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                信息來源︰內燃機工業協會       發布日期︰2020-02-21       分享到︰

                宋如鋼  張寶歡 白景升         林建生

                             (天津內燃機研究所,天津,300072)         天津大學機械學院

                摘要

                本文介紹了156FMI-A發動機的開發過程,該發動機的主要特點是︰采用了單軸平衡減振系統,擠流型燃燒室,采用機油冷卻、自然風冷混合冷卻的氣缸蓋,開發了全新的二次進氣裝置,全新設計的發動機外觀。156FMI-A發動機是在目前國內產量最大的CG125發動機基礎上開發,試驗表明,與普通CG發動機相比,156FMI-A發動機性能提高顯著,最大功率達到8.75kW,最低燃油消耗率達到276g/kW.h。同時,單軸平衡減振系統的減振效果明顯,擠流型燃燒室明顯改善了燃燒,大大降低了有害氣體的排放,采用機油冷卻、自然風冷混合冷卻的氣缸蓋使得氣缸蓋溫度更為理想,提高了發動機的可靠性;全新的發動機外觀設計,徹底擺脫了原發動機的陳舊的外觀,給消費者耳目一新的感受。

                一.前言

                CG125發動機在國內長盛不衰的原因︰價格低,可靠性好,維修方便。從發動機的技術上講,CG125發動機並不很先進,甚至可以說是落後,尤其是配氣機構,CG125采用中置凸輪軸,頂置氣門的布置方式,似乎完全不符合現在的OHC,DOHC的潮流,但是它卻能在國內佔有最大的市場,主要有兩個原因,首先,CG125發動機的價格優勢明顯,這是因為CG125是國內最早的四沖程、頂置氣門發動機,由于先入為主,該發動機的產量在國內也是最大的,因此該發動機的零部件的價格也比同類型發動機的零部件價格低。其次,CG125發動機配氣機構結構簡單,可靠性好,維修方便,易于為消費者接受。

                CG125發動機缺點也很明顯︰性能差(功率、扭矩、油耗與GS,CB125-T,CB125等相比),振動大(活塞連桿質量相對較大),外觀陳舊。

                二.開發目標

                我們決定在CG125發動機基礎上開發156FMI-A發動機,156FMI-A發動機將保留CG125發動機的價格低,可靠性好,維修方便的優勢,同時采用新技術使發動機功率更高,油耗更低,排放更清潔,在外觀上也要擺脫老CG125發動機的束縛,給消費者一個耳目一新的感覺。

                主要技術手段有︰采用了單軸平衡減振系統,擠流型燃燒室,采用機油冷卻、自然風冷混合冷卻的氣缸蓋,全新的二次進氣裝置,全新設計的發動機外觀。

                這些技術手段的主要作用見表1

                 

                 表1 156FMI-A發動機采用的新技術一覽表

                 

                技術手段

                作用

                效果

                單軸平衡減振系統

                平衡一階往復慣性力

                減少振動,發動機工作平穩,駕駛舒適

                擠流型燃燒室

                提高燃燒速率改善燃燒過程

                降低燃油消耗率,降低排放

                機油冷卻、自然風冷混合冷卻的氣缸蓋

                降低氣缸蓋溫度,提高充氣效率,減小配氣機構熱變形

                提高發動機功率,減小配氣噪聲

                全新的二次進氣裝置

                降低CO、HC的排放

                結構更緊湊

                全新設計的發動機外觀

                迎合消費者需求

                徹底擺脫原發動機的陳舊的外觀,給消費者耳目一新的感受

                三.發動機的基本參數及結構特征

                  1. 發動機基本參數及性能曲線

                  156FMI-A發動機基本參數見表2,性能曲線見圖

                 



                  


                    型式

                單缸立式四沖程

                自然風冷

                燃燒室

                半球型

                配氣機構

                下置凸輪軸

                2氣門

                缸徑×沖程

                56.5×49.5

                排量

                124.1mL

                壓縮比

                9.21

                最大功率

                8.75kW/8500rpm

                最大扭矩

                10.01 Nm /7500rpm

                最低燃油消耗率

                276g/kW.h

                初級減速比

                4.056

                傳動比

                 

                1

                2.769

                2

                1.722

                3

                1.273

                4

                1.000

                156FMI-A發動機基本參數


                發動機外特性曲線圖 



                 

                 

                 

                2. 發動機結構特征

                發動機外型圖見圖,剖面圖見圖

                發動機外型圖

                 四.156FMI-A發動機的開發

                 1. 單軸平衡系統的開發

                往復式內燃機由于工作過程的周期性和機件運動的周期性,運轉中產生的旋轉慣性力和往復慣性力都是周期變化的。這些力如果不能在機內互相抵消,傳給支承的力也會不斷變化,從而帶來往復式內燃機不平衡的問題。內燃機的不平衡會引起振動及噪音,這對于摩托車的平順性、舒適性以及發動機的總功率和壽命都有不利影響。內燃機的平衡,主要指如何解決一階、二階往復慣性力的平衡,對于單缸發動機可采用雙軸平衡機構、單軸平衡機構和過量平衡法。

                發動機剖面圖


                目前國內125cc摩托車發動機為了使構造盡可能簡單,幾乎都采用過量平衡法,其工作原理示意圖見圖,這種方法是在曲柄的平衡塊上多加一定的平衡質量,使其產生過量的離心力εC。由數學推導可知,離心力εC與一階往復慣性力的合力R的矢端軌跡是一個橢圓,過量平衡法實質是一階慣性力的轉移,即把一階慣性力的一部分轉移到與之垂直的平面內,這種方法的平衡效果不如單軸和雙軸平衡機構。


                4過量平衡法工作原理圖



                單軸平衡機構結構圖


                為了降低156FMI-A發動機的振動,減輕長時間駕駛帶來的疲勞,我們在156FMI-A發動機中,設計了單軸平衡機構,見圖。其工作原理見圖,通過增加一個平衡軸,可以將一階往復慣性力完全平衡。

                單軸平衡法原理圖


                發動機工作過程中,平衡軸與曲柄的平衡重一起可以將活塞、連桿組產生的一階往復慣性力完全平衡掉,因此明顯降低了發動機的振動和噪音,有利于提高發動機的機械效率,並提高功率。

                為了盡量減少平衡軸機構帶來的多余的噪聲,平衡軸齒輪采用了斜齒輪,材料為尼龍加鋼制骨架。

                 2.風冷+機油冷卻氣缸蓋的開發

                   在內燃機中,氣缸蓋的工作條件是比較苛刻的,它要承受燃燒氣體產生的高溫高壓的作用。如何冷卻好氣缸蓋,防止氣缸蓋溫度過高以及溫度分布不均勻產生熱應力過大,是一個很關鍵的問題。在摩托車發動機中,氣缸蓋的冷卻方式主要有風冷和水冷兩種。其中風冷式氣缸蓋利用氣缸蓋上鑄出的多片散熱片向外散熱,水冷式氣缸蓋則利用位于氣缸蓋內部的循環冷卻水帶走多余的熱量。從冷卻效果上看,水冷式氣缸蓋的冷卻效果更好,一般,采用水冷式氣缸蓋的發動機的性能及可靠性要優于采用風冷式氣缸蓋的發動機。但是,采用水冷式氣缸蓋的發動機要求必須采用比較復雜的冷卻系統,如︰水泵,散熱器,節溫器等,同時,價格也要比風冷式發動機高。

                 

                氣缸蓋結構圖


                156FMI-A發動機的氣缸蓋在設計上采用了風冷+油冷的冷卻方式,見圖。在氣缸蓋上油道的側壁上設置一個噴油孔,燃燒室背面與火花塞相對一側設置有儲油壁,在儲油壁上設置有兩個泄油孔。通過增大機油泵的供油量,使一部分機油通過噴油孔噴到氣缸蓋的燃燒室背面,從而更好地冷卻氣缸蓋,控制其溫度。這種方案可以有效控制氣缸蓋溫度,實現近似于水冷發動機的冷卻效果,可以有效地提高發動機的功率、扭矩和可靠性。同時又不需要水箱、水泵等裝置,具有結構簡單、重量輕的優點。

                3. 二次進氣裝置的開發

                二次進氣廢氣淨化是利用排氣壓力脈動通過單向閥吸入新鮮空氣,對廢氣中的HCCO進行氧化,從而達到降低發動機有害氣體排放的目的。目前雖然已經有生產二次進氣廢氣淨化裝置的廠家,但將這種裝置附加在發動機上,往往在氣缸蓋上附加通氣管,這對發動機的外觀影響較大。由于踏板車發動機大部分隱藏在車體內部,因此這項技術在部分踏板式摩托車發動機中有所應用,在騎式摩托車發動機中則極為罕見。

                 

                二次進氣裝置圖


                我們認識到,要想在CG發動機上采用二次進氣廢氣淨化裝置,必須將其與氣缸蓋罩、氣缸蓋整合到一起,特別是將新鮮空氣通路安排在氣缸蓋、氣缸蓋內部,這樣,既保持了良好的外觀,又減少了零部件數目,從而減輕了發動機質量。圖8156FMI-A發動機所采用的二次進氣裝置圖,可以看到,該裝置將單向閥安裝到了氣缸蓋罩上面,氣缸蓋罩與氣缸蓋之間有相通的空氣通路,特別是在氣缸蓋內部,空氣出口設在排氣道內與排氣門座最近處,且新鮮空氣引入方向與排氣從排氣門流動方向相反,這有利于新鮮空氣與高溫廢氣的混合,提高廢氣的氧化效率。

                 


                4. 擠流型活塞的開發

                擠流型活塞的設計(見圖)是為了加強燃燒室內氣體運動,特別是利用活塞的擠流,在火花塞附近形成有利于火核形成長大的微紊流,以及在火焰傳播過程中有利于火焰傳播的大尺度紊流,從而提高火焰傳播速率,同時由于強烈的壁面氣體流動卷走了大量附著在燃燒室壁面的 HCHC的排放也會大大降低。

                擠流型活塞裝車後,在降低排放方面效果顯著,試驗結果見表3



                HC

                CO

                NOx

                EURO 1

                3

                13

                0.3

                EURO 2

                1.2

                5.5

                0.3

                實測

                1.01

                1.801

                0.313

                工況法排放試驗結果與歐1、歐2標準對比

                 

                擠流型活塞示意圖


                 5. 全新的外觀設計

                156FMI-A發動機的開發過程中,我們對發動機的外觀給予了極大的重視,這是因為我們認識到,摩托車作為一種時尚商品,外觀設計必須不斷推陳出新,在市場上,一款外觀新穎,性能一般的摩托車,往往比另一款性能優良,但外觀陳舊的摩托車銷路好,發動機作為整車的一部分,其外觀設計同樣重要。有鑒于此,我們在156FMI-A發動機的氣缸蓋設計、二次進氣裝置設計以及單軸平衡機構設計中,都將外觀因素考慮了進去。

                例如︰在二次進氣裝置設計之初,我們便決定將新鮮空氣的通路整合到氣缸蓋以及氣缸蓋罩的內部。再比如,在單軸平衡機構設計中,我們將平衡軸置于曲軸箱內部,可以避免對右側蓋造型的不利影響。另外,為了擺脫CG發動機左側蓋一成不變的外觀,我們改變了磁電機的出線方式,將出線孔由側壁改為與箱體結合面,從而使左側蓋的造型更為簡潔,見圖。外觀設計直接涉及的零件有︰氣缸蓋罩,氣缸蓋,左、右曲軸箱蓋以及後鏈罩。

                總之,我們對CG發動機的外觀進行了徹底的改變,以期更符合消費者的需要。

                五. 結束語

                156FMI-A發動機是在CG125發動機基礎上開發的一款新型騎式車發動機,156FMI-A發動機保留了CG125發動機的價格低,可靠性好,維修方便的優勢,同時采用了單軸平衡減振系統,采用機油冷卻、自然風冷混合冷卻的氣缸蓋,二次進氣裝置,擠流型燃燒室。新技術的采用使發動機功率更高,油耗更低,排放更清潔。在156FMI-A發動機的開發過程中,發動機外觀設計得到了特別的重視,使得156FMI-A發動機在外觀上徹底擺脫了原來CG125發動機的束縛,給消費者一個耳目一新的感覺。 

                 

                致謝

                在本論文的撰寫過程中,得到了白水亭先生、鄭尚彩先生、單汝仁先生的無私幫助,還得到了發動機部全體同事的大力支持,在此表示深深的謝意。


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