發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)排氣系統(tǒng)仿真模型的建立

劉敏杰，王磊，呂江毅

（北京電子科技職業(yè)學(xué)院，北京 100026）

1 進(jìn)排氣系統(tǒng)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能改進(jìn)的作用

進(jìn)排氣系統(tǒng)是發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程中的重要組成部分，進(jìn)排氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)的好壞直接影響到發(fā)動(dòng)機(jī)的性能。電噴發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣系統(tǒng)對(duì)整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和排放性有很大的影響，其中進(jìn)氣歧管的尺寸和結(jié)構(gòu)形狀是主要的影響因素，需要進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)、其中進(jìn)氣歧管的尺寸、形狀和布置等對(duì)進(jìn)氣阻力、進(jìn)氣均勻性以及充氣效率的影響非常大。在設(shè)計(jì)進(jìn)氣系統(tǒng)時(shí)應(yīng)充分考慮進(jìn)氣管的動(dòng)態(tài)效應(yīng)（慣性效應(yīng)和波動(dòng)效應(yīng)）以提高充氣效率，此外還要考慮進(jìn)氣均勻性。進(jìn)氣系統(tǒng)與發(fā)動(dòng)機(jī)的良好匹配，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)在較寬廣的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的扭矩特性的提高有著很重要的作用。排氣管中發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣的流場順滑與否會(huì)直接影響到發(fā)動(dòng)機(jī)的功率輸出和發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)空燃比的調(diào)節(jié)。如果流場的暢通性不好，會(huì)降低排氣速度，增加排氣阻力，從而降低發(fā)動(dòng)機(jī)的有效功率，使得發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩下降。故對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)排氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)能夠有效的提高發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性，同時(shí)兼顧經(jīng)濟(jì)性。而相較于其他優(yōu)化提升發(fā)動(dòng)機(jī)性能的手段來所，改進(jìn)進(jìn)排氣系統(tǒng)的成本相對(duì)較低，相加比高，方案易實(shí)現(xiàn)。

2 發(fā)動(dòng)機(jī)一維仿真軟件GT-POWER簡介

發(fā)動(dòng)機(jī)一維仿真是計(jì)算機(jī)仿真計(jì)算在發(fā)動(dòng)機(jī)性能仿真上的一種具體應(yīng)用。國外一些軟件公司專門針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能仿真開發(fā)了相應(yīng)的仿真軟件，比如Gamma Technologies的GTPOWER、奧地利AVL公司的BOOST等。各種軟件的優(yōu)缺點(diǎn)不一樣，但是在發(fā)動(dòng)機(jī)仿真應(yīng)用中的基本思路相同，即通過數(shù)值計(jì)算模擬發(fā)動(dòng)機(jī)的工作循環(huán)，從而實(shí)現(xiàn)在抽象的模型上反復(fù)進(jìn)行“數(shù)值試驗(yàn)”。

其中GT-POWER發(fā)動(dòng)機(jī)性能仿真軟件是一款由Gamma Technologies公司開發(fā)的具有發(fā)動(dòng)機(jī)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的模擬仿真工具，現(xiàn)在被世界上大多數(shù)發(fā)動(dòng)機(jī)和汽車制造廠家及供應(yīng)商使用。該軟件采用有限體積法進(jìn)行流體的計(jì)算，具有強(qiáng)大的仿真功能：具有計(jì)算步長自動(dòng)可調(diào)、強(qiáng)大的輔助建模前處理工具、自帶有豐富的燃燒模型、豐富的控制功能、能與SIMULINK進(jìn)行耦合求解、能與三維的CFD軟件進(jìn)行耦合計(jì)算、自帶有優(yōu)化設(shè)計(jì)功能、能進(jìn)行直接優(yōu)化、DOE設(shè)計(jì)/優(yōu)化，能進(jìn)行進(jìn)、排氣系統(tǒng)噪音分析、能對(duì)進(jìn)、排氣系統(tǒng)的消音元件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。 GT-Power是GT-Suite系列軟件中的一部分，涵蓋了發(fā)動(dòng)機(jī)本體、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、燃油供給系統(tǒng)、曲軸機(jī)構(gòu)、配氣機(jī)構(gòu)六個(gè)方面。

本文作者主要選用GT-POWER作為發(fā)動(dòng)機(jī)的仿真軟件。

3 發(fā)動(dòng)機(jī)仿真模型的搭建及驗(yàn)證

3.1 發(fā)動(dòng)機(jī)仿真模型的搭建

3.1.1 環(huán)境參數(shù)設(shè)置

環(huán)境大氣壓選擇 1bar，環(huán)境溫度選擇 300K,工質(zhì)選擇的是air。開始和結(jié)束的環(huán)境參數(shù)設(shè)置一致。

3.1.2 氣缸的參數(shù)設(shè)置

采用本田 125發(fā)動(dòng)機(jī)基本設(shè)定：缸徑 52.4mm，行程57.8mm；行程103mm，壓縮比9.0。

圖1 氣缸的參數(shù)設(shè)置

3.1.3 進(jìn)排氣門設(shè)置

圖2 進(jìn)排氣門參數(shù)設(shè)置

進(jìn)氣門實(shí)測直徑為 23.5mm，排氣門實(shí)測直徑為 20mm.發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)排氣門大小按游標(biāo)卡尺實(shí)測參數(shù)，填入仿真模型中。氣門間隙按照本田125發(fā)動(dòng)機(jī)的氣門間隙0.05mm進(jìn)行設(shè)置。凸輪正時(shí)角度根據(jù)實(shí)際測量設(shè)置為239度。氣門的升程曲線僅僅測量的是進(jìn)排氣氣門的行程，然后根據(jù) GTPOWER中其他發(fā)動(dòng)機(jī)模型的氣門升程曲線按照比例擬合得出的，能夠達(dá)到模擬仿真的需求。

3.1.4 進(jìn)排氣管設(shè)置

根據(jù)軟件的設(shè)置，進(jìn)排氣管的離散長度跟氣缸直徑有關(guān)系，一般為進(jìn)氣管離散長度=氣缸直徑×0.4；排氣管離散長度=氣缸直徑×0.05。根據(jù)氣缸參數(shù)，進(jìn)氣管離散長度為21mm，排氣管的離散長度為29mm。進(jìn)排氣管的壁面溫度設(shè)置為350K?？紤]到排氣管主要影響的是排氣背壓，一開始暫不考慮排氣管的其他影響。排氣管的直徑設(shè)置為 30mm，實(shí)際我們的節(jié)能車發(fā)動(dòng)機(jī)上用的也是直徑為30mm的排氣管。排氣管為兩段直管，中間彎折一定的角度。

進(jìn)氣管主要形狀的確定首先需要適應(yīng)噴油器的噴射方向和形狀，使得噴油器噴出的燃油不要噴到壁面上，并且有比較充分的時(shí)間進(jìn)行霧化。因此，我們決定把原來的節(jié)氣門和噴油器的安裝位置進(jìn)行改造，設(shè)計(jì)出新的進(jìn)氣管形狀。然后在GT-POWER中主要進(jìn)行進(jìn)氣管各部分長度的優(yōu)化設(shè)計(jì)，得出一個(gè)各項(xiàng)性能參數(shù)比較優(yōu)化的進(jìn)氣管。進(jìn)氣管的建模過程是首先用三維造型軟件畫出進(jìn)氣管的三維造型圖，然后根據(jù)三維造型的形狀在GME-3D中進(jìn)行建模，將GME-3D下的建模進(jìn)行離散化，將離散化后的模型拖入發(fā)動(dòng)機(jī)整體仿真模型。

圖3 造型軟件中進(jìn)氣管造型

GME-3D中的進(jìn)氣管造型

圖4 GME-3D中的進(jìn)氣管造型

圖5 GT-POWER中進(jìn)氣管的離散化模型

3.1.5 噴油器設(shè)置

噴油嘴模型采用的是空燃比控制噴油嘴，按照標(biāo)定時(shí)的空燃比 15設(shè)置。噴油器數(shù)量設(shè)置為 1.噴射位置是進(jìn)氣道噴射。噴油正時(shí)為曲軸轉(zhuǎn)角300度，燃油溫度為300K.噴油器的噴射流量經(jīng)過公式，計(jì)算為955mg/s。

3.1.6 整機(jī)模型搭建

將各個(gè)部分連接起來完成整機(jī)模型的搭建，下圖為發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)模型的搭建，以此模型為基礎(chǔ)進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)新性能仿真和模型驗(yàn)證及優(yōu)化。

圖6 整機(jī)模型的搭建

3.2 發(fā)動(dòng)機(jī)仿真模型驗(yàn)證

根據(jù)HONDA節(jié)能競技大賽提供的125發(fā)動(dòng)機(jī)的參數(shù)，最大功率6.0kw7000r/min；最大扭矩9.7N.M5000r/min；壓縮比9.0∶1；根據(jù)仿真結(jié)果得出來的仿真功率和扭矩圖如下圖所示：

從仿真的結(jié)果來看，對(duì)比我們知道的本田125發(fā)動(dòng)機(jī)原機(jī)的性能參數(shù)，確定我們的發(fā)動(dòng)機(jī)模型的搭建是符合要求的，在誤差范圍以內(nèi)可以進(jìn)行本田125發(fā)動(dòng)機(jī)的性能仿真，可以在此基礎(chǔ)上進(jìn)行進(jìn)一步的參數(shù)更改和優(yōu)化設(shè)計(jì)。

圖7 發(fā)動(dòng)機(jī)外特性仿真曲線

4 結(jié)論及意義

本文主要針對(duì) HONDA125發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行電噴改造過程中的進(jìn)排氣系統(tǒng)模擬設(shè)計(jì)。通過 GT-POWER進(jìn)行進(jìn)氣系統(tǒng)的模擬設(shè)計(jì)，通過建立仿真模型及驗(yàn)證，我們最終得出了具有各項(xiàng)仿真參數(shù)的設(shè)計(jì)載體。此設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，我們?yōu)橐院蟮碾妵妰?yōu)化設(shè)計(jì)提供了借鑒資料及載體，對(duì)于提高發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性、節(jié)能性設(shè)計(jì)發(fā)展具有重要意義。

參考文獻(xiàn)

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