中国大学生方程式赛车进气系统设计与流场分析

中国大学生方程式赛车进气系统设计与流场分析

作者：龙云浩 王子烨 李颖 王海青 来源：《中国新技术新产品》2016年第18期

摘 要：根据大学生方程式赛事对赛车发动机进气限流的规定，并结合我校宁远车队往年的参赛经验，对新赛季赛车的进气系统进行设计与优化。利用CATIA软件和UG软件建模和有限元分析、ANSYS软件仿真分析，对进气系统形式及相关部件参数进行选择，并进一步确定进气歧管连接的四管直径和谐振腔的容积这两个参数。同时对进气系统做了结构和力学性能等方面的优化。

关键词：FSAE赛车；进气系统；仿真；优化 中图分类号：TK413 文献标识码：A

中国大学生方程式汽车大赛是中国汽车工程及其合作伙伴在学习和总结了美国、日本、德国的经验基础上，结合中国国情创办的新型活动。在这项赛事里，要求参赛队伍按照比赛规则，设计制造和测试一辆一级方程式赛车来参加比赛。我们知道，影响赛车性能的核心部件是发动机，而进气系统对发动机的性能的发挥尤为重要。根据赛事规则，进气系统的安装与制造有四大要求：①进气系统不得超出外框；②进气歧管必须用支架或机械固定；③节气门必须为机械控制；④必须在进气系统的节气门与发动机之间加装一个限流阀，并且所有进入发动机气缸的进气气流要经过该限流阀（最大直径20mm，且截面不能发生变化）。

结合大赛规则与往年参赛经验，我校宁远车队选用HondaCBR600摩托车发动机为赛车发动机，而原发动机进气系统粗糙且进气效率值不高，且作为摩托车发动机，其进气系统的结构形式与性能均不符合赛事要求，所以我们将根据赛事规则要求来对该发动机进气系统进行重新设计并进行优化与流场分析。 1.进气系统方案的确定与设计 1.1 进气系统基本结构

通过查找资料并结合我们所学的知识，我们了解到进气系统作为发动机的供给系统，包含了空滤器、节气门、进气门、谐振腔、进气总管、进气歧管等结构与零部件。 1.2 进气形式的确定

现代发动机进气形式主要有涡轮增压、机械增压与自然进气3种。3者相比，涡轮增压胜在能很容易地提升性能，且易调校，但缺点是油耗有提升，低转速下有明显的涡轮迟滞，动力

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输出不线性，寿命相对较短且保养费用较贵；机械增压的优点在于动力输出线性，寿命很长，但缺点是动力提升的效果不如涡轮增压，且维修保养费用昂贵，同时需要对发动机内部进行改动，工作量较大；此外则是自然进气，虽然进气效率比不上前两种进气方式，但是工作平稳可靠，动力输出线性，并且充气效率的改变可以通过改变进气歧管的长度来实现，且根据以往赛事经验，发动机常处于中低转速的工况下，所以我们选择自然进气为我们的进气方式。 1.3 进气管形式的设计

我们的进气系统采用对称布置，如图1所示，这种形式的布置有利于各缸的进气平衡。在赛车行驶的过程中，由于进气系统的最前端逆着气流方向，使得进气口的撞风量较大，发动机能得到足够的新鲜空气。 2.进气系统各部件参数的选择

对于赛车的发动机而言，发动机性能的高低取决于进气量的多少，同时结合所学知识，我们知道进气系统存在着进气谐振效应。由于我们的赛车采用的进气方式为自然吸气，所以为了提高发动机的充量系数，我们必须要合理地运用进气谐振效应。通过查阅资料，了解到影响进气系统谐振效应的主要因素是进气歧管的口径及谐振腔的容积，在后文中将说明我们对于这两大因素的优化与调整。首先，我们要尝试确定其他部位合理的参数。 2.1 节气门口径

根据相关要求，节流阀的控制为机械控制，因此，我们选择了一个蝴蝶阀节气门。当使用原文氏管节气门（直径45mm）时，节气门口径过大，会带来一定程度上的油门迟滞现象。为保证较快的油门响应和足够的进气量，我们参考了以往的相关论文，调整节气门口的直径至35mm，从而降低了进气口的截面积，相对地提高了进气量。 2.2 进气总管长度

限流阀位于进气总管的最前端，也是进气总管的一部分，所以我们将进气总管的结构形式确定为文氏管（进气管的横截面一头由细逐渐扩大），该横截面可迅速缩小空气流，以增加空气速率，同时将紊乱的气流整合。进气管太长时，会影响在高速工况下发动机的功率；而当进气歧管过短时，发动机处于低速的运转状态下表现较差。参考赛事要求以及我校赛车整体设计，进气歧管的长度的初选是221mm。 2.3 谐振腔体积

为了大概计算进气歧管的长度，我们使用了公式L=30a/（nq），在这里，a=340m/s，n是发动机转速，所述q是波动系数（这里，q=1.5，2.5，3.5...）根据计算结果，我们将进气歧管的长度初步确定为62mm。

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2.4 限流阀角度

从文献[4]中，我们得知，根据比赛规则，在FSAE赛车发动机中，限流阀对进气系统的压力变化和速度变化具有较大影响，这一点非常重要。如图2所示节流阀模型，限流阀形状的改变对于发动机整体性能的发挥有着重要的影响。

限流阀开口处有一定的锥角，外缘呈喇机口状展开，由于限流阀本体是一个截面逐渐收小的进气管，喇叭口和锥角的设计可以更好地收集空气，为限流阀引流，从文献[5]中查得，40°为最佳限流阀开口参数，同时，针对限流阀本身给进气压力和进气流速造成的巨大损失，位于限流阀后部安装的扩散器，它是由有一定的锥角的一个截面积逐渐变大的经典文氏管。根据以往经验，一个精心设计的扩散器可以有效地将限流阀造成的进气压力损失降低至最小。查阅文献[6]后，我们得知7°为最佳扩散器锥角参数，长度则是在总布置合理的情况下越长越好，所以我们分别对相同长度的6°、7°、8°锥角扩散器进行ANSYS分析，得到压力与流速的变化，并作比较。边界条件设置如下： 压力入口：1×105Pa； 压力出口：0Pa； 残差设定：1×10-3。

通过对6°、7°、8°3种不同锥角条件下的限流阀扩散器速度云图、压力云图分析，对比结果见表1。

限流阀扩散器的判指标是气流量和进气压力损失，过算扩散器末端截面的空气流量为流速乘以截面积，并比较扩散器末端压力。基于上述数据，吸入时压力损失为7°时最小，最大空气流量是7°。所以我们选择7°为限流阀的角度流动的稳定性。 3.进气系统匹配设计 3.1 谐振腔的优化设计

从文献[6]我们得知，进气谐振系统是利用一定长度和直径的进气管，并在特定转速下产生大幅值的压力波增加进气量，来提高充量系数f。图3是我们基于亥姆霍兹谐振原理设计的球型进气谐振腔，如图3所示。

本次优化我们小组依据宁远车队的原发动机对谐振腔的容积做了改变，将谐振腔的直径由原来的65cm改为60cm，并采用ANSYS软件进行有限元分析，以寻找出合适的参数。 3.2 进气歧管的粗细设计

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在进气歧管这部分的优化中，依据我校宁远车队上赛季的发动机进气歧管的粗细并依据我们通过ANSYS分析得来的数据对4个管的直径进行了修改，使其进气更好更均匀。原来的进气歧管1、4管（即外侧两管）上口径为21cm，下口径为20cm（圆台形），锥度为0.008。现将1、4管的上口径改为25cm，下口径不变，锥度变化为0.04，2、3管（内侧两管）为半径20的圆管，锥度为0，现改为上口22.5，下口20（圆台形），锥度为0.02。 4.进气系统的演变过程 4.1 1号模型的建立

如上述4个模型（图4～图7），由1到2模型的转化，1模型未考虑到限流阀的存在，后来老师指正了我们的错误并加以修改；2模型到3模型的转化，我们小组参考了一些论文，在未考虑到实际情况的条件下误以为谐振腔两端的球形并不影响进气流量，故取消了两旁的半球；3模型到4模型的转化，4管进气管形状由扁平状改为圆台，使气流进入谐振腔的速度更快并且将谐振腔两端的平面重新改成了半球形，增加了进气流量。具体分析见下文。 5.进气系统匹配仿真分析 5.1 优化前后进气压力参数变化

如图8所示，1/4歧管与2/3歧管的进气压力差距约为26.7%；如图9所示，1/4歧管与2/3歧管的进气压力差距约为22.2%；如图10所示1/4歧管与2/3歧管的在进气压力差距约为18.2%；如图11所示，1/4歧管与2/3歧管的进气压力差距约为4.7%。由文献[6]可知，进气压力为图11所示的数据时，四缸的进气压力分布比较均匀。 5.2 优化前后进气速度参数变化

如图12所示，1/4歧管与2/3歧管的进气速度差距约为16.0%；如图13所示，1/4歧管与2/3歧管的进气速度差距约为8.4%；如图14所示，1/4歧管与2/3歧管的进气速度差距约为9.1%；如图15所示，1/4歧管与2/3歧管的进气速度差距约为2.7%。由此可以看出，当进气速度为图15所示的数据时，四缸的进气速度分布最为均匀。运用文献[7]流体力学的进气系统的进气流量计算公式可知，qv=∫AVdA，进气流量与进气速度成正比，在断面面积A不变的条件下，进气速度成正比越大，进气流量越大。 5.3 优化前后进气流量参数变化

如图16所示，1/4歧管与2/3歧管的进气流量差距约为18.4%；如图17所示，1/4歧管与2/3歧管的进气流量差距约为15.9%；如图18所示，1/4歧管与2/3歧管的进气流量差距约为11.6%；如图19所示，1/4歧管与2/3歧管的进气流量差距约为5.3%。由此可看出，图19所示的参数中4个缸的进气流量分布最为均匀，此时的进气流量也最大。

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5.4 优化前后进气矢量图变化

如图20和图21所示，优化之前4个缸的进气量分布并不均匀，混合气流经进气管之后分别进入4个缸，中间2和3缸的进气量会比1和4缸的进气量要多，因此导致了4个缸的进气量分布不均匀。调整进气1/4歧管的锥度后，4根歧管进气压力差距缩小。 5.5 优化前后进气流线图变化

如图22所示和如图23所示，优化之前的进气流线比较紊乱。用流体力学知识，在进气过程中，进气管道内壁光滑度会影响进气过程中混合气体流动的平稳性，管壁越粗糙，进气过程中的沿程损失就会越大，由于流体的黏性，会在管壁表面形成一层黏性底层厚度，当管壁的粗糙度大于黏性底层厚度时，流体经过管壁时会有新的涡流的不断产生，造成流体的能量损失，流体的紊流程度就会加快，从而导致进气的效果不好。优化之后，流体的紊流程度明显减少，气流比较平稳，进气速度明显增大，并且扰流减少，有利于进气。 5.6 最终优化后的进气压力图与进气速度图（图24～图26）

由图26比较可知，进气速度与进气流量成正比。为确保进气歧管四缸的进气压力和进气速度近似相等，且进气流量最大，由图可知，4号模型的数据最为综合，即为最终的进气系统模型。

6.最终进气系统模型（图27） 结语

我们小组主要对我校宁远车队新赛季赛车发动机进气系统进行设计与优化。在整个过程中，我们采用CATIA与UG来建立整个进气系统模型，利用ANSYS软件对优化前后进气压力、速度、矢量图和流线分别进行了分析及比较，根据结果分析得出此次结构与尺寸的参数变化对进气系统的影响。本进气系统将运用于我校车队新赛季赛车上。 参考文献

[1]中国大学生方程式汽车大赛规则2013公示版[Z].

[2]张欣欣，文健康，冯策，等. FSAE赛车发动机进气系统优化设计[J]. 农业装备与车辆工程，2013，51（9），20～24.

[3]江大之星车队. 2011年“江大之星”车队赛车设计报告[R].江苏：江苏大学，2011. [4]彭才望.广东工业大学.FSAE赛车用发动机进气性能研究[D].广东工业大学，2013.

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[5]洪汉池，白煜杰，钟铭恩.厦门理工学院学报[J]. FSAE发动机谐振进气系统仿真及设计，2012（9）：25.

[6]陈家瑞.汽车构造（上册）[M].北京：人民交通出版社，2005. [7]张也影.流体力学（第二版）[M].北京：高等教育出版社，1986.

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