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    LJ491QE1汽油機提升性能的前期研究

    2010-02-13 09:24:25全海榮
    裝備制造技術(shù) 2010年3期
    關(guān)鍵詞:凸輪軸壓縮比汽油機

    全海榮

    (柳州五菱柳機動力有限公司,廣西柳州545005)

    當今世界,可持續(xù)發(fā)展是每一個國家必須高度重視的問題,我國政府也在多年前就提出這一命題,并把建設(shè)資源節(jié)約型和環(huán)境友好型社會作為戰(zhàn)略目標,以達到可持續(xù)發(fā)展。具體到汽車行業(yè),國家相關(guān)部門為了貫徹該戰(zhàn)略目標,陸續(xù)出臺了一系列的標準法規(guī),如《乘用車燃料消耗量限值》(GB 19578-2004)、《車用壓燃式、氣體燃料點燃式發(fā)動機與汽車排氣污染物排放限值及測量方法(中國Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ階段)》(GB 17691-2005)、《輕型汽車污染物排放限值及測量方法(中國Ⅲ、Ⅳ階段)》(GB 18352.3-2005)等。相關(guān)標準法規(guī)的不斷更新且日趨嚴格,要求汽車廠家要不斷發(fā)展技術(shù),更新?lián)Q代產(chǎn)品,使生產(chǎn)的汽車能夠能耗越來越小,排放的污染物越來越少。在此背景下,五菱柳機動力公司要求對現(xiàn)生產(chǎn)的LJ491QE1汽油機進行技術(shù)改造,向研發(fā)中心下達了對LJ491QE1汽油機進行性能提升開發(fā)的研發(fā)任務。

    1 LJ491QE1汽油機簡介

    我國目前生產(chǎn)的491汽油機基本都是以國外汽油機為原型機的產(chǎn)品?,F(xiàn)公司生產(chǎn)的LJ491QE1汽油機與國外原形機一樣,采用的是側(cè)置凸輪軸、每缸兩氣門、楔形燃燒室設(shè)計,缸徑為91mm,行程為86 mm,壓縮比為8.8,排量為2.237 L。為了適應我國日益嚴格的排放法規(guī)要求,LJ491QE1汽油機也從最早的化油器系統(tǒng),升級到了單點電噴燃油系統(tǒng),直到現(xiàn)在的多點電噴燃油系統(tǒng)。LJ491QE1汽油機采用的是德爾福MT20U多點電噴控制系統(tǒng),最大功率為75 kW,最大扭矩為190 N·m,最低燃油消耗率不大于265 g/(kW·h),達到《輕型汽車污染物排放限值及測量方法》(GB 18352.2-2001)(等同歐Ⅱ)規(guī)定的排放要求。該型汽油機目前還在批量生產(chǎn),主要搭載在北京汽車制造廠有限公司生產(chǎn)的1041型輕型卡車上。由于該型汽油機的先天性結(jié)構(gòu)因素,通過電控系統(tǒng)的優(yōu)化所獲得的整機性能提升已經(jīng)很有限,要大幅提升其性能,必須從整機結(jié)構(gòu)上著手開發(fā)。

    491汽油機在上世紀70年代開發(fā)時,局限于當時的技術(shù)水平,整個汽油機的結(jié)構(gòu)比較簡單。經(jīng)過幾十年的發(fā)展,現(xiàn)在的汽油機已經(jīng)出現(xiàn)了許多新的結(jié)構(gòu)形式,也采用了許多新的技術(shù),使得現(xiàn)在的汽油機的升功率、扭矩、油耗、排放都達到了很高的水平。為了節(jié)約開發(fā)成本與開發(fā)時間,同時根據(jù)目標客戶的價格可接受因素,我們經(jīng)過充分的研究,認為在不大幅提高汽油機的價格前提下,主要采用一些比較成熟、不需要投入太多資金的技術(shù),力爭在現(xiàn)生產(chǎn)的LJ491QE1汽油機成本基礎(chǔ)上,只增加較少的一些成本,而取得汽油機的整機性能能夠得到大幅度的提升。

    關(guān)于提升途徑的前期研究,可以有如下的思路。

    2 采用多氣門技術(shù)

    LJ491QE1汽油機現(xiàn)采用每缸兩氣門設(shè)計,配氣機構(gòu)比較簡單。凸輪軸放置在汽油機缸體的左側(cè)(從前端看),凸輪軸驅(qū)動液壓挺柱推動挺桿從而驅(qū)動氣門運動,沒有氣門間隙。由于采用了液壓挺柱,整個配氣機構(gòu)運轉(zhuǎn)時聲音較小。每缸兩個氣門的設(shè)計,也使得汽油機能在較低的轉(zhuǎn)速下獲得較大的扭矩輸出,其最大扭矩輸出的轉(zhuǎn)速在(2400~2800)r/min。這樣的機構(gòu)特點,雖然零部件少、結(jié)構(gòu)簡單、制造成本低、低速扭矩較好,但由于發(fā)動機在高速運轉(zhuǎn)時充氣效率較低,使得在高速運轉(zhuǎn)時燃燒不充分,導致升功率較小,總體油耗偏高,CO和HC的排放水平較高。目前,發(fā)動機的升功率指標要求越來越高,油耗與排放水平要求越來越低。因此,在LJ491QE1上采用每缸四氣門設(shè)計,將會使得汽油機在高速運轉(zhuǎn)時獲得較高的充氣效率,燃燒更充分,從而使整機的升功率指標得到提高,油耗與排放水平也會隨著得到改善。當然,每缸采用四氣門設(shè)計,會使得發(fā)動機在低速運轉(zhuǎn)時充氣效率降低,輸出扭矩也有一些降低,但要升功率、油耗與排放等指標得到改善,低速扭矩有點降低是可以接受的。

    LJ491QE1采用每缸四氣門設(shè)計后,原有的配氣機構(gòu)必須更改并重新布置。經(jīng)過整機結(jié)構(gòu)研究,設(shè)計方案是采用2根凸輪軸,凸輪軸布置形式為頂置式。由于原LJ491QE1側(cè)置布置的凸輪軸還要同時驅(qū)動機油泵工作,且不改動缸體和機油泵的結(jié)構(gòu)與布置位置,需要保留一根中間軸安裝在原來的凸輪軸軸承孔。曲軸通過1號正時鏈條帶動中間軸運轉(zhuǎn),中間軸再通過2號正時鏈條帶動凸輪軸運轉(zhuǎn),同時通過其上面的斜齒輪驅(qū)動機油泵驅(qū)動軸,從而驅(qū)動機油泵工作。凸輪軸與氣門之間空間較小,如果仍采用液壓挺柱,氣缸蓋需要設(shè)計油路,這樣勢必會使氣缸蓋的加工變得復雜,液壓挺柱與氣缸蓋的成本較高,對整機的價格控制很不利,因此,考慮采用機械挺柱代替液壓挺柱。

    3 提高壓縮比

    LJ491QE1的壓縮比為8.8,這個指標是與原型機設(shè)計時的汽油品質(zhì)相適應的。隨著煉油技術(shù)的發(fā)展,目前生產(chǎn)的汽油標號越來越高,也就是汽油的抗爆性能越來越好。我們知道,發(fā)動機的功率、扭矩等技術(shù)指標與壓縮比是有很大關(guān)系的。汽油發(fā)動機在運轉(zhuǎn)時,吸進來的通常是汽油與空氣混合而成的混合氣,在壓縮過程中活塞上行,除了擠壓混合氣使之體積縮小之外,同時也發(fā)生了渦流和紊流兩種現(xiàn)象。當密閉容器中的氣體受到壓縮時,壓力是隨著溫度的升高而升高。若汽油機的壓縮比較高,壓縮時所產(chǎn)生的氣缸壓力與溫度相對地提高,混合氣中的汽油分子能汽化得更完全,顆粒能更細密,再加上剛才所說的渦流和紊流效果和高壓縮比所得到的密封效果,使得在下一刻運動中,當火花塞跳出火花時,就能使得這混合氣在瞬間內(nèi)完成燃燒的動作,釋放出最大的爆發(fā)能量,來成為汽油機的動力輸出。因此,高壓縮比的汽油機,往往意味著可具有較大的動力輸出。當然,壓縮比也不是越大越好,在考慮可能會產(chǎn)生爆震的基礎(chǔ)上,也要考慮原LJ491QE1的一些零部件的強度問題。

    經(jīng)過對比分析目前國內(nèi)主流的汽車汽油機,壓縮比普遍在9.5~10.5之間。在分析LJ491QE1的結(jié)構(gòu)時,為了減少改動,降低開發(fā)成本,決定保留氣缸體、曲軸、連桿的結(jié)構(gòu)不變。因此,壓縮比不能取太高,以免原機體零部件的強度不夠。經(jīng)過分析論證,認為把LJ491QE1發(fā)動機的壓縮比由8.8提高到10是比較合理的。通過修改燃燒室和活塞頂面的結(jié)構(gòu)形狀,就可以實現(xiàn)壓縮比的改變。

    4 提高最高轉(zhuǎn)速

    LJ491QE1的最高轉(zhuǎn)速只有4600 r/min,此時輸出最大的功率為75 kW。我們知道,一臺汽油機的轉(zhuǎn)速越高,它在單位時間內(nèi)作功的次數(shù)就越多,所以相應的它輸出的功率就越大。通過電控系統(tǒng)提高汽油機的最高轉(zhuǎn)速,這對于提升功率指標具有顯著的作用。經(jīng)過計算與論證,計劃把LJ491QE1的最高轉(zhuǎn)速由4600 r/min提高到5400 r/min,此時,曲軸與連桿等零部件的強度還在安全范圍之內(nèi)。但是,由于壓縮比由8.8提高到10,同時最高轉(zhuǎn)速提高,活塞的熱負荷增加較多。必須對活塞進行及時有效的冷卻才能保證發(fā)動機的正常工作。為了解決這個問題,在不改動汽油機氣缸體冷卻水路與油路的基礎(chǔ)上,決定在氣缸體沿著曲軸中心線的主油路上,在每個汽缸的中心線平面位置安置一個噴嘴,讓機油在壓力作用下噴向活塞底部,以達到冷卻活塞的目的。

    5 其他途徑

    除了上述三種方法可以提高汽油機性能的途徑外,還有許多新技術(shù)可以提升性能指標。增壓技術(shù)可以大幅提高汽油機的性能,但如果LJ491QE1采用增壓技術(shù),那么相關(guān)的零部件就需要增加強度,才能滿足使用要求。同時,由于汽油機的熱負荷也會增加許多,整個冷卻系統(tǒng)也需要重新設(shè)計。這對于既要節(jié)約開發(fā)時間與成本,又要控制整機的價格水平來說,增壓技術(shù)是不能采用的。此外,還有可變氣門正時技術(shù)與可變進氣管等新技術(shù)可以采用,以達到提升整機性能的目的,但是由于這兩項技術(shù)的采用,也會大幅提高研發(fā)與生產(chǎn)成本,因此決定不采用這兩項技術(shù)。

    6 結(jié)束語

    在既要節(jié)約開發(fā)時間與成本又要控制整機的生產(chǎn)成本前提下,我們的研發(fā)團隊經(jīng)過對LJ491QE1汽油機的性能指標分析與整機結(jié)構(gòu)分析,找出了一系列可以提高LJ491QE1汽油機的性能指標的途徑。我們認為,在LJ491QE1汽油機的基礎(chǔ)上,只要把每缸兩氣門改為每缸四氣門,把壓縮比由8.8提高到10,汽油機的最高轉(zhuǎn)速由4600 r/min提高到5400 r/min,那么,新的LJ491QE1汽油機的額定功率將會從現(xiàn)在的75kW提高到100kW以上,最大扭矩將會從現(xiàn)在的190N·m提高到200N·m以上,最低燃油消耗率將會從現(xiàn)在的不大于265 g/(kW·h)降低到不大于 260 g/(kW·h)以下。

    從以上的前期研究分析可見,LJ491QE1汽油機只要采用了上述的三種改進途徑,其整機性能指標將會得到較大的提升,我們的研發(fā)任務也將會得到很好的完成。

    [1]袁兆成,等.內(nèi)燃機設(shè)計[M].北京:機械工業(yè)出版社,2008.

    [2]吳 明,等.汽車發(fā)動機設(shè)計生產(chǎn)新工藝新技術(shù)與質(zhì)量檢驗標準規(guī)范實用手冊[M].北京:北方工業(yè)出版社,2007.

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