FSAE賽車進氣限流閥的對比仿真分析

馮勇，陽林，彭仁杰，周永光

（廣東工業(yè)大學機電工程學院，廣東 廣州 510006）

FSAE賽車進氣限流閥的對比仿真分析

馮勇，陽林，彭仁杰，周永光

（廣東工業(yè)大學機電工程學院，廣東 廣州 510006）

本文分析了進氣限流閥對賽車性能的影響，并利用Fluent軟件對6°、7°、8°擴散器錐角的三種限流閥方案進行分析和比較，根據對比分析結果最終選出最優(yōu)的限流閥方案，為以后對限流閥擴散器錐角的優(yōu)選提供了一種參考方法。

FSAE；Fluent仿真；進氣限流閥；擴散器錐角

CLC NO.: U461.2 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2014)09-15-04

引言

FSAE比賽是一項由汽車工程相關專業(yè)的學生團隊參加的汽車設計與制造的中國大學生方程式汽車大賽。按照賽事制定的規(guī)則和賽車設計與制造的標準，參賽的小型單人座賽車能夠成功完成全部或部分賽事，并且在加速、制動、操控性等方面具有優(yōu)異表現(xiàn)。按照大賽規(guī)則要求，賽車使用小于610CC容量的發(fā)動機，進行多個項目的比賽[1]。

FSAE賽車的汽油機進氣系統(tǒng)主要包括空氣濾清器、諧振腔、進氣歧管、節(jié)氣門等機構[2]。從第二屆中國FSAE大賽開始，組委會要求FSAE賽車用發(fā)動機的所有進氣都要通過限流閥，截面為圓形，直徑為20mm的限流閥的位置必須安裝在發(fā)動機節(jié)氣門和進氣門之間[3]，如圖1所示。

為了提高限流以后發(fā)動機的充氣效率，提高賽車的動力性，全國各個高校車隊均對限流后如何提高發(fā)動機的充氣效率這個課題進行了研究，因為FSAE賽車的進氣限流閥對賽車發(fā)動機的整機性能與充量系數有很大影響[4]。綜上可知，進氣限流閥的研究對于賽車的性能提升具有重要的意義。

1、限流閥的理論研究

充量系數φc定義為每缸每循環(huán)實際吸入氣缸的新鮮空

氣質量與進氣狀態(tài)下理論計算充滿氣缸工作容積的空氣質量比值。

式中：V1，m1表示進氣狀態(tài)下實際進入氣缸的新鮮空氣的體積和質量；Vs，ms表示進氣狀態(tài)下理論上充滿氣缸工作容積的空氣的體積和質量。

殘余廢氣系數φr是進氣過程結束時，氣缸內殘余廢氣量mr與進入氣缸中新氣充量md的比值，即

充量系數與殘余廢氣系數之間的關系為[3]：

式中：ζ為考慮排氣門遲后角影響的系數，εc為發(fā)動機壓縮比，Ts，Ps為進氣狀態(tài)的溫度和壓力（對于非增壓發(fā)動機，進氣狀態(tài)就是大氣狀態(tài)），Ta，Pa為進氣終點的溫度和壓力。

根據式(3)可知，進氣壓力Pa與充量系數φc成正比，Pa高則φc就大，Pa低則φc就小。而進氣限流閥在中低轉速、部分負荷條件下，就類似一個半開的節(jié)氣門，讓進氣道內的壓力Pa比正常情況低[5]，從而降低發(fā)動機的充量系數φc，進而限制各個工況的扭矩。

另一方面，進氣限流閥會限制單位時間內的最大進氣量。根據流體力學知識，管道內的氣流速度越快，效率就越低，當氣流速度接近0.5馬赫的時候，實際進氣量就會達到瓶頸。在常溫常壓下，20mm管徑的這個瓶頸數值，大約在70g/s左右。換句話說，在管徑限定的情況下，無論如何，進氣管在單位時間進氣量就只能是這么多，進而限制了發(fā)動機的最大功率[5]。

2、限流閥結構分析與建模

2.1 限流閥結構分析

限流閥將進氣系統(tǒng)的前端截面縮小至20mm口徑。本文限流閥開口有一定的錐角，外緣呈喇叭口展開，由于限流閥本體是一個進氣管截面逐漸收小的過程，喇叭口和錐角的設計可以更好地收攏空氣，為限流閥引流。從多篇國外資料中查得，40°為最佳限流閥開口參數[6]。同時，針對限流閥本身給進氣流速和進氣壓力造成的巨大損失，在限流閥后部安裝擴散器，它是由一定的錐角構成的經典的文氏管，截面積逐漸變大，一個精心設計的擴散器可以有效地將限流閥造成的損失降低至最小。根據多篇國外資料中闡述，6°～8°左右為最佳擴散器錐角參數[6]，長度則是在總布置合理的情況下越長越好。

限流閥結構如圖2所示，根據前一屆賽車的限流閥參數的經驗數據初定參數：進口漸縮長度L1=40mm，出口漸擴長度L2=110mm，進口錐角A=40°，出口擴散器錐角待定。

2.2 限流閥的建模

利用UG建立限流閥三維模型，其三維模型很簡單，包括進氣管截面逐漸收小的限流閥本體和截面積逐漸變大的擴散器，以7°錐角擴散器的限流閥為例建模，?。哼M口漸縮長度L1=40mm，出口漸擴長度L2=110mm，進口錐角A=40°，出口擴散器錐角B=7°，建立的限流閥三維模型如圖3所示。

3、三種擴散器錐角的限流閥方案仿真及對比分析

本文取擴散器錐角6°～8°范圍內的三個錐角6°、7°、8°進行仿真分析。

對于6°和8°擴散器錐角的限流閥，依照7°錐角擴散器限流閥建模步驟建立這兩個錐角限流閥的三維UG模型，將三種錐角的限流閥三維模型導入Fluent軟件中，對計算區(qū)域采用多面體網格，邊界層網格加密。利用FLUENT軟件分析其壓力與流速的變化，并作比較。邊界條件設置如下：

壓力入口（Pressure inlet）：1x105Pa

壓力出口（Pressure outlet）：0Pa

殘差設定：1x10-3

3.1 限流閥6°錐角擴散器分析

由圖5可知，最高流速出現(xiàn)在限流閥中央，其值為1.87e+03m/s，最低流速出現(xiàn)在擴散器末端，其值為6.24e+01m/s。

由圖6可知，最高壓力出現(xiàn)在限流閥開口處，其值為1.77e+04Pa，最低壓力出現(xiàn)在限流閥中間處，其值為-2.36e+06Pa，擴散器末端壓力為-6.15e+04Pa

3.2 限流閥7°錐角擴散器分析

由圖8可知，最高流速出現(xiàn)在限流閥中央，其值為1.55e+03m/s，最低流速出現(xiàn)在擴散器末端，其值為5.18e+01m/s。由圖9可知，最高壓力出現(xiàn)在限流閥開口處，其值為

4.39e+04Pa，最低壓力出現(xiàn)在限流閥中間處，其值為

-1.59e+06Pa，擴散器末端壓力為-1.06e+04Pa。

3.3 限流閥8°錐角擴散器分析

由圖11可知，最高流速出現(xiàn)在限流閥中央，其值為1.40e+03m/s，最低流速出現(xiàn)在擴散器末端，其值為4.00e+01m/s。

由圖12可知，最高壓力出現(xiàn)在限流閥開口處，其值為5.48e+04Pa，最低壓力出現(xiàn)在限流閥中間處，其值為-1.28e+06Pa，擴散器末端壓力為-1.20e+04Pa。

3.4 限流閥擴散器對比分析

通過對6°7°8°三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，對比結果如表1。

表1 三種不同錐角的限流閥分析結果對比

對比以上表1的數據可知，空氣流量是7°錐角時最高，限流閥末端壓力是7°錐角時最高（即進氣壓力損失是7°錐角時最?。?。

基于上面限流閥的理論研究可知：限流閥是通過影響進氣壓力和進氣流量而限制發(fā)動機的性能的。所以，限流閥擴散器的評判依據就以進氣壓力損失和空氣流量為指標。限流閥的進氣壓力損失越小，發(fā)動機的充量系數φc越大，對發(fā)動機的扭矩提升越有利；限流閥的空氣流量（即進氣流量）越大，限流閥在單位時間內的進氣量就大，對發(fā)動機的功率提升越有利。所以，出口擴散器錐角選為為7°是最佳方案。

綜上可知，為保證進氣氣流的穩(wěn)定，確定限流閥參數如下：進口漸縮長度L1=40mm，出口漸擴長度L2=110mm，進口錐角A=40°，出口擴散器錐角B=7°，漸擴末端與諧振腔連接，其長度與諧振腔配合，可略變。

4、結論

本文從充量系數和最大進氣量兩方面分析了進氣限流閥對賽車動力性的影響，進而借助Fluent軟件對具有6°、7°、8°擴散器錐角的三種限流閥方案進行仿真分析，并依據空氣流量和進氣壓力損失為指標來綜合比較三種方案，并最終確定限流閥出口擴散器錐角B=7°為最佳方案。這為日后利用仿真軟件對進氣限流閥的仿真分析與優(yōu)選提供了一種參考方法。

[1] 賀彤陽，何山，黎杰，肖國權,雷雄．大學生FSAE賽車發(fā)動機進氣系統(tǒng)設計[J]．機械工程師，2012，11：20-23．

[2] 許建民，劉金武，李曉宇．FSAE賽車進氣系統(tǒng)改進設計[J]．廈門理工學院學報，2009，17（4）：44-47．

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

[4] 許?。谶M氣限流下的FSAE賽車發(fā)動機進氣系統(tǒng)優(yōu)化設計與仿真研究[D] ．四川：西華大學，2012．

[5] FSAE中國聯(lián)盟．FSAE賽車進氣限制器[EB/OL] ．http://cnfsae. com/viewthread. php?tid=2917，2012．

[6] 江大之星車隊．江蘇大學2011年“江大之星”車隊賽車設計報告[R] ．江蘇，江蘇大學，2011．

[7] 陳家瑞．汽車構造（第3版）[ M ] ．北京：機械工業(yè)出版社 ，2009．

The Contrast Simulative Analysis of Intake Flow-limiting Valve on FSAE Racing Car

Feng Yong, Yang Lin, Peng Renjie, Zhou Yongguang
(Faculty of Electromechanical Engineering, Guangdong University of Technology, Guangdong Guangzhou 510006)

In this paper, the influence of intake flow-limiting valve on FSAE racing car’s performance is analyzed. Then three intake flow-limiting valve solutions with different diffuser cone angle of 6°、7°、8°are analyzed based on Fluent software. Finally, the best solution is chosen according to the result of comparison analysis, and thus a certain reference for optimizing the diffuser cone angle of intake flow-limiting valve.

FSAE；fluent simulation；intake flow-limiting valve；diffuser cone angle

U461.2

A

1671-7988(2014)09-15-04

馮勇，就讀于廣東工業(yè)大學，研究方向電動汽車關鍵技術。