基于改装的节能车发动机燃油经济性能提升

邓鹏

摘要：以Honda中国节能竞技大赛为背景，以赛方提供的125cc低油耗4冲程发动机为基础，在不违背比赛规则的情况下，从发动机的切割减重、发动机的点火系改装、发动机保温、发动机润滑系统改装等方面提出可行的降低燃油消耗率的方案，并且在实际的道路试验中取得了较好的效果。

关键词：节能车;发动机;改装;燃油经济性

0  引言

为了唤起人们对于环保的探索欲， Honda创始人本田宗一郎先生于1981年在日本创办首届Honda节能竞技大赛;2007年Honda节能竞技大赛来到中国成为Honda中国节能竞技大赛，至今为止已经成功举办了12届，比赛搭载Honda统一提供的125cc低油耗4冲程发动机，车架和车身等则由各车队独立创作完成，最终以燃油的消耗量多少而一决胜负[1]。自Honda中国节能竞技大赛创办以来，来自全国各地的科研团队无不想尽各种办法减少节能车的燃油消耗率。在整车结构方面，通过尽量精简车架结构、使用碳纤维等轻量化的复合材料制作车身车架、设计流线型低风阻的车身结构、使用性能更加优越的轴承、轮胎等来降低行驶阻力;在发动机方面，通过切割不必要的发动机结构来减少其质量、使用电控燃油喷射系统代替原有的化油器、改进发动机零部件结构，进而提升发动机性能。本文将针对赛方提供的125cc发动机，从发动机的切割减重、发动机的点火系改装、发动机保温、发动机润滑系统改装等方面提出可行方案。

1  大赛发动机及规则介绍

1.1 大赛发动机介绍（表1）

1.2 大赛规则介绍

发动机以Honda提供的四冲程125cc发动机为基础，可自由改造。但需要遵守以下要求：

①气缸盖、曲轴箱、曲轴要求使用下发的发动机零部件（可加工使用）。

②排气量在125cc以下，为自然进气式，其结构必须确保润滑油不会泄漏。

2  发动机具体改装方案

2.1 大体切割方向和理论基础

本田节能大赛提供的单缸125cc发动机共有4个挡位，两种离合，而我们仅需要保留直接挡位和一个离合即可。因为比赛过程中发动机工作时间短，故缸体部分的散热鳍也可进行切割处理，并选择另外一种保温材料进行缸体保温。

2.2 具体切割方案和最终效果

变速箱部分切割：按照维修手册上的操作方法，将手动离合模块、变档轴、起动轴、主轴、从动轴、轴承等零件拆下，对发动机变速箱部分进行切割，具体切割路径如图1。

因拆除了发动机的主轴和从动轴，故破坏了其所在的润滑油路，要想维持原有润滑系统的正常工作，必须保证切割后油路部分密封良好。另外，由于切割放弃了原有的机油注入口，故需要在原有既有注入口附近的保留机体上钻取一个机油注入孔。

散热鳍切割：用数控铣床对散热鳍部分进行切割，仅留缸体部分。切割深度5mm（根据实际情况可有调整）。

发动机密封：因切割后失去了原有的密封效果，且因为需要利用右侧离心式离合器下方齿轮传动，故需要加工两块金属板代替原有的右侧曲轴箱盖和切割后的发动机尾部。对于发动机尾部部分，由于没有原始的固定位置，故采用焊接加密封胶的方法密封;对于发动机右侧，由于原始的螺孔依然保留，故可以在原有螺栓固定基础上加适当密封胶进行密封，但须注意的是，右侧有离合器轴和螺母，无法使金属板整块直接安装，故考虑采用先对两轴位置进行打孔扩孔操作后，用SolidWorks软件画出具体的孔密封模块，利用3D打印的方式制造出一块档板，将挡板用密封胶密封于金属板上。

传动部分：切割之后的发动机无法进行正常传动，故考虑利用离心使离合器传动，这就需要对离合器轴套部分进行加工，加上一个皮带传动齿轮。

3  发动机保温

发动机工作在温度范围为80～90℃时，其效率最高。节能车在比赛过程中采取的是以滑行為主的行驶策略，故发动机停机时间较长，散热速度过快，对维持发动机工作效率不利。为了解决这个问题，我们考虑在切除散热片的气缸周围包裹一圈保温材料，由于锡箔纸能够较好的贴合缸体表面、质量轻、保温效果好，故考虑使用锡箔纸包裹切割后的气缸，外部用轧带加以固定，以达到保温效果。[2]

4  发动机点火系改装

4.1 大体改装方向和理论基础

本田节能大赛提供的单缸125cc发动机仅配装有一个原厂火花塞，无论是在点火能量还是点火成功率上都没有达到我们的期望值，故考虑加装火花塞来增加点火成功率和点火能量。

加装双火花塞有以下几个优点：

①采用双火花塞点火后，两个火花塞同时点火使混合气爆炸燃烧，急速形成较强烈的涡流，大幅度加快了火焰的传播速度，同时火焰传播距离缩短1/2，燃烧所用的时间也相应缩短，提高了热效率。

②由于燃烧时间缩短，点火提前角可以显著推迟。因此，点火时燃烧室混合气的温度和压力都较高，有利于着火和速燃。

③两个火花塞同时点火，可使着火概率提高一倍，降低失火率，还可以进一步调稀空燃比，实现稀燃。[3]

④实现稳定燃烧。

4.2 具体改装方案

通常的双火花塞点火系统是在半球形燃烧室两侧对称布置两个同型号火花塞，这两个火花塞与燃烧室中心的距离相等，发动机怠速或低速运行时仍采用单火花塞点火;正常工作后，两个火花塞才同时点火。[4]为实现双火花塞点火，考虑原火花塞位置的对面钻斜孔布置另一只火花塞，形成对置的双火花塞点火机构。由于双火花塞的会使得火焰的蔓延速度加快，从而导致发动机工作循环出现问题，所以我们需要进行台架实验重新标定点火提前角并确定其最优空燃比。

5  发动机润滑系改装

通过对发动机的相关拆解我们发现，该发动机是通过曲轴直接输出转矩带动机械式的机油泵工作，从而实现发动机的润滑;而这就意味着，发动机的相当一部分功率被消耗于润滑系统的工作而非节能车的行驶，而且在准备发动机的相关台架试验的过程中，我们发现长时间的高功率运行会造成发动机机油过热从而导致发动机出现故障甚至飞车拉缸等严重后果;故考虑去除原有的机械式内置机油泵，在不改变其既有润滑系统循环的基础上，采用外置的电动机油泵，并且在油路上添加相应的散热器和压力表、温度传感器等装置，从而实现对机油温度和压力的实时监控。

6  发动机改装后的稳定性和数据标定试验

由于对发动机进行上述改装后，较大程度的改变了其原有机械结构，故会对其相关工作循环造成一定影响，所以考虑对改装后的发动机进行相关磨合试验和台架标定实验，以实现其机械机构的稳定性并确定其最优空燃比、改装后的点火提前角、万有特性图等相关数据。

7  改进成果

在此前2019年壳牌中国环保马拉松赛中，西华大学节能车队的最优成绩为97.06KM/L，经过上述的改装后和数据标定后，我们于2020年寒假期间获得的最新练车数据显示，在同样的道路条件和行驶策略及行驶距离下，改装以后的成绩达到了421.82KM/L，实际燃油消耗率降低了近80%，实现了较好的燃油经济性。

8  结论

通过对Honda中国节能竞技大赛赛方提供的125cc发动机进行切割减重、点火系改装、润滑系改装、发动机保温等改装操作，并且经过后期的发动机台架试验和道路试验，证明所做技术改装对发动机的经济性性能有积极表现，此套改装方案可以实际应用到比赛当中并且有较好的表现。

参考文献：

[1]Honda中国节能竞技大赛|社会贡献|企业信息|本田中国 《互联网资源库（https：//www.honda.com.cn）》.

[2]蓝保桢，陈劭，孙晓天.基于CFD节能车随动尾翼节油技术分析[J].交通节能与环保，2014，10（04）：17-22.

[3]阎希成，张俊杰，林漫群，朱保华，王之东.摩托车双火花塞点火技术分析与应用[J].小型内燃机与车辆技术，2015，44（06）：68-70，85.

[4]徐中明，伍小龙，杜明磊，于海兴.摩托车点火系统传导骚扰仿真[J].汽车工程学报，2013，3（01）：59-65.