杨　民

（山东华盛中天机械集团股份有限公司，山东 临沂 276017）

汽油机低摩擦系统优化及其对节能影响

杨民

（山东华盛中天机械集团股份有限公司，山东 临沂 276017）

汽油机是现代工业中应用十分广泛的动力机器，在汽车等行业内占据突出的位置。随着我国经济的快速发展，各种环境问题和能源问题也随之而来，节能减排成为工业发展的必然要求。由于汽油机的摩擦损失问题造成的能源损失和环境污染问题很突出，所以综合采取各种措施，不断对汽油机的低摩擦系统进行合理有效的优化意义重大。本文在分析汽油机摩擦损失概况的基础上构建合理的分析模型，对包括曲柄连杆机构、缸体机构和配气机构在内的汽油机主要部件进行优化分析，并揭示了其对于提高性能、节能减排的重要意义。

汽油机；低摩擦；系统优化；节能减排

进入21世纪以来，全球的能源资源短缺现象更加明显，环境问题和全球气候变暖日益成为工业发展的挑战。为应对工业领域内不断增加的节能减排要求，需要对各个生产环节进行系统的节能改进。中国的汽车行业发展迅速，并在进入21世纪后呈现出加速发展的态势，汽车的生产量和总量不断增加，我国已超越美国成为绝对意义上的世界第一汽车大国。与此相伴，汽车行业的快速发展也带来了严重的能源和环境压力，石油消耗过度导致我国石油的对外依赖情况更加严重，原油的对外依赖直接威胁到国家的石油能源安全，导致出现能源危机。

众所周知，汽车是能源消耗的一大主力，更是石油消耗的主体，汽油机的汽油消耗问题已经成为我国汽油机行业面临的重大问题之一。而且汽油机对于环境的危害是相当致命的，是造成雾霾等空气污染的主要污染源。根据有关数据分析，过去5年内我国机动车排放的污染物正以4%的速率急速增加，考虑到它的基数本来就很惊人，这样的增速就更加需要引起人们的警惕了。以汽油燃烧为主的机车发动机每年排出的氮氧化物、颗粒物、碳氢化合物、一氧化碳不下5000万吨。由于汽油机车对环境的污染严重，因此为确保国家的能源安全和环境保护，需要进行相关研究，切实提高汽油机的能源利用效率。

汽油机摩擦是发动机常见的能量消耗形式之一，对汽油机进行低摩擦系统优化对于节能减排和保护环境意义重大。目前汽油机行业，尤其是汽车行业正在加紧研发降低汽油机摩擦损失的模型，并取得了较大进展。本文在对以往数据进行总结、分析的基础上，通过对汽油机各项参数的详细分析，不断考察摩擦参数对于汽油机整体性能的影响，并利用模拟试验的方法对汽油机系统进行低摩擦的优化。

我国汽油机的相关技术与世界发达国家相比仍有不小的差距，尤其是与日本、欧盟等汽车能耗较低的国家相比，我国的燃油消耗和利用效率过低。为实现汽油机的低耗能，国务院于2013年印发了《关于加强内燃机工业节能减排的意见》，其中将发动机低摩擦技术列为重点研究内容。综上所述，进行汽油机的低摩擦相关研究已经成为我们的不二选择，更是节能减排的迫切要求。

一、汽油机摩擦损失概况

所谓汽油机的摩擦损失，就是指在汽油机工作过程中大部分的能量被摩擦损失掉了，而用于车辆驱动的能量仅占较少部分，根据美国学者布朗的相关研究，能量使用的比重仅仅占到15%左右。除摩擦损失外，汽油机其他的损失如用于等红灯或堵车时的怠速能量损失、排气损失、冷却液热量损失等也占据了很大的比重。汽油机无用功功率中摩擦损失大概占到20%左右，其中主要包括活塞运动损失、轴承损失、配气机构及附件损失等。在汽油机的众多无用功损失中，有些是无法避免的，比如汽油机的热量损失，其中的冷却液热量还可以与车辆的供暖系统结合起来再次利用，但汽油机的摩擦损失确实无法再次利用，它与汽油机的输出功率息息相关。但是，完全可以对其进行有效的改进，而降低摩擦是提高汽油机功率最有效的手段之一。

目前而言，对于汽油机低摩擦技术系统的研究十分具有现实意义，世界各国都在加紧研发低摩擦的相关技术。以单缸汽油机机中小型非道路火花点燃式单缸四冲程汽油发动机的相关研究为例，其低摩擦的技术手段正随着世界新技术的不断兴起而快速发展，该汽油发动机的摩擦损失正在逐渐降低。当前，日本的丰田公司也把低摩擦技术作为重点攻关项目之一；通用集团新开发的低摩擦发动机以其实现了比普通发动机减耗20%的效果而在汽车市场上大卖；近年来我国一汽集团也迅速开启了有关低摩擦系统的研究，确定了“蓝途”汽车节能环保技术发展战略，制定了节能减排的发展目标。从发动机使用领域的大型企业的转型发展来看，不断优化汽油机的低摩擦系统已经成为流行趋势，成为我国节能减排的关键。对于汽油机低摩擦技术的研究也将不断引起越来越多人的注意。

二、汽油机低摩擦系统结构优化

汽油机的主要组成部分包括曲柄连杆机构、缸体机构和配气机构，它们也是汽油机摩擦损失的基本主体。本章将在摩擦学仿真研究的基础上对汽油机的缸体、轴承等系统进行分析研究，并在此基础上详细分析各种组件参数对于汽油机摩擦损失的影响。通过对各项参数的确定来选择最佳的低摩擦系统，不断优化汽油机的低摩擦技术。

1.曲柄连杆机构的结构优化

对汽油机的低摩擦系统优化兼具节省时间和节省成本的双重功效，对于汽油机的相关研究意义重大。首先讨论的是曲柄连杆机构的摩擦学系统优化，曲柄连杆机构是汽油机中最为重要的组件之一，同时它也是摩擦损失的“主力军”。从活塞结构的优化角度分析，为降低曲柄连杆机构的摩擦损失，就要切实降低活塞系统的摩擦损失。主要采取的措施是对活塞裙部进行优化，从而降低系统摩擦的损失，这样做的依据主要有以下两点：一是要尽量缩小活塞界面的接触面积，同时保证油膜的厚度不能出现较大的变动；二是从控制活塞的横移幅度而言的，要使裙部与活塞中心线之间保持较为合理的距离，从而降低活塞运动损失。

基于以上对曲柄连杆机构摩擦学的仿真分析，并且参照国外先进的技术成果，我们试图对活塞裙的各项参数进行优化改进。主要参照的仍是上文所依据的两点，降低侧宽度并提高中线。

2.缸体结构优化

缸体结构对于汽油机而言具有极为重要的意义，它是汽油燃烧的主要场所，同时也是摩擦损失的主要参与者。通过对有关缸体结构的优化分析，我们发现缸体变形、缸体表面过分粗糙以及缸筒内气体流通不畅等都会造成严重的摩擦损失。所以，对于缸体结构的改进也主要是依据这些，首先要避免严重的缸体变形，定期排检；其次要在不影响配气机构工作的情况下适当地降低气门的弹力，以加强缸体内的气体流通。

3.配气机构结构优化

配气机构是汽油机的重要部件，它的主要作用是通过控制缸体的气阀来保证缸体内气体的正常流通，其运行的效率直接影响到整个部件的有效功率。配气机构保证了新旧气体的正常交换，就如同遍布人身的血管一样。它的工作要求是必须保证汽油机正常的工序，主要部件又可以分为气门组和气门传动组两部分。配气系统的摩擦损失是汽油机摩擦损失的主要形式之一，在我们的模型建构分析中，配气机构主要设置了气门、气门弹簧、轮轴等基本部件。在大量试验的基础上，我们发现低速运转时配气系统占汽油机整体摩擦损失的比重最大，但是低速却是单缸汽油机机中小型非道路火花点燃式单缸四冲程汽油发动机的主要运转速度。因此，如何降低配气机构的摩擦损失对于机体整体而言具有独特的重要性。应该根据优化确定的参数对气门、链条等进行较为系统的优化。

三、汽油机低摩擦对节能的影响

1.对动力性能的影响

按照前文所述，通过低摩擦系统对汽油机的各项参数进行综合优化，使其达到低摩擦的运转效果。与优化前相比，低摩擦汽油机的有效输出功率大大增加，各项性能也趋于完善。随着摩擦损失的降低，各种部件机构的负荷也随之降低。低摩擦的运转对于提高机器的燃烧效率也大有裨益，有效的汽油燃烧反过来减少了摩擦，从而达到良性循环的效果。

2.对燃油消耗性能的影响

从汽油机燃油消耗的相关数据来看，低摩擦汽油机的燃油消耗量明显少于改进前的普通汽油机。前文也提到低摩擦对于燃油燃烧的互相作用，所以在相同的条件下，低摩擦汽油机的燃油消耗效果高于其他汽油机。

结语

我国汽油机行业的发展起步较晚，对于低摩擦技术的研究也不够深入，导致在现代相关产业的发展中遭遇了严重的节能减排问题。摩擦损失是一种可以有效规避的无用功输出，其对于汽油机整体的有效功率影响严重。因此对其的改进和优化就显得很有意义了。本文在摩擦学仿真研究的基础上对汽油机的缸体、轴承等系统进行分析研究，并在此基础上详细分析各种组件参数对于汽油机摩擦损失的影响。通过对各项参数的确定来选择最佳的低摩擦系统，并不断对汽油机的低摩擦系统进行优化处理。

［1］武彬.汽油机低摩擦系统优化及其对节能影响研究［D］.吉林大学，2013：7-122.

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