本田125cc发动机进气管长度仿真与优化设计

本田125cc发动机进气管长度仿真与优化设计

刘敏杰，王磊，吕江毅

（北京电子科技职业学院，北京 100176）

以本田节能竞技大赛使用的本田125cc排量的摩托车发动机为研究对象，在GT-POWER中建立单缸汽油机仿真模型进行发动机工作过程仿真，分析不同进气歧管长度对发动机动力性能和节油性能的影响极其规律，并且通过台架试验进行验证，最终优化出合适长度的进气管。

节能车进气管；性能优化；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

本节能车是为参加HONDA节能竞技大赛专门制定的一款赛车，比赛的基本要求是让参赛队伍自主设计并制作一款参赛车辆，按照比赛规定的平均时速（约为25～30km/h）在规定的跑道上行驶，最终以车辆行驶的全程能耗来评价车辆的性能。节能竞技赛车的发动机是由赛会统一提供本田125cc摩托车发动机，各参赛队伍可以对发动机进行改造。基于赛方提供的发动机进行由化油器到电子控制喷射的改装，需要配合电喷改造进行进气管的重新设计。

发动机的进气过程是一个复杂的脉动和谐振过程，进气管长度对充气性能有很大影响[1]。合适的发动机进气管长度能够充分利用进气的惯性效应和谐振效应增加充气效率，从而改善换气质量，提高发动机动力性经济性[2]。随着计算机辅助设计和发动机性能仿真技术的快速发展，使用性能仿真软件进行进气系统的优化设计已经成为了主流的发动机辅助设计手段。本文利用GT-power软件完成了本田125cc摩托车发动机模型的搭建，并通过对不同长度进气管进行计算分析，对节能车进气管道长度进行了优化改进，并通过台架试验进行了验证。

1、发动机仿真模型的搭建及验证

1.1 发动机仿真模型的搭建

在GT-Power中搭建本田125cc摩托车发动机的仿真模型。发动机内部参数按照原机参数进行设置：如缸径52.4mm，行程57.8mm，连杆长103mm,压缩比9.0。选择单韦伯燃烧模型模拟汽油机的燃烧放热，喷油器设置选择比例喷油器，空燃比设置为14.7。

图1 GT-Power中发动机仿真模型

模型搭建完成后，通过仿真发动机的外特性曲线与原厂本田125cc发动机给出的技术参数进行对比，不同转速对应的功率和扭矩值与原机数据相吻合，验证了仿真模型的正确性。

1.2 发动机工况的选择

节能车发动机在比赛中工作在中小负荷，因此需要设置节气门来控制发动机的负荷以达到模拟比赛工况的目的。在GT-Power中节气门的设置是通过OrificeConn模块中的Throttle来设置的，OrificeConn模块中的Throttle并不是真正意义上的节气门，只是用一个限流阀来仿真节气门效果，然后通过在运行的case中设置限流阀不同的直径大小来模拟节气门不同开度。

在节能车比赛中，发动机一般工作在2500～4500r/min的工作区间内。此时的节气门开度在10%左右。通过设置不同的限流阀的直径进行仿真计算，可以得出不同限流阀直径下进气压力随转速的变化关系，跟实际的节能车发动机的运行工况时进气压力随转速变化做对比，得出限流阀直径设置成5mm时可以较好地模拟节能车发动机在2500～4500r/min的发动机实际工作工况。

图2 限流阀直径与真实节气门开度下的进气管压力对比

2、进气管的长度优化仿真

考虑进气管和电子喷射系统在整车的布置位置，如图3所示，将进气管分为A、B两部分。A部分为直径为29.5mm的九十度弯管，B部分为进口为29.5mm、出口为21.5mm的减缩直管。A、B两段的初始长度分别为140mm和60mm，分别对两段长度进行优化。

首先对A部分长度分为60mm、100mm、140mm、200mm、300mm五种不同长度进行仿真，得到发动机的转速扭矩曲线。由图4可知，在节能车发动机的常用工作范围2500r/min到4500r/min，随着A部分长度的增加，输出扭矩不断地增大，尤其是低转速区增大明显。考虑到发动机进气管在整车上的布置，A段的长度受整车布置位置的限制，最终选择A段进气管长度为200mm。

图3 发动机进气管三维模型

图4 进气管A段不同长度下发动机扭矩输出变化

B部分的长度分为30mm、60mm、100mm、140mm四个长度段，分别进行性能仿真，得知B段的长度对发动机扭矩和功率的影响很小，因此最终选择B段长度为30mm。

图5 进气管B段不同长度下发动机扭矩输出变化

2、台架试验验证

使用3D打印技术打印出进气管，利用DW-20电涡流测功机，对发动机进行电子控制喷射标定和发动机部分负荷试验，验证进气管性能。进气管的B段长度不变，选取A段长度分别为100mm和200mm，打印出两种进气管，分别定义为1号进气管和2号进气管。经过发动机台架测试，得出10%节气门开度时的发动机实际扭矩和功率随转速变化的部分负荷曲线。

图6 1号进气管实测性能与仿真性能对比

如图6所示，1号进气管的实测扭矩和功率跟仿真数据吻合程度较高，从另外一方面也验证了模型本身的正确性和合理性。实测的扭矩值在1000r/min到2000r/min的低转速区的扭矩值比仿真值略高，低速扭矩特性好可以缩短节能竞技赛车的加速时间，对于整个赛车的动力性和经济性有所提高。

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

刘敏杰 (1978-)，讲师，就职于北京电子科技职业学院，汽车技术服务系教研室主任，研究方向为汽车发动机技术。

王磊 (1989-)，男，教师，就职于北京电子科技职业学院，研究方向为汽车检测与维修。

吕江毅 (1979-)，男，副教授，就职于北京电子科技职业学院，研究方向为汽车发动机技术。