關于小排量發動機進氣系統分析

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摘要：文章以本田CBR600發動機為例，在GT-Power下建立進氣系統，發動機及排氣系統模型并組裝為一套完整的模型。在增設了進氣道限流閥后，對進氣道長度和穩壓腔分別進行長度和容積的調整，對發動機扭矩進行模擬計算，通過對輸出結果的分析和對比，找到一個最合適的進氣道長度和穩壓腔容積。

關鍵詞：進氣系統；GT-Power；穩壓腔容積；進氣道長度

一套最適合的進氣系統不僅能夠為賽車提供更強大的動力，還能夠給駕駛者更靈活的反應。本文將針對小排量發動機的進氣道長度和穩壓腔容積進行對比分析，找到一套最合適的進氣系統。

1發動機參數

發動機具體參數可參考本田CBR600RR-F5發動機使用手冊。重要幾何參數如下：直列四缸汽油機，排量0.6L，缸徑和行程分別為67.0mm和42.5mm，壓縮比為12:1，單汽缸四氣門，進氣門直徑為28mm，排氣門直徑為24mm。其他參數參考使用手冊。

2模型搭建

本文所使用軟件為GT-Power，模型搭建過程中，整個動力模型被分為三個部分：進氣模型，氣缸曲軸（燃燒）模型和排氣模型。每個模型建立后，分別進行錯誤檢查，再整體搭建成為動力模型。其中進氣部分是本文分析重點。2.1進氣管路和排氣管路模型建立由于進排氣系統主要由管路構成，所以在GT-Power中，進排氣系統都會離散簡化成為圓管，彎管和接頭三種數字化模塊，各個模塊之間通過虛擬的線連接到一起，從而構成完整的系統。其中，進氣管路相對復雜，所被簡化成18根圓管和25個接頭，而排氣管路結構相對簡單，被簡化成為10根2.2氣缸曲軸（燃燒）模型缸體幾何參數參考發動機使用手冊建立，燃燒模型參考相關文獻選擇韋伯燃燒模型，而傳熱模型則選擇的是Woschni傳熱模型，建立模型如圖1所示。2.3整體動力模型裝配最后將進排氣模型和氣缸曲軸（燃燒）模型進行整合，得到最終的動力模型。

3方案設計與分析

3.1方案設計。穩壓腔的作用是，讓氣流在通過其腔內時形成更穩定的流場和壓力場，讓進入各個氣缸的空氣量更多，且更平均。如果穩壓腔容積設置的過小，則會導致進氣流在腔內流動和停留時間過短，無法形成穩定的流場和壓力場，不能產生明顯的進氣諧振效果；而如果將穩壓腔容積設置的過大，雖然其內部流場和壓力場更加穩定平均，但會產生油門響應遲滯的問題。參考相關文獻知，設定穩壓腔容積為發動機排量3~8倍為最佳。參考之前相關本田CBR600發動機進氣系統分析的文章知，最佳穩壓腔容積為3L，最佳進氣道長度為280mm，本文所研究為新一代本田CBR600，較上一代變化不大，故對比方案可參考之前的方案。設定穩壓腔容積為2.5L、3L、3.5L；由于空間安排的限定，最大進氣道長度為295mm，所以這里設定進氣道長度為260mm、270mm、280mm、290mm。得到對比分析方案如下，在三種不同穩壓腔體積下進行四種不同進氣道長度的模擬計算，選出最佳進氣道長度，然后對三種方案進行對比分析，選擇一套最適合本案的穩壓腔體積。在分析過程中，考慮到賽車全力加速時最常用的轉速是9000rpm~12000rpm，所以著重分析此轉速范圍內的發動機性能曲線。3.2三種穩壓腔體積下進氣管道長度分析結果。在三種穩壓腔容積下，對不同進氣道長度，發動機的扭矩進行模擬，輸出結果如圖2所示。從三個扭矩圖可以同時看出，當發動機轉速在7500rpm以下時，不同進氣道長度下扭矩相差不多；當發動機轉速上升到7500rpm到9000rpm之間時，進氣道長度越大，扭矩數值越大，進氣道長度為260mm和270mm的扭矩明顯比其他兩個數值（280mm和290mm）要低，但是后兩者之間的扭矩十分接近；當發動機轉速繼續攀升到9000rpm到12000rpm之間時，較長的進氣道長度反而會限制甚至明顯減低了發動機的扭矩，這是由于在高轉速的工況下，進氣道越長，進氣阻力越大，所以會降低進氣量，使發動機扭矩降低，例如進氣道最長的290mm設置，扭矩是降低最明顯的，而且是最小的。其他長度設定下的扭矩在高轉速下雖然也有所降低，但是降低幅度不明顯，且三者的扭矩也是比較接近并明顯高于長度為290mm的設定。同時考慮到賽車在全力加速過程中使用最多的轉速范圍為9000rpm到12000rpm，所以選擇280mm為最合理的進氣道長度。3.3最后總方案確定。通過上述分析對比可知，在不同穩壓腔容積下，進氣道長度為280mm的設定都是最佳選擇，此時可將不同穩壓腔容積下，進氣道長度為280mm時的扭矩整合到一起進行分析比較，找到最適合的穩壓腔容積。對比數據如下圖所示：從扭矩圖可以看出，當發動機轉速在7500rpm以下時，不同穩壓腔容積下扭矩相差不多；當發動機轉速上升到7500rpm到9000rpm之間時，穩壓腔容積越大，扭矩數值越大，但是三者之間的扭矩差值不明顯；當發動機轉速繼續攀升到9000rpm到12000rpm之間時，容積為3.5L的扭矩降低的最明顯且變成最小值，容積為3L的扭矩降低的最不明顯且變成最了最大值，考慮到賽車在全力加速過程中使用最多的轉速范圍為9000rpm到12000rpm，所以選擇3L為最合理的穩壓腔容積。通過上述分析對比，得到最合理穩壓腔容積為3L，最合理進氣道長度為280mm，與上一動機一樣。

4結論

通過對不同穩壓腔容積下，不同進氣道長度分別進行扭矩模擬計算和對比分析，找一套最適合本田CBR600的進氣系統。通過數據對比，并考慮實際駕駛中對發動機轉速的使用范圍可知，當穩壓腔容積為3L且進氣道長度為280mm時，發動機輸出的扭矩是最佳的。同時通過對比發現，兩動機雖然在原機數據上有所不同，但是在加裝限流閥后，所表現出的扭矩基本相同，且可以繼續使用上一代的穩壓腔和進氣道設定。

參考文獻

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作者:關亮亮 曾令輝 韓松朋 王本善  單位:遼寧工業大學