FSAE賽車發(fā)動機進氣系統(tǒng)設計

鄭 穎，弋 馳

（西安航空學院，陜西 西安 710077）

FSAE賽車發(fā)動機進氣系統(tǒng)設計

鄭 穎，弋 馳

（西安航空學院，陜西 西安 710077）

文章主要對FSAE賽車發(fā)動機進氣系統(tǒng)進行分析，從而在符合大賽規(guī)則的前提下設計出符合FSAE賽車高速性能要求的進氣系統(tǒng)，即在賽車發(fā)動機進氣系統(tǒng)中安裝穩(wěn)壓腔。首先利用CATIA軟件繪制兩種進氣系統(tǒng)的3D模型（含有穩(wěn)壓腔和不含穩(wěn)壓腔），再將其導入到ANSYS軟件中進行模擬仿真分析，通過比較分析證明帶穩(wěn)壓腔的進氣系統(tǒng)在進氣速度的均勻性與進氣壓力穩(wěn)定性上均具有一定的優(yōu)勢。

FSAE賽車；發(fā)動機進氣系統(tǒng)；穩(wěn)壓腔

發(fā)動機是汽車的心臟部件，其結構的優(yōu)劣對發(fā)動機性能參數(shù)有著重要的影響，比如發(fā)動機的動力性、經(jīng)濟性、排放性等性能指標，如何改進進氣系統(tǒng)的充量系數(shù)，從而改善發(fā)動機的性能是發(fā)動機設計工作中較為重要的一個環(huán)節(jié)。而對于速度要求極高的FSAE賽車而言，進氣系統(tǒng)結構的重要程度更是不言而喻。由于FSAE賽車高速，質(zhì)量小的特點，出于安全的考慮，F(xiàn)SAE大賽要求所有參賽汽車的發(fā)動機進氣系統(tǒng)都要添加限流閥，以此來降低發(fā)動機的進氣量，從而降低賽車功率和限制車速，并且要求限流閥必須設置于發(fā)動機節(jié)氣門和進氣門之間。但加裝限流閥相當于增加了進氣的阻力，即改變了原來發(fā)動機的輸出性能；另外，賽車發(fā)動機一般為多缸結構，多缸發(fā)動機進氣時諧波增壓會對相鄰的氣缸進氣造成干擾，產(chǎn)生負增壓效應（俗稱搶氣）。考慮到以上兩個方面，文章提出增設一個緩沖區(qū)來減少搶氣，即增加一個穩(wěn)壓腔，通過其自身結構儲存一定量的空氣來減緩搶氣，從而改善發(fā)動機進氣系統(tǒng)的綜合進氣性能。

1 采用穩(wěn)壓腔的賽車進氣系統(tǒng)CATIA模型

（1）結構選擇。由于汽車的行駛方向總是逆著空氣的流動方向，所以進氣系統(tǒng)最前端的撞風量較大，針對這一問題，本次設計的賽車進氣系統(tǒng)采用對稱式的進氣管結構，這種布置形式有利于各缸的進氣平衡，改善進氣歧管上噴油器的噴油效果，并在一定程度上減少了回火等不良現(xiàn)象的發(fā)生；同時，這種形式的進氣管與進氣歧管上沒有凹面，受力均勻，增加了穩(wěn)壓腔的剛度。

（2）進氣歧管長度和穩(wěn)壓腔的體積。根據(jù)公式（1）計算進氣歧管的長度。

其中，L表示要計算的進氣歧管的長度；a為聲速，取a= 340m/s；q為波動系數(shù)，其值一般為1.5、2.5、3.5，考慮到本車所設計發(fā)動機的布置空間，取q=3.5；n為所用發(fā)動機的轉速，取9000r/min。經(jīng)過計算，得出進氣歧管的總長度為320mm，減去發(fā)動機上為進氣道部分預留的約70mm，所得的進氣歧管在發(fā)動機外部長度為250mm，經(jīng)初步證實改進氣管長度符合選用發(fā)動機的運行狀況。

賽車的穩(wěn)壓腔體積一般為2～8倍的發(fā)動機排量，對發(fā)動機外特性曲線進行仿真分析，得出當穩(wěn)壓腔體積在2～5倍發(fā)動機排量時，發(fā)動機動力曲線上升，而在6～8倍時出現(xiàn)下降。對于賽車選定的鈴木GSX-R600發(fā)動機，其排量為排量為599mL，參照2～5倍發(fā)動機排量，將穩(wěn)壓腔體積定為3L。

另外，該款發(fā)動機的節(jié)氣門體口徑為45mm，考慮到發(fā)動機進氣歧管下端要與發(fā)動機上的原裝節(jié)氣門體進行裝配，所以選定進氣歧管下端直徑為45mm。經(jīng)測量車架主環(huán)斜撐處給發(fā)動機進氣系統(tǒng)預留的空間寬度為360mm，所以穩(wěn)壓腔最寬處應小于360mm。

通過以上分析最終確定的建模參數(shù)如表1所示。利用這些參數(shù)在CATIA軟件中分別建立未安裝穩(wěn)壓腔的進氣系統(tǒng)的3D模型和安裝穩(wěn)壓腔的進氣系統(tǒng)的3D模型如圖1和圖2所示。

表1 進氣系統(tǒng)的建模參數(shù)

圖1 未安裝帶穩(wěn)壓腔的進氣系統(tǒng)的3D模型（左）

圖2 安裝穩(wěn)壓腔的進氣系統(tǒng)的3D模型（右）

（3）對兩種進氣系統(tǒng)結構進行ANSYS分析比較。利用ANSYS軟件對CATIA中建立的兩個模型分別進行Fluent流體分析，檢測各進氣管中的進氣壓力，其中圖3為未添加穩(wěn)壓腔的進氣系統(tǒng)Fluent流體分析圖，圖4為添加穩(wěn)壓腔的進氣系統(tǒng)Fluent流體分析圖。

圖3 未添加穩(wěn)壓腔的進氣系統(tǒng)ANSYS軟件分析（左）

圖4 添加穩(wěn)壓腔的進氣系統(tǒng)ANSYS軟件分析（右）

從圖3、圖4的分析結果可以得出，普通進氣在進氣一定時間后，第四缸的進氣由于壓力波動導致進氣速度明顯低于一二三缸，進而造成發(fā)動機各缸進氣不均勻，影響發(fā)動機性能。而對于增加穩(wěn)壓腔的結構，在相同的進氣時間后，四缸進氣在進氣口位置，進氣速度均勻，而且不會因為進氣波動導致四缸進氣不均勻。這樣的進氣能充分發(fā)揮發(fā)動機性能，保證各缸正常運轉。

2 結語

文章通過ANSYS軟件分析比較兩種進氣結構在發(fā)動機工況穩(wěn)定后的進氣壓力圖，得到普通進氣因為進氣波動原因，在二三缸造成進氣壓力低的問題，造成發(fā)動機二、三缸進氣不足，導致發(fā)動機動力不穩(wěn)和油耗的持續(xù)增加；而帶穩(wěn)壓腔的結構很好的解決了這個問題，保證了進氣歧管處的進氣壓力相等，發(fā)動機各缸進氣均勻，能充分發(fā)揮各缸的性能，并且對發(fā)動機的損傷較低。

［1］關文達.汽車構造［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2010.

［2］彭才望.FASE賽車用發(fā)動機進氣性能研究［D］.廣州：廣東工業(yè)大學，2013.

［3］詹熙達.CATIAV5產(chǎn)品設計實例教程［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2008.

［4］中國大學生方程式汽車大賽規(guī)則2015公示版［Z］.

［5］張欣欣，文健康，馮策，等.FSAE賽車發(fā)動機進氣系統(tǒng)優(yōu)化設計［J］.農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程，2013，（9）.

［6］張紅松.ANSYS 13.0有限元分析從入門到精通［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2011.

［7］吳建華.發(fā)動機原理2版［M］.北京：機械工程出版社，2013.

［8］劉外麗.進氣溫度對微型燃機燃燒室污染物排放性能的影響［J］.環(huán)保技術，2009，（4）.

［9］孫軍.車輛內(nèi)燃機原理［M］.北京：高等教育出版社，2001.

Design of Air Intake System for FSAE Racing Engine

ZHENG Ying，YI Chi
（Xi'an Institute of Aeronautics，Xi'an，Shaanxi 710077，China）

This paper mainly analyzes the intake system of FSAE racing engine，so as to meet the requirements of the competition rules to meet the FSAE racing high-speed performance requirements of the intake system，that is，in the car engine intake system to install the regulator chamber.First，the 3D model of the two intake systems（including the regulator chamber and the regulator chamber）was drawn by CATIA software.Then，the simulation was carried out in the ANSYS software.The comparison analysis showed that the intake air system has a certain advantage in the uniformity of the intake air velocity and the inlet pressure stability.

FSAE racing；engine intake system；regulator chamber

U464.134.4

A

2095-980X（2017）02-0076-02

2017-02-16

鄭穎，主要研究方向：汽車工程。