关于小排量发动机进气系统分析

摘要：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。

关键词：进气系统；GT-Power；稳压腔容积；进气道长度

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。

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。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：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。

参考文献

[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.

作者:关亮亮 曾令辉 韩松朋 王本善  单位:辽宁工业大学