劉敏杰，王磊，呂江毅

（北京電子科技職業(yè)學院，北京 100026）

1 進排氣系統(tǒng)對發(fā)動機性能改進的作用

進排氣系統(tǒng)是發(fā)動機工作過程中的重要組成部分，進排氣系統(tǒng)設(shè)計的好壞直接影響到發(fā)動機的性能。電噴發(fā)動機的進氣系統(tǒng)對整個發(fā)動機的動力性、經(jīng)濟性和排放性有很大的影響，其中進氣歧管的尺寸和結(jié)構(gòu)形狀是主要的影響因素，需要進行優(yōu)化設(shè)計、其中進氣歧管的尺寸、形狀和布置等對進氣阻力、進氣均勻性以及充氣效率的影響非常大。在設(shè)計進氣系統(tǒng)時應充分考慮進氣管的動態(tài)效應（慣性效應和波動效應）以提高充氣效率，此外還要考慮進氣均勻性。進氣系統(tǒng)與發(fā)動機的良好匹配，對發(fā)動機在較寬廣的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的扭矩特性的提高有著很重要的作用。排氣管中發(fā)動機廢氣的流場順滑與否會直接影響到發(fā)動機的功率輸出和發(fā)動機對空燃比的調(diào)節(jié)。如果流場的暢通性不好，會降低排氣速度，增加排氣阻力，從而降低發(fā)動機的有效功率，使得發(fā)動機的轉(zhuǎn)矩下降。故對于發(fā)動機進排氣系統(tǒng)的設(shè)計能夠有效的提高發(fā)動機的動力性，同時兼顧經(jīng)濟性。而相較于其他優(yōu)化提升發(fā)動機性能的手段來所，改進進排氣系統(tǒng)的成本相對較低，相加比高，方案易實現(xiàn)。

2 發(fā)動機一維仿真軟件GT-POWER簡介

發(fā)動機一維仿真是計算機仿真計算在發(fā)動機性能仿真上的一種具體應用。國外一些軟件公司專門針對發(fā)動機性能仿真開發(fā)了相應的仿真軟件，比如Gamma Technologies的GTPOWER、奧地利AVL公司的BOOST等。各種軟件的優(yōu)缺點不一樣，但是在發(fā)動機仿真應用中的基本思路相同，即通過數(shù)值計算模擬發(fā)動機的工作循環(huán)，從而實現(xiàn)在抽象的模型上反復進行“數(shù)值試驗”。

其中GT-POWER發(fā)動機性能仿真軟件是一款由Gamma Technologies公司開發(fā)的具有發(fā)動機工業(yè)標準的模擬仿真工具，現(xiàn)在被世界上大多數(shù)發(fā)動機和汽車制造廠家及供應商使用。該軟件采用有限體積法進行流體的計算，具有強大的仿真功能：具有計算步長自動可調(diào)、強大的輔助建模前處理工具、自帶有豐富的燃燒模型、豐富的控制功能、能與SIMULINK進行耦合求解、能與三維的CFD軟件進行耦合計算、自帶有優(yōu)化設(shè)計功能、能進行直接優(yōu)化、DOE設(shè)計/優(yōu)化，能進行進、排氣系統(tǒng)噪音分析、能對進、排氣系統(tǒng)的消音元件進行優(yōu)化設(shè)計。 GT-Power是GT-Suite系列軟件中的一部分，涵蓋了發(fā)動機本體、驅(qū)動系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、燃油供給系統(tǒng)、曲軸機構(gòu)、配氣機構(gòu)六個方面。

本文作者主要選用GT-POWER作為發(fā)動機的仿真軟件。

3 發(fā)動機仿真模型的搭建及驗證

3.1 發(fā)動機仿真模型的搭建

3.1.1 環(huán)境參數(shù)設(shè)置

環(huán)境大氣壓選擇 1bar，環(huán)境溫度選擇 300K,工質(zhì)選擇的是air。開始和結(jié)束的環(huán)境參數(shù)設(shè)置一致。

3.1.2 氣缸的參數(shù)設(shè)置

采用本田 125發(fā)動機基本設(shè)定：缸徑 52.4mm，行程57.8mm；行程103mm，壓縮比9.0。

圖1 氣缸的參數(shù)設(shè)置

3.1.3 進排氣門設(shè)置

圖2 進排氣門參數(shù)設(shè)置

進氣門實測直徑為 23.5mm，排氣門實測直徑為 20mm.發(fā)動機的進排氣門大小按游標卡尺實測參數(shù)，填入仿真模型中。氣門間隙按照本田125發(fā)動機的氣門間隙0.05mm進行設(shè)置。凸輪正時角度根據(jù)實際測量設(shè)置為239度。氣門的升程曲線僅僅測量的是進排氣氣門的行程，然后根據(jù) GTPOWER中其他發(fā)動機模型的氣門升程曲線按照比例擬合得出的，能夠達到模擬仿真的需求。

3.1.4 進排氣管設(shè)置

根據(jù)軟件的設(shè)置，進排氣管的離散長度跟氣缸直徑有關(guān)系，一般為進氣管離散長度=氣缸直徑×0.4；排氣管離散長度=氣缸直徑×0.05。根據(jù)氣缸參數(shù)，進氣管離散長度為21mm，排氣管的離散長度為29mm。進排氣管的壁面溫度設(shè)置為350K?？紤]到排氣管主要影響的是排氣背壓，一開始暫不考慮排氣管的其他影響。排氣管的直徑設(shè)置為 30mm，實際我們的節(jié)能車發(fā)動機上用的也是直徑為30mm的排氣管。排氣管為兩段直管，中間彎折一定的角度。

進氣管主要形狀的確定首先需要適應噴油器的噴射方向和形狀，使得噴油器噴出的燃油不要噴到壁面上，并且有比較充分的時間進行霧化。因此，我們決定把原來的節(jié)氣門和噴油器的安裝位置進行改造，設(shè)計出新的進氣管形狀。然后在GT-POWER中主要進行進氣管各部分長度的優(yōu)化設(shè)計，得出一個各項性能參數(shù)比較優(yōu)化的進氣管。進氣管的建模過程是首先用三維造型軟件畫出進氣管的三維造型圖，然后根據(jù)三維造型的形狀在GME-3D中進行建模，將GME-3D下的建模進行離散化，將離散化后的模型拖入發(fā)動機整體仿真模型。

圖3 造型軟件中進氣管造型

GME-3D中的進氣管造型

圖4 GME-3D中的進氣管造型

圖5 GT-POWER中進氣管的離散化模型

3.1.5 噴油器設(shè)置

噴油嘴模型采用的是空燃比控制噴油嘴，按照標定時的空燃比 15設(shè)置。噴油器數(shù)量設(shè)置為 1.噴射位置是進氣道噴射。噴油正時為曲軸轉(zhuǎn)角300度，燃油溫度為300K.噴油器的噴射流量經(jīng)過公式，計算為955mg/s。

3.1.6 整機模型搭建

將各個部分連接起來完成整機模型的搭建，下圖為發(fā)動機整機模型的搭建，以此模型為基礎(chǔ)進行發(fā)動機新性能仿真和模型驗證及優(yōu)化。

圖6 整機模型的搭建

3.2 發(fā)動機仿真模型驗證

根據(jù)HONDA節(jié)能競技大賽提供的125發(fā)動機的參數(shù)，最大功率6.0kw7000r/min；最大扭矩9.7N.M5000r/min；壓縮比9.0∶1；根據(jù)仿真結(jié)果得出來的仿真功率和扭矩圖如下圖所示：

從仿真的結(jié)果來看，對比我們知道的本田125發(fā)動機原機的性能參數(shù)，確定我們的發(fā)動機模型的搭建是符合要求的，在誤差范圍以內(nèi)可以進行本田125發(fā)動機的性能仿真，可以在此基礎(chǔ)上進行進一步的參數(shù)更改和優(yōu)化設(shè)計。

圖7 發(fā)動機外特性仿真曲線

4 結(jié)論及意義

本文主要針對 HONDA125發(fā)動機進行電噴改造過程中的進排氣系統(tǒng)模擬設(shè)計。通過 GT-POWER進行進氣系統(tǒng)的模擬設(shè)計，通過建立仿真模型及驗證，我們最終得出了具有各項仿真參數(shù)的設(shè)計載體。此設(shè)計基礎(chǔ)上，我們?yōu)橐院蟮碾妵妰?yōu)化設(shè)計提供了借鑒資料及載體，對于提高發(fā)動機的動力性、節(jié)能性設(shè)計發(fā)展具有重要意義。

參考文獻

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