汽车发动机性能优化与改装技术

摘要：通过仿真计算的方式，对某款四缸小排量汽油发动机性能优化及其改装技术进行研究。经研究可知，在对此类发动机进行中低速性能优化的过程中，进气歧管长度、管径、压损、凸轮线型与相位优化是最为关键的改装技术措施。研究结论可以为汽车发动机改装技术的合理应用及其性能优化效果的提升提供一定参考。

关键词：汽车发动机；仿真计算；歧管长度；歧管管径；改装技术

中图分类号：U464 收稿日期：2024-01-09

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2024.04.011

1 汽车发动机性能优化需求

在当今的低碳环保理念下，能耗与排放的优化已经成为汽车生产领域中重点关注的一项内容。因此，作为汽车运行中主要的耗能与排放设备，汽车发动机的性能优化也受到了相关企业、研究者和技术人员的高度重视。就目前的汽车发动机性能改造来看，燃烧喷射结构的合理改装是一个主要策略。

采用信息化系统对其喷油频率和喷油时间进行合理计算，并根据计算结果，对发动机结构做出适当的调整与改装处理，使气缸中的油和气平衡混合[1]。通过这样的方式，可显著降低汽车发动机运行过程中的能耗及其有害气体排量，从而为现代汽车的低碳环保发展提供有力支持。

在具体的性能优化与改装设计过程中，为进一步简化汽车发动机的优化设计流程，降低样机试验方面的工作量，并为后续的汽车发动机性能优化及其改装质量提升提供科学指导，研究者可通过数字化仿真计算模型建立的方式来实施汽车发动机性能优化的仿真模拟和计算分析，从而使汽车发动机实际运行时的中低速性能得到合理优化。这对于汽车发动机运行效率的提升、运行质量的保障，以及现代汽车的低碳节能化发展具有积极影响。

2 汽车发动机性能优化计算模型

2.1 数学模型

本次研究，主要通过单区燃烧模型对汽车发动机燃烧过程与影响因素变化进行计算分析。具体分析时，将理想气体方程、质量守恒定律以及能量守恒定律作为依据，确定以下的数学模型：

在发动机生产制造时，将厂家提供的设计数据作为依据，对其一维仿真分析模型进行构建，并通过该模型对其进气歧管长度、管径与压损进行优化，以此来优化该发动机的中低速性能[2]。对于其缸内燃烧热量释放规律，可通过韦伯函数进行计算，其公式为：

式中，x为燃料燃烧百分数；α为曲轴转角；m为燃烧中的品质指数；y为无因次时间函数；[Δαc]为燃烧持续时间。

2.2 计算模型

在汽车发动机性能优化及其改装技术研究中，可通过一维热力学模型的构建来分析其中低速性能。就目前的一维热力学仿真软件来看，Flownex使最为常用的一款软件。基于此，可将发动机模型建立在该软件中，以此来完成其中低性能的分析及其优化仿真计算模拟。本次所研究的是四缸水冷型自然吸气式汽车发动机，其各个气缸的点火顺序是1#气缸-3#气缸-2#气缸-4#气缸。表1是该发动机主要的设计参数。

在其计算模型构建时，不仅要根据设计图纸将其结构参数输入，还要根据经验公式的计算结果将气缸壁温度、活塞头部温度以及气缸盖温度等热力学参数输入。同时还需要通过专用稳流气道试验台试验获得其进气道以及排气道中的流量系数。通过该仿真计算模型的建立，便可实现该汽车发动机实际运行情况的科学仿真模拟，从而为其性能优化与相应的改装技术应用提供有力参考。

2.3 模型验证

在通过该模型进行计算、标定以及分析之后，便可实现汽车发动机原机模型的精准获取，并实现其动力性能与缸压曲线对比的科学模拟。经模型计算可知，在1 000～6 000 r/min这一区间内，经模拟计算出的扭矩和实际测量修正之后的扭矩基本一致，其差值最大在0.6%左右。同时，其最大功率点5 500 r/min缸压曲线也十分接近于实测值。由此可判断出，本次所建立的模型计算精度很高。借助于该模型，便可对汽车发动机进行中低速性能的合理优化。

3 汽车发动机性能优化改装技术方案

就目前的四缸小排量汽油发动机来看，在对其中低速性能进行优化时，进气歧管长度优化、进气歧管管径优化、进气歧管压损优化、凸轮线型与相位优化都是其改装技术的主要实施策略。基于此，在具体的性能优化与改装仿真模拟计算分析时，应以此为依据，结合实际情况，对其改装技术方案进行合理确定，以此来满足其实际的性能优化目标。

3.1 进气歧管长度优化

在分析汽车发动机进气歧管长度优化时，主要将上述仿真计算模型作为基础，对进气歧管管径和压损相同、仅长度不同的几个发动机模型扭矩及其运行功率进行仿真模拟。经上述模型对该汽车发动机原机进行模拟计算之后发现，当其进气歧管的管径与压损均保持一致时，随着进气歧管长度的不断增加，发动机中低速区域内的转矩呈现出显著增大的变化趋势，其转矩最大点逐渐从高速平移向低速。而在其高速区域内，在进气歧管长度的不断增加中，扭矩则呈现出逐渐下降的变化趋势。在进气歧管的不断加长中，发动机的功率最大值有所下降，且下降幅度呈显著逐渐增加的趋势[3]。

经进一步分析发现，当转矩处于5 000 r/min以下的情况时，随着进气歧管长度的增加，发动机功率呈现出的是逐渐增大的变化趋势，即低速功率逐渐增加。根据该发动机实际的空间布设情况，并结合具体的仿真计算结果，本次性能优化中，决定将原来长度是400 mm的进气歧管改装为长度是560 mm的进气歧管，以此来满足其实际的性能优化需求。

3.2 进气歧管管径优化

同上文歧管长度优化相似，在对该汽车发动机原机进行模拟计算之后发现，当其进气歧管的长度与压损保持一致时，随着进气歧管管径的不断增加，发动机高速区域内的扭矩呈现出了逐渐增大的变化趋势，低速区域内的扭矩则呈现出了逐渐减小的变化趋势；而随着进气歧管管径的不断减小，发动机中低速区域内的扭矩呈现出逐渐增大的变化趋势，且扭矩最大点偏移向低速区域，高速区域内的扭矩则呈现出逐渐减小的变化趋势。同时，在进气歧管管径的不断增加中，高速区域内的功率呈现出逐渐增加的变化趋势，低速区域内的功率呈现出逐渐减小的变化趋势。

因该发动机在实际应用时的中低速性能需要合理提升，且在此过程中还需要兼顾到高速区域内的性能，所以在本次性能优化中，研究者决定将原来管径是29 mm的进气歧管改装成管径是31 mm的进气歧管，以此来满足其实际的性能优化需求。

3.3 进气歧管压损优化

同上文歧管长度优化相似，在对该汽车发动机原机进行模拟计算之后发现，当其进气歧管的长度与管径保持一致时，不同压损对发动机运行性能的影响也存在较大差异性。因为气体流动中会伴随着波动效应的产生，所以在整体的发动机进气过程中，并不能仅对比其某一个转矩角度条件下的进气歧管压损比，而是应该对比其整体进气过程中的压损比平均值。基于此，本次性能优化仿真分析中，将原来的发动机进气歧管结构作为基础，对长度均为560 mm、管径均为31 mm、只有进气歧管弯曲半径不同的发动机压损进行对比分析。经仿真计算发现，在弯曲半径是（400+160）mm的情况下，其进气歧管的压损值是2 983 Pa；在弯曲半径是560 mm的情况下，其进气歧管的压损值是53 007 Pa。由此可见，（400+160）mm弯曲半径条件下的进气歧管压损值比560 mm弯曲半径条件下的进气歧管压损值小[4]。

进一步仿真模拟计算分析发现，不同压损值对于该发动机高速区域内的影响更加显著，其扭矩都呈现出了不同程度的上升趋势，最大扭矩点是4 500 r/min，且（400+160）mm弯曲半径的进气歧管较560mm弯曲半径的进气歧管扭矩高出2.4 N·m左右。但是不同压损值对于该发动机低速区域内的扭矩影响程度比较小，其扭矩基本没有发生显著变化[5]。同时，不同压损值对于该发动机的运行功率也具有比较显著的影响，其高速区域内的功率呈现出不同程度的上升趋势，最大功率点是6 000 r/min，且（400+160）mm弯曲半径的进气歧管较560 mm弯曲半径的进气歧管功率高出1 kW左右。但是不同压损值对于该发动机低速区域内的功率影响程度比较小，其功率基本没有发生显著变化。

3.4 进气歧管优化总结

将上述仿真模拟计算分析作为依据，结合该汽车发动机的实际应用需求，在可供选择的进气歧管中，选择了长度是560mm、管径是31mm的进气歧管。而在对其压损进行优化设计时，应尽量使其和400 mm长度进气歧管的压损接近。在此种改装配置与组合模式下，该汽车发动机的整体性能得到了有效提升。经运行仿真模拟分析发现，相比较改装之前的发动机而言，其扭矩提升了4.4 N·m左右，最大扭矩可达94.4 N·m，其扭矩点处在4 000 r/min处；功率提升了2.6 kW左右，最大功率可达49.6 kW，其功率点处在6 000 r/min处。

3.5 凸轮线型与相位优化

在汽车发动机的性能优化中，凸轮线型优化和相位优化也是最为重要的两个优化措施。其中，凸轮线型优化主要是对其动力学性质等进行优化；相位优化主要是对其进气开闭角以及排气开闭角进行优化。经上述模型仿真模拟与计算分析之后发现，将该汽车发动机原有的气门升程作为基础，按照提前5°对其进气开启角进行优化改装；按照提前15°对其进气迟闭角进行优化改装；按照滞后10°对其排气开启角进行优化改装，便可使该汽车发动机具有最高的中低速性能[6]。在通过上述措施进行优化改装之后，该汽车发动机的最大扭矩值是97.6 N·m，其扭矩点在4 500 r/min处；最大功率值是48.5 kW，其功率点在6 000 r/min位置。

4 汽车发动机优化改装后的性能验证

为确定本次汽车发动机改装之后的性能优化效果，在通过上述措施对仿真模型中的发动机进行优化改装之后，研究者将具体的优化数据作为依据，对该汽车发动机的实体结构进行了改装，并将改装之后的发动机投入运行试验，以此来验证其优化改装之后的实际性能。之后通过实际性能验证结果和模拟仿真计算结果的对比来判断其性能优化效果。表2为本次汽车发动机优化改装后的性能验证及其仿真模拟结果对比情况。

通过以上的两组数据对比分析可知，在本次的汽车发动机性能优化与改装研究中，经上述模型模拟分析的优化改装效果与实际优化改装效果基本一致。说明经本次模拟仿真计算之后，确定的性能优化与改装设计数据可充分满足该汽车发动机的实际中低速性能优化需求，整体模拟分析的精准性十分良好。

5 结语

汽车发动机的性能改造是当今汽车生产制造领域中最为关键的一项工作内容。基于此，生产企业、研究者与技术人员应结合实际的汽车发动机设计情况及其应用需求等，合理设计其性能优化仿真模拟计算模型。将设计图纸中的相关参数与发动机实际的运行参数等合理导入其中，通过主要结构参数变化仿真模拟的方式来确定其性能优化方案，并通过实体改装的方式来验证优化方案的可行性。这样不仅可有效简化汽车发动机的性能优化及其改装设计流程，同时也可以获得足够精准的性能优化效果，可充分满足现代汽车发动机的实际性能优化需求，促进现代汽车发动机的低碳节能化发展。

参考文献：

[1]崔可欣.基于多目标优化的混合动力汽车能量管理研究[D].长春：吉林大学，2021.

[2]张士亨.高压缩比点燃式天然气发动机性能优化策略研究及数值模拟[D].长沙：湖南大学，2020.

[3]王乐俊.混合动力汽车发动机准恒速起动燃烧和排放特性研究[D].北京：北京工业大学，2016.

[4]李海青，曾明杰，黄仁毅.基于KISSsoft的专用汽车发动机取力装置齿轮修形优化设计[J].上海汽车，2023（11）：19-24.

[5]王威，刘吉绪，吴春玲，等.基于机器学习的车用发动机性能预测及优化方法研究[J].内燃机，2023（5）：28-34.

[6]马靖岩，吴贞明，李保儒，等.某发动机进气歧管的CFD分析及优化[J].内燃机，2023（5）：35-39.

作者简介：

颜天敏，女，1980年生，教授，研究方向为机械设计制造及自动化、发动机技术等。