汽車發動機性能優化與改裝技術

摘要：通過仿真計算的方式，對某款四缸小排量汽油發動機性能優化及其改裝技術進行研究。經研究可知，在對此類發動機進行中低速性能優化的過程中，進氣歧管長度、管徑、壓損、凸輪線型與相位優化是最為關鍵的改裝技術措施。研究結論可以為汽車發動機改裝技術的合理應用及其性能優化效果的提升提供一定參考。

關鍵詞：汽車發動機；仿真計算；歧管長度；歧管管徑；改裝技術

中圖分類號：U464 收稿日期：2024-01-09

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2024.04.011

1 汽車發動機性能優化需求

在當今的低碳環保理念下，能耗與排放的優化已經成為汽車生產領域中重點關注的一項內容。因此，作為汽車運行中主要的耗能與排放設備，汽車發動機的性能優化也受到了相關企業、研究者和技術人員的高度重視。就目前的汽車發動機性能改造來看，燃燒噴射結構的合理改裝是一個主要策略。

采用信息化系統對其噴油頻率和噴油時間進行合理計算，并根據計算結果，對發動機結構做出適當的調整與改裝處理，使氣缸中的油和氣平衡混合[1]。通過這樣的方式，可顯著降低汽車發動機運行過程中的能耗及其有害氣體排量，從而為現代汽車的低碳環保發展提供有力支持。

在具體的性能優化與改裝設計過程中，為進一步簡化汽車發動機的優化設計流程，降低樣機試驗方面的工作量，并為后續的汽車發動機性能優化及其改裝質量提升提供科學指導，研究者可通過數字化仿真計算模型建立的方式來實施汽車發動機性能優化的仿真模擬和計算分析，從而使汽車發動機實際運行時的中低速性能得到合理優化。這對于汽車發動機運行效率的提升、運行質量的保障，以及現代汽車的低碳節能化發展具有積極影響。

2 汽車發動機性能優化計算模型

2.1 數學模型

本次研究，主要通過單區燃燒模型對汽車發動機燃燒過程與影響因素變化進行計算分析。具體分析時，將理想氣體方程、質量守恒定律以及能量守恒定律作為依據，確定以下的數學模型：

在發動機生產制造時，將廠家提供的設計數據作為依據，對其一維仿真分析模型進行構建，并通過該模型對其進氣歧管長度、管徑與壓損進行優化，以此來優化該發動機的中低速性能[2]。對于其缸內燃燒熱量釋放規律，可通過韋伯函數進行計算，其公式為：

式中，x為燃料燃燒百分數；α為曲軸轉角；m為燃燒中的品質指數；y為無因次時間函數；[Δαc]為燃燒持續時間。

2.2 計算模型

在汽車發動機性能優化及其改裝技術研究中，可通過一維熱力學模型的構建來分析其中低速性能。就目前的一維熱力學仿真軟件來看，Flownex使最為常用的一款軟件。基于此，可將發動機模型建立在該軟件中，以此來完成其中低性能的分析及其優化仿真計算模擬。本次所研究的是四缸水冷型自然吸氣式汽車發動機，其各個氣缸的點火順序是1#氣缸-3#氣缸-2#氣缸-4#氣缸。表1是該發動機主要的設計參數。

在其計算模型構建時，不僅要根據設計圖紙將其結構參數輸入，還要根據經驗公式的計算結果將氣缸壁溫度、活塞頭部溫度以及氣缸蓋溫度等熱力學參數輸入。同時還需要通過專用穩流氣道試驗臺試驗獲得其進氣道以及排氣道中的流量系數。通過該仿真計算模型的建立，便可實現該汽車發動機實際運行情況的科學仿真模擬，從而為其性能優化與相應的改裝技術應用提供有力參考。

2.3 模型驗證

在通過該模型進行計算、標定以及分析之后，便可實現汽車發動機原機模型的精準獲取，并實現其動力性能與缸壓曲線對比的科學模擬。經模型計算可知，在1 000～6 000 r/min這一區間內，經模擬計算出的扭矩和實際測量修正之后的扭矩基本一致，其差值最大在0.6%左右。同時，其最大功率點5 500 r/min缸壓曲線也十分接近于實測值。由此可判斷出，本次所建立的模型計算精度很高。借助于該模型，便可對汽車發動機進行中低速性能的合理優化。

3 汽車發動機性能優化改裝技術方案

就目前的四缸小排量汽油發動機來看，在對其中低速性能進行優化時，進氣歧管長度優化、進氣歧管管徑優化、進氣歧管壓損優化、凸輪線型與相位優化都是其改裝技術的主要實施策略。基于此，在具體的性能優化與改裝仿真模擬計算分析時，應以此為依據，結合實際情況，對其改裝技術方案進行合理確定，以此來滿足其實際的性能優化目標。

3.1 進氣歧管長度優化

在分析汽車發動機進氣歧管長度優化時，主要將上述仿真計算模型作為基礎，對進氣歧管管徑和壓損相同、僅長度不同的幾個發動機模型扭矩及其運行功率進行仿真模擬。經上述模型對該汽車發動機原機進行模擬計算之后發現，當其進氣歧管的管徑與壓損均保持一致時，隨著進氣歧管長度的不斷增加，發動機中低速區域內的轉矩呈現出顯著增大的變化趨勢，其轉矩最大點逐漸從高速平移向低速。而在其高速區域內，在進氣歧管長度的不斷增加中，扭矩則呈現出逐漸下降的變化趨勢。在進氣歧管的不斷加長中，發動機的功率最大值有所下降，且下降幅度呈顯著逐漸增加的趨勢[3]。

經進一步分析發現，當轉矩處于5 000 r/min以下的情況時，隨著進氣歧管長度的增加，發動機功率呈現出的是逐漸增大的變化趨勢，即低速功率逐漸增加。根據該發動機實際的空間布設情況，并結合具體的仿真計算結果，本次性能優化中，決定將原來長度是400 mm的進氣歧管改裝為長度是560 mm的進氣歧管，以此來滿足其實際的性能優化需求。

3.2 進氣歧管管徑優化

同上文歧管長度優化相似，在對該汽車發動機原機進行模擬計算之后發現，當其進氣歧管的長度與壓損保持一致時，隨著進氣歧管管徑的不斷增加，發動機高速區域內的扭矩呈現出了逐漸增大的變化趨勢，低速區域內的扭矩則呈現出了逐漸減小的變化趨勢；而隨著進氣歧管管徑的不斷減小，發動機中低速區域內的扭矩呈現出逐漸增大的變化趨勢，且扭矩最大點偏移向低速區域，高速區域內的扭矩則呈現出逐漸減小的變化趨勢。同時，在進氣歧管管徑的不斷增加中，高速區域內的功率呈現出逐漸增加的變化趨勢，低速區域內的功率呈現出逐漸減小的變化趨勢。

因該發動機在實際應用時的中低速性能需要合理提升，且在此過程中還需要兼顧到高速區域內的性能，所以在本次性能優化中，研究者決定將原來管徑是29 mm的進氣歧管改裝成管徑是31 mm的進氣歧管，以此來滿足其實際的性能優化需求。

3.3 進氣歧管壓損優化

同上文歧管長度優化相似，在對該汽車發動機原機進行模擬計算之后發現，當其進氣歧管的長度與管徑保持一致時，不同壓損對發動機運行性能的影響也存在較大差異性。因為氣體流動中會伴隨著波動效應的產生，所以在整體的發動機進氣過程中，并不能僅對比其某一個轉矩角度條件下的進氣歧管壓損比，而是應該對比其整體進氣過程中的壓損比平均值。基于此，本次性能優化仿真分析中，將原來的發動機進氣歧管結構作為基礎，對長度均為560 mm、管徑均為31 mm、只有進氣歧管彎曲半徑不同的發動機壓損進行對比分析。經仿真計算發現，在彎曲半徑是（400+160）mm的情況下，其進氣歧管的壓損值是2 983 Pa；在彎曲半徑是560 mm的情況下，其進氣歧管的壓損值是53 007 Pa。由此可見，（400+160）mm彎曲半徑條件下的進氣歧管壓損值比560 mm彎曲半徑條件下的進氣歧管壓損值小[4]。

進一步仿真模擬計算分析發現，不同壓損值對于該發動機高速區域內的影響更加顯著，其扭矩都呈現出了不同程度的上升趨勢，最大扭矩點是4 500 r/min，且（400+160）mm彎曲半徑的進氣歧管較560mm彎曲半徑的進氣歧管扭矩高出2.4 N·m左右。但是不同壓損值對于該發動機低速區域內的扭矩影響程度比較小，其扭矩基本沒有發生顯著變化[5]。同時，不同壓損值對于該發動機的運行功率也具有比較顯著的影響，其高速區域內的功率呈現出不同程度的上升趨勢，最大功率點是6 000 r/min，且（400+160）mm彎曲半徑的進氣歧管較560 mm彎曲半徑的進氣歧管功率高出1 kW左右。但是不同壓損值對于該發動機低速區域內的功率影響程度比較小，其功率基本沒有發生顯著變化。

3.4 進氣歧管優化總結

將上述仿真模擬計算分析作為依據，結合該汽車發動機的實際應用需求，在可供選擇的進氣歧管中，選擇了長度是560mm、管徑是31mm的進氣歧管。而在對其壓損進行優化設計時，應盡量使其和400 mm長度進氣歧管的壓損接近。在此種改裝配置與組合模式下，該汽車發動機的整體性能得到了有效提升。經運行仿真模擬分析發現，相比較改裝之前的發動機而言，其扭矩提升了4.4 N·m左右，最大扭矩可達94.4 N·m，其扭矩點處在4 000 r/min處；功率提升了2.6 kW左右，最大功率可達49.6 kW，其功率點處在6 000 r/min處。

3.5 凸輪線型與相位優化

在汽車發動機的性能優化中，凸輪線型優化和相位優化也是最為重要的兩個優化措施。其中，凸輪線型優化主要是對其動力學性質等進行優化；相位優化主要是對其進氣開閉角以及排氣開閉角進行優化。經上述模型仿真模擬與計算分析之后發現，將該汽車發動機原有的氣門升程作為基礎，按照提前5°對其進氣開啟角進行優化改裝；按照提前15°對其進氣遲閉角進行優化改裝；按照滯后10°對其排氣開啟角進行優化改裝，便可使該汽車發動機具有最高的中低速性能[6]。在通過上述措施進行優化改裝之后，該汽車發動機的最大扭矩值是97.6 N·m，其扭矩點在4 500 r/min處；最大功率值是48.5 kW，其功率點在6 000 r/min位置。

4 汽車發動機優化改裝后的性能驗證

為確定本次汽車發動機改裝之后的性能優化效果，在通過上述措施對仿真模型中的發動機進行優化改裝之后，研究者將具體的優化數據作為依據，對該汽車發動機的實體結構進行了改裝，并將改裝之后的發動機投入運行試驗，以此來驗證其優化改裝之后的實際性能。之后通過實際性能驗證結果和模擬仿真計算結果的對比來判斷其性能優化效果。表2為本次汽車發動機優化改裝后的性能驗證及其仿真模擬結果對比情況。

通過以上的兩組數據對比分析可知，在本次的汽車發動機性能優化與改裝研究中，經上述模型模擬分析的優化改裝效果與實際優化改裝效果基本一致。說明經本次模擬仿真計算之后，確定的性能優化與改裝設計數據可充分滿足該汽車發動機的實際中低速性能優化需求，整體模擬分析的精準性十分良好。

5 結語

汽車發動機的性能改造是當今汽車生產制造領域中最為關鍵的一項工作內容。基于此，生產企業、研究者與技術人員應結合實際的汽車發動機設計情況及其應用需求等，合理設計其性能優化仿真模擬計算模型。將設計圖紙中的相關參數與發動機實際的運行參數等合理導入其中，通過主要結構參數變化仿真模擬的方式來確定其性能優化方案，并通過實體改裝的方式來驗證優化方案的可行性。這樣不僅可有效簡化汽車發動機的性能優化及其改裝設計流程，同時也可以獲得足夠精準的性能優化效果，可充分滿足現代汽車發動機的實際性能優化需求，促進現代汽車發動機的低碳節能化發展。

參考文獻：

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[2]張士亨.高壓縮比點燃式天然氣發動機性能優化策略研究及數值模擬[D].長沙：湖南大學，2020.

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[4]李海青，曾明杰，黃仁毅.基于KISSsoft的專用汽車發動機取力裝置齒輪修形優化設計[J].上海汽車，2023（11）：19-24.

[5]王威，劉吉緒，吳春玲，等.基于機器學習的車用發動機性能預測及優化方法研究[J].內燃機，2023（5）：28-34.

[6]馬靖巖，吳貞明，李保儒，等.某發動機進氣歧管的CFD分析及優化[J].內燃機，2023（5）：35-39.

作者簡介：

顏天敏，女，1980年生，教授，研究方向為機械設計制造及自動化、發動機技術等。