節(jié)能車發(fā)動機性能的提升

王鑫，勾志彬，鄭思哲，閆世明

（湖北汽車工業(yè)學院 汽車工程系，湖北 十堰442002）

1 項目背景

節(jié)能競技大賽，是使用Honda低油耗摩托車的四沖程發(fā)動機，設計、制作賽車，創(chuàng)造出表達環(huán)保主題的車身，限用1L汽油行駛更遠的距離，并最大限度地降低廢氣排放，是挑戰(zhàn)節(jié)能極限的一項競技賽事。人們不僅可以感受到“創(chuàng)造”與“交流”的樂趣，同時還可以體會到“低油耗，少減排就是環(huán)?！薄?/p>

湖北汽車工業(yè)學院于2010年首次報名參賽，成立“疾風車隊”。在9月份的比賽中，折合油耗成績?yōu)?44.319km/L，在全國90多支車隊中名列第10、成績顯著，但是距離全國頂尖強隊，如同濟大學，北京理工大學等，還有較大的差距，可提升空間很大。通過此次的科技創(chuàng)新立項平臺的研究，全面提高整車的經濟性能。

1.1 大賽關于發(fā)動機的規(guī)則要求

發(fā)動機以本田提供的四沖程125 cc發(fā)動機為基礎，可自由改造。但要遵守以下要求：1）氣缸蓋、曲軸箱、曲軸為Honda產品；2）排氣量在125 cc以下，自然進氣式，其結構必須確保潤滑油不會泄漏。

1.2 大賽指定發(fā)動機介紹

發(fā)動機型號：WH1152FMI；發(fā)動機型式：風冷、單缸、四沖程 ；氣缸工作容積 124.8 mL；壓縮比：9∶0∶1 ； 標定功率及對應轉速：5.9/7000 kW/（r/min）；最大功率及對應轉速：6.6/7500 kW/（r/min）； 最大扭矩及對應轉速：9.68/4000 kW/（r/min）；離合器形式：自動雙離合；起動方式：電動起/腳踏啟動；點火方式：CDI（電容二極管點火）。

結合大賽的官方要求，散熱形式、工作容積、壓縮比、離合器形式等均可進行自我創(chuàng)新、升級改進。

2 發(fā)動機改進理論基礎

2.1 發(fā)動機燃油經濟性的評價指標及影響因素

發(fā)現(xiàn)發(fā)動機的性能直接影響了最終的油耗成績。將整車經濟性能提高的主導因素就是降低發(fā)動機的油耗。整個項目中心任務就是通過改進發(fā)動機的本體結構，點火形式，點火正時等提高最后成績。

衡量整車燃油經濟性的指標主要是行駛一定距離的燃油消耗量或單位燃油消耗量能使車輛行駛多少路程。就本田節(jié)能大賽而言，在規(guī)定時間內在指定的賽道上行駛一段距離，通過燃油消耗量換算為體積油耗程長，單位是km/L。體積油耗程長的數(shù)據(jù)愈大說明了燃油經濟性愈好。

燃油經濟性除受其本身的結構、工藝水平、調整狀況以及燃油規(guī)格等因素影響外，還受到行駛道路、駕駛技術、交通情況、氣溫氣象等因素的影響。

2.2 發(fā)動機功率的選擇與燃油消耗的關系

燃油消耗率主要取決于發(fā)動機的結構和工作過程，尤其是排量、負荷率、燃燒效率等參數(shù)。

當節(jié)能車行駛時，其驅動功率與滾動阻力功率、行駛阻力功率、坡道阻力功率、加速阻力功率之和相平衡，即

式中：Pe為發(fā)動機驅動功率；Pf為滾動功率；Pi為坡道阻力功率；Pw為行使阻力功率；Pj為加速阻力功率；G為汽車重力；f為滾動阻力系數(shù)；v為車速，km/h；i為道路坡度；CD為空氣阻力系數(shù)；A為迎風面積,m2；δ為汽車旋轉質量換算系數(shù)；m為汽車質量；ηT為機械傳動效率。

從式（1）中可以看出，當節(jié)能車加大油門行駛時，隨著時間的增加、速度的遞增，其加速度逐漸趨向于 0，即 dv/dt→0，故 Pj→0，亦即節(jié)能車逐漸趨向于驅動功率與阻力功率相平衡的勻速行駛。

分析可知，在節(jié)能車行駛過程中，最終驅動功率會與阻動功率相平衡，即

此外，式（2）同時也表明，阻動功率與汽車總重量G，迎風面A等自身結構有關系，且與節(jié)能車行駛速度v有關。

只要能滿足比賽較低速度下的動力性需要，發(fā)動機功率選擇應盡量的少，在用最高擋時，達到上述阻力功率的80%～90%即可。因為從發(fā)動機的負荷特性可知，只有在節(jié)氣門開度較大、負荷率較高的情況下，發(fā)動機才有最低的燃油消耗率，發(fā)動機的燃油經濟才最好。

2.3 改進的方向

根據(jù)往屆比賽的經驗，車輛的平均行駛速度在30 km/h左右，處于低負載狀態(tài)。因此可以對發(fā)動機缸體及活塞部分做部分改造，減小發(fā)動機排量，降低發(fā)動機輸出功率，達到節(jié)油效果。

在傳動比選定和比賽策略的制定中需要著重考慮發(fā)動機負荷率的影響因素。“負荷率”為在一定轉速下實際負荷跟該轉速的最大負荷的比值。在一定范圍內，負荷率越高，經濟性越好。

較高的燃燒效率自然降低了發(fā)動機的燃油消耗率，可以通過控制進油量，提高點火能量來改善燃燒。在避免爆燃的情況下，適度提高壓縮比可提高發(fā)動機燃燒效率，對燃油經濟性有促進作用。

3 發(fā)動機具體結構的改進

3.1 發(fā)動機本體

3.1.1 發(fā)動機減重

通過分析此次比賽，每跑一圈點火次數(shù)不超過5次，每次點火間隔不超過10s。因此，發(fā)動機產生的熱量很小，不需要用自帶的風冷散熱鱗片進行機體冷卻，可以將分布在汽缸周圍的鱗片切除，減去了不少重量。

在比賽中，擋位的選擇主要為4擋，5擋。其余擋位基本沒有使用。因此，嘗試將發(fā)動機的變速箱系統(tǒng)進行拆除，只保留4、5兩擋的傳動嚙合齒輪。通過實際拆裝實驗發(fā)現(xiàn)，其內部結構過于復雜，而且一旦拆除這些齒輪，對齒輪的軸向定位有很大影響，對傳動軸的動平衡也有很大的影響。隨后放棄了拆除變速器部分齒輪的方案。

節(jié)能車的電路設計與普通摩托車的一個最大區(qū)別在于，不使用摩托車發(fā)動機的磁電機進行發(fā)電，而是使用蓄電池作為主要電源。因此可以考慮將發(fā)電機厚重的線圈和轉子去掉。在實際拆裝后發(fā)現(xiàn)發(fā)動機不能正常點火，查找原因后發(fā)現(xiàn)，由于磁電機拆除后，無點火脈沖信號，無法控制火花塞點火。磁電機的作用還有提供點火信號的功能，不能簡單的拆除，需要將凸輪軸位置傳感器單獨保留，以保證發(fā)動機的正常工作。

3.1.2 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)能車的發(fā)動機在一個點火周期內的工作時間較短，停機時間較長。散熱速度過快，對維持發(fā)動機效率不利。為了解決這個問題，在切除散熱片的汽缸周圍包裹一圈保溫材料；選擇了錫紙，錫紙能夠較好的貼合缸體表面，外部用細鐵絲加以固定，達到保溫效果。

3.2 發(fā)動機進氣系統(tǒng)

3.2.1 化油器

發(fā)動機的燃油直接來自于化油器的供給，化油器性能的好壞最直接的影響了最終的油耗多少。降低化油器的單位時間進油量能降低發(fā)動機的功率。如果在保證發(fā)動機正常燃燒的情況下減少進油量，經濟性將大大的提高。由化油器的結構分析可知，燃油供給量多少受化油器的主量孔與針閥間的間隙控制，只要減小間隙，供油量將減小。可以通過調整主量孔大小和針閥粗細的途徑來實現(xiàn)。根據(jù)此方案，購買不同內徑的主量孔和針閥，進行配對使用測試，找到油耗量最低的一組。

3.2.2 穩(wěn)壓腔

在化油器進氣口加裝一個小型的穩(wěn)壓腔，通過真空負壓的原理進行一定程度的增壓，不但增加了進氣量，改善了混合氣的霧化狀況，而且可以實現(xiàn)稀薄燃燒，提高燃油經濟性。

3.3 發(fā)動機缸體

為了提高發(fā)動機的壓縮比有2種方案可供選擇：一是將原裝活塞更換為平頂活塞，或是用填充物將副燃燒室填充；二是將氣缸蓋下端面磨薄?？紤]到改變活塞會破壞發(fā)動機本來的燃燒室結構，對燃燒過程有不利影響，而且火花塞容易發(fā)生碰撞干涉，故放棄此方案。選擇對汽缸蓋下端面進行處理，通過磨床對下端面磨薄0.5 mm。

在降低混合氣濃度和增大壓縮比后發(fā)動機的不穩(wěn)定點火和燃燒狀況出現(xiàn)的比較明顯。為了解決這個問題，在原有火花塞對稱位置自行打一火花塞孔，安裝一火花塞、輔助點火。

3.4 發(fā)動機點火系

發(fā)動機原配為CDI點火器，更換為一種可調程序的“超級點火器”，通過電腦可以將其內部的點火參數(shù)曲線進行調整。主要更改其在發(fā)動機不同轉速條件下的點火提前角，在不斷的寫入程序數(shù)據(jù)后，對單一變量的對比試驗分析，找到最佳的點火提前角度。高壓包、高壓線與火花塞全部更換為NGK（日本火花塞株式會社）套裝，大大提高了點火能量，保證賽車的平穩(wěn)起步和加速。

3.5 發(fā)動機排氣系統(tǒng)

通過AVL Boost軟件對排氣管模塊進行仿真得出，排氣背壓降到最低，其動力性削弱，但是其燃油經濟性提高了。

4 發(fā)動機燃油經濟性的試驗方法

4.1 臺架試驗

自制了簡易發(fā)動機臺架，固定發(fā)動機及其附件，安裝有油箱，電瓶及控制手柄。利用自制的齒輪泵阻尼，通過鏈條對發(fā)動機施加一定的負載，可進行發(fā)動機跑和及定載下的油耗測試。也可去掉負載，對發(fā)動機進行怠速油耗測試。

在油門開度及阻尼不變的情況下，調整單一參數(shù)（如點火提前角等）。對比各個變量下的燃油經濟性，分析數(shù)據(jù)找出最佳燃油經濟性曲線。

通過“尾氣分析儀”對發(fā)動機尾氣進行檢測，關注尾氣中的一氧化碳，碳顆粒等，從而分析發(fā)動機燃燒質量，改進燃燒。

4.2 道路試驗

將發(fā)動機安裝在節(jié)能車上，在學校操場進行跑圈循環(huán)測試。利用滴定管測定燃油消耗量，從隨車碼表中讀出行駛里程，計算出最終的油耗數(shù)據(jù)。

測試可以模擬較為真實的比賽環(huán)境，在加速與滑行相結合的策略下，比較了不同速度區(qū)間滑行下的油耗表現(xiàn)，最真實的測出類似于比賽的成績，具有較高參考價值。

5 展望

在節(jié)能車發(fā)動機的改進中，仍有以下幾點可以進行更深一步的創(chuàng)新和改進：1）徹底拆除原有變速機構，自制一級或兩級減速機構，滿足所需的傳動比。2）對齒輪箱進行切割，自制機油泵，減少機油用量，降低重量而且將機油準確送至潤滑表面。3）將雙頂置凸輪軸換為電磁閥，利用ECU控制氣門開閉，在關閉發(fā)動機后，將更加節(jié)省燃油。

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