小排量发动机进气系统分析

关亮亮，曾令辉，韩松朋，王本善

小排量发动机进气系统分析

关亮亮，曾令辉，韩松朋，王本善

（辽宁工业大学 汽车与交通工程学院，辽宁 锦州 121001）

文章以本田CBR600发动机为例，在GT-Power下建立进气系统，发动机及排气系统模型并组装为一套完整的模型。在增设了进气道限流阀后，对进气道长度和稳压腔分别进行长度和容积的调整，对发动机扭矩进行模拟计算，通过对输出结果的分析和对比，找到一个最合适的进气道长度和稳压腔容积。

进气系统；GT-Power；稳压腔容积；进气道长度

引言

一套最适合的进气系统不仅能够为赛车提供更强大的动力，还能够给驾驶者更灵活的反应。本文将针对小排量发动机的进气道长度和稳压腔容积进行对比分析，找到一套最合适的进气系统。

1 发动机参数

发动机具体参数可参考本田CBR600RR-F5发动机使用手册。重要几何参数如下：直列四缸汽油机，排量0.6L，缸径和行程分别为67.0mm和42.5mm，压缩比为12:1，单汽缸四气门，进气门直径为28mm，排气门直径为24mm。其他参数参考使用手册。

2 模型搭建

本文所使用软件为GT-Power，模型搭建过程中，整个动力模型被分为三个部分：进气模型，气缸曲轴（燃烧）模型和排气模型。每个模型建立后，分别进行错误检查，再整体搭建成为动力模型。其中进气部分是本文分析重点。

2.1 进气管路和排气管路模型建立

由于进排气系统主要由管路构成，所以在GT-Power中，进排气系统都会离散简化成为圆管，弯管和接头三种数字化模块，各个模块之间通过虚拟的线连接到一起，从而构成完整的系统。其中，进气管路相对复杂，所被简化成18根圆管和25个接头，而排气管路结构相对简单，被简化成为10根圆管、5根弯管以及8个接头，分别建立各自的数字模型，如图1所示。

2.2 气缸曲轴（燃烧）模型

缸体几何参数参考发动机使用手册建立，燃烧模型参考相关文献选择韦伯燃烧模型，而传热模型则选择的是Woschni传热模型，建立模型如图1所示。

2.3 整体动力模型装配

最后将进排气模型和气缸曲轴（燃烧）模型进行整合，得到最终的动力模型。

图1 发动机整体模型

3 方案设计与分析

3.1 方案设计

稳压腔的作用是，让气流在通过其腔内时形成更稳定的流场和压力场，让进入各个气缸的空气量更多，且更平均。如果稳压腔容积设置的过小，则会导致进气流在腔内流动和停留时间过短，无法形成稳定的流场和压力场，不能产生明显的进气谐振效果；而如果将稳压腔容积设置的过大，虽然其内部流场和压力场更加稳定平均，但会产生油门响应迟滞的问题。参考相关文献知，设定稳压腔容积为发动机排量3~8 倍为最佳。参考之前相关本田CBR600发动机进气系统分析的文章知，最佳稳压腔容积为3L，最佳进气道长度为280mm，本文所研究为新一代本田CBR600，较上一代变化不大，故对比方案可参考之前的方案。设定稳压腔容积为 2.5L、3L、3.5L；由于空间安排的限定，最大进气道长度为295mm，所以这里设定进气道长度为260mm、270mm、280mm、290mm。得到对比分析方案如下，在三种不同稳压腔体积下进行四种不同进气道长度的模拟计算，选出最佳进气道长度，然后对三种方案进行对比分析，选择一套最适合本案的稳压腔体积。在分析过程中，考虑到赛车全力加速时最常用的转速是9000rpm~12000rpm，所以着重分析此转速范围内的发动机性能曲线。

3.2 三种稳压腔体积下进气管道长度分析结果

在三种稳压腔容积下，对不同进气道长度，发动机的扭矩进行模拟，输出结果如图2所示。

图2 三种容积下，发动机扭矩

从三个扭矩图可以同时看出，当发动机转速在7500rpm以下时，不同进气道长度下扭矩相差不多；当发动机转速上升到7500rpm到9000rpm之间时，进气道长度越大，扭矩数值越大，进气道长度为260mm和270mm的扭矩明显比其他两个数值（280mm和290mm）要低，但是后两者之间的扭矩十分接近；当发动机转速继续攀升到9000rpm到12000rpm之间时，较长的进气道长度反而会限制甚至明显减低了发动机的扭矩，这是由于在高转速的工况下，进气道越长，进气阻力越大，所以会降低进气量，使发动机扭矩降低，例如进气道最长的290mm设置，扭矩是降低最明显的，而且是最小的。其他长度设定下的扭矩在高转速下虽然也有所降低，但是降低幅度不明显，且三者的扭矩也是比较接近并明显高于长度为290mm的设定。同时考虑到赛车在全力加速过程中使用最多的转速范围为9000rpm到12000rpm，所以选择280mm为最合理的进气道长度。

3.3 最后总方案确定

通过上述分析对比可知，在不同稳压腔容积下，进气道长度为280mm的设定都是最佳选择，此时可将不同稳压腔容积下，进气道长度为280mm时的扭矩整合到一起进行分析比较，找到最适合的稳压腔容积。对比数据如下图所示：

图3 长度为280mm时，发动机扭矩

从扭矩图可以看出，当发动机转速在7500rpm以下时，不同稳压腔容积下扭矩相差不多；当发动机转速上升到7500rpm到9000rpm之间时，稳压腔容积越大，扭矩数值越大，但是三者之间的扭矩差值不明显；当发动机转速继续攀升到9000rpm到12000rpm之间时，容积为3.5L的扭矩降低的最明显且变成最小值，容积为3L的扭矩降低的最不明显且变成最了最大值，考虑到赛车在全力加速过程中使用最多的转速范围为9000rpm到12000rpm，所以选择3L为最合理的稳压腔容积。

通过上述分析对比，得到最合理稳压腔容积为3L，最合理进气道长度为280mm，与上一代发动机一样。

4 结论

通过对不同稳压腔容积下，不同进气道长度分别进行扭矩模拟计算和对比分析，找一套最适合本田CBR600的进气系统。通过数据对比，并考虑实际驾驶中对发动机转速的使用范围可知，当稳压腔容积为3L且进气道长度为280mm时，发动机输出的扭矩是最佳的。同时通过对比发现，两代发动机虽然在原机数据上有所不同，但是在加装限流阀后，所表现出的扭矩基本相同，且可以继续使用上一代的稳压腔和进气道设定。

[1] 库亚斌,编著.FSAE赛车进气系统流场分析及优化.武汉:汽车科技. 2017.04.

[2] 倪骁骅,汤沛,赵雪晶.编著.大学生方程式赛车进气系统设计.兰州:机械研究与应用.2016.06.

[3] 郑颖,弋驰.编著. FSAE赛车发动机进气系统设计.长沙:时代农机. 2017.02.

[4] 刘敏章,彭才望,肖林峰,胡敏.编著.FSAE赛车发动机进气系统流场特性分析.西安:汽车实用技术.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

关亮亮，男，博士，就职于辽宁工业大学汽车与交通工程学院。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.18.043