本田125发动机节气门体和压缩比的仿真与改进

刘敏杰 王磊 宋建桐

摘 要：文章以本田节能大赛参赛的本田125发动机为研究对象，目标是实现电喷改进。首先在GT-POWER中建立仿真模型，通过发动机工作过程仿真计算，分析不同直径的节气门体对发动机进气管负压影响来确定节气门体直径的设定。并在此基础上，分析不同压缩比对发动机功率扭矩的影响来确定压缩比的改进。从而针对节能竞技大赛发动机的常用转速和目标经济转速进行优化设计，改进发动机性能，提高比赛成绩。关键词：节气门体;压缩比;改进中图分类号：U467.2+2  文献标识码：B  文章编号：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年在日本举办了第一届HONDA节能竞技大赛，2007年，中国也首次举办该赛事，并每年举办一次。本田中国节能竞技大赛比赛要求参赛队伍统一使用本田提供的125cc摩托车发动机，允许在本田125cc摩托车发动机的基础上进行自由改造。以“每升汽油行驶的公里数”来公示节能车的比赛成绩。

本田125发动机是一款化油器式发动机，原装的化油器式的节气门和压缩比已经不能满足对比赛中发动机性能的要求，因此笔者需要对发动机进气系统、喷油系统和压缩比等进行仿真和优化设计，进而对发动机进行电控燃油喷射的改进，实现动力性和经济型的提高。

2 发动机仿真软件简介

2.1 GT-POWER软件介绍

GT-POWER是一款由Gamma Technologies公司开发的具有发动机工业标准的模拟仿真工具，现在被世界上大多数的发动机和汽车制造厂家及供应商使用。GT-Power是GT-Suite系列软件中的一部分，覆盖了包括发动机本体、驱动系统、冷却系统、燃油供给系统、曲轴机构、配气机构等六个方面。

2.2 发动机仿真模型的搭建

2.2.1 进排气管的数学模型

GT-POWER是一维气体流动仿真软件，在仿真过程中会把各部分管件划分网格进行离散化计算。在网格的中心进行温度、压力等标量的计算;在网络的边界进行速度、质量流量等矢量的计算。在GT-POWER中，对于进排气忽略了气体的粘性和重力，可以视为一维非定常流动。

2.2.2 气缸内燃烧模型

在GT-POWER中，对于不同类型的发动机有不同类型的燃烧模型可供选择。对于一般的进气道喷射的汽油机而言，我们用的是单韦伯燃烧模型EngCylCombSIWiebe-SI Wiebe Combustion Model。单韦伯燃烧模型是一个零维燃烧模型。所谓零维燃烧模型即认为燃烧过程仅仅是关于时间的函数，不仅没有考虑空间参数的差别、几何形状的影响，还没有考虑火焰传播过程。但是对于一般的发动机性能仿真与预测，零维模型能够较为准确的模拟出发动机缸内压力的变化曲线，以便于对不同发动机工况进行比较与分析。

2.2.3 喷油器的数学模型

发动机工作过程中，喷油器喷出的燃油和空气混合后实际是雾化燃油、液态燃油和空气组成的混合物。GT-POWER为了模拟燃油的雾化，设定了“燃油雾化率”来描述。这里的定义的燃油雾化不是一个循序渐进的过程。而是定义其喷出喷油嘴之后便分成了两部分，一部分是已经雾化了的燃油在进气道中占一部分体积，一部分是没有雾化的燃油则一直以液体的形式存在直到燃烧的进行。雾化的燃油等于燃油总量乘以燃油雾化率。一般来说使用经典的进气道喷射模块，燃油雾化率的值为0.3，具体如图1。

3 节气门体设计与改进

3.1 部分负荷工况意义

根据节能竞技大赛的比赛性质，发动机一般工作在3000r/min到4500r/min比较经济的转速空间。实际的节能车赛车发动机的工作过程中，在3500r/min时一般节气门开度只能达到10%到15%。所以对于节能大赛，模拟发动机的全负荷在一定程度上来讲是没有意义的，因此有必要设置节气门体，只针对部分负荷进行发动机的仿真与计算。

3.2 节气门体模型

要进行发动机的电喷改进，首先要进行节气门体的设计和改进。在GT-power的模型中，节气门的设置是通过一个限流阀来模仿节气门效果，然后通过设置这个限流阀不同的直径，来模拟节气门的不同开度。

3.3 进气负压与节气门开度和转速的关系

不同转速行下节气门开度不同会对应不同的进气负压。如何确定限流孔的直径和节气门开度之间的关系便成为建模过程中的一个关键问题。我们通过之前电喷系统标定的数据，对应设置不同限流阀直径造成进气负压的变化之间的关系，初步找出一个比较合适的限流阀直径，来模拟10%到15%的节气门开度。

如下图所示，在10%到15%节气门开度的时候，不同的转速下对应不同的进气负压值。

3.4 限流阀直径选择

首先把限流阀的直径设置为10mm，运算仿真结果观察进气负压值。

（3000r/min时经过10mm限流阀后进气负压值为94.2kpa）

在限流阀直径为10mm时，进气负压随转速的变化关系如下图：

在限流阀直径为5mm时，再次仿真，观察进气负压值随转速的变化关系，得：

在限流阀直径为3mm时，再次进行仿真计算，观察进气负压随转速变化情况如下：

经过对比，限流阀在5mm时，进气负压的变化和15%节气门开度进气负压的变化较为接近。因此可以用5mm的限流阀来模拟节能车发动机工作时的中小负荷工作区间。接下来我们用5mm的限流阀仿真节能车发动机最常用的工作区间的工作情况，观察发动机的性能参数。

3.5 改进后发动机模型

4 压缩比改进及验证

考虑到比赛用油是98号汽油，相比93号汽油的抗爆性要好，所以我们认为可以适当的提高压缩比以提高发动机热

效率。在此发动机的基础上通过内置增压块的方式减小燃烧室容积，把发动机的压缩比由原来的9.0增加到11.0。

仿真结果对比如下图所示，发动机的扭矩和功率都有不同程度的提高。从另外一方面也证明了我们增大压缩比对于发动机动力性和经济性的提升。

5 台架验证

通过压缩比、节气门体和其他进气系统的改进优化，利用DW-20电涡流测功机，对发动机进行了电子控制喷射标定和发动机部分负荷试验。经过发动机台架测试，得出10%节气门开度时的发动机实测性能与仿真性能对比曲线。

实测扭矩、功率与仿真的结果相吻合。在实际试车过程中，节能车由0-30公里/小时的加速时间由原来的平均5秒缩短到4秒左右，油耗值也由原来的0.9ml减小到0.7ml，发动机的经济性节省了25%。

6 结论

本文主要的任务针对节能竞技大赛本田125cc發动机进行电控燃油喷射改造过程中的节气门体和压缩比优化设计。通过GT-POWER进行节气门体和压缩比参数的优化设计，获得了如下结论：

（1）改进的压缩比设计提高了发动机经济转速下的充气效率，改善了进气质量、提高了低速扭矩，缩短了节能车的加速时间，对于最终减少比赛油耗提高比赛成绩有重要意义。

（2）新的节气门体的设计过程为下一步的进气系统的设计提供了借鉴资料，对于提高节能竞技发动机进气系统的设计水平、减少试验和成本具有很重要的意义。

参考文献

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