论汽油发动机性能提升方法研究及实践

罗富胜

摘要：在如今的汽油发动机领域，大部分都从三方面来对传统汽油发动机的性能提升：方法一，对汽油发动机的燃烧系统进行优化，提高发动机的燃烧效率;方法二，提升汽油发动机的充气效率，对汽油发动机的进排气系统进行优化、或对汽油发动机的进气等系统进行匹配设计，提高进气量;方法三，对汽油发动机的各个零部件进行不断的优化，进一步的提高汽油发动机的动力输出，最大限度的降低汽油发动机的损耗。在不同的领域，对不同的汽油发动机项目，应按照项目的汽油发动机要求、以及项目要求优先提升汽油发动机性能等条件。

关键词：汽油;发动机;性能提升

中图分类号：U464.171                                  文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2021）06-0199-02

1  汽油发动机性能提升方法研究的背景和意义

從1879年，德国工程师卡尔·本茨，首次试验成功一台二冲程试验性发动机至今，短短的几百年时间里。在汽车、航空、船舶等运输领域中随处可见发动机的影子，发动机短短的几百年里发展那么快的主要原因是关于发动机的技术取得了长足的进步，越来越多的新技术新材料被投入到发动机里，以及完整的生产配套体系。虽然新能源车的发展非常迅速，然而纯电动车因存在充电时间长和续航里程短的问题，一直都只能充当燃油发动机汽车之后第二选择，只能平时代步或者短途出行使用，在紧急情况下或者长途出行时，首选还是燃油发动机汽车。这是全社会的共识，虽然到现在，在各大车企和动力电池供应商的努力下，纯电动车已经成为了许多人的选择。但是汽油发动机机转速高（轿车用汽油机最高转速可达5000—6000R/MIN），适应性好。工作平稳、柔和，操作方便省力，动力足，容易启动等优点，新能源汽车一时间难以匹敌，其次当前在汽车市场上汽油发动机汽车还是很受欢迎，大部分家庭的选择还是汽油发动机，所以对汽油发动机性能提升的研究还是有重大意义。

1.1 国内发动机性能开发现状

在中国进入WTO之后，世界各大汽车厂商纷纷涌入中国市场，并在中国市场占据优势地位，导致中国国内自主汽车品牌只能依靠模仿和以前所积累的技术来对发动机进行研究设计，但终究逃脱不了外国发动机的影子，创新能力有限，为了减少在发动机设计和开发过程出现风险和失误，国内汽车厂商在发动机设计研制的过程中和关键零部件的制造主要以逆向为主，长期以往便造成了国内汽车制造厂商的产品创新性不足，难以与国外的汽车厂商竞争，并且一直处于跟风的状态，更不用说对产品进行优化改良使产品达到更高的水平，长期以往使得国内厂商品牌影响力降低进而又导致了国内厂商创新性降低，市场占有率下降的死循环。起初国内汽车制造厂商，对于发动机的设计研发主要是依靠购买进口的发动机，但是由于国外厂商供货经常出现不足的情况，国内汽车厂商便有一部分开始引进先进的发动机进行逆向研究开发，但是不管是发动机的逆向开发还是发动机的正向开发研究和设计都需要时间的积累和技术的沉淀以及需要足够的基础理论研究，这就导致了国内汽车厂商难以在短时间内制造出优良的产品，也不能让产品经受市场的长时间检验，深刻的影响了国内汽车品牌的价值。但在2010年前后，国内汽车厂商开始意识到掌握对汽油发动机的设计和开发的必要性。国内汽车制造厂商开始与国内外知名的制造设计公司开展合作。与此同时，随着大设计公司的设计软件在时间的推移下慢慢的进入到国内的各大汽车制造厂商，国内的各大汽车制造厂商也因此有了设计和研发汽油发动机的能力。随着中国经济的快速发展和中国的乘用车需求的极大的提升，为了能够在外国汽车厂商占据国内汽车市场分一杯羹，国内的汽车厂商的设计研发的顺序和模式已经开始有了较大的改变。例如一部分的国内制造厂商在国外和有名的车企例如德国宝马公司、德国大众公司等一起合作，共同开发产品，或者让技术人员进行交流、学习等，对产品进行正向设计、研究开发，再把成功的经验和产品引进国内进行生产;另一部分国内制造厂商在国内与国内优秀的大学合作，利用国内优秀大学的人才资源为自己公司的设计和研发助推，或者同国外的知名的大学合作共同创立研发机构，一起共同开发发动机项目和人才交流分享;更有一些国内汽车制造厂商在国内外寻找知名的车企例如英国的路虎汽车公司等，以项目合作为基础，建立与外国优秀厂商和优秀设计公司的合作，通过国内汽车制造厂商出钱，国外汽车制造厂商出技术的模式来开发。近些年逐渐变成了外国汽车厂商把技术生产线留在国内让国内的技术人员不断学习，消化技术的合作。这种新的合作模式使得国内的制造厂商得到了更多学习的机会能够不断的学习外国制造厂商的先进的技术，使得国内的制造厂商能够不断缩小与国外汽车制造厂商的差距，这是双赢的结果，国内汽车制造厂商能够学到技术，国外汽车制造厂商能够获取国内市场。

1.2 国内发动机市场分析及性能要求

在2010年之后的几年，国家出台了一系列法规和条例的，主要就是为了减少高排放汽车，鼓励和引导社会购买新能源汽车和小排量汽车，并加大对小排量汽车和节能汽车的政府补贴。这一系列的法规和条例是使国内各大汽车品牌加大对小排量汽车的研发和对小排量汽油发动机的研究，其中奇瑞的QQ的市场表现最为亮眼，占据着当时国内小排量汽车市场销量的第一名，看到奇瑞在小排量汽车领域的优秀表现之后，国内的其他优秀汽车制造厂商也想在国内小排量汽车领域分一杯羹。从各大国内汽车厂商的小排量发动机来看，无一例外都是采用与国外汽车厂商合作研究的产品或者自己逆向研发，如1.0L、1.2l、1.3L三种排量的发动机，但在综合发动机各项指标和经济效益之后还是采用与国外汽车制造厂商共同合作研发的产品比较好，其中的典型代表就是上海通用汽车制造公司和外国汽车制造厂商合作的1.2L排量发动机。根据以上的分析和研究，对比各个小排量汽车发动机的表现和优略，我们决定以上海通用汽车制造厂商与国外汽车制造厂商合作研制的1.2L发动机为平台，通过对这款已经算是比较优秀的发动机的各个配置进行优化，达到优化目标，在本次实践中我们以合理的选择定下了优化的目标：

①国内汽车制造厂商的原小排量汽油发动机型在汽车上是前置的布置，而新车型的是前驱，因此需要整体优化小排量汽油发动机的放置位置和结构;②我们经过仔细研究注意到国内小排量汽车对汽油发动机的转速有特别严格的标准，所以在设计优化方案的时候特别优化了发动机最大扭矩点所在的转速，把发动机的转速从4200r/min下调至3200r/min左右，在平常时的转速2000r/min的输出扭矩不小于最大扭矩的80%;③在我们设计优化时对比了国内外所有小排量发动机的功率输出和性能，我们得出了把小排量汽油发动机的升功率由54kW/L提升至59kW±2kW/L，把小排量汽油发动机最大功率由63kW/6500r/min提升至不小于66kW/6700r/min的优化;④再根据国内市场小排量汽车的经济适合性和小排量汽车应有的低耗油性，我们要求小排量发动机在性能提升的同时最小比油耗不大于260g/kW.h。

2  国内外性能提升方法研究现状

从发动机发明到现在成熟的应用在各个领域，走过了上百年的历史，经历过数次科技创新和材料的更新，国内外的汽车厂商在发动机的设计研究和性能提升的方面发展到了很深地步。对于传统汽油发动机，一般使用优化提升手段有两个：①在汽油发动机内部配置的燃烧系统应该要非常合理，包括進气道等各种参数应该要非常优化，然后更要提高发动机的燃烧效率;②提升充气效率和减磨降耗。这两个手段看起来是毫不相关的，但是事实上两者是一个独立而又相互联系的系统，对于优秀且性能先进的发动机来说，高效燃烧系统和进、排气系统缺一不可;而高效的燃烧系统又与进、排气系统的合理性密切相关。发动机就像人体各个器官一样，每一个器官相互独立又有密切的联系。

3  汽油发动机性能提升思路

本文通过对汽油发动机的对凸轮型线、配气相位、进排气歧管的等小排量汽油发动机的各种关键参数进行优化，这些关键参数的优化还是为了把汽油发动机的充气效率提高，所以说优化设计最重要的还是把汽油发动机的充气效率提高，真正展开的研究优化工作和实践也是围绕着充气效率而展开，主要步骤如下：

第一步，使用电脑数据采集分析系统把小排量汽油发动机的各类详细的数据采集到电脑里面，操作AVL_Boost 这款软件建立原机型一维性能分析模型，并调整使模拟分析数据和实测数据误差控制在3%以内;第二步，使用波动效应的理论指导操作计算机系统严谨细致的计算得到进气歧管管长、管径等详细参数的取值范围;操作一维AVL_Boost这款优秀的模拟软件，把所有数据都导入这款软件中，然后把所有数据都进行分析和比较，确定进气歧管的设计参数;再通过对进气歧管进行模型的建立，并操作AVL_Fire软件进行CFD分析，进一步确定进气歧管可变长度相关设计参数。完成参数设计的数据分析再采用这套熟悉的方法把排气歧管的设计所需要的参数和数据等模拟出来;第三步，再次操作AVL_Boost模型进行DOE分析，利用已经得到的进排气参数和性能目标作为主要的边界参数，导入到电脑计算机里面，利用计算机等数据采集系统和数据处理系统对凸轮型线的详细参数进行求解，在电脑数据处理系统里面得到一开始所设定的发动机优化后的性能指标，进而得到许多不同的满足指标的组合;之后进行迭代计算，根据分析得到的扭矩、功率和比油耗情况，确定最终的组合方案;最后，将各个系统最终的方案参数代入AVL_Boost模型进行计算，并根据实际的配气相位、进气量等参数对模型进行更新，进一步评估优化后的功率、扭矩和比油耗情况，并与设计目标进行对比和评估。

4  汽油发动机性能提升实践

在方案设计中，通过AVL_Boost和AVL_TimingDriver等优秀模拟软件，采用正交的方式，对进气歧管、排气歧管的结构参数，凸轮型线和配气相位进行了分析和定义。但因为在这个文章字数限制，所以就不能把电脑分析等所有数据参数和对比之后的数据都放在本文之中。因此，在这向各位读者致歉。在优化设计的实践中因为优化的时候把优化后小排量发动机放在了小汽车的横面，改变了发动机的在小汽车里的布置方式，所以在工程设计中有关系的零件不止那么一两件，本文只关心能提升发动机性能的零部件。在样件制作和试验验证中，由测试对比结果可以看到：①汽油发动机在整体优化后我们可以发现，在整个转速范围都有一定的性能提升，汽油发动机的转速范围都达到了预期的设计目标;②汽油发动机在整体优化后我们可以发现经过整体优化的汽油发动机相比于优化之前的小排量发动机它的最大限度扭矩输出所应的转速由原来的4200r/min移至3200r/min，且在2000r/min拥有约90%最大扭矩的输出，还非常大的提高小排量汽车的行驶要求;③在优化之后我发现从发动机台架万有特性对比可见，这优化后的小排量发动机的油耗和成本都比优化之前有很大的降低。油耗达到了之前的预期的标准还能够略有降低。

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