基于FSC 的Honda CBR600 發動機排氣系統設計

蘇 煒，艾天樂，鄭心怡

（武漢理工大學國際教育學院，湖北 武漢430000）

中國大學生方程式汽車大賽（FSC）是一項由高等院校汽車相關專業在校學生組隊參加的汽車設計與制造比賽。排氣系統的基本功用是將發動機做功所產生的廢氣排出體外，其布置形式的選擇以及結構參數的選定對發動機的性能有巨大影響[1]。

由于要滿足空間合理布局及性能、噪聲要求，需對原車排氣系統進行重新設計，主要包括排氣歧管設計及消音器設計。在排氣歧管設計中，運用GT-Power 仿真確定了排氣歧管的長度及結構形式，通過CATⅠA 進行建模，借助Fluent進行流體分析得出排氣管道內流體壓力及流體流速的分布情況，從而進一步進行結構優化；在消聲器的設計中，主要是通過GT-Power 軟件模擬了不同結構形式的消音器，確保噪聲在規則允許范圍內[2]。

1 排氣歧管設計

在分析了2018 賽季發動機動力缺陷的基礎上，本部分排氣歧管設計將以降低發動機排氣阻力、提高功率和扭矩輸出為目標，基于一維CFD 仿真軟件及三維CFD 仿真軟件對發動機排氣系統進行優化。首先基于18 年發動機參數及臺架試驗數據搭建一維仿真模型，利用GT-Power 對發動機排氣歧管長度及布置方式進行了一維CFD 仿真，確定發動機排氣歧管長度參數及排氣歧管；其次以提升排氣歧管各缸均勻性和排氣阻力為目標對排氣歧管進行三維CFD仿真優化。

1.1 運用GT-Power 對發動機進行建模

GT-Power 是由Gamma Technologies 公司開發的模擬仿真工具，該軟件采用有限體積法進行流體的計算，能進行直接優化、DOE 設計/優化，能進行進、排氣系統噪聲分析，能對進、排氣系統的消音元件進行優化設計。依據發動機參數及2018 年臺架試驗數據，進排氣系統的建立模型如圖1所示。

圖1 發動機GT-Power 模型（4-2-1）

通過參數輸入得到仿真功率與扭矩仿真曲線，提取數據并與2018 賽季臺架實驗數據對比如圖2 所示。

圖2 GT-Power 仿真功率與臺架數據對比

在對比中不難發現兩者對應轉速下，功率數值有一定差距，但考慮到在建立該模型時燃燒模型是理想化的，比實際燃燒情況要好，同時該進氣模型采用了理想化的形式，默認各缸進氣是均勻的，因此誤差是在所難免的，但是對比兩者的功率趨勢基本是吻合的，所以驗證了仿真模型建立是可用的。

1.2 排氣歧管的布置形式確定

由于發動機內產生的廢氣在流經排氣歧管后要聚攏在一起排出，并且CBR600 為4 缸發動機。因此排氣系統有3種布置方式，分別為4-2 布置、4-2-1 布置和4-1 布置。

4-2 布置形式雖然設計簡單，管道彎曲少利于廢氣的排出，但缺點是占用兩側車身空間大，易產生干涉，且此種布置廢氣的擴散空間小，管道內不能產生足夠的負壓，并需要兩個消聲器，所以不予考慮。其余2 種形式采用采用單一變量法進行分析，變量為4-2-1 與4-1 布置形式，分別用GT-Power 仿真5 000～9 000 r/min 內發動機轉速與扭矩。通過數據處理，比較在相同轉速下，兩種方案對發動機性能的影響如圖3 所示。

圖3 不同布置形式、轉速下仿真扭矩及功率對比

從以上數據不難發現，排除極端因素，發動機轉速在5 000～7 500 r/min 時，4-2-1 比4-1 方案功率大，且兩者差值隨轉速的上升而減小；在8 000～9 500 r/min 時，4-2-1 比4-1 要低，且差值逐漸增大。

可以得出：4-2-1 在中低轉速下利于發動機性能的發揮，4-1 則在高轉速下利于發動機性能的發揮。考慮到賽車在比賽過程中，中低轉速5 000～8 000 r/min 的工況使用較頻繁，因此選擇4-2-1 的布置形式。

1.3 排氣歧管的長度確定

在設計排氣管道時，需要對管道長度、管道內徑以及彎管的曲率半徑進行計算。已知CBR600 發動機排氣出口內徑為32 mm，查閱相關文獻，采用以下經驗公式計算[3]：

式（1）中：P為排氣歧管的長度，mm；ED為180°+排氣門提前打開曲軸轉過的角度，°；RPM為發動機性能最佳時發動機的轉速，r/min。

排氣歧管內徑計算公式為：

式（2）中：ID為排氣歧管內徑，mm；CC為發動機的排量，mL。

將原始參數代入上式，排氣歧管內徑為26.6 mm，長度為363 mm。但如果內徑設為26.6 mm，則排氣歧管必將是一段錐形管，通過建模在Fluent 中分析后發現在排氣出口附近會形成高壓，這樣是不利于廢氣的排除，因此選擇另一種方案，內徑設為32 mm，通過GT-Power 分析選出最佳的歧管長度。

根據圖2 所示GT-Power 排氣4-2-1 模型為基礎，設置單一變量為歧管長度，仿真模擬出各個轉速下最佳排氣歧管長度。對數據進行進一步處理和分析，相同轉速下不同長度功率的峰谷差在0.077 5～0.466 5 kW，其方差均在0.17 之內。可見排氣歧管的長度對發動機有一定影響，但影響很小，通過工況的匹配，最終選定長度在300～320 mm 均可，具體值根據排氣管空間限制及Fluent 的分析確定。

1.4 排氣歧管仿真分析

圖4 為新設計的排氣歧管相比于18 賽季4-2 結構形式排氣歧管的GT-Power 仿真對比結果。

由圖4 可以看出：在低轉速區間，排氣背壓較低，發動機輸出扭矩功率較弱，且有較為明顯的諧振現象，相比18賽季低轉速性能較差；在中高轉速區間排氣背壓較小，得到了更好的特性曲線。尤其是中段扭矩得到大幅提升，由于在耐久賽及高速避障比賽中，需要不斷進行制動、加速、制動、加速過程，所以，發動機在中段轉速扭矩的提升能極大地提高車輛的動態表現。

假定流場內的流體為煙氣，流體狀態為可壓縮、非定常流動。邊界條件按如下參數設置：入口邊界為壓力入口，壓力值為0.3 MPa；出口為壓力出口，壓力值為1.0 MPa；固壁邊界為光滑壁面且無速度滑移。在Fluent 中進行流體分析[4]。在分析不同形狀集合器時我們得出，排氣歧管的設計應適當地增大排氣管的曲率半徑且適當減小排氣管的彎角大小，盡可能避免直角彎道的形式，這樣流體在管道內的壓力和流速分布更均勻，廢氣排放更順暢。如圖5 中所示，各個氣流匯合處具有較好的對稱性，流線分布合理，無明顯湍流現象，流體沿程損失和局部損失較小。

圖4 新設計的排氣歧管相比于18 賽季4-2 結構形式排氣歧管的GT-Power 仿真對比結果

圖5 Fluent 仿真流線圖

通過對不同形狀參數的排氣歧管進行仿真后，最終確定排氣歧管模型如圖6 所示。

圖6 最終排氣歧管模型及其仿真分析

通過仿真分析得出，該排氣總管兩道彎曲處的外側流體壓力最大，而在兩次彎曲處的內側流體壓力最小；流體在排氣管的直管部分壓力分布相對均勻。排氣總管的進口處以及彎管內側流體的流速較大，排氣總管的彎管外側流速相對較小，其余各處流速分布相對均勻。

2 消聲器設計

根據比賽規則，靜態測試時，測量麥克風的探頭將放置位于尾氣出口后方0.5 m 處，與排氣口水平，并與氣流流動方向夾角成45°。發動機在怠速時噪聲等級上限為C 加權103 dB（快速加權，Fast Weighting），其他速度時噪聲等級上限為C 加權110 dB。

在往屆比賽中我們采用抗性消聲器并進行了頻譜分析，如表1 所示，效果較差。阻抗結合式分別用抗性消聲單元和吸聲材料組合構成的消聲器，它具有抗性、阻性消聲器的共同特點，對低、中、高頻噪聲都有很好的消聲效果，因此擬采用該種形式的消聲器。

表1 18 賽季消聲器頻譜分析測量結果

2.1 消聲器基本參數確定

查閱資料得到消聲器通用體積公式如下[5]：

式（3）中：Q為修正系數，一般取2～6，對消聲器要求越高時，Q應越大；n為發動機轉速，r/min；Vst為發動機排量，L；τ為沖程數；i為發動機缸數。

取轉速n=11 000 r/min，代入上式計算得消聲器體積為3～4.5 L，初步確定長度為360 cm，空腔半徑5～7 cm。

2.2 消聲器建模及仿真

使用GT-Suit 系列軟件中的GEM 3D 模塊根據以上參數，初步對消聲器建模，并將其離散為一維結構。其中根據標準消音棉參數，設置填充物纖維直徑為0.01 mm，填充密度100 g/L。將離散化的消聲器模型導入GTⅠ-SE 模塊，與發動機排氣歧管尾端相連接，并添加microphone 元件，用以測量加入消聲器后排氣尾段的噪聲。根據賽事要求，microphone 的位置為距消聲器尾段上方50 cm 的后方50 cm處。進行仿真，并在GT-Post 模塊中得到指定位置處噪聲值隨發動機轉速變化的曲線。通過對不同結構形式消聲器的反復仿真和測試，確定最終消聲器的結構形式如圖7 所示。

圖8 所示為GT-Post 中指定位置處的噪聲曲線。橫軸為發動機轉速（r/min），縱軸為噪聲分貝（dB）。從圖中可以看出，加裝消聲器后的噪聲曲線（淺灰色）相較于未加裝消聲器的噪聲曲線（深灰色）有顯著下降，且在比賽規則要求范圍內，消聲器最終的結構設計符合要求。

圖7 消聲器模型和一維離散化模型

圖8 消聲器降噪效果

3 結語

本文基于大學生方程式大賽，以Honda CBR600 發動機為實驗平臺，對其排氣系統進行設計分析。通過GT-Power仿真初步確定了排氣歧管的結構形式及參數，之后利用Catia 進行三維建模，導入Fluent 中進行CFD 分析并對模型進行優化；通過GEM 3D 進行消聲器建模，離散后導入GT-Post 進行噪聲分析，最終選取了效果滿足要求的消聲器。通過與往年數據對比分析，新的排氣系統在中高轉速區間排氣背壓較小，得到了更好的外特性曲線。同時發動機GT-Power 模型的建立為以后的動力總成設計提供了方向，通過仿真減少了不必要的臺架試驗次數。