FSAE方程式進氣系統的設計與優化

吳仁杰，宋志堯

（200093 上海市 上海理工大學）

0 引言

中國大學生方程式汽車大賽(簡稱“ 中國FSAE”)是由高等院校汽車工程或車輛相關專業的在校學生組隊參加汽車設計與制造的一項比賽。大賽要求該團隊在嚴格的規定下設計出一輛可以作為生產項目的汽車[1]。

進氣系統是發動機的重要組成部分，它的布置形式和結構參數將會影響穩壓腔內部氣流的流動形態和進入發動機4 個進氣道里的進氣量，從而影響進氣系統的充氣效率，進而影響發動機動力,王海剛等人對內燃機進氣系統進行流場分析[2]。

就發動機而言,大賽要求其排量不得高于600 mL,且總進氣均需通過一個直徑為20 mm 的限流閥。限流閥的存在使得原發動機的進氣量減少,影響了其動力性與穩定性,因此,國內外出現了很多針對方程式賽車發動機進氣系統的研究；彭才望[3]通過分析限流閥進出口錐角的角度,確定了最佳限流閥模型；龐圣桐[4]等以LD450 單缸發動機為載體,通過GT-Power 軟件對發動機進氣管長度和穩壓腔容積進行了優化；劉敏章[5]等通過Fluent 軟件對穩壓腔和進氣歧管進行分析,指出壓力與速度在流動過程中損失的主要部位,并據此對進氣系統進行了優化。

本文結合當前方程式的實際情況，參考各個參賽大學優秀的設計和借鑒往年賽車的進氣系統去設計一套完整全新的進氣系統，并且采用有限元軟件Fluent 進行對比分析，從而達到減少進氣系統質量、提高進氣系統充氣效率的目的。

1 進氣系統設計方案分析

1.1 節氣門體和發動機的選擇

本文節氣門體選用28 mm 直徑的蝶式節氣門體，因為其響應迅速，傳感器信號穩定，所以一直采用此節氣門體。發動機選用本田CBR600RR型號的發動機，其具體參數如表1 所示。因為從近幾年大賽的趨勢來看，四缸機的優勢要明顯高于單缸機，再加上擁有使用四缸機的經驗，所以選擇繼續使用它。

表1 CBR600RR 發動機參數表Tab.1 Parameters of CBR600RR engine

本文進氣系統廢除了側向進氣的方案，雖然側向進氣系統(如圖1 所示)便于在賽車上布置，但是通過流體分析可以看出發動機各缸進氣有明顯的不均勻，發動機的二缸和四缸進氣歧管質量流量明顯少于一缸和三缸，這個對于發動機輸出扭矩的影響是很大的，因為這樣不僅會使發動機的整體扭矩降低，同時，發動機輸出扭矩的平順性也會有明顯的下降，有可能會出現發動機在某一工況下扭矩持續波動的現象。因此針對這種進氣缺陷，本文的進氣系統采用了中間進氣(如圖2 所示)的進氣類型，并在此基礎上進行結構數優化，以實現各缸的進氣均勻度和提高發動機的充氣效率。

圖1 側向進氣Fig.1 Lateral inlet

圖2 中間進氣Fig.2 Middle inlet

1.2 進氣歧管長度的計算

由于進氣歧管的主要作用是將穩壓腔中的空氣分配到發動機的各個缸中，而且設計歧管長度時，利用其長度與進氣動態效應之間的關系可以增加進氣沖程的進氣量

如何調整進氣歧管的長度主要取決于穩壓腔的體積，如果穩壓腔的體積比較大，可以將穩壓腔視為與大氣相通的開口來計算歧管長度。

活塞下行產生的負壓波傳至節氣門開口端后變為正壓波反射回來，返回的時間為

式中：c——壓力波在管內的傳播速度，其大小等于音速。

該壓力波往返的周期應盡可能與進氣門開啟的時間相同。

進氣門在某一轉速下開啟的時間為

式中：n——轉速；θintakevalveopeningperiod——節氣門開度。

由此可以得出

根據CBR600RR 發動機高轉速動力強的特點，以及實際比賽中發動機經常使用的轉速區間，選取n=8 000 r/min 為計算轉速。

CBR600RR 發動機進氣門早開角為21°，進氣門晚關角為44°，故進氣門總的開啟周期所對應的曲軸轉角為

代入式（3）求得進氣管總長度L=0.86 m。

CBR600RR 發動機進氣道長度為94 mm，噴油底座長度為68 mm。大賽規則限制進氣總管不能太長，從節氣門開口到進氣歧管進口之間距離暫定550 mm?？汕蟮眠M氣歧管長度為148 mm。

穩壓腔的體積由經驗一般取3～8 倍的發動機排量，根據經驗穩壓腔的容積3 L 左右充氣效率最佳[6]。根據上面計算的進氣歧管長度148 mm，排氣總管1.2 m，以20 mm 為一個跨度，分析穩壓腔取3 L，排氣總管取1.2 m，當進氣歧管分別取128，148，168 mm 時，發動機輸出扭矩的變化結果依次如圖3 所示。

圖3 發動機輸出扭矩變化圖Fig.3 Diagram of engine output torque variation

由圖4 三份數據可知，發動機轉速在5 000 r/min以上時，進氣歧管為148 mm 發動機輸出扭矩要比歧管長度取128 mm 和168 mm 時的扭矩普遍高一些，因此，進氣歧管長度確定為148 mm。

1.3 進氣系統穩壓腔容積計算

如果穩壓腔體積取得太小，穩壓腔對進氣系統中壓力波的緩和能力就有限，但是如果穩壓腔體積取得過大，加速時空氣充滿穩壓腔所需要的時間就會變長，就會產生油門遲滯現象。根據經驗，穩壓腔體積取3～8 倍發動機排量，因此，分別分析穩壓腔體積取2，3，4 L 時，發動機輸出扭矩的變化，如圖4 所示。

分析結果可以看出，穩壓腔體積對發動機輸出扭矩影響也不大，但3 L 穩壓腔與2 L 和4 L穩壓腔相比，發動機5 000 r/min 以后扭矩略顯大些，故確定穩壓腔體積為3 L。

1.4 數模圖確定

由于進氣歧管長度和大賽對進氣系統規則的限制，進氣歧管若全部采用彎管，那么進氣系統會超出規則限制的區域，所以，進氣歧管采用全部直管的方案，這樣，可以為之后布置節氣門體和空氣濾清器保留足夠的空間。確定的進氣方案如圖5 所示。

圖5 改進的進氣系統Fig.5 Improved intake system

2 用Fluent 有限元分析軟件分析進氣系統

2.1 進氣口流場分析

大賽規則要求在進氣總管處加一個20 mm 的限流閥，用來限制發動機的最大進氣量，從而限制發動機的最大功率。限流閥前端開口起到組織氣流的作用，合適的開口錐角能有效組織氣流，從而減小進氣口處的紊流，減少進氣阻力，將限流閥對進氣的限制作用減少到最小，因此限流閥前端錐形管的設計很重要。通過經驗可先初步選定此錐形管的錐角為16°，通過Fluent進行流體分析，分別分析錐角取14°，16°，18°時，限流閥出口端的質量流量。分析結果如圖6 所示。

圖6 限流閥前端錐角選取Fig.6 Selection of front cone angle of flow limiting valve

由分析結果可以看出，限流閥前端錐管錐角取14°時，出口質量流量為1.474 26 kg/s；錐角取16°時，出口質量流量為1.428 43 kg/s；錐角取18°時，出口質量流量為1.501 32 kg/s。所以最終決定采用18°錐角設計。

2.2 總管擴散器的流場分析

根據經驗，初步選定擴散器的錐角為6°，并利用Fluent 分析擴散器錐角取5°，6°，7°時，其內部壓力和出口端氣流質量流量的變化。分析結果如圖7 所示。

圖7 擴散器錐角選取Fig.7 Selection of diffuser cone angle

由分析結果可以得出，擴散器采用5°錐角時，出口質量流量為0.710 043 kg/s；擴散器采用6°錐角時，出口質量流量為0.663 884 kg/s；擴散器采用7°錐角時，出口質量流量為0.751 523 kg/s，所以，選用7°擴散器錐角作為最終方案。

2.3 穩壓腔與進氣歧管的流場分析

穩壓腔內部氣流的運動主要與穩壓腔形狀和進氣總管出口端到穩壓腔之間過渡處的管的形狀有關，可以通過改變以上兩處的形狀來調節穩壓腔的內部氣流的運動。根據經驗，穩壓腔采用圓柱體可以很好地實現穩壓腔內部壓力的均勻，下面分析由進氣總管直接進入穩壓腔和在進氣總管出口端與穩壓腔之間設置過渡區兩種方案對穩壓腔內部氣流運動的影響。兩種方案的進氣系統三維模型和相應的采用Fluent 軟件分析得到的兩種穩壓腔內部流速如圖8 所示。

圖8 2 種方案進氣系統Fig.8 Two schemes of intake system

由以上分析結果對比可知，在擴散器出口端與穩壓腔之間設置過渡管可有效地組織穩壓腔內部氣流運動，減少氣流沖擊壁面造成穩壓腔內部氣流紊亂的現象，故采用方案2。

2.4 進氣歧管出口流量分析

進氣歧管是進氣系統的末端，4 個進氣歧管出口端的空氣質量流量最終決定了進入發動機各缸的進氣量是否真正均勻，如果某個進氣歧管出口端空氣質量流量相比其他3 個歧管較少，則可以通過改變歧管內徑尺寸來進行調整。初始進氣模型4 個歧管管徑均相同，大小為直徑40 mm，通過Fluent 分析各個歧管內流速線圖結果可以看出，采用4 個內徑相同的進氣歧管，2 缸和4 缸的歧管內空氣流量和其余2 個缸的歧管相比顯得少了一些，因此，將2 缸和4 缸的進氣歧管內徑設計得大一些，改為42 mm。修改后繼續用Fluent 軟件進行分析，將其分析的結果與已有的進氣系統進行對比，如圖9 所示。

圖9 2 種版本進氣流速分析圖Fig.9 Two versions of intake flow rate analysis chart

綜上所述，我們發現改進版本的進氣系統的充氣效率與已有版本相比得到了明顯提升，這也達到了我們預期的目的。

3 結語

本文主要對進氣系統進行布置，優化確定了進氣系統的歧管的參數和穩壓腔容積的參數，采用有限元軟件流體分析對設計好的全新的進氣系統進行仿真分析，通過對比已有的分析結果來不斷優化全新進氣系統的設計?？傊?，本設計著重考慮減輕進氣系統的整體質量，提高進氣系統的充氣效率，利用動態效應以及接合有限元軟件進行分析，為日后制造新的進氣系統提供參考。