本田125cc發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣管長(zhǎng)度仿真與優(yōu)化設(shè)計(jì)

劉敏杰，王磊，呂江毅

（北京電子科技職業(yè)學(xué)院，北京 100176）

以本田節(jié)能競(jìng)技大賽使用的本田125cc排量的摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)為研究對(duì)象，在GT-POWER中建立單缸汽油機(jī)仿真模型進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程仿真，分析不同進(jìn)氣歧管長(zhǎng)度對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性能和節(jié)油性能的影響極其規(guī)律，并且通過(guò)臺(tái)架試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，最終優(yōu)化出合適長(zhǎng)度的進(jìn)氣管。

節(jié)能車進(jìn)氣管；性能優(yōu)化；GT-POWER

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.12.020

CLC NO.: U464.171 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2016)12-58-03

本節(jié)能車是為參加HONDA節(jié)能競(jìng)技大賽專門制定的一款賽車，比賽的基本要求是讓參賽隊(duì)伍自主設(shè)計(jì)并制作一款參賽車輛，按照比賽規(guī)定的平均時(shí)速（約為25～30km/h）在規(guī)定的跑道上行駛，最終以車輛行駛的全程能耗來(lái)評(píng)價(jià)車輛的性能。節(jié)能競(jìng)技賽車的發(fā)動(dòng)機(jī)是由賽會(huì)統(tǒng)一提供本田125cc摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)，各參賽隊(duì)伍可以對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行改造?；谫惙教峁┑陌l(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行由化油器到電子控制噴射的改裝，需要配合電噴改造進(jìn)行進(jìn)氣管的重新設(shè)計(jì)。

發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣過(guò)程是一個(gè)復(fù)雜的脈動(dòng)和諧振過(guò)程，進(jìn)氣管長(zhǎng)度對(duì)充氣性能有很大影響[1]。合適的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣管長(zhǎng)度能夠充分利用進(jìn)氣的慣性效應(yīng)和諧振效應(yīng)增加充氣效率，從而改善換氣質(zhì)量，提高發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性經(jīng)濟(jì)性[2]。隨著計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和發(fā)動(dòng)機(jī)性能仿真技術(shù)的快速發(fā)展，使用性能仿真軟件進(jìn)行進(jìn)氣系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)已經(jīng)成為了主流的發(fā)動(dòng)機(jī)輔助設(shè)計(jì)手段。本文利用GT-power軟件完成了本田125cc摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)模型的搭建，并通過(guò)對(duì)不同長(zhǎng)度進(jìn)氣管進(jìn)行計(jì)算分析，對(duì)節(jié)能車進(jìn)氣管道長(zhǎng)度進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)，并通過(guò)臺(tái)架試驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。

1、發(fā)動(dòng)機(jī)仿真模型的搭建及驗(yàn)證

1.1 發(fā)動(dòng)機(jī)仿真模型的搭建

在GT-Power中搭建本田125cc摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)的仿真模型。發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部參數(shù)按照原機(jī)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置：如缸徑52.4mm，行程57.8mm，連桿長(zhǎng)103mm,壓縮比9.0。選擇單韋伯燃燒模型模擬汽油機(jī)的燃燒放熱，噴油器設(shè)置選擇比例噴油器，空燃比設(shè)置為14.7。

圖1 GT-Power中發(fā)動(dòng)機(jī)仿真模型

模型搭建完成后，通過(guò)仿真發(fā)動(dòng)機(jī)的外特性曲線與原廠本田125cc發(fā)動(dòng)機(jī)給出的技術(shù)參數(shù)進(jìn)行對(duì)比，不同轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)的功率和扭矩值與原機(jī)數(shù)據(jù)相吻合，驗(yàn)證了仿真模型的正確性。

1.2 發(fā)動(dòng)機(jī)工況的選擇

節(jié)能車發(fā)動(dòng)機(jī)在比賽中工作在中小負(fù)荷，因此需要設(shè)置節(jié)氣門來(lái)控制發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)荷以達(dá)到模擬比賽工況的目的。在GT-Power中節(jié)氣門的設(shè)置是通過(guò)OrificeConn模塊中的Throttle來(lái)設(shè)置的，OrificeConn模塊中的Throttle并不是真正意義上的節(jié)氣門，只是用一個(gè)限流閥來(lái)仿真節(jié)氣門效果，然后通過(guò)在運(yùn)行的case中設(shè)置限流閥不同的直徑大小來(lái)模擬節(jié)氣門不同開(kāi)度。

在節(jié)能車比賽中，發(fā)動(dòng)機(jī)一般工作在2500～4500r/min的工作區(qū)間內(nèi)。此時(shí)的節(jié)氣門開(kāi)度在10%左右。通過(guò)設(shè)置不同的限流閥的直徑進(jìn)行仿真計(jì)算，可以得出不同限流閥直徑下進(jìn)氣壓力隨轉(zhuǎn)速的變化關(guān)系，跟實(shí)際的節(jié)能車發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行工況時(shí)進(jìn)氣壓力隨轉(zhuǎn)速變化做對(duì)比，得出限流閥直徑設(shè)置成5mm時(shí)可以較好地模擬節(jié)能車發(fā)動(dòng)機(jī)在2500～4500r/min的發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際工作工況。

圖2 限流閥直徑與真實(shí)節(jié)氣門開(kāi)度下的進(jìn)氣管壓力對(duì)比

2、進(jìn)氣管的長(zhǎng)度優(yōu)化仿真

考慮進(jìn)氣管和電子噴射系統(tǒng)在整車的布置位置，如圖3所示，將進(jìn)氣管分為A、B兩部分。A部分為直徑為29.5mm的九十度彎管，B部分為進(jìn)口為29.5mm、出口為21.5mm的減縮直管。A、B兩段的初始長(zhǎng)度分別為140mm和60mm，分別對(duì)兩段長(zhǎng)度進(jìn)行優(yōu)化。

首先對(duì)A部分長(zhǎng)度分為60mm、100mm、140mm、200mm、300mm五種不同長(zhǎng)度進(jìn)行仿真，得到發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速扭矩曲線。由圖4可知，在節(jié)能車發(fā)動(dòng)機(jī)的常用工作范圍2500r/min到4500r/min，隨著A部分長(zhǎng)度的增加，輸出扭矩不斷地增大，尤其是低轉(zhuǎn)速區(qū)增大明顯?？紤]到發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣管在整車上的布置，A段的長(zhǎng)度受整車布置位置的限制，最終選擇A段進(jìn)氣管長(zhǎng)度為200mm。

圖3 發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣管三維模型

圖4 進(jìn)氣管A段不同長(zhǎng)度下發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩輸出變化

B部分的長(zhǎng)度分為30mm、60mm、100mm、140mm四個(gè)長(zhǎng)度段，分別進(jìn)行性能仿真，得知B段的長(zhǎng)度對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩和功率的影響很小，因此最終選擇B段長(zhǎng)度為30mm。

圖5 進(jìn)氣管B段不同長(zhǎng)度下發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩輸出變化

2、臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證

使用3D打印技術(shù)打印出進(jìn)氣管，利用DW-20電渦流測(cè)功機(jī)，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行電子控制噴射標(biāo)定和發(fā)動(dòng)機(jī)部分負(fù)荷試驗(yàn)，驗(yàn)證進(jìn)氣管性能。進(jìn)氣管的B段長(zhǎng)度不變，選取A段長(zhǎng)度分別為100mm和200mm，打印出兩種進(jìn)氣管，分別定義為1號(hào)進(jìn)氣管和2號(hào)進(jìn)氣管。經(jīng)過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架測(cè)試，得出10%節(jié)氣門開(kāi)度時(shí)的發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際扭矩和功率隨轉(zhuǎn)速變化的部分負(fù)荷曲線。

圖6 1號(hào)進(jìn)氣管實(shí)測(cè)性能與仿真性能對(duì)比

如圖6所示，1號(hào)進(jìn)氣管的實(shí)測(cè)扭矩和功率跟仿真數(shù)據(jù)吻合程度較高，從另外一方面也驗(yàn)證了模型本身的正確性和合理性。實(shí)測(cè)的扭矩值在1000r/min到2000r/min的低轉(zhuǎn)速區(qū)的扭矩值比仿真值略高，低速扭矩特性好可以縮短節(jié)能競(jìng)技賽車的加速時(shí)間，對(duì)于整個(gè)賽車的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性有所提高。

Simulation and optimum design of intake pipe length of Honda 125cc engine

Liu Minjie, Wang Lei, Lv Jiangyi
(Beijing Electronic Science & Technology Vocational College, Beijing 100176)

This paper simulates the working process of the Energy-saving vehicle’s engine using the software of GT-Power.After verifing the accuracy of the simulation,it uses the model to calculate and analyze the effects of the lengths of engine intake pipes on power performance,and obtains some influence regulations,which are verified by the test results.

Energy-saving vehicle; intake pipe; power performance; GT-Power

U464.171

A

1671-7988 (2016)12-58-03

劉敏杰 (1978-)，講師，就職于北京電子科技職業(yè)學(xué)院，汽車技術(shù)服務(wù)系教研室主任，研究方向?yàn)槠嚢l(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)。

王磊 (1989-)，男，教師，就職于北京電子科技職業(yè)學(xué)院，研究方向?yàn)槠嚈z測(cè)與維修。

呂江毅 (1979-)，男，副教授，就職于北京電子科技職業(yè)學(xué)院，研究方向?yàn)槠嚢l(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)。