摩托車發(fā)動機(jī)熱管理對機(jī)油消耗的研究

摘 要：摩托車是最常用的交通工具之一，其引擎的工作特性與穩(wěn)定性直接影響到整車的綜合性能。內(nèi)燃機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)時會產(chǎn)生大量的熱能，對其進(jìn)行有效的熱管理，不但關(guān)系到整車的工作性能，也關(guān)系到機(jī)油的消耗量，隨著摩托車性能的不斷提高，對發(fā)動機(jī)熱管理的要求也越來越高，摩托車發(fā)動機(jī)在高溫條件下，機(jī)油消耗量增大，會影響發(fā)動機(jī)的穩(wěn)定性和使用壽命，因此發(fā)動機(jī)熱管理對發(fā)動機(jī)油耗的影響成為摩托車生產(chǎn)廠家與用戶共同關(guān)心的問題。

關(guān)鍵詞：摩托車 發(fā)動機(jī)熱管理 機(jī)油消耗

摩托車發(fā)動機(jī)在使用過程中，由于高溫、高壓的工作環(huán)境，導(dǎo)致各零部件溫度迅速升高，為了使發(fā)動機(jī)保持在合適的工作溫度范圍內(nèi)，生產(chǎn)廠家對發(fā)動機(jī)進(jìn)行了一系列的設(shè)計(jì)與技術(shù)措施，包括冷卻系統(tǒng)，管道設(shè)計(jì)等。這些熱管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)是否合理，將直接影響到發(fā)動機(jī)散熱效果及溫控能力，進(jìn)而影響機(jī)油消耗量。發(fā)動機(jī)機(jī)油具有潤滑、冷卻和清洗等功能，但是在高溫環(huán)境中，機(jī)油的性能會發(fā)生變化，極易發(fā)生氧化、揮發(fā)等現(xiàn)象，造成機(jī)油油耗的增加。當(dāng)機(jī)油消耗量過大時，不僅增加了使用成本，而且降低了工作效率，甚至降低了發(fā)動機(jī)的穩(wěn)定性和使用壽命。因此如何有效地控制燃油消耗，提高發(fā)動機(jī)運(yùn)行效率，是摩托車生產(chǎn)廠家與用戶共同面對的課題。

1 摩托車發(fā)動機(jī)熱高效管理的重要性

1.1 提高降溫效果

摩托車發(fā)動機(jī)在高速運(yùn)轉(zhuǎn)過程中會產(chǎn)生大量的熱量，如得不到有效的散熱和冷卻，將導(dǎo)致發(fā)動機(jī)過熱。發(fā)動機(jī)過熱不僅降低了功率輸出，而且降低了燃燒效率，嚴(yán)重時還會引起發(fā)動機(jī)故障。因此通過增加散熱面積和設(shè)計(jì)良好的導(dǎo)風(fēng)結(jié)構(gòu)，可有效提高冷卻效果，使發(fā)動機(jī)處于合適的工作溫度區(qū)間，保證發(fā)動機(jī)正常工作。

1.2 降低汽缸熱變形

摩托車發(fā)動機(jī)工作在高溫環(huán)境中，缸內(nèi)熱膨脹引起缸內(nèi)變形，影響缸內(nèi)密封性能及運(yùn)動精度。氣缸的熱變形不僅降低了發(fā)動機(jī)的效率，而且加速了零件的磨損，縮短了其使用壽命。因此通過優(yōu)化氣缸材料、強(qiáng)化氣缸冷卻系統(tǒng)等措施，可有效地減少氣缸熱變形，從而提高發(fā)動機(jī)的可靠性與穩(wěn)定性。

1.3 減少機(jī)油消耗量

發(fā)動機(jī)長期處于高溫環(huán)境中，機(jī)油的蒸發(fā)、氧化、揮發(fā)等都會使機(jī)油迅速消耗。如果機(jī)油消耗量過大，將使機(jī)油潤滑性能降低，使各零部件的磨損增大，嚴(yán)重時甚至引起發(fā)動機(jī)故障。因此通過對發(fā)動機(jī)的散熱系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，提高發(fā)動機(jī)的熱效率，就能有效地降低機(jī)油的消耗量，延長換油周期，減少維修費(fèi)用，從而提高發(fā)動機(jī)的可靠性和使用壽命。

1.4 縮短機(jī)油點(diǎn)檢周期

定期檢查、更換機(jī)油是保證發(fā)動機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)的重要手段，然而在高溫工況下，發(fā)動機(jī)機(jī)油極易發(fā)生氧化污染，導(dǎo)致機(jī)油性能下降，從而影響發(fā)動機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。如果使用時間過長，則會使發(fā)動機(jī)零部件過度磨損，嚴(yán)重時甚至引起嚴(yán)重故障。因此提高發(fā)動機(jī)的散熱效率，優(yōu)化機(jī)油循環(huán)系統(tǒng)，可有效地縮短點(diǎn)檢周期，維持發(fā)動機(jī)的穩(wěn)定性，提高發(fā)動機(jī)的可靠性與耐久性。

1.5 維持動力、消耗性能和排放標(biāo)準(zhǔn)

發(fā)動機(jī)需要在較高的溫度下更高效地運(yùn)轉(zhuǎn)，更大的功率輸出和更快的反應(yīng)速度，如果發(fā)動機(jī)溫度過高或者過低，都會影響發(fā)動機(jī)的工作性能，嚴(yán)重時還會引起發(fā)動機(jī)性能的下降，從而影響騎乘體驗(yàn)。發(fā)動機(jī)溫度還會影響摩托車的排放，高溫易造成燃燒不完全，產(chǎn)生有害氣體，對環(huán)境及人體健康產(chǎn)生不利影響，因此對摩托車發(fā)動機(jī)進(jìn)行科學(xué)、合理的熱管理，可使發(fā)動機(jī)處于良好的工作狀態(tài)，保持其功率、油耗及排放指標(biāo)，達(dá)到安全、高效、環(huán)保的目的。

2 熱管理不良對機(jī)油消耗的影響

2.1 提高發(fā)動機(jī)溫度

發(fā)動機(jī)長期工作在高溫環(huán)境中，機(jī)油內(nèi)分子的熱運(yùn)動增加，分子間的相互作用減弱，導(dǎo)致機(jī)油分子之間的阻力減小，從而使機(jī)油的粘度降低，不能有效地潤滑各零件。隨著溫度的升高，機(jī)油的氧化，揮發(fā)，消耗也越來越快，導(dǎo)致發(fā)動機(jī)需要更多的機(jī)油。

2.2 增加摩擦和磨損

不佳的熱管理也增加了發(fā)動機(jī)內(nèi)部零件間的摩擦力與磨損，從而增加了機(jī)油的消耗量。在高溫環(huán)境中，各零件間的摩擦力增大，使零件表面磨損加劇，如果機(jī)油不能對這些零件進(jìn)行有效的潤滑，那么摩擦就會變得更加明顯，從而加快發(fā)動機(jī)零部件的磨損速度，從而增加油耗。

2.3 降低機(jī)油粘度

當(dāng)發(fā)動機(jī)處于較高的溫度時，潤滑油的粘度就會降低，機(jī)油粘度指的是機(jī)油在高溫條件下的流動性及潤滑性，若粘度過低，則機(jī)油不能對發(fā)動機(jī)各零件起到有效潤滑作用，導(dǎo)致機(jī)油消耗量增大。所以如果不能很好地控制熱，就會導(dǎo)致機(jī)油粘度的下降，從而加劇機(jī)油的消耗量。

2.4 導(dǎo)致機(jī)油氧化

在高溫條件下，發(fā)動機(jī)機(jī)油在高溫下發(fā)生氧化，改變其化學(xué)成分，使其失去潤滑性能。機(jī)油氧化會使機(jī)油變質(zhì)，失去潤滑作用，加快發(fā)動機(jī)內(nèi)零部件的磨損，使油耗增加[1]。因此如果熱管理不好，就會加劇機(jī)油的氧化，從而縮短機(jī)油的使用壽命，增加換油次數(shù)。

2.5 加速機(jī)油的揮發(fā)和流失

當(dāng)發(fā)動機(jī)處于過熱狀態(tài)時，機(jī)油中揮發(fā)性物質(zhì)會迅速揮發(fā)，從而使油量降低，揮發(fā)性物質(zhì)是發(fā)動機(jī)機(jī)油中的揮發(fā)性成分，它的揮發(fā)會降低發(fā)動機(jī)機(jī)油濃度，降低潤滑油的潤滑效果。同時環(huán)境溫度過高還會使機(jī)油損失加劇，短時間內(nèi)機(jī)油消耗量增加。

2.6 影響機(jī)油的潤滑性能

在發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，潤滑油起到了潤滑、冷卻、清洗、密封等作用，保證了發(fā)動機(jī)各個部件的正常工作。但是在過熱的情況下，機(jī)油粘度下降，潤滑性能下降。造成摩擦增加，磨損加劇，嚴(yán)重時甚至?xí)斐砂l(fā)動機(jī)的損壞。

3 風(fēng)冷發(fā)動機(jī)的冷卻系統(tǒng)

風(fēng)冷發(fā)動機(jī)的冷卻系統(tǒng)包括風(fēng)扇、風(fēng)扇罩、導(dǎo)風(fēng)罩、氣缸頭及氣缸上的散熱片等部件，它們協(xié)同工作，保證發(fā)動機(jī)正常工作溫度，提升發(fā)動機(jī)性能與使用壽命。風(fēng)扇罩的主要功能是將外界氣流引導(dǎo)到發(fā)動機(jī)內(nèi)部，從而提高發(fā)動機(jī)的散熱效率，一般情況下，風(fēng)扇罩的設(shè)計(jì)應(yīng)具有良好的空氣動力學(xué)性能，能有效引導(dǎo)氣流在發(fā)動機(jī)周圍流動，形成所需的冷卻氣流。導(dǎo)風(fēng)罩一般安裝在引擎周圍，將氣缸頭和氣缸包圍起來，通過從風(fēng)扇罩引導(dǎo)進(jìn)來的冷卻風(fēng)對氣缸頭和氣缸強(qiáng)制冷卻。在發(fā)動機(jī)運(yùn)行過程中，通過對導(dǎo)風(fēng)罩形狀及位置的合理設(shè)計(jì)，可有效提高冷卻效率，降低發(fā)動機(jī)運(yùn)行時的溫升。另外導(dǎo)風(fēng)罩對發(fā)動機(jī)具有保護(hù)、隔離作用，防止外界雜物進(jìn)入發(fā)動機(jī)內(nèi)部，保證發(fā)動機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。設(shè)置再在氣缸頭和氣缸上的散熱片，具有增加散熱面積和增加散熱效率的功能。增加散熱片數(shù)量及密度，可有效改善發(fā)動機(jī)冷卻效果，降低工作溫度。

4 摩托車發(fā)動機(jī)熱高效管理的方法

4.1 冷卻系統(tǒng)優(yōu)化，降低機(jī)油、高熱部件的溫度

傳統(tǒng)的風(fēng)扇設(shè)計(jì)存在進(jìn)氣量不足、發(fā)動機(jī)散熱不及時等問題，為解決這個問題，工程人員可設(shè)計(jì)一種新的冷卻風(fēng)扇，以增加進(jìn)氣量，通過對葉片形狀及數(shù)量的優(yōu)化，調(diào)節(jié)葉片傾角與長度，可有效提高進(jìn)氣效率，保證發(fā)動機(jī)獲得充足的冷卻空氣量。除增加進(jìn)氣量外，對風(fēng)扇罩及導(dǎo)風(fēng)罩的優(yōu)化也是提高冷卻效果的重要因素。風(fēng)扇罩與導(dǎo)風(fēng)罩的設(shè)計(jì)，直接關(guān)系到冷氣的利用率，優(yōu)化風(fēng)扇罩與導(dǎo)風(fēng)罩的外形、材料及結(jié)構(gòu)，可改善氣流特性，降低散熱損失，提高散熱效果[2]。例如，對風(fēng)扇罩內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，提高其與發(fā)動機(jī)的密封性能，可有效改善其冷卻效果。在此基礎(chǔ)上，通過優(yōu)化導(dǎo)風(fēng)罩的出氣口位置及形狀，提高冷卻空氣利用效率，保證冷卻空氣能完全覆蓋發(fā)動機(jī)高溫部件，降低其溫升。還可通過其他一些具體措施，對冷卻系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，以降低機(jī)油及高溫零件的溫度。例如，優(yōu)化冷卻介質(zhì)循環(huán)系統(tǒng)，改善冷卻效果。綜合運(yùn)用以上幾種方法，可有效降低發(fā)動機(jī)工作溫度，延長其使用壽命，改善其性能（冷卻系統(tǒng)優(yōu)化如圖1所示）。

4.2 氣缸頭通風(fēng)道結(jié)構(gòu)優(yōu)化，降低缸頭溫度

在傳統(tǒng)鑄造技術(shù)中，通風(fēng)道常采用金屬芯部構(gòu)成空腔結(jié)構(gòu)，但金屬芯部導(dǎo)熱系數(shù)高，極易引起缸頭溫度過高[3]。相比較而言，砂芯成型采用砂型模具，能較好的隔絕導(dǎo)熱，降低對缸頭溫度的影響。通過對砂芯設(shè)計(jì)及材料選擇的優(yōu)化，可有效提高排氣道的散熱效果，降低發(fā)動機(jī)工作溫度。在風(fēng)道內(nèi)加裝導(dǎo)風(fēng)裝置，可改善氣流流速及方向性，加速散熱，導(dǎo)風(fēng)設(shè)計(jì)可通過優(yōu)化排風(fēng)道布局及外形，使氣流能更好的沖刷缸頭表面，并將過多的熱量帶走，同時合理設(shè)計(jì)風(fēng)道的布置位置及數(shù)量，可避免氣流的堵塞與交叉，使風(fēng)道達(dá)到最大的散熱效果。也可從結(jié)構(gòu)、材料等方面進(jìn)一步降低缸頭溫度，例如，采用導(dǎo)熱系數(shù)高、耐高溫的材料制作通風(fēng)道，可提高散熱效率，降低熱積累[4]。通過對通風(fēng)道內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，如加裝散熱片和調(diào)整通風(fēng)道截面形狀等，可有效降低缸頭溫度，延長發(fā)動機(jī)壽命（氣缸頭通風(fēng)道示意圖如圖2所示）。

4.3 氣門座圈材質(zhì)優(yōu)化、降低汽缸熱變形，減少上下竄的機(jī)油量

為了提高氣門座圈的性能，可考慮將其材料改成粉末冶金，具有很好的耐熱、耐磨性能，比傳統(tǒng)材料更耐用、更可靠。用粉末冶金制作的氣門座圈，能有效地減少磨損量，延長其使用壽命，提高其可靠性與穩(wěn)定性，此外粉末冶金還能更好的適應(yīng)高溫工況，有效降低氣門座圈在高溫環(huán)境中的變形與損傷，進(jìn)一步提高發(fā)動機(jī)性能與可靠性[5]。氣門座圈材料的優(yōu)化是減少下竄機(jī)油的關(guān)鍵，如果氣門座圈材料不好或者有損傷，機(jī)油就會從氣門座圈下竄到燃燒室，引起排放升高等問題。因此采用耐磨耐高溫的氣門座圈材料，能夠有效地降低機(jī)油下竄現(xiàn)象，從而改善發(fā)動機(jī)的燃燒效果，提高發(fā)動機(jī)的穩(wěn)定性。

缸套和活塞間的間隙是機(jī)油上竄的主要途徑，如果缸套中活塞的運(yùn)動狀態(tài)不穩(wěn)或者氣缸壁磨損過大，機(jī)油就會沿著活塞與氣缸壁之間的間隙向上竄到燃燒室，導(dǎo)致發(fā)動機(jī)燒機(jī)油，引起排放升高。所以保證缸套表面平整，活塞與缸套的配合精度，是降低機(jī)油上竄、提升內(nèi)燃機(jī)工作效率及可靠性的關(guān)鍵。

4.4 ECU程式優(yōu)化，加大引擎溫度保護(hù)區(qū)間

通過對點(diǎn)火提前角進(jìn)行優(yōu)化，可提高發(fā)動機(jī)熱效率，其中點(diǎn)火提前角是活塞到達(dá)頂點(diǎn)前點(diǎn)火所處位置，合理調(diào)節(jié)點(diǎn)火提前角可提高發(fā)動機(jī)燃燒效率，減少發(fā)動機(jī)熱損耗，降低尾氣排放，通過對點(diǎn)火提前角的優(yōu)化，可使發(fā)動機(jī)在較高的溫度下更穩(wěn)定、更有效地工作。ECU程序優(yōu)化也可通過調(diào)節(jié)噴油量來提高發(fā)動機(jī)熱效率，燃油噴注量的大小直接影響發(fā)動機(jī)在燃燒過程中所釋放出的熱量及功率，合理控制燃油噴注量可使發(fā)動機(jī)在高溫環(huán)境下更高效、更節(jié)能。通過對噴油量的優(yōu)化，可使發(fā)動機(jī)在較高溫度下的燃燒溫度降低，并降低燃燒過程中產(chǎn)生的熱量，達(dá)到防止發(fā)動機(jī)過熱破壞的目的。ECU程序優(yōu)化也可通過調(diào)節(jié)冷卻系統(tǒng)的控制參數(shù)，使發(fā)動機(jī)溫度保持在合適的范圍內(nèi)，從而擴(kuò)大發(fā)動機(jī)溫度區(qū)間，合理調(diào)節(jié)冷卻系統(tǒng)的控制參數(shù)，可提高冷卻效率，擴(kuò)大發(fā)動機(jī)溫域范圍，保證發(fā)動機(jī)在較高溫度環(huán)境下仍能保持較高的穩(wěn)定性。ECU程序優(yōu)化也能通過優(yōu)化排氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)、調(diào)整氣缸壓縮比等參數(shù)，進(jìn)一步提高發(fā)動機(jī)熱效率[6]。

5 結(jié)束語

在實(shí)際應(yīng)用過程中，發(fā)動機(jī)熱管理對機(jī)油消耗的影響也是非常明顯的，發(fā)動機(jī)溫度升高會加速機(jī)油的氧化降解，降低機(jī)油的潤滑性，增大摩擦損失，增加機(jī)油消耗，由于發(fā)動機(jī)溫度過高，機(jī)油揮發(fā)加劇，導(dǎo)致發(fā)動機(jī)機(jī)油量下降。通過對發(fā)動機(jī)熱管理系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，能夠有效地減少機(jī)油的消耗量，延長發(fā)動機(jī)的使用壽命，提升摩托車的綜合性能。只有不斷地進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新，提高用戶意識，才能從根本上解決摩托車發(fā)動機(jī)熱管理所產(chǎn)生的機(jī)油消耗問題，為我國摩托車工業(yè)的持續(xù)發(fā)展打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

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