摩托車發(fā)動機熱管理對機油消耗的研究

摘 要：摩托車是最常用的交通工具之一，其引擎的工作特性與穩(wěn)定性直接影響到整車的綜合性能。內(nèi)燃機在運轉(zhuǎn)時會產(chǎn)生大量的熱能，對其進行有效的熱管理，不但關(guān)系到整車的工作性能，也關(guān)系到機油的消耗量，隨著摩托車性能的不斷提高，對發(fā)動機熱管理的要求也越來越高，摩托車發(fā)動機在高溫條件下，機油消耗量增大，會影響發(fā)動機的穩(wěn)定性和使用壽命，因此發(fā)動機熱管理對發(fā)動機油耗的影響成為摩托車生產(chǎn)廠家與用戶共同關(guān)心的問題。

關(guān)鍵詞：摩托車 發(fā)動機熱管理 機油消耗

摩托車發(fā)動機在使用過程中，由于高溫、高壓的工作環(huán)境，導致各零部件溫度迅速升高，為了使發(fā)動機保持在合適的工作溫度范圍內(nèi)，生產(chǎn)廠家對發(fā)動機進行了一系列的設(shè)計與技術(shù)措施，包括冷卻系統(tǒng)，管道設(shè)計等。這些熱管理系統(tǒng)設(shè)計是否合理，將直接影響到發(fā)動機散熱效果及溫控能力，進而影響機油消耗量。發(fā)動機機油具有潤滑、冷卻和清洗等功能，但是在高溫環(huán)境中，機油的性能會發(fā)生變化，極易發(fā)生氧化、揮發(fā)等現(xiàn)象，造成機油油耗的增加。當機油消耗量過大時，不僅增加了使用成本，而且降低了工作效率，甚至降低了發(fā)動機的穩(wěn)定性和使用壽命。因此如何有效地控制燃油消耗，提高發(fā)動機運行效率，是摩托車生產(chǎn)廠家與用戶共同面對的課題。

1 摩托車發(fā)動機熱高效管理的重要性

1.1 提高降溫效果

摩托車發(fā)動機在高速運轉(zhuǎn)過程中會產(chǎn)生大量的熱量，如得不到有效的散熱和冷卻，將導致發(fā)動機過熱。發(fā)動機過熱不僅降低了功率輸出，而且降低了燃燒效率，嚴重時還會引起發(fā)動機故障。因此通過增加散熱面積和設(shè)計良好的導風結(jié)構(gòu)，可有效提高冷卻效果，使發(fā)動機處于合適的工作溫度區(qū)間，保證發(fā)動機正常工作。

1.2 降低汽缸熱變形

摩托車發(fā)動機工作在高溫環(huán)境中，缸內(nèi)熱膨脹引起缸內(nèi)變形，影響缸內(nèi)密封性能及運動精度。氣缸的熱變形不僅降低了發(fā)動機的效率，而且加速了零件的磨損，縮短了其使用壽命。因此通過優(yōu)化氣缸材料、強化氣缸冷卻系統(tǒng)等措施，可有效地減少氣缸熱變形，從而提高發(fā)動機的可靠性與穩(wěn)定性。

1.3 減少機油消耗量

發(fā)動機長期處于高溫環(huán)境中，機油的蒸發(fā)、氧化、揮發(fā)等都會使機油迅速消耗。如果機油消耗量過大，將使機油潤滑性能降低，使各零部件的磨損增大，嚴重時甚至引起發(fā)動機故障。因此通過對發(fā)動機的散熱系統(tǒng)進行優(yōu)化，提高發(fā)動機的熱效率，就能有效地降低機油的消耗量，延長換油周期，減少維修費用，從而提高發(fā)動機的可靠性和使用壽命。

1.4 縮短機油點檢周期

定期檢查、更換機油是保證發(fā)動機正常運轉(zhuǎn)的重要手段，然而在高溫工況下，發(fā)動機機油極易發(fā)生氧化污染，導致機油性能下降，從而影響發(fā)動機的正常運轉(zhuǎn)。如果使用時間過長，則會使發(fā)動機零部件過度磨損，嚴重時甚至引起嚴重故障。因此提高發(fā)動機的散熱效率，優(yōu)化機油循環(huán)系統(tǒng)，可有效地縮短點檢周期，維持發(fā)動機的穩(wěn)定性，提高發(fā)動機的可靠性與耐久性。

1.5 維持動力、消耗性能和排放標準

發(fā)動機需要在較高的溫度下更高效地運轉(zhuǎn)，更大的功率輸出和更快的反應(yīng)速度，如果發(fā)動機溫度過高或者過低，都會影響發(fā)動機的工作性能，嚴重時還會引起發(fā)動機性能的下降，從而影響騎乘體驗。發(fā)動機溫度還會影響摩托車的排放，高溫易造成燃燒不完全，產(chǎn)生有害氣體，對環(huán)境及人體健康產(chǎn)生不利影響，因此對摩托車發(fā)動機進行科學、合理的熱管理，可使發(fā)動機處于良好的工作狀態(tài)，保持其功率、油耗及排放指標，達到安全、高效、環(huán)保的目的。

2 熱管理不良對機油消耗的影響

2.1 提高發(fā)動機溫度

發(fā)動機長期工作在高溫環(huán)境中，機油內(nèi)分子的熱運動增加，分子間的相互作用減弱，導致機油分子之間的阻力減小，從而使機油的粘度降低，不能有效地潤滑各零件。隨著溫度的升高，機油的氧化，揮發(fā)，消耗也越來越快，導致發(fā)動機需要更多的機油。

2.2 增加摩擦和磨損

不佳的熱管理也增加了發(fā)動機內(nèi)部零件間的摩擦力與磨損，從而增加了機油的消耗量。在高溫環(huán)境中，各零件間的摩擦力增大，使零件表面磨損加劇，如果機油不能對這些零件進行有效的潤滑，那么摩擦就會變得更加明顯，從而加快發(fā)動機零部件的磨損速度，從而增加油耗。

2.3 降低機油粘度

當發(fā)動機處于較高的溫度時，潤滑油的粘度就會降低，機油粘度指的是機油在高溫條件下的流動性及潤滑性，若粘度過低，則機油不能對發(fā)動機各零件起到有效潤滑作用，導致機油消耗量增大。所以如果不能很好地控制熱，就會導致機油粘度的下降，從而加劇機油的消耗量。

2.4 導致機油氧化

在高溫條件下，發(fā)動機機油在高溫下發(fā)生氧化，改變其化學成分，使其失去潤滑性能。機油氧化會使機油變質(zhì)，失去潤滑作用，加快發(fā)動機內(nèi)零部件的磨損，使油耗增加[1]。因此如果熱管理不好，就會加劇機油的氧化，從而縮短機油的使用壽命，增加換油次數(shù)。

2.5 加速機油的揮發(fā)和流失

當發(fā)動機處于過熱狀態(tài)時，機油中揮發(fā)性物質(zhì)會迅速揮發(fā)，從而使油量降低，揮發(fā)性物質(zhì)是發(fā)動機機油中的揮發(fā)性成分，它的揮發(fā)會降低發(fā)動機機油濃度，降低潤滑油的潤滑效果。同時環(huán)境溫度過高還會使機油損失加劇，短時間內(nèi)機油消耗量增加。

2.6 影響機油的潤滑性能

在發(fā)動機運轉(zhuǎn)過程中，潤滑油起到了潤滑、冷卻、清洗、密封等作用，保證了發(fā)動機各個部件的正常工作。但是在過熱的情況下，機油粘度下降，潤滑性能下降。造成摩擦增加，磨損加劇，嚴重時甚至會造成發(fā)動機的損壞。

3 風冷發(fā)動機的冷卻系統(tǒng)

風冷發(fā)動機的冷卻系統(tǒng)包括風扇、風扇罩、導風罩、氣缸頭及氣缸上的散熱片等部件，它們協(xié)同工作，保證發(fā)動機正常工作溫度，提升發(fā)動機性能與使用壽命。風扇罩的主要功能是將外界氣流引導到發(fā)動機內(nèi)部，從而提高發(fā)動機的散熱效率，一般情況下，風扇罩的設(shè)計應(yīng)具有良好的空氣動力學性能，能有效引導氣流在發(fā)動機周圍流動，形成所需的冷卻氣流。導風罩一般安裝在引擎周圍，將氣缸頭和氣缸包圍起來，通過從風扇罩引導進來的冷卻風對氣缸頭和氣缸強制冷卻。在發(fā)動機運行過程中，通過對導風罩形狀及位置的合理設(shè)計，可有效提高冷卻效率，降低發(fā)動機運行時的溫升。另外導風罩對發(fā)動機具有保護、隔離作用，防止外界雜物進入發(fā)動機內(nèi)部，保證發(fā)動機的正常運轉(zhuǎn)。設(shè)置再在氣缸頭和氣缸上的散熱片，具有增加散熱面積和增加散熱效率的功能。增加散熱片數(shù)量及密度，可有效改善發(fā)動機冷卻效果，降低工作溫度。

4 摩托車發(fā)動機熱高效管理的方法

4.1 冷卻系統(tǒng)優(yōu)化，降低機油、高熱部件的溫度

傳統(tǒng)的風扇設(shè)計存在進氣量不足、發(fā)動機散熱不及時等問題，為解決這個問題，工程人員可設(shè)計一種新的冷卻風扇，以增加進氣量，通過對葉片形狀及數(shù)量的優(yōu)化，調(diào)節(jié)葉片傾角與長度，可有效提高進氣效率，保證發(fā)動機獲得充足的冷卻空氣量。除增加進氣量外，對風扇罩及導風罩的優(yōu)化也是提高冷卻效果的重要因素。風扇罩與導風罩的設(shè)計，直接關(guān)系到冷氣的利用率，優(yōu)化風扇罩與導風罩的外形、材料及結(jié)構(gòu)，可改善氣流特性，降低散熱損失，提高散熱效果[2]。例如，對風扇罩內(nèi)部結(jié)構(gòu)進行合理設(shè)計，提高其與發(fā)動機的密封性能，可有效改善其冷卻效果。在此基礎(chǔ)上，通過優(yōu)化導風罩的出氣口位置及形狀，提高冷卻空氣利用效率，保證冷卻空氣能完全覆蓋發(fā)動機高溫部件，降低其溫升。還可通過其他一些具體措施，對冷卻系統(tǒng)進行優(yōu)化，以降低機油及高溫零件的溫度。例如，優(yōu)化冷卻介質(zhì)循環(huán)系統(tǒng)，改善冷卻效果。綜合運用以上幾種方法，可有效降低發(fā)動機工作溫度，延長其使用壽命，改善其性能（冷卻系統(tǒng)優(yōu)化如圖1所示）。

4.2 氣缸頭通風道結(jié)構(gòu)優(yōu)化，降低缸頭溫度

在傳統(tǒng)鑄造技術(shù)中，通風道常采用金屬芯部構(gòu)成空腔結(jié)構(gòu)，但金屬芯部導熱系數(shù)高，極易引起缸頭溫度過高[3]。相比較而言，砂芯成型采用砂型模具，能較好的隔絕導熱，降低對缸頭溫度的影響。通過對砂芯設(shè)計及材料選擇的優(yōu)化，可有效提高排氣道的散熱效果，降低發(fā)動機工作溫度。在風道內(nèi)加裝導風裝置，可改善氣流流速及方向性，加速散熱，導風設(shè)計可通過優(yōu)化排風道布局及外形，使氣流能更好的沖刷缸頭表面，并將過多的熱量帶走，同時合理設(shè)計風道的布置位置及數(shù)量，可避免氣流的堵塞與交叉，使風道達到最大的散熱效果。也可從結(jié)構(gòu)、材料等方面進一步降低缸頭溫度，例如，采用導熱系數(shù)高、耐高溫的材料制作通風道，可提高散熱效率，降低熱積累[4]。通過對通風道內(nèi)部結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，如加裝散熱片和調(diào)整通風道截面形狀等，可有效降低缸頭溫度，延長發(fā)動機壽命（氣缸頭通風道示意圖如圖2所示）。

4.3 氣門座圈材質(zhì)優(yōu)化、降低汽缸熱變形，減少上下竄的機油量

為了提高氣門座圈的性能，可考慮將其材料改成粉末冶金，具有很好的耐熱、耐磨性能，比傳統(tǒng)材料更耐用、更可靠。用粉末冶金制作的氣門座圈，能有效地減少磨損量，延長其使用壽命，提高其可靠性與穩(wěn)定性，此外粉末冶金還能更好的適應(yīng)高溫工況，有效降低氣門座圈在高溫環(huán)境中的變形與損傷，進一步提高發(fā)動機性能與可靠性[5]。氣門座圈材料的優(yōu)化是減少下竄機油的關(guān)鍵，如果氣門座圈材料不好或者有損傷，機油就會從氣門座圈下竄到燃燒室，引起排放升高等問題。因此采用耐磨耐高溫的氣門座圈材料，能夠有效地降低機油下竄現(xiàn)象，從而改善發(fā)動機的燃燒效果，提高發(fā)動機的穩(wěn)定性。

缸套和活塞間的間隙是機油上竄的主要途徑，如果缸套中活塞的運動狀態(tài)不穩(wěn)或者氣缸壁磨損過大，機油就會沿著活塞與氣缸壁之間的間隙向上竄到燃燒室，導致發(fā)動機燒機油，引起排放升高。所以保證缸套表面平整，活塞與缸套的配合精度，是降低機油上竄、提升內(nèi)燃機工作效率及可靠性的關(guān)鍵。

4.4 ECU程式優(yōu)化，加大引擎溫度保護區(qū)間

通過對點火提前角進行優(yōu)化，可提高發(fā)動機熱效率，其中點火提前角是活塞到達頂點前點火所處位置，合理調(diào)節(jié)點火提前角可提高發(fā)動機燃燒效率，減少發(fā)動機熱損耗，降低尾氣排放，通過對點火提前角的優(yōu)化，可使發(fā)動機在較高的溫度下更穩(wěn)定、更有效地工作。ECU程序優(yōu)化也可通過調(diào)節(jié)噴油量來提高發(fā)動機熱效率，燃油噴注量的大小直接影響發(fā)動機在燃燒過程中所釋放出的熱量及功率，合理控制燃油噴注量可使發(fā)動機在高溫環(huán)境下更高效、更節(jié)能。通過對噴油量的優(yōu)化，可使發(fā)動機在較高溫度下的燃燒溫度降低，并降低燃燒過程中產(chǎn)生的熱量，達到防止發(fā)動機過熱破壞的目的。ECU程序優(yōu)化也可通過調(diào)節(jié)冷卻系統(tǒng)的控制參數(shù)，使發(fā)動機溫度保持在合適的范圍內(nèi)，從而擴大發(fā)動機溫度區(qū)間，合理調(diào)節(jié)冷卻系統(tǒng)的控制參數(shù)，可提高冷卻效率，擴大發(fā)動機溫域范圍，保證發(fā)動機在較高溫度環(huán)境下仍能保持較高的穩(wěn)定性。ECU程序優(yōu)化也能通過優(yōu)化排氣系統(tǒng)設(shè)計、調(diào)整氣缸壓縮比等參數(shù)，進一步提高發(fā)動機熱效率[6]。

5 結(jié)束語

在實際應(yīng)用過程中，發(fā)動機熱管理對機油消耗的影響也是非常明顯的，發(fā)動機溫度升高會加速機油的氧化降解，降低機油的潤滑性，增大摩擦損失，增加機油消耗，由于發(fā)動機溫度過高，機油揮發(fā)加劇，導致發(fā)動機機油量下降。通過對發(fā)動機熱管理系統(tǒng)進行優(yōu)化，能夠有效地減少機油的消耗量，延長發(fā)動機的使用壽命，提升摩托車的綜合性能。只有不斷地進行技術(shù)創(chuàng)新，提高用戶意識，才能從根本上解決摩托車發(fā)動機熱管理所產(chǎn)生的機油消耗問題，為我國摩托車工業(yè)的持續(xù)發(fā)展打下堅實的基礎(chǔ)。

參考文獻：

[1]方云飛.收藏家的瑰寶諾頓雙轉(zhuǎn)子發(fā)動機摩托車[J].摩托車，2023（11）：68-75.

[2]阮天林.淺談機油異常消耗與檢修要點（2）[J].摩托車技術(shù)，2022（05）：57-64.

[3]林樹軍.基于騎手熱舒適性的摩托車流動傳熱分析[D].杭州：浙江大學，2022.

[4]林俊發(fā).摩托車發(fā)動機機油消耗分析與改進[J].內(nèi)燃機與配件，2021（13）：32-33.

[5]于克洋.發(fā)動機熱管理控制策略及其測控裝置的研究[D].天津：天津工業(yè)大學，2021.

[6]譚禮斌，袁越錦，黃燦，余千英.基于CFD的摩托車整車熱管理數(shù)值模擬及分析[J].廣西大學學報（自然科學版），2020，45（05）：1083-1090.