A方程式賽車發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析
A方程式賽車發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析,方程式賽車,發(fā)動(dòng)機(jī),系統(tǒng),設(shè)計(jì),分析
上海工程技術(shù)大學(xué)
畢業(yè)設(shè)計(jì)（畢業(yè)論文）任務(wù)書
學(xué) 院
汽車工程學(xué)院
專 業(yè)
機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化（汽車工程）（中美合作）
班級(jí)學(xué)號(hào)
062110316
學(xué) 生
彭濤
指導(dǎo)教師
李傳昌
題 目
方程式賽車發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析
任務(wù)規(guī)定
進(jìn)行日期 自 2014 年 2 月 17 日起，至 2014 年 6 月 20 日止
目 錄
摘要 4
關(guān)鍵詞 4
Abstract 5
Key words 5
引言 5
緒論 6
1.1 課題研究背景和意義 6
1.2 汽車發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)的簡(jiǎn)介 7
1.2.1 進(jìn)氣系統(tǒng)定義 7
1.2.2 基本構(gòu)成 7
1.3 汽車發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì) 7
1.4 進(jìn)氣限流情況下提高進(jìn)氣效率技術(shù)的研究現(xiàn)狀 8
1.5 研究?jī)?nèi)容 8
1.6 進(jìn)氣系統(tǒng)系統(tǒng)概述 9
1.6.1 進(jìn)氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)充氣效率的影響 9
1.6.2 進(jìn)氣管長(zhǎng)度對(duì)充氣效率的影響 9
1.6.3 FSAE規(guī)則對(duì)進(jìn)氣系統(tǒng)限制 9
1.6.4 賽車進(jìn)氣系統(tǒng)主要構(gòu)成 11
2 進(jìn)氣系統(tǒng)方案設(shè)計(jì) 11
2.1 進(jìn)氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程 11
2.2 確定進(jìn)氣系統(tǒng)材料與制造工藝 13
2.3 節(jié)氣門體類型選擇 13
3 設(shè)定進(jìn)氣系統(tǒng)各部件基本參數(shù) 14
3.1 系統(tǒng)參數(shù) 14
3.2 空氣濾清器 15
3.3 限流閥開口 16
3.4 限流閥 16
3.5 限流閥擴(kuò)散器 16
3.6 穩(wěn)壓腔 16
3.7 進(jìn)氣道 17
3.8設(shè)計(jì)要求 17
3.8.1 進(jìn)氣方案 18
3.8.2 進(jìn)氣管形式 18
4 各部件基本參數(shù)設(shè)計(jì) 21
4.1 節(jié)氣門口徑 21
4.2 進(jìn)氣總管長(zhǎng)度 21
4.3 穩(wěn)壓腔體積 21
4.4 進(jìn)氣歧管長(zhǎng)度 21
5 流場(chǎng)分析 22
5.1 分析軟件介紹 22
5.2 模型網(wǎng)格劃分與邊界條件初定義 22
5.2.1 進(jìn)氣總管分析 22
5.2.2 穩(wěn)壓腔分析 25
5.2.3 進(jìn)氣歧管長(zhǎng)度分析驗(yàn)證 27
6 進(jìn)氣系統(tǒng)裝配 28
7 結(jié)論與展望 30
參考文獻(xiàn) 31
大學(xué)生方程式賽車進(jìn)氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析
車輛工程專業(yè) 彭濤
指導(dǎo)教師 李傳昌
摘要：本設(shè)計(jì)是針對(duì)我院2014年FSAE賽車發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)與仿真研究。文中系統(tǒng)的闡述的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣的基本原理，簡(jiǎn)要敘述了發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)研究發(fā)展的現(xiàn)狀。這一優(yōu)化設(shè)計(jì)借助先進(jìn)的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣性能計(jì)算三維制圖軟件CATIA建立該發(fā)動(dòng)機(jī)的仿真模型，并就發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣歧管長(zhǎng)度四種方案進(jìn)行了動(dòng)力性能的模擬計(jì)算，分析了進(jìn)氣歧管長(zhǎng)度變化及進(jìn)氣諧振箱體積變化對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性能的影響及其規(guī)律。在基本確定進(jìn)氣系統(tǒng)的幾何設(shè)計(jì)參數(shù)以后運(yùn)用三維流體仿真軟件FLUENT對(duì)管內(nèi)氣流流場(chǎng)進(jìn)行仿真計(jì)算，形象化了氣流流線及流型，量化了流場(chǎng)內(nèi)部的壓力及速度分布情況，進(jìn)一步優(yōu)化了進(jìn)氣系統(tǒng)的局部結(jié)構(gòu)參數(shù)，并定出合里的限流閥結(jié)構(gòu)參數(shù)，為我院FSAE車隊(duì)后續(xù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)的工作指明了方向，并提出改進(jìn)建議。
關(guān)鍵詞:FSAE賽車 進(jìn)氣系統(tǒng) 設(shè)計(jì) 分析
Simulation and Analysis of Steer-by-Wire based on PID Control
Student majoring in vehicle engineering Peng Tao
Tutor Li Chuanchang
Abstract：This design is for our school in 2014 FSAE race engine optimization design of the intakepipe length. This paper describes the system of the engine intake resonator basic principles, and depicts the research and development status of the engine intake system in brief. The optimal design with advanced 3D software to establishe a simulation model of the engine and calculated five dynamic properties of program simulation for the engine intake manifold on the longer length, analysed the changes in the intake manifold length on performance of engine power and its regulars.The paper also made a comparative analysis of the acion of the dynamic performance before and after installing the throttle on the engine,and pointed out a clear direction for the follow-up work of optimal design of the FSAE team and recommended the improvement..
Key words: FSAE race，intake system，optimal design，analysis
引言
賽車運(yùn)動(dòng)是流行于世界各地汽車工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家的熱門運(yùn)動(dòng)，不同于一般的體育運(yùn)動(dòng)，賽車研發(fā)的尖端科技往往被逐步引入民用車中，造福于整個(gè)汽車工業(yè)的發(fā)展。
本設(shè)計(jì)課題來自我校中國(guó)大學(xué)生方程式汽車大賽項(xiàng)目課題。該賽事意在培養(yǎng)汽車工程方向及相關(guān)專業(yè)的在校大學(xué)生、研究生的創(chuàng)新力，團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力。在為期8-12個(gè)月的時(shí)間里完成一輛小型方程式賽車的設(shè)計(jì)與制造，并成功完成比賽。
大學(xué)生方程式賽車【1】(Formula SAE)在國(guó)際上被視為“學(xué)界的F1方程式賽車”。該賽事不單單是一項(xiàng)賽車競(jìng)技，更是一項(xiàng)賽車設(shè)計(jì)與團(tuán)隊(duì)運(yùn)作的綜合競(jìng)賽。
作為美國(guó)汽車工程師協(xié)會(huì)于1979年創(chuàng)辦的賽事，F(xiàn)SAE已經(jīng)有三十一年的歷史了，目前舉辦該賽事的國(guó)家除美、英、德、意、澳及巴西，日本也于幾年前加入推廣這項(xiàng)比賽，此賽事致力于培養(yǎng)及訓(xùn)練車輛工程研發(fā)設(shè)計(jì)人才【2】。該賽事于2010年正式進(jìn)入中國(guó)，由中國(guó)汽車工程師協(xié)會(huì)承辦，第一年便得到廣大具有汽車工程特色的學(xué)校響應(yīng)，超過20支車隊(duì)參加了第一屆比賽的報(bào)名。然而，在此之前，湖南大學(xué) HNU車隊(duì)已作為國(guó)內(nèi)首支車隊(duì)于 2007年6月參加了在美國(guó)加州舉行的 SAE 方程式賽車比賽，并取得了比較好的成績(jī)，隨后同濟(jì)、廈門理工、上海交大也相繼遠(yuǎn)赴海外參加到這項(xiàng)賽事中。
FSAE賽事能進(jìn)入中國(guó)是件值得高興的事。這不僅能夠提供大學(xué)生們親自參與設(shè)計(jì)制造的機(jī)會(huì)，更促進(jìn)了與其他院校的學(xué)生交流的機(jī)會(huì)，并更深入地接觸社會(huì)，培養(yǎng)了學(xué)生的綜合能力，同時(shí)也能通過FSAE賽車來展示我校汽車學(xué)院的風(fēng)采，這無(wú)疑是一件雙贏的事。
緒論
1.1 課題研究背景和意義
內(nèi)燃機(jī)在1867年問世至今,己有一百余年的歷史了。一個(gè)世紀(jì)來,內(nèi)燃機(jī)憑借其
熱效率高、熱負(fù)荷小、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)而在車輛、船舶、工程機(jī)械等廣泛的領(lǐng)域取得了優(yōu)勢(shì)地位?！?】?jī)?nèi)燃機(jī)也己經(jīng)發(fā)展成為一個(gè)比較完備的動(dòng)力機(jī)械體系,到今天為止已經(jīng)達(dá)到一個(gè)較高的技術(shù)水平,其中有兩個(gè)方面的科技發(fā)展為此做出了巨大貢獻(xiàn),一是20世紀(jì)50年代初興起的增壓技術(shù)和高壓共軌技術(shù)在內(nèi)燃機(jī)產(chǎn)品上的廣泛應(yīng)用,再就是20世紀(jì)70年代開始的電子控制技術(shù)及計(jì)算機(jī)在內(nèi)燃機(jī)研制中的應(yīng)用。在這樣一個(gè)發(fā)展歷程中,內(nèi)燃機(jī)為世界的經(jīng)濟(jì)發(fā)展作出了巨大的貢獻(xiàn),對(duì)人類文明的發(fā)展起到了極為重要的作用。
從20世紀(jì)40年代開始,人類進(jìn)入內(nèi)燃機(jī)時(shí)代,內(nèi)燃機(jī)可以說是20世紀(jì)的重大科技成就之一。在今后相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間內(nèi),內(nèi)燃機(jī)作為主要交通工具的動(dòng)力其主導(dǎo)地位仍然不會(huì)改變。因此,隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,在可以預(yù)見的將來,內(nèi)燃機(jī)將仍是中小功率范圍內(nèi)最主要的原動(dòng)機(jī)。內(nèi)燃機(jī)是工程機(jī)械的心臟,而進(jìn)氣系統(tǒng)則是內(nèi)燃機(jī)的動(dòng)脈,進(jìn)氣系統(tǒng)的合理性直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)的性能、壽命,從而影響整機(jī)的性能、壽命及環(huán)保性。進(jìn)氣系統(tǒng)的功能是為發(fā)動(dòng)機(jī)提供清潔、干燥、充足的空氣,系統(tǒng)中主要組件空濾器、管路及其設(shè)計(jì)安裝將直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)功能的發(fā)揮、工作的穩(wěn)定性、可靠性,甚至大大縮短其壽命。提高發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性是內(nèi)燃機(jī)研究者們一直追求的目標(biāo)之一,而增加進(jìn)氣量、改善氣缸內(nèi)混合氣流運(yùn)動(dòng)和燃燒是提高內(nèi)燃機(jī)動(dòng)力性的主要途徑。但提高進(jìn)氣量與進(jìn)氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān),所以,研究進(jìn)氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)進(jìn)氣量的影響規(guī)律對(duì)于改善汽油機(jī)性能具有十分重要意義?！?】
1.2 汽車發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)的簡(jiǎn)介
1.2.1 進(jìn)氣系統(tǒng)定義
汽車的進(jìn)氣系統(tǒng)是把空氣或混合氣導(dǎo)入發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸的零部件集合體。發(fā)動(dòng)機(jī)是工程機(jī)械的心臟，而進(jìn)氣系統(tǒng)則是發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)脈，進(jìn)氣系統(tǒng)的合理性直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)的性能、壽命，從而影響整機(jī)的性能、壽命及環(huán)保性。進(jìn)氣系統(tǒng)的功能是為發(fā)動(dòng)機(jī)提供清潔、干燥、充足的空氣，系統(tǒng)中主要組件空濾器、管路及其設(shè)計(jì)安裝將直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)功能的發(fā)揮、工作的穩(wěn)定性、可靠性，甚至大大縮短其壽命。【5】
1.2.2 基本構(gòu)成
進(jìn)氣系統(tǒng)包含了空氣濾清器、進(jìn)氣歧管、進(jìn)氣門機(jī)構(gòu)?？諝饨?jīng)空氣濾清器過濾掉雜質(zhì)后，流過空氣流量計(jì)，經(jīng)由進(jìn)氣道進(jìn)入進(jìn)氣歧管，與噴油嘴噴出的汽油混合后形成適當(dāng)比例的油氣，由進(jìn)氣門送入氣缸內(nèi)點(diǎn)火燃燒，產(chǎn)生動(dòng)力。
圖1.1 發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)
1.3 汽車發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì)【6】
近年來，汽車發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣技術(shù)的革新主要體現(xiàn)在“可變”這一思想上。
由于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的工況可能每時(shí)每刻都在改變，不同的轉(zhuǎn)速與負(fù)荷有著相對(duì)應(yīng)的進(jìn)排氣系統(tǒng)理想?yún)?shù)。但是早前的發(fā)動(dòng)機(jī)，進(jìn)氣系統(tǒng)是不可變的，故只能在一個(gè)特定的工況范圍中才能被評(píng)判為最理想。而現(xiàn)代的可變進(jìn)氣管長(zhǎng)度，可變氣門正時(shí)，可變截面渦輪增壓，可變渦流控制，可變氣門升程等技術(shù)都是為了更好地去匹配發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)中隨時(shí)而變的工況，以提高充氣效率。
目前最主流的則是分別以日本豐田汽車公司VVT技術(shù)和本田汽車公司VTEC【7】技術(shù)為代表的兩種可變配氣技術(shù)。可變配氣技術(shù)，從大類上分，包括可變氣門正時(shí)和可變氣門行程兩大類。
90年代初，日本本田公司推出一種即可改變配氣正時(shí)，又能改變氣門運(yùn)動(dòng)規(guī)律的可變配氣定時(shí)－升程的控制機(jī)構(gòu)，是世界上第一個(gè)能同時(shí)控制氣門開閉時(shí)間及升程等兩種不同情況的氣門控制系統(tǒng)。就是現(xiàn)在大家耳熟能詳?shù)腣TEC機(jī)構(gòu)：一般發(fā)動(dòng)機(jī)每缸氣門組只由一組凸輪驅(qū)動(dòng)，而VTEC系統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)卻有中低速用和高速用兩組不同的氣門驅(qū)動(dòng)凸輪，并可通過電子控制系統(tǒng)的自動(dòng)操縱，進(jìn)行自動(dòng)轉(zhuǎn)換。采用VTEC系統(tǒng)，保證了發(fā)動(dòng)機(jī)中低速與高速不同的配氣相位及進(jìn)氣量的要求，使發(fā)動(dòng)機(jī)無(wú)論在何速率運(yùn)轉(zhuǎn)都達(dá)到動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性與低排放的統(tǒng)一和極佳狀態(tài)。
本田的VTEC發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)已經(jīng)推出了十年左右了，事實(shí)也證明這種設(shè)計(jì)是可靠的。它可以提高發(fā)動(dòng)機(jī)在各種轉(zhuǎn)速下的性能，無(wú)論是低速下的燃油經(jīng)濟(jì)性和運(yùn)轉(zhuǎn)平順性還是高速下的加速性。在電子控制閥門機(jī)構(gòu)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的凸輪機(jī)構(gòu)之前，本田的VTEC技術(shù)在目前可以說是一種很好的方法。
1．4 進(jìn)氣限流情況下提高進(jìn)氣效率技術(shù)的研究現(xiàn)狀【8】
“進(jìn)氣限流”出自于SAE方程式賽車。SAE方程式(Formula Sae)是由美國(guó)汽車工程協(xié)會(huì)主辦的挑戰(zhàn)本科生、研究生團(tuán)隊(duì)構(gòu)思、設(shè)計(jì)、制造和駕駛小型方程式賽車的國(guó)際性賽事。賽車使用小于610CC容量的發(fā)動(dòng)機(jī),進(jìn)行多個(gè)項(xiàng)目的此賽。而在此比賽規(guī)則中的動(dòng)力限制里,主要是對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣流量進(jìn)行限制,為了提高限流以后發(fā)動(dòng)機(jī)的充氣效率,提高賽車的動(dòng)力性。全球各個(gè)高校車隊(duì)均對(duì)限流以后如何提高發(fā)動(dòng)機(jī)的充氣效率這個(gè)課題進(jìn)行了深入研究。而其中利用氣體動(dòng)力效應(yīng)的增壓技術(shù),進(jìn)氣管長(zhǎng)度連續(xù)可變技術(shù)以及廢氣禍輪增壓技術(shù)在充分挖掘進(jìn)氣限流后的發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性的研究上均取得了良好的效果。
如西華大學(xué)在2011年FSAE中國(guó)站比賽中,自主開發(fā)的諧波增壓的進(jìn)氣系統(tǒng)在比賽中在動(dòng)力性方面使賽車有優(yōu)異的表現(xiàn);日本上智大學(xué)車隊(duì)在2011年日本站比賽中,采用禍輪增壓技術(shù)充分調(diào)動(dòng)了限流限制下賽車的動(dòng)力性能;德國(guó)斯圖加特大學(xué)車隊(duì),采用進(jìn)氣管長(zhǎng)度連續(xù)可變技術(shù)在各個(gè)轉(zhuǎn)速區(qū)域均能使限流后的賽車有著優(yōu)異的動(dòng)力性能。
1．5 研究?jī)?nèi)容
通過本課題的具體研究?jī)?nèi)容包括:
（1）進(jìn)氣管結(jié)構(gòu)參數(shù)理論設(shè)計(jì)計(jì)算
首先研究了進(jìn)氣管中氣流運(yùn)動(dòng)的波動(dòng)效應(yīng)和能量損失以及汽油機(jī)趕內(nèi)的空氣運(yùn)動(dòng),對(duì)進(jìn)氣管氣流運(yùn)動(dòng)一維仿真方法進(jìn)行探討,用CATIA軟件建立發(fā)動(dòng)機(jī)模型,分析進(jìn)氣管長(zhǎng)度變化和諧振箱容積變化對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響。
（2）進(jìn)氣系統(tǒng)三維幾何建模
利用三維造型軟件建立包括空氣濾清器、限流閥、進(jìn)氣管、諧振箱、進(jìn)氣歧管等幾何模型。
（3）評(píng)價(jià)選擇設(shè)計(jì)計(jì)算方法及工具
介紹CFD理論基礎(chǔ),包括流體力學(xué)控制方程、離散化、邊界條件和初始化條件等等。
（4）對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行三維流場(chǎng)動(dòng)力學(xué)計(jì)算和分析
網(wǎng)格劃分好以后,借助計(jì)算流體力學(xué)(CFD)輔助內(nèi)燃機(jī)分析理論,利用三維流體計(jì)
算軟件FLUENT對(duì)改進(jìn)前后的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)包括空氣濾清器一文丘里限流閥一進(jìn)氣管一諧振箱一進(jìn)氣歧管進(jìn)行了流場(chǎng)模擬?！?】使進(jìn)氣系統(tǒng)在不同氣紅吸氣沖程時(shí)刻時(shí)、進(jìn)氣歧管出口速度有所提高。研究結(jié)果表明提高了發(fā)動(dòng)機(jī)在中高速轉(zhuǎn)速時(shí)的轉(zhuǎn)矩和功率,滿足了賽車動(dòng)力性需要。
1．6 進(jìn)氣系統(tǒng)系統(tǒng)概述
1．6．1 進(jìn)氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)充氣效率的影響
使足夠的充量進(jìn)入氣紅、以獲得較高的充氣效率,是組織和完善燃燒過程、提高發(fā)動(dòng)機(jī)性能的前提。所以,提高充氣效率是研究發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程的重要內(nèi)容。利用進(jìn)氣管中的動(dòng)力效應(yīng)提高進(jìn)氣充量是一種簡(jiǎn)單而有效的方法。
發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí),非定常流動(dòng)效應(yīng)使各在進(jìn)氣過程中進(jìn)氣管內(nèi)的壓力發(fā)生變化,吸入氣虹的充量,受進(jìn)氣門關(guān)閉前很短時(shí)間內(nèi)進(jìn)氣門處壓力水平的影響。利用氣體動(dòng)力效應(yīng)對(duì)進(jìn)氣系統(tǒng)進(jìn)行協(xié)調(diào),可提高進(jìn)氣過程終了時(shí)氣門處的壓力,從而可提高發(fā)動(dòng)機(jī)的容積效率。對(duì)于車用汽油發(fā)動(dòng)機(jī)來說進(jìn)氣系統(tǒng)主要包括:空氣濾清器、進(jìn)氣管、迸氣道和連接空氣濾清器與進(jìn)氣管 連接管?？諝鉃V清器作為進(jìn)氣系統(tǒng)阻力的一部分,我們考慮的是盡可能地減少其流通阻力,而不考慮其對(duì)動(dòng)力效應(yīng)增壓的影響。但對(duì)于進(jìn)氣管不僅要減少其流動(dòng)阻力,而且還要考慮其結(jié)構(gòu)參數(shù)是否符合動(dòng)力效應(yīng)增壓的要求。所以,研究進(jìn)氣系統(tǒng)的動(dòng)力效應(yīng)增壓,其實(shí)質(zhì)就是研究進(jìn)氣管的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)動(dòng)力效應(yīng)增壓的影響?？諝鉃V清器與進(jìn)氣管的連接管的長(zhǎng)度也是影響動(dòng)力效應(yīng)增壓的一個(gè)重要參數(shù),通過對(duì)進(jìn)、排氣系統(tǒng)進(jìn)行合理的設(shè)計(jì),充分利用動(dòng)力效應(yīng)增壓,使發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩在所側(cè)重的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)有較大的提高,同時(shí)可以改善燃油經(jīng)濟(jì)性。
1. 6. 2 進(jìn)氣管長(zhǎng)度對(duì)充氣效率的影響
進(jìn)氣管長(zhǎng)度是影響動(dòng)力效應(yīng)的主要參數(shù)。選用合適的進(jìn)氣管長(zhǎng)度增加進(jìn)氣充量,實(shí)質(zhì)就是利用其動(dòng)力效應(yīng)來提高充氣效率。因此,進(jìn)氣管長(zhǎng)度的選擇尤為重要【10】。
在非增壓發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣過程中,由于活塞下行真空吸入作用,在進(jìn)氣門口處所形成的負(fù)壓波,經(jīng)進(jìn)氣道、進(jìn)氣歧管、諧振箱、文丘里限流閥傳至上游開口端,再反射回來。管入口處壓力波形態(tài)取決于諧振箱、外接管及上游親合部件中復(fù)雜的氣流波動(dòng),故它不是自身負(fù)壓波的簡(jiǎn)單反射,而是由自身負(fù)壓波、上游各部件中氣體反射波以及來自各缸的負(fù)壓波在此處疊加而成。在進(jìn)氣門關(guān)閉之前,若各波合成效果為正壓波時(shí),則有利于后續(xù)進(jìn)氣,使充氣效率增加;若為負(fù)壓波,則充氣效率降低。這也就是說,合成波的相位應(yīng)與配氣相位的關(guān)閉時(shí)刻配合,而合成波相位主要取決于管長(zhǎng)度,配氣相位的關(guān)閉時(shí)刻則與轉(zhuǎn)速有關(guān)。由于在進(jìn)氣管內(nèi)所發(fā)生的壓力振動(dòng)對(duì)本次進(jìn)氣過程影響較大,對(duì)下一次進(jìn)氣過程有一定的影響,故進(jìn)氣歧管內(nèi)的動(dòng)力效應(yīng)主要是本次慣性效應(yīng)。
1. 6. 3 FSAE規(guī)則對(duì)進(jìn)氣系統(tǒng)限制【11】
（1）進(jìn)氣系統(tǒng)必須不超出外框，也就是從防滾架頂部到四個(gè)輪胎的外緣的連線外處。
（2）節(jié)氣門必須為機(jī)械控制，如通過拉線或連桿系統(tǒng)。禁止使用電子節(jié)氣門（ETC）或類似的線控系統(tǒng)。
（3）為限制發(fā)動(dòng)機(jī)功率，一個(gè)內(nèi)部截面為圓形的限流閥必須安裝在進(jìn)氣系統(tǒng)的節(jié)氣門與發(fā)動(dòng)機(jī)之間，并且所有發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣氣流都應(yīng)流經(jīng)此限流閥。且使用汽油為燃料的限流閥直徑最大為20mm。
（4）若使用增壓器，限流閥必須安裝在增壓設(shè)備與化油器或節(jié)氣門之間。因此，唯一允許的順序?yàn)椋汗?jié)氣門、限流閥、增壓設(shè)備、發(fā)動(dòng)機(jī)。
圖1.2 外框后視圖 圖1.3 外框側(cè)視圖
Nozzle-限流閥開口；20mm Restrictor-20mm 限流閥；Diffuser-擴(kuò)散器
圖1.4 限流閥結(jié)構(gòu)
1. 6. 4 賽車進(jìn)氣系統(tǒng)主要構(gòu)成
圖1.5 Aprilia SXV 550發(fā)動(dòng)機(jī)總成結(jié)構(gòu)圖
構(gòu)成：空氣濾清器，限流閥開口，節(jié)氣門體，限流閥，渦輪/機(jī)械增壓器，限流閥擴(kuò)散器，穩(wěn)壓腔，進(jìn)氣道。
由于規(guī)則對(duì)進(jìn)氣的限制，限流閥及相對(duì)應(yīng)的限流閥擴(kuò)散器，穩(wěn)壓腔成為了FSAE賽車進(jìn)氣系統(tǒng)有別于民用車的特別之處?！?2】此外，賽車的進(jìn)氣系統(tǒng)以發(fā)揮發(fā)動(dòng)機(jī)最大性能為目的，故進(jìn)氣歧管應(yīng)按照賽車最佳加速性工況，也就是讓發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)揮出高轉(zhuǎn)速動(dòng)力輸出區(qū)域，使其在7000rpm至11000rpm時(shí)起到進(jìn)氣諧振作用，進(jìn)氣歧管將會(huì)相較于民用車而顯得短。
此外，因?yàn)閷Ｓ肊CU控制模塊的功能局限性，目前并沒有引入可變技術(shù)在FSAE賽車進(jìn)氣系統(tǒng)中的案例。
2 進(jìn)氣系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)
2.1 進(jìn)氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程
進(jìn)氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)首先是要了解發(fā)動(dòng)機(jī)自身特性。此次使用的Aprilia SXV 550【13】發(fā)動(dòng)機(jī)是來自高性能公路摩托車阿普利亞Aprilia SXV 550的一款摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)。發(fā)動(dòng)機(jī)，離合器，變速器為一體式結(jié)構(gòu)，變速器末端以鏈輪直接輸出。
表2.1 相關(guān)技術(shù)參數(shù)
發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)
阿普利亞Aprilia SXV 550
引擎形式
水冷SOHC 8活瓣77度夾角V2氣缸
發(fā)動(dòng)機(jī)排量
549cc
發(fā)動(dòng)機(jī)重量
55kg
著火順序
1-2
冷卻形式
水冷
潤(rùn)滑形式
壓力潤(rùn)滑，濕式油底殼
壓縮比
13:1
進(jìn)氣門早開遲閉角
早開23°遲閉41°
最高功率輸出
約70ps/9000rpm（有限流閥）
最高扭矩輸出
約60Nm/8000rpm（有限流閥）
缸徑x行程
80mmx55mm
前制動(dòng)系統(tǒng)
270mm剎車碟配放射式對(duì)向卡鉗
后制動(dòng)系統(tǒng)
470mm剎車碟配放射式對(duì)向卡鉗
最大馬力
70bhp/13000rpm
傳動(dòng)系統(tǒng)
濕式多片5前速鏈傳動(dòng)
前懸掛
Aprilia45mm倒立套管前叉
后懸掛
Sachs單筒避震
輪胎前
120/70-17
后輪胎
180、55-17
燃油供應(yīng)
40mm電噴系統(tǒng)
最高車速
<=120km/h
排氣噪聲
<=110dB
ECU
賽車MOTEC編程
其次要確定發(fā)動(dòng)機(jī)的使用特性，結(jié)合比賽項(xiàng)目和賽道特性來確定賽車常用的工況，F(xiàn)SAE動(dòng)態(tài)項(xiàng)目包括75m直線加速，8字繞環(huán)，高速避障和耐久賽。根據(jù)去年的參賽經(jīng)驗(yàn)，大多數(shù)時(shí)間賽車都處于40km/h以下的速度，除直線加速賽意外，賽車主要處在彎道行駛中。故對(duì)于賽車發(fā)動(dòng)機(jī)而言，良好的出彎加速性是我們需要的。而從駕駛風(fēng)格上講，拖延進(jìn)檔，讓發(fā)動(dòng)機(jī)保持合適的高轉(zhuǎn)速輸出，有利于提高加速性能。故根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)功率峰值輸出9000rpm為最佳性能工況。7000rpm至11000rpm為常用轉(zhuǎn)速。
然后確定進(jìn)氣方式，所用材料及制造工藝，部分零部件類型選擇，再對(duì)進(jìn)氣系統(tǒng)各部件做初步計(jì)算，得到數(shù)據(jù)后使用CATIA進(jìn)行三維建模。根據(jù)模型具體幾何參數(shù)使用赫爾姆霍茲進(jìn)氣諧振原理進(jìn)行驗(yàn)算，再使用Fluent對(duì)進(jìn)氣系統(tǒng)總成做CFD分析，排除備選方案。最后使用Fluent對(duì)限流閥擴(kuò)散器和進(jìn)氣道做進(jìn)一步分析及優(yōu)化。
最終目的就是設(shè)計(jì)出一套，符合規(guī)則，使用可靠，進(jìn)氣損失小，充氣效率高，在能夠保證賽車手便于操控的前提下盡可能提高發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性的進(jìn)氣系統(tǒng)。
2.2 確定進(jìn)氣系統(tǒng)材料與制造工藝【14】
汽車進(jìn)氣系統(tǒng)要求輕質(zhì)，可靠，耐用，抗腐蝕等特性。
現(xiàn)代汽車發(fā)動(dòng)機(jī)大多采用工程塑料為進(jìn)氣管的材質(zhì)。由于不同于排氣管需要耐高溫，進(jìn)氣管不斷地在充入新鮮工質(zhì)，不會(huì)產(chǎn)生高溫，塑料在這種情況下是非常好的選擇，因?yàn)榧容p質(zhì)，成本又低廉，并且形狀可塑性佳，造型自由度很高，且內(nèi)壁容易做到很光滑，有利于氣體流動(dòng)。
然而，F(xiàn)SAE賽車由于不是量產(chǎn)型車輛，每一個(gè)零部件為其專門開模具成本太高，故最傳統(tǒng)且最低廉的做法就是使用鋁材，手工切割，焊接完成整套進(jìn)氣歧管。盡管鋁的幾何造型能力遠(yuǎn)不如塑料，質(zhì)量也不夠輕質(zhì)，焊接的焊縫還會(huì)導(dǎo)致內(nèi)壁不光滑，引起表面渦流，造成進(jìn)氣損失，但是成本低廉，質(zhì)量也相對(duì)其他金屬輕，是低成本的最佳選擇。
當(dāng)然，如果預(yù)算充足，自然可以考慮使用塑料，甚至碳纖維去制作進(jìn)氣歧管，勞倫斯理工大學(xué)2011年使用的就是塑料進(jìn)氣歧管，單個(gè)制造可以使用快速成型機(jī)加工，并且要選擇抗腐蝕性好的塑料，但是了解到成本需要將近1000美元，于是決定放棄。
最高端的莫過于使用碳纖維制造進(jìn)氣歧管，碳纖維的制造工藝其實(shí)基于塑料制造工藝，所以它具備塑料進(jìn)氣歧管的幾何造型優(yōu)勢(shì)，但是相比塑料更加輕質(zhì)，堅(jiān)硬，耐用。
圖2.1 碳纖維進(jìn)氣歧管半成品
2.3 節(jié)氣門體類型選擇
節(jié)氣門體：根據(jù)FSAE規(guī)則限制，節(jié)氣門體必須位于限流閥之前，必須是機(jī)械式的，控制發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷。
常見的節(jié)氣門體分為三類：蝴蝶式，滑閥式及滑片式?！?5】
圖2.2 三類節(jié)氣門體結(jié)構(gòu)示意圖
圖2.2 依次為蝴蝶式，滑閥式，滑片式節(jié)氣門體的示意圖與性能比較。
蝴蝶式
優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，工作可靠。
缺點(diǎn)：由于蝴蝶片隨著節(jié)氣門開度增大，并不能完全隱藏，所以在大負(fù)荷工況下，相同內(nèi)徑的進(jìn)氣管，蝴蝶式節(jié)氣門體會(huì)造成微量的進(jìn)氣損失。
滑閥式
優(yōu)點(diǎn)：怠速控制好，進(jìn)氣損失小。
缺點(diǎn)：結(jié)構(gòu)復(fù)雜，隨著節(jié)氣門開度增大，通道截面變化因?yàn)槠涮匦裕越孛嬖龃罅繒?huì)在中段猛增，導(dǎo)致油門響應(yīng)不夠線性，不利于操控。
滑片式
優(yōu)點(diǎn)：進(jìn)氣損失小。
缺點(diǎn)：結(jié)構(gòu)復(fù)雜，占空間。
綜合上訴優(yōu)缺點(diǎn)，蝴蝶式節(jié)氣門體無(wú)論是成本還是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單程度上都比另兩者可取，且更利于拉索式控制機(jī)構(gòu)匹配。所以最終選擇蝴蝶式節(jié)氣門體。
3 設(shè)定進(jìn)氣系統(tǒng)各部件基本參數(shù)
3.1 系統(tǒng)參數(shù)
表3.1 進(jìn)氣系統(tǒng)參數(shù)
參數(shù)名稱
參數(shù)值
發(fā)動(dòng)機(jī)常用工況轉(zhuǎn)速
13000rpm
進(jìn)氣道內(nèi)徑
20mm
絕熱指數(shù)
1.4
氣體常數(shù)R
286.9
發(fā)動(dòng)機(jī)排量
549cc
發(fā)動(dòng)機(jī)常用轉(zhuǎn)速即為需要起到諧振效果的轉(zhuǎn)速，絕熱指數(shù)和氣體常數(shù)為氣體固有參數(shù)，由于進(jìn)氣系統(tǒng)為自然進(jìn)氣，氣體狀態(tài)接近于空氣，所以取空氣的參數(shù)使用。
3.2 空氣濾清器
空氣濾清器的主要功用是濾去灰塵和雜質(zhì)，為發(fā)動(dòng)機(jī)工作提供清潔的空氣，以至于避免不可燃顆粒和硬物進(jìn)氣氣缸，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)造成損害。賽車用高流量空氣濾清器與名用車不同的是，不是以一個(gè)塑料殼體和內(nèi)置海綿組成，而是通常以暴露呈傘形的無(wú)紡纖維和內(nèi)部的文氏管結(jié)構(gòu)組成，暴露的無(wú)紡纖維是為了有更好的迎風(fēng)面和更低的進(jìn)氣阻力，內(nèi)部的文氏管結(jié)構(gòu)則起到加速氣流的作用。
圖3.1 進(jìn)氣系統(tǒng)空氣濾清器
空氣流量Q是設(shè)計(jì)空氣濾清器的主要依據(jù):
對(duì)于常用的四沖程汽油機(jī)，計(jì)算公式為：………………（3.1）
V-發(fā)動(dòng)機(jī)排量 n-發(fā)動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速r/min
Q=0.45x0.000549x13000=3.21165/min
3.3 限流閥開口
FSAE賽車的限流閥開口通常有一定的錐角，外緣呈喇叭口展開，由于限流閥本體是一個(gè)進(jìn)氣管截面逐漸收小的過程，喇叭口和錐角的設(shè)計(jì)可以更好地收攏空氣，為限流閥引流，這一點(diǎn)是經(jīng)過流體力學(xué)的研究得出的結(jié)論。從多篇國(guó)外資料中查得，15°錐角為最佳限流閥開口參數(shù)。
3.4 限流閥
根據(jù)FSAE大賽的規(guī)則，賽車必須有且僅有一個(gè)限制進(jìn)氣的限流閥，在進(jìn)氣系統(tǒng)中，位于限流閥之后的進(jìn)氣系統(tǒng)不得有任何其他開口和旁通閥，此部件僅僅出于大賽對(duì)參賽賽車進(jìn)氣系統(tǒng)改造的限制為目的，美國(guó)FSAE規(guī)定使用E85乙醇汽油，限流閥內(nèi)徑必須小于等于19mm，使用汽油則限流閥內(nèi)徑必須小于等于20mm。而在中國(guó)只允許使用93號(hào)汽油，則限流閥必須為20mm。
表3.2 所選限流閥套件系統(tǒng)參數(shù)【16】
參數(shù)名稱
參數(shù)值
重量
331g
限流閥直徑
20mm
空氣濾清器接口直徑
70mm
節(jié)氣門直徑
28mm
3.5 限流閥擴(kuò)散器
針對(duì)限流閥本身對(duì)于進(jìn)氣流速和進(jìn)氣壓力造成的巨大損失，位于限流閥后部的擴(kuò)散器可以說是一個(gè)上有政策，下有對(duì)策的一個(gè)唯一的解決方案，它是由一定的錐角構(gòu)成的經(jīng)典的文氏管，截面積逐漸變大，一個(gè)精心設(shè)計(jì)的擴(kuò)散器可以有效地將限流閥造成的損失降低至最小。根據(jù)多篇國(guó)外資料中闡述，7°為最佳擴(kuò)散器錐角參數(shù)，長(zhǎng)度則是在總布置合理的情況下越長(zhǎng)越好。
3.6 穩(wěn)壓腔
此部件位于擴(kuò)散器和進(jìn)氣道之間，可以說是賽車進(jìn)氣系統(tǒng)的一個(gè)特色，有以下幾點(diǎn)作用【17】：
（1）低轉(zhuǎn)工況：自然進(jìn)氣賽車發(fā)動(dòng)機(jī)的調(diào)校轉(zhuǎn)速都比較高，例如此次使用的Aprilia SXV 550，其馬力的峰值輸出在13000轉(zhuǎn)/分，針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)工作特性，進(jìn)氣歧管的長(zhǎng)度和截面積都只為高轉(zhuǎn)而設(shè)計(jì)，而賽車的進(jìn)氣系統(tǒng)通常不帶可變進(jìn)氣歧管技術(shù)，以至于發(fā)動(dòng)機(jī)低轉(zhuǎn)進(jìn)氣效率下降，而穩(wěn)壓腔把本是間斷的進(jìn)氣過程化為連貫，穩(wěn)壓腔內(nèi)部壓力變化致使發(fā)動(dòng)機(jī)低轉(zhuǎn)速進(jìn)氣間斷時(shí)，限流閥處仍在進(jìn)氣，補(bǔ)充到穩(wěn)壓腔內(nèi)，也為低轉(zhuǎn)進(jìn)氣提供了所需要的進(jìn)氣慣性。
（2）急加速工況：眾所周知，F(xiàn)SAE賽車有了限流閥后，進(jìn)氣受到了很大的限制，而急加速，則是一個(gè)進(jìn)氣流速急速提高的一個(gè)過程，此時(shí)如果只有限流閥，沒有穩(wěn)壓腔，雖然賽車采用的是機(jī)械式節(jié)氣門體，但是油門響應(yīng)仍然會(huì)很遲鈍，而有了穩(wěn)壓腔，則為發(fā)動(dòng)機(jī)急加速時(shí)，儲(chǔ)備了所需要的空氣，也就是說穩(wěn)壓腔內(nèi)的空氣是可以用來給急加速應(yīng)急的。而賽車比賽中，急加速則是起步和出彎常用的工況，所以穩(wěn)壓器的存在和其設(shè)計(jì)起著非常重要的作用。
（3）穩(wěn)壓器容積的影響：在設(shè)計(jì)穩(wěn)壓器容積時(shí)，需要對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)工況做出考量，一般理論來說，采用發(fā)動(dòng)機(jī)排量的2~4倍為其理想值，體積大則儲(chǔ)備空氣量大，但油門響應(yīng)反之則會(huì)變得遲鈍，故在2~4的范圍中需要經(jīng)過長(zhǎng)期測(cè)試，才能得出較為精確的理想值。此外穩(wěn)壓器的造型也有一定講究，在加工方法可實(shí)現(xiàn)的前提下，盡可能減少其慢速滯留區(qū)，從而充分利用到其體積。
穩(wěn)壓腔初始體積：
—穩(wěn)壓腔體積 —發(fā)動(dòng)機(jī)排量
=×2=549×2=1098
3.7 進(jìn)氣道
進(jìn)氣道：是進(jìn)氣歧管的四根分支，將氣流分配到四個(gè)氣缸內(nèi)，與穩(wěn)壓腔和發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣口相連，并且噴油嘴安裝在進(jìn)氣道上。
進(jìn)氣道初始長(zhǎng)度：
公式：……………………………………………（3.2）
Lpr-進(jìn)氣道長(zhǎng)度mm T-溫度=355K
-絕熱指數(shù) R-氣體常數(shù)==286.9
3.8設(shè)計(jì)要求
FSAE規(guī)則對(duì)進(jìn)氣系統(tǒng)的限制
(1) 進(jìn)氣系統(tǒng)必須不能超出外框;
(2) 節(jié)氣門必須為機(jī)械控制;
(3) 進(jìn)氣歧管必須用支架或機(jī)械固定;
(4) 為限制發(fā)動(dòng)機(jī)功率， 一個(gè)內(nèi)部截面為圓形的限流閥必須安裝在進(jìn)氣系統(tǒng)的節(jié)氣門與發(fā)動(dòng)機(jī)之間，并且所有發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣氣流都應(yīng)流經(jīng)此限流閥（最大直徑20mm，且截面不能發(fā)生變化）
3.8.1 進(jìn)氣方案【18】
(1)進(jìn)氣系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)
進(jìn)氣系統(tǒng)包含了空濾器、節(jié)氣門、進(jìn)氣總管、進(jìn)氣歧管、進(jìn)氣門。由于規(guī)則的限制，進(jìn)氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要體現(xiàn)在進(jìn)氣總管和進(jìn)氣歧管上，這兩部分需要加工制作。
(2)進(jìn)氣形式
進(jìn)氣方式主要分為三大類：
自然進(jìn)氣：引擎的運(yùn)作在氣缸內(nèi)產(chǎn)生的負(fù)壓，將外部的空氣吸入氣缸內(nèi)。這是汽車最傳統(tǒng)進(jìn)氣方式，動(dòng)力輸出平穩(wěn)，維護(hù)簡(jiǎn)單，但在高轉(zhuǎn)速下乏力。
渦輪增壓：渦輪增壓器的兩側(cè)渦輪葉片連接發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣管和排氣管，在引擎運(yùn)作的情況下，利用排出的廢氣推動(dòng)排氣渦輪葉片，從而帶動(dòng)進(jìn)氣渦輪葉片吸入空氣，利用離心增壓原理達(dá)到增壓的效果。
機(jī)械增壓：機(jī)械增壓器采用皮帶與引擎曲軸皮帶盤連接，利用引擎轉(zhuǎn)速來帶動(dòng)機(jī)械增壓器內(nèi)部葉片，以產(chǎn)生增壓空氣送入引擎進(jìn)氣歧管內(nèi)。其優(yōu)點(diǎn)是渦輪轉(zhuǎn)速與曲軸相同，沒有滯后現(xiàn)象，動(dòng)力輸出平穩(wěn)。由于要消耗發(fā)動(dòng)機(jī)的能量，增壓的效率并不高。
根據(jù)實(shí)際情況來看，渦輪增壓和機(jī)械增壓都能增加充氣效率，提高發(fā)動(dòng)機(jī)的效率。但是渦輪增壓使得發(fā)動(dòng)機(jī)的零部件長(zhǎng)期處于高負(fù)荷當(dāng)中，日后的維護(hù)成本很高，維修也不方便。更重要的是在低轉(zhuǎn)速下渦輪有遲滯現(xiàn)象，輸出不線性，不利于操控。機(jī)械增壓則需要對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部進(jìn)行改動(dòng)，而且效率不如渦輪增壓。反觀自然進(jìn)氣，雖然沒有增壓器，但可以通過改動(dòng)進(jìn)氣管提高充氣效率，重要的是動(dòng)力輸出線性，針對(duì)賽場(chǎng)的情況，發(fā)動(dòng)機(jī)處于中低轉(zhuǎn)速的情況較多，所以避免了高轉(zhuǎn)速下的乏力。綜上所述選擇自然吸氣更為符合我們的情況。
3.8.2 進(jìn)氣管形式
方案一
進(jìn)氣系統(tǒng)的最前端位于主環(huán)的下方，當(dāng)賽車高速行駛時(shí)，使得進(jìn)氣口的撞風(fēng)量大，對(duì)稱的設(shè)計(jì)使得各缸的進(jìn)氣量均勻。
圖3.2 進(jìn)氣方案一
方案二
進(jìn)氣系統(tǒng)的最前端位于賽車的尾部，空間布置不受座艙影響。
圖3.3 進(jìn)氣方案二
方案三
與方案一類似，但進(jìn)氣系統(tǒng)的前端與穩(wěn)壓腔的側(cè)面連接，使氣流經(jīng)過彎折后變得緩和，最大的缺陷是不能保證四缸的進(jìn)氣平衡。
圖3.4 進(jìn)氣方案三
方案四
通過查閱相關(guān)論文及收集大量資料，得知對(duì)稱布置的進(jìn)氣管更有利于各缸的進(jìn)氣平衡，所以排除方案三。對(duì)于進(jìn)氣系統(tǒng)前段前置，固定方便，它的優(yōu)點(diǎn)體現(xiàn)在撞風(fēng)面將產(chǎn)生一定的進(jìn)氣壓力，但在40km/h以下時(shí)效果不明顯。【19】方案二的進(jìn)氣歧管彎曲，降低了進(jìn)氣阻力，使進(jìn)氣更加平順。最后結(jié)合方案一、二的優(yōu)點(diǎn)得到改進(jìn)方案四
圖3.5 進(jìn)氣方案四
4 各部件基本參數(shù)設(shè)計(jì)
4.1 節(jié)氣門口徑
節(jié)氣門必須為機(jī)械控制，所以選擇最常見的蝴蝶閥節(jié)氣門，利于拉線控制。在2011賽季，使用的為45mm的文氏管節(jié)氣門。根據(jù)使用情況的反饋，會(huì)出現(xiàn)一定程度上的油門遲緩現(xiàn)象。經(jīng)過調(diào)查發(fā)現(xiàn)，其中一個(gè)原因就是節(jié)氣門口徑過大，使得油門反應(yīng)較為遲緩。在保證足夠進(jìn)氣量的同時(shí)，還得保證較快的油門響應(yīng)。最終調(diào)整的節(jié)氣門口徑為40mm，減少了進(jìn)氣截面面積，使得進(jìn)氣速度得到提高。
4.2 進(jìn)氣總管長(zhǎng)度
進(jìn)氣總管中將有一段起到限流閥的作用。所以總管的結(jié)構(gòu)大體為文氏管（進(jìn)氣管截面漸縮漸擴(kuò)）。收縮的截面可迅速提高氣流的速度，同時(shí)整合通過節(jié)氣門后的紊亂氣流。查閱相關(guān)文獻(xiàn)后得知，較長(zhǎng)的總管適合低轉(zhuǎn)速工況，較短的總管適合高轉(zhuǎn)速工況。老的進(jìn)氣總管長(zhǎng)度為280mm，經(jīng)過實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)過于修長(zhǎng)，不利于整體的固定，剛度有所下降，長(zhǎng)期處于振動(dòng)當(dāng)中容易損壞。由于必須在外框之內(nèi)，現(xiàn)將總管長(zhǎng)度縮至150mm。如果收縮的錐角過大，氣流不能順利通過，將會(huì)在收縮孔產(chǎn)生擁堵。
4.3 穩(wěn)壓腔體積
穩(wěn)壓腔的體積本應(yīng)與實(shí)際工況密切相關(guān)，在高轉(zhuǎn)速和低轉(zhuǎn)速下分別對(duì)應(yīng)不同的體積。但是目前我們還沒能掌握這項(xiàng)工藝?！?0】所以只能選取一個(gè)在常用轉(zhuǎn)速表現(xiàn)良好的穩(wěn)壓腔體積。查閱了一篇關(guān)于穩(wěn)壓腔體積優(yōu)化的外文文獻(xiàn)。文中提到穩(wěn)壓腔體積可取2-8倍的發(fā)動(dòng)機(jī)排量。然后仿真了在不同體積下發(fā)動(dòng)機(jī)的外特性曲線，并做了實(shí)驗(yàn)。在2-5倍排量時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力曲線上升，6-8倍時(shí)出現(xiàn)下降。最后選取了3L和5L作為仿真的對(duì)比對(duì)象。仿真結(jié)果證明3L的穩(wěn)壓腔要優(yōu)于5L。
穩(wěn)壓腔體積：
Vplen---穩(wěn)壓腔體積 Ved---發(fā)動(dòng)機(jī)排量
Vplen=Ved5=0.549×5=2.745L
4.4 進(jìn)氣歧管長(zhǎng)度
進(jìn)氣歧管的長(zhǎng)度對(duì)充氣效率的影響相當(dāng)顯著。但是發(fā)動(dòng)機(jī)處于不同工況所對(duì)應(yīng)的最佳歧管長(zhǎng)度都是不同的。最終我們選擇在常用轉(zhuǎn)速范圍里對(duì)歧管長(zhǎng)度進(jìn)行計(jì)算。查閱相關(guān)文獻(xiàn)得到一個(gè)歧管長(zhǎng)度的計(jì)算公式。
（m）
—絕熱指數(shù) ≈1.4
—音速 =340m/s
—空氣流速 （m/s)
N—發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速 (rad/s)
由于空氣流速，無(wú)法直接算出，所以根據(jù)去年的數(shù)據(jù)初步預(yù)設(shè)進(jìn)氣歧管長(zhǎng)度150mm，然后建模仿真得到了歧管的空氣流速約為200m/s。由此數(shù)據(jù)帶入公式求解得到L=0.1238m，所以最后選擇了一個(gè)中間值140mm，而發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體上已經(jīng)存在了70mm的歧管，所以最后建模只需要70mm的歧管長(zhǎng)度。
5 流場(chǎng)分析
5.1 分析軟件介紹
CFD商業(yè)軟件FLUENT，是通用CFD軟件包【21】，用來模擬從不可壓縮到高度可壓縮范圍內(nèi)的復(fù)雜流動(dòng)。由于采用了多種求解方法和多重網(wǎng)格加速收斂技術(shù)，因而FLUENT能達(dá)到最佳的收斂速度和求解精度。靈活的非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格和基于解的自適應(yīng)網(wǎng)格技術(shù)及成熟的物理模型，使FLUENT在轉(zhuǎn)換與湍流、傳熱與相變、化學(xué)反應(yīng)與燃燒、多相流、旋轉(zhuǎn)機(jī)械、動(dòng)/變形網(wǎng)格、噪聲、材料加工、燃料電池等方面有廣泛應(yīng)用。
GAMBIT——專用的CFD前置處理器，F(xiàn)LUENT系列產(chǎn)品皆采用FLUENT公司自行研發(fā)的Gambit前處理軟件來建立幾何形狀及生成網(wǎng)格，是一具有超強(qiáng)組合建構(gòu)模型能力之前處理器，然后由Fluent進(jìn)行求解。也可以用ICEM CFD進(jìn)行前處理，由TecPlot進(jìn)行后處理?！?2】
5.2 模型網(wǎng)格劃分與邊界條件初定義
利用前處理軟件Gambit對(duì)模型進(jìn)行三維網(wǎng)格劃分，對(duì)面和體做邊界定義。體網(wǎng)格劃分時(shí)，選擇Trid（四面體網(wǎng)格）。而根據(jù)氣流的進(jìn)出確定，入口邊界為壓力進(jìn)口（pressure inlet），出口邊界為壓力出口（pressure outlet），管壁定義為壁（wall）。
5.2.1 進(jìn)氣總管分析
單獨(dú)建立進(jìn)氣總管模型，分析限流閥處的空氣流動(dòng)狀態(tài)，在相同邊界條件下的，不同形狀的模型對(duì)進(jìn)氣系統(tǒng)的影響。主要分析了不同長(zhǎng)度的進(jìn)氣總管對(duì)進(jìn)氣系統(tǒng)的影響。參考變量為air flow rate、壓強(qiáng)云圖、速度云圖。以下為結(jié)果。
（1）進(jìn)氣總管長(zhǎng)度為150mm
圖5.1 進(jìn)氣總管長(zhǎng)度為150mm的壓強(qiáng)云圖
限流閥中心處將會(huì)出現(xiàn)最低壓力-4.68e+05，形成的壓強(qiáng)差將使得空氣不斷流入。
圖5.2 進(jìn)氣總管長(zhǎng)度150mm的速度云圖
由于限流閥處的截面面積最小，此處的空氣收斂，使得速度得到了極大的增加。保證了進(jìn)氣效率，從而也增加了進(jìn)氣慣性，可以在進(jìn)氣門處形成慣性增壓。最大速度為9.70e+02m/s，出現(xiàn)在限流閥中心處。
（2）進(jìn)氣總管長(zhǎng)度為280mm
圖5.3 進(jìn)氣總管長(zhǎng)度為280mm的壓強(qiáng)云圖
最低壓強(qiáng)同樣出現(xiàn)在限流閥處-3.65e+05。所以形成的壓差不及150mm的進(jìn)氣總管。
圖5.4 進(jìn)氣總管長(zhǎng)度280mm的速度云圖
限流閥處所形成的最高速度也不及150mm 的進(jìn)氣總管。所以對(duì)比發(fā)現(xiàn)150mm 的進(jìn)氣總管性能優(yōu)于280mm 的進(jìn)氣總管。 最后可用mass flow rate驗(yàn)證。
總管長(zhǎng)度150mm 總管長(zhǎng)度280mm
5.2.2 穩(wěn)壓腔分析
以3L和5L的穩(wěn)壓腔作為對(duì)比分析的對(duì)象。同樣以air flow rate、壓強(qiáng)云圖、速度云圖，作為參考變量。【23】
（1）穩(wěn)壓腔體積為3L：
圖5.5 總管與穩(wěn)壓腔的截面圖—速度云圖
最大速度能達(dá)到2.13e+03m/s，經(jīng)過擴(kuò)散嘴擴(kuò)散后，穩(wěn)壓腔被迅速填滿，此時(shí)穩(wěn)壓腔內(nèi)的速度最低也能達(dá)到106m/s。
圖5.6 總管與穩(wěn)壓腔的截面圖—壓強(qiáng)云圖
從進(jìn)氣入口到穩(wěn)壓腔，壓力由高變低，再變高。高速流動(dòng)的氣體不斷在穩(wěn)壓腔內(nèi)積累，不僅保證了進(jìn)氣量，同時(shí)也產(chǎn)生了進(jìn)氣壓力，可以提高進(jìn)氣效率。
（2）穩(wěn)壓腔體5L：
圖5.7 總管與穩(wěn)壓腔的截面圖—速度云圖
穩(wěn)壓腔體積過大使得空氣在經(jīng)過限流閥后，速度迅速降低，能量損失嚴(yán)重。使得腔體內(nèi)的速度整體都低于3L的穩(wěn)壓腔。
圖5.8 總管與穩(wěn)壓腔的截面圖—壓強(qiáng)云圖
穩(wěn)壓腔的壓強(qiáng)沒有回升，過大的體積使得空氣在穩(wěn)壓腔無(wú)法形成一定的進(jìn)氣壓力。最后分析結(jié)果是3L的穩(wěn)壓腔明顯好于5L的穩(wěn)壓腔。可用Mass flow rate驗(yàn)證。
穩(wěn)壓腔體積3L 穩(wěn)壓腔體積5L
5.2.3 進(jìn)氣歧管長(zhǎng)度分析驗(yàn)證
通過公式已初步驗(yàn)證計(jì)算了歧管的長(zhǎng)度，但是空氣流速的值是通過仿真得到的，最后的結(jié)果同樣能吻合，說明此計(jì)算不存在錯(cuò)誤。【24】【25】
圖5.9 進(jìn)氣歧管截面流速云圖
可以看到在歧管中的速度正好處在1.86e+02m/s到2.48e+02m/s之間，所以取200m/s為帶入數(shù)據(jù)完全合理。
6 進(jìn)氣系統(tǒng)裝配
由于整個(gè)進(jìn)氣系統(tǒng)存在加大的彎曲曲面，其他的加工方法難以加工且又保證加工精度。所以整個(gè)進(jìn)氣系統(tǒng)將采用快速成型加工制作，該方法適合單件制作，且能保證加工精度，特別是能保證進(jìn)氣系統(tǒng)的內(nèi)壁光滑。用螺栓與發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體固定，同時(shí)為減弱發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)對(duì)進(jìn)氣系統(tǒng)的影響，在節(jié)氣門處引出一根固定桿與車架相連。
圖6.1 進(jìn)氣系統(tǒng)的裝配效果圖1
空氣濾清器與限流閥開口的裝配使用金屬卡箍。限流閥開口，限流閥，限流閥擴(kuò)散器由數(shù)控車床一體成型，此部分盡可不使用焊接，因?yàn)榻孛孑^小，焊接所以引起的內(nèi)壁粗糙將對(duì)進(jìn)氣效果產(chǎn)生很大影響。擴(kuò)散器末端與穩(wěn)壓腔連接處采用焊接，穩(wěn)壓腔與四根進(jìn)氣道用焊接相連，進(jìn)氣道與發(fā)動(dòng)機(jī)按照規(guī)則要求使用螺栓螺母連接，為防止振動(dòng)引起的松動(dòng)，選用尼龍防松螺母。圖6.1為此次進(jìn)氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)成品在發(fā)動(dòng)機(jī)與車架上的裝配效果圖。
圖6.2 進(jìn)氣系統(tǒng)的裝配效果圖2
7 結(jié)論與展望
本論文進(jìn)行了對(duì)FSAE賽車的進(jìn)氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析，建立了進(jìn)氣系統(tǒng)的實(shí)體模型，并在Fluent下對(duì)進(jìn)氣系統(tǒng)做了空氣動(dòng)力學(xué)分析，通過模擬驗(yàn)證了進(jìn)氣系統(tǒng)各參數(shù)設(shè)定的可行性，結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的進(jìn)氣系統(tǒng)能夠滿足賽車的要求。
FSAE賽車的進(jìn)氣系統(tǒng)從大賽規(guī)則角度出發(fā)，目的在于限制發(fā)動(dòng)機(jī)的性能，從而提出了限流閥的應(yīng)用，及其固定不變的相對(duì)位置要求，也就是說，裝有限流閥的進(jìn)氣系統(tǒng)將使發(fā)動(dòng)機(jī)性能大大低于其原廠的設(shè)定。然而，從學(xué)生設(shè)計(jì)FSAE賽車進(jìn)氣系統(tǒng)的目的則是盡可能降低限流閥對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能造成的負(fù)面影響，甚至是使用增壓的方式突破對(duì)限流閥引起的發(fā)動(dòng)機(jī)性能削弱，獲得比原裝發(fā)動(dòng)機(jī)更高的動(dòng)力。
本次研究已對(duì)進(jìn)氣系統(tǒng)的流體動(dòng)力學(xué)模擬和諧振進(jìn)氣轉(zhuǎn)速做了分析及計(jì)算。在今后的研究中還應(yīng)通過FLUENT軟件，模擬進(jìn)氣系統(tǒng)的一維參數(shù)設(shè)定對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)輸出性能的曲線的影響，并結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)獲得驗(yàn)證。在長(zhǎng)期的調(diào)試中，進(jìn)氣系統(tǒng)，排氣系統(tǒng)以及ECU電控模塊將得到更好的匹配，發(fā)揮發(fā)動(dòng)機(jī)的性能潛力。
33
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一、題目來源、目的、意義
本題目為設(shè)計(jì)類實(shí)際課題，來源于中國(guó)大學(xué)生方程式設(shè)計(jì)大賽，為我校第
五屆大學(xué)生方程式賽車（FSC）設(shè)計(jì)制造的項(xiàng)目。大學(xué)生方程式賽，是上世紀(jì) 70
年代由美國(guó)汽車工程師協(xié)會(huì)發(fā)起，致力于培養(yǎng)汽車方向的大學(xué)生各方面綜合能
力。競(jìng)賽內(nèi)容包括靜態(tài)項(xiàng)目和動(dòng)態(tài)項(xiàng)目，靜態(tài)項(xiàng)目包括車檢，設(shè)計(jì)報(bào)告，營(yíng)銷
報(bào)告，成本分析報(bào)告等，動(dòng)態(tài)項(xiàng)目包括直線加速，高速避障，耐久賽等。賽車
設(shè)計(jì)能培養(yǎng)學(xué)生的工程實(shí)踐能力，管理能力，成本控制能力等，賽車設(shè)計(jì)也必
須嚴(yán)格遵守賽事規(guī)則，在滿足規(guī)則的基礎(chǔ)上發(fā)揮創(chuàng)造力。進(jìn)氣系統(tǒng)應(yīng)盡可能提
高充氣效率、產(chǎn)生進(jìn)氣諧振是此次設(shè)計(jì)的主要目的。排氣系統(tǒng)應(yīng)盡量選擇合適
的排氣背壓，選擇合適的消聲器，滿足賽事噪聲要求。
二、主要工作內(nèi)容
（1）查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料，熟悉進(jìn)氣系統(tǒng)的相關(guān)資料，尤其是賽車進(jìn)氣系統(tǒng)。
（2）根據(jù)賽事要求及發(fā)動(dòng)機(jī)組的協(xié)調(diào)，完成進(jìn)氣系統(tǒng)的建模計(jì)算，完成關(guān)鍵
零部件的設(shè)計(jì)、建模和分析。
（3）利用建模軟件對(duì)進(jìn)氣系統(tǒng)關(guān)鍵零部件進(jìn)行三維模型，并與整車裝配；利
用有限元軟件對(duì)進(jìn)氣管進(jìn)行流體力學(xué)分析與優(yōu)化。
（4）繪制制動(dòng)系統(tǒng)裝配圖、零件圖，完成裝配、調(diào)試賽車的任務(wù)；
（5）撰寫畢業(yè)論文說明書，完成畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）。
三、主要技術(shù)指標(biāo)（或主要論點(diǎn)）
進(jìn)氣限流閥直徑(mm)：20
選擇發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)：Aprilia SXV 550
著火順序：1-2，壓縮比：13:1
ECU：賽車MOTEC編程
最高車速(km/h) ：<= 120
排氣噪聲(dB)：<=110
四、進(jìn)度計(jì)劃
2014.2.20~2014.2.31 收集有關(guān)資料，了解國(guó)內(nèi)外方程式賽車進(jìn)氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
要求和設(shè)計(jì)步驟，完成外文資料翻譯。
2014.3.01~2014.4.15根據(jù)賽事要求及發(fā)動(dòng)機(jī)組的協(xié)調(diào)，完成進(jìn)氣系統(tǒng)的建模
計(jì)算， 完成關(guān)鍵零部件的設(shè)計(jì)、建模和分析。
2014.4.16~2014.5.15利用建模軟件對(duì)進(jìn)氣系統(tǒng)關(guān)鍵零部件進(jìn)行三維模型，并
與整車裝配；利用有限元軟件對(duì)進(jìn)氣管進(jìn)行流體力學(xué)分析與優(yōu)化。
2014.5.16~2014.6.05繪制制動(dòng)系統(tǒng)裝配圖、零件圖，完成裝配、調(diào)試賽車的任
務(wù)。
2014.6.06~2014.6.20 論文裝訂、答辯準(zhǔn)備及畢業(yè)答辯。
五、主要參考資料（外文資料至少一篇）
[1]過學(xué)訊，鄧亞東．汽車設(shè)計(jì)[M] ．北京：人民交通出版社，2005.
[2]王望予．汽車設(shè)計(jì)[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.
[3]陳家瑞，馬天飛.汽車構(gòu)造（下冊(cè)）[M].北京：人民交通出版社，2006.
[4]江帆,黃鵬著.Fluent 高級(jí)應(yīng)用與實(shí)例分析[M].北京:清華大學(xué)出版社,2008.
[5]李理光.中國(guó)大學(xué)生方程式汽車大賽規(guī)則[M].中國(guó)汽車工程協(xié)會(huì) 2014.
[6]錢汝鼎.工程流體力學(xué)[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,1989.
[7]Formula sae dual plenum induction system design [M].SAE Technical Paper Series 2002.
六、系審批意見
系主任（簽名）:
七、院領(lǐng)導(dǎo)審核意見
院領(lǐng)導(dǎo)（簽名）:
八、學(xué)生實(shí)際完成日期 九、同組設(shè)計(jì)（論文）者
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