FSAE賽車發動機進排氣系統優化設計＊

芮宏斌 張帥帥 史洋鵬 蔡斌 鄭文哲

（西安理工大學 機械與精密儀器工程學院，西安 710048）

主題詞：FSAE 發動機進排氣系統 仿真 優化

0 引言

發動機的進排氣系統設計對車輛動力性、燃油經濟性評價指標—功率和油耗的影響較大[1]。中國大學生方程式汽車大賽（FSAE）按賽事規則[2]要求，發動機進氣系統用限流閥的安裝直徑為20 mm，這種進氣系統布置結構對發動機的動力性有較大影響，會導致賽車在動態項目中發動機低速時扭矩和高速時功率的提升。對于自然吸氣發動機通過進排氣系統的結構參數優化設計，減少流動阻力，增加進氣量，解決動態賽中低速扭矩小，高速功率和充氣效率低的問題，提升動力性。

由于賽車發動機受試驗條件、研發成本等諸多因素限制，發動機性能仿真技術日趨成熟，逐漸成為發動機設計研究的主要輔助手段，各院校參賽車隊對此進行了大量的研究。吉林大學[3]利用GT-Power對3種不同結構的進氣限制器進行了分析計算，3種限制器對發動機性能影響差異較大，其進出口延伸角及半徑是影響發動機性能的最主要因素。長安大學[4]采用GT－Power建立發動機工作過程循環模擬與三維CFD流場分析相結合，優化進氣系統，提高了發動機功率、扭矩以及充氣效率，提高了發動機的動力性。西華大學[5]運用GT－Power分析了發動機進氣歧管長度及穩壓箱容積對發動機動力性能的影響規律。

為了提升限流閥存在情況下發動機的動力性能，本文研究進、排氣歧管長度和穩壓腔容積變化對賽車發動扭矩、功率以及充氣效率的影響規律。利用CATIA軟件建立了發動機CBR600RR相匹配的進排氣系統三維模型，將三維CFD流場分析與發動機工作過程循環模擬相結合，提出進排氣系統的優化設計方案，為西安理工大學FSAE賽車發動機系統設計提供理論依據，使得西安理工大學方程式賽車在2017賽季中總成績排名位列同濟大學之后北京理工大學之前，其中設計成績、高速避障成績、效率測試成績在西北參賽高校中位列陜西第一。

1 仿真模型的建立

1.1 模型建立

所研究對象為CBR600RR發動機，在其基本技術參數的基礎上建立發動機性能仿真模型。發動機技術參數如表1所示。

表1 CBR600RR發動機技術參數

利用GT-Power進行發動機進排氣系統的流動模擬計算，采用有限容積法解析控制方程；運用韋伯燃燒模型[6]放熱規律模擬燃燒；缸內熱傳導模型采用Woschni模型[7]。

（1）流動方程[7]

式中：u為氣體流速；ρ為氣體壓力；F為管截面積；f為管壁摩擦阻力；D為當量直徑；a為氣體流速加速度；k為傳熱系數；q為輻射能。

（2）燃燒模型[6]

（3）傳熱模型[7]

式中：Cf為氣體流速；Ucff為邊界層外有效速度；Cp為氣體比熱容；Pr為普朗克數。

根據上述原理，利用GT-Power軟件建立的發動機性能仿真模型包括進氣系統、排氣系統、噴油部件、氣缸和曲軸箱等[8]，模型如圖1所示。

圖1 發動機工作過程仿真分析模型

1.2 模型驗證

通過對比圖2可知，利用仿真模型進行發動機動力性計算得到的外特性曲線與實測得到的外特性曲線存在一定的差別。原機實測的最大功率比模型的最大功率大3 kW左右；原機實測的最大扭矩比模型的最大扭矩同樣大3 N·m左右；原機實測最大功率對應的轉速與模型的相同，原機模型功率和扭矩與實測值具有相同的趨勢，模擬結果比實測結果略小，最大偏差小于10%。說明采用該模型進行仿真計算比較準確，采用該方法對該款發動機工作過程模型可用于不同進排氣系統對發動機動力性能影響的計算分析。

圖2 發動機外特性實測、模擬對比圖

2 發動機進排氣系統的布置方案

2.1 限流閥優化設計

FSAE發動機動力性能發揮的優劣與進氣系統布置方式及其結構參數有著很緊密的關系[9-11]。安裝限流閥后，由于進入氣缸的進氣量低于正常進氣所需的進氣量，造成功率、扭矩下降。限流閥的整體幾何擴散形狀對進氣壓力的變化與恢復有很大的影響，我校FSAE賽車限流閥安裝于節氣門與穩壓腔之間，如圖3所示。

圖3 進氣系統布置方案

節氣門選擇開度流量線性口徑的雙滾筒式[12]，這樣可以減少因截面突變帶來的能量損失，限流閥入口直徑設置28 mm，喉口處直徑（賽事規則要求）設置20 mm，出口直徑（布置空間限制要求）設置50 mm。為了有效地將限流閥本身對進氣流速和進氣壓力造成的損失降至最低。需要對限流閥進口錐角與出口錐角進行優化設計，分別配合不同入口錐角與出口錐角，運用進行FLUENT流場分析，如表2和表3所示，計算得到流量、壓力、速度，并做比較，選定限流閥最佳的結構參數。

表2 不同出口錐角限流閥分析結果

表3 不同入口錐角限流閥分析結果

綜合速度矢量圖、壓力云圖和質量流量表可知，當入口錐角為18°、出口錐角為9°時限流閥出口流量最大，空氣流量損失最小，故該參數為最佳錐角數值。

2.2 進氣系統結構形式

進氣系統結構模型如圖4所示，主要包括：進氣口、限流閥、進氣總管、穩壓腔、進氣歧管。空氣通過空氣濾清器流經限流閥后進入穩壓腔，進氣歧管對稱布置，穩壓腔內加裝風杯。

圖4 進氣系統模型

2.3 排氣系統

排氣管模型與實物皆是參照Honda CBR600RR原機排氣管結構尺寸制作，設計原則主要是利用氣流的慣性和振動讓排氣門附近的壓力降低，選擇彎曲處曲率半徑大的彎頭，以減少排氣阻力，使排氣更加順暢，提高發動機的充量系數[13]。同時兼顧結構布置空間的考慮，模型如圖5所示。

圖5 排氣管結構模型

3 仿真計算與分析

3.1 進氣歧管長度對發動機性能的影響

根據進氣管氣流的慣性效應和波動效應[14]可知，合適長度的歧管長度可以有效的提高的充氣效率。本文以進氣歧管長度作為目標優化參數，模擬計算進氣歧管長度為60 mm、70 mm、80 mm和90 mm的情況下，發動機扭矩、功率和充氣效率隨轉速變化的曲線，如圖6所示。

圖6 進氣歧管長度對發動機性能的影響

由圖6（a）和（b）可知：進氣歧管長度從60 mm增加至90 mm時，在7 000～13 000 r/min的轉速區間對發動機的動力性有較大影響，在該轉速區間隨著進氣歧管長度減小，扭矩、功率輸出有明顯提升，峰值功率相對應的轉速也有所提高，但存在的扭矩、功率波動，進氣歧管長度為60 mm時，9 000 r/min轉速附近的功率、扭矩曲線均出現了較明顯的波谷。由圖6（c）可知，充氣效率隨轉速變化的曲線與扭矩曲線走勢基本一致。

3.2 穩壓腔容積對發動機性能的影響

在分析穩壓腔容積變化對動力性能的影響時，以穩壓腔的容積作為單一變量，分別設置為2.5 L、2.8 L、3.0 L、3.2 L、3.5 L，計算得到扭矩-轉速曲線和功率-轉速曲線如圖7所示。由圖7（a）和（b）可以看出：隨著穩壓腔容積從2.8 L增加至3.5 L時，發動機的功率和輸出扭矩在5 000～8 000 r/min區間內有極少量的降低，在8 500～11 000 r/min區間內有小幅度的降低；穩壓腔容積為3.2 L時，發動機動力性表現較為優異。

圖7（c）表明：當穩壓腔容積增加到3.2 L，在7 000～9 500 r/min轉速區間，充氣效率較高，進氣歧管可以平穩地把氣流吸入氣缸。當容積增加到3.5 L，充氣效率在7 000～9 500 r/min轉速區間內提升極小，有可能由于節氣門響應遲滯導致，因此，穩壓腔容積選擇3.2 L作為最優設計參數。

圖7 穩壓腔容積對動力性能的影響

3.3 排氣歧管長度對發動機性能的影響

排氣歧管長度影響排氣管道的壓力波，為了有效提升發動機動力性，可以利用壓力波動態效應優化排氣歧管長度，使得發動機的殘余廢氣系數減低，充量系數提高。考慮到發動機應具有良好的排氣動力效應及發動機艙空間的限制和賽事規則對排氣管布置的要求，利用GT－Power進行分析排氣歧管長度對發動機功率、扭矩和充氣效率的影響，結果如圖8所示。

從圖8（a）和（b）可知，在6 500～9 500 r/min轉速區間，單一改變排氣歧管長度對發動機動力性提升影響不大，其影響程度沒有同條件下進氣歧管的影響大。排氣管歧管長度增加至500 mm時，在9 500～11 000 r/min轉速區間，對功率、扭矩有較為明顯提升，但在5 000～8 000 r/min轉速區間，功率、扭矩存在較大的波動。在300～500 mm的長度范圍，當排氣管歧管長度設置為400 mm時，發動機功率、扭矩有較好的輸出，選擇排氣歧管長度為400 mm最為最終設計結果。從圖8（b）和（c）可知，排氣管歧管長度為500 mm，在6 000～6 500 r/min轉速區間，扭矩、充氣效率具有一定波動，推斷排氣壓力波在該轉速區間時，形成了諧振效應，導致此轉速點排氣阻力驟然增加，動力性顯著下降。

圖8 排氣歧管對發動機性的影響

3.4 優化前后對比

綜合分析結果并兼顧整車布置需求，將限流閥入口錐角設置為18°、出口9°、進氣歧管長度70 mm、穩壓腔3.2 L和排氣歧管長度400 mm作為最終設計結果。與2016賽季參數進行對比，結果如圖9所示。優化后發動機的峰值扭矩有所提高，并且峰值扭矩的輸出轉速區域加寬，輸出更加平穩，最大扭矩增幅可達11.6%。優化后發動機功率峰值相比2016賽季有大幅提高，且峰值功率對應的轉速也有所推遲，在10 000～15 000 r/min轉速區間的高轉速區域發動機的功率提升較為明顯。

圖9 優化前后對比

4 結論

（1）本文借助ANSYS/FLUENT完成不同進出口參數的下限流閥進行流場分析，得出最優參數組。結合分析得到的限流閥參數，借助GT－Power完成CBR600RR發動機一維模型的建立，建立的發動機工作過程仿真模型能夠準確模擬發動機的實際運行工況。

（2）本文利用GT－Power軟件對FSAE賽車發動機模型進行計算，分析對比了進、排氣歧管長度和穩壓腔容積變化對賽車發動扭矩、功率以及充氣效率的影響規律。找到了最佳設計參數，并進行了多種參數相結合優化，達到了更加合理的效果，對發動機系統進行了合理有效的改進。

（3）本文在分析進排氣管各參數時，采用單一變量的原則，未考慮到各參數交叉組合對發動機動力性的影響，因此存在一定的局限性。