劉敏杰 王磊 宋建桐

摘 要：文章以本田節(jié)能大賽參賽的本田125發(fā)動(dòng)機(jī)為研究對(duì)象，目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)電噴改進(jìn)。首先在GT-POWER中建立仿真模型，通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程仿真計(jì)算，分析不同直徑的節(jié)氣門體對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣管負(fù)壓影響來(lái)確定節(jié)氣門體直徑的設(shè)定。并在此基礎(chǔ)上，分析不同壓縮比對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)功率扭矩的影響來(lái)確定壓縮比的改進(jìn)。從而針對(duì)節(jié)能競(jìng)技大賽發(fā)動(dòng)機(jī)的常用轉(zhuǎn)速和目標(biāo)經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)速進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，改進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)性能，提高比賽成績(jī)。關(guān)鍵詞：節(jié)氣門體;壓縮比;改進(jìn)中圖分類號(hào)：U467.2+2 ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B ?文章編號(hào)：1671-7988（2019）01-63-03

Simulation and improvement of throttle body and compression ratioof Honda 125 engine

Liu Minjie，?Wang Lei，?Song Jiantong

（?Beijing Polytechnic?Automotive Engineering College，?Beijing 100176?）

Abstract：?In this paper， the Honda 125 engine in the Honda Energy Saving Competition is taken as the research object. The goal is to improve the EFI. Firstly， a simulation model is established in GT-POWER. Through the simulation calculation of engine working process， the influence of throttle body with different diameters on the negative pressure of engine intake manifold is analyzed to determine the throttle body diameter setting. On this basis， the influence of different compression ratio on engine power torque is analyzed to determine the improvement of compression ratio. In order to improve the performance of the engine and improve the performance of the competition， the optimization design of the common speed and the target economic speed of the energy-saving competition engine is carried out.Keywords： Throttle body;?compression ratio; improvementCLC NO.： U467.2+2 ?Document Code： B ?Article ID：?1671-7988（2019）01-63-03

1?背景和意義

本田公司于1981年在日本舉辦了第一屆HONDA節(jié)能競(jìng)技大賽，2007年，中國(guó)也首次舉辦該賽事，并每年舉辦一次。本田中國(guó)節(jié)能競(jìng)技大賽比賽要求參賽隊(duì)伍統(tǒng)一使用本田提供的125cc摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)，允許在本田125cc摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)的基礎(chǔ)上進(jìn)行自由改造。以“每升汽油行駛的公里數(shù)”來(lái)公示節(jié)能車的比賽成績(jī)。

本田125發(fā)動(dòng)機(jī)是一款化油器式發(fā)動(dòng)機(jī)，原裝的化油器式的節(jié)氣門和壓縮比已經(jīng)不能滿足對(duì)比賽中發(fā)動(dòng)機(jī)性能的要求，因此筆者需要對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)、噴油系統(tǒng)和壓縮比等進(jìn)行仿真和優(yōu)化設(shè)計(jì)，進(jìn)而對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行電控燃油噴射的改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)型的提高。

2 發(fā)動(dòng)機(jī)仿真軟件簡(jiǎn)介

2.1 GT-POWER軟件介紹

GT-POWER是一款由Gamma Technologies公司開發(fā)的具有發(fā)動(dòng)機(jī)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的模擬仿真工具，現(xiàn)在被世界上大多數(shù)的發(fā)動(dòng)機(jī)和汽車制造廠家及供應(yīng)商使用。GT-Power是GT-Suite系列軟件中的一部分，覆蓋了包括發(fā)動(dòng)機(jī)本體、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、燃油供給系統(tǒng)、曲軸機(jī)構(gòu)、配氣機(jī)構(gòu)等六個(gè)方面。

2.2 發(fā)動(dòng)機(jī)仿真模型的搭建

2.2.1 進(jìn)排氣管的數(shù)學(xué)模型

GT-POWER是一維氣體流動(dòng)仿真軟件，在仿真過(guò)程中會(huì)把各部分管件劃分網(wǎng)格進(jìn)行離散化計(jì)算。在網(wǎng)格的中心進(jìn)行溫度、壓力等標(biāo)量的計(jì)算;在網(wǎng)絡(luò)的邊界進(jìn)行速度、質(zhì)量流量等矢量的計(jì)算。在GT-POWER中，對(duì)于進(jìn)排氣忽略了氣體的粘性和重力，可以視為一維非定常流動(dòng)。

2.2.2 氣缸內(nèi)燃燒模型

在GT-POWER中，對(duì)于不同類型的發(fā)動(dòng)機(jī)有不同類型的燃燒模型可供選擇。對(duì)于一般的進(jìn)氣道噴射的汽油機(jī)而言，我們用的是單韋伯燃燒模型EngCylCombSIWiebe-SI Wiebe Combustion Model。單韋伯燃燒模型是一個(gè)零維燃燒模型。所謂零維燃燒模型即認(rèn)為燃燒過(guò)程僅僅是關(guān)于時(shí)間的函數(shù)，不僅沒(méi)有考慮空間參數(shù)的差別、幾何形狀的影響，還沒(méi)有考慮火焰?zhèn)鞑ミ^(guò)程。但是對(duì)于一般的發(fā)動(dòng)機(jī)性能仿真與預(yù)測(cè)，零維模型能夠較為準(zhǔn)確的模擬出發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)壓力的變化曲線，以便于對(duì)不同發(fā)動(dòng)機(jī)工況進(jìn)行比較與分析。

2.2.3 噴油器的數(shù)學(xué)模型

發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程中，噴油器噴出的燃油和空氣混合后實(shí)際是霧化燃油、液態(tài)燃油和空氣組成的混合物。GT-POWER為了模擬燃油的霧化，設(shè)定了“燃油霧化率”來(lái)描述。這里的定義的燃油霧化不是一個(gè)循序漸進(jìn)的過(guò)程。而是定義其噴出噴油嘴之后便分成了兩部分，一部分是已經(jīng)霧化了的燃油在進(jìn)氣道中占一部分體積，一部分是沒(méi)有霧化的燃油則一直以液體的形式存在直到燃燒的進(jìn)行。霧化的燃油等于燃油總量乘以燃油霧化率。一般來(lái)說(shuō)使用經(jīng)典的進(jìn)氣道噴射模塊，燃油霧化率的值為0.3，具體如圖1。

3 節(jié)氣門體設(shè)計(jì)與改進(jìn)

3.1 部分負(fù)荷工況意義

根據(jù)節(jié)能競(jìng)技大賽的比賽性質(zhì)，發(fā)動(dòng)機(jī)一般工作在3000r/min到4500r/min比較經(jīng)濟(jì)的轉(zhuǎn)速空間。實(shí)際的節(jié)能車賽車發(fā)動(dòng)機(jī)的工作過(guò)程中，在3500r/min時(shí)一般節(jié)氣門開度只能達(dá)到10%到15%。所以對(duì)于節(jié)能大賽，模擬發(fā)動(dòng)機(jī)的全負(fù)荷在一定程度上來(lái)講是沒(méi)有意義的，因此有必要設(shè)置節(jié)氣門體，只針對(duì)部分負(fù)荷進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)的仿真與計(jì)算。

3.2 節(jié)氣門體模型

要進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)的電噴改進(jìn)，首先要進(jìn)行節(jié)氣門體的設(shè)計(jì)和改進(jìn)。在GT-power的模型中，節(jié)氣門的設(shè)置是通過(guò)一個(gè)限流閥來(lái)模仿節(jié)氣門效果，然后通過(guò)設(shè)置這個(gè)限流閥不同的直徑，來(lái)模擬節(jié)氣門的不同開度。

3.3 進(jìn)氣負(fù)壓與節(jié)氣門開度和轉(zhuǎn)速的關(guān)系

不同轉(zhuǎn)速行下節(jié)氣門開度不同會(huì)對(duì)應(yīng)不同的進(jìn)氣負(fù)壓。如何確定限流孔的直徑和節(jié)氣門開度之間的關(guān)系便成為建模過(guò)程中的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。我們通過(guò)之前電噴系統(tǒng)標(biāo)定的數(shù)據(jù)，對(duì)應(yīng)設(shè)置不同限流閥直徑造成進(jìn)氣負(fù)壓的變化之間的關(guān)系，初步找出一個(gè)比較合適的限流閥直徑，來(lái)模擬10%到15%的節(jié)氣門開度。

如下圖所示，在10%到15%節(jié)氣門開度的時(shí)候，不同的轉(zhuǎn)速下對(duì)應(yīng)不同的進(jìn)氣負(fù)壓值。

3.4 限流閥直徑選擇

首先把限流閥的直徑設(shè)置為10mm，運(yùn)算仿真結(jié)果觀察進(jìn)氣負(fù)壓值。

（3000r/min時(shí)經(jīng)過(guò)10mm限流閥后進(jìn)氣負(fù)壓值為94.2kpa）

在限流閥直徑為10mm時(shí)，進(jìn)氣負(fù)壓隨轉(zhuǎn)速的變化關(guān)系如下圖：

在限流閥直徑為5mm時(shí)，再次仿真，觀察進(jìn)氣負(fù)壓值隨轉(zhuǎn)速的變化關(guān)系，得：

在限流閥直徑為3mm時(shí)，再次進(jìn)行仿真計(jì)算，觀察進(jìn)氣負(fù)壓隨轉(zhuǎn)速變化情況如下：

經(jīng)過(guò)對(duì)比，限流閥在5mm時(shí)，進(jìn)氣負(fù)壓的變化和15%節(jié)氣門開度進(jìn)氣負(fù)壓的變化較為接近。因此可以用5mm的限流閥來(lái)模擬節(jié)能車發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)的中小負(fù)荷工作區(qū)間。接下來(lái)我們用5mm的限流閥仿真節(jié)能車發(fā)動(dòng)機(jī)最常用的工作區(qū)間的工作情況，觀察發(fā)動(dòng)機(jī)的性能參數(shù)。

3.5 改進(jìn)后發(fā)動(dòng)機(jī)模型

4 壓縮比改進(jìn)及驗(yàn)證

考慮到比賽用油是98號(hào)汽油，相比93號(hào)汽油的抗爆性要好，所以我們認(rèn)為可以適當(dāng)?shù)奶岣邏嚎s比以提高發(fā)動(dòng)機(jī)熱

效率。在此發(fā)動(dòng)機(jī)的基礎(chǔ)上通過(guò)內(nèi)置增壓塊的方式減小燃燒室容積，把發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮比由原來(lái)的9.0增加到11.0。

仿真結(jié)果對(duì)比如下圖所示，發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩和功率都有不同程度的提高。從另外一方面也證明了我們?cè)龃髩嚎s比對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性的提升。

5 臺(tái)架驗(yàn)證

通過(guò)壓縮比、節(jié)氣門體和其他進(jìn)氣系統(tǒng)的改進(jìn)優(yōu)化，利用DW-20電渦流測(cè)功機(jī)，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了電子控制噴射標(biāo)定和發(fā)動(dòng)機(jī)部分負(fù)荷試驗(yàn)。經(jīng)過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架測(cè)試，得出10%節(jié)氣門開度時(shí)的發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)測(cè)性能與仿真性能對(duì)比曲線。

實(shí)測(cè)扭矩、功率與仿真的結(jié)果相吻合。在實(shí)際試車過(guò)程中，節(jié)能車由0-30公里/小時(shí)的加速時(shí)間由原來(lái)的平均5秒縮短到4秒左右，油耗值也由原來(lái)的0.9ml減小到0.7ml，發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)性節(jié)省了25%。

6 結(jié)論

本文主要的任務(wù)針對(duì)節(jié)能競(jìng)技大賽本田125cc發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行電控燃油噴射改造過(guò)程中的節(jié)氣門體和壓縮比優(yōu)化設(shè)計(jì)。通過(guò)GT-POWER進(jìn)行節(jié)氣門體和壓縮比參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，獲得了如下結(jié)論：

（1）改進(jìn)的壓縮比設(shè)計(jì)提高了發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)速下的充氣效率，改善了進(jìn)氣質(zhì)量、提高了低速扭矩，縮短了節(jié)能車的加速時(shí)間，對(duì)于最終減少比賽油耗提高比賽成績(jī)有重要意義。

（2）新的節(jié)氣門體的設(shè)計(jì)過(guò)程為下一步的進(jìn)氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了借鑒資料，對(duì)于提高節(jié)能競(jìng)技發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)水平、減少試驗(yàn)和成本具有很重要的意義。

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