单缸大排量摩托车消声器结构设计的研究

0 引言

在14年的摩托车设计开发中，本人带领设计团队为公司设计10多款新车型，并获得90多项外观及结构专利，多个设计产品开拓了我司新的市场远销欧洲，为公司带来可观的经济效益及强劲的市场竞争力。对于单缸大排量摩托车的设计，我们已经设计多台并有丰富的技术设计经验，产品以销售南美及国内市场比较多，2008年设计完成大排量单缸摩托车SK250街跑，2016年设计完成大排量单缸摩托车SK300金刚豹，多台大排量车型在市场销售，客户对整车的性能效果满意。关于对单缸大排量摩托车的发动机的研究，一般功率很大（16~19千瓦）而且排气量大，在高速情况下热量积聚快，如果没有进行全面的消声排气分析处理，发动机很容易会出现拉缸或爆缸情况。我司在设计SK250街跑车型与SK300金刚豹车型中，也出现以上情况。下面介绍SK300金刚豹排气管结构设计的研究。

1 大排量摩托车消声器设计

大排量摩托车单缸发动机的设计是我国的发展趋势，由于单缸大排量发动机摩托车，动力扭矩大瞬间爆发力强，而且最高速度快等优点，吸引了众多用户，而且国内整车厂对于这款发机更是偏爱，主要因为发动机改进成本低，技术门槛不高，市场对于这类车型价格销售乐观。但对于这一类单缸大排量的车型存在通病，对于单缸大排量摩托车的发动机，一般功率很大（16~19千瓦）而且排气量大，在高速情况下热量积聚快，如果没有进行全面的消声排气分析处理，发动机很容易会出现拉缸或爆缸情况。

现在首先分析摩托车发动机系统构成，如图1，简单来说：摩托车发动机系统分为三大部份：①进气系统；②动力系统；③排气系统。通过这三大系统共同运作，为摩托车提供强劲的动力。图1，以我司金刚豹300车型为例介绍。

图1

具体运作原理，首先：进气系统在应对大排量发动机时，必须提供大量足够的气体，如果气体不足会导致，发动机功率爆发不出来，摩托车的行驶将会受到影响。接着：动力系统（即大排量单缸发动机）在接收到充足的燃油混合气体后，发动机开始运作提供动力。最后：排气系统（即消声器）在接收到发动机排放气体后，通消声器将废气排出，在排出废气过程中，摩托车法规提出两大要求，第一是要满足国家第三阶段摩托车废气排放要求，第二是要满足国家第三阶段摩托车噪声要求，这两项要求主要针对摩托车的更安全、更环保、更健康，有利于摩托车的长久发展，但由于要满足以上两种要求，排气系统（即消声器）要在结构上做好内部结构设计。按照小排量的摩托车设计，为了达到上述的国三要求，对于排放废气方面一般都会在排气管里面加上触媒，让一些有害气体通过触媒管道与化学成份反应，经过反应后达到排放要求的目的。图二为两段触媒状态，直径与行程多为45mm×45mm，通气小孔目数为300目，这样做可以有效地改善排放废气。但对于单缸大排量的车型，这样通过小排量的技术硬搬着用，这样就会导致大排量高速运转，大量气体排出时就会积压，从而造成发动机内部热量积聚，同时另一方面发动机的内部负压增加，曲轴与活塞受阻力严重，这个时候就很大机会出现拉缸、爆缸的情况。

图2

根据以上分析在发动机台架制作实验数据。图3为发动机进排气模式实验测试图。

图3

该实验为摩托车发动机基础实验，主要通过发动机台架固定好发动机，由发动机输出动力测试，主要测试发动机进气是否合理，可否使发动机上升到最大功率，还有排气是否畅顺。通过实验数据可以详细分析三大系统的合理性。图4为本次实验数据，从数据上可以看出，最高功率在17kW时，机油温度已达到130度，如果机油持续高出在130度以上，机油的润滑就会失效并会气化由发动机废气口排出，最后就会出现发动机拉缸现象，如图5、图6为发动拆解后图样。所以这样的数据表明，单缸大排量发动机排气系统必须进行合理的结构设计。

要使单缸大排量发动机使用稳定，单缸大排量发动机排气系统的结构设计应注意两方面：第一，是排气畅顺但要满足废气排放的要求，首先我们要先测出发动的空排时，发动机对排气管的排气流量以及发动机在排气量的负压，在确保数据准确的情况下，我们就可以选用合理直径的触媒，根据以上测量的数据，我们对金刚豹车型的触媒进行选配，采用为两段触媒状态，直径与行程多为52mm×45mm，通气小孔目数为200目，而且在结构形式上不是连续接合，而是分开两段而且中间有缓冲区。第二，在排气结构方面增加气体反应室，因为摩托车消声器设计中，特别是要达到国三排放要求，对触媒放置的位置也有技术上的影响，如触媒结构焊得太前，触媒由于受发动机的高温气体传热严重，内部化学成份很快就会反应失效，而触媒布置在消声器尾端或太靠后，由于发动机的高温气体传到后面温度下降严重，这样触媒内部化学成份与气体就反应慢，废气排放也达不了标准，所以根据我司多次实验数据表明，触媒最佳布置位置就在发动机底部，在底部建立触媒气体反应室是最好的。同时可以利用消声器内部的多个消音室来与触媒布置相结合，让两段触媒可以有足够空间过渡大量气体。触媒气体反应室在整车的具体位置，如图7。

图4

图5

图6

图7

根据上述分析内容得，单缸大排量发动机排气系统的结构设计，在结构上首先确定了触媒气体反应室在整车的具体位置，然后下一步就是消声器结构设计的重点。首先根据发动机测量的数据，我们对金刚豹车型的触媒进行选配，采用为两段触媒状态，两段都是直径与行程为52mm×45mm，通气小孔目数为200目，在结构形式上分开两段，而且中间有过渡缓冲室，具体如图8。

图8

造型确定了产品的功能，反之功能也明确了产品的形态。对于单缸大排量摩托车的发动机，在消声器结构方面都要增加如图8的消音气体反应室，消音气体反应室的运作原理，首先，气体从发动机排出，进入第一段触媒进行化学反应，将一部份有不完全燃烧的气体进行反应，由于是单缸大排量发动机，单次排气量大而且随着速度增加排气流量越来越大，在快速通过第一段触媒后，为了缓解气体由于触媒阻隔而气流积聚，而成负压会使发动机受损，所以在进入第二段触媒前，结构设计了过渡缓冲室，由于第二段触媒（直径与行程为52mm×45mm，通气小孔目数为200目），通气量与第一段相同，但气流通行压力由于受第一段触媒阻隔，流量会明显减少，所以第二段触媒通气量要比第一段触媒大，如果第二段触媒通气量要比第一段触媒小，气流同样会积聚这个设计就起不到作用了。所以过渡缓冲室就是为了缓冲第二段触媒，让气流可以快速通过第一段触媒，同时也为第二段触媒通过提供空间准备，特别是最高车速时，发动机功率达19kW，过渡缓冲室的作用就十分重要了。接着，气体通过两个触媒再进入到第一消音室，这个消音室内部面积大，可以缓解瞬间气增大，接着到第二消音室与第三消音室，这样的气流结构设计，同时可以满足摩托车消除噪音作用。如图8所示，如果部份客户对摩托车声音有特殊控制，可以在排气出口再接上一支排气管用作改变声音的作用。具体如图9。

按以上原理，对金刚豹300消声器重新设计，更换后发动机功率可以高速稳定在17kW，而相对机油温度应下降到100~110度之间，这个也是发动机高速理想的工作温度，从实验数据表明针对单缸大排量消声器结构设计效果改进很好。

2 结束语

本文通过对单缸大排量消声器结构设计进行深入地研究和探讨，主要揭示了消声器内部气流结构设计的重要性，通过消声器气流反应室来处理触媒与废气排放的问题，同时也可以满足摩托车消声器噪音的要求，最重要的是通过有效地改善内部气流，可以让单缸大排量发动机更稳定、更耐用。真心希望这些研究能帮助到更多从事摩托车设计或其相关产品设计的企业设计师或自由设计师。

图9

图10

图11