小排量發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)分析

關(guān)亮亮，曾令輝，韓松朋，王本善

小排量發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)分析

關(guān)亮亮，曾令輝，韓松朋，王本善

（遼寧工業(yè)大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院，遼寧 錦州 121001）

文章以本田CBR600發(fā)動(dòng)機(jī)為例，在GT-Power下建立進(jìn)氣系統(tǒng)，發(fā)動(dòng)機(jī)及排氣系統(tǒng)模型并組裝為一套完整的模型。在增設(shè)了進(jìn)氣道限流閥后，對(duì)進(jìn)氣道長(zhǎng)度和穩(wěn)壓腔分別進(jìn)行長(zhǎng)度和容積的調(diào)整，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩進(jìn)行模擬計(jì)算，通過(guò)對(duì)輸出結(jié)果的分析和對(duì)比，找到一個(gè)最合適的進(jìn)氣道長(zhǎng)度和穩(wěn)壓腔容積。

進(jìn)氣系統(tǒng)；GT-Power；穩(wěn)壓腔容積；進(jìn)氣道長(zhǎng)度

引言

一套最適合的進(jìn)氣系統(tǒng)不僅能夠?yàn)橘愜囂峁└鼜?qiáng)大的動(dòng)力，還能夠給駕駛者更靈活的反應(yīng)。本文將針對(duì)小排量發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣道長(zhǎng)度和穩(wěn)壓腔容積進(jìn)行對(duì)比分析，找到一套最合適的進(jìn)氣系統(tǒng)。

1 發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)

發(fā)動(dòng)機(jī)具體參數(shù)可參考本田CBR600RR-F5發(fā)動(dòng)機(jī)使用手冊(cè)。重要幾何參數(shù)如下：直列四缸汽油機(jī)，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(mén)，進(jìn)氣門(mén)直徑為28mm，排氣門(mén)直徑為24mm。其他參數(shù)參考使用手冊(cè)。

2 模型搭建

本文所使用軟件為GT-Power，模型搭建過(guò)程中，整個(gè)動(dòng)力模型被分為三個(gè)部分：進(jìn)氣模型，氣缸曲軸（燃燒）模型和排氣模型。每個(gè)模型建立后，分別進(jìn)行錯(cuò)誤檢查，再整體搭建成為動(dòng)力模型。其中進(jìn)氣部分是本文分析重點(diǎn)。

2.1 進(jìn)氣管路和排氣管路模型建立

由于進(jìn)排氣系統(tǒng)主要由管路構(gòu)成，所以在GT-Power中，進(jìn)排氣系統(tǒng)都會(huì)離散簡(jiǎn)化成為圓管，彎管和接頭三種數(shù)字化模塊，各個(gè)模塊之間通過(guò)虛擬的線連接到一起，從而構(gòu)成完整的系統(tǒng)。其中，進(jìn)氣管路相對(duì)復(fù)雜，所被簡(jiǎn)化成18根圓管和25個(gè)接頭，而排氣管路結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，被簡(jiǎn)化成為10根圓管、5根彎管以及8個(gè)接頭，分別建立各自的數(shù)字模型，如圖1所示。

2.2 氣缸曲軸（燃燒）模型

缸體幾何參數(shù)參考發(fā)動(dòng)機(jī)使用手冊(cè)建立，燃燒模型參考相關(guān)文獻(xiàn)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(dòng)力模型裝配

最后將進(jìn)排氣模型和氣缸曲軸（燃燒）模型進(jìn)行整合，得到最終的動(dòng)力模型。

圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)整體模型

3 方案設(shè)計(jì)與分析

3.1 方案設(shè)計(jì)

穩(wěn)壓腔的作用是，讓氣流在通過(guò)其腔內(nèi)時(shí)形成更穩(wěn)定的流場(chǎng)和壓力場(chǎng)，讓進(jìn)入各個(gè)氣缸的空氣量更多，且更平均。如果穩(wěn)壓腔容積設(shè)置的過(guò)小，則會(huì)導(dǎo)致進(jìn)氣流在腔內(nèi)流動(dòng)和停留時(shí)間過(guò)短，無(wú)法形成穩(wěn)定的流場(chǎng)和壓力場(chǎng)，不能產(chǎn)生明顯的進(jìn)氣諧振效果；而如果將穩(wěn)壓腔容積設(shè)置的過(guò)大，雖然其內(nèi)部流場(chǎng)和壓力場(chǎng)更加穩(wěn)定平均，但會(huì)產(chǎn)生油門(mén)響應(yīng)遲滯的問(wèn)題。參考相關(guān)文獻(xiàn)知，設(shè)定穩(wěn)壓腔容積為發(fā)動(dòng)機(jī)排量3~8 倍為最佳。參考之前相關(guān)本田CBR600發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)分析的文章知，最佳穩(wěn)壓腔容積為3L，最佳進(jìn)氣道長(zhǎng)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(duì)比方案可參考之前的方案。設(shè)定穩(wěn)壓腔容積為 2.5L、3L、3.5L；由于空間安排的限定，最大進(jìn)氣道長(zhǎng)度為295mm，所以這里設(shè)定進(jìn)氣道長(zhǎng)度為260mm、270mm、280mm、290mm。得到對(duì)比分析方案如下，在三種不同穩(wěn)壓腔體積下進(jìn)行四種不同進(jìn)氣道長(zhǎng)度的模擬計(jì)算，選出最佳進(jìn)氣道長(zhǎng)度，然后對(duì)三種方案進(jìn)行對(duì)比分析，選擇一套最適合本案的穩(wěn)壓腔體積。在分析過(guò)程中，考慮到賽車全力加速時(shí)最常用的轉(zhuǎn)速是9000rpm~12000rpm，所以著重分析此轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的發(fā)動(dòng)機(jī)性能曲線。

3.2 三種穩(wěn)壓腔體積下進(jìn)氣管道長(zhǎng)度分析結(jié)果

在三種穩(wěn)壓腔容積下，對(duì)不同進(jìn)氣道長(zhǎng)度，發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩進(jìn)行模擬，輸出結(jié)果如圖2所示。

圖2 三種容積下，發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩

從三個(gè)扭矩圖可以同時(shí)看出，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在7500rpm以下時(shí)，不同進(jìn)氣道長(zhǎng)度下扭矩相差不多；當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速上升到7500rpm到9000rpm之間時(shí)，進(jìn)氣道長(zhǎng)度越大，扭矩?cái)?shù)值越大，進(jìn)氣道長(zhǎng)度為260mm和270mm的扭矩明顯比其他兩個(gè)數(shù)值（280mm和290mm）要低，但是后兩者之間的扭矩十分接近；當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速繼續(xù)攀升到9000rpm到12000rpm之間時(shí)，較長(zhǎng)的進(jìn)氣道長(zhǎng)度反而會(huì)限制甚至明顯減低了發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩，這是由于在高轉(zhuǎn)速的工況下，進(jìn)氣道越長(zhǎng)，進(jìn)氣阻力越大，所以會(huì)降低進(jìn)氣量，使發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩降低，例如進(jìn)氣道最長(zhǎng)的290mm設(shè)置，扭矩是降低最明顯的，而且是最小的。其他長(zhǎng)度設(shè)定下的扭矩在高轉(zhuǎn)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(zhǎng)度為290mm的設(shè)定。同時(shí)考慮到賽車在全力加速過(guò)程中使用最多的轉(zhuǎn)速范圍為9000rpm到12000rpm，所以選擇280mm為最合理的進(jìn)氣道長(zhǎng)度。

3.3 最后總方案確定

通過(guò)上述分析對(duì)比可知，在不同穩(wěn)壓腔容積下，進(jìn)氣道長(zhǎng)度為280mm的設(shè)定都是最佳選擇，此時(shí)可將不同穩(wěn)壓腔容積下，進(jìn)氣道長(zhǎng)度為280mm時(shí)的扭矩整合到一起進(jìn)行分析比較，找到最適合的穩(wěn)壓腔容積。對(duì)比數(shù)據(jù)如下圖所示：

圖3 長(zhǎng)度為280mm時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩

從扭矩圖可以看出，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在7500rpm以下時(shí)，不同穩(wěn)壓腔容積下扭矩相差不多；當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速上升到7500rpm到9000rpm之間時(shí)，穩(wěn)壓腔容積越大，扭矩?cái)?shù)值越大，但是三者之間的扭矩差值不明顯；當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速繼續(xù)攀升到9000rpm到12000rpm之間時(shí)，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(guò)程中使用最多的轉(zhuǎn)速范圍為9000rpm到12000rpm，所以選擇3L為最合理的穩(wěn)壓腔容積。

通過(guò)上述分析對(duì)比，得到最合理穩(wěn)壓腔容積為3L，最合理進(jìn)氣道長(zhǎng)度為280mm，與上一代發(fā)動(dòng)機(jī)一樣。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)不同穩(wěn)壓腔容積下，不同進(jìn)氣道長(zhǎng)度分別進(jìn)行扭矩模擬計(jì)算和對(duì)比分析，找一套最適合本田CBR600的進(jìn)氣系統(tǒng)。通過(guò)數(shù)據(jù)對(duì)比，并考慮實(shí)際駕駛中對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的使用范圍可知，當(dāng)穩(wěn)壓腔容積為3L且進(jìn)氣道長(zhǎng)度為280mm時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的扭矩是最佳的。同時(shí)通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，兩代發(fā)動(dòng)機(jī)雖然在原機(jī)數(shù)據(jù)上有所不同，但是在加裝限流閥后，所表現(xiàn)出的扭矩基本相同，且可以繼續(xù)使用上一代的穩(wěn)壓腔和進(jìn)氣道設(shè)定。

[1] 庫(kù)亞斌,編著.FSAE賽車進(jìn)氣系統(tǒng)流場(chǎng)分析及優(yōu)化.武漢:汽車科技. 2017.04.

[2] 倪驍驊,湯沛,趙雪晶.編著.大學(xué)生方程式賽車進(jìn)氣系統(tǒng)設(shè)計(jì).蘭州:機(jī)械研究與應(yīng)用.2016.06.

[3] 鄭穎,弋馳.編著. FSAE賽車發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)設(shè)計(jì).長(zhǎng)沙:時(shí)代農(nóng)機(jī). 2017.02.

[4] 劉敏章,彭才望,肖林峰,胡敏.編著.FSAE賽車發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)流場(chǎng)特性分析.西安:汽車實(shí)用技術(shù).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

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1671-7988(2019)18-129-03

關(guān)亮亮，男，博士，就職于遼寧工業(yè)大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.18.043