大學生方程式賽車的發動機可變進氣技術研究

王瑄毅　李家洪　孫宇軒　郝尚瑞　覃朗

摘 要：可變進氣歧管是一種廣泛應用于乘用車自然吸氣發動機的技術，與傳統的進氣系統相比，其全轉速范圍的充氣效率較高，利于動力性和經濟性，它利用了氣體的波動效應和發動機的進氣諧振，卻較少應用在FSAE賽車中。本文首先提出了一種兩段式的可變進氣系統，其次提出了一種新型的連續式的可變進氣系統，并在GT-power中進行了發動機模型的搭建，確定了歧管的穩壓箱體積和歧管參數。本文對兩種形式的可變進氣歧管進行了對比分析，發現兩段可變進氣系統相較于固定式，在中高轉速的扭矩和功率輸出都有提升，連續式可變進氣系統相較于兩段式，在保持低轉速扭矩的同時，提升了高轉速的扭矩。

關鍵詞：汽車工程 賽車 大學生方程式 發動機 可變進氣歧管

Research on Variable Air Intake Technology of Engine in Formula Undergraduate Racing

Wang Xuanyi Li Jiahong Sun Yuxuan Hao Shangrui Qin Lang

Abstract：Variable intake manifold is a technology widely used in naturally aspirated engines of passenger cars. Compared with traditional intake systems， its charging efficiency in the full speed range is higher， which is conducive to power and economy. It takes advantage of the gas wave effect and the engine's intake resonance， but it is rarely used in FSAE racing cars. This article first proposed a two-stage variable intake system， and then proposed a new type of continuous variable intake system， and built the engine model in GT-power， determined the manifold， the volume of the surge tank and the parameters of the manifold. This article compares and analyses the two types of variable intake manifolds and finds that the two-stage variable intake system has improved torque and power output at medium and high speeds compared to the fixed one. Compared with the two-stage type， the high-speed torque is improved， while maintaining the low-speed torque.

Key words：automotive engineering， racing， Formula Student， engine， variable intake manifold

1 引言

FSAE（Formula SAE）大學生方程式賽車大賽是由國際汽車工程師學會開辦的，要求參賽大學生設計團隊設計一輛小型的和標準方程式賽車類似的賽車，并且要求設計的賽車在加速、制動和操控性方面表現優異并且穩定耐久。FSC規則2020[1]中要求發動機排量小于710cc，因此各院校選取不同的發動機來滿足整個賽事的需求，且隨著賽事的舉辦，較多的院校選擇了單缸機，并對進氣系統進行了全新設計。近年來，隨著中國大學生方程式賽車大賽在中國快速發展，各高校非常重視對賽車的設計。進氣系統是FSAE賽車的重要組成部分，對賽車的動力響應有重要影響。為使賽車在不同工況下能產生較大的扭矩，提高充氣效率，一些自然吸氣車隊對進氣歧管和穩壓箱進行了優化設計。可變進氣系統是民用車中常見的進氣系統，其目標是利用氣體的波動效應和發動機進氣諧振，通過調節歧管長度以及穩壓箱容積，來提高發動機的充氣效率，并實時產生最大可能的扭矩[2]。

2 可變進氣方案設計

2.1 可變進氣原理

本次在大學生方程式賽車大賽中引入單缸機可變進氣歧管的設計，來提高自然吸氣狀態下的進氣充氣效率。由于自然吸氣的進氣方式導致低轉速下扭矩較低。因此利用可變進氣系統設計的方法來改善這個現象。選擇KTM 690單缸發動機為研究對象。該發動機為單缸四沖程活塞式發動機，其各項技術參數如表1所示。

發動機的扭矩和功率輸出對該發動機的性能特點具有重大影響，這兩項性能的優劣主要取決于發動機的充氣效率[18]。可變進氣系統利用進氣諧振在進氣歧管內氣缸吸氣產生低壓波，在進氣歧管內傳遞到諧振腔內瞬時產生高壓波反向傳遞，通過一定長度歧管，使高壓波在吸氣沖程時進入發動機，提高充氣效率，如圖1（a-d）[3]。采用該項技術的發動機經過諧振充氣之后，其充氣效率可大于1.0，且避免了當進氣門即將關閉時的缸內新鮮氣體的回流[4]。

在進氣管長度一定的情況下，進氣管內的低壓波和高壓波在進氣管內來回傳播所需要的時間是相等的，但是進氣門開啟持續時間卻是變化的，它取決于發動機轉速。隨著發動機轉速的升高，進氣門開啟持續時間縮短，流進氣缸的空氣量減少，若低壓波和高壓波傳播的時間不變，則將會導致在高波傳入氣缸前，進氣門已經關閉，使得諧振充氣無法進行。

可變進氣一般有兩段式可變進氣和連續可變進氣，兩段式有對應發動機低轉速到中轉速的長進氣管道和對應發動機高轉速的短進氣管道，通過控制閥片來使氣流在不同轉速下通向兩條不同的進氣管路[5]。兩段式有結構和控制簡單以及可靠的特點，但由于氣門開啟時間隨轉速改變，所以兩個長度固定的進氣管道不是能保持最佳充氣效率方案。連續可變的進氣管道就可以根據不同轉速下氣門開啟時間來匹配不同長度的進氣管道，來保證一個較高的充氣效率。同時，連續可變式進氣歧管擁有穩壓箱容積和進氣道長度同時可變的特點，并且可以依據發動機不同轉速控制舵機旋轉，使內腔位于不同角度，來控制穩壓箱容積與進氣道長度的無極連續變化。

2.2 兩段可變式進氣系統方案

兩段可變式進氣歧管主要由長短兩根歧管構成。在發動機轉速位于低轉速區間時，短歧管閥門關閉，氣體將全部流向長歧管，充分利用低轉速時汽缸頭吸氣產生的低壓波，與長歧管及穩壓箱內的高壓波進行進氣諧振，提高充氣效率[17];在發動機轉速位于高轉速區間時，歧管閥門完全打開，此時氣體將大部分從短歧管流入，以滿足發動機高負荷運轉。其中閥門可以用電子節氣門代替，并利用ECU的輔助輸出功能，給節氣門輸出控制信號，從而實現閥門的可變控制[6]。

兩段可變式進氣歧管可切換兩種狀態：其一為長歧管狀態，多用于中低轉速，其閥門完全關閉，進氣僅流經長歧管;其二為短歧管狀態，多用于中高轉速，其閥門完全打開，進氣同時流經兩根歧管[7]，見圖2。

2.3 連續可變式進氣系統方案

連續可變式進氣歧管由旋轉內腔件和固定外殼構成，外殼與進氣歧管相連。通過旋轉內腔件的轉動，在改變歧管長度的同時，穩壓箱容積也在相應改變[13]。連續可變式進氣歧管結構如圖3（a-b）所示。

系統可根據發動機轉速、負荷等工況平穩地改變有效進氣路徑長度，根據波動頻率改變穩壓箱體積[15]，從而改善發動機的輸出特性。不同于兩段可變式，連續可變式的歧管長度和穩壓箱容積可以按照內腔旋轉角度線性無級變化[8]，避免了兩段式中閥門開啟關閉的瞬間氣體波動性的突變，充氣效率變化更加平緩。

3 仿真模型的建立

研究過程中，在GT-Power環境下建立了發動機的一維流動燃燒模型，該模型具有外部環境、進氣系統、噴油器、配氣機構、氣缸、曲軸箱和排氣系統幾個主要部分[16]。其中：進排氣系統模型、配氣相位、氣門尺寸、缸徑、行程、壓縮比等參數，均按照實際結構尺寸設定;燃燒模型采用韋伯雙區燃燒模型，燃燒重心設定為上止點后5～10度，燃燒持續期根據試驗數據進行了標定;環境條件為常溫常壓。排氣系統在滿足規則要求下重新設計，利用GT-SUITE其中的GME3D模塊對消音器建模并離散化得到一維模型，再導入到GT-power中，在節氣門全開狀態下進行發動機穩態工況仿真[9]。如圖4所示。

為檢驗上述模型的準確性，計算了原型發動機在全負荷下的轉矩及功率，并與試驗數據進行比較。結果表明，二者的基本趨勢相同，峰值功率及轉矩均出現在相仿的轉速，且數值誤差均在5%以內。

根據規則要求，對于自然吸氣發動機，須在節氣門后安裝有內徑為20mm的進氣限流器，因此，以一臺安裝有限流器及7L容積穩壓箱的690mL單缸發動機作為參考，并建立其一維流動燃燒模型[12]，計算得出外特性與原機的外特性對比如圖5所示、相應的充氣效率如圖6所示。

觀察參考發動機的外特性及充氣效率，表明：該發動機在限流狀態下最大功率為45.5kW、最大轉矩為64Nm，較限流前所有升高/降低;在1500～3500r/min的轉速區間內，輸出轉矩較為理想;在4000～7000r/min轉速區間內，輸出轉矩低于最大轉矩的90%，顯然未達到理想的性能指標。

4 可變進氣系統的參數設計

在仿真計算的過程中發現，所開發發動機的轉矩和功率的輸出與穩壓箱容積和進氣歧管長度都有關系[12]，大致的相關關系為：穩壓箱體積對高轉速功率和低轉速響應有影響，進氣管體積對輸出轉矩有影響[10]。

4.1 進氣道長度

進氣道長度的設計過程主要為以最大功率為目標確定最短長度其次以低扭為目標確定最長長度[19]。

設置穩壓箱體積4.8L，進氣管為截面直徑60mm，曲率半徑160mm的彎管，通過改變彎曲角度來改變進氣管的長度[20]。

圖7對比看出：在1500～3000r/min低轉速區間，不同長度的進氣管對扭矩影響不大;在3000～5500r/min中轉速區間，管長越長扭矩輸出越好，其中管長500mm時扭矩輸出最平穩且數值較高;然而在7000～8500r/min高轉速區間，管長越短扭矩輸出越好，其中管長140mm時數值最高。

綜上，兩段式進氣管為直徑60mm，長度取140mm和500mm。連續式可變進氣管直徑60mm，長度在140mm～500mm連續變化。

4.2 進氣道容積

進氣道容積的設計過程主要為以功率為目標進而確定進氣道的最大容積，其次以低轉速響應為目標確定最小容積[11]。

4.2.1 中低轉速下穩壓箱體積

由于歧管長度在500mm時中低轉速扭矩輸出良好，穩壓箱的體積會對中低轉速的響應性有影響，所以固定歧管長度為500mm，用不同穩壓箱體積下發動機的性能輸出指標和響應性，來確定中低轉速下穩壓箱體積。設置進氣歧管長度為500mm，穩壓箱體積變化，進行全負荷穩態計算。

由圖8中可看出，穩壓箱體積為5L時，扭矩上升平穩，且有較大的數值。

設置進氣歧管長度為500mm，穩壓箱體積變化，發動機轉速3500r/min，節氣門信號階躍輸入，對響應性進行計算。在時間1.5s時節氣門角度從5°開始階躍，時間1.7s時節氣門角度達到90°。

2L～5L對比如圖9所示，6L～8L對比如圖10所示。對比可看出：穩壓箱體積越大，節氣門角度階躍后響應時間越長，但在穩壓箱體積較小時，雖然響應性出色，但全負荷時輸出扭矩較低。穩壓箱體積達到5L以后，穩壓箱體積增加不再能提升全負荷時的扭矩。所以運用在中低轉速的長進氣歧管應該匹配5L左右的穩壓箱。

4.2.2 高轉速下穩壓箱體積

根據前面的計算結果可以得出，進氣管長140mm時高轉速輸出性能良好，所以固定進氣管長為140mm，改變穩壓箱容積，對比動力輸出性能。

圖11和表3綜合分析可知：穩壓箱體積從4L變化到6L的過程中，中高轉速扭矩輸出提升明顯，最大扭矩從67.8Nm提升到73Nm;從6L變化到8L過程中，中高轉速輸出扭矩也有上升，但數值增長不大。

所以高轉速的進氣系統采用6L穩壓箱，既能保證高轉速的輸出扭矩良好，也避免了穩壓箱體積過大導致不易布局。

綜上穩壓箱的體積變化范圍5～6L。

5 仿真分析與驗證

中低轉速采用進氣管長180°，穩壓箱體積4.8L;高轉速采用進氣管長50°，穩壓箱體積6L。經過中低轉速和高轉速下被開發發動機的外特性曲線對比，發動機轉速5500r/min時切換進氣系統。

綜上所述，兩段可變與連續可變式進氣系統輸出參數如下。

兩段可變進氣系統輸出：

最大功率：52.5kW@7500r/min;

最大扭矩：74.5Nm@5500r/min。

連續式可變進氣系統輸出：

最大功率：53kW@7500r/min;

最大扭矩：77.3Nm@6000r/min。

6 結論

本次對比兩段可變式進氣歧管與連續可變式進氣歧管的外特性曲線，數據方面得到了如下分析。

兩段可變進氣系統相較于固定式，在中高轉速的扭矩和功率輸出都有提升，最大功率提升了7Kw，最大扭矩提升了10.5Nm。

連續式可變進氣系統相較于兩段式，在保持低轉速扭矩的同時，提升了高轉速的扭矩，6000r/min時的扭矩輸出提升了6.7Nm。

兩段可變式進氣歧管在閥門開啟與關閉時會導致進氣道體積與長度的瞬態突變，導致氣體流場波動性的突變，不利于發動機穩定輸出功率與扭矩。然而連續可變式進氣歧管不存在兩段式的突變效應，能夠更平穩的改變進氣道體積與長度，從而使得發動機輸隨轉速變化輸出更為平穩的功率與扭矩。

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