本田125cc發(fā)動機進氣管長度仿真與優(yōu)化設(shè)計

劉敏杰，王磊，呂江毅

（北京電子科技職業(yè)學院，北京 100176）

以本田節(jié)能競技大賽使用的本田125cc排量的摩托車發(fā)動機為研究對象，在GT-POWER中建立單缸汽油機仿真模型進行發(fā)動機工作過程仿真，分析不同進氣歧管長度對發(fā)動機動力性能和節(jié)油性能的影響極其規(guī)律，并且通過臺架試驗進行驗證，最終優(yōu)化出合適長度的進氣管。

節(jié)能車進氣管；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)能競技大賽專門制定的一款賽車，比賽的基本要求是讓參賽隊伍自主設(shè)計并制作一款參賽車輛，按照比賽規(guī)定的平均時速（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評價車輛的性能。節(jié)能競技賽車的發(fā)動機是由賽會統(tǒng)一提供本田125cc摩托車發(fā)動機，各參賽隊伍可以對發(fā)動機進行改造?；谫惙教峁┑陌l(fā)動機進行由化油器到電子控制噴射的改裝，需要配合電噴改造進行進氣管的重新設(shè)計。

發(fā)動機的進氣過程是一個復雜的脈動和諧振過程，進氣管長度對充氣性能有很大影響[1]。合適的發(fā)動機進氣管長度能夠充分利用進氣的慣性效應(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)動機動力性經(jīng)濟性[2]。隨著計算機輔助設(shè)計和發(fā)動機性能仿真技術(shù)的快速發(fā)展，使用性能仿真軟件進行進氣系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計已經(jīng)成為了主流的發(fā)動機輔助設(shè)計手段。本文利用GT-power軟件完成了本田125cc摩托車發(fā)動機模型的搭建，并通過對不同長度進氣管進行計算分析，對節(jié)能車進氣管道長度進行了優(yōu)化改進，并通過臺架試驗進行了驗證。

1、發(fā)動機仿真模型的搭建及驗證

1.1 發(fā)動機仿真模型的搭建

在GT-Power中搭建本田125cc摩托車發(fā)動機的仿真模型。發(fā)動機內(nèi)部參數(shù)按照原機參數(shù)進行設(shè)置：如缸徑52.4mm，行程57.8mm，連桿長103mm,壓縮比9.0。選擇單韋伯燃燒模型模擬汽油機的燃燒放熱，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)動機仿真模型

模型搭建完成后，通過仿真發(fā)動機的外特性曲線與原廠本田125cc發(fā)動機給出的技術(shù)參數(shù)進行對比，不同轉(zhuǎn)速對應(yīng)的功率和扭矩值與原機數(shù)據(jù)相吻合，驗證了仿真模型的正確性。

1.2 發(fā)動機工況的選擇

節(jié)能車發(fā)動機在比賽中工作在中小負荷，因此需要設(shè)置節(jié)氣門來控制發(fā)動機的負荷以達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OrificeConn模塊中的Throttle來設(shè)置的，OrificeConn模塊中的Throttle并不是真正意義上的節(jié)氣門，只是用一個限流閥來仿真節(jié)氣門效果，然后通過在運行的case中設(shè)置限流閥不同的直徑大小來模擬節(jié)氣門不同開度。

在節(jié)能車比賽中，發(fā)動機一般工作在2500～4500r/min的工作區(qū)間內(nèi)。此時的節(jié)氣門開度在10%左右。通過設(shè)置不同的限流閥的直徑進行仿真計算，可以得出不同限流閥直徑下進氣壓力隨轉(zhuǎn)速的變化關(guān)系，跟實際的節(jié)能車發(fā)動機的運行工況時進氣壓力隨轉(zhuǎn)速變化做對比，得出限流閥直徑設(shè)置成5mm時可以較好地模擬節(jié)能車發(fā)動機在2500～4500r/min的發(fā)動機實際工作工況。

圖2 限流閥直徑與真實節(jié)氣門開度下的進氣管壓力對比

2、進氣管的長度優(yōu)化仿真

考慮進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部分為進口為29.5mm、出口為21.5mm的減縮直管。A、B兩段的初始長度分別為140mm和60mm，分別對兩段長度進行優(yōu)化。

首先對A部分長度分為60mm、100mm、140mm、200mm、300mm五種不同長度進行仿真，得到發(fā)動機的轉(zhuǎn)速扭矩曲線。由圖4可知，在節(jié)能車發(fā)動機的常用工作范圍2500r/min到4500r/min，隨著A部分長度的增加，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)動機進氣管在整車上的布置，A段的長度受整車布置位置的限制，最終選擇A段進氣管長度為200mm。

圖3 發(fā)動機進氣管三維模型

圖4 進氣管A段不同長度下發(fā)動機扭矩輸出變化

B部分的長度分為30mm、60mm、100mm、140mm四個長度段，分別進行性能仿真，得知B段的長度對發(fā)動機扭矩和功率的影響很小，因此最終選擇B段長度為30mm。

圖5 進氣管B段不同長度下發(fā)動機扭矩輸出變化

2、臺架試驗驗證

使用3D打印技術(shù)打印出進氣管，利用DW-20電渦流測功機，對發(fā)動機進行電子控制噴射標定和發(fā)動機部分負荷試驗，驗證進氣管性能。進氣管的B段長度不變，選取A段長度分別為100mm和200mm，打印出兩種進氣管，分別定義為1號進氣管和2號進氣管。經(jīng)過發(fā)動機臺架測試，得出10%節(jié)氣門開度時的發(fā)動機實際扭矩和功率隨轉(zhuǎn)速變化的部分負荷曲線。

圖6 1號進氣管實測性能與仿真性能對比

如圖6所示，1號進氣管的實測扭矩和功率跟仿真數(shù)據(jù)吻合程度較高，從另外一方面也驗證了模型本身的正確性和合理性。實測的扭矩值在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)能競技賽車的加速時間，對于整個賽車的動力性和經(jīng)濟性有所提高。

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)學院，汽車技術(shù)服務(wù)系教研室主任，研究方向為汽車發(fā)動機技術(shù)。

王磊 (1989-)，男，教師，就職于北京電子科技職業(yè)學院，研究方向為汽車檢測與維修。

呂江毅 (1979-)，男，副教授，就職于北京電子科技職業(yè)學院，研究方向為汽車發(fā)動機技術(shù)。