論汽油發(fā)動機性能提升方法研究及實踐

羅富勝

摘要：在如今的汽油發(fā)動機領(lǐng)域，大部分都從三方面來對傳統(tǒng)汽油發(fā)動機的性能提升：方法一，對汽油發(fā)動機的燃燒系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，提高發(fā)動機的燃燒效率;方法二，提升汽油發(fā)動機的充氣效率，對汽油發(fā)動機的進(jìn)排氣系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化、或?qū)ζ桶l(fā)動機的進(jìn)氣等系統(tǒng)進(jìn)行匹配設(shè)計，提高進(jìn)氣量;方法三，對汽油發(fā)動機的各個零部件進(jìn)行不斷的優(yōu)化，進(jìn)一步的提高汽油發(fā)動機的動力輸出，最大限度的降低汽油發(fā)動機的損耗。在不同的領(lǐng)域，對不同的汽油發(fā)動機項目，應(yīng)按照項目的汽油發(fā)動機要求、以及項目要求優(yōu)先提升汽油發(fā)動機性能等條件。

關(guān)鍵詞：汽油;發(fā)動機;性能提升

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

1? 汽油發(fā)動機性能提升方法研究的背景和意義

從1879年，德國工程師卡爾·本茨，首次試驗成功一臺二沖程試驗性發(fā)動機至今，短短的幾百年時間里。在汽車、航空、船舶等運輸領(lǐng)域中隨處可見發(fā)動機的影子，發(fā)動機短短的幾百年里發(fā)展那么快的主要原因是關(guān)于發(fā)動機的技術(shù)取得了長足的進(jìn)步，越來越多的新技術(shù)新材料被投入到發(fā)動機里，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，然而純電動車因存在充電時間長和續(xù)航里程短的問題，一直都只能充當(dāng)燃油發(fā)動機汽車之后第二選擇，只能平時代步或者短途出行使用，在緊急情況下或者長途出行時，首選還是燃油發(fā)動機汽車。這是全社會的共識，雖然到現(xiàn)在，在各大車企和動力電池供應(yīng)商的努力下，純電動車已經(jīng)成為了許多人的選擇。但是汽油發(fā)動機機轉(zhuǎn)速高（轎車用汽油機最高轉(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，動力足，容易啟動等優(yōu)點，新能源汽車一時間難以匹敵，其次當(dāng)前在汽車市場上汽油發(fā)動機汽車還是很受歡迎，大部分家庭的選擇還是汽油發(fā)動機，所以對汽油發(fā)動機性能提升的研究還是有重大意義。

1.1 國內(nèi)發(fā)動機性能開發(fā)現(xiàn)狀

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

1.2 國內(nèi)發(fā)動機市場分析及性能要求

在2010年之后的幾年，國家出臺了一系列法規(guī)和條例的，主要就是為了減少高排放汽車，鼓勵和引導(dǎo)社會購買新能源汽車和小排量汽車，并加大對小排量汽車和節(jié)能汽車的政府補貼。這一系列的法規(guī)和條例是使國內(nèi)各大汽車品牌加大對小排量汽車的研發(fā)和對小排量汽油發(fā)動機的研究，其中奇瑞的QQ的市場表現(xiàn)最為亮眼，占據(jù)著當(dāng)時國內(nèi)小排量汽車市場銷量的第一名，看到奇瑞在小排量汽車領(lǐng)域的優(yōu)秀表現(xiàn)之后，國內(nèi)的其他優(yōu)秀汽車制造廠商也想在國內(nèi)小排量汽車領(lǐng)域分一杯羹。從各大國內(nèi)汽車廠商的小排量發(fā)動機來看，無一例外都是采用與國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)動機，但在綜合發(fā)動機各項指標(biāo)和經(jīng)濟效益之后還是采用與國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汽車制造廠商合作的1.2L排量發(fā)動機。根據(jù)以上的分析和研究，對比各個小排量汽車發(fā)動機的表現(xiàn)和優(yōu)略，我們決定以上海通用汽車制造廠商與國外汽車制造廠商合作研制的1.2L發(fā)動機為平臺，通過對這款已經(jīng)算是比較優(yōu)秀的發(fā)動機的各個配置進(jìn)行優(yōu)化，達(dá)到優(yōu)化目標(biāo)，在本次實踐中我們以合理的選擇定下了優(yōu)化的目標(biāo)：

①國內(nèi)汽車制造廠商的原小排量汽油發(fā)動機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)動機的放置位置和結(jié)構(gòu);②我們經(jīng)過仔細(xì)研究注意到國內(nèi)小排量汽車對汽油發(fā)動機的轉(zhuǎn)速有特別嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)，所以在設(shè)計優(yōu)化方案的時候特別優(yōu)化了發(fā)動機最大扭矩點所在的轉(zhuǎn)速，把發(fā)動機的轉(zhuǎn)速從4200r/min下調(diào)至3200r/min左右，在平常時的轉(zhuǎn)速2000r/min的輸出扭矩不小于最大扭矩的80%;③在我們設(shè)計優(yōu)化時對比了國內(nèi)外所有小排量發(fā)動機的功率輸出和性能，我們得出了把小排量汽油發(fā)動機的升功率由54kW/L提升至59kW±2kW/L，把小排量汽油發(fā)動機最大功率由63kW/6500r/min提升至不小于66kW/6700r/min的優(yōu)化;④再根據(jù)國內(nèi)市場小排量汽車的經(jīng)濟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)動機在性能提升的同時最小比油耗不大于260g/kW.h。

2? 國內(nèi)外性能提升方法研究現(xiàn)狀

從發(fā)動機發(fā)明到現(xiàn)在成熟的應(yīng)用在各個領(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，國內(nèi)外的汽車廠商在發(fā)動機的設(shè)計研究和性能提升的方面發(fā)展到了很深地步。對于傳統(tǒng)汽油發(fā)動機，一般使用優(yōu)化提升手段有兩個：①在汽油發(fā)動機內(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)動機的燃燒效率;②提升充氣效率和減磨降耗。這兩個手段看起來是毫不相關(guān)的，但是事實上兩者是一個獨立而又相互聯(lián)系的系統(tǒng)，對于優(yōu)秀且性能先進(jìn)的發(fā)動機來說，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)動機就像人體各個器官一樣，每一個器官相互獨立又有密切的聯(lián)系。

3? 汽油發(fā)動機性能提升思路

本文通過對汽油發(fā)動機的對凸輪型線、配氣相位、進(jìn)排氣歧管的等小排量汽油發(fā)動機的各種關(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)動機的充氣效率提高，所以說優(yōu)化設(shè)計最重要的還是把汽油發(fā)動機的充氣效率提高，真正展開的研究優(yōu)化工作和實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)動機的各類詳細(xì)的數(shù)據(jù)采集到電腦里面，操作AVL_Boost 這款軟件建立原機型一維性能分析模型，并調(diào)整使模擬分析數(shù)據(jù)和實測數(shù)據(jù)誤差控制在3%以內(nèi);第二步，使用波動效應(yīng)的理論指導(dǎo)操作計算機系統(tǒng)嚴(yán)謹(jǐn)細(xì)致的計算得到進(jìn)氣歧管管長、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)計參數(shù);再通過對進(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)氣歧管可變長度相關(guān)設(shè)計參數(shù)。完成參數(shù)設(shè)計的數(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)入到電腦計算機里面，利用計算機等數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)對凸輪型線的詳細(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)動機優(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，將各個系統(tǒng)最終的方案參數(shù)代入AVL_Boost模型進(jìn)行計算，并根據(jù)實際的配氣相位、進(jìn)氣量等參數(shù)對模型進(jìn)行更新，進(jìn)一步評估優(yōu)化后的功率、扭矩和比油耗情況，并與設(shè)計目標(biāo)進(jìn)行對比和評估。

4? 汽油發(fā)動機性能提升實踐

在方案設(shè)計中，通過AVL_Boost和AVL_TimingDriver等優(yōu)秀模擬軟件，采用正交的方式，對進(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。但因為在這個文章字?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)計的實踐中因為優(yōu)化的時候把優(yōu)化后小排量發(fā)動機放在了小汽車的橫面，改變了發(fā)動機的在小汽車?yán)锏牟贾梅绞剑栽诠こ淘O(shè)計中有關(guān)系的零件不止那么一兩件，本文只關(guān)心能提升發(fā)動機性能的零部件。在樣件制作和試驗驗證中，由測試對比結(jié)果可以看到：①汽油發(fā)動機在整體優(yōu)化后我們可以發(fā)現(xiàn)，在整個轉(zhuǎn)速范圍都有一定的性能提升，汽油發(fā)動機的轉(zhuǎn)速范圍都達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計目標(biāo);②汽油發(fā)動機在整體優(yōu)化后我們可以發(fā)現(xiàn)經(jīng)過整體優(yōu)化的汽油發(fā)動機相比于優(yōu)化之前的小排量發(fā)動機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)動機臺架萬有特性對比可見，這優(yōu)化后的小排量發(fā)動機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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