基于臺架試驗的碳纖維賽車進氣系統(tǒng)優(yōu)化設計*

朱發(fā)旺，尉慶國，石紹彬，劉新華

（1.中北大學機械與動力工程學院，太原 030051； 2.中國北方發(fā)動機研究所，山西大同 037036）

基于臺架試驗的碳纖維賽車進氣系統(tǒng)優(yōu)化設計*

朱發(fā)旺1，尉慶國1，石紹彬1，劉新華2

（1.中北大學機械與動力工程學院，太原 030051； 2.中國北方發(fā)動機研究所，山西大同 037036）

為改善安裝限流閥后的發(fā)動機的動力輸出，應用三維建模軟件CATIA建立中北大學2015年國際學生方程式賽車競賽（FSAE）賽車發(fā)動機進氣系統(tǒng)的模型，采用FLUENT軟件對進氣系統(tǒng)模型進行優(yōu)化分析，通過分析選擇出最佳模型；在此基礎之上，使用碳纖維材料加工制造出進氣系統(tǒng)實物部件，對改造后的FSAE賽車發(fā)動機進行臺架試驗。通過臺架試驗獲得實驗結(jié)果與原機數(shù)據(jù)進行對比，改造后的發(fā)動機的扭矩和功率為原機的70%左右，性能較往年有了較大提升，驗證了設計方案的合理性。

國際學生方程式賽車競賽；賽車；進氣系統(tǒng)；優(yōu)化分析；碳纖維；臺架試驗

中國大學生方程式汽車大賽是由高等院校汽車工程或汽車相關專業(yè)在校學生組隊參加的汽車設計與制造比賽。大賽規(guī)則對賽車動力系統(tǒng)提出以下要求：（1）賽車須由排量610 cc以下的四沖程發(fā)動機來驅(qū)動；（2）最大直徑為20.0 mm的限壓閥須安裝于節(jié)氣門與進氣門之間且全部進氣氣流須流經(jīng)此閥。加裝限流閥之后，發(fā)動機的功率與扭矩相對于原機均有不同程度的降低［1］，因此，在滿足大賽規(guī)則的前提下，如何改善發(fā)動機進氣限流后賽車的動力性是設計者須考慮的重點。

1 發(fā)動機進氣系統(tǒng)幾何模型的建立

FSAE賽車進氣系統(tǒng)一般由空氣濾清器、節(jié)氣門、限流閥、穩(wěn)壓腔組成，因為空氣濾清器對進氣系統(tǒng)內(nèi)的流場的影響很小，所以在進氣系統(tǒng)模型的建立過程中并未考慮空氣濾清器［2］。

根據(jù)相關文獻，最佳限流閥開口錐角角度為40°。由于安裝限流閥，造成了發(fā)動機進氣壓力和進氣流速的損失，為了將限流閥造成的損失降至最低，在限流閥后應安裝擴散器，它是有一定角度且截面積逐漸增大的經(jīng)典文丘里管［3］。結(jié)合國內(nèi)外相關設計經(jīng)驗，將出口的錐角定為7°，限流閥示意圖如圖1所示。

圖1　 限流閥示意圖

關于穩(wěn)壓腔體積的選取，對于乘用車而言，一般為其排量的0.5～1.5倍，但是這個體積對于大學生方程式賽車而言較小，因為FSAE 規(guī)則規(guī)定了進氣系統(tǒng)須加限流閥，所以對于自然吸氣的發(fā)動機一般采用2～4倍。鑒于本次采用的發(fā)動機的排量小于600 cc，所以穩(wěn)壓腔的容積定為1.2～2.4 L?？紤]到加工制作的方便性，選用半徑100 mm的球殼來制作穩(wěn)壓腔。

由于發(fā)動機在發(fā)動機艙的布置位置已確定，其進氣口朝向車尾，為了充分利用氣流的迎風效應提高進氣量，需要保證進氣系統(tǒng)進氣入口面向車頭。目前的設計主要有上部進氣和側(cè)部進氣。上部進氣，空氣濾清器在車手頭部以上，主環(huán)頂部以下，此外，由于頭枕高度的限制，致使進氣管道必須達到一定高度超越頭枕，才能實現(xiàn)一定的迎風面的要求，但是進氣管設置的長度不宜過長，而且這種布置一定會與迎風面有一定角度差。側(cè)部進氣，空氣濾清器在主環(huán)側(cè)面，相比較上部進氣，進氣口到側(cè)部的距離遠小于進氣口到頂部的距離，迎風角度小，若側(cè)部進氣，進氣部件高度不高，在固定方面會更加簡便［4］。

比較之后，最終選擇側(cè)部進氣的布置方式，運用三維建模軟件CATIA，對進氣系統(tǒng)與發(fā)動機進行裝配。

2 　發(fā)動機進氣系統(tǒng)Fluent仿真分析

由于大學生方程式賽車是一項大學生為主導的賽事運動，考慮到車手的安全因素，對發(fā)動機加裝限流閥，因此發(fā)動機的功率與扭矩受到很大的限制，賽車的動力性受到影響?？紤]到穩(wěn)壓腔的形狀容積已選擇好，因此使用Fluent軟件對限流閥進行流體仿真。賽車可認為處于低速行進中，進入進氣系統(tǒng)中的氣體可認為是不可壓縮的氣體，氣體的密度不發(fā)生變化，因此選用標準模型進行求解。

首先對模型進行前處理，使用mesh模塊劃分網(wǎng)格，考慮到邊界層對限流閥的影響，使用inflation功能進行網(wǎng)格膨脹處理。為了求取進出口的空氣質(zhì)量流量，在mesh界面設置命名邊界，設置邊界選項inlet，outlet，wall以及fluid，將劃分的網(wǎng)格導入fluent求解器計算處理。

設置邊界條件，進口壓力為大氣壓，出口壓力為98 kPa，湍流強度為5%，湍流黏度比為0.5。設定進、出口流量值為要查看的結(jié)果。計算到139步求解完成后，在后處理中查看限流閥靜壓圖以及流速圖，結(jié)果如圖2所示［5］。由圖2可知，最大壓力出現(xiàn)在限流閥開口端，最大流速位于漸變口處，符合流體力學相關知識要求。

圖2　 限流閥靜壓、流速圖

限流閥進出口質(zhì)量流量數(shù)值見表1。

表1　 限流閥進出口流量值

進口質(zhì)量流量的絕對值大于出口的絕對值，說明存在沿程損失，損失小于1%。

以上結(jié)果主要針對進口錐角為4°，出口錐角為7°的限流閥，為了得出最佳進氣量的模型，下面采用ANSYS Workbench里面的響應面優(yōu)化設計進行分析求解。

3 　響應面優(yōu)化設計

為了求解出最優(yōu)模型，需要設置優(yōu)化模塊，可以根據(jù)前面的Fluent分析結(jié)果，選擇一個初始設計點，做一次仿真，然后依據(jù)相關性原則，找到另一個設計點，再做一次仿真，發(fā)現(xiàn)設計變量和目標變量之間的數(shù)學關系，并繪制出響應面。通過反復仿真，直到目標值收斂，得出最優(yōu)解。

根據(jù)優(yōu)化原則，設定進口錐角和出口錐角為輸入?yún)?shù)變量，設定進口質(zhì)量流量和出口質(zhì)量流量為輸出參數(shù)，然后將輸入、輸出參數(shù)傳遞到響應面優(yōu)化設計模塊。設定進口錐角的范圍為30°～50°，出口錐角的角度范圍為5°～9°，將實驗設計類型設為Central Composite Design，仿真分析結(jié)果見表2。

為了使分析結(jié)果更具參考性，設置多組樣本參數(shù)，并從中選擇3個候選設計點，通過響應面仿真，選取的三個候選點見表3。

單纖維肌電圖在甲亢伴眼肌型重癥肌無力和Graves眼病鑒別診斷中的價值 … 李文娟，王玉凱，謝堅 422

表2　 不同進、出口錐角下的凈質(zhì)量流量 kg/s

表3　 優(yōu)化設計候選點

考慮到發(fā)動機安裝限流閥，為了保證發(fā)動機的功率要求，滿足賽車的動力性能要求，選擇能保證限流閥進氣質(zhì)量流量最大以及沿程損失最小的設計，即點2，此時進口質(zhì)量流量為0.098 366 413 kg/s，出口質(zhì)量流量為-0.098 369 269 kg/s。

4 　進氣系統(tǒng)制作

4.1 材料選擇

考慮到整車布置時，各零件總成之間結(jié)構(gòu)緊湊，使得進氣管道與熱源較近、管道工況較惡劣等情況，因此采用碳纖維制作進氣系統(tǒng)的限流閥與穩(wěn)壓腔。碳纖維材料一般是由聚丙烯腈、粘膠纖維等材料經(jīng)過氧化與碳化作用處理形成的［6］。由于組分的特殊性加上工藝處理，使得碳纖維在具有密度小的同時，可塑性好，同時耐高溫。基于這些特性，碳纖維適合用來制作進氣系統(tǒng)。

4.2 模具制作

根據(jù)上文已經(jīng)確定好的限流閥與穩(wěn)壓腔尺寸，結(jié)合加工設備以及經(jīng)費等因素，使用數(shù)控機床制作限流閥模型，由于穩(wěn)壓腔結(jié)構(gòu)的特殊性，可以直接購買球形結(jié)構(gòu)。并對球形結(jié)構(gòu)直徑兩端進行打孔處理，孔徑由進出口大小決定。模具渲染圖如圖3所示。

圖3　 三維渲染圖

4.3 碳纖維模型制作

相對玻璃纖維，碳纖維材料在制作時不用分成表面氈、短切氈并按順序放置，減少了加工程序。

（1）在將機床加工的限流閥模具表面的金屬細屑清理好后，為了方便后續(xù)脫模操作，在模具上使用透明膠帶，在膠帶上面加涂脫模蠟，在一定程度上彌補模具因為外界因素造成的不光滑。

（2）由于實驗室設備限制，使用人工處理制作。將碳纖維布按照（0/45/90/-45）角度鋪置，鋪好一層，用細刷將環(huán)氧樹脂一層層順著鋪放的碳纖維布的紋路刷，由于沒有真空泵的作用，需要手工將碳纖維布壓實，讓樹脂更好的滲透［7］。

（3）由于模具結(jié)構(gòu)的特殊性，邊角過渡不平滑，因此使用小塊的碳纖維布貼補，避免后期使用過程中產(chǎn)生局部強度不夠的因素，同時由于碳纖維材料的優(yōu)異性能，留下了打磨的空間。

（4）將模型放在陽光下加熱，加速固化進程，等到模型樹脂完全與碳纖維結(jié)合，進行脫模操作。

（5）將模具進行手工修剪、打磨等一系列后續(xù)處理，得到制作的模型。

通過碳纖維材料的使用，制作出符合設計要求的進氣系統(tǒng)，為下面的臺架試驗打下基礎。將制作好的模型安裝在發(fā)動機上，如圖4所示。

圖4　 實物裝配圖

5 仿真結(jié)果的驗證

為了驗證設計系統(tǒng)的可靠性，使用發(fā)動機臺架試驗來檢測改造后的發(fā)動機性能指標及可靠性，檢驗發(fā)動機進氣系統(tǒng)設計的是否合理，同時也對進氣系統(tǒng)的后續(xù)的改進有著指導性的意義［8-9］。由于使用設備的限制，臺架試驗在太原理工大學發(fā)動機動力實驗室進行。

本次臺架試驗使用的實驗設備：誠邦DW160電渦流式測功機、ET2100發(fā)動機測控儀、ET2200油門勵磁驅(qū)動儀、ET2300A數(shù)據(jù)采集儀等，實驗發(fā)動機為改造后的嘉陵JH600發(fā)動機。嘉陵JH600原機的基本技術參數(shù)見表4。連接臺架試驗設備如圖5所示。

表4　 嘉陵JH600發(fā)動機基本技術參數(shù)

圖5　 臺架試驗圖

考慮到發(fā)動機啟動的時候，發(fā)動機自身會產(chǎn)生劇烈的振動，為了不影響進氣效果，進而影響實驗的準確性，對于進氣管道進行固定，如圖6所示。

圖6　 安裝固定圖

通過實驗過程中，調(diào)節(jié)節(jié)氣門開度，來測定并記錄對應轉(zhuǎn)速的數(shù)值，使用制表軟件對數(shù)據(jù)進行分類處理，得出結(jié)果［10］。

圖7、圖8分別為不同的節(jié)氣門開度（5%，10%，15%，20%，25%，30%，35%，40%，45%）下發(fā)動機部分負荷特性的功率和扭矩曲線。節(jié)氣門百分比如圖標示，相應曲線是各個節(jié)氣門開度下的發(fā)動機功率和扭矩［11］。由圖7、圖8可知，進氣系統(tǒng)經(jīng)優(yōu)化后發(fā)動機最大功率為21.061 kW，最大扭矩為36.98 N·m，與原機的功率與扭矩相比下降了30%左右。

圖7　 發(fā)動機部分負荷特性的功率曲線

圖8　 發(fā)動機部分負荷特性的扭矩曲線

6 結(jié)論

依據(jù)大賽規(guī)則對賽車進氣系統(tǒng)加裝限流閥之后，造成了發(fā)動機充氣效率下降，發(fā)動機的動力輸出降低，筆者對發(fā)動機進氣系統(tǒng)進行Fluent流場分析，優(yōu)化了發(fā)動機的進氣系統(tǒng)，從一定程度上改善了進氣限流后發(fā)動機的動力性。使用碳纖維材料制作限流閥，保證了進氣系統(tǒng)的功能的同時，減少了整車的質(zhì)量，符合輕量化設計要求。驗證了碳纖維材料在汽車制作設計上的應用。并且通過發(fā)動機臺架試驗，得出實驗數(shù)據(jù)，通過與原機數(shù)據(jù)對比，經(jīng)過改造后的發(fā)動機的扭矩和功率為原機的70%左右，性能較去年有了較大的提高，進一步驗證了設計方案的合理性，這為以后中北大學行知車隊賽車發(fā)動機進氣系統(tǒng)的設計與優(yōu)化提供一定的參考。

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Design Optimization of Carbon Fiber Intake System for Race Car Based on Engine Bench Test

Zhu Fawang1， Wei Qingguo1， Shi Shaobin1， Liu Xinhua2
（1. School of Mechanics and Power Engineering， North University of China， Taiyuan 030051， China；2. China North Engine Research Institute， Datong 037036， China）

To improve the engine power output after installing the restriction，the engine’s intake system model of 2015 Formular SAE （FSAE） race car for North University of China was established by the three dimensional modeling software CATIA. The optimization analysis for intake system model was conducted based on fluid calculation software FLUENT，then the optimal model was selected through the analysis. After that，the air intake system physical components was made by using carbon fiber material，and the engine experiment was carried out on the reformed engine to achieve the experimental results. Compared the experimental results with original data of engine，the reformed engine’s power and torque is about 70% of the original engine. The reformed engine’s performance is also improved greatly over previous year. It demonstrates the rationality of the design.

Formular SAE；race car；intake system；optimal analysis；carbon fiber；engine bench test

TQ322.3

A

1001-3539（2016）09-0053-04

10.3969/j.issn.1001-3539.2016.09.011

*國家自然科學基金項目（50606014）

聯(lián)系人：朱發(fā)旺，碩士研究生，主要從事車輛動力學與控制研究

2016-07-02