汽油機低摩擦系統優化及其對節能影響

楊　民

（山東華盛中天機械集團股份有限公司，山東 臨沂 276017）

汽油機低摩擦系統優化及其對節能影響

楊民

（山東華盛中天機械集團股份有限公司，山東 臨沂 276017）

汽油機是現代工業中應用十分廣泛的動力機器，在汽車等行業內占據突出的位置。隨著我國經濟的快速發展，各種環境問題和能源問題也隨之而來，節能減排成為工業發展的必然要求。由于汽油機的摩擦損失問題造成的能源損失和環境污染問題很突出，所以綜合采取各種措施，不斷對汽油機的低摩擦系統進行合理有效的優化意義重大。本文在分析汽油機摩擦損失概況的基礎上構建合理的分析模型，對包括曲柄連桿機構、缸體機構和配氣機構在內的汽油機主要部件進行優化分析，并揭示了其對于提高性能、節能減排的重要意義。

汽油機；低摩擦；系統優化；節能減排

進入21世紀以來，全球的能源資源短缺現象更加明顯，環境問題和全球氣候變暖日益成為工業發展的挑戰。為應對工業領域內不斷增加的節能減排要求，需要對各個生產環節進行系統的節能改進。中國的汽車行業發展迅速，并在進入21世紀后呈現出加速發展的態勢，汽車的生產量和總量不斷增加，我國已超越美國成為絕對意義上的世界第一汽車大國。與此相伴，汽車行業的快速發展也帶來了嚴重的能源和環境壓力，石油消耗過度導致我國石油的對外依賴情況更加嚴重，原油的對外依賴直接威脅到國家的石油能源安全，導致出現能源危機。

眾所周知，汽車是能源消耗的一大主力，更是石油消耗的主體，汽油機的汽油消耗問題已經成為我國汽油機行業面臨的重大問題之一。而且汽油機對于環境的危害是相當致命的，是造成霧霾等空氣污染的主要污染源。根據有關數據分析，過去5年內我國機動車排放的污染物正以4%的速率急速增加，考慮到它的基數本來就很驚人，這樣的增速就更加需要引起人們的警惕了。以汽油燃燒為主的機車發動機每年排出的氮氧化物、顆粒物、碳氫化合物、一氧化碳不下5000萬噸。由于汽油機車對環境的污染嚴重，因此為確保國家的能源安全和環境保護，需要進行相關研究，切實提高汽油機的能源利用效率。

汽油機摩擦是發動機常見的能量消耗形式之一，對汽油機進行低摩擦系統優化對于節能減排和保護環境意義重大。目前汽油機行業，尤其是汽車行業正在加緊研發降低汽油機摩擦損失的模型，并取得了較大進展。本文在對以往數據進行總結、分析的基礎上，通過對汽油機各項參數的詳細分析，不斷考察摩擦參數對于汽油機整體性能的影響，并利用模擬試驗的方法對汽油機系統進行低摩擦的優化。

我國汽油機的相關技術與世界發達國家相比仍有不小的差距，尤其是與日本、歐盟等汽車能耗較低的國家相比，我國的燃油消耗和利用效率過低。為實現汽油機的低耗能，國務院于2013年印發了《關于加強內燃機工業節能減排的意見》，其中將發動機低摩擦技術列為重點研究內容。綜上所述，進行汽油機的低摩擦相關研究已經成為我們的不二選擇，更是節能減排的迫切要求。

一、汽油機摩擦損失概況

所謂汽油機的摩擦損失，就是指在汽油機工作過程中大部分的能量被摩擦損失掉了，而用于車輛驅動的能量僅占較少部分，根據美國學者布朗的相關研究，能量使用的比重僅僅占到15%左右。除摩擦損失外，汽油機其他的損失如用于等紅燈或堵車時的怠速能量損失、排氣損失、冷卻液熱量損失等也占據了很大的比重。汽油機無用功功率中摩擦損失大概占到20%左右，其中主要包括活塞運動損失、軸承損失、配氣機構及附件損失等。在汽油機的眾多無用功損失中，有些是無法避免的，比如汽油機的熱量損失，其中的冷卻液熱量還可以與車輛的供暖系統結合起來再次利用，但汽油機的摩擦損失確實無法再次利用，它與汽油機的輸出功率息息相關。但是，完全可以對其進行有效的改進，而降低摩擦是提高汽油機功率最有效的手段之一。

目前而言，對于汽油機低摩擦技術系統的研究十分具有現實意義，世界各國都在加緊研發低摩擦的相關技術。以單缸汽油機機中小型非道路火花點燃式單缸四沖程汽油發動機的相關研究為例，其低摩擦的技術手段正隨著世界新技術的不斷興起而快速發展，該汽油發動機的摩擦損失正在逐漸降低。當前，日本的豐田公司也把低摩擦技術作為重點攻關項目之一；通用集團新開發的低摩擦發動機以其實現了比普通發動機減耗20%的效果而在汽車市場上大賣；近年來我國一汽集團也迅速開啟了有關低摩擦系統的研究，確定了“藍途”汽車節能環保技術發展戰略，制定了節能減排的發展目標。從發動機使用領域的大型企業的轉型發展來看，不斷優化汽油機的低摩擦系統已經成為流行趨勢，成為我國節能減排的關鍵。對于汽油機低摩擦技術的研究也將不斷引起越來越多人的注意。

二、汽油機低摩擦系統結構優化

汽油機的主要組成部分包括曲柄連桿機構、缸體機構和配氣機構，它們也是汽油機摩擦損失的基本主體。本章將在摩擦學仿真研究的基礎上對汽油機的缸體、軸承等系統進行分析研究，并在此基礎上詳細分析各種組件參數對于汽油機摩擦損失的影響。通過對各項參數的確定來選擇最佳的低摩擦系統，不斷優化汽油機的低摩擦技術。

1.曲柄連桿機構的結構優化

對汽油機的低摩擦系統優化兼具節省時間和節省成本的雙重功效，對于汽油機的相關研究意義重大。首先討論的是曲柄連桿機構的摩擦學系統優化，曲柄連桿機構是汽油機中最為重要的組件之一，同時它也是摩擦損失的“主力軍”。從活塞結構的優化角度分析，為降低曲柄連桿機構的摩擦損失，就要切實降低活塞系統的摩擦損失。主要采取的措施是對活塞裙部進行優化，從而降低系統摩擦的損失，這樣做的依據主要有以下兩點：一是要盡量縮小活塞界面的接觸面積，同時保證油膜的厚度不能出現較大的變動；二是從控制活塞的橫移幅度而言的，要使裙部與活塞中心線之間保持較為合理的距離，從而降低活塞運動損失。

基于以上對曲柄連桿機構摩擦學的仿真分析，并且參照國外先進的技術成果，我們試圖對活塞裙的各項參數進行優化改進。主要參照的仍是上文所依據的兩點，降低側寬度并提高中線。

2.缸體結構優化

缸體結構對于汽油機而言具有極為重要的意義，它是汽油燃燒的主要場所，同時也是摩擦損失的主要參與者。通過對有關缸體結構的優化分析，我們發現缸體變形、缸體表面過分粗糙以及缸筒內氣體流通不暢等都會造成嚴重的摩擦損失。所以，對于缸體結構的改進也主要是依據這些，首先要避免嚴重的缸體變形，定期排檢；其次要在不影響配氣機構工作的情況下適當地降低氣門的彈力，以加強缸體內的氣體流通。

3.配氣機構結構優化

配氣機構是汽油機的重要部件，它的主要作用是通過控制缸體的氣閥來保證缸體內氣體的正常流通，其運行的效率直接影響到整個部件的有效功率。配氣機構保證了新舊氣體的正常交換，就如同遍布人身的血管一樣。它的工作要求是必須保證汽油機正常的工序，主要部件又可以分為氣門組和氣門傳動組兩部分。配氣系統的摩擦損失是汽油機摩擦損失的主要形式之一，在我們的模型建構分析中，配氣機構主要設置了氣門、氣門彈簧、輪軸等基本部件。在大量試驗的基礎上，我們發現低速運轉時配氣系統占汽油機整體摩擦損失的比重最大，但是低速卻是單缸汽油機機中小型非道路火花點燃式單缸四沖程汽油發動機的主要運轉速度。因此，如何降低配氣機構的摩擦損失對于機體整體而言具有獨特的重要性。應該根據優化確定的參數對氣門、鏈條等進行較為系統的優化。

三、汽油機低摩擦對節能的影響

1.對動力性能的影響

按照前文所述，通過低摩擦系統對汽油機的各項參數進行綜合優化，使其達到低摩擦的運轉效果。與優化前相比，低摩擦汽油機的有效輸出功率大大增加，各項性能也趨于完善。隨著摩擦損失的降低，各種部件機構的負荷也隨之降低。低摩擦的運轉對于提高機器的燃燒效率也大有裨益，有效的汽油燃燒反過來減少了摩擦，從而達到良性循環的效果。

2.對燃油消耗性能的影響

從汽油機燃油消耗的相關數據來看，低摩擦汽油機的燃油消耗量明顯少于改進前的普通汽油機。前文也提到低摩擦對于燃油燃燒的互相作用，所以在相同的條件下，低摩擦汽油機的燃油消耗效果高于其他汽油機。

結語

我國汽油機行業的發展起步較晚，對于低摩擦技術的研究也不夠深入，導致在現代相關產業的發展中遭遇了嚴重的節能減排問題。摩擦損失是一種可以有效規避的無用功輸出，其對于汽油機整體的有效功率影響嚴重。因此對其的改進和優化就顯得很有意義了。本文在摩擦學仿真研究的基礎上對汽油機的缸體、軸承等系統進行分析研究，并在此基礎上詳細分析各種組件參數對于汽油機摩擦損失的影響。通過對各項參數的確定來選擇最佳的低摩擦系統，并不斷對汽油機的低摩擦系統進行優化處理。

［1］武彬.汽油機低摩擦系統優化及其對節能影響研究［D］.吉林大學，2013：7-122.

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