进气系统的优化设计

10.16638/ki.1671-7988.2021.08.012
进气系统的优化设计
余龙1，徐生荣2，朱银2，丁华锋1,2
（1.湖北文理学院汽车与交通工程学院，湖北襄阳441053；
2.湖北三环锻造有限公司，湖北襄阳441700）
摘要：FSAE赛车发动机进气系统结构参数影响充气效率。

文章利用软件FLUENT 对进气系统模型进行流场仿真，分析进气系统流场压力、速度等参数分布规律，研究进气歧管流量分布的均匀性，到达优化进气系统的目的。

关键词：CAE；FLUENT仿真优化；FSAE赛车；进气系统
中图分类号：TK412 文献标识码：A 文章编号：1671-7988(2021)08-36-03
Optimization Design of Intake System
Yu Long1, Xu Shengrong2, Zhu Yin2, Ding Huafeng1,2
（1.School of Automotive and Traffic Engineering, Hubei University of Arts and Science, Hubei Xiangyang 441053;
2.Hubei Three Ring Forging Co., Ltd., Hubei Xiangyang 441700）
Abstract:The structural parameters of the intake system of FSAE racing engine affect the charging efficiency. Software FLUENT was used to simulate the flow field of the intake system model, in this paper analyze the distribution rules of the flow field parameters such as pressure and velocity, and study the uniformity of the flow distribution of the intake manifold, so as to achieve the purpose of optimizing the intake system.
Keywords: CAE; FLUENT simulation optimization; FSAE car; Air intake system
CLC NO.: TK412 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2021)08-36-03
引言
中国大学方程式大赛规定油车发动机排量必须为710cc以下，本车队选用本CBR600作为参赛发动机，规则为限制发动机功率，必须在进气系统中安装一个圆环形直径为20㎜的限流阀，限流阀的增加大大降低了发动机的自然充气效率[1]。

充气效率又直接影响发动机的性能，通过合理设计进气模型参数，利用三维软件CATIA 建立FSAE赛车发动机进气系统三维模型[2]。

通过ANSYS 软件中的FLUENT模块对进气系统模型进行流场分析，对比分析歧管的进气均匀性，最后达到对FSAE 赛车发动机进气系统优化的目的，以此来达到提高发动机充气效率的目的[3]。

1 进气形式的确定
历年来随着大赛的逐渐发展，逐渐形成了三种进气形式：①机械增压；②涡轮增压；③自然吸气。

四缸机主要采用自然吸气形式。

FSAE赛车进气系统包括以下结构：
根据以上结构确定了大致的进气形式为中央进气。

2 进气主管及限流阀的参数确定
根据规则需要以及车架设计计算出主管的长度为240 mm，由于限流阀存在于进气主管之内，对限流阀采用文丘里管模型，当气体经过限流阀时流速增大，压力减小形成压差，产生一定的吸力，因此合适的设计限流阀的入口渐缩角
作者简介：余龙，就读于湖北文理学院汽车与交通工程学院。

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余龙 等：进气系统的优化设计
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和出口渐扩角，可以有效提高进气量。

确定渐缩角范围一般在10°- 20°，渐扩角在5°- 7°，确定三组值，分别为（18°，5°）（18°，6°）（18°，7°）[4]。

使用CATIA 对这三组参数分别建立三维模型，通过FLUENT 对建立模型进行流场分析。

三组参数统一使用压力进出口边界条件：入口压力设为101325Pa ，湍流强度为5%；出口压力设为97870Pa ，湍流强度同样设为5%。

湍流模型采用标准的k-ε模型[4]。

进行迭代计算得出表1数据：
图1 三组参数二的流场分析结果 表1 各角度限流阀通过的流量大小
通过对三组参数的比较确定限流阀渐缩角为18°，渐扩角为7°。

3 稳压腔和进气歧管的参数确定
稳压腔容积是影响油门踏板的灵敏度的一个因素，容积过小，油门踏板的灵敏度会过高；容积过大，赛车油门的反应又会过于迟钝。

稳压腔的容积一般在3-4 L 左右，分别设计稳压腔容积为3.2L 、3.4L 、3.6L 。

根据谐振效应在特定转速下和进气门关闭之前，进气歧管内产生大幅度的压力波，使进气歧管内进气压力增高，从而增加进气量。

由公式[5]：
L =30c /nq （1） c ：声速取值340m/s ；
n ：为发动机转速取值9000r/min ；
q=1.5、2.5、3.5.....（q 为波动系数）波动系数选择2.5； 由于喷油底座也属于一段歧管长度，减去喷油底座长度，初步计算出歧管长度为155mm ，歧管最大直径为53.7mm ，最小直径为44mm ，渐变角为4°。

4 进气模型的建立及优化
通过以上得出的几组数据在CATIA 中建立三维模型如图2，将建立好的模型导入到FLUENT 进行流场分析。

图2 进气三维模型
对建立好的模型在FLUENT 流体分析软件中进行仿真，导入模型后建立内流域，使用MESH 模块进行网格划分。

设置求解，由于本文考虑的是单纯的流场特性分析，所以不涉及到换热，采用标准的k-ε模型；采用压力进口边界条件，进口压力设置101325Pa 、出口压力设置 97870Pa ；壁面边界条件采用无滑移边界条件；温度设置为26℃，迭代计算1000步，得出三种模型的质量流量和流场特性。

图3 不同体积稳压腔的流场分析图 表2 三组模型歧管进气量百分比
如上图3从上到下分别为稳压腔为3.2L 、3.4L 、3.6L 时的流场特性和质量流量。

分别分析表2中的三种模型的质量流量和流场特性得出3.2L 和3.6L 虽然在总质量流量上差异不大，但是3.2L 的1、4歧管与2、3歧管流量百分比分别相差30.06%、29.6%，流量百分比相差比较大。

3.4L 的总质量流量十分接近理想值0.070㎏/s 其四个歧管流量百分比与标准均匀进气情况下的百分比分别相差：5.7%、15.4%、12.1%、9.1%，其相对进气均匀性也强于其他两种方案。

综上所述，本文得到稳压腔体积在3.4L 为最佳方案。

分析可知此模型在进气均匀性上有着明显的不足，所以本文针对歧管长度再次优化模型。

5 进气歧管的优化设计
由于稳压腔容积为3.2L 时进气太集中于2、3两歧管，
汽车实用技术
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本文从新对歧管进行了优化，将2、3两歧管的进口口径缩小至50mm ，将1、4两歧管口径增大到56mm ，并且对1、4两歧管在结构上进行优化，这里本文在1、4两歧管进口处引用了风杯结构，来实现增大1、4两管的进气量的目的。

在CATIA 中重新建模，并在ANSYS 中建立好内流域。

分别讨论单个风杯和两风杯的影响。

图4 两风杯结构优化结果
结合图4优化的结果可知，通过建立两个风杯结构使两侧歧管质量流量的更均匀分布，并使进气系统的流场更加顺畅，达到了对进气歧管的优化设计，提高了进气系统的充气效率，有利于提升发动机的性能。

6 总结
（1）本文通过结构分析确定了进气系统各个结构的参数。

（2）通过对进气模型的优化，将总进气量从去年的0.0532kg/s 提高到了接近理想进气量的0.0675kg/s ，有效地提高的总进气量，提升了充气效率。

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