王鑫，勾志彬，鄭思哲，閆世明

（湖北汽車工業(yè)學(xué)院 汽車工程系，湖北 十堰442002）

1 項(xiàng)目背景

節(jié)能競(jìng)技大賽，是使用Honda低油耗摩托車的四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)，設(shè)計(jì)、制作賽車，創(chuàng)造出表達(dá)環(huán)保主題的車身，限用1L汽油行駛更遠(yuǎn)的距離，并最大限度地降低廢氣排放，是挑戰(zhàn)節(jié)能極限的一項(xiàng)競(jìng)技賽事。人們不僅可以感受到“創(chuàng)造”與“交流”的樂趣，同時(shí)還可以體會(huì)到“低油耗，少減排就是環(huán)保”。

湖北汽車工業(yè)學(xué)院于2010年首次報(bào)名參賽，成立“疾風(fēng)車隊(duì)”。在9月份的比賽中，折合油耗成績(jī)?yōu)?44.319km/L，在全國(guó)90多支車隊(duì)中名列第10、成績(jī)顯著，但是距離全國(guó)頂尖強(qiáng)隊(duì)，如同濟(jì)大學(xué)，北京理工大學(xué)等，還有較大的差距，可提升空間很大。通過此次的科技創(chuàng)新立項(xiàng)平臺(tái)的研究，全面提高整車的經(jīng)濟(jì)性能。

1.1 大賽關(guān)于發(fā)動(dòng)機(jī)的規(guī)則要求

發(fā)動(dòng)機(jī)以本田提供的四沖程125 cc發(fā)動(dòng)機(jī)為基礎(chǔ)，可自由改造。但要遵守以下要求：1）氣缸蓋、曲軸箱、曲軸為Honda產(chǎn)品；2）排氣量在125 cc以下，自然進(jìn)氣式，其結(jié)構(gòu)必須確保潤(rùn)滑油不會(huì)泄漏。

1.2 大賽指定發(fā)動(dòng)機(jī)介紹

發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)：WH1152FMI；發(fā)動(dòng)機(jī)型式：風(fēng)冷、單缸、四沖程 ；氣缸工作容積 124.8 mL；壓縮比：9∶0∶1 ； 標(biāo)定功率及對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速：5.9/7000 kW/（r/min）；最大功率及對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速：6.6/7500 kW/（r/min）； 最大扭矩及對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速：9.68/4000 kW/（r/min）；離合器形式：自動(dòng)雙離合；起動(dòng)方式：電動(dòng)起/腳踏啟動(dòng)；點(diǎn)火方式：CDI（電容二極管點(diǎn)火）。

結(jié)合大賽的官方要求，散熱形式、工作容積、壓縮比、離合器形式等均可進(jìn)行自我創(chuàng)新、升級(jí)改進(jìn)。

2 發(fā)動(dòng)機(jī)改進(jìn)理論基礎(chǔ)

2.1 發(fā)動(dòng)機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性的評(píng)價(jià)指標(biāo)及影響因素

發(fā)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的性能直接影響了最終的油耗成績(jī)。將整車經(jīng)濟(jì)性能提高的主導(dǎo)因素就是降低發(fā)動(dòng)機(jī)的油耗。整個(gè)項(xiàng)目中心任務(wù)就是通過改進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)的本體結(jié)構(gòu)，點(diǎn)火形式，點(diǎn)火正時(shí)等提高最后成績(jī)。

衡量整車燃油經(jīng)濟(jì)性的指標(biāo)主要是行駛一定距離的燃油消耗量或單位燃油消耗量能使車輛行駛多少路程。就本田節(jié)能大賽而言，在規(guī)定時(shí)間內(nèi)在指定的賽道上行駛一段距離，通過燃油消耗量換算為體積油耗程長(zhǎng)，單位是km/L。體積油耗程長(zhǎng)的數(shù)據(jù)愈大說明了燃油經(jīng)濟(jì)性愈好。

燃油經(jīng)濟(jì)性除受其本身的結(jié)構(gòu)、工藝水平、調(diào)整狀況以及燃油規(guī)格等因素影響外，還受到行駛道路、駕駛技術(shù)、交通情況、氣溫氣象等因素的影響。

2.2 發(fā)動(dòng)機(jī)功率的選擇與燃油消耗的關(guān)系

燃油消耗率主要取決于發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作過程，尤其是排量、負(fù)荷率、燃燒效率等參數(shù)。

當(dāng)節(jié)能車行駛時(shí)，其驅(qū)動(dòng)功率與滾動(dòng)阻力功率、行駛阻力功率、坡道阻力功率、加速阻力功率之和相平衡，即

式中：Pe為發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)功率；Pf為滾動(dòng)功率；Pi為坡道阻力功率；Pw為行使阻力功率；Pj為加速阻力功率；G為汽車重力；f為滾動(dòng)阻力系數(shù)；v為車速，km/h；i為道路坡度；CD為空氣阻力系數(shù)；A為迎風(fēng)面積,m2；δ為汽車旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)；m為汽車質(zhì)量；ηT為機(jī)械傳動(dòng)效率。

從式（1）中可以看出，當(dāng)節(jié)能車加大油門行駛時(shí)，隨著時(shí)間的增加、速度的遞增，其加速度逐漸趨向于 0，即 dv/dt→0，故 Pj→0，亦即節(jié)能車逐漸趨向于驅(qū)動(dòng)功率與阻力功率相平衡的勻速行駛。

分析可知，在節(jié)能車行駛過程中，最終驅(qū)動(dòng)功率會(huì)與阻動(dòng)功率相平衡，即

此外，式（2）同時(shí)也表明，阻動(dòng)功率與汽車總重量G，迎風(fēng)面A等自身結(jié)構(gòu)有關(guān)系，且與節(jié)能車行駛速度v有關(guān)。

只要能滿足比賽較低速度下的動(dòng)力性需要，發(fā)動(dòng)機(jī)功率選擇應(yīng)盡量的少，在用最高擋時(shí)，達(dá)到上述阻力功率的80%～90%即可。因?yàn)閺陌l(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)荷特性可知，只有在節(jié)氣門開度較大、負(fù)荷率較高的情況下，發(fā)動(dòng)機(jī)才有最低的燃油消耗率，發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)才最好。

2.3 改進(jìn)的方向

根據(jù)往屆比賽的經(jīng)驗(yàn)，車輛的平均行駛速度在30 km/h左右，處于低負(fù)載狀態(tài)。因此可以對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)缸體及活塞部分做部分改造，減小發(fā)動(dòng)機(jī)排量，降低發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率，達(dá)到節(jié)油效果。

在傳動(dòng)比選定和比賽策略的制定中需要著重考慮發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷率的影響因素?！柏?fù)荷率”為在一定轉(zhuǎn)速下實(shí)際負(fù)荷跟該轉(zhuǎn)速的最大負(fù)荷的比值。在一定范圍內(nèi)，負(fù)荷率越高，經(jīng)濟(jì)性越好。

較高的燃燒效率自然降低了發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油消耗率，可以通過控制進(jìn)油量，提高點(diǎn)火能量來改善燃燒。在避免爆燃的情況下，適度提高壓縮比可提高發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒效率，對(duì)燃油經(jīng)濟(jì)性有促進(jìn)作用。

3 發(fā)動(dòng)機(jī)具體結(jié)構(gòu)的改進(jìn)

3.1 發(fā)動(dòng)機(jī)本體

3.1.1 發(fā)動(dòng)機(jī)減重

通過分析此次比賽，每跑一圈點(diǎn)火次數(shù)不超過5次，每次點(diǎn)火間隔不超過10s。因此，發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的熱量很小，不需要用自帶的風(fēng)冷散熱鱗片進(jìn)行機(jī)體冷卻，可以將分布在汽缸周圍的鱗片切除，減去了不少重量。

在比賽中，擋位的選擇主要為4擋，5擋。其余擋位基本沒有使用。因此，嘗試將發(fā)動(dòng)機(jī)的變速箱系統(tǒng)進(jìn)行拆除，只保留4、5兩擋的傳動(dòng)嚙合齒輪。通過實(shí)際拆裝實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜，而且一旦拆除這些齒輪，對(duì)齒輪的軸向定位有很大影響，對(duì)傳動(dòng)軸的動(dòng)平衡也有很大的影響。隨后放棄了拆除變速器部分齒輪的方案。

節(jié)能車的電路設(shè)計(jì)與普通摩托車的一個(gè)最大區(qū)別在于，不使用摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)的磁電機(jī)進(jìn)行發(fā)電，而是使用蓄電池作為主要電源。因此可以考慮將發(fā)電機(jī)厚重的線圈和轉(zhuǎn)子去掉。在實(shí)際拆裝后發(fā)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)不能正常點(diǎn)火，查找原因后發(fā)現(xiàn)，由于磁電機(jī)拆除后，無點(diǎn)火脈沖信號(hào)，無法控制火花塞點(diǎn)火。磁電機(jī)的作用還有提供點(diǎn)火信號(hào)的功能，不能簡(jiǎn)單的拆除，需要將凸輪軸位置傳感器單獨(dú)保留，以保證發(fā)動(dòng)機(jī)的正常工作。

3.1.2 發(fā)動(dòng)機(jī)保溫

發(fā)動(dòng)機(jī)工作在溫度范圍為80～90℃時(shí)，其效率最高。節(jié)能車的發(fā)動(dòng)機(jī)在一個(gè)點(diǎn)火周期內(nèi)的工作時(shí)間較短，停機(jī)時(shí)間較長(zhǎng)。散熱速度過快，對(duì)維持發(fā)動(dòng)機(jī)效率不利。為了解決這個(gè)問題，在切除散熱片的汽缸周圍包裹一圈保溫材料；選擇了錫紙，錫紙能夠較好的貼合缸體表面，外部用細(xì)鐵絲加以固定，達(dá)到保溫效果。

3.2 發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)

3.2.1 化油器

發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油直接來自于化油器的供給，化油器性能的好壞最直接的影響了最終的油耗多少。降低化油器的單位時(shí)間進(jìn)油量能降低發(fā)動(dòng)機(jī)的功率。如果在保證發(fā)動(dòng)機(jī)正常燃燒的情況下減少進(jìn)油量，經(jīng)濟(jì)性將大大的提高。由化油器的結(jié)構(gòu)分析可知，燃油供給量多少受化油器的主量孔與針閥間的間隙控制，只要減小間隙，供油量將減小?？梢酝ㄟ^調(diào)整主量孔大小和針閥粗細(xì)的途徑來實(shí)現(xiàn)。根據(jù)此方案，購(gòu)買不同內(nèi)徑的主量孔和針閥，進(jìn)行配對(duì)使用測(cè)試，找到油耗量最低的一組。

3.2.2 穩(wěn)壓腔

在化油器進(jìn)氣口加裝一個(gè)小型的穩(wěn)壓腔，通過真空負(fù)壓的原理進(jìn)行一定程度的增壓，不但增加了進(jìn)氣量，改善了混合氣的霧化狀況，而且可以實(shí)現(xiàn)稀薄燃燒，提高燃油經(jīng)濟(jì)性。

3.3 發(fā)動(dòng)機(jī)缸體

為了提高發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮比有2種方案可供選擇：一是將原裝活塞更換為平頂活塞，或是用填充物將副燃燒室填充；二是將氣缸蓋下端面磨薄?？紤]到改變活塞會(huì)破壞發(fā)動(dòng)機(jī)本來的燃燒室結(jié)構(gòu)，對(duì)燃燒過程有不利影響，而且火花塞容易發(fā)生碰撞干涉，故放棄此方案。選擇對(duì)汽缸蓋下端面進(jìn)行處理，通過磨床對(duì)下端面磨薄0.5 mm。

在降低混合氣濃度和增大壓縮比后發(fā)動(dòng)機(jī)的不穩(wěn)定點(diǎn)火和燃燒狀況出現(xiàn)的比較明顯。為了解決這個(gè)問題，在原有火花塞對(duì)稱位置自行打一火花塞孔，安裝一火花塞、輔助點(diǎn)火。

3.4 發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火系

發(fā)動(dòng)機(jī)原配為CDI點(diǎn)火器，更換為一種可調(diào)程序的“超級(jí)點(diǎn)火器”，通過電腦可以將其內(nèi)部的點(diǎn)火參數(shù)曲線進(jìn)行調(diào)整。主要更改其在發(fā)動(dòng)機(jī)不同轉(zhuǎn)速條件下的點(diǎn)火提前角，在不斷的寫入程序數(shù)據(jù)后，對(duì)單一變量的對(duì)比試驗(yàn)分析，找到最佳的點(diǎn)火提前角度。高壓包、高壓線與火花塞全部更換為NGK（日本火花塞株式會(huì)社）套裝，大大提高了點(diǎn)火能量，保證賽車的平穩(wěn)起步和加速。

3.5 發(fā)動(dòng)機(jī)排氣系統(tǒng)

通過AVL Boost軟件對(duì)排氣管模塊進(jìn)行仿真得出，排氣背壓降到最低，其動(dòng)力性削弱，但是其燃油經(jīng)濟(jì)性提高了。

4 發(fā)動(dòng)機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性的試驗(yàn)方法

4.1 臺(tái)架試驗(yàn)

自制了簡(jiǎn)易發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架，固定發(fā)動(dòng)機(jī)及其附件，安裝有油箱，電瓶及控制手柄。利用自制的齒輪泵阻尼，通過鏈條對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)施加一定的負(fù)載，可進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)跑和及定載下的油耗測(cè)試。也可去掉負(fù)載，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行怠速油耗測(cè)試。

在油門開度及阻尼不變的情況下，調(diào)整單一參數(shù)（如點(diǎn)火提前角等）。對(duì)比各個(gè)變量下的燃油經(jīng)濟(jì)性，分析數(shù)據(jù)找出最佳燃油經(jīng)濟(jì)性曲線。

通過“尾氣分析儀”對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣進(jìn)行檢測(cè)，關(guān)注尾氣中的一氧化碳，碳顆粒等，從而分析發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒質(zhì)量，改進(jìn)燃燒。

4.2 道路試驗(yàn)

將發(fā)動(dòng)機(jī)安裝在節(jié)能車上，在學(xué)校操場(chǎng)進(jìn)行跑圈循環(huán)測(cè)試。利用滴定管測(cè)定燃油消耗量，從隨車碼表中讀出行駛里程，計(jì)算出最終的油耗數(shù)據(jù)。

測(cè)試可以模擬較為真實(shí)的比賽環(huán)境，在加速與滑行相結(jié)合的策略下，比較了不同速度區(qū)間滑行下的油耗表現(xiàn)，最真實(shí)的測(cè)出類似于比賽的成績(jī)，具有較高參考價(jià)值。

5 展望

在節(jié)能車發(fā)動(dòng)機(jī)的改進(jìn)中，仍有以下幾點(diǎn)可以進(jìn)行更深一步的創(chuàng)新和改進(jìn)：1）徹底拆除原有變速機(jī)構(gòu)，自制一級(jí)或兩級(jí)減速機(jī)構(gòu)，滿足所需的傳動(dòng)比。2）對(duì)齒輪箱進(jìn)行切割，自制機(jī)油泵，減少機(jī)油用量，降低重量而且將機(jī)油準(zhǔn)確送至潤(rùn)滑表面。3）將雙頂置凸輪軸換為電磁閥，利用ECU控制氣門開閉，在關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)后，將更加節(jié)省燃油。

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