小排量發動機進氣系統分析

關亮亮，曾令輝，韓松朋，王本善

小排量發動機進氣系統分析

關亮亮，曾令輝，韓松朋，王本善

（遼寧工業大學 汽車與交通工程學院，遼寧 錦州 121001）

文章以本田CBR600發動機為例，在GT-Power下建立進氣系統，發動機及排氣系統模型并組裝為一套完整的模型。在增設了進氣道限流閥后，對進氣道長度和穩壓腔分別進行長度和容積的調整，對發動機扭矩進行模擬計算，通過對輸出結果的分析和對比，找到一個最合適的進氣道長度和穩壓腔容積。

進氣系統；GT-Power；穩壓腔容積；進氣道長度

引言

一套最適合的進氣系統不僅能夠為賽車提供更強大的動力，還能夠給駕駛者更靈活的反應。本文將針對小排量發動機的進氣道長度和穩壓腔容積進行對比分析，找到一套最合適的進氣系統。

1 發動機參數

發動機具體參數可參考本田CBR600RR-F5發動機使用手冊。重要幾何參數如下：直列四缸汽油機，排量0.6L，缸徑和行程分別為67.0mm和42.5mm，壓縮比為12:1，單汽缸四氣門，進氣門直徑為28mm，排氣門直徑為24mm。其他參數參考使用手冊。

2 模型搭建

本文所使用軟件為GT-Power，模型搭建過程中，整個動力模型被分為三個部分：進氣模型，氣缸曲軸（燃燒）模型和排氣模型。每個模型建立后，分別進行錯誤檢查，再整體搭建成為動力模型。其中進氣部分是本文分析重點。

2.1 進氣管路和排氣管路模型建立

由于進排氣系統主要由管路構成，所以在GT-Power中，進排氣系統都會離散簡化成為圓管，彎管和接頭三種數字化模塊，各個模塊之間通過虛擬的線連接到一起，從而構成完整的系統。其中，進氣管路相對復雜，所被簡化成18根圓管和25個接頭，而排氣管路結構相對簡單，被簡化成為10根圓管、5根彎管以及8個接頭，分別建立各自的數字模型，如圖1所示。

2.2 氣缸曲軸（燃燒）模型

缸體幾何參數參考發動機使用手冊建立，燃燒模型參考相關文獻選擇韋伯燃燒模型，而傳熱模型則選擇的是Woschni傳熱模型，建立模型如圖1所示。

2.3 整體動力模型裝配

最后將進排氣模型和氣缸曲軸（燃燒）模型進行整合，得到最終的動力模型。

圖1 發動機整體模型

3 方案設計與分析

3.1 方案設計

穩壓腔的作用是，讓氣流在通過其腔內時形成更穩定的流場和壓力場，讓進入各個氣缸的空氣量更多，且更平均。如果穩壓腔容積設置的過小，則會導致進氣流在腔內流動和停留時間過短，無法形成穩定的流場和壓力場，不能產生明顯的進氣諧振效果；而如果將穩壓腔容積設置的過大，雖然其內部流場和壓力場更加穩定平均，但會產生油門響應遲滯的問題。參考相關文獻知，設定穩壓腔容積為發動機排量3~8 倍為最佳。參考之前相關本田CBR600發動機進氣系統分析的文章知，最佳穩壓腔容積為3L，最佳進氣道長度為280mm，本文所研究為新一代本田CBR600，較上一代變化不大，故對比方案可參考之前的方案。設定穩壓腔容積為 2.5L、3L、3.5L；由于空間安排的限定，最大進氣道長度為295mm，所以這里設定進氣道長度為260mm、270mm、280mm、290mm。得到對比分析方案如下，在三種不同穩壓腔體積下進行四種不同進氣道長度的模擬計算，選出最佳進氣道長度，然后對三種方案進行對比分析，選擇一套最適合本案的穩壓腔體積。在分析過程中，考慮到賽車全力加速時最常用的轉速是9000rpm~12000rpm，所以著重分析此轉速范圍內的發動機性能曲線。

3.2 三種穩壓腔體積下進氣管道長度分析結果

在三種穩壓腔容積下，對不同進氣道長度，發動機的扭矩進行模擬，輸出結果如圖2所示。

圖2 三種容積下，發動機扭矩

從三個扭矩圖可以同時看出，當發動機轉速在7500rpm以下時，不同進氣道長度下扭矩相差不多；當發動機轉速上升到7500rpm到9000rpm之間時，進氣道長度越大，扭矩數值越大，進氣道長度為260mm和270mm的扭矩明顯比其他兩個數值（280mm和290mm）要低，但是后兩者之間的扭矩十分接近；當發動機轉速繼續攀升到9000rpm到12000rpm之間時，較長的進氣道長度反而會限制甚至明顯減低了發動機的扭矩，這是由于在高轉速的工況下，進氣道越長，進氣阻力越大，所以會降低進氣量，使發動機扭矩降低，例如進氣道最長的290mm設置，扭矩是降低最明顯的，而且是最小的。其他長度設定下的扭矩在高轉速下雖然也有所降低，但是降低幅度不明顯，且三者的扭矩也是比較接近并明顯高于長度為290mm的設定。同時考慮到賽車在全力加速過程中使用最多的轉速范圍為9000rpm到12000rpm，所以選擇280mm為最合理的進氣道長度。

3.3 最后總方案確定

通過上述分析對比可知，在不同穩壓腔容積下，進氣道長度為280mm的設定都是最佳選擇，此時可將不同穩壓腔容積下，進氣道長度為280mm時的扭矩整合到一起進行分析比較，找到最適合的穩壓腔容積。對比數據如下圖所示：

圖3 長度為280mm時，發動機扭矩

從扭矩圖可以看出，當發動機轉速在7500rpm以下時，不同穩壓腔容積下扭矩相差不多；當發動機轉速上升到7500rpm到9000rpm之間時，穩壓腔容積越大，扭矩數值越大，但是三者之間的扭矩差值不明顯；當發動機轉速繼續攀升到9000rpm到12000rpm之間時，容積為3.5L的扭矩降低的最明顯且變成最小值，容積為3L的扭矩降低的最不明顯且變成最了最大值，考慮到賽車在全力加速過程中使用最多的轉速范圍為9000rpm到12000rpm，所以選擇3L為最合理的穩壓腔容積。

通過上述分析對比，得到最合理穩壓腔容積為3L，最合理進氣道長度為280mm，與上一代發動機一樣。

4 結論

通過對不同穩壓腔容積下，不同進氣道長度分別進行扭矩模擬計算和對比分析，找一套最適合本田CBR600的進氣系統。通過數據對比，并考慮實際駕駛中對發動機轉速的使用范圍可知，當穩壓腔容積為3L且進氣道長度為280mm時，發動機輸出的扭矩是最佳的。同時通過對比發現，兩代發動機雖然在原機數據上有所不同，但是在加裝限流閥后，所表現出的扭矩基本相同，且可以繼續使用上一代的穩壓腔和進氣道設定。

[1] 庫亞斌,編著.FSAE賽車進氣系統流場分析及優化.武漢:汽車科技. 2017.04.

[2] 倪驍驊,湯沛,趙雪晶.編著.大學生方程式賽車進氣系統設計.蘭州:機械研究與應用.2016.06.

[3] 鄭穎,弋馳.編著. FSAE賽車發動機進氣系統設計.長沙:時代農機. 2017.02.

[4] 劉敏章,彭才望,肖林峰,胡敏.編著.FSAE賽車發動機進氣系統流場特性分析.西安:汽車實用技術.2016.09.

Intake System Analysis of Small Displacement Engine

Guan Liangliang, Zeng Linghui, Han Songpeng, Wang Benshan

( Department of Automotive and Transportation Engineering, Liaoning University of Technology, Liaoning Jinzhou 121001 )

In this paper, the intake system, engine box and exhaust system of a Honda CBR600 engine were built and assembled into a complete power unite in GT-Power. With adding the intake limiting valve, the length of intake port and the volume of plenum chamber are adjusted respectively and the torque and power are outputted from simulations. By analyzing and comparing the output results, the most suitable length of intake port and the volume of plenum chamber are achieved.

Intake System; GT-Power; Volume of Plenum Chamber; Length of Intake Port

U464

A

1671-7988(2019)18-129-03

U464

A

1671-7988(2019)18-129-03

關亮亮，男，博士，就職于遼寧工業大學汽車與交通工程學院。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.18.043