論汽油發(fā)動(dòng)機(jī)性能提升方法研究及實(shí)踐

羅富勝

摘要：在如今的汽油發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域，大部分都從三方面來對(duì)傳統(tǒng)汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的性能提升：方法一，對(duì)汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，提高發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒效率;方法二，提升汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的充氣效率，對(duì)汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)排氣系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化、或?qū)ζ桶l(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣等系統(tǒng)進(jìn)行匹配設(shè)計(jì)，提高進(jìn)氣量;方法三，對(duì)汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的各個(gè)零部件進(jìn)行不斷的優(yōu)化，進(jìn)一步的提高汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力輸出，最大限度的降低汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的損耗。在不同的領(lǐng)域，對(duì)不同的汽油發(fā)動(dòng)機(jī)項(xiàng)目，應(yīng)按照項(xiàng)目的汽油發(fā)動(dòng)機(jī)要求、以及項(xiàng)目要求優(yōu)先提升汽油發(fā)動(dòng)機(jī)性能等條件。

關(guān)鍵詞：汽油;發(fā)動(dòng)機(jī);性能提升

中圖分類號(hào)：U464.171? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）06-0199-02

1? 汽油發(fā)動(dòng)機(jī)性能提升方法研究的背景和意義

從1879年，德國(guó)工程師卡爾·本茨，首次試驗(yàn)成功一臺(tái)二沖程試驗(yàn)性發(fā)動(dòng)機(jī)至今，短短的幾百年時(shí)間里。在汽車、航空、船舶等運(yùn)輸領(lǐng)域中隨處可見發(fā)動(dòng)機(jī)的影子，發(fā)動(dòng)機(jī)短短的幾百年里發(fā)展那么快的主要原因是關(guān)于發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，越來越多的新技術(shù)新材料被投入到發(fā)動(dòng)機(jī)里，以及完整的生產(chǎn)配套體系。雖然新能源車的發(fā)展非常迅速，然而純電動(dòng)車因存在充電時(shí)間長(zhǎng)和續(xù)航里程短的問題，一直都只能充當(dāng)燃油發(fā)動(dòng)機(jī)汽車之后第二選擇，只能平時(shí)代步或者短途出行使用，在緊急情況下或者長(zhǎng)途出行時(shí)，首選還是燃油發(fā)動(dòng)機(jī)汽車。這是全社會(huì)的共識(shí)，雖然到現(xiàn)在，在各大車企和動(dòng)力電池供應(yīng)商的努力下，純電動(dòng)車已經(jīng)成為了許多人的選擇。但是汽油發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)轉(zhuǎn)速高（轎車用汽油機(jī)最高轉(zhuǎn)速可達(dá)5000—6000R/MIN），適應(yīng)性好。工作平穩(wěn)、柔和，操作方便省力，動(dòng)力足，容易啟動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)，新能源汽車一時(shí)間難以匹敵，其次當(dāng)前在汽車市場(chǎng)上汽油發(fā)動(dòng)機(jī)汽車還是很受歡迎，大部分家庭的選擇還是汽油發(fā)動(dòng)機(jī)，所以對(duì)汽油發(fā)動(dòng)機(jī)性能提升的研究還是有重大意義。

1.1 國(guó)內(nèi)發(fā)動(dòng)機(jī)性能開發(fā)現(xiàn)狀

在中國(guó)進(jìn)入WTO之后，世界各大汽車廠商紛紛涌入中國(guó)市場(chǎng)，并在中國(guó)市場(chǎng)占據(jù)優(yōu)勢(shì)地位，導(dǎo)致中國(guó)國(guó)內(nèi)自主汽車品牌只能依靠模仿和以前所積累的技術(shù)來對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行研究設(shè)計(jì)，但終究逃脫不了外國(guó)發(fā)動(dòng)機(jī)的影子，創(chuàng)新能力有限，為了減少在發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)和開發(fā)過程出現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)和失誤，國(guó)內(nèi)汽車廠商在發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)研制的過程中和關(guān)鍵零部件的制造主要以逆向?yàn)橹鳎L(zhǎng)期以往便造成了國(guó)內(nèi)汽車制造廠商的產(chǎn)品創(chuàng)新性不足，難以與國(guó)外的汽車廠商競(jìng)爭(zhēng)，并且一直處于跟風(fēng)的狀態(tài)，更不用說對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行優(yōu)化改良使產(chǎn)品達(dá)到更高的水平，長(zhǎng)期以往使得國(guó)內(nèi)廠商品牌影響力降低進(jìn)而又導(dǎo)致了國(guó)內(nèi)廠商創(chuàng)新性降低，市場(chǎng)占有率下降的死循環(huán)。起初國(guó)內(nèi)汽車制造廠商，對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)研發(fā)主要是依靠購買進(jìn)口的發(fā)動(dòng)機(jī)，但是由于國(guó)外廠商供貨經(jīng)常出現(xiàn)不足的情況，國(guó)內(nèi)汽車廠商便有一部分開始引進(jìn)先進(jìn)的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行逆向研究開發(fā)，但是不管是發(fā)動(dòng)機(jī)的逆向開發(fā)還是發(fā)動(dòng)機(jī)的正向開發(fā)研究和設(shè)計(jì)都需要時(shí)間的積累和技術(shù)的沉淀以及需要足夠的基礎(chǔ)理論研究，這就導(dǎo)致了國(guó)內(nèi)汽車廠商難以在短時(shí)間內(nèi)制造出優(yōu)良的產(chǎn)品，也不能讓產(chǎn)品經(jīng)受市場(chǎng)的長(zhǎng)時(shí)間檢驗(yàn)，深刻的影響了國(guó)內(nèi)汽車品牌的價(jià)值。但在2010年前后，國(guó)內(nèi)汽車廠商開始意識(shí)到掌握對(duì)汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)和開發(fā)的必要性。國(guó)內(nèi)汽車制造廠商開始與國(guó)內(nèi)外知名的制造設(shè)計(jì)公司開展合作。與此同時(shí)，隨著大設(shè)計(jì)公司的設(shè)計(jì)軟件在時(shí)間的推移下慢慢的進(jìn)入到國(guó)內(nèi)的各大汽車制造廠商，國(guó)內(nèi)的各大汽車制造廠商也因此有了設(shè)計(jì)和研發(fā)汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的能力。隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和中國(guó)的乘用車需求的極大的提升，為了能夠在外國(guó)汽車廠商占據(jù)國(guó)內(nèi)汽車市場(chǎng)分一杯羹，國(guó)內(nèi)的汽車廠商的設(shè)計(jì)研發(fā)的順序和模式已經(jīng)開始有了較大的改變。例如一部分的國(guó)內(nèi)制造廠商在國(guó)外和有名的車企例如德國(guó)寶馬公司、德國(guó)大眾公司等一起合作，共同開發(fā)產(chǎn)品，或者讓技術(shù)人員進(jìn)行交流、學(xué)習(xí)等，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行正向設(shè)計(jì)、研究開發(fā)，再把成功的經(jīng)驗(yàn)和產(chǎn)品引進(jìn)國(guó)內(nèi)進(jìn)行生產(chǎn);另一部分國(guó)內(nèi)制造廠商在國(guó)內(nèi)與國(guó)內(nèi)優(yōu)秀的大學(xué)合作，利用國(guó)內(nèi)優(yōu)秀大學(xué)的人才資源為自己公司的設(shè)計(jì)和研發(fā)助推，或者同國(guó)外的知名的大學(xué)合作共同創(chuàng)立研發(fā)機(jī)構(gòu)，一起共同開發(fā)發(fā)動(dòng)機(jī)項(xiàng)目和人才交流分享;更有一些國(guó)內(nèi)汽車制造廠商在國(guó)內(nèi)外尋找知名的車企例如英國(guó)的路虎汽車公司等，以項(xiàng)目合作為基礎(chǔ)，建立與外國(guó)優(yōu)秀廠商和優(yōu)秀設(shè)計(jì)公司的合作，通過國(guó)內(nèi)汽車制造廠商出錢，國(guó)外汽車制造廠商出技術(shù)的模式來開發(fā)。近些年逐漸變成了外國(guó)汽車廠商把技術(shù)生產(chǎn)線留在國(guó)內(nèi)讓國(guó)內(nèi)的技術(shù)人員不斷學(xué)習(xí)，消化技術(shù)的合作。這種新的合作模式使得國(guó)內(nèi)的制造廠商得到了更多學(xué)習(xí)的機(jī)會(huì)能夠不斷的學(xué)習(xí)外國(guó)制造廠商的先進(jìn)的技術(shù)，使得國(guó)內(nèi)的制造廠商能夠不斷縮小與國(guó)外汽車制造廠商的差距，這是雙贏的結(jié)果，國(guó)內(nèi)汽車制造廠商能夠?qū)W到技術(shù)，國(guó)外汽車制造廠商能夠獲取國(guó)內(nèi)市場(chǎng)。

1.2 國(guó)內(nèi)發(fā)動(dòng)機(jī)市場(chǎng)分析及性能要求

在2010年之后的幾年，國(guó)家出臺(tái)了一系列法規(guī)和條例的，主要就是為了減少高排放汽車，鼓勵(lì)和引導(dǎo)社會(huì)購買新能源汽車和小排量汽車，并加大對(duì)小排量汽車和節(jié)能汽車的政府補(bǔ)貼。這一系列的法規(guī)和條例是使國(guó)內(nèi)各大汽車品牌加大對(duì)小排量汽車的研發(fā)和對(duì)小排量汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的研究，其中奇瑞的QQ的市場(chǎng)表現(xiàn)最為亮眼，占據(jù)著當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)小排量汽車市場(chǎng)銷量的第一名，看到奇瑞在小排量汽車領(lǐng)域的優(yōu)秀表現(xiàn)之后，國(guó)內(nèi)的其他優(yōu)秀汽車制造廠商也想在國(guó)內(nèi)小排量汽車領(lǐng)域分一杯羹。從各大國(guó)內(nèi)汽車廠商的小排量發(fā)動(dòng)機(jī)來看，無一例外都是采用與國(guó)外汽車廠商合作研究的產(chǎn)品或者自己逆向研發(fā)，如1.0L、1.2l、1.3L三種排量的發(fā)動(dòng)機(jī)，但在綜合發(fā)動(dòng)機(jī)各項(xiàng)指標(biāo)和經(jīng)濟(jì)效益之后還是采用與國(guó)外汽車制造廠商共同合作研發(fā)的產(chǎn)品比較好，其中的典型代表就是上海通用汽車制造公司和外國(guó)汽車制造廠商合作的1.2L排量發(fā)動(dòng)機(jī)。根據(jù)以上的分析和研究，對(duì)比各個(gè)小排量汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的表現(xiàn)和優(yōu)略，我們決定以上海通用汽車制造廠商與國(guó)外汽車制造廠商合作研制的1.2L發(fā)動(dòng)機(jī)為平臺(tái)，通過對(duì)這款已經(jīng)算是比較優(yōu)秀的發(fā)動(dòng)機(jī)的各個(gè)配置進(jìn)行優(yōu)化，達(dá)到優(yōu)化目標(biāo)，在本次實(shí)踐中我們以合理的選擇定下了優(yōu)化的目標(biāo)：

①國(guó)內(nèi)汽車制造廠商的原小排量汽油發(fā)動(dòng)機(jī)型在汽車上是前置的布置，而新車型的是前驅(qū)，因此需要整體優(yōu)化小排量汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的放置位置和結(jié)構(gòu);②我們經(jīng)過仔細(xì)研究注意到國(guó)內(nèi)小排量汽車對(duì)汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速有特別嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)，所以在設(shè)計(jì)優(yōu)化方案的時(shí)候特別優(yōu)化了發(fā)動(dòng)機(jī)最大扭矩點(diǎn)所在的轉(zhuǎn)速，把發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速從4200r/min下調(diào)至3200r/min左右，在平常時(shí)的轉(zhuǎn)速2000r/min的輸出扭矩不小于最大扭矩的80%;③在我們?cè)O(shè)計(jì)優(yōu)化時(shí)對(duì)比了國(guó)內(nèi)外所有小排量發(fā)動(dòng)機(jī)的功率輸出和性能，我們得出了把小排量汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的升功率由54kW/L提升至59kW±2kW/L，把小排量汽油發(fā)動(dòng)機(jī)最大功率由63kW/6500r/min提升至不小于66kW/6700r/min的優(yōu)化;④再根據(jù)國(guó)內(nèi)市場(chǎng)小排量汽車的經(jīng)濟(jì)適合性和小排量汽車應(yīng)有的低耗油性，我們要求小排量發(fā)動(dòng)機(jī)在性能提升的同時(shí)最小比油耗不大于260g/kW.h。

2? 國(guó)內(nèi)外性能提升方法研究現(xiàn)狀

從發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)明到現(xiàn)在成熟的應(yīng)用在各個(gè)領(lǐng)域，走過了上百年的歷史，經(jīng)歷過數(shù)次科技創(chuàng)新和材料的更新，國(guó)內(nèi)外的汽車廠商在發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)研究和性能提升的方面發(fā)展到了很深地步。對(duì)于傳統(tǒng)汽油發(fā)動(dòng)機(jī)，一般使用優(yōu)化提升手段有兩個(gè)：①在汽油發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部配置的燃燒系統(tǒng)應(yīng)該要非常合理，包括進(jìn)氣道等各種參數(shù)應(yīng)該要非常優(yōu)化，然后更要提高發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒效率;②提升充氣效率和減磨降耗。這兩個(gè)手段看起來是毫不相關(guān)的，但是事實(shí)上兩者是一個(gè)獨(dú)立而又相互聯(lián)系的系統(tǒng)，對(duì)于優(yōu)秀且性能先進(jìn)的發(fā)動(dòng)機(jī)來說，高效燃燒系統(tǒng)和進(jìn)、排氣系統(tǒng)缺一不可;而高效的燃燒系統(tǒng)又與進(jìn)、排氣系統(tǒng)的合理性密切相關(guān)。發(fā)動(dòng)機(jī)就像人體各個(gè)器官一樣，每一個(gè)器官相互獨(dú)立又有密切的聯(lián)系。

3? 汽油發(fā)動(dòng)機(jī)性能提升思路

本文通過對(duì)汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的對(duì)凸輪型線、配氣相位、進(jìn)排氣歧管的等小排量汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的各種關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，這些關(guān)鍵參數(shù)的優(yōu)化還是為了把汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的充氣效率提高，所以說優(yōu)化設(shè)計(jì)最重要的還是把汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的充氣效率提高，真正展開的研究?jī)?yōu)化工作和實(shí)踐也是圍繞著充氣效率而展開，主要步驟如下：

第一步，使用電腦數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)把小排量汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的各類詳細(xì)的數(shù)據(jù)采集到電腦里面，操作AVL_Boost 這款軟件建立原機(jī)型一維性能分析模型，并調(diào)整使模擬分析數(shù)據(jù)和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)誤差控制在3%以內(nèi);第二步，使用波動(dòng)效應(yīng)的理論指導(dǎo)操作計(jì)算機(jī)系統(tǒng)嚴(yán)謹(jǐn)細(xì)致的計(jì)算得到進(jìn)氣歧管管長(zhǎng)、管徑等詳細(xì)參數(shù)的取值范圍;操作一維AVL_Boost這款優(yōu)秀的模擬軟件，把所有數(shù)據(jù)都導(dǎo)入這款軟件中，然后把所有數(shù)據(jù)都進(jìn)行分析和比較，確定進(jìn)氣歧管的設(shè)計(jì)參數(shù);再通過對(duì)進(jìn)氣歧管進(jìn)行模型的建立，并操作AVL_Fire軟件進(jìn)行CFD分析，進(jìn)一步確定進(jìn)氣歧管可變長(zhǎng)度相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)。完成參數(shù)設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)分析再采用這套熟悉的方法把排氣歧管的設(shè)計(jì)所需要的參數(shù)和數(shù)據(jù)等模擬出來;第三步，再次操作AVL_Boost模型進(jìn)行DOE分析，利用已經(jīng)得到的進(jìn)排氣參數(shù)和性能目標(biāo)作為主要的邊界參數(shù)，導(dǎo)入到電腦計(jì)算機(jī)里面，利用計(jì)算機(jī)等數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)對(duì)凸輪型線的詳細(xì)參數(shù)進(jìn)行求解，在電腦數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)里面得到一開始所設(shè)定的發(fā)動(dòng)機(jī)優(yōu)化后的性能指標(biāo)，進(jìn)而得到許多不同的滿足指標(biāo)的組合;之后進(jìn)行迭代計(jì)算，根據(jù)分析得到的扭矩、功率和比油耗情況，確定最終的組合方案;最后，將各個(gè)系統(tǒng)最終的方案參數(shù)代入AVL_Boost模型進(jìn)行計(jì)算，并根據(jù)實(shí)際的配氣相位、進(jìn)氣量等參數(shù)對(duì)模型進(jìn)行更新，進(jìn)一步評(píng)估優(yōu)化后的功率、扭矩和比油耗情況，并與設(shè)計(jì)目標(biāo)進(jìn)行對(duì)比和評(píng)估。

4? 汽油發(fā)動(dòng)機(jī)性能提升實(shí)踐

在方案設(shè)計(jì)中，通過AVL_Boost和AVL_TimingDriver等優(yōu)秀模擬軟件，采用正交的方式，對(duì)進(jìn)氣歧管、排氣歧管的結(jié)構(gòu)參數(shù)，凸輪型線和配氣相位進(jìn)行了分析和定義。但因?yàn)樵谶@個(gè)文章字?jǐn)?shù)限制，所以就不能把電腦分析等所有數(shù)據(jù)參數(shù)和對(duì)比之后的數(shù)據(jù)都放在本文之中。因此，在這向各位讀者致歉。在優(yōu)化設(shè)計(jì)的實(shí)踐中因?yàn)閮?yōu)化的時(shí)候把優(yōu)化后小排量發(fā)動(dòng)機(jī)放在了小汽車的橫面，改變了發(fā)動(dòng)機(jī)的在小汽車?yán)锏牟贾梅绞?，所以在工程設(shè)計(jì)中有關(guān)系的零件不止那么一兩件，本文只關(guān)心能提升發(fā)動(dòng)機(jī)性能的零部件。在樣件制作和試驗(yàn)驗(yàn)證中，由測(cè)試對(duì)比結(jié)果可以看到：①汽油發(fā)動(dòng)機(jī)在整體優(yōu)化后我們可以發(fā)現(xiàn)，在整個(gè)轉(zhuǎn)速范圍都有一定的性能提升，汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速范圍都達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)目標(biāo);②汽油發(fā)動(dòng)機(jī)在整體優(yōu)化后我們可以發(fā)現(xiàn)經(jīng)過整體優(yōu)化的汽油發(fā)動(dòng)機(jī)相比于優(yōu)化之前的小排量發(fā)動(dòng)機(jī)它的最大限度扭矩輸出所應(yīng)的轉(zhuǎn)速由原來的4200r/min移至3200r/min，且在2000r/min擁有約90%最大扭矩的輸出，還非常大的提高小排量汽車的行駛要求;③在優(yōu)化之后我發(fā)現(xiàn)從發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架萬有特性對(duì)比可見，這優(yōu)化后的小排量發(fā)動(dòng)機(jī)的油耗和成本都比優(yōu)化之前有很大的降低。油耗達(dá)到了之前的預(yù)期的標(biāo)準(zhǔn)還能夠略有降低。

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