节能车发动机性能的提升

王鑫，勾志彬，郑思哲，闫世明

（湖北汽车工业学院 汽车工程系，湖北 十堰442002）

1 项目背景

节能竞技大赛，是使用Honda低油耗摩托车的四冲程发动机，设计、制作赛车，创造出表达环保主题的车身，限用1L汽油行驶更远的距离，并最大限度地降低废气排放，是挑战节能极限的一项竞技赛事。人们不仅可以感受到“创造”与“交流”的乐趣，同时还可以体会到“低油耗，少减排就是环保”。

湖北汽车工业学院于2010年首次报名参赛，成立“疾风车队”。在9月份的比赛中，折合油耗成绩为444.319km/L，在全国90多支车队中名列第10、成绩显著，但是距离全国顶尖强队，如同济大学，北京理工大学等，还有较大的差距，可提升空间很大。通过此次的科技创新立项平台的研究，全面提高整车的经济性能。

1.1 大赛关于发动机的规则要求

发动机以本田提供的四冲程125 cc发动机为基础，可自由改造。但要遵守以下要求：1）气缸盖、曲轴箱、曲轴为Honda产品；2）排气量在125 cc以下，自然进气式，其结构必须确保润滑油不会泄漏。

1.2 大赛指定发动机介绍

发动机型号：WH1152FMI；发动机型式：风冷、单缸、四冲程 ；气缸工作容积 124.8 mL；压缩比：9∶0∶1 ； 标定功率及对应转速：5.9/7000 kW/（r/min）；最大功率及对应转速：6.6/7500 kW/（r/min）； 最大扭矩及对应转速：9.68/4000 kW/（r/min）；离合器形式：自动双离合；起动方式：电动起/脚踏启动；点火方式：CDI（电容二极管点火）。

结合大赛的官方要求，散热形式、工作容积、压缩比、离合器形式等均可进行自我创新、升级改进。

2 发动机改进理论基础

2.1 发动机燃油经济性的评价指标及影响因素

发现发动机的性能直接影响了最终的油耗成绩。将整车经济性能提高的主导因素就是降低发动机的油耗。整个项目中心任务就是通过改进发动机的本体结构，点火形式，点火正时等提高最后成绩。

衡量整车燃油经济性的指标主要是行驶一定距离的燃油消耗量或单位燃油消耗量能使车辆行驶多少路程。就本田节能大赛而言，在规定时间内在指定的赛道上行驶一段距离，通过燃油消耗量换算为体积油耗程长，单位是km/L。体积油耗程长的数据愈大说明了燃油经济性愈好。

燃油经济性除受其本身的结构、工艺水平、调整状况以及燃油规格等因素影响外，还受到行驶道路、驾驶技术、交通情况、气温气象等因素的影响。

2.2 发动机功率的选择与燃油消耗的关系

燃油消耗率主要取决于发动机的结构和工作过程，尤其是排量、负荷率、燃烧效率等参数。

当节能车行驶时，其驱动功率与滚动阻力功率、行驶阻力功率、坡道阻力功率、加速阻力功率之和相平衡，即

式中：Pe为发动机驱动功率；Pf为滚动功率；Pi为坡道阻力功率；Pw为行使阻力功率；Pj为加速阻力功率；G为汽车重力；f为滚动阻力系数；v为车速，km/h；i为道路坡度；CD为空气阻力系数；A为迎风面积,m2；δ为汽车旋转质量换算系数；m为汽车质量；ηT为机械传动效率。

从式（1）中可以看出，当节能车加大油门行驶时，随着时间的增加、速度的递增，其加速度逐渐趋向于 0，即 dv/dt→0，故 Pj→0，亦即节能车逐渐趋向于驱动功率与阻力功率相平衡的匀速行驶。

分析可知，在节能车行驶过程中，最终驱动功率会与阻动功率相平衡，即

此外，式（2）同时也表明，阻动功率与汽车总重量G，迎风面A等自身结构有关系，且与节能车行驶速度v有关。

只要能满足比赛较低速度下的动力性需要，发动机功率选择应尽量的少，在用最高挡时，达到上述阻力功率的80%～90%即可。因为从发动机的负荷特性可知，只有在节气门开度较大、负荷率较高的情况下，发动机才有最低的燃油消耗率，发动机的燃油经济才最好。

2.3 改进的方向

根据往届比赛的经验，车辆的平均行驶速度在30 km/h左右，处于低负载状态。因此可以对发动机缸体及活塞部分做部分改造，减小发动机排量，降低发动机输出功率，达到节油效果。

在传动比选定和比赛策略的制定中需要着重考虑发动机负荷率的影响因素。“负荷率”为在一定转速下实际负荷跟该转速的最大负荷的比值。在一定范围内，负荷率越高，经济性越好。

较高的燃烧效率自然降低了发动机的燃油消耗率，可以通过控制进油量，提高点火能量来改善燃烧。在避免爆燃的情况下，适度提高压缩比可提高发动机燃烧效率，对燃油经济性有促进作用。

3 发动机具体结构的改进

3.1 发动机本体

3.1.1 发动机减重

通过分析此次比赛，每跑一圈点火次数不超过5次，每次点火间隔不超过10s。因此，发动机产生的热量很小，不需要用自带的风冷散热鳞片进行机体冷却，可以将分布在汽缸周围的鳞片切除，减去了不少重量。

在比赛中，挡位的选择主要为4挡，5挡。其余挡位基本没有使用。因此，尝试将发动机的变速箱系统进行拆除，只保留4、5两挡的传动啮合齿轮。通过实际拆装实验发现，其内部结构过于复杂，而且一旦拆除这些齿轮，对齿轮的轴向定位有很大影响，对传动轴的动平衡也有很大的影响。随后放弃了拆除变速器部分齿轮的方案。

节能车的电路设计与普通摩托车的一个最大区别在于，不使用摩托车发动机的磁电机进行发电，而是使用蓄电池作为主要电源。因此可以考虑将发电机厚重的线圈和转子去掉。在实际拆装后发现发动机不能正常点火，查找原因后发现，由于磁电机拆除后，无点火脉冲信号，无法控制火花塞点火。磁电机的作用还有提供点火信号的功能，不能简单的拆除，需要将凸轮轴位置传感器单独保留，以保证发动机的正常工作。

3.1.2 发动机保温

发动机工作在温度范围为80～90℃时，其效率最高。节能车的发动机在一个点火周期内的工作时间较短，停机时间较长。散热速度过快，对维持发动机效率不利。为了解决这个问题，在切除散热片的汽缸周围包裹一圈保温材料；选择了锡纸，锡纸能够较好的贴合缸体表面，外部用细铁丝加以固定，达到保温效果。

3.2 发动机进气系统

3.2.1 化油器

发动机的燃油直接来自于化油器的供给，化油器性能的好坏最直接的影响了最终的油耗多少。降低化油器的单位时间进油量能降低发动机的功率。如果在保证发动机正常燃烧的情况下减少进油量，经济性将大大的提高。由化油器的结构分析可知，燃油供给量多少受化油器的主量孔与针阀间的间隙控制，只要减小间隙，供油量将减小。可以通过调整主量孔大小和针阀粗细的途径来实现。根据此方案，购买不同内径的主量孔和针阀，进行配对使用测试，找到油耗量最低的一组。

3.2.2 稳压腔

在化油器进气口加装一个小型的稳压腔，通过真空负压的原理进行一定程度的增压，不但增加了进气量，改善了混合气的雾化状况，而且可以实现稀薄燃烧，提高燃油经济性。

3.3 发动机缸体

为了提高发动机的压缩比有2种方案可供选择：一是将原装活塞更换为平顶活塞，或是用填充物将副燃烧室填充；二是将气缸盖下端面磨薄。考虑到改变活塞会破坏发动机本来的燃烧室结构，对燃烧过程有不利影响，而且火花塞容易发生碰撞干涉，故放弃此方案。选择对汽缸盖下端面进行处理，通过磨床对下端面磨薄0.5 mm。

在降低混合气浓度和增大压缩比后发动机的不稳定点火和燃烧状况出现的比较明显。为了解决这个问题，在原有火花塞对称位置自行打一火花塞孔，安装一火花塞、辅助点火。

3.4 发动机点火系

发动机原配为CDI点火器，更换为一种可调程序的“超级点火器”，通过电脑可以将其内部的点火参数曲线进行调整。主要更改其在发动机不同转速条件下的点火提前角，在不断的写入程序数据后，对单一变量的对比试验分析，找到最佳的点火提前角度。高压包、高压线与火花塞全部更换为NGK（日本火花塞株式会社）套装，大大提高了点火能量，保证赛车的平稳起步和加速。

3.5 发动机排气系统

通过AVL Boost软件对排气管模块进行仿真得出，排气背压降到最低，其动力性削弱，但是其燃油经济性提高了。

4 发动机燃油经济性的试验方法

4.1 台架试验

自制了简易发动机台架，固定发动机及其附件，安装有油箱，电瓶及控制手柄。利用自制的齿轮泵阻尼，通过链条对发动机施加一定的负载，可进行发动机跑和及定载下的油耗测试。也可去掉负载，对发动机进行怠速油耗测试。

在油门开度及阻尼不变的情况下，调整单一参数（如点火提前角等）。对比各个变量下的燃油经济性，分析数据找出最佳燃油经济性曲线。

通过“尾气分析仪”对发动机尾气进行检测，关注尾气中的一氧化碳，碳颗粒等，从而分析发动机燃烧质量，改进燃烧。

4.2 道路试验

将发动机安装在节能车上，在学校操场进行跑圈循环测试。利用滴定管测定燃油消耗量，从随车码表中读出行驶里程，计算出最终的油耗数据。

测试可以模拟较为真实的比赛环境，在加速与滑行相结合的策略下，比较了不同速度区间滑行下的油耗表现，最真实的测出类似于比赛的成绩，具有较高参考价值。

5 展望

在节能车发动机的改进中，仍有以下几点可以进行更深一步的创新和改进：1）彻底拆除原有变速机构，自制一级或两级减速机构，满足所需的传动比。2）对齿轮箱进行切割，自制机油泵，减少机油用量，降低重量而且将机油准确送至润滑表面。3）将双顶置凸轮轴换为电磁阀，利用ECU控制气门开闭，在关闭发动机后，将更加节省燃油。

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