摘 要

目前，随着国内机动车市场竞争的日趋激烈，加强自主开发能力以提升市场竞争力是各个车企的重点发展方向之一。在车辆发动机的原有基础上直接进行扩缸优化设计以开发出新的发动机型作为产品开发的一种高效方式受到了各大科研单位及企业的青睐。

本篇文章以铃木150摩托车发动机为研究对象，对它进行了扩缸优化设计与仿真分析。以下是本次设计的结果：

根据收集到的发动机各项基本参数以及性能参数，在GT-Power仿真模拟软件里成功地建立了铃木150发动机的仿真模型，之后对其进行了校正，使之能够用于对实物发动机的研究和开发。

在成功完成发动机仿真建模的基础上，接着对仿真模型进行了动力性方面的优化操作，具体优化改良了发动机的进排气系统以及配气正时模块。

完成对原发动机的优化后，接着对其进行了扩缸设计，将原发动机的汽缸直径从57mm增加至65mm。在发现单纯扩大缸径的效果不理想后，针对出现的问题进行了研究，并提出了优化进排气道的方案，使扩缸效果达到预期，完成了扩缸优化设计。

关键词：扩缸；优化设计；GT-POWER

ABSTRACT

At present, with the increasingly fierce competition in the domestic motor vehicle market, it is one of the key development directions for various car companies to strengthen their own development capabilities to enhance market competitiveness. It has been favored by major research institutes and enterprises to develop a new engine type directly as an efficient method for product development.

This article takes the Suzuki 125 motorcycle engine as the research, and carries out the optimization design and simulation analysis of the extended cylinder. The following are the results of this design:

Based on the collected basic parameters and performance parameters of the engine, a simulation model of the Suzuki 125 engine was successfully built in the GT-Power simulation software, and then it was calibrated to enable it to be used for real engine research. Development.

On the basis of successful completion of engine simulation modeling, the simulation model was then optimized for power performance, and the engine's intake and exhaust system and valve timing modules were optimized.

After completing the optimization of the original engine, it was followed by a cylinder expansion design to increase the cylinder diameter of the original engine from 57mm to 65mm. After discovering that the effect of simply expanding the bore is not satisfactory, the problems that have arisen have been studied, and a scheme for optimizing the intake and exhaust passages has been proposed, so that the effect of expanding the cylinders has been expected, and the optimized design of the extended cylinder has been completed.

Keywords:cylinder expansion;optimization design;GT-POWER

目录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景和意义 1

1.2国内外研究现状 2

1.3研究内容及预期目标 3

第2章 GT-Power仿真建模 4

2.1 GT-POWER简介 4

2.2 模型的建立 5

2.2.1 发动机基本参数 5

2.2.2 进气系统建模过程 5

2.2.3配气机构建模过程 7

2.2.4 缸体建模过程 8

2.2.5 排气系统建模过程 10

2.3 仿真模型的校正 11

2.3.1 扭矩和功率的校正 13

2.4 本章小结 15

第3章 发动机性能优化 17

3.1 确定优化参数 17

3.2 动力性优化过程 17

3.2.1 优化进气管直径 17

3.2.2 优化进气管长度 18

3.2.3 优化进气门正时 19

3.2.4 优化排气门正时 19

3.2.5 优化排气管直径 20

3.2.6 优化排气管长度 21

3.2.7 最终优化结果 22

3.3 本章小结 22

第4章 扩缸优化设计 23

4.1 扩缸后面临的问题 23

4.1.1　充气效率 24

4.1.2　泵气损失 24

4.2 扩缸后优化方案设计 25

4.2.1 进气道优化 26

4.2.2 排气道优化 28

4.2.3 扩缸优化方案评价 33

4.3 本章小结 33

第5章 总结 34

参考文献 35

附录 37

致谢 44

第1章 绪论

研究背景和意义

自从上世纪80年代我国摩托车进入民用领域以来，因为有各方面政策的积极引导加持，国内摩托车相关行业迎来了发展的春天。并且随着生产规模的不断扩大，于 1993年我国的摩托车产量首次超过了日本，并且在之后的九年里一致蝉联世界首位。2006年我国摩托车生产销售量首次宣告突破2000万辆，占据世界总量的一半以之多。自此我国便成为世界上公认的摩托车生产和消费大国。

但由于各方面的原因，包括大城市对摩托车的限制、过度重复建设、进口摩托车冲击、市场秩序混乱以及汽车等交通工具的竞争等，使得摩托车市场和产业在最近几年有些低迷。不过因其相对汽车的价格和机动性优势，以及对道路要求较低的属性，使得摩托车在我国农村仍有相当可观的市场。但作为农村重要的代步以及运输工具，摩托车性能必须要贴合农村需求，即在质量可靠耐用的基础上还要保证价格低廉。与此同时，当前市面上大多数国产摩托主要集中在中小排量车型上，在高排量摩托领域基本还是一片空白。随着中小排量的技术门槛越来越低，在产品同质的情况下，价格将是市场竞争的主导性力量。同时，日渐激烈的竞争也要求车企加快研发速度，以快速的推陈出新来占领市场。为了权衡利润，车企对于研发手段因而也有了更苛刻的要求。

发动机是车辆最重要的组成部分之一，发动机的性能优劣、成本高低直接影响到车辆的品质以及生产成本。而发动机的传统设计手法一般是按照“提出方案—绘制草图—测量计算—生产样机—样机测试—批量生产”的常规流程，这种流程必须要首先按照最初方案试制出初号机，然后对制造的原型机进行一系列台架试验，得出第一手数据，并针对台架试验结果进行分析，之后根据分析结果进行改进，不断的试制和试验才能得到用于生产的机型。这种设计方法在面对复杂的流动、传热和燃烧模型时，只能借助研发人员的经验公式进行估算，同时还得辅以大量的台架试验，对于更为复杂的模型往往无可奈何。相较于这种老旧的设计方式，现在的计算机仿真设计研发手法有很大的突破和提升：

1）、很多复杂和难以进行的试验可以直接模拟完成。

2）、可以大幅减少研发时间，不受时间和空间上的限制。

3）、降低投资门槛和投资风险，减少研发成本，节省开发过程中的资源能源消耗。

4）、可以大幅规避实际台架试验和其他试验中的风险，降低人身伤害和财产损失。

所以说，使用计算机仿真软件模拟来代替传统的研发方式，有利于减少设计疏漏、降低研发门槛、缩短开发周期并能满足实际市场中对产品多样化特殊化以及小批量的生产需求。对于扩大我国发动机零部件生产规模，加强自主研发能力有重要的战略意义和实际价值。

1.2国内外研究现状

• • 1. 国内现状

2009年湘南学院的谢袁飞通过对165F柴油机进行一系列地扩缸变型设计而取得了大量的设计成果， 170F、170F-A与175F-l柴油机陆续问世^[1]。

2015年，第11届中国CAE工程分析技术年会上，黄硕发布了在东风商用车dCI11发动机缸体的扩缸优化设计中取得的一系列成果；他应用有限元分析技术对dCI11发动机的缸体使用有限元分析法来进行了相关的分析；在他的扩缸优化研发过程中，成功将发动机的缸径从先前的123mm增加至128mm；之后又使用HyperWorks软件分析比较了原方案与新方案中的发动机缸体的缸体静态强度和模态^[2]。

2016年，重庆大学机械传动国家重点实验室研究了缸径对微型内燃机微燃烧特性的影响机理及探索实现燃烧的临界缸径，并运用微观化学反应机理对不同缸径和压缩比时的微型内燃机燃烧和排放性能进行分析，根据实验结果对微型内燃机微燃烧性能影响和极小化分析^[3]。

减少缸套的壁厚有着在确保发动机紧凑性的同时还能加大排量的优点，虽说如此，但是缸套变形的难题却始终是横亘在减少缸套壁厚的许用厚度前的一道瓶颈；2016年一汽解放汽车有限公司无锡柴油机厂对于缸套壁厚受到缸套变形制约的这个技术难题，着手以缸套壁厚和缸套材料为试验目标，评判标准则选择了缸套变形圆柱度以及傅里叶展开系数，来探究了可行的薄壁湿式气缸套 ^[4]。

2017年景德镇学院苏和堂以R180柴油机为研究对象，使用Matlab的优化功能模块来求解发动机的活塞最优的行程和最佳的气缸直径，并最终完善了基于Matlab的柴油机气缸直径和活塞行程的优化设计方法^[5]。

2011年上海交通大学汽车电子控制技术国家工程实验室使用GT-Power仿真工具建立了某2.0L汽油机的性能仿真模型，之后以原机台架试验数据来验证了该模型的正确性；分析了两阶段可变进气歧管长度和可变进气门正时方案对发动机性能的影响，并对原机进气歧管长度、配气相位、稳压腔容积和点火角等参数进行了优化^[6]。

• • 1. 国外现状

2011年伊利诺伊大学厄巴纳分校设计了一种基于1D细节模型的空气路径MVEM建模方法。这种方法可以在原型引擎可用之前得到控制设计的MVEM。与基于测试数据的方法相比，它降低了成本、风险和劳动力。这个MVEM模型可以在模块中构建，并且可以为特定的引擎验证参数。这些优点使它适用于广泛的发动机^[7]。

2012年剑桥大学为满足严格的排放法规，提高车辆的可靠性和可驾驶性，实现了对燃烧过程的控制和诊断，提出了一种综合实用的方法来估算曲轴转速波动对缸内压力的估计。针对负载转矩估计、压力剖面与邻接气缸的分离等问题分别给出了解决方案^[8]。

1.3研究内容及预期目标

本次毕业设计研究的基本内容主要包括以下几点：

1）、某小型汽油机的性能与结构参数分析；

2）、基于GT-POWER的汽油机建模；

3）、仿真模型的校正与检验；

4）、扩缸设计方案分析；

5）、扩缸后的性能仿真分析；

6）、扩缸后的结构参数优化设计。

本次毕业设计的主要目标如下：

1）、了解GT-Power的基本操作，熟练掌握基于GT-Power的建模手法；

2）、对某小型汽油机气缸进行扩缸设计，并对扩缸后气缸性能进行仿真；

3）、对仿真结果进行分析，针对设计缺陷进行方案优化；

4）、总结出一套完善的某小型汽油机扩缸设计方案。

第2章 GT-Power仿真建模

2.1 GT-POWER简介

由Gamma Technologies公司研发的GT-power模拟仿真软件功能十分优异，它本身就具有对发动机本体、燃油供给系统、配气机构、驱动系统、曲轴机构进行模拟仿真的能力。它采用有限体积法来模拟流动模型，辅助建模功能及其强大，自备有完善的燃烧模型、丰富的控制功能、可以和SIMULINK进行耦合求解、和三维的CFD软件耦合计算，还可以选择直接优化或者DOE优化两种方法对建立的仿真模型进行优化改良，同时还能完成进、排气系统的噪声分析，并对进、排气系统的消音部件进行优化操作。GT-Power所具备如此优异的仿真模拟能力使得它被许多发动机和汽车制造厂家及供应商青睐。

在使用这款软件进行模拟仿真设计时，应首先将发动机的各个机构模块化处理。然后使用GT-Power模拟计算缸内气体流动、燃烧、传热等过程。建模过程中，首先将各个仿真模块以原本在发动机上的结构依次相接，然后再输入关键性的参数并采用合适的燃烧、传热模型，最后根据发动机真实的工况数据不断修改，就能够得到较准确的仿真效果。在模型成功建立之后，可通过模型来观察发动机经济性、动力性以及排放性受各个基本参数以及性能参数的影响，之后就可以高效地针对其中发现的种种问题进行针对性优化。用GT-power进行仿真模拟的过程为:

图2.1 GT-Power仿真模拟过程

除了上述的GT-Power建模基本过程外，想要顺利建立一个发动机仿真模型还需要做到下面这几点要求：

1）、准确的基本参数。准确无误的发动机基本参数是建模之始，特别是缸径、冲程、连杆长度、压缩比、 气道气门直径、气门升程曲线以及气道流量系数等一系列的缸内结构参数与配气机构参数，一定要确保无误。

2）、合理的传热和燃烧模型。不同模型针对的对象和参数不同且复杂程度有区别，所以选模型要根据实际情况来进行分析判断。

3）、 准确的发动机试验数据。建模的校正和调试与它紧密相连。为减少误差常常选择将各数据进行同时测取。因为本次设计条件有限，所以使用的的实验数据均为收集到的参考值。

2.2 模型的建立

发动机建模所需的数据首当其冲的是发动机的基本参数数据。通过查阅相关资料，学习网上的各种教程，本文最终确定了“进气系统—配气机构—气缸—排气系统”的建模顺序。

2.2.1 发动机基本参数

本文研究的发动机基本参数如表2.1所示

表2.1发动机基本参数

此外，为顺利完成建模任务还收集了包括油耗量等相关试验参数，以便顺利建立模型。

2.2.2 进气系统建模过程

发动机进气系统结构简图如图2.2，根据此图建立的进气系统模型如图2.3。

图2.2发动机进气系统结构简图

图2.3发动机进气系统GT-Power模型

①．空滤器模型

因为空滤器在GT-Power中是没有与之相对应的模块的，所以本次建模决定使用腔体来代替空滤器模型。使用腔体来代替空滤器时需要注意使腔体和空滤器大小相等。

②．化油器模型

同上，GT-power中亦缺少化油器模块，所以在此使用喉管加喷油器来替代建立相应模型，而是用喉管加喷油器啦替代化油器模型的替代要点就在于，混合气的浓度需要定义空燃比来反应——在模型建立中，空燃比的作用有如下两点：

1）、发动机进气量的确定。因为未能收集到该发动机进气量的相关数据，所以本文间接地使用用油耗量和空燃比来获得该项数据（进气量=油耗量×空燃比）。

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