某小型发动机性能优化

（上汽通用五菱汽车股份有限公司技术中心，广西 柳州 545007）

汽油发动机是一种依靠汽油与空气的可燃混合物在气缸内部燃烧释放化学能，再由曲柄连杆机构，将热能转化为机械能的一种火花点火式内燃机。随着中国城镇化的发展和越来越严格的油耗法规要求，紧凑高性能小型发动机成为一种发展趋势。通过提高发动机的压缩比，改善优化发动机的进排气歧管，从而提升发动机的输出性能以及燃油经济性。

1 现状

某小型自然吸气发动机的参数和性能如表1所示，其设计时发动机的最佳使用区域为中高转速范围，无法满足城镇市场要求，客户抱怨发动机燃油经济性较差，动力不足。

表1自然吸气发动机参数、性能

2 发动机性能强化技术方案

2.1 压缩比选型

气缸最小工作容积，即活塞处于上止点时活塞上方的总容积，称燃烧室容积，用Vc表示；而活塞在下止点时活塞上方的全部容枳，即气缸最大容积，称气缸总容积，用Va表示。即

压缩比表示活塞由下止点运动到上止点时，气缸内气体被压缩的程度。压缩比是发动机的重要参数之一。现代汽车发动机的压缩比，汽油机由于受到爆震的限制，压缩比一般为8～11[1].

压缩比是发动机一个重要参数，其影响到发动机功率和扭矩的输出。发动机在压缩气体的过程中，压缩时所产生的气缸压力与温度都会升高，若发动机的压缩比提高了，这样气缸内压缩气体的温度升高了，有利于混合气体中汽油分子的气化，颗粒能够更细。当火花塞点火后，混合气体能够在瞬间完成燃烧，释放出最大的爆发容量，最终转化为发动机的动力输出。基于以上，将原型机的压缩比由9.8增大到10.2，并通过CAE计算，原型发动机主要运动件强度满足设计要求。故本次选型在不改变原型机的其他参数的前提下，只提高发动机的压缩比。发动机主要参数如表2所示。

表2发动机主要参数

经过发动机性能试验，结果如图1所示。

图1不同压缩比下的发动机性能对比

从台架试验结果可以得出，提高发动机的压缩比至10.2，提升了发动机高速区域的动力性约1%，提高了发动机中低速区域燃油经济性约0.7%，本次选型满足设计要求。

2.2 进气歧管选型优化

低阻力长气道塑料进气歧管，内表面光滑，气流的流动阻力小，提高了发动机的进气效率，降低空气流速，能让空气和燃料更好的混合，燃烧更充分，提升发动机中低速区域动力性和改善发动机的燃油经济性。原型机的塑料进气歧管气道长度较短，着重于中高速下得动力体现。结合发动机的使用环境以及客户的需求，在2.1选型的基础上，将改进机1的进气歧管气道长度由420 mm更改到560 mm，其他发动机参数不变。发动机主要参数如表3所示。

表3发动机主要参数

经过发动机性能试验，性能结果如图2所示。

图2不同进气歧管长度下发动机性能对比

从台架试验结果可以得出，使用长气道的塑料进气歧管，提升了发动机中低速区域动力性约8%，提高了发动机中速区域燃油经济性约0.2%，本次选型满足设计要求。

2.3 排气歧管选型优化

排气歧管，是与发动机缸盖相连的，将各缸的排气集中起来导入排气总管的，带有分歧的管路。零件的设计要求是，尽量减少排气阻力，并避免各缸之间相互干扰。排气过分集中时，各缸之间会产生相互干扰，也就是某缸排气时，正好碰到别的缸窜来的没有排净的废气。这样，就会增加排气的阻力，进而降低发动机的输出功率。解决的办法是，使各缸的排气尽量分开，每缸一个分支，或者两缸一个分支，并使每个分支尽量加长并成型，以减少不同管内的气体相互影响。同时，排气歧管在设计时应考虑到发动机动力性能、发动机燃油经济性能、排放标准、发动机的成本、匹配的整车前舱布置及温度场等[2]。

原型机的排气歧管采用的是4-1式，排气过程排气阻力较大，影响发动机的输出性能。在2.2选型的基础上，将改进机2的排气歧管由4-1式更改为4-2-1式，即4个缸的排气先两两（1缸和4缸的排气集合在一起，2缸和3缸的排气集合在一起）集合后（1缸和4缸的排气集合在一起，2缸和3缸的排气集合在一起）再统一集合到一根总管内。这种结构型式的排气歧管能更有效地避免各缸气流之间的影响，使排气更顺畅，减小排气背压，有利于废气及时有效的排出气缸，从而提高发动机的效率和性能。

发动机主要参数如表4所示。

表4发动机主要参数

经过发动机性能试验，性能结果如图3所示。

图3不同排气歧管下发动机性能对比

从台架试验结果可以得出，使用4-2-1式的排气歧管，能够提高发动机高速区域的动力性约2%，提高发动机中速区域燃油经济性约0.1%，本次选型满足设计要求。

综上，经过对发动机的压缩比、进气歧管、排气歧管的设计优化，能够提升发动机中低速区域内的动力型输出，提高发动机燃油经济性。最终改进后的发动机性能满足最初的设计要求。

改进机的主要参数及性能如表5所示。

表5发动机主要参数

原型机与改进机的外特性对比，如图4所示。

图4改进机与原型机的性能对比

3 结束语

通过对某小型发动机的压缩比、进气歧管、排气歧管的优化，提高了发动机中低速区域内的动力性和燃油经济性。改进后的发动机动力性比原机提升了10%，燃油经济性提升了3%。

[1]周龙保.内燃机学[M].北京:机械工业出版社，2005.

[2]庞兴华.机械设计[M].北京:电子工业出版社，2010.

[3]杨连生.内燃机设计[M].北京:中国农业机械出版社，1981.