本田125發動機節氣門體和壓縮比的仿真與改進

劉敏杰 王磊 宋建桐

摘 要：文章以本田節能大賽參賽的本田125發動機為研究對象，目標是實現電噴改進。首先在GT-POWER中建立仿真模型，通過發動機工作過程仿真計算，分析不同直徑的節氣門體對發動機進氣管負壓影響來確定節氣門體直徑的設定。并在此基礎上，分析不同壓縮比對發動機功率扭矩的影響來確定壓縮比的改進。從而針對節能競技大賽發動機的常用轉速和目標經濟轉速進行優化設計，改進發動機性能，提高比賽成績。關鍵詞：節氣門體;壓縮比;改進中圖分類號：U467.2+2 ?文獻標識碼：B ?文章編號：1671-7988（2019）01-63-03

Simulation and improvement of throttle body and compression ratioof Honda 125 engine

Liu Minjie，?Wang Lei，?Song Jiantong

（?Beijing Polytechnic?Automotive Engineering College，?Beijing 100176?）

Abstract：?In this paper， the Honda 125 engine in the Honda Energy Saving Competition is taken as the research object. The goal is to improve the EFI. Firstly， a simulation model is established in GT-POWER. Through the simulation calculation of engine working process， the influence of throttle body with different diameters on the negative pressure of engine intake manifold is analyzed to determine the throttle body diameter setting. On this basis， the influence of different compression ratio on engine power torque is analyzed to determine the improvement of compression ratio. In order to improve the performance of the engine and improve the performance of the competition， the optimization design of the common speed and the target economic speed of the energy-saving competition engine is carried out.Keywords： Throttle body;?compression ratio; improvementCLC NO.： U467.2+2 ?Document Code： B ?Article ID：?1671-7988（2019）01-63-03

1?背景和意義

本田公司于1981年在日本舉辦了第一屆HONDA節能競技大賽，2007年，中國也首次舉辦該賽事，并每年舉辦一次。本田中國節能競技大賽比賽要求參賽隊伍統一使用本田提供的125cc摩托車發動機，允許在本田125cc摩托車發動機的基礎上進行自由改造。以“每升汽油行駛的公里數”來公示節能車的比賽成績。

本田125發動機是一款化油器式發動機，原裝的化油器式的節氣門和壓縮比已經不能滿足對比賽中發動機性能的要求，因此筆者需要對發動機進氣系統、噴油系統和壓縮比等進行仿真和優化設計，進而對發動機進行電控燃油噴射的改進，實現動力性和經濟型的提高。

2 發動機仿真軟件簡介

2.1 GT-POWER軟件介紹

GT-POWER是一款由Gamma Technologies公司開發的具有發動機工業標準的模擬仿真工具，現在被世界上大多數的發動機和汽車制造廠家及供應商使用。GT-Power是GT-Suite系列軟件中的一部分，覆蓋了包括發動機本體、驅動系統、冷卻系統、燃油供給系統、曲軸機構、配氣機構等六個方面。

2.2 發動機仿真模型的搭建

2.2.1 進排氣管的數學模型

GT-POWER是一維氣體流動仿真軟件，在仿真過程中會把各部分管件劃分網格進行離散化計算。在網格的中心進行溫度、壓力等標量的計算;在網絡的邊界進行速度、質量流量等矢量的計算。在GT-POWER中，對于進排氣忽略了氣體的粘性和重力，可以視為一維非定常流動。

2.2.2 氣缸內燃燒模型

在GT-POWER中，對于不同類型的發動機有不同類型的燃燒模型可供選擇。對于一般的進氣道噴射的汽油機而言，我們用的是單韋伯燃燒模型EngCylCombSIWiebe-SI Wiebe Combustion Model。單韋伯燃燒模型是一個零維燃燒模型。所謂零維燃燒模型即認為燃燒過程僅僅是關于時間的函數，不僅沒有考慮空間參數的差別、幾何形狀的影響，還沒有考慮火焰傳播過程。但是對于一般的發動機性能仿真與預測，零維模型能夠較為準確的模擬出發動機缸內壓力的變化曲線，以便于對不同發動機工況進行比較與分析。

2.2.3 噴油器的數學模型

發動機工作過程中，噴油器噴出的燃油和空氣混合后實際是霧化燃油、液態燃油和空氣組成的混合物。GT-POWER為了模擬燃油的霧化，設定了“燃油霧化率”來描述。這里的定義的燃油霧化不是一個循序漸進的過程。而是定義其噴出噴油嘴之后便分成了兩部分，一部分是已經霧化了的燃油在進氣道中占一部分體積，一部分是沒有霧化的燃油則一直以液體的形式存在直到燃燒的進行。霧化的燃油等于燃油總量乘以燃油霧化率。一般來說使用經典的進氣道噴射模塊，燃油霧化率的值為0.3，具體如圖1。

3 節氣門體設計與改進

3.1 部分負荷工況意義

根據節能競技大賽的比賽性質，發動機一般工作在3000r/min到4500r/min比較經濟的轉速空間。實際的節能車賽車發動機的工作過程中，在3500r/min時一般節氣門開度只能達到10%到15%。所以對于節能大賽，模擬發動機的全負荷在一定程度上來講是沒有意義的，因此有必要設置節氣門體，只針對部分負荷進行發動機的仿真與計算。

3.2 節氣門體模型

要進行發動機的電噴改進，首先要進行節氣門體的設計和改進。在GT-power的模型中，節氣門的設置是通過一個限流閥來模仿節氣門效果，然后通過設置這個限流閥不同的直徑，來模擬節氣門的不同開度。

3.3 進氣負壓與節氣門開度和轉速的關系

不同轉速行下節氣門開度不同會對應不同的進氣負壓。如何確定限流孔的直徑和節氣門開度之間的關系便成為建模過程中的一個關鍵問題。我們通過之前電噴系統標定的數據，對應設置不同限流閥直徑造成進氣負壓的變化之間的關系，初步找出一個比較合適的限流閥直徑，來模擬10%到15%的節氣門開度。

如下圖所示，在10%到15%節氣門開度的時候，不同的轉速下對應不同的進氣負壓值。

3.4 限流閥直徑選擇

首先把限流閥的直徑設置為10mm，運算仿真結果觀察進氣負壓值。

（3000r/min時經過10mm限流閥后進氣負壓值為94.2kpa）

在限流閥直徑為10mm時，進氣負壓隨轉速的變化關系如下圖：

在限流閥直徑為5mm時，再次仿真，觀察進氣負壓值隨轉速的變化關系，得：

在限流閥直徑為3mm時，再次進行仿真計算，觀察進氣負壓隨轉速變化情況如下：

經過對比，限流閥在5mm時，進氣負壓的變化和15%節氣門開度進氣負壓的變化較為接近。因此可以用5mm的限流閥來模擬節能車發動機工作時的中小負荷工作區間。接下來我們用5mm的限流閥仿真節能車發動機最常用的工作區間的工作情況，觀察發動機的性能參數。

3.5 改進后發動機模型

4 壓縮比改進及驗證

考慮到比賽用油是98號汽油，相比93號汽油的抗爆性要好，所以我們認為可以適當的提高壓縮比以提高發動機熱

效率。在此發動機的基礎上通過內置增壓塊的方式減小燃燒室容積，把發動機的壓縮比由原來的9.0增加到11.0。

仿真結果對比如下圖所示，發動機的扭矩和功率都有不同程度的提高。從另外一方面也證明了我們增大壓縮比對于發動機動力性和經濟性的提升。

5 臺架驗證

通過壓縮比、節氣門體和其他進氣系統的改進優化，利用DW-20電渦流測功機，對發動機進行了電子控制噴射標定和發動機部分負荷試驗。經過發動機臺架測試，得出10%節氣門開度時的發動機實測性能與仿真性能對比曲線。

實測扭矩、功率與仿真的結果相吻合。在實際試車過程中，節能車由0-30公里/小時的加速時間由原來的平均5秒縮短到4秒左右，油耗值也由原來的0.9ml減小到0.7ml，發動機的經濟性節省了25%。

6 結論

本文主要的任務針對節能競技大賽本田125cc發動機進行電控燃油噴射改造過程中的節氣門體和壓縮比優化設計。通過GT-POWER進行節氣門體和壓縮比參數的優化設計，獲得了如下結論：

（1）改進的壓縮比設計提高了發動機經濟轉速下的充氣效率，改善了進氣質量、提高了低速扭矩，縮短了節能車的加速時間，對于最終減少比賽油耗提高比賽成績有重要意義。

（2）新的節氣門體的設計過程為下一步的進氣系統的設計提供了借鑒資料，對于提高節能競技發動機進氣系統的設計水平、減少試驗和成本具有很重要的意義。

參考文獻

[1]?石來華，馮仁華.基于GT—POWER模型的發動機進氣系統優化[J].客車技術與研究，2010，3.

[2]?王進，劉盟，程勇.FDI 10單缸汽油機進排氣系統的模擬分析.華末四省市內燃機學會.

[3]?岳貴平，張義民.基于試驗設計的發動機進氣系統動態優化設計[J]. 振動與沖擊，2011，30（2）： 177-180.

[4]?侯獻軍，鞏學軍，方丹，等.LJ276M 電噴汽油機進氣系統設計及優化[J].武漢理工大學學報，2009，33（4）.