125cc单缸汽油机改装

基于125cc单缸汽油机提高燃油经济性的改装方法

吉林大学汽车工程学院车辆工程专业421004班

张立峰，学号：21100208,15100439

摘要：本人之前一直在吉林大学肯赛节能车队发动机组工作，负责发动机的轻量化与台架实验相关项目，学习《汽车节能与排放》课程后，我对节能技术有了更深刻的理解，现在我结合课程所学内容整理车队发动机组六年来的改装方法与原理，作为结课作业，也希望可以对车队发动机组日后工作起到一些作用。内容主要涵盖增加压缩比、提高点火能量、改变配气相位、关闭进气道技术、电喷系统引入等方面。

关键词：提高压缩比减小排量提高点火能量改变配气相位关闭进气道技术电磁离合器一体化控制技术电喷系统的引入

中英文对照：increase the compression ratio，decrease the displacement，increase the ignition energy，optimise the port timing，close the intake-tube，the Electromagnetism clutch，the electronic fuel injection system

一，赛车的各项参数与行驶工况

目前节能竞技赛事的参赛车辆基本上已经定型，对于燃油车，普遍采用前二轮、后一轮的布置形式，后轮为驱动轮；车身普遍采用碳素纤维材料，车架一般为铝合金焊接式，当然也有学校采用碳素纤维承载式车身，但费用较高，要求的设计水平和工厂的加工水平也比较高。由于行驶的赛道平坦、车速较低，普遍不设有悬架；由于采用加速——熄火滑行——加速的行驶策略，致使赛车的加速时间较短，所以绝大多数赛车不设有变速机构，传动形式多为链传动和同步带传动。目前国内优秀车辆通过极致的轻量化、采用碳素纤维车身可使赛车的整备质量达到40Kg而且有望达到更低水平。

目前我校节能车采用的发动机为本田技研提供的125-6型125cc单缸汽油机，原厂设定压缩比为9，两气门，单火花塞点火。最大功率8.8Kw （6500rpm），最大扭矩6.6N·m（4000rpm）。但是这个功率相对于只有40kg左右的赛车来说还是太大了。如果赛车采用一级传动，受限于从动链轮（带轮、齿轮）直径，传动比不可能超过8，如果采用二级传动又会使传动机构复杂、传动效率降低。我校赛车目前传动比为6.9，若赛车达到最高车速40km/h，根据Ua=0.367*r*n/ig*i0,可以求出发动机转速为3133rpm，而此工况离发动机的高效区很远，离离心式自动离合器的滑摩区很近。因此发动机组的设计工作就主要面向三个方面：减少发动机的质量做到轻量化；提高发动机的燃油经济性；使发动机的高效区向低转速转移。

二，提高发动机压缩比

提高压缩比可以提高汽油机的压力升高比，使燃烧压力和燃烧温度升高，同时还可以降低残余废气系数，提高充气效率，从而改善燃油经济性。但当压缩比相对较高时，提高压缩比对于燃油经济性的改善效果并不明显，而且很可能引起爆震。

提高压缩比的方法有很多，比如：磨削汽缸盖、更换较薄的汽缸垫、增加燃烧室内固定物、更换活塞、改变连杆长度等方式。但是由于汽缸盖的布置过于紧凑，导致我们没有办法通过增加燃烧室固定物的方法来提高压缩比，目前我们采用的方法有磨削气缸使其长度变短从而使燃烧室容积变小和填充活塞表面使燃烧室容积变小两种方法。

对于磨削气缸这种方法而言，加工方法相对简单，但对工厂的技术水平要求较高，因为气缸与汽缸盖接触表面要求有良好的密封性。在之前的改装过程中经常出现接触表面漏气导致发动机怠速不稳甚至无法点火的现象发生。因此对于气缸的加工要求是希望气缸铣削后依旧能保证上下表面平行，而且铣削后表面光滑，如果采用粗铣则要在铣削后磨削上表面。

对于填充活塞这种方法，难度较大，之前我们一直尝试采用活塞表面堆焊的方法，但是由于

铸铝的焊接性能不好，焊接后的活塞在长期运行后经常出现焊口开裂的状况，在堆焊过程中经常出现高温液体烫传活塞表面的状况，而且由于活塞的形状不是完美的圆柱状，焊接后经常出现活塞变形，装不了活塞环或者装完活塞环后放不进去气缸的状况发生。后来采用在活塞表面焊接小

铝块的方法，虽然以上问题得以改善，偶尔仍会发生。

以上两种提高压缩比的方法都会带来运动干涉的问题，主要表现为活塞运行到上止点撞击气门、火花塞，更严重时有可能撞击汽缸盖，这就要求技术人员要对加工后的活塞做出合适的修整。燃烧室的形状改变后也会导致充气效率下降、燃烧不良等状况发生。因此在提升压缩比后我们都会首先试发动机有无干涉，然后通过台架实验的方法来检测改装是否合理，be值是否有效的降低。

象，目前我校节能车队发动机的压缩比已经从9提升至12，燃油经济性有了一定的提高，通过爆震传感器测试和实车测试都未发现爆震现象，但是发动机怠速不得不做出相应提高。

三，缩小发动机排量

正如之前所说，原厂发动机的功率对于节能车来说还是显得太大。因此我们希望通过减小排气量的方法来使发动机的功率缩小，同时也使发动机最小be值向更低转速区域转移。

我们目前采用的缩小排量的方法为在原厂气缸里面压入更小气缸，同时更换小活塞，但是由于压入的气缸表面没有原厂气缸加工质量好，所以减小排量的效果并没有想象中那么明显。

四，提高点火能量

提高点火能量可以使点火更可靠，使混合气燃烧更充分，对于避免增加压缩比后带来的爆震威胁也有一定的好处。

原厂发动机采用但火花塞点火，目前我们的改装方法是在汽缸盖上钻孔加装火花塞。由于汽缸盖布置复杂，所以钻孔位置很难确定，经过多次尝试，最终我们找到了一个与任何运动物体都不存在干涉的位置。

加装的火花塞

由于每一次的改装都会使发动机发生很大的变化，原厂的点火提前角设定很难适应这么大的变化，因此在每项改进之后都要进行点火提前角的标定，但是原厂的点火系统不具有写入数据的能力，因此我们将引入了CDI点火，以下为2011年赛车做完所有改装后的点火提前角标定数据。

五，改变配气相位

由于发动机处于低速状态下工作，基于原厂设定的配气相位在3000rpm附近工况下工作的

燃油经济性并不好，所以改变配气相位也是提高燃油经济性的一个改装方法。

之前袁兆诚教授为我们设计过凸轮，但是由于加工工艺等原因导致效果并不如想象中良好。

六，气缸保温

为了使润滑效果良好、汽油雾化良好、汽缸壁的油层尽量减少甚至消除，发动机机油温度应该保持在90摄氏度左右，但是节能车的发动机运行时间短，处于不工作状态的时间较长，所以发动机缸体和机油温度很难保持在90摄氏度。由此我们需要对气缸进行保温。

目前可行的保温方法有三种：

1，采用电加热智能控制的方法进行保温处

理，购买合适的电热丝，用石棉等耐热材料包裹在气缸表面，由温度传感器和单片机控制，当温度低于80摄氏度时加热，高于100摄氏度时加

热停止。

2，采用保温材料包裹气缸进行保温。这种

方法实施起来非常容易，只需要购买隔热和保温材料缠绕在气缸表面，做到美观，质量轻即可，但是保温效果一般。

3，采用气缸废弃进行保温。在气缸外围加

工加热气套或者水套，用废弃直接流过气缸表面，或者用废弃加热循环水进行保温。水的比热容较高，所以温度波动较小，但是循环水系统的质量较大，会使得汽车的整备质量增加，而且两种方法都很难做到恒温或者温度波动小，

综上所述，能做到保温效果最好的只有第一种方法。

2013赛季气缸保温处理

六，进气管关闭技术

在发动机熄火时，由于飞轮、曲轴、离合器主动部分等的转动惯量较大，曲轴并不能立刻停转，所以活塞依旧处于泵气状态，而此时化油器也不能智能关闭，因此这段时间是有燃油浪费的。

基于以上原因考虑，减少这部分燃油浪费，我们设计了进气道关闭系统。该系统的工作原理为单片机接收熄火开关的的触发信号，处理好将信号传给执行器，即进气管阀门电机，关闭进气管。但是若直接将进气管关闭将导致进气时气缸处于抽真空状态，此工况对于发动机本身和进气管关闭系统都是有害的，因此在关闭进气管的同时要打开旁通孔。

进气管关闭系统实物图七，电喷系统的改装

虽然使用化油器的乘用车已经在2000年停产，但是市场上的摩托车大部分还是化油器。化油器作为汽车发展史上的一个杰作，经过几十年的优化设计，在绝大多数情况下可以满足摩托车发动机的使用要求。但是化油器有以下几种缺点: 1，化油器在怠速时空燃比较小，而节能车的怠速时间占总的工作时间的比重又相对较大，所以这部分油耗是不可忽视的；

2，化油器在过渡工况表现不良，加减速响应不好，有加速贫油、减速过浓的现象；

3，化油器由于喉管的存在使得充气效率不高；

4，排放较差；

5，启动性不好。

相对于化油器，电喷系统有如下优点：

1，可以设定在点火和怠速的前n转过浓喷射，当发动机可以正常运行后正常喷射，或者使过量空气系数在1.05-1.15之间；

2，可以通过设置合理的喷射脉宽，保证发动机在节能车的运行工况有良好的燃油经济性；

3，进气阻力小，充气效率高；

4，无结冰，气阻现象；

5；加减速响应效果好；

5，启动性好。

基于以上鲜明对比，在2013赛季，车队引入电喷系统，采用开环控制。

主要组成部分有：本田锋影摩托车进气管总成、本田锋影摩托车喷油泵、北京现代伊兰特燃油压力调节器（3.5bar）、光印动力电喷ECU、进气温度传感器、气缸温度传感器、线束、接头等。

电喷系统台架实验图

在组装完电喷系统后，最重要的工作即为电喷系统的标定，针对不同工况调节喷射脉宽，测出be值和空燃比，在be值最小的、空燃比合理的状态下确定最佳的喷射脉宽。最后测定的be 值在三百左右，比原厂发动机有了大幅缩减。

七，基于电磁离合器的自动加速控制系统

节能车之前使用的离合器为离心式自动离

合器，这种离合器具有接合平顺、分离彻底的优点，而且不需要车手操作，可以减少由于车手误操作带来的熄火、冲击等现象。但是这种离合器在1800rpm下离心力才逐渐达到接合条件，需要达到2500rpm左右才能彻底接合，但是若扭矩过大依旧会存在滑摩。而节能车在发动机处于1800rpm-2500rpm时加速度很大，所需扭矩也很大，此时带来的离合器滑摩损失也很大。

之前采用过在离合器外壳上滚花以提高摩擦系数的方法减少滑摩损失，有一定的效果。

在2013赛季，车队开始尝试使用电磁离合器，现在使用的是机床用的24v多片干式电磁离合器，离合器的静摩擦力矩随电流的增加而非线性增长。该系统的工作原理为，转速传感器测得发动机转速、转速信号传给单片机进行处理、单片机处理信号后通过调节pwm来控制输出电流，经12-24升压器后输入到电磁离合器。目前设定数据为第一次加速、即起步时离合器在1500rpm 开始接合，在2400rpm接合完全，在滑行之后再次点火加速时，由于存在一定的初速度，一般为18KM/h，所以直接接合离合器，虽然存在一定的冲击，但是在允许范围内，并不会对传动系统带来过多损坏。但是由于发动机转速信号存在干扰，而且波动较大，因此目前可行的改进方法为采用节气门开度传感器的输出信号作为自变量，或者采用该信号与车速、转速信号三者作为自变量来调节电磁离合器的输出电流，使得控制更加精准。

电磁离合器

基于电磁离合器，车队开发了自动加速系统。自动加速系统的硬件组成有，节气门舵机及传动机构、单片机、车速传感器、发动机转速传感器等组成。

工作原理，车手按下点火开关后，起动机工作，发动机点火，单片机确认发动机可以正常运转后给起动机继电器断电，启动电机停止运转。在一定的时间间隔后进入加速状态，单片机输出信号控制节气门舵机，节气门开度增加，当检测到车速达到45KM/h后或者检测到车手手动给出熄火信号后熄火。这个系统可以最大程度上与电磁离合器配合，使得加速过程数据化、程式化，减少车手误操作，同时减轻驾驶员压力。

但是目前没有根据发动机的外特性曲线调节节气门，而是对节气门进行线性调节，因此加速效果不是令人十分满意，而且对系统故障做出足够的应急保障，因此自动加速技术还处于技术储备状态。

八、发动机轻量化

车队在发动机轻量化方面所做的改装可按切割部分的不同分两部分。第一部分是对固定质量的轻量化，第二部分为对旋转质量的轻量化。

目前的改装方法主要步骤如下：

1，由于不需要变速机构，首先切割掉与发动机一体的变速箱，并对切割后的发动机上的一些原来用于悬置和工艺部分进行切割；

2，切割发动机上的散热肋片；

3，摘除飞轮上的发电机部分，可以选择性的切割飞轮，但是要确保切割后脉冲信号发生器可以正常使用，可以通过平移脉冲信号发生器在飞轮上的凸块的方法也可以自制脉冲信号发生器或者曲轴位置传感器。

4，在切割工作完成后要根据发动机在节能车上的安装位置焊接悬置用吊耳或者固定用的底座。

5，为确保切割后发动机有正常的润滑，需要对润滑系统进行改造，外接喷油泵对汽缸壁和汽缸盖凸轮轴喷射润滑油，在出油孔和机油泵之间要加装机油滤清器。在切割过程中势必对原来的机油密封进行了破坏，因此需要精铣平面，线切割铝板做成油底壳，用橡胶密封圈和螺钉进行密封。对于小缺口要进行封堵，以免机油飞溅造成机油损失和其他零件的损坏以及灰尘杂物进入机油损坏轴承和气缸。

结语：以上是学习《节能与排放》课程后，整理车队的一些改装方法与原理完成的课后作业，由于之前的一些数据缺失，一些对比效果无法定量表述，望老师见谅，其中肯定还存在一些理论错误，希望老师和同学可以批评指正。最后，感谢两位老师的悉心教导。