進(jìn)氣系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

余龍，徐生榮，朱銀，丁華鋒,

（1.湖北文理學(xué)院汽車與交通工程學(xué)院，湖北 襄陽 441053；2.湖北三環(huán)鍛造有限公司，湖北 襄陽 441700）

引言

中國大學(xué)方程式大賽規(guī)定油車發(fā)動(dòng)機(jī)排量必須為710cc以下，本車隊(duì)選用本CBR600作為參賽發(fā)動(dòng)機(jī)，規(guī)則為限制發(fā)動(dòng)機(jī)功率，必須在進(jìn)氣系統(tǒng)中安裝一個(gè)圓環(huán)形直徑為20㎜的限流閥，限流閥的增加大大降低了發(fā)動(dòng)機(jī)的自然充氣效率[1]。充氣效率又直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)的性能，通過合理設(shè)計(jì)進(jìn)氣模型參數(shù)，利用三維軟件 CATIA 建立 FSAE賽車發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)三維模型[2]。通過 ANSYS 軟件中的FLUENT模塊對(duì)進(jìn)氣系統(tǒng)模型進(jìn)行流場(chǎng)分析，對(duì)比分析歧管的進(jìn)氣均勻性，最后達(dá)到對(duì) FSAE 賽車發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)優(yōu)化的目的，以此來達(dá)到提高發(fā)動(dòng)機(jī)充氣效率的目的[3]。

1 進(jìn)氣形式的確定

歷年來隨著大賽的逐漸發(fā)展，逐漸形成了三種進(jìn)氣形式：①機(jī)械增壓；②渦輪增壓；③自然吸氣。四缸機(jī)主要采用自然吸氣形式。FSAE賽車進(jìn)氣系統(tǒng)包括以下結(jié)構(gòu)：

根據(jù)以上結(jié)構(gòu)確定了大致的進(jìn)氣形式為中央進(jìn)氣。

2 進(jìn)氣主管及限流閥的參數(shù)確定

根據(jù)規(guī)則需要以及車架設(shè)計(jì)計(jì)算出主管的長度為240 mm，由于限流閥存在于進(jìn)氣主管之內(nèi)，對(duì)限流閥采用文丘里管模型，當(dāng)氣體經(jīng)過限流閥時(shí)流速增大，壓力減小形成壓差，產(chǎn)生一定的吸力，因此合適的設(shè)計(jì)限流閥的入口漸縮角和出口漸擴(kuò)角，可以有效提高進(jìn)氣量。確定漸縮角范圍一般在10°- 20°，漸擴(kuò)角在5°- 7°，確定三組值，分別為（18°，5°）（18°，6°）（18°，7°）[4]。使用CATIA對(duì)這三組參數(shù)分別建立三維模型，通過FLUENT對(duì)建立模型進(jìn)行流場(chǎng)分析。三組參數(shù)統(tǒng)一使用壓力進(jìn)出口邊界條件：入口壓力設(shè)為101325Pa，湍流強(qiáng)度為5%；出口壓力設(shè)為97870Pa，湍流強(qiáng)度同樣設(shè)為5%。湍流模型采用標(biāo)準(zhǔn)的k-ε模型[4]。進(jìn)行迭代計(jì)算得出表1數(shù)據(jù)：

圖1 三組參數(shù)二的流場(chǎng)分析結(jié)果

表1 各角度限流閥通過的流量大小

通過對(duì)三組參數(shù)的比較確定限流閥漸縮角為18°，漸擴(kuò)角為7°。

3 穩(wěn)壓腔和進(jìn)氣歧管的參數(shù)確定

穩(wěn)壓腔容積是影響油門踏板的靈敏度的一個(gè)因素，容積過小，油門踏板的靈敏度會(huì)過高；容積過大，賽車油門的反應(yīng)又會(huì)過于遲鈍。穩(wěn)壓腔的容積一般在3-4 L左右，分別設(shè)計(jì)穩(wěn)壓腔容積為3.2L、3.4L、3.6L。根據(jù)諧振效應(yīng)在特定轉(zhuǎn)速下和進(jìn)氣門關(guān)閉之前，進(jìn)氣歧管內(nèi)產(chǎn)生大幅度的壓力波，使進(jìn)氣歧管內(nèi)進(jìn)氣壓力增高，從而增加進(jìn)氣量。由公式[5]：

c：聲速取值340m/s；

n：為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速取值9000r/min；

q=1.5、2.5、3.5.....（q為波動(dòng)系數(shù)）波動(dòng)系數(shù)選擇2.5；

由于噴油底座也屬于一段歧管長度，減去噴油底座長度，初步計(jì)算出歧管長度為155mm，歧管最大直徑為53.7mm，最小直徑為44mm，漸變角為4°。

4 進(jìn)氣模型的建立及優(yōu)化

通過以上得出的幾組數(shù)據(jù)在CATIA中建立三維模型如圖2，將建立好的模型導(dǎo)入到FLUENT進(jìn)行流場(chǎng)分析。

圖2 進(jìn)氣三維模型

對(duì)建立好的模型在FLUENT流體分析軟件中進(jìn)行仿真，導(dǎo)入模型后建立內(nèi)流域，使用MESH模塊進(jìn)行網(wǎng)格劃分。設(shè)置求解，由于本文考慮的是單純的流場(chǎng)特性分析，所以不涉及到換熱，采用標(biāo)準(zhǔn)的k-ε模型；采用壓力進(jìn)口邊界條件，進(jìn)口壓力設(shè)置101325Pa、出口壓力設(shè)置 97870Pa；壁面邊界條件采用無滑移邊界條件；溫度設(shè)置為26℃，迭代計(jì)算1000步，得出三種模型的質(zhì)量流量和流場(chǎng)特性。

圖3 不同體積穩(wěn)壓腔的流場(chǎng)分析圖

表2 三組模型歧管進(jìn)氣量百分比

如上圖3從上到下分別為穩(wěn)壓腔為3.2L、3.4L、3.6L時(shí)的流場(chǎng)特性和質(zhì)量流量。分別分析表2中的三種模型的質(zhì)量流量和流場(chǎng)特性得出3.2L和3.6L雖然在總質(zhì)量流量上差異不大，但是3.2L的1、4歧管與2、3歧管流量百分比分別相差30.06%、29.6%，流量百分比相差比較大。3.4L的總質(zhì)量流量十分接近理想值0.070㎏/s其四個(gè)歧管流量百分比與標(biāo)準(zhǔn)均勻進(jìn)氣情況下的百分比分別相差：5.7%、15.4%、12.1%、9.1%，其相對(duì)進(jìn)氣均勻性也強(qiáng)于其他兩種方案。綜上所述，本文得到穩(wěn)壓腔體積在3.4L為最佳方案。分析可知此模型在進(jìn)氣均勻性上有著明顯的不足，所以本文針對(duì)歧管長度再次優(yōu)化模型。

5 進(jìn)氣歧管的優(yōu)化設(shè)計(jì)

由于穩(wěn)壓腔容積為3.2L時(shí)進(jìn)氣太集中于2、3兩歧管，為了盡量讓四個(gè)歧管進(jìn)氣量均勻，增加其功率和扭矩。本文從新對(duì)歧管進(jìn)行了優(yōu)化，將2、3兩歧管的進(jìn)口口徑縮小至50mm，將1、4兩歧管口徑增大到56mm，并且對(duì)1、4兩歧管在結(jié)構(gòu)上進(jìn)行優(yōu)化，這里本文在1、4兩歧管進(jìn)口處引用了風(fēng)杯結(jié)構(gòu)，來實(shí)現(xiàn)增大1、4兩管的進(jìn)氣量的目的。在CATIA中重新建模，并在ANSYS 中建立好內(nèi)流域。

分別討論單個(gè)風(fēng)杯和兩風(fēng)杯的影響。

圖4 兩風(fēng)杯結(jié)構(gòu)優(yōu)化結(jié)果

結(jié)合圖4優(yōu)化的結(jié)果可知，通過建立兩個(gè)風(fēng)杯結(jié)構(gòu)使兩側(cè)歧管質(zhì)量流量的更均勻分布，并使進(jìn)氣系統(tǒng)的流場(chǎng)更加順暢，達(dá)到了對(duì)進(jìn)氣歧管的優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高了進(jìn)氣系統(tǒng)的充氣效率，有利于提升發(fā)動(dòng)機(jī)的性能。

6 總結(jié)

（1）本文通過結(jié)構(gòu)分析確定了進(jìn)氣系統(tǒng)各個(gè)結(jié)構(gòu)的參數(shù)。

（2）通過對(duì)進(jìn)氣模型的優(yōu)化，將總進(jìn)氣量從去年的0.0532kg/s提高到了接近理想進(jìn)氣量的0.0675kg/s，有效地提高的總進(jìn)氣量，提升了充氣效率。