发动机进排气系统仿真模型的建立

刘敏杰，王磊，吕江毅

（北京电子科技职业学院，北京 100026）

1 进排气系统对发动机性能改进的作用

进排气系统是发动机工作过程中的重要组成部分，进排气系统设计的好坏直接影响到发动机的性能。电喷发动机的进气系统对整个发动机的动力性、经济性和排放性有很大的影响，其中进气歧管的尺寸和结构形状是主要的影响因素，需要进行优化设计、其中进气歧管的尺寸、形状和布置等对进气阻力、进气均匀性以及充气效率的影响非常大。在设计进气系统时应充分考虑进气管的动态效应（惯性效应和波动效应）以提高充气效率，此外还要考虑进气均匀性。进气系统与发动机的良好匹配，对发动机在较宽广的转速范围内的扭矩特性的提高有着很重要的作用。排气管中发动机废气的流场顺滑与否会直接影响到发动机的功率输出和发动机对空燃比的调节。如果流场的畅通性不好，会降低排气速度，增加排气阻力，从而降低发动机的有效功率，使得发动机的转矩下降。故对于发动机进排气系统的设计能够有效的提高发动机的动力性，同时兼顾经济性。而相较于其他优化提升发动机性能的手段来所，改进进排气系统的成本相对较低，相加比高，方案易实现。

2 发动机一维仿真软件GT-POWER简介

发动机一维仿真是计算机仿真计算在发动机性能仿真上的一种具体应用。国外一些软件公司专门针对发动机性能仿真开发了相应的仿真软件，比如Gamma Technologies的GTPOWER、奥地利AVL公司的BOOST等。各种软件的优缺点不一样，但是在发动机仿真应用中的基本思路相同，即通过数值计算模拟发动机的工作循环，从而实现在抽象的模型上反复进行“数值试验”。

其中GT-POWER发动机性能仿真软件是一款由Gamma Technologies公司开发的具有发动机工业标准的模拟仿真工具，现在被世界上大多数发动机和汽车制造厂家及供应商使用。该软件采用有限体积法进行流体的计算，具有强大的仿真功能：具有计算步长自动可调、强大的辅助建模前处理工具、自带有丰富的燃烧模型、丰富的控制功能、能与SIMULINK进行耦合求解、能与三维的CFD软件进行耦合计算、自带有优化设计功能、能进行直接优化、DOE设计/优化，能进行进、排气系统噪音分析、能对进、排气系统的消音元件进行优化设计。 GT-Power是GT-Suite系列软件中的一部分，涵盖了发动机本体、驱动系统、冷却系统、燃油供给系统、曲轴机构、配气机构六个方面。

本文作者主要选用GT-POWER作为发动机的仿真软件。

3 发动机仿真模型的搭建及验证

3.1 发动机仿真模型的搭建

3.1.1 环境参数设置

环境大气压选择 1bar，环境温度选择 300K,工质选择的是air。开始和结束的环境参数设置一致。

3.1.2 气缸的参数设置

采用本田 125发动机基本设定：缸径 52.4mm，行程57.8mm；行程103mm，压缩比9.0。

图1 气缸的参数设置

3.1.3 进排气门设置

图2 进排气门参数设置

进气门实测直径为 23.5mm，排气门实测直径为 20mm.发动机的进排气门大小按游标卡尺实测参数，填入仿真模型中。气门间隙按照本田125发动机的气门间隙0.05mm进行设置。凸轮正时角度根据实际测量设置为239度。气门的升程曲线仅仅测量的是进排气气门的行程，然后根据 GTPOWER中其他发动机模型的气门升程曲线按照比例拟合得出的，能够达到模拟仿真的需求。

3.1.4 进排气管设置

根据软件的设置，进排气管的离散长度跟气缸直径有关系，一般为进气管离散长度=气缸直径×0.4；排气管离散长度=气缸直径×0.05。根据气缸参数，进气管离散长度为21mm，排气管的离散长度为29mm。进排气管的壁面温度设置为350K。考虑到排气管主要影响的是排气背压，一开始暂不考虑排气管的其他影响。排气管的直径设置为 30mm，实际我们的节能车发动机上用的也是直径为30mm的排气管。排气管为两段直管，中间弯折一定的角度。

进气管主要形状的确定首先需要适应喷油器的喷射方向和形状，使得喷油器喷出的燃油不要喷到壁面上，并且有比较充分的时间进行雾化。因此，我们决定把原来的节气门和喷油器的安装位置进行改造，设计出新的进气管形状。然后在GT-POWER中主要进行进气管各部分长度的优化设计，得出一个各项性能参数比较优化的进气管。进气管的建模过程是首先用三维造型软件画出进气管的三维造型图，然后根据三维造型的形状在GME-3D中进行建模，将GME-3D下的建模进行离散化，将离散化后的模型拖入发动机整体仿真模型。

图3 造型软件中进气管造型

GME-3D中的进气管造型

图4 GME-3D中的进气管造型

图5 GT-POWER中进气管的离散化模型

3.1.5 喷油器设置

喷油嘴模型采用的是空燃比控制喷油嘴，按照标定时的空燃比 15设置。喷油器数量设置为 1.喷射位置是进气道喷射。喷油正时为曲轴转角300度，燃油温度为300K.喷油器的喷射流量经过公式，计算为955mg/s。

3.1.6 整机模型搭建

将各个部分连接起来完成整机模型的搭建，下图为发动机整机模型的搭建，以此模型为基础进行发动机新性能仿真和模型验证及优化。

图6 整机模型的搭建

3.2 发动机仿真模型验证

根据HONDA节能竞技大赛提供的125发动机的参数，最大功率6.0kw7000r/min；最大扭矩9.7N.M5000r/min；压缩比9.0∶1；根据仿真结果得出来的仿真功率和扭矩图如下图所示：

从仿真的结果来看，对比我们知道的本田125发动机原机的性能参数，确定我们的发动机模型的搭建是符合要求的，在误差范围以内可以进行本田125发动机的性能仿真，可以在此基础上进行进一步的参数更改和优化设计。

图7 发动机外特性仿真曲线

4 结论及意义

本文主要针对 HONDA125发动机进行电喷改造过程中的进排气系统模拟设计。通过 GT-POWER进行进气系统的模拟设计，通过建立仿真模型及验证，我们最终得出了具有各项仿真参数的设计载体。此设计基础上，我们为以后的电喷优化设计提供了借鉴资料及载体，对于提高发动机的动力性、节能性设计发展具有重要意义。

参考文献

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