發動機進排氣系統仿真模型的建立

劉敏杰，王磊，呂江毅

（北京電子科技職業學院，北京 100026）

1 進排氣系統對發動機性能改進的作用

進排氣系統是發動機工作過程中的重要組成部分，進排氣系統設計的好壞直接影響到發動機的性能。電噴發動機的進氣系統對整個發動機的動力性、經濟性和排放性有很大的影響，其中進氣歧管的尺寸和結構形狀是主要的影響因素，需要進行優化設計、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。在設計進氣系統時應充分考慮進氣管的動態效應（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。進氣系統與發動機的良好匹配，對發動機在較寬廣的轉速范圍內的扭矩特性的提高有著很重要的作用。排氣管中發動機廢氣的流場順滑與否會直接影響到發動機的功率輸出和發動機對空燃比的調節。如果流場的暢通性不好，會降低排氣速度，增加排氣阻力，從而降低發動機的有效功率，使得發動機的轉矩下降。故對于發動機進排氣系統的設計能夠有效的提高發動機的動力性，同時兼顧經濟性。而相較于其他優化提升發動機性能的手段來所，改進進排氣系統的成本相對較低，相加比高，方案易實現。

2 發動機一維仿真軟件GT-POWER簡介

發動機一維仿真是計算機仿真計算在發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動機性能仿真開發了相應的仿真軟件，比如Gamma Technologies的GTPOWER、奧地利AVL公司的BOOST等。各種軟件的優缺點不一樣，但是在發動機仿真應用中的基本思路相同，即通過數值計算模擬發動機的工作循環，從而實現在抽象的模型上反復進行“數值試驗”。

其中GT-POWER發動機性能仿真軟件是一款由Gamma Technologies公司開發的具有發動機工業標準的模擬仿真工具，現在被世界上大多數發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、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、自帶有優化設計功能、能進行直接優化、DOE設計/優化，能進行進、排氣系統噪音分析、能對進、排氣系統的消音元件進行優化設計。 GT-Power是GT-Suite系列軟件中的一部分，涵蓋了發動機本體、驅動系統、冷卻系統、燃油供給系統、曲軸機構、配氣機構六個方面。

本文作者主要選用GT-POWER作為發動機的仿真軟件。

3 發動機仿真模型的搭建及驗證

3.1 發動機仿真模型的搭建

3.1.1 環境參數設置

環境大氣壓選擇 1bar，環境溫度選擇 300K,工質選擇的是air。開始和結束的環境參數設置一致。

3.1.2 氣缸的參數設置

采用本田 125發動機基本設定：缸徑 52.4mm，行程57.8mm；行程103mm，壓縮比9.0。

圖1 氣缸的參數設置

3.1.3 進排氣門設置

圖2 進排氣門參數設置

進氣門實測直徑為 23.5mm，排氣門實測直徑為 20mm.發動機的進排氣門大小按游標卡尺實測參數，填入仿真模型中。氣門間隙按照本田125發動機的氣門間隙0.05mm進行設置。凸輪正時角度根據實際測量設置為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 GTPOWER中其他發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 進排氣管設置

根據軟件的設置，進排氣管的離散長度跟氣缸直徑有關系，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。根據氣缸參數，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置為350K。考慮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。排氣管的直徑設置為 30mm，實際我們的節能車發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氣門和噴油器的安裝位置進行改造，設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化設計，得出一個各項性能參數比較優化的進氣管。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設置。噴油器數量設置為 1.噴射位置是進氣道噴射。噴油正時為曲軸轉角300度，燃油溫度為300K.噴油器的噴射流量經過公式，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，下圖為發動機整機模型的搭建，以此模型為基礎進行發動機新性能仿真和模型驗證及優化。

圖6 整機模型的搭建

3.2 發動機仿真模型驗證

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

從仿真的結果來看，對比我們知道的本田125發動機原機的性能參數，確定我們的發動機模型的搭建是符合要求的，在誤差范圍以內可以進行本田125發動機的性能仿真，可以在此基礎上進行進一步的參數更改和優化設計。

圖7 發動機外特性仿真曲線

4 結論及意義

本文主要針對 HONDA125發動機進行電噴改造過程中的進排氣系統模擬設計。通過 GT-POWER進行進氣系統的模擬設計，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的設計載體。此設計基礎上，我們為以后的電噴優化設計提供了借鑒資料及載體，對于提高發動機的動力性、節能性設計發展具有重要意義。

參考文獻

[1] 侯獻軍,鞏學軍,方丹,等.LJ276M電噴汽油機進氣系統設計及優化[J]. 武漢理工大學學報, 2009, 33(4).

[2] 石來華、馮仁華.基于GT—POWER模型的發動機進氣系統優化.客車技術與研究,2010,3.

[3] 岳貴平,張義民.基于試驗設計的發動機進氣系統動態優化設計[J].振動與沖擊, 2011, 30(2)∶ 177-180.

[4] 王娟,李明海.GT-Power∶E 機車柴油機上的仿真應用叨.[J]長沙交通學院學報,2008,(3).