進氣系統(tǒng)的優(yōu)化設計

余龍，徐生榮，朱銀，丁華鋒,

（1.湖北文理學院汽車與交通工程學院，湖北 襄陽 441053；2.湖北三環(huán)鍛造有限公司，湖北 襄陽 441700）

引言

中國大學方程式大賽規(guī)定油車發(fā)動機排量必須為710cc以下，本車隊選用本CBR600作為參賽發(fā)動機，規(guī)則為限制發(fā)動機功率，必須在進氣系統(tǒng)中安裝一個圓環(huán)形直徑為20㎜的限流閥，限流閥的增加大大降低了發(fā)動機的自然充氣效率[1]。充氣效率又直接影響發(fā)動機的性能，通過合理設計進氣模型參數(shù)，利用三維軟件 CATIA 建立 FSAE賽車發(fā)動機進氣系統(tǒng)三維模型[2]。通過 ANSYS 軟件中的FLUENT模塊對進氣系統(tǒng)模型進行流場分析，對比分析歧管的進氣均勻性，最后達到對 FSAE 賽車發(fā)動機進氣系統(tǒng)優(yōu)化的目的，以此來達到提高發(fā)動機充氣效率的目的[3]。

1 進氣形式的確定

歷年來隨著大賽的逐漸發(fā)展，逐漸形成了三種進氣形式：①機械增壓；②渦輪增壓；③自然吸氣。四缸機主要采用自然吸氣形式。FSAE賽車進氣系統(tǒng)包括以下結構：

根據(jù)以上結構確定了大致的進氣形式為中央進氣。

2 進氣主管及限流閥的參數(shù)確定

根據(jù)規(guī)則需要以及車架設計計算出主管的長度為240 mm，由于限流閥存在于進氣主管之內(nèi)，對限流閥采用文丘里管模型，當氣體經(jīng)過限流閥時流速增大，壓力減小形成壓差，產(chǎn)生一定的吸力，因此合適的設計限流閥的入口漸縮角和出口漸擴角，可以有效提高進氣量。確定漸縮角范圍一般在10°- 20°，漸擴角在5°- 7°，確定三組值，分別為（18°，5°）（18°，6°）（18°，7°）[4]。使用CATIA對這三組參數(shù)分別建立三維模型，通過FLUENT對建立模型進行流場分析。三組參數(shù)統(tǒng)一使用壓力進出口邊界條件：入口壓力設為101325Pa，湍流強度為5%；出口壓力設為97870Pa，湍流強度同樣設為5%。湍流模型采用標準的k-ε模型[4]。進行迭代計算得出表1數(shù)據(jù)：

圖1 三組參數(shù)二的流場分析結果

表1 各角度限流閥通過的流量大小

通過對三組參數(shù)的比較確定限流閥漸縮角為18°，漸擴角為7°。

3 穩(wěn)壓腔和進氣歧管的參數(shù)確定

穩(wěn)壓腔容積是影響油門踏板的靈敏度的一個因素，容積過小，油門踏板的靈敏度會過高；容積過大，賽車油門的反應又會過于遲鈍。穩(wěn)壓腔的容積一般在3-4 L左右，分別設計穩(wěn)壓腔容積為3.2L、3.4L、3.6L。根據(jù)諧振效應在特定轉速下和進氣門關閉之前，進氣歧管內(nèi)產(chǎn)生大幅度的壓力波，使進氣歧管內(nèi)進氣壓力增高，從而增加進氣量。由公式[5]：

c：聲速取值340m/s；

n：為發(fā)動機轉速取值9000r/min；

q=1.5、2.5、3.5.....（q為波動系數(shù)）波動系數(shù)選擇2.5；

由于噴油底座也屬于一段歧管長度，減去噴油底座長度，初步計算出歧管長度為155mm，歧管最大直徑為53.7mm，最小直徑為44mm，漸變角為4°。

4 進氣模型的建立及優(yōu)化

通過以上得出的幾組數(shù)據(jù)在CATIA中建立三維模型如圖2，將建立好的模型導入到FLUENT進行流場分析。

圖2 進氣三維模型

對建立好的模型在FLUENT流體分析軟件中進行仿真，導入模型后建立內(nèi)流域，使用MESH模塊進行網(wǎng)格劃分。設置求解，由于本文考慮的是單純的流場特性分析，所以不涉及到換熱，采用標準的k-ε模型；采用壓力進口邊界條件，進口壓力設置101325Pa、出口壓力設置 97870Pa；壁面邊界條件采用無滑移邊界條件；溫度設置為26℃，迭代計算1000步，得出三種模型的質量流量和流場特性。

圖3 不同體積穩(wěn)壓腔的流場分析圖

表2 三組模型歧管進氣量百分比

如上圖3從上到下分別為穩(wěn)壓腔為3.2L、3.4L、3.6L時的流場特性和質量流量。分別分析表2中的三種模型的質量流量和流場特性得出3.2L和3.6L雖然在總質量流量上差異不大，但是3.2L的1、4歧管與2、3歧管流量百分比分別相差30.06%、29.6%，流量百分比相差比較大。3.4L的總質量流量十分接近理想值0.070㎏/s其四個歧管流量百分比與標準均勻進氣情況下的百分比分別相差：5.7%、15.4%、12.1%、9.1%，其相對進氣均勻性也強于其他兩種方案。綜上所述，本文得到穩(wěn)壓腔體積在3.4L為最佳方案。分析可知此模型在進氣均勻性上有著明顯的不足，所以本文針對歧管長度再次優(yōu)化模型。

5 進氣歧管的優(yōu)化設計

由于穩(wěn)壓腔容積為3.2L時進氣太集中于2、3兩歧管，為了盡量讓四個歧管進氣量均勻，增加其功率和扭矩。本文從新對歧管進行了優(yōu)化，將2、3兩歧管的進口口徑縮小至50mm，將1、4兩歧管口徑增大到56mm，并且對1、4兩歧管在結構上進行優(yōu)化，這里本文在1、4兩歧管進口處引用了風杯結構，來實現(xiàn)增大1、4兩管的進氣量的目的。在CATIA中重新建模，并在ANSYS 中建立好內(nèi)流域。

分別討論單個風杯和兩風杯的影響。

圖4 兩風杯結構優(yōu)化結果

結合圖4優(yōu)化的結果可知，通過建立兩個風杯結構使兩側歧管質量流量的更均勻分布，并使進氣系統(tǒng)的流場更加順暢，達到了對進氣歧管的優(yōu)化設計，提高了進氣系統(tǒng)的充氣效率，有利于提升發(fā)動機的性能。

6 總結

（1）本文通過結構分析確定了進氣系統(tǒng)各個結構的參數(shù)。

（2）通過對進氣模型的優(yōu)化，將總進氣量從去年的0.0532kg/s提高到了接近理想進氣量的0.0675kg/s，有效地提高的總進氣量，提升了充氣效率。