于海興.摩托車點火系統(tǒng)傳導(dǎo)騷擾仿真[J].汽車工程學(xué)報，2013，3（01）：59-65.