中國大學(xué)生方程式賽車進氣系統(tǒng)設(shè)計與流場分析

龍云浩 王子燁 李　穎 王海青

（南京農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，江蘇 南京 210000）

中國大學(xué)生方程式賽車進氣系統(tǒng)設(shè)計與流場分析

龍云浩 王子燁 李穎 王海青

（南京農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，江蘇 南京 210000）

根據(jù)大學(xué)生方程式賽事對賽車發(fā)動機進氣限流的規(guī)定，并結(jié)合我校寧遠車隊往年的參賽經(jīng)驗，對新賽季賽車的進氣系統(tǒng)進行設(shè)計與優(yōu)化。利用CATIA軟件和UG軟件建模和有限元分析、ANSYS軟件仿真分析，對進氣系統(tǒng)形式及相關(guān)部件參數(shù)進行選擇，并進一步確定進氣歧管連接的四管直徑和諧振腔的容積這兩個參數(shù)。同時對進氣系統(tǒng)做了結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能等方面的優(yōu)化。

FSAE賽車；進氣系統(tǒng)；仿真；優(yōu)化

中國大學(xué)生方程式汽車大賽是中國汽車工程及其合作伙伴在學(xué)習(xí)和總結(jié)了美國、日本、德國的經(jīng)驗基礎(chǔ)上，結(jié)合中國國情創(chuàng)辦的新型活動。在這項賽事里，要求參賽隊伍按照比賽規(guī)則，設(shè)計制造和測試一輛一級方程式賽車來參加比賽。我們知道，影響賽車性能的核心部件是發(fā)動機，而進氣系統(tǒng)對發(fā)動機的性能的發(fā)揮尤為重要。根據(jù)賽事規(guī)則，進氣系統(tǒng)的安裝與制造有四大要求：①進氣系統(tǒng)不得超出外框；②進氣歧管必須用支架或機械固定；③節(jié)氣門必須為機械控制；④必須在進氣系統(tǒng)的節(jié)氣門與發(fā)動機之間加裝一個限流閥，并且所有進入發(fā)動機氣缸的進氣氣流要經(jīng)過該限流閥（最大直徑20mm，且截面不能發(fā)生變化）。

結(jié)合大賽規(guī)則與往年參賽經(jīng)驗，我校寧遠車隊選用HondaCBR600摩托車發(fā)動機為賽車發(fā)動機，而原發(fā)動機進氣系統(tǒng)粗糙且進氣效率值不高，且作為摩托車發(fā)動機，其進氣系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式與性能均不符合賽事要求，所以我們將根據(jù)賽事規(guī)則要求來對該發(fā)動機進氣系統(tǒng)進行重新設(shè)計并進行優(yōu)化與流場分析。

1.進氣系統(tǒng)方案的確定與設(shè)計

1.1進氣系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

通過查找資料并結(jié)合我們所學(xué)的知識，我們了解到進氣系統(tǒng)作為發(fā)動機的供給系統(tǒng)，包含了空濾器、節(jié)氣門、進氣門、諧振腔、進氣總管、進氣歧管等結(jié)構(gòu)與零部件。

1.2進氣形式的確定

現(xiàn)代發(fā)動機進氣形式主要有渦輪增壓、機械增壓與自然進氣3種。3者相比，渦輪增壓勝在能很容易地提升性能，且易調(diào)校，但缺點是油耗有提升，低轉(zhuǎn)速下有明顯的渦輪遲滯，動力輸出不線性，壽命相對較短且保養(yǎng)費用較貴；機械增壓的優(yōu)點在于動力輸出線性，壽命很長，但缺點是動力提升的效果不如渦輪增壓，且維修保養(yǎng)費用昂貴，同時需要對發(fā)動機內(nèi)部進行改動，工作量較大；此外則是自然進氣，雖然進氣效率比不上前兩種進氣方式，但是工作平穩(wěn)可靠，動力輸出線性，并且充氣效率的改變可以通過改變進氣歧管的長度來實現(xiàn)，且根據(jù)以往賽事經(jīng)驗，發(fā)動機常處于中低轉(zhuǎn)速的工況下，所以我們選擇自然進氣為我們的進氣方式。

1.3進氣管形式的設(shè)計

我們的進氣系統(tǒng)采用對稱布置，如圖1所示，這種形式的布置有利于各缸的進氣平衡。在賽車行駛的過程中，由于進氣系統(tǒng)的最前端逆著氣流方向，使得進氣口的撞風(fēng)量較大，發(fā)動機能得到足夠的新鮮空氣。

表1　 3種不同錐角的限流閥分析結(jié)果對比

2.進氣系統(tǒng)各部件參數(shù)的選擇

對于賽車的發(fā)動機而言，發(fā)動機性能的高低取決于進氣量的多少，同時結(jié)合所學(xué)知識，我們知道進氣系統(tǒng)存在著進氣諧振效應(yīng)。由于我們的賽車采用的進氣方式為自然吸氣，所以為了提高發(fā)動機的充量系數(shù)，我們必須要合理地運用進氣諧振效應(yīng)。通過查閱資料，了解到影響進氣系統(tǒng)諧振效應(yīng)的主要因素是進氣歧管的口徑及諧振腔的容積，在后文中將說明我們對于這兩大因素的優(yōu)化與調(diào)整。首先，我們要嘗試確定其他部位合理的參數(shù)。

2.1節(jié)氣門口徑

根據(jù)相關(guān)要求，節(jié)流閥的控制為機械控制，因此，我們選擇了一個蝴蝶閥節(jié)氣門。當使用原文氏管節(jié)氣門（直徑45mm）時，節(jié)氣門口徑過大，會帶來一定程度上的油門遲滯現(xiàn)象。為保證較快的油門響應(yīng)和足夠的進氣量，我們參考了以往的相關(guān)論文，調(diào)整節(jié)氣門口的直徑至35mm，從而降低了進氣口的截面積，相對地提高了進氣量。

2.2進氣總管長度

限流閥位于進氣總管的最前端，也是進氣總管的一部分，所以我們將進氣總管的結(jié)構(gòu)形式確定為文氏管（進氣管的橫截面一頭由細逐漸擴大），該橫截面可迅速縮小空氣流，以增加空氣速率，同時將紊亂的氣流整合。進氣管太長時，會影響在高速工況下發(fā)動機的功率；而當進氣歧管過短時，發(fā)動機處于低速的運轉(zhuǎn)狀態(tài)下表現(xiàn)較差。參考賽事要求以及我校賽車整體設(shè)計，進氣歧管的長度的初選是221mm。

2.3諧振腔體積

為了大概計算進氣歧管的長度，我們使用了公式L=30a/（nq），在這里，a=340m/s，n是發(fā)動機轉(zhuǎn)速，所述q是波動系數(shù)（這里，q=1.5，2.5，3.5...）根據(jù)計算結(jié)果，我們將進氣歧管的長度初步確定為62mm。

2.4限流閥角度

從文獻［4］中，我們得知，根據(jù)比賽規(guī)則，在FSAE賽車發(fā)動機中，限流閥對進氣系統(tǒng)的壓力變化和速度變化具有較大影響，這一點非常重要。如圖2所示節(jié)流閥模型，限流閥形狀的改變對于發(fā)動機整體性能的發(fā)揮有著重要的影響。

限流閥開口處有一定的錐角，外緣呈喇機口狀展開，由于限流閥本體是一個截面逐漸收小的進氣管，喇叭口和錐角的設(shè)計可以更好地收集空氣，為限流閥引流，從文獻［5］中查得，40°為最佳限流閥開口參數(shù)，同時，針對限流閥本身給進氣壓力和進氣流速造成的巨大損失，位于限流閥后部安裝的擴散器，它是由有一定的錐角的一個截面積逐漸變大的經(jīng)典文氏管。根據(jù)以往經(jīng)驗，一個精心設(shè)計的擴散器可以有效地將限流閥造成的進氣壓力損失降低至最小。查閱文獻［6］后，我們得知7°為最佳擴散器錐角參數(shù)，長度則是在總布置合理的情況下越長越好，所以我們分別對相同長度的6°、7°、8°錐角擴散器進行ANSYS分析，得到壓力與流速的變化，并作比較。邊界條件設(shè)置如下：

壓力入口：1×105Pa；

壓力出口：0Pa；

殘差設(shè)定：1×10-3。

通過對6°、7°、8°3種不同錐角條件下的限流閥擴散器速度云圖、壓力云圖分析，對比結(jié)果見表1。

限流閥擴散器的判指標是氣流量和進氣壓力損失，過算擴散器末端截面的空氣流量為流速乘以截面積，并比較擴散器末端壓力。基于上述數(shù)據(jù)，吸入時壓力損失為7°時最小，最大空氣流量是7°。所以我們選擇7°為限流閥的角度流動的穩(wěn)定性。

3.進氣系統(tǒng)匹配設(shè)計

3.1諧振腔的優(yōu)化設(shè)計

從文獻［6］我們得知，進氣諧振系統(tǒng)是利用一定長度和直徑的進氣管，并在特定轉(zhuǎn)速下產(chǎn)生大幅值的壓力波增加進氣量，來提高充量系數(shù)f。圖3是我們基于亥姆霍茲諧振原理設(shè)計的球型進氣諧振腔，如圖3所示。

式中：

f：諧振頻率；

V：諧振腔容積；

c：聲速；

F：喉口截面積；

L：喉口直徑；

Lk=0.8d；

d：進氣管直徑。

本次優(yōu)化我們小組依據(jù)寧遠車隊的原發(fā)動機對諧振腔的容積做了改變，將諧振腔的直徑由原來的65cm改為60cm，并采用ANSYS軟件進行有限元分析，以尋找出合適的參數(shù)。

3.2進氣歧管的粗細設(shè)計

在進氣歧管這部分的優(yōu)化中，依據(jù)我校寧遠車隊上賽季的發(fā)動機進氣歧管的粗細并依據(jù)我們通過ANSYS分析得來的數(shù)據(jù)對4個管的直徑進行了修改，使其進氣更好更均勻。原來的進氣歧管1、4管（即外側(cè)兩管）上口徑為21cm，下口徑為20cm（圓臺形），錐度為0.008。現(xiàn)將1、4管的上口徑改為25cm，下口徑不變，錐度變化為0.04，2、3管（內(nèi)側(cè)兩管）為半徑20的圓管，錐度為0，現(xiàn)改為上口22.5，下口20（圓臺形），錐度為0.02。

4.進氣系統(tǒng)的演變過程

4.11號模型的建立

如上述4個模型（圖4～圖7），由1到2模型的轉(zhuǎn)化，1模型未考慮到限流閥的存在，后來老師指正了我們的錯誤并加以修改；2模型到3模型的轉(zhuǎn)化，我們小組參考了一些論文，在未考慮到實際情況的條件下誤以為諧振腔兩端的球形并不影響進氣流量，故取消了兩旁的半球；3模型到4模型的轉(zhuǎn)化，4管進氣管形狀由扁平狀改為圓臺，使氣流進入諧振腔的速度更快并且將諧振腔兩端的平面重新改成了半球形，增加了進氣流量。具體分析見下文。

5.進氣系統(tǒng)匹配仿真分析

5.1優(yōu)化前后進氣壓力參數(shù)變化

如圖8所示，1/4歧管與2/3歧管的進氣壓力差距約為26.7%；如圖9所示，1/4歧管與2/3歧管的進氣壓力差距約為22.2%；如圖10所示1/4歧管與2/3歧管的在進氣壓力差距約為18.2%；如圖11所示，1/4歧管與2/3歧管的進氣壓力差距約為4.7%。由文獻［6］可知，進氣壓力為圖11所示的數(shù)據(jù)時，四缸的進氣壓力分布比較均勻。

5.2優(yōu)化前后進氣速度參數(shù)變化

如圖12所示，1/4歧管與2/3歧管的進氣速度差距約為16.0%；如圖13所示，1/4歧管與2/3歧管的進氣速度差距約為8.4%；如圖14所示，1/4歧管與2/3歧管的進氣速度差距約為9.1%；如圖15所示，1/4歧管與2/3歧管的進氣速度差距約為2.7%。由此可以看出，當進氣速度為圖15所示的數(shù)據(jù)時，四缸的進氣速度分布最為均勻。運用文獻［7］流體力學(xué)的進氣系統(tǒng)的進氣流量計算公式可知，qv=∫AVdA，進氣流量與進氣速度成正比，在斷面面積A不變的條件下，進氣速度成正比越大，進氣流量越大。

5.3優(yōu)化前后進氣流量參數(shù)變化

如圖16所示，1/4歧管與2/3歧管的進氣流量差距約為18.4%；如圖17所示，1/4歧管與2/3歧管的進氣流量差距約為15.9%；如圖18所示，1/4歧管與2/3歧管的進氣流量差距約為11.6%；如圖19所示，1/4歧管與2/3歧管的進氣流量差距約為5.3%。由此可看出，圖19所示的參數(shù)中4個缸的進氣流量分布最為均勻，此時的進氣流量也最大。

5.4優(yōu)化前后進氣矢量圖變化

如圖20和圖21所示，優(yōu)化之前4個缸的進氣量分布并不均勻，混合氣流經(jīng)進氣管之后分別進入4個缸，中間2和3缸的進氣量會比1和4缸的進氣量要多，因此導(dǎo)致了4個缸的進氣量分布不均勻。調(diào)整進氣1/4歧管的錐度后，4根歧管進氣壓力差距縮小。

5.5優(yōu)化前后進氣流線圖變化

如圖22所示和如圖23所示，優(yōu)化之前的進氣流線比較紊亂。用流體力學(xué)知識，在進氣過程中，進氣管道內(nèi)壁光滑度會影響進氣過程中混合氣體流動的平穩(wěn)性，管壁越粗糙，進氣過程中的沿程損失就會越大，由于流體的黏性，會在管壁表面形成一層黏性底層厚度，當管壁的粗糙度大于黏性底層厚度時，流體經(jīng)過管壁時會有新的渦流的不斷產(chǎn)生，造成流體的能量損失，流體的紊流程度就會加快，從而導(dǎo)致進氣的效果不好。優(yōu)化之后，流體的紊流程度明顯減少，氣流比較平穩(wěn)，進氣速度明顯增大，并且擾流減少，有利于進氣。

5.6最終優(yōu)化后的進氣壓力圖與進氣速度圖（圖24～圖26）

由圖26比較可知，進氣速度與進氣流量成正比。為確保進氣歧管四缸的進氣壓力和進氣速度近似相等，且進氣流量最大，由圖可知，4號模型的數(shù)據(jù)最為綜合，即為最終的進氣系統(tǒng)模型。

6.最終進氣系統(tǒng)模型（圖27）

結(jié)語

我們小組主要對我校寧遠車隊新賽季賽車發(fā)動機進氣系統(tǒng)進行設(shè)計與優(yōu)化。在整個過程中，我們采用CATIA與UG來建立整個進氣系統(tǒng)模型，利用ANSYS軟件對優(yōu)化前后進氣壓力、速度、矢量圖和流線分別進行了分析及比較，根據(jù)結(jié)果分析得出此次結(jié)構(gòu)與尺寸的參數(shù)變化對進氣系統(tǒng)的影響。本進氣系統(tǒng)將運用于我校車隊新賽季賽車上。

［1］中國大學(xué)生方程式汽車大賽規(guī)則2013公示版［Z］.

［2］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(shè)計［J］. 農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程，2013，51（9），20～24.

［3］江大之星車隊. 2011年“江大之星”車隊賽車設(shè)計報告［R］.江蘇：江蘇大學(xué)，2011.

［4］彭才望.廣東工業(yè)大學(xué).FSAE賽車用發(fā)動機進氣性能研究［D］.廣東工業(yè)大學(xué)，2013.

［5］洪漢池，白煜杰，鐘銘恩.廈門理工學(xué)院學(xué)報［J］. FSAE發(fā)動機諧振進氣系統(tǒng)仿真及設(shè)計，2012（9）：25.

［6］陳家瑞.汽車構(gòu)造（上冊）［M］.北京：人民交通出版社，2005.

［7］張也影.流體力學(xué)（第二版）［M］.北京：高等教育出版社，1986.

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