汽油機(jī)低摩擦系統(tǒng)優(yōu)化及其對(duì)節(jié)能影響

楊　民

（山東華盛中天機(jī)械集團(tuán)股份有限公司，山東 臨沂 276017）

汽油機(jī)低摩擦系統(tǒng)優(yōu)化及其對(duì)節(jié)能影響

楊民

（山東華盛中天機(jī)械集團(tuán)股份有限公司，山東 臨沂 276017）

汽油機(jī)是現(xiàn)代工業(yè)中應(yīng)用十分廣泛的動(dòng)力機(jī)器，在汽車等行業(yè)內(nèi)占據(jù)突出的位置。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，各種環(huán)境問題和能源問題也隨之而來，節(jié)能減排成為工業(yè)發(fā)展的必然要求。由于汽油機(jī)的摩擦損失問題造成的能源損失和環(huán)境污染問題很突出，所以綜合采取各種措施，不斷對(duì)汽油機(jī)的低摩擦系統(tǒng)進(jìn)行合理有效的優(yōu)化意義重大。本文在分析汽油機(jī)摩擦損失概況的基礎(chǔ)上構(gòu)建合理的分析模型，對(duì)包括曲柄連桿機(jī)構(gòu)、缸體機(jī)構(gòu)和配氣機(jī)構(gòu)在內(nèi)的汽油機(jī)主要部件進(jìn)行優(yōu)化分析，并揭示了其對(duì)于提高性能、節(jié)能減排的重要意義。

汽油機(jī)；低摩擦；系統(tǒng)優(yōu)化；節(jié)能減排

進(jìn)入21世紀(jì)以來，全球的能源資源短缺現(xiàn)象更加明顯，環(huán)境問題和全球氣候變暖日益成為工業(yè)發(fā)展的挑戰(zhàn)。為應(yīng)對(duì)工業(yè)領(lǐng)域內(nèi)不斷增加的節(jié)能減排要求，需要對(duì)各個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)進(jìn)行系統(tǒng)的節(jié)能改進(jìn)。中國(guó)的汽車行業(yè)發(fā)展迅速，并在進(jìn)入21世紀(jì)后呈現(xiàn)出加速發(fā)展的態(tài)勢(shì)，汽車的生產(chǎn)量和總量不斷增加，我國(guó)已超越美國(guó)成為絕對(duì)意義上的世界第一汽車大國(guó)。與此相伴，汽車行業(yè)的快速發(fā)展也帶來了嚴(yán)重的能源和環(huán)境壓力，石油消耗過度導(dǎo)致我國(guó)石油的對(duì)外依賴情況更加嚴(yán)重，原油的對(duì)外依賴直接威脅到國(guó)家的石油能源安全，導(dǎo)致出現(xiàn)能源危機(jī)。

眾所周知，汽車是能源消耗的一大主力，更是石油消耗的主體，汽油機(jī)的汽油消耗問題已經(jīng)成為我國(guó)汽油機(jī)行業(yè)面臨的重大問題之一。而且汽油機(jī)對(duì)于環(huán)境的危害是相當(dāng)致命的，是造成霧霾等空氣污染的主要污染源。根據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù)分析，過去5年內(nèi)我國(guó)機(jī)動(dòng)車排放的污染物正以4%的速率急速增加，考慮到它的基數(shù)本來就很驚人，這樣的增速就更加需要引起人們的警惕了。以汽油燃燒為主的機(jī)車發(fā)動(dòng)機(jī)每年排出的氮氧化物、顆粒物、碳?xì)浠衔?、一氧化碳不?000萬(wàn)噸。由于汽油機(jī)車對(duì)環(huán)境的污染嚴(yán)重，因此為確保國(guó)家的能源安全和環(huán)境保護(hù)，需要進(jìn)行相關(guān)研究，切實(shí)提高汽油機(jī)的能源利用效率。

汽油機(jī)摩擦是發(fā)動(dòng)機(jī)常見的能量消耗形式之一，對(duì)汽油機(jī)進(jìn)行低摩擦系統(tǒng)優(yōu)化對(duì)于節(jié)能減排和保護(hù)環(huán)境意義重大。目前汽油機(jī)行業(yè)，尤其是汽車行業(yè)正在加緊研發(fā)降低汽油機(jī)摩擦損失的模型，并取得了較大進(jìn)展。本文在對(duì)以往數(shù)據(jù)進(jìn)行總結(jié)、分析的基礎(chǔ)上，通過對(duì)汽油機(jī)各項(xiàng)參數(shù)的詳細(xì)分析，不斷考察摩擦參數(shù)對(duì)于汽油機(jī)整體性能的影響，并利用模擬試驗(yàn)的方法對(duì)汽油機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行低摩擦的優(yōu)化。

我國(guó)汽油機(jī)的相關(guān)技術(shù)與世界發(fā)達(dá)國(guó)家相比仍有不小的差距，尤其是與日本、歐盟等汽車能耗較低的國(guó)家相比，我國(guó)的燃油消耗和利用效率過低。為實(shí)現(xiàn)汽油機(jī)的低耗能，國(guó)務(wù)院于2013年印發(fā)了《關(guān)于加強(qiáng)內(nèi)燃機(jī)工業(yè)節(jié)能減排的意見》，其中將發(fā)動(dòng)機(jī)低摩擦技術(shù)列為重點(diǎn)研究?jī)?nèi)容。綜上所述，進(jìn)行汽油機(jī)的低摩擦相關(guān)研究已經(jīng)成為我們的不二選擇，更是節(jié)能減排的迫切要求。

一、汽油機(jī)摩擦損失概況

所謂汽油機(jī)的摩擦損失，就是指在汽油機(jī)工作過程中大部分的能量被摩擦損失掉了，而用于車輛驅(qū)動(dòng)的能量?jī)H占較少部分，根據(jù)美國(guó)學(xué)者布朗的相關(guān)研究，能量使用的比重僅僅占到15%左右。除摩擦損失外，汽油機(jī)其他的損失如用于等紅燈或堵車時(shí)的怠速能量損失、排氣損失、冷卻液熱量損失等也占據(jù)了很大的比重。汽油機(jī)無用功功率中摩擦損失大概占到20%左右，其中主要包括活塞運(yùn)動(dòng)損失、軸承損失、配氣機(jī)構(gòu)及附件損失等。在汽油機(jī)的眾多無用功損失中，有些是無法避免的，比如汽油機(jī)的熱量損失，其中的冷卻液熱量還可以與車輛的供暖系統(tǒng)結(jié)合起來再次利用，但汽油機(jī)的摩擦損失確實(shí)無法再次利用，它與汽油機(jī)的輸出功率息息相關(guān)。但是，完全可以對(duì)其進(jìn)行有效的改進(jìn)，而降低摩擦是提高汽油機(jī)功率最有效的手段之一。

目前而言，對(duì)于汽油機(jī)低摩擦技術(shù)系統(tǒng)的研究十分具有現(xiàn)實(shí)意義，世界各國(guó)都在加緊研發(fā)低摩擦的相關(guān)技術(shù)。以單缸汽油機(jī)機(jī)中小型非道路火花點(diǎn)燃式單缸四沖程汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的相關(guān)研究為例，其低摩擦的技術(shù)手段正隨著世界新技術(shù)的不斷興起而快速發(fā)展，該汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的摩擦損失正在逐漸降低。當(dāng)前，日本的豐田公司也把低摩擦技術(shù)作為重點(diǎn)攻關(guān)項(xiàng)目之一；通用集團(tuán)新開發(fā)的低摩擦發(fā)動(dòng)機(jī)以其實(shí)現(xiàn)了比普通發(fā)動(dòng)機(jī)減耗20%的效果而在汽車市場(chǎng)上大賣；近年來我國(guó)一汽集團(tuán)也迅速開啟了有關(guān)低摩擦系統(tǒng)的研究，確定了“藍(lán)途”汽車節(jié)能環(huán)保技術(shù)發(fā)展戰(zhàn)略，制定了節(jié)能減排的發(fā)展目標(biāo)。從發(fā)動(dòng)機(jī)使用領(lǐng)域的大型企業(yè)的轉(zhuǎn)型發(fā)展來看，不斷優(yōu)化汽油機(jī)的低摩擦系統(tǒng)已經(jīng)成為流行趨勢(shì)，成為我國(guó)節(jié)能減排的關(guān)鍵。對(duì)于汽油機(jī)低摩擦技術(shù)的研究也將不斷引起越來越多人的注意。

二、汽油機(jī)低摩擦系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化

汽油機(jī)的主要組成部分包括曲柄連桿機(jī)構(gòu)、缸體機(jī)構(gòu)和配氣機(jī)構(gòu)，它們也是汽油機(jī)摩擦損失的基本主體。本章將在摩擦學(xué)仿真研究的基礎(chǔ)上對(duì)汽油機(jī)的缸體、軸承等系統(tǒng)進(jìn)行分析研究，并在此基礎(chǔ)上詳細(xì)分析各種組件參數(shù)對(duì)于汽油機(jī)摩擦損失的影響。通過對(duì)各項(xiàng)參數(shù)的確定來選擇最佳的低摩擦系統(tǒng)，不斷優(yōu)化汽油機(jī)的低摩擦技術(shù)。

1.曲柄連桿機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

對(duì)汽油機(jī)的低摩擦系統(tǒng)優(yōu)化兼具節(jié)省時(shí)間和節(jié)省成本的雙重功效，對(duì)于汽油機(jī)的相關(guān)研究意義重大。首先討論的是曲柄連桿機(jī)構(gòu)的摩擦學(xué)系統(tǒng)優(yōu)化，曲柄連桿機(jī)構(gòu)是汽油機(jī)中最為重要的組件之一，同時(shí)它也是摩擦損失的“主力軍”。從活塞結(jié)構(gòu)的優(yōu)化角度分析，為降低曲柄連桿機(jī)構(gòu)的摩擦損失，就要切實(shí)降低活塞系統(tǒng)的摩擦損失。主要采取的措施是對(duì)活塞裙部進(jìn)行優(yōu)化，從而降低系統(tǒng)摩擦的損失，這樣做的依據(jù)主要有以下兩點(diǎn)：一是要盡量縮小活塞界面的接觸面積，同時(shí)保證油膜的厚度不能出現(xiàn)較大的變動(dòng)；二是從控制活塞的橫移幅度而言的，要使裙部與活塞中心線之間保持較為合理的距離，從而降低活塞運(yùn)動(dòng)損失。

基于以上對(duì)曲柄連桿機(jī)構(gòu)摩擦學(xué)的仿真分析，并且參照國(guó)外先進(jìn)的技術(shù)成果，我們?cè)噲D對(duì)活塞裙的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。主要參照的仍是上文所依據(jù)的兩點(diǎn)，降低側(cè)寬度并提高中線。

2.缸體結(jié)構(gòu)優(yōu)化

缸體結(jié)構(gòu)對(duì)于汽油機(jī)而言具有極為重要的意義，它是汽油燃燒的主要場(chǎng)所，同時(shí)也是摩擦損失的主要參與者。通過對(duì)有關(guān)缸體結(jié)構(gòu)的優(yōu)化分析，我們發(fā)現(xiàn)缸體變形、缸體表面過分粗糙以及缸筒內(nèi)氣體流通不暢等都會(huì)造成嚴(yán)重的摩擦損失。所以，對(duì)于缸體結(jié)構(gòu)的改進(jìn)也主要是依據(jù)這些，首先要避免嚴(yán)重的缸體變形，定期排檢；其次要在不影響配氣機(jī)構(gòu)工作的情況下適當(dāng)?shù)亟档蜌忾T的彈力，以加強(qiáng)缸體內(nèi)的氣體流通。

3.配氣機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)優(yōu)化

配氣機(jī)構(gòu)是汽油機(jī)的重要部件，它的主要作用是通過控制缸體的氣閥來保證缸體內(nèi)氣體的正常流通，其運(yùn)行的效率直接影響到整個(gè)部件的有效功率。配氣機(jī)構(gòu)保證了新舊氣體的正常交換，就如同遍布人身的血管一樣。它的工作要求是必須保證汽油機(jī)正常的工序，主要部件又可以分為氣門組和氣門傳動(dòng)組兩部分。配氣系統(tǒng)的摩擦損失是汽油機(jī)摩擦損失的主要形式之一，在我們的模型建構(gòu)分析中，配氣機(jī)構(gòu)主要設(shè)置了氣門、氣門彈簧、輪軸等基本部件。在大量試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，我們發(fā)現(xiàn)低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)配氣系統(tǒng)占汽油機(jī)整體摩擦損失的比重最大，但是低速卻是單缸汽油機(jī)機(jī)中小型非道路火花點(diǎn)燃式單缸四沖程汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的主要運(yùn)轉(zhuǎn)速度。因此，如何降低配氣機(jī)構(gòu)的摩擦損失對(duì)于機(jī)體整體而言具有獨(dú)特的重要性。應(yīng)該根據(jù)優(yōu)化確定的參數(shù)對(duì)氣門、鏈條等進(jìn)行較為系統(tǒng)的優(yōu)化。

三、汽油機(jī)低摩擦對(duì)節(jié)能的影響

1.對(duì)動(dòng)力性能的影響

按照前文所述，通過低摩擦系統(tǒng)對(duì)汽油機(jī)的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行綜合優(yōu)化，使其達(dá)到低摩擦的運(yùn)轉(zhuǎn)效果。與優(yōu)化前相比，低摩擦汽油機(jī)的有效輸出功率大大增加，各項(xiàng)性能也趨于完善。隨著摩擦損失的降低，各種部件機(jī)構(gòu)的負(fù)荷也隨之降低。低摩擦的運(yùn)轉(zhuǎn)對(duì)于提高機(jī)器的燃燒效率也大有裨益，有效的汽油燃燒反過來減少了摩擦，從而達(dá)到良性循環(huán)的效果。

2.對(duì)燃油消耗性能的影響

從汽油機(jī)燃油消耗的相關(guān)數(shù)據(jù)來看，低摩擦汽油機(jī)的燃油消耗量明顯少于改進(jìn)前的普通汽油機(jī)。前文也提到低摩擦對(duì)于燃油燃燒的互相作用，所以在相同的條件下，低摩擦汽油機(jī)的燃油消耗效果高于其他汽油機(jī)。

結(jié)語(yǔ)

我國(guó)汽油機(jī)行業(yè)的發(fā)展起步較晚，對(duì)于低摩擦技術(shù)的研究也不夠深入，導(dǎo)致在現(xiàn)代相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展中遭遇了嚴(yán)重的節(jié)能減排問題。摩擦損失是一種可以有效規(guī)避的無用功輸出，其對(duì)于汽油機(jī)整體的有效功率影響嚴(yán)重。因此對(duì)其的改進(jìn)和優(yōu)化就顯得很有意義了。本文在摩擦學(xué)仿真研究的基礎(chǔ)上對(duì)汽油機(jī)的缸體、軸承等系統(tǒng)進(jìn)行分析研究，并在此基礎(chǔ)上詳細(xì)分析各種組件參數(shù)對(duì)于汽油機(jī)摩擦損失的影響。通過對(duì)各項(xiàng)參數(shù)的確定來選擇最佳的低摩擦系統(tǒng)，并不斷對(duì)汽油機(jī)的低摩擦系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化處理。

［1］武彬.汽油機(jī)低摩擦系統(tǒng)優(yōu)化及其對(duì)節(jié)能影響研究［D］.吉林大學(xué)，2013：7-122.

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