FMIA发动机的开发

156FMI-A发动机的开发宋如钢张宝欢白景升林建生（天津内燃机研究所，天津，300072）天津大学机械学院摘要本文介绍了156FMI-A发动机的开发过程，该发动机的主要特点是：采用了单轴平衡减振系统，挤流型燃烧室，采用机油冷却、自然风冷混合冷却的气缸盖，开发了全新的二次进气装置，全新设计的发动机外观。156FMI-A发动机是在目前国内产量最大的CG125发动机基础上开发，试验表明，与普通CG发动机相比，156FMI-A发动机性能提高显著，最大功率达到8.75kW，最低燃油消耗率达到276g/kW.h。同时，单轴平衡减振系统的减振效果明显，挤流型燃烧室明显改善了燃烧，大大降低了有害气体的排放，采用机油冷却、自然风冷混合冷却的气缸盖使得气缸盖温度更为理想，提高了发动机的可靠性；全新的发动机外观设计，彻底摆脱了原发动机的陈旧的外观，给消费者耳目一新的感受。一.前言CG125发动机在国内长盛不衰的原因：价格低，可靠性好，维修方便。从发动机的技术上讲，CG125发动机并不很先进，甚至可以说是落后，尤其是配气机构，CG125采用中置凸轮轴，顶置气门的布置方式，似乎完全不符合现在的OHC，DOHC的潮流，但是它却能在国内占有最大的市场，主要有两个原因，首先，CG125发动机的价格优势明显，这是因为CG125是国内最早的四冲程、顶置气门发动机，由于先入为主，该发动机的产量在国内也是最大的，因此该发动机的零部件的价格也比同类型发动机的零部件价格低。其次，CG125发动机配气机构结构简单，可靠性好，维修方便，易于为消费者接受。CG125发动机缺点也很明显：性能差（功率、扭矩、油耗与GS，CB125-T，CB125等相比），振动大（活塞连杆质量相对较大），外观陈旧。二.开发目标我们决定在CG125发动机基础上开发156FMI-A发动机，156FMI-A发动机将保留CG125发动机的价格低，可靠性好，维修方便的优势，同时采用新技术使发动机功率更高，油耗更低，排放更清洁，在外观上也要摆脱老CG125发动机的束缚，给消费者一个耳目一新的感觉。主要技术手段有：采用了单轴平衡减振系统，挤流型燃烧室，采用机油冷却、自然风冷混合冷却的气缸盖，全新的二次进气装置，全新设计的发动机外观。这些技术手段的主要作用见表1表1156FMI-A发动机采用的新技术一览表技术手段作用效果单轴平衡减振系统平衡一阶往复惯性力减少振动，发动机工作平稳，驾驶舒适挤流型燃烧室提高燃烧速率改善燃烧过程降低燃油消耗率，降低排放机油冷却、自然风冷混合冷却的气缸盖降低气缸盖温度，提高充气效率，减小配气机构热变形提高发动机功率，减小配气噪声全新的二次进气装置降低CO、HC的排放结构更紧凑全新设计的发动机外观迎合消费者需求彻底摆脱原发动机的陈旧的外观，给消费者耳目一新的感受三.发动机的基本参数及结构特征1.发动机基本参数及性能曲线156FMI-A发动机基本参数见表2，性能曲线见图1。表2156FMI-A发动机基本参数型式单缸立式四冲程自然风冷燃烧室半球型配气机构下置凸轮轴2气门缸径×冲程56.5×49.5排量124.1mL压缩比9.2：1最大功率8.75kW/8500rpm最大扭矩10.01N•m/7500rpm最低燃油消耗率276g/kW.h初级减速比4.056传动比1档2.7692档1.7223档1.2734档1.000图1发动机外特性曲线图2.发动机结构特征发动机外型图见图2，剖面图见图3。四.156FMI-A发动机的开发1.单轴平衡系统的开发往复式内燃机由于工作过程的周期性和机件运动的周期性，运转中产生的旋转惯性力和往复惯性力都是周期变化的。这些力如果不能在机内互相抵消，传给支承的力也会不断变化，从而带来往复式内燃机不平衡的问题。内燃机的不平衡会引起振动及噪音，这对于摩托车的平顺性、舒适性以及发动机的总功率和寿命都有不利影响。内燃机的平衡，主要指如何解决一阶、二阶往复惯性力的平衡，对于单缸发动机可采用双轴平衡机构、单轴平衡机构和过量平衡法。目前国内125cc摩托车发动机为了使构造尽可能简单，几乎都采用过量平衡法，其工作原理示意图见图4，这种方法是在曲柄的平衡块上多加一定的平衡质量，使其产生过量的离心力εC。由数学推导可知，离心力εC与一阶往复惯性力的合力R的矢端轨迹是一个椭圆，过量平衡法实质是一阶惯性力的转移，即把一阶惯性力的一部分转移到与之垂直的平面内，这种方法的平衡效果不如单轴和双轴平衡机构。图2发动机外型图图3发动机剖面图为了降低156FMI-A发动机的振动，减轻长时间驾驶带来的疲劳，我们在156FMI-A发动机中，设计了单轴平衡机构，见图5。其工作原理见图6，通过增加一个平衡轴，可以将一阶往复惯性力完全平衡。发动机工作过程中，平衡轴与曲柄的平衡重一起可以将活塞、连杆组产生的一阶往复惯性力完全平衡掉，因此明显降低了发动机的振动和噪音，有利于提高发动机的机械效率，并提高功率。为了尽量减少平衡轴机构带来的多余的噪声，平衡轴齿轮采用了斜齿轮，材料为尼龙加钢制骨架。2.风冷＋机油冷却气缸盖的开发在内燃机中，气缸盖的工作条件是比较苛刻的，它要承受燃烧气体产生的高温高压的作用。如何冷却好气缸盖，防止气缸盖温度过高以及温度分布不均匀产生热应力过大，是一个很关键的问题。在摩托车发动机中，气缸盖的冷却方式主要有风冷和水冷两种。其中风冷式气缸盖利用气缸盖上铸出的多片散热片向外散热，水冷式气缸盖则利用位于气缸盖内部的循环冷却水带走多余的热量。从冷却效果上看，水冷式气缸盖的冷却效果更好，一般，采用水冷式气缸盖的发动机的性能及可靠性要优于采用风冷式气缸盖的发动机。但是，采用水冷式气缸盖的发动机要求必须采用比较复杂的冷却系统，如：水泵，散热器，节温器等，同时，价格也要比风冷式发动机高。图4过量平衡法工作原理图图5单轴平衡机构结构图图6单轴平衡法原理图156FMI-A发动机的气缸盖在设计上采用了风冷+油冷的冷却方式，见图7。在气缸盖上油道的侧壁上设置一个喷油孔，燃烧室背面与火花塞相对一侧设置有储油壁，在储油壁上设置有两个泄油孔。通过增大机油泵的供油量，使一部分机油通过喷油孔喷到气缸盖的燃烧室背面，从而更好地冷却气缸盖，控制其温度。这种方案可以有效控制气缸盖温度，实现近似于水冷发动机的冷却效果，可以有效地提高发动机的功率、扭矩和可靠性。同时又不需要水箱、水泵等装置，具有结构简单、重量轻的优点。3.二次进气装置的开发二次进气废气净化是利用排气压力脉动通过单向阀吸入新鲜空气，对废气中的HC和CO进行氧化，从而达到降低发动机有害气体排放的目的。目前虽然已经有生产二次进气废气净化装置的厂家，但将这种装置附加在发动机上，往往在气缸盖上附加通气管，这对发动机的外观影响较大。由于踏板车发动机大部分隐藏在车体内部，因此这项技术在部分踏板式摩托车发动机中有所应用，在骑式摩托车发动机中则极为罕见。我们认识到，要想在CG发动机上采用二次进气废气净化装置，必须将其与气缸盖罩、气缸盖整合到一起，特别是将新鲜空气通路安排在气缸盖、气缸盖内部，这样，既保持了良好的外观，又减少了零部件数目，从而减轻了发动机质量。图8为156FMI-A发动机所采用的二次进气装置图，可以看到，该装置将单向阀安装到了气缸盖罩上面，气缸盖罩与气缸盖之间有相通的空气通路，特别是在气缸盖内部，空气出口设在排气道内与排气门座最近处，且新鲜空气引入方向与排气从排气门流动方向相反，这有利于新鲜空气与高温废气的混合，提高废气的氧化效率。图7气缸盖结构图图8二次进气装置图4.挤流型活塞的开发挤流型活塞的设计（见图9）是为了加强燃烧室内气体运动，特别是利用活塞的挤流，在火花塞附近形成有利于火核形成长大的微紊流，以及在火焰传播过程中有利于火焰传播的大尺度紊流，从而提高火焰传播速率，同时由于强烈的壁面气体流动卷走了大量附着在燃烧室壁面的HC，HC的排放也会大大降低。挤流型活塞装车后，在降低排放方面效果显著，试验结果见表3。表3工况法排放试验结果与欧1、欧2标准对比HCCONOxEURO13130.3EURO21.25.50.3实测1.011.8010.3135.全新的外观设计在156FMI-A发动机的开发过程中，我们对发动机的外观给予了极大的重视，这是因为我们认识到，摩托车作为一种时尚商品，外观设计必须不断推陈出新，在市场上，一款外观新颖，性能一般的摩托车，往往比另一款性能优良，但外观陈旧的摩托车销路好，发动机作为整车的一部分，其外观设计同样重要。有鉴于此，我们在156FMI-A发动机的气缸盖设计、二次进气装置设计以及单轴平衡机构设计中，都将外观因素考虑了进去。例如：在二次进气装置设计之初，我们便决定将新鲜空气的通路整合到气缸盖以及气缸盖罩的内部。再比如，在单轴平衡机构设计中，我们将平衡轴置于曲轴箱内部，可以避免对右侧盖造型的不利影响。另外，为了摆脱CG发动机左侧盖一成不变的外观，我们改变了磁电机的出线方式，将出线孔由侧壁改为与箱体结合面，从而使左侧盖的造型更为简洁，见图2。外观设计直接涉及的零件有：气缸盖罩，气缸盖，左、右曲轴箱盖以及后链罩。总之，我们对CG发动机的外观进行了彻底的改变，以期更符合消费者的需要。图9挤流型活塞示意图五.结束语156FMI-A发动机是在CG125发动机基础上开发的一款新型骑式车发动机，156FMI-A发动机保留了CG125发动机的价格低，可靠性好，维修方便的优势，同时采用了单轴平衡减振系统，采用机油冷却、自然风冷混合冷却的气缸盖，二次进气装置，挤流型燃烧室。新技术的采用使发动机功率更高，油耗更低，排放更清洁。在156FMI-A发动机的开发过程中，发动机外观设计得到了特别的重视，使得156FMI-A发动机在外观上彻底摆脱了原来CG125发动机的束缚，给消费者一个耳目一新的感觉。致谢在本论文的撰写过程中，得到了白水亭先生、郑尚彩先生、单汝仁先生的无私帮助，还得到了发动机部全体同事的大力支持，在此表示深深的谢意。