羅富勝

摘要：在如今的汽油發(fā)動機領域，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)動機的進排氣系統(tǒng)進行優(yōu)化、或對汽油發(fā)動機的進氣等系統(tǒng)進行匹配設計，提高進氣量;方法三，對汽油發(fā)動機的各個零部件進行不斷的優(yōu)化，進一步的提高汽油發(fā)動機的動力輸出，最大限度的降低汽油發(fā)動機的損耗。在不同的領域，對不同的汽油發(fā)動機項目，應按照項目的汽油發(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。

關鍵詞：汽油;發(fā)動機;性能提升

中圖分類號：U464.171? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：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于發(fā)動機的技術取得了長足的進步，越來越多的新技術新材料被投入到發(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)動機機轉速高（轎車用汽油機最高轉速可達5000—6000R/MIN），適應性好。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 國內發(fā)動機性能開發(fā)現(xiàn)狀

在中國進入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，導致中國國內自主汽車品牌只能依靠模仿和以前所積累的技術來對發(fā)動機進行研究設計，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)動機設計和開發(fā)過程出現(xiàn)風險和失誤，國內汽車廠商在發(fā)動機設計研制的過程中和關鍵零部件的制造主要以逆向為主，長期以往便造成了國內汽車制造廠商的產(chǎn)品創(chuàng)新性不足，難以與國外的汽車廠商競爭，并且一直處于跟風的狀態(tài)，更不用說對產(chǎn)品進行優(yōu)化改良使產(chǎn)品達到更高的水平，長期以往使得國內廠商品牌影響力降低進而又導致了國內廠商創(chuàng)新性降低，市場占有率下降的死循環(huán)。起初國內汽車制造廠商，對于發(fā)動機的設計研發(fā)主要是依靠購買進口的發(fā)動機，但是由于國外廠商供貨經(jīng)常出現(xiàn)不足的情況，國內汽車廠商便有一部分開始引進先進的發(fā)動機進行逆向研究開發(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)研究和設計都需要時間的積累和技術的沉淀以及需要足夠的基礎理論研究，這就導致了國內汽車廠商難以在短時間內制造出優(yōu)良的產(chǎn)品，也不能讓產(chǎn)品經(jīng)受市場的長時間檢驗，深刻的影響了國內汽車品牌的價值。但在2010年前后，國內汽車廠商開始意識到掌握對汽油發(fā)動機的設計和開發(fā)的必要性。國內汽車制造廠商開始與國內外知名的制造設計公司開展合作。與此同時，隨著大設計公司的設計軟件在時間的推移下慢慢的進入到國內的各大汽車制造廠商，國內的各大汽車制造廠商也因此有了設計和研發(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)國內汽車市場分一杯羹，國內的汽車廠商的設計研發(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，或者讓技術人員進行交流、學習等，對產(chǎn)品進行正向設計、研究開發(fā)，再把成功的經(jīng)驗和產(chǎn)品引進國內進行生產(chǎn);另一部分國內制造廠商在國內與國內優(yōu)秀的大學合作，利用國內優(yōu)秀大學的人才資源為自己公司的設計和研發(fā)助推，或者同國外的知名的大學合作共同創(chuàng)立研發(fā)機構，一起共同開發(fā)發(fā)動機項目和人才交流分享;更有一些國內汽車制造廠商在國內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，建立與外國優(yōu)秀廠商和優(yōu)秀設計公司的合作，通過國內汽車制造廠商出錢，國外汽車制造廠商出技術的模式來開發(fā)。近些年逐漸變成了外國汽車廠商把技術生產(chǎn)線留在國內讓國內的技術人員不斷學習，消化技術的合作。這種新的合作模式使得國內的制造廠商得到了更多學習的機會能夠不斷的學習外國制造廠商的先進的技術，使得國內的制造廠商能夠不斷縮小與國外汽車制造廠商的差距，這是雙贏的結果，國內汽車制造廠商能夠學到技術，國外汽車制造廠商能夠獲取國內市場。

1.2 國內發(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)著當時國內小排量汽車市場銷量的第一名，看到奇瑞在小排量汽車領域的優(yōu)秀表現(xiàn)之后，國內的其他優(yōu)秀汽車制造廠商也想在國內小排量汽車領域分一杯羹。從各大國內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)動機的各個配置進行優(yōu)化，達到優(yōu)化目標，在本次實踐中我們以合理的選擇定下了優(yōu)化的目標：

①國內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，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構;②我們經(jīng)過仔細研究注意到國內小排量汽車對汽油發(fā)動機的轉速有特別嚴格的標準，所以在設計優(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速，把發(fā)動機的轉速從4200r/min下調至3200r/min左右，在平常時的轉速2000r/min的輸出扭矩不小于最大扭矩的80%;③在我們設計優(yōu)化時對比了國內外所有小排量發(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)國內市場小排量汽車的經(jīng)濟適合性和小排量汽車應有的低耗油性，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)在成熟的應用在各個領域，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，國內外的汽車廠商在發(fā)動機的設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)動機內部配置的燃燒系統(tǒng)應該要非常合理，包括進氣道等各種參數(shù)應該要非常優(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)秀且性能先進的發(fā)動機來說，高效燃燒系統(tǒng)和進、排氣系統(tǒng)缺一不可;而高效的燃燒系統(tǒng)又與進、排氣系統(tǒng)的合理性密切相關。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、進排氣歧管的等小排量汽油發(fā)動機的各種關鍵參數(shù)進行優(yōu)化，這些關鍵參數(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;第二步，使用波動效應的理論指導操作計算機系統(tǒng)嚴謹細致的計算得到進氣歧管管長、管徑等詳細參數(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)都導入這款軟件中，然后把所有數(shù)據(jù)都進行分析和比較，確定進氣歧管的設計參數(shù);再通過對進氣歧管進行模型的建立，并操作AVL_Fire軟件進行CFD分析，進一步確定進氣歧管可變長度相關設計參數(shù)。完成參數(shù)設計的數(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模型進行DOE分析，利用已經(jīng)得到的進排氣參數(shù)和性能目標作為主要的邊界參數(shù)，導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)對凸輪型線的詳細參數(shù)進行求解，在電腦數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)里面得到一開始所設定的發(fā)動機優(yōu)化后的性能指標，進而得到許多不同的滿足指標的組合;之后進行迭代計算，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模型進行計算，并根據(jù)實際的配氣相位、進氣量等參數(shù)對模型進行更新，進一步評估優(yōu)化后的功率、扭矩和比油耗情況，并與設計目標進行對比和評估。

4? 汽油發(fā)動機性能提升實踐

在方案設計中，通過AVL_Boost和AVL_TimingDriver等優(yōu)秀模擬軟件，采用正交的方式，對進氣歧管、排氣歧管的結構參數(shù)，凸輪型線和配氣相位進行了分析和定義。但因為在這個文章字數(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)動機的在小汽車里的布置方式，所以在工程設計中有關系的零件不止那么一兩件，本文只關心能提升發(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)，在整個轉速范圍都有一定的性能提升，汽油發(fā)動機的轉速范圍都達到了預期的設計目標;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的轉速由原來的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。油耗達到了之前的預期的標準還能夠略有降低。

參考文獻：

[1]沈維道，等.工程熱力學[M].高等教育出版社.

[2]董敬，等.汽車拖拉發(fā)動機[J].機械工業(yè)出版社.

[3]李樹臻.內燃機進、排歧管動態(tài)效應設計[J].勝利油田職工大學學報，2002（02）.

[4]靳紅玲.469汽油機進氣系統(tǒng)流暢特性及優(yōu)化設計[D].山西：太原理工大學，2009.

[5]廖曉山.汽車發(fā)動機配氣機構[J].吉林人民出版社，1981.

[6]尚漢冀.內燃機配氣機構設計與計算[J].復旦大學出版社，1988.

[7]魏東國.配氣機構優(yōu)化對發(fā)動機性能影響的研究[D].天津：天津大學，2010.

[8]AVL LIST Gmbh. AVL TYCON User’s Guide.Version，2009.

[9]張健，張翠平，孫力平，等.基于 AVLTYCON 的非對稱凸輪型線設計研究[J].機械設計與制造，2012.