全海榮

（柳州五菱柳機(jī)動力有限公司，廣西柳州545005）

當(dāng)今世界，可持續(xù)發(fā)展是每一個國家必須高度重視的問題，我國政府也在多年前就提出這一命題，并把建設(shè)資源節(jié)約型和環(huán)境友好型社會作為戰(zhàn)略目標(biāo)，以達(dá)到可持續(xù)發(fā)展。具體到汽車行業(yè)，國家相關(guān)部門為了貫徹該戰(zhàn)略目標(biāo)，陸續(xù)出臺了一系列的標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)，如《乘用車燃料消耗量限值》（GB 19578-2004）、《車用壓燃式、氣體燃料點燃式發(fā)動機(jī)與汽車排氣污染物排放限值及測量方法（中國Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ階段）》（GB 17691-2005）、《輕型汽車污染物排放限值及測量方法（中國Ⅲ、Ⅳ階段）》（GB 18352.3-2005）等。相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)的不斷更新且日趨嚴(yán)格，要求汽車廠家要不斷發(fā)展技術(shù)，更新?lián)Q代產(chǎn)品，使生產(chǎn)的汽車能夠能耗越來越小，排放的污染物越來越少。在此背景下，五菱柳機(jī)動力公司要求對現(xiàn)生產(chǎn)的LJ491QE1汽油機(jī)進(jìn)行技術(shù)改造，向研發(fā)中心下達(dá)了對LJ491QE1汽油機(jī)進(jìn)行性能提升開發(fā)的研發(fā)任務(wù)。

1 LJ491QE1汽油機(jī)簡介

我國目前生產(chǎn)的491汽油機(jī)基本都是以國外汽油機(jī)為原型機(jī)的產(chǎn)品?，F(xiàn)公司生產(chǎn)的LJ491QE1汽油機(jī)與國外原形機(jī)一樣，采用的是側(cè)置凸輪軸、每缸兩氣門、楔形燃燒室設(shè)計，缸徑為91mm，行程為86 mm，壓縮比為8.8，排量為2.237 L。為了適應(yīng)我國日益嚴(yán)格的排放法規(guī)要求，LJ491QE1汽油機(jī)也從最早的化油器系統(tǒng)，升級到了單點電噴燃油系統(tǒng)，直到現(xiàn)在的多點電噴燃油系統(tǒng)。LJ491QE1汽油機(jī)采用的是德爾福MT20U多點電噴控制系統(tǒng)，最大功率為75 kW，最大扭矩為190 N·m，最低燃油消耗率不大于265 g/（kW·h），達(dá)到《輕型汽車污染物排放限值及測量方法》（GB 18352.2-2001）（等同歐Ⅱ）規(guī)定的排放要求。該型汽油機(jī)目前還在批量生產(chǎn)，主要搭載在北京汽車制造廠有限公司生產(chǎn)的1041型輕型卡車上。由于該型汽油機(jī)的先天性結(jié)構(gòu)因素，通過電控系統(tǒng)的優(yōu)化所獲得的整機(jī)性能提升已經(jīng)很有限，要大幅提升其性能，必須從整機(jī)結(jié)構(gòu)上著手開發(fā)。

491汽油機(jī)在上世紀(jì)70年代開發(fā)時，局限于當(dāng)時的技術(shù)水平，整個汽油機(jī)的結(jié)構(gòu)比較簡單。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，現(xiàn)在的汽油機(jī)已經(jīng)出現(xiàn)了許多新的結(jié)構(gòu)形式，也采用了許多新的技術(shù)，使得現(xiàn)在的汽油機(jī)的升功率、扭矩、油耗、排放都達(dá)到了很高的水平。為了節(jié)約開發(fā)成本與開發(fā)時間，同時根據(jù)目標(biāo)客戶的價格可接受因素，我們經(jīng)過充分的研究，認(rèn)為在不大幅提高汽油機(jī)的價格前提下，主要采用一些比較成熟、不需要投入太多資金的技術(shù)，力爭在現(xiàn)生產(chǎn)的LJ491QE1汽油機(jī)成本基礎(chǔ)上，只增加較少的一些成本，而取得汽油機(jī)的整機(jī)性能能夠得到大幅度的提升。

關(guān)于提升途徑的前期研究，可以有如下的思路。

2 采用多氣門技術(shù)

LJ491QE1汽油機(jī)現(xiàn)采用每缸兩氣門設(shè)計，配氣機(jī)構(gòu)比較簡單。凸輪軸放置在汽油機(jī)缸體的左側(cè)（從前端看），凸輪軸驅(qū)動液壓挺柱推動挺桿從而驅(qū)動氣門運動，沒有氣門間隙。由于采用了液壓挺柱，整個配氣機(jī)構(gòu)運轉(zhuǎn)時聲音較小。每缸兩個氣門的設(shè)計，也使得汽油機(jī)能在較低的轉(zhuǎn)速下獲得較大的扭矩輸出，其最大扭矩輸出的轉(zhuǎn)速在（2400～2800）r/min。這樣的機(jī)構(gòu)特點，雖然零部件少、結(jié)構(gòu)簡單、制造成本低、低速扭矩較好，但由于發(fā)動機(jī)在高速運轉(zhuǎn)時充氣效率較低，使得在高速運轉(zhuǎn)時燃燒不充分，導(dǎo)致升功率較小，總體油耗偏高，CO和HC的排放水平較高。目前，發(fā)動機(jī)的升功率指標(biāo)要求越來越高，油耗與排放水平要求越來越低。因此，在LJ491QE1上采用每缸四氣門設(shè)計，將會使得汽油機(jī)在高速運轉(zhuǎn)時獲得較高的充氣效率，燃燒更充分，從而使整機(jī)的升功率指標(biāo)得到提高，油耗與排放水平也會隨著得到改善。當(dāng)然，每缸采用四氣門設(shè)計，會使得發(fā)動機(jī)在低速運轉(zhuǎn)時充氣效率降低，輸出扭矩也有一些降低，但要升功率、油耗與排放等指標(biāo)得到改善，低速扭矩有點降低是可以接受的。

LJ491QE1采用每缸四氣門設(shè)計后，原有的配氣機(jī)構(gòu)必須更改并重新布置。經(jīng)過整機(jī)結(jié)構(gòu)研究，設(shè)計方案是采用2根凸輪軸，凸輪軸布置形式為頂置式。由于原LJ491QE1側(cè)置布置的凸輪軸還要同時驅(qū)動機(jī)油泵工作，且不改動缸體和機(jī)油泵的結(jié)構(gòu)與布置位置，需要保留一根中間軸安裝在原來的凸輪軸軸承孔。曲軸通過1號正時鏈條帶動中間軸運轉(zhuǎn)，中間軸再通過2號正時鏈條帶動凸輪軸運轉(zhuǎn)，同時通過其上面的斜齒輪驅(qū)動機(jī)油泵驅(qū)動軸，從而驅(qū)動機(jī)油泵工作。凸輪軸與氣門之間空間較小，如果仍采用液壓挺柱，氣缸蓋需要設(shè)計油路，這樣勢必會使氣缸蓋的加工變得復(fù)雜，液壓挺柱與氣缸蓋的成本較高，對整機(jī)的價格控制很不利，因此，考慮采用機(jī)械挺柱代替液壓挺柱。

3 提高壓縮比

LJ491QE1的壓縮比為8.8，這個指標(biāo)是與原型機(jī)設(shè)計時的汽油品質(zhì)相適應(yīng)的。隨著煉油技術(shù)的發(fā)展，目前生產(chǎn)的汽油標(biāo)號越來越高，也就是汽油的抗爆性能越來越好。我們知道，發(fā)動機(jī)的功率、扭矩等技術(shù)指標(biāo)與壓縮比是有很大關(guān)系的。汽油發(fā)動機(jī)在運轉(zhuǎn)時，吸進(jìn)來的通常是汽油與空氣混合而成的混合氣，在壓縮過程中活塞上行，除了擠壓混合氣使之體積縮小之外，同時也發(fā)生了渦流和紊流兩種現(xiàn)象。當(dāng)密閉容器中的氣體受到壓縮時，壓力是隨著溫度的升高而升高。若汽油機(jī)的壓縮比較高，壓縮時所產(chǎn)生的氣缸壓力與溫度相對地提高，混合氣中的汽油分子能汽化得更完全，顆粒能更細(xì)密，再加上剛才所說的渦流和紊流效果和高壓縮比所得到的密封效果，使得在下一刻運動中，當(dāng)火花塞跳出火花時，就能使得這混合氣在瞬間內(nèi)完成燃燒的動作，釋放出最大的爆發(fā)能量，來成為汽油機(jī)的動力輸出。因此，高壓縮比的汽油機(jī)，往往意味著可具有較大的動力輸出。當(dāng)然，壓縮比也不是越大越好，在考慮可能會產(chǎn)生爆震的基礎(chǔ)上，也要考慮原LJ491QE1的一些零部件的強(qiáng)度問題。

經(jīng)過對比分析目前國內(nèi)主流的汽車汽油機(jī)，壓縮比普遍在9.5～10.5之間。在分析LJ491QE1的結(jié)構(gòu)時，為了減少改動，降低開發(fā)成本，決定保留氣缸體、曲軸、連桿的結(jié)構(gòu)不變。因此，壓縮比不能取太高，以免原機(jī)體零部件的強(qiáng)度不夠。經(jīng)過分析論證，認(rèn)為把LJ491QE1發(fā)動機(jī)的壓縮比由8.8提高到10是比較合理的。通過修改燃燒室和活塞頂面的結(jié)構(gòu)形狀，就可以實現(xiàn)壓縮比的改變。

4 提高最高轉(zhuǎn)速

LJ491QE1的最高轉(zhuǎn)速只有4600 r/min，此時輸出最大的功率為75 kW。我們知道，一臺汽油機(jī)的轉(zhuǎn)速越高，它在單位時間內(nèi)作功的次數(shù)就越多，所以相應(yīng)的它輸出的功率就越大。通過電控系統(tǒng)提高汽油機(jī)的最高轉(zhuǎn)速，這對于提升功率指標(biāo)具有顯著的作用。經(jīng)過計算與論證，計劃把LJ491QE1的最高轉(zhuǎn)速由4600 r/min提高到5400 r/min，此時，曲軸與連桿等零部件的強(qiáng)度還在安全范圍之內(nèi)。但是，由于壓縮比由8.8提高到10，同時最高轉(zhuǎn)速提高，活塞的熱負(fù)荷增加較多。必須對活塞進(jìn)行及時有效的冷卻才能保證發(fā)動機(jī)的正常工作。為了解決這個問題，在不改動汽油機(jī)氣缸體冷卻水路與油路的基礎(chǔ)上，決定在氣缸體沿著曲軸中心線的主油路上，在每個汽缸的中心線平面位置安置一個噴嘴，讓機(jī)油在壓力作用下噴向活塞底部，以達(dá)到冷卻活塞的目的。

5 其他途徑

除了上述三種方法可以提高汽油機(jī)性能的途徑外，還有許多新技術(shù)可以提升性能指標(biāo)。增壓技術(shù)可以大幅提高汽油機(jī)的性能，但如果LJ491QE1采用增壓技術(shù)，那么相關(guān)的零部件就需要增加強(qiáng)度，才能滿足使用要求。同時，由于汽油機(jī)的熱負(fù)荷也會增加許多，整個冷卻系統(tǒng)也需要重新設(shè)計。這對于既要節(jié)約開發(fā)時間與成本，又要控制整機(jī)的價格水平來說，增壓技術(shù)是不能采用的。此外，還有可變氣門正時技術(shù)與可變進(jìn)氣管等新技術(shù)可以采用，以達(dá)到提升整機(jī)性能的目的，但是由于這兩項技術(shù)的采用，也會大幅提高研發(fā)與生產(chǎn)成本，因此決定不采用這兩項技術(shù)。

6 結(jié)束語

在既要節(jié)約開發(fā)時間與成本又要控制整機(jī)的生產(chǎn)成本前提下，我們的研發(fā)團(tuán)隊經(jīng)過對LJ491QE1汽油機(jī)的性能指標(biāo)分析與整機(jī)結(jié)構(gòu)分析，找出了一系列可以提高LJ491QE1汽油機(jī)的性能指標(biāo)的途徑。我們認(rèn)為，在LJ491QE1汽油機(jī)的基礎(chǔ)上，只要把每缸兩氣門改為每缸四氣門，把壓縮比由8.8提高到10，汽油機(jī)的最高轉(zhuǎn)速由4600 r/min提高到5400 r/min，那么，新的LJ491QE1汽油機(jī)的額定功率將會從現(xiàn)在的75kW提高到100kW以上，最大扭矩將會從現(xiàn)在的190N·m提高到200N·m以上，最低燃油消耗率將會從現(xiàn)在的不大于265 g/（kW·h）降低到不大于 260 g/（kW·h）以下。

從以上的前期研究分析可見，LJ491QE1汽油機(jī)只要采用了上述的三種改進(jìn)途徑，其整機(jī)性能指標(biāo)將會得到較大的提升，我們的研發(fā)任務(wù)也將會得到很好的完成。

[1]袁兆成，等.內(nèi)燃機(jī)設(shè)計[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

[2]吳 明，等.汽車發(fā)動機(jī)設(shè)計生產(chǎn)新工藝新技術(shù)與質(zhì)量檢驗標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范實用手冊[M].北京：北方工業(yè)出版社，2007.