LJ491QE1汽油机提升性能的前期研究

全海荣

（柳州五菱柳机动力有限公司，广西柳州545005）

当今世界，可持续发展是每一个国家必须高度重视的问题，我国政府也在多年前就提出这一命题，并把建设资源节约型和环境友好型社会作为战略目标，以达到可持续发展。具体到汽车行业，国家相关部门为了贯彻该战略目标，陆续出台了一系列的标准法规，如《乘用车燃料消耗量限值》（GB 19578-2004）、《车用压燃式、气体燃料点燃式发动机与汽车排气污染物排放限值及测量方法（中国Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ阶段）》（GB 17691-2005）、《轻型汽车污染物排放限值及测量方法（中国Ⅲ、Ⅳ阶段）》（GB 18352.3-2005）等。相关标准法规的不断更新且日趋严格，要求汽车厂家要不断发展技术，更新换代产品，使生产的汽车能够能耗越来越小，排放的污染物越来越少。在此背景下，五菱柳机动力公司要求对现生产的LJ491QE1汽油机进行技术改造，向研发中心下达了对LJ491QE1汽油机进行性能提升开发的研发任务。

1 LJ491QE1汽油机简介

我国目前生产的491汽油机基本都是以国外汽油机为原型机的产品。现公司生产的LJ491QE1汽油机与国外原形机一样，采用的是侧置凸轮轴、每缸两气门、楔形燃烧室设计，缸径为91mm，行程为86 mm，压缩比为8.8，排量为2.237 L。为了适应我国日益严格的排放法规要求，LJ491QE1汽油机也从最早的化油器系统，升级到了单点电喷燃油系统，直到现在的多点电喷燃油系统。LJ491QE1汽油机采用的是德尔福MT20U多点电喷控制系统，最大功率为75 kW，最大扭矩为190 N·m，最低燃油消耗率不大于265 g/（kW·h），达到《轻型汽车污染物排放限值及测量方法》（GB 18352.2-2001）（等同欧Ⅱ）规定的排放要求。该型汽油机目前还在批量生产，主要搭载在北京汽车制造厂有限公司生产的1041型轻型卡车上。由于该型汽油机的先天性结构因素，通过电控系统的优化所获得的整机性能提升已经很有限，要大幅提升其性能，必须从整机结构上着手开发。

491汽油机在上世纪70年代开发时，局限于当时的技术水平，整个汽油机的结构比较简单。经过几十年的发展，现在的汽油机已经出现了许多新的结构形式，也采用了许多新的技术，使得现在的汽油机的升功率、扭矩、油耗、排放都达到了很高的水平。为了节约开发成本与开发时间，同时根据目标客户的价格可接受因素，我们经过充分的研究，认为在不大幅提高汽油机的价格前提下，主要采用一些比较成熟、不需要投入太多资金的技术，力争在现生产的LJ491QE1汽油机成本基础上，只增加较少的一些成本，而取得汽油机的整机性能能够得到大幅度的提升。

关于提升途径的前期研究，可以有如下的思路。

2 采用多气门技术

LJ491QE1汽油机现采用每缸两气门设计，配气机构比较简单。凸轮轴放置在汽油机缸体的左侧（从前端看），凸轮轴驱动液压挺柱推动挺杆从而驱动气门运动，没有气门间隙。由于采用了液压挺柱，整个配气机构运转时声音较小。每缸两个气门的设计，也使得汽油机能在较低的转速下获得较大的扭矩输出，其最大扭矩输出的转速在（2400～2800）r/min。这样的机构特点，虽然零部件少、结构简单、制造成本低、低速扭矩较好，但由于发动机在高速运转时充气效率较低，使得在高速运转时燃烧不充分，导致升功率较小，总体油耗偏高，CO和HC的排放水平较高。目前，发动机的升功率指标要求越来越高，油耗与排放水平要求越来越低。因此，在LJ491QE1上采用每缸四气门设计，将会使得汽油机在高速运转时获得较高的充气效率，燃烧更充分，从而使整机的升功率指标得到提高，油耗与排放水平也会随着得到改善。当然，每缸采用四气门设计，会使得发动机在低速运转时充气效率降低，输出扭矩也有一些降低，但要升功率、油耗与排放等指标得到改善，低速扭矩有点降低是可以接受的。

LJ491QE1采用每缸四气门设计后，原有的配气机构必须更改并重新布置。经过整机结构研究，设计方案是采用2根凸轮轴，凸轮轴布置形式为顶置式。由于原LJ491QE1侧置布置的凸轮轴还要同时驱动机油泵工作，且不改动缸体和机油泵的结构与布置位置，需要保留一根中间轴安装在原来的凸轮轴轴承孔。曲轴通过1号正时链条带动中间轴运转，中间轴再通过2号正时链条带动凸轮轴运转，同时通过其上面的斜齿轮驱动机油泵驱动轴，从而驱动机油泵工作。凸轮轴与气门之间空间较小，如果仍采用液压挺柱，气缸盖需要设计油路，这样势必会使气缸盖的加工变得复杂，液压挺柱与气缸盖的成本较高，对整机的价格控制很不利，因此，考虑采用机械挺柱代替液压挺柱。

3 提高压缩比

LJ491QE1的压缩比为8.8，这个指标是与原型机设计时的汽油品质相适应的。随着炼油技术的发展，目前生产的汽油标号越来越高，也就是汽油的抗爆性能越来越好。我们知道，发动机的功率、扭矩等技术指标与压缩比是有很大关系的。汽油发动机在运转时，吸进来的通常是汽油与空气混合而成的混合气，在压缩过程中活塞上行，除了挤压混合气使之体积缩小之外，同时也发生了涡流和紊流两种现象。当密闭容器中的气体受到压缩时，压力是随着温度的升高而升高。若汽油机的压缩比较高，压缩时所产生的气缸压力与温度相对地提高，混合气中的汽油分子能汽化得更完全，颗粒能更细密，再加上刚才所说的涡流和紊流效果和高压缩比所得到的密封效果，使得在下一刻运动中，当火花塞跳出火花时，就能使得这混合气在瞬间内完成燃烧的动作，释放出最大的爆发能量，来成为汽油机的动力输出。因此，高压缩比的汽油机，往往意味着可具有较大的动力输出。当然，压缩比也不是越大越好，在考虑可能会产生爆震的基础上，也要考虑原LJ491QE1的一些零部件的强度问题。

经过对比分析目前国内主流的汽车汽油机，压缩比普遍在9.5～10.5之间。在分析LJ491QE1的结构时，为了减少改动，降低开发成本，决定保留气缸体、曲轴、连杆的结构不变。因此，压缩比不能取太高，以免原机体零部件的强度不够。经过分析论证，认为把LJ491QE1发动机的压缩比由8.8提高到10是比较合理的。通过修改燃烧室和活塞顶面的结构形状，就可以实现压缩比的改变。

4 提高最高转速

LJ491QE1的最高转速只有4600 r/min，此时输出最大的功率为75 kW。我们知道，一台汽油机的转速越高，它在单位时间内作功的次数就越多，所以相应的它输出的功率就越大。通过电控系统提高汽油机的最高转速，这对于提升功率指标具有显著的作用。经过计算与论证，计划把LJ491QE1的最高转速由4600 r/min提高到5400 r/min，此时，曲轴与连杆等零部件的强度还在安全范围之内。但是，由于压缩比由8.8提高到10，同时最高转速提高，活塞的热负荷增加较多。必须对活塞进行及时有效的冷却才能保证发动机的正常工作。为了解决这个问题，在不改动汽油机气缸体冷却水路与油路的基础上，决定在气缸体沿着曲轴中心线的主油路上，在每个汽缸的中心线平面位置安置一个喷嘴，让机油在压力作用下喷向活塞底部，以达到冷却活塞的目的。

5 其他途径

除了上述三种方法可以提高汽油机性能的途径外，还有许多新技术可以提升性能指标。增压技术可以大幅提高汽油机的性能，但如果LJ491QE1采用增压技术，那么相关的零部件就需要增加强度，才能满足使用要求。同时，由于汽油机的热负荷也会增加许多，整个冷却系统也需要重新设计。这对于既要节约开发时间与成本，又要控制整机的价格水平来说，增压技术是不能采用的。此外，还有可变气门正时技术与可变进气管等新技术可以采用，以达到提升整机性能的目的，但是由于这两项技术的采用，也会大幅提高研发与生产成本，因此决定不采用这两项技术。

6 结束语

在既要节约开发时间与成本又要控制整机的生产成本前提下，我们的研发团队经过对LJ491QE1汽油机的性能指标分析与整机结构分析，找出了一系列可以提高LJ491QE1汽油机的性能指标的途径。我们认为，在LJ491QE1汽油机的基础上，只要把每缸两气门改为每缸四气门，把压缩比由8.8提高到10，汽油机的最高转速由4600 r/min提高到5400 r/min，那么，新的LJ491QE1汽油机的额定功率将会从现在的75kW提高到100kW以上，最大扭矩将会从现在的190N·m提高到200N·m以上，最低燃油消耗率将会从现在的不大于265 g/（kW·h）降低到不大于 260 g/（kW·h）以下。

从以上的前期研究分析可见，LJ491QE1汽油机只要采用了上述的三种改进途径，其整机性能指标将会得到较大的提升，我们的研发任务也将会得到很好的完成。

[1]袁兆成，等.内燃机设计[M].北京：机械工业出版社，2008.

[2]吴 明，等.汽车发动机设计生产新工艺新技术与质量检验标准规范实用手册[M].北京：北方工业出版社，2007.