FSAE方程式進氣系統(tǒng)的設計與優(yōu)化

吳仁杰，宋志堯

（200093 上海市 上海理工大學）

0 引言

中國大學生方程式汽車大賽(簡稱“ 中國FSAE”)是由高等院校汽車工程或車輛相關專業(yè)的在校學生組隊參加汽車設計與制造的一項比賽。大賽要求該團隊在嚴格的規(guī)定下設計出一輛可以作為生產(chǎn)項目的汽車[1]。

進氣系統(tǒng)是發(fā)動機的重要組成部分，它的布置形式和結構參數(shù)將會影響穩(wěn)壓腔內(nèi)部氣流的流動形態(tài)和進入發(fā)動機4 個進氣道里的進氣量，從而影響進氣系統(tǒng)的充氣效率，進而影響發(fā)動機動力,王海剛等人對內(nèi)燃機進氣系統(tǒng)進行流場分析[2]。

就發(fā)動機而言,大賽要求其排量不得高于600 mL,且總進氣均需通過一個直徑為20 mm 的限流閥。限流閥的存在使得原發(fā)動機的進氣量減少,影響了其動力性與穩(wěn)定性,因此,國內(nèi)外出現(xiàn)了很多針對方程式賽車發(fā)動機進氣系統(tǒng)的研究；彭才望[3]通過分析限流閥進出口錐角的角度,確定了最佳限流閥模型；龐圣桐[4]等以LD450 單缸發(fā)動機為載體,通過GT-Power 軟件對發(fā)動機進氣管長度和穩(wěn)壓腔容積進行了優(yōu)化；劉敏章[5]等通過Fluent 軟件對穩(wěn)壓腔和進氣歧管進行分析,指出壓力與速度在流動過程中損失的主要部位,并據(jù)此對進氣系統(tǒng)進行了優(yōu)化。

本文結合當前方程式的實際情況，參考各個參賽大學優(yōu)秀的設計和借鑒往年賽車的進氣系統(tǒng)去設計一套完整全新的進氣系統(tǒng)，并且采用有限元軟件Fluent 進行對比分析，從而達到減少進氣系統(tǒng)質量、提高進氣系統(tǒng)充氣效率的目的。

1 進氣系統(tǒng)設計方案分析

1.1 節(jié)氣門體和發(fā)動機的選擇

本文節(jié)氣門體選用28 mm 直徑的蝶式節(jié)氣門體，因為其響應迅速，傳感器信號穩(wěn)定，所以一直采用此節(jié)氣門體。發(fā)動機選用本田CBR600RR型號的發(fā)動機，其具體參數(shù)如表1 所示。因為從近幾年大賽的趨勢來看，四缸機的優(yōu)勢要明顯高于單缸機，再加上擁有使用四缸機的經(jīng)驗，所以選擇繼續(xù)使用它。

表1 CBR600RR 發(fā)動機參數(shù)表Tab.1 Parameters of CBR600RR engine

本文進氣系統(tǒng)廢除了側向進氣的方案，雖然側向進氣系統(tǒng)(如圖1 所示)便于在賽車上布置，但是通過流體分析可以看出發(fā)動機各缸進氣有明顯的不均勻，發(fā)動機的二缸和四缸進氣歧管質量流量明顯少于一缸和三缸，這個對于發(fā)動機輸出扭矩的影響是很大的，因為這樣不僅會使發(fā)動機的整體扭矩降低，同時，發(fā)動機輸出扭矩的平順性也會有明顯的下降，有可能會出現(xiàn)發(fā)動機在某一工況下扭矩持續(xù)波動的現(xiàn)象。因此針對這種進氣缺陷，本文的進氣系統(tǒng)采用了中間進氣(如圖2 所示)的進氣類型，并在此基礎上進行結構數(shù)優(yōu)化，以實現(xiàn)各缸的進氣均勻度和提高發(fā)動機的充氣效率。

圖1 側向進氣Fig.1 Lateral inlet

圖2 中間進氣Fig.2 Middle inlet

1.2 進氣歧管長度的計算

由于進氣歧管的主要作用是將穩(wěn)壓腔中的空氣分配到發(fā)動機的各個缸中，而且設計歧管長度時，利用其長度與進氣動態(tài)效應之間的關系可以增加進氣沖程的進氣量

如何調(diào)整進氣歧管的長度主要取決于穩(wěn)壓腔的體積，如果穩(wěn)壓腔的體積比較大，可以將穩(wěn)壓腔視為與大氣相通的開口來計算歧管長度。

活塞下行產(chǎn)生的負壓波傳至節(jié)氣門開口端后變?yōu)檎龎翰ǚ瓷浠貋恚祷氐臅r間為

式中：c——壓力波在管內(nèi)的傳播速度，其大小等于音速。

該壓力波往返的周期應盡可能與進氣門開啟的時間相同。

進氣門在某一轉速下開啟的時間為

式中：n——轉速；θintakevalveopeningperiod——節(jié)氣門開度。

由此可以得出

根據(jù)CBR600RR 發(fā)動機高轉速動力強的特點，以及實際比賽中發(fā)動機經(jīng)常使用的轉速區(qū)間，選取n=8 000 r/min 為計算轉速。

CBR600RR 發(fā)動機進氣門早開角為21°，進氣門晚關角為44°，故進氣門總的開啟周期所對應的曲軸轉角為

代入式（3）求得進氣管總長度L=0.86 m。

CBR600RR 發(fā)動機進氣道長度為94 mm，噴油底座長度為68 mm。大賽規(guī)則限制進氣總管不能太長，從節(jié)氣門開口到進氣歧管進口之間距離暫定550 mm?？汕蟮眠M氣歧管長度為148 mm。

穩(wěn)壓腔的體積由經(jīng)驗一般取3～8 倍的發(fā)動機排量，根據(jù)經(jīng)驗穩(wěn)壓腔的容積3 L 左右充氣效率最佳[6]。根據(jù)上面計算的進氣歧管長度148 mm，排氣總管1.2 m，以20 mm 為一個跨度，分析穩(wěn)壓腔取3 L，排氣總管取1.2 m，當進氣歧管分別取128，148，168 mm 時，發(fā)動機輸出扭矩的變化結果依次如圖3 所示。

圖3 發(fā)動機輸出扭矩變化圖Fig.3 Diagram of engine output torque variation

由圖4 三份數(shù)據(jù)可知，發(fā)動機轉速在5 000 r/min以上時，進氣歧管為148 mm 發(fā)動機輸出扭矩要比歧管長度取128 mm 和168 mm 時的扭矩普遍高一些，因此，進氣歧管長度確定為148 mm。

1.3 進氣系統(tǒng)穩(wěn)壓腔容積計算

如果穩(wěn)壓腔體積取得太小，穩(wěn)壓腔對進氣系統(tǒng)中壓力波的緩和能力就有限，但是如果穩(wěn)壓腔體積取得過大，加速時空氣充滿穩(wěn)壓腔所需要的時間就會變長，就會產(chǎn)生油門遲滯現(xiàn)象。根據(jù)經(jīng)驗，穩(wěn)壓腔體積取3～8 倍發(fā)動機排量，因此，分別分析穩(wěn)壓腔體積取2，3，4 L 時，發(fā)動機輸出扭矩的變化，如圖4 所示。

分析結果可以看出，穩(wěn)壓腔體積對發(fā)動機輸出扭矩影響也不大，但3 L 穩(wěn)壓腔與2 L 和4 L穩(wěn)壓腔相比，發(fā)動機5 000 r/min 以后扭矩略顯大些，故確定穩(wěn)壓腔體積為3 L。

1.4 數(shù)模圖確定

由于進氣歧管長度和大賽對進氣系統(tǒng)規(guī)則的限制，進氣歧管若全部采用彎管，那么進氣系統(tǒng)會超出規(guī)則限制的區(qū)域，所以，進氣歧管采用全部直管的方案，這樣，可以為之后布置節(jié)氣門體和空氣濾清器保留足夠的空間。確定的進氣方案如圖5 所示。

圖5 改進的進氣系統(tǒng)Fig.5 Improved intake system

2 用Fluent 有限元分析軟件分析進氣系統(tǒng)

2.1 進氣口流場分析

大賽規(guī)則要求在進氣總管處加一個20 mm 的限流閥，用來限制發(fā)動機的最大進氣量，從而限制發(fā)動機的最大功率。限流閥前端開口起到組織氣流的作用，合適的開口錐角能有效組織氣流，從而減小進氣口處的紊流，減少進氣阻力，將限流閥對進氣的限制作用減少到最小，因此限流閥前端錐形管的設計很重要。通過經(jīng)驗可先初步選定此錐形管的錐角為16°，通過Fluent進行流體分析，分別分析錐角取14°，16°，18°時，限流閥出口端的質量流量。分析結果如圖6 所示。

圖6 限流閥前端錐角選取Fig.6 Selection of front cone angle of flow limiting valve

由分析結果可以看出，限流閥前端錐管錐角取14°時，出口質量流量為1.474 26 kg/s；錐角取16°時，出口質量流量為1.428 43 kg/s；錐角取18°時，出口質量流量為1.501 32 kg/s。所以最終決定采用18°錐角設計。

2.2 總管擴散器的流場分析

根據(jù)經(jīng)驗，初步選定擴散器的錐角為6°，并利用Fluent 分析擴散器錐角取5°，6°，7°時，其內(nèi)部壓力和出口端氣流質量流量的變化。分析結果如圖7 所示。

圖7 擴散器錐角選取Fig.7 Selection of diffuser cone angle

由分析結果可以得出，擴散器采用5°錐角時，出口質量流量為0.710 043 kg/s；擴散器采用6°錐角時，出口質量流量為0.663 884 kg/s；擴散器采用7°錐角時，出口質量流量為0.751 523 kg/s，所以，選用7°擴散器錐角作為最終方案。

2.3 穩(wěn)壓腔與進氣歧管的流場分析

穩(wěn)壓腔內(nèi)部氣流的運動主要與穩(wěn)壓腔形狀和進氣總管出口端到穩(wěn)壓腔之間過渡處的管的形狀有關，可以通過改變以上兩處的形狀來調(diào)節(jié)穩(wěn)壓腔的內(nèi)部氣流的運動。根據(jù)經(jīng)驗，穩(wěn)壓腔采用圓柱體可以很好地實現(xiàn)穩(wěn)壓腔內(nèi)部壓力的均勻，下面分析由進氣總管直接進入穩(wěn)壓腔和在進氣總管出口端與穩(wěn)壓腔之間設置過渡區(qū)兩種方案對穩(wěn)壓腔內(nèi)部氣流運動的影響。兩種方案的進氣系統(tǒng)三維模型和相應的采用Fluent 軟件分析得到的兩種穩(wěn)壓腔內(nèi)部流速如圖8 所示。

圖8 2 種方案進氣系統(tǒng)Fig.8 Two schemes of intake system

由以上分析結果對比可知，在擴散器出口端與穩(wěn)壓腔之間設置過渡管可有效地組織穩(wěn)壓腔內(nèi)部氣流運動，減少氣流沖擊壁面造成穩(wěn)壓腔內(nèi)部氣流紊亂的現(xiàn)象，故采用方案2。

2.4 進氣歧管出口流量分析

進氣歧管是進氣系統(tǒng)的末端，4 個進氣歧管出口端的空氣質量流量最終決定了進入發(fā)動機各缸的進氣量是否真正均勻，如果某個進氣歧管出口端空氣質量流量相比其他3 個歧管較少，則可以通過改變歧管內(nèi)徑尺寸來進行調(diào)整。初始進氣模型4 個歧管管徑均相同，大小為直徑40 mm，通過Fluent 分析各個歧管內(nèi)流速線圖結果可以看出，采用4 個內(nèi)徑相同的進氣歧管，2 缸和4 缸的歧管內(nèi)空氣流量和其余2 個缸的歧管相比顯得少了一些，因此，將2 缸和4 缸的進氣歧管內(nèi)徑設計得大一些，改為42 mm。修改后繼續(xù)用Fluent 軟件進行分析，將其分析的結果與已有的進氣系統(tǒng)進行對比，如圖9 所示。

圖9 2 種版本進氣流速分析圖Fig.9 Two versions of intake flow rate analysis chart

綜上所述，我們發(fā)現(xiàn)改進版本的進氣系統(tǒng)的充氣效率與已有版本相比得到了明顯提升，這也達到了我們預期的目的。

3 結語

本文主要對進氣系統(tǒng)進行布置，優(yōu)化確定了進氣系統(tǒng)的歧管的參數(shù)和穩(wěn)壓腔容積的參數(shù)，采用有限元軟件流體分析對設計好的全新的進氣系統(tǒng)進行仿真分析，通過對比已有的分析結果來不斷優(yōu)化全新進氣系統(tǒng)的設計?？傊驹O計著重考慮減輕進氣系統(tǒng)的整體質量，提高進氣系統(tǒng)的充氣效率，利用動態(tài)效應以及接合有限元軟件進行分析，為日后制造新的進氣系統(tǒng)提供參考。