如何提高摩托车发动机动力性能浅析

  摩托车发动机是将其燃烧室内可燃混合气燃烧产生的热能转化为机械能的一种热机。其基本原理是将由燃烧产生的推力推动活塞做的往复直线运动转化为曲轴的旋转运动，进而对外输出作功。作为摩托车消费者，最关心的莫过于发动机的动力性能。衡量发动机动力性能的指标包括有效扭矩和有效功率，即人们常常提到的发动机的载重爬坡能力和行驶加速力。本文以发动机的动力损失及改善措施为重点，就如何提高摩托车发动机动力性能作一浅析。
  一、发动机的动力损失
  1、发动机效率
  在热能转化为机械能的过程中，存在一个输入与输出的关系，即发动机效率。发动机效率等于发动机的输出功率和燃料燃烧所能获得的功率之比，主要包括机械效率和热效率两个指标。其中机械效率等于有效功率与指示功率(发动机在燃烧过程中燃烧室内产生的功率)之比。一般摩托车发动机的机械效率为0.8—0.9。而热效率是指可燃混合气燃烧后用于作功的那部分热量与所能产生的总热量之比。一般摩托车发动机的热效率为0.20—0.25。
  2、发动机动力是如何损失的
  若汽油与空气的混合气按照空燃比(可燃混合气中空气与汽油的质量之比)A/F=14.7：1或过量空气系数(燃烧1kg燃料实际供给的空气质量与完全燃烧1kg燃料所需的理论空气质量之比)α=1来完全燃烧，那么燃烧所产生的热量，其中一部分在发动机排气行程中进入大气，这部分损失称为排气损失，约占总能量的40%左右。另一部分热量由发动机冷却系统散发到大气中，这部分损失称为冷却损失，约占总能量的20%左右。仅有40%左右的剩余热量用来作功，亦即理论上的热效率。而发动机的实际热效率很低，一般四冲程发动机约为20%—25%，即使是高性能发动机，其热效率也不到30%。这是因为：第一，摩托车发动机随工况不同，对可燃混合气的成份要求也不同，所以可燃混合气不可能按照理论上的空燃比A/F=14.7：1或过量空气系数α=1来完全燃烧，也就使可燃混合气燃烧不充分，热量不能完全得到释放，其中未能完全燃烧的燃料约占5%左右。第二，发动机在实际运转中的各种摩擦损失约占总能量的5%—8%。主要包括①活塞环与气缸壁之间的摩擦损失。②各轴承与曲轴之间的滑动摩擦损失。③曲轴驱动配气机构及各种辅助机构如机油泵、水泵、风扇等产生的动力损失。④克服润滑油黏度及黏温特性所带来的摩擦损失。根据测试统计，在以上机械摩擦中：活塞约占25%、活塞环约占19%、传动系约占22.5%、曲轴约占5%、阀系约占6%、连杆轴承约占10%、曲轴大小轴瓦约占12.5%。而且摩擦损失会随发动机转速的升高而增大，转速越高，摩擦损失越快。
  二、提高发动机动力性能的途径
  1、减少摩擦损失，提高发动机内部润滑性能
  (1)、合理设置润滑方式
  根据发动机摩擦部位的不同，设置使用不同的润滑方式。如主轴颈、连杆轴承、凸轮等部位采用飞溅润滑方式；水泵轴承、发电机和启动电机轴承、冷却风扇轴承等则采用油脂润滑方式。
  (2)、选择性能良好的润滑部件并合理设置润滑油道。
  (3)、根据不同地区和气温差异选用质量性能良好的润滑油及润滑脂。
  (4)、对影响摩擦损失较大的零部件，如气缸套和活塞环等采用金属陶瓷等新型材料，并进行精磨合，能使摩擦阻力降低80%左右。
  经过以上改进，发动机的动力性能可提高5%—15%。
  2、减少热损失，改善发动机燃烧条件
  (1)提高发动机的压缩比
  发动机压缩比就是压缩前气缸中气体的最大容积与压缩后的最小容积之比。压缩比愈大，在压缩行程终了时，混合气的压力和温度愈高，燃烧速度加快，因而发动机的输出功率也愈大，动力性能自然更好。但是压缩比过大，反而会出现爆燃或表面点火等不正常燃烧现象。爆燃是燃烧室内末端混合气在火焰前锋未到达前自燃，产生一个或多个新的火焰核心，引发爆炸式的燃烧反应。不仅会造成发动机过热，功率下降，严重时还可能损坏发动机零部件；而表面点火是气缸内混合气被燃烧室内炽热表面或炽热点所点燃，也会造成发动机零部件的损坏等不良后果。加之为了提高压缩比，通常使用更高辛烷值的汽油，又会增加摩托车使用成本，所以发动机的压缩比一般控制在6—12之间，不易过高。
  (2)提高发动机的进排气效率
  提高进排气效率，进入气缸内的新鲜可燃混合气就愈多，燃烧后的废气排放愈干净，燃烧愈充分，用来作功的热量也就愈多，动力性能也就相应得到提高。
  a)、采用二次进气装置
  通过在进气歧管上加装独立的二次进气装置，增加单位时间内进入气缸内的空气量，减少进气阻力，提高充气效率，使燃烧更充分，发动机的动力亦会显著提高。
  b)、采用多气门
  进排气门的增多，提高了进排气面积和高速气流的流量，发动机排气效率也得到提高。且采用多气门后，每个气门的体积减小，重量减轻，其运动惯量小也利于高速运动。所以发动机采用多气门机构可提高进气效率和动力。多气门主要针对高速时的进排气效率，但低速时其进排气效率反而有所降低，故对于多气门应视情况来设定。
  c)、改进进排气门行程
  气门行程的改变会改变进排气面积，亦能提高进排气效率。当发动机低速时，采用较小的气门行程即减少了进气面积，有利于提高发动机低速时进排气效率；当发动机高速时，采用较大的气门行程即增大了进气面积，有利于提高发动机高速时进气效率。
  d)、发动机的进排气门根据发动机的工作循环，打开或关闭时刻所对应的曲轴转角称为配气相位。配气相位的准确与否对发动机的动力性能有很大影响。如果配气相位不准确，会导致进气不充分，排气不顺畅，影响混合气的形成品质，造成燃烧不完全，使发动机的动力下降。由于废气和新鲜空气在运动中的惯性，使进排气有一定的迟滞期。为了使气缸内的废气排除得更干净，新鲜空气进入更充分，需要进排气门有一个同时开启的时刻，即气门重叠角，也就是配气相位。所以发动机低速时使用较小的气门重叠角，反之则使用较大的气门重叠角，这样就可以提高进排气效率，提高发动机的动力性。
  (3)、改善点火提前角
  发动机的转速和可燃混合气的燃烧速度，造成可燃混合气点燃时必须有一定的点火提前角(点火时，曲轴的曲拐所在位置与压缩行程终了活塞到达上止点时的曲拐位置之间的夹角)，否则高温高压的气体在气缸内不能得到比较完全的膨胀，热能不能有效利用，损失增大，影响发动机的动力性。
  所以应严格控制点火提前角。①当发动机转速一定时：负荷加大，产生爆燃的倾向增大，应适当减小点火提前角；负荷减小则应加大点火提前角。②当节气门开度一定时：发动机转速增高，适当加大点火提前角，反之则适当减小点火提前角。
  (4)使用燃油喷射系统
  燃油喷射系统能够精确地计量可燃混合气浓度，并能根据发动机工况随时修正，实现均匀点喷，使空燃比经常保持在A/F=14.7:1或过量空气系数α=1的最佳区域内，混合气燃烧充分，减少热损失。使用燃油喷射系统，可使发动机功率提高15%—20%。