FSAE賽車發(fā)動機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)設(shè)計

鄭 穎，弋 馳

（西安航空學(xué)院，陜西 西安 710077）

FSAE賽車發(fā)動機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)設(shè)計

鄭 穎，弋 馳

（西安航空學(xué)院，陜西 西安 710077）

文章主要對FSAE賽車發(fā)動機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)進(jìn)行分析，從而在符合大賽規(guī)則的前提下設(shè)計出符合FSAE賽車高速性能要求的進(jìn)氣系統(tǒng)，即在賽車發(fā)動機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)中安裝穩(wěn)壓腔。首先利用CATIA軟件繪制兩種進(jìn)氣系統(tǒng)的3D模型（含有穩(wěn)壓腔和不含穩(wěn)壓腔），再將其導(dǎo)入到ANSYS軟件中進(jìn)行模擬仿真分析，通過比較分析證明帶穩(wěn)壓腔的進(jìn)氣系統(tǒng)在進(jìn)氣速度的均勻性與進(jìn)氣壓力穩(wěn)定性上均具有一定的優(yōu)勢。

FSAE賽車；發(fā)動機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)；穩(wěn)壓腔

發(fā)動機(jī)是汽車的心臟部件，其結(jié)構(gòu)的優(yōu)劣對發(fā)動機(jī)性能參數(shù)有著重要的影響，比如發(fā)動機(jī)的動力性、經(jīng)濟(jì)性、排放性等性能指標(biāo)，如何改進(jìn)進(jìn)氣系統(tǒng)的充量系數(shù)，從而改善發(fā)動機(jī)的性能是發(fā)動機(jī)設(shè)計工作中較為重要的一個環(huán)節(jié)。而對于速度要求極高的FSAE賽車而言，進(jìn)氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的重要程度更是不言而喻。由于FSAE賽車高速，質(zhì)量小的特點，出于安全的考慮，F(xiàn)SAE大賽要求所有參賽汽車的發(fā)動機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)都要添加限流閥，以此來降低發(fā)動機(jī)的進(jìn)氣量，從而降低賽車功率和限制車速，并且要求限流閥必須設(shè)置于發(fā)動機(jī)節(jié)氣門和進(jìn)氣門之間。但加裝限流閥相當(dāng)于增加了進(jìn)氣的阻力，即改變了原來發(fā)動機(jī)的輸出性能；另外，賽車發(fā)動機(jī)一般為多缸結(jié)構(gòu)，多缸發(fā)動機(jī)進(jìn)氣時諧波增壓會對相鄰的氣缸進(jìn)氣造成干擾，產(chǎn)生負(fù)增壓效應(yīng)（俗稱搶氣）?？紤]到以上兩個方面，文章提出增設(shè)一個緩沖區(qū)來減少搶氣，即增加一個穩(wěn)壓腔，通過其自身結(jié)構(gòu)儲存一定量的空氣來減緩搶氣，從而改善發(fā)動機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)的綜合進(jìn)氣性能。

1 采用穩(wěn)壓腔的賽車進(jìn)氣系統(tǒng)CATIA模型

（1）結(jié)構(gòu)選擇。由于汽車的行駛方向總是逆著空氣的流動方向，所以進(jìn)氣系統(tǒng)最前端的撞風(fēng)量較大，針對這一問題，本次設(shè)計的賽車進(jìn)氣系統(tǒng)采用對稱式的進(jìn)氣管結(jié)構(gòu)，這種布置形式有利于各缸的進(jìn)氣平衡，改善進(jìn)氣歧管上噴油器的噴油效果，并在一定程度上減少了回火等不良現(xiàn)象的發(fā)生；同時，這種形式的進(jìn)氣管與進(jìn)氣歧管上沒有凹面，受力均勻，增加了穩(wěn)壓腔的剛度。

（2）進(jìn)氣歧管長度和穩(wěn)壓腔的體積。根據(jù)公式（1）計算進(jìn)氣歧管的長度。

其中，L表示要計算的進(jìn)氣歧管的長度；a為聲速，取a= 340m/s；q為波動系數(shù)，其值一般為1.5、2.5、3.5，考慮到本車所設(shè)計發(fā)動機(jī)的布置空間，取q=3.5；n為所用發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速，取9000r/min。經(jīng)過計算，得出進(jìn)氣歧管的總長度為320mm，減去發(fā)動機(jī)上為進(jìn)氣道部分預(yù)留的約70mm，所得的進(jìn)氣歧管在發(fā)動機(jī)外部長度為250mm，經(jīng)初步證實改進(jìn)氣管長度符合選用發(fā)動機(jī)的運行狀況。

賽車的穩(wěn)壓腔體積一般為2～8倍的發(fā)動機(jī)排量，對發(fā)動機(jī)外特性曲線進(jìn)行仿真分析，得出當(dāng)穩(wěn)壓腔體積在2～5倍發(fā)動機(jī)排量時，發(fā)動機(jī)動力曲線上升，而在6～8倍時出現(xiàn)下降。對于賽車選定的鈴木GSX-R600發(fā)動機(jī)，其排量為排量為599mL，參照2～5倍發(fā)動機(jī)排量，將穩(wěn)壓腔體積定為3L。

另外，該款發(fā)動機(jī)的節(jié)氣門體口徑為45mm，考慮到發(fā)動機(jī)進(jìn)氣歧管下端要與發(fā)動機(jī)上的原裝節(jié)氣門體進(jìn)行裝配，所以選定進(jìn)氣歧管下端直徑為45mm。經(jīng)測量車架主環(huán)斜撐處給發(fā)動機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)預(yù)留的空間寬度為360mm，所以穩(wěn)壓腔最寬處應(yīng)小于360mm。

通過以上分析最終確定的建模參數(shù)如表1所示。利用這些參數(shù)在CATIA軟件中分別建立未安裝穩(wěn)壓腔的進(jìn)氣系統(tǒng)的3D模型和安裝穩(wěn)壓腔的進(jìn)氣系統(tǒng)的3D模型如圖1和圖2所示。

表1 進(jìn)氣系統(tǒng)的建模參數(shù)

圖1 未安裝帶穩(wěn)壓腔的進(jìn)氣系統(tǒng)的3D模型（左）

圖2 安裝穩(wěn)壓腔的進(jìn)氣系統(tǒng)的3D模型（右）

（3）對兩種進(jìn)氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行ANSYS分析比較。利用ANSYS軟件對CATIA中建立的兩個模型分別進(jìn)行Fluent流體分析，檢測各進(jìn)氣管中的進(jìn)氣壓力，其中圖3為未添加穩(wěn)壓腔的進(jìn)氣系統(tǒng)Fluent流體分析圖，圖4為添加穩(wěn)壓腔的進(jìn)氣系統(tǒng)Fluent流體分析圖。

圖3 未添加穩(wěn)壓腔的進(jìn)氣系統(tǒng)ANSYS軟件分析（左）

圖4 添加穩(wěn)壓腔的進(jìn)氣系統(tǒng)ANSYS軟件分析（右）

從圖3、圖4的分析結(jié)果可以得出，普通進(jìn)氣在進(jìn)氣一定時間后，第四缸的進(jìn)氣由于壓力波動導(dǎo)致進(jìn)氣速度明顯低于一二三缸，進(jìn)而造成發(fā)動機(jī)各缸進(jìn)氣不均勻，影響發(fā)動機(jī)性能。而對于增加穩(wěn)壓腔的結(jié)構(gòu)，在相同的進(jìn)氣時間后，四缸進(jìn)氣在進(jìn)氣口位置，進(jìn)氣速度均勻，而且不會因為進(jìn)氣波動導(dǎo)致四缸進(jìn)氣不均勻。這樣的進(jìn)氣能充分發(fā)揮發(fā)動機(jī)性能，保證各缸正常運轉(zhuǎn)。

2 結(jié)語

文章通過ANSYS軟件分析比較兩種進(jìn)氣結(jié)構(gòu)在發(fā)動機(jī)工況穩(wěn)定后的進(jìn)氣壓力圖，得到普通進(jìn)氣因為進(jìn)氣波動原因，在二三缸造成進(jìn)氣壓力低的問題，造成發(fā)動機(jī)二、三缸進(jìn)氣不足，導(dǎo)致發(fā)動機(jī)動力不穩(wěn)和油耗的持續(xù)增加；而帶穩(wěn)壓腔的結(jié)構(gòu)很好的解決了這個問題，保證了進(jìn)氣歧管處的進(jìn)氣壓力相等，發(fā)動機(jī)各缸進(jìn)氣均勻，能充分發(fā)揮各缸的性能，并且對發(fā)動機(jī)的損傷較低。

［1］關(guān)文達(dá).汽車構(gòu)造［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

［2］彭才望.FASE賽車用發(fā)動機(jī)進(jìn)氣性能研究［D］.廣州：廣東工業(yè)大學(xué)，2013.

［3］詹熙達(dá).CATIAV5產(chǎn)品設(shè)計實例教程［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

［4］中國大學(xué)生方程式汽車大賽規(guī)則2015公示版［Z］.

［5］張欣欣，文健康，馮策，等.FSAE賽車發(fā)動機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計［J］.農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程，2013，（9）.

［6］張紅松.ANSYS 13.0有限元分析從入門到精通［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011.

［7］吳建華.發(fā)動機(jī)原理2版［M］.北京：機(jī)械工程出版社，2013.

［8］劉外麗.進(jìn)氣溫度對微型燃機(jī)燃燒室污染物排放性能的影響［J］.環(huán)保技術(shù)，2009，（4）.

［9］孫軍.車輛內(nèi)燃機(jī)原理［M］.北京：高等教育出版社，2001.

Design of Air Intake System for FSAE Racing Engine

ZHENG Ying，YI Chi
（Xi'an Institute of Aeronautics，Xi'an，Shaanxi 710077，China）

This paper mainly analyzes the intake system of FSAE racing engine，so as to meet the requirements of the competition rules to meet the FSAE racing high-speed performance requirements of the intake system，that is，in the car engine intake system to install the regulator chamber.First，the 3D model of the two intake systems（including the regulator chamber and the regulator chamber）was drawn by CATIA software.Then，the simulation was carried out in the ANSYS software.The comparison analysis showed that the intake air system has a certain advantage in the uniformity of the intake air velocity and the inlet pressure stability.

FSAE racing；engine intake system；regulator chamber

U464.134.4

A

2095-980X（2017）02-0076-02

2017-02-16

鄭穎，主要研究方向：汽車工程。