基于改裝的節能車發動機燃油經濟性能提升

鄧鵬

摘要：以Honda中國節能競技大賽為背景，以賽方提供的125cc低油耗4沖程發動機為基礎，在不違背比賽規則的情況下，從發動機的切割減重、發動機的點火系改裝、發動機保溫、發動機潤滑系統改裝等方面提出可行的降低燃油消耗率的方案，并且在實際的道路試驗中取得了較好的效果。

關鍵詞：節能車;發動機;改裝;燃油經濟性

0? 引言

為了喚起人們對于環保的探索欲， Honda創始人本田宗一郎先生于1981年在日本創辦首屆Honda節能競技大賽;2007年Honda節能競技大賽來到中國成為Honda中國節能競技大賽，至今為止已經成功舉辦了12屆，比賽搭載Honda統一提供的125cc低油耗4沖程發動機，車架和車身等則由各車隊獨立創作完成，最終以燃油的消耗量多少而一決勝負[1]。自Honda中國節能競技大賽創辦以來，來自全國各地的科研團隊無不想盡各種辦法減少節能車的燃油消耗率。在整車結構方面，通過盡量精簡車架結構、使用碳纖維等輕量化的復合材料制作車身車架、設計流線型低風阻的車身結構、使用性能更加優越的軸承、輪胎等來降低行駛阻力;在發動機方面，通過切割不必要的發動機結構來減少其質量、使用電控燃油噴射系統代替原有的化油器、改進發動機零部件結構，進而提升發動機性能。本文將針對賽方提供的125cc發動機，從發動機的切割減重、發動機的點火系改裝、發動機保溫、發動機潤滑系統改裝等方面提出可行方案。

1? 大賽發動機及規則介紹

1.1 大賽發動機介紹（表1）

1.2 大賽規則介紹

發動機以Honda提供的四沖程125cc發動機為基礎，可自由改造。但需要遵守以下要求：

①氣缸蓋、曲軸箱、曲軸要求使用下發的發動機零部件（可加工使用）。

②排氣量在125cc以下，為自然進氣式，其結構必須確保潤滑油不會泄漏。

2? 發動機具體改裝方案

2.1 大體切割方向和理論基礎

本田節能大賽提供的單缸125cc發動機共有4個擋位，兩種離合，而我們僅需要保留直接擋位和一個離合即可。因為比賽過程中發動機工作時間短，故缸體部分的散熱鰭也可進行切割處理，并選擇另外一種保溫材料進行缸體保溫。

2.2 具體切割方案和最終效果

變速箱部分切割：按照維修手冊上的操作方法，將手動離合模塊、變檔軸、起動軸、主軸、從動軸、軸承等零件拆下，對發動機變速箱部分進行切割，具體切割路徑如圖1。

因拆除了發動機的主軸和從動軸，故破壞了其所在的潤滑油路，要想維持原有潤滑系統的正常工作，必須保證切割后油路部分密封良好。另外，由于切割放棄了原有的機油注入口，故需要在原有既有注入口附近的保留機體上鉆取一個機油注入孔。

散熱鰭切割：用數控銑床對散熱鰭部分進行切割，僅留缸體部分。切割深度5mm（根據實際情況可有調整）。

發動機密封：因切割后失去了原有的密封效果，且因為需要利用右側離心式離合器下方齒輪傳動，故需要加工兩塊金屬板代替原有的右側曲軸箱蓋和切割后的發動機尾部。對于發動機尾部部分，由于沒有原始的固定位置，故采用焊接加密封膠的方法密封;對于發動機右側，由于原始的螺孔依然保留，故可以在原有螺栓固定基礎上加適當密封膠進行密封，但須注意的是，右側有離合器軸和螺母，無法使金屬板整塊直接安裝，故考慮采用先對兩軸位置進行打孔擴孔操作后，用SolidWorks軟件畫出具體的孔密封模塊，利用3D打印的方式制造出一塊檔板，將擋板用密封膠密封于金屬板上。

傳動部分：切割之后的發動機無法進行正常傳動，故考慮利用離心使離合器傳動，這就需要對離合器軸套部分進行加工，加上一個皮帶傳動齒輪。

3? 發動機保溫

發動機工作在溫度范圍為80～90℃時，其效率最高。節能車在比賽過程中采取的是以滑行為主的行駛策略，故發動機停機時間較長，散熱速度過快，對維持發動機工作效率不利。為了解決這個問題，我們考慮在切除散熱片的氣缸周圍包裹一圈保溫材料，由于錫箔紙能夠較好的貼合缸體表面、質量輕、保溫效果好，故考慮使用錫箔紙包裹切割后的氣缸，外部用軋帶加以固定，以達到保溫效果。[2]

4? 發動機點火系改裝

4.1 大體改裝方向和理論基礎

本田節能大賽提供的單缸125cc發動機僅配裝有一個原廠火花塞，無論是在點火能量還是點火成功率上都沒有達到我們的期望值，故考慮加裝火花塞來增加點火成功率和點火能量。

加裝雙火花塞有以下幾個優點：

①采用雙火花塞點火后，兩個火花塞同時點火使混合氣爆炸燃燒，急速形成較強烈的渦流，大幅度加快了火焰的傳播速度，同時火焰傳播距離縮短1/2，燃燒所用的時間也相應縮短，提高了熱效率。

②由于燃燒時間縮短，點火提前角可以顯著推遲。因此，點火時燃燒室混合氣的溫度和壓力都較高，有利于著火和速燃。

③兩個火花塞同時點火，可使著火概率提高一倍，降低失火率，還可以進一步調稀空燃比，實現稀燃。[3]

④實現穩定燃燒。

4.2 具體改裝方案

通常的雙火花塞點火系統是在半球形燃燒室兩側對稱布置兩個同型號火花塞，這兩個火花塞與燃燒室中心的距離相等，發動機怠速或低速運行時仍采用單火花塞點火;正常工作后，兩個火花塞才同時點火。[4]為實現雙火花塞點火，考慮原火花塞位置的對面鉆斜孔布置另一只火花塞，形成對置的雙火花塞點火機構。由于雙火花塞的會使得火焰的蔓延速度加快，從而導致發動機工作循環出現問題，所以我們需要進行臺架實驗重新標定點火提前角并確定其最優空燃比。

5? 發動機潤滑系改裝

通過對發動機的相關拆解我們發現，該發動機是通過曲軸直接輸出轉矩帶動機械式的機油泵工作，從而實現發動機的潤滑;而這就意味著，發動機的相當一部分功率被消耗于潤滑系統的工作而非節能車的行駛，而且在準備發動機的相關臺架試驗的過程中，我們發現長時間的高功率運行會造成發動機機油過熱從而導致發動機出現故障甚至飛車拉缸等嚴重后果;故考慮去除原有的機械式內置機油泵，在不改變其既有潤滑系統循環的基礎上，采用外置的電動機油泵，并且在油路上添加相應的散熱器和壓力表、溫度傳感器等裝置，從而實現對機油溫度和壓力的實時監控。

6? 發動機改裝后的穩定性和數據標定試驗

由于對發動機進行上述改裝后，較大程度的改變了其原有機械結構，故會對其相關工作循環造成一定影響，所以考慮對改裝后的發動機進行相關磨合試驗和臺架標定實驗，以實現其機械機構的穩定性并確定其最優空燃比、改裝后的點火提前角、萬有特性圖等相關數據。

7? 改進成果

在此前2019年殼牌中國環保馬拉松賽中，西華大學節能車隊的最優成績為97.06KM/L，經過上述的改裝后和數據標定后，我們于2020年寒假期間獲得的最新練車數據顯示，在同樣的道路條件和行駛策略及行駛距離下，改裝以后的成績達到了421.82KM/L，實際燃油消耗率降低了近80%，實現了較好的燃油經濟性。

8? 結論

通過對Honda中國節能競技大賽賽方提供的125cc發動機進行切割減重、點火系改裝、潤滑系改裝、發動機保溫等改裝操作，并且經過后期的發動機臺架試驗和道路試驗，證明所做技術改裝對發動機的經濟性性能有積極表現，此套改裝方案可以實際應用到比賽當中并且有較好的表現。

參考文獻：

[1]Honda中國節能競技大賽|社會貢獻|企業信息|本田中國 《互聯網資源庫（https：//www.honda.com.cn）》.

[2]藍保楨，陳劭，孫曉天.基于CFD節能車隨動尾翼節油技術分析[J].交通節能與環保，2014，10（04）：17-22.

[3]閻希成，張俊杰，林漫群，朱保華，王之東.摩托車雙火花塞點火技術分析與應用[J].小型內燃機與車輛技術，2015，44（06）：68-70，85.

[4]徐中明，伍小龍，杜明磊，于海興.摩托車點火系統傳導騷擾仿真[J].汽車工程學報，2013，3（01）：59-65.