FSAE方程式赛车进气系统设计

FSAE 方程式赛车进气系统设计
Design on intake system of FSAE racing car
汤 沛1,2，倪骁骅1，赵雪晶1，刘 锐2，魏民祥2
TANG Pei 1,2, NI Xiao-hua 1, ZHAO Xue-jing 1, LIU Rui 2, WEI Min-xiang 2
（1.盐城工学院 汽车学院，盐城 210016；2.南京航空航天大学 能源与动力学院，南京 210016）摘 要：研究分析S.FSAE方程式赛车进气总管的渐缩角与扩张角、稳压腔的容积大小以及进气歧管的内径与长度对充气效率的影响关系。

结合CATIA软件绘图、FLUENT软件对赛车进气系统进行流场分析，运用GT-POWER软件仿真试验得出优化数据。

分析结果得出进气总管的渐缩角为18°、扩张角为6°、进气歧管的长度为180mm、稳压腔体积为2.9L时进气效果最优。

关键词：FSAE方程式赛车；进气系统；优化设计中图分类号：TK413 文献标识码：A 文章编号：1009-0134(2016)11-0033-04
收稿日期：2016-09-09
基金项目：江苏省普通高校研究生科研创新计划（KYLX-0244）
作者简介：汤沛（1981 -），男，江苏盐城人，博士研究生，主要从事发动机仿真设计工作。

0 引言
自2010年第一届中国FSC 比赛以来，中国FSC 始终致力于培养国内优秀汽车人才，考验未来一批汽车人的各方面能力。

中国FSC 比赛规定赛事所用发动机排量小于600cc ，且在进气系统的进气总管处设有20mm 的限流阀；同时也规定出进气顺序为：空滤—节气门—总管（内设限流阀）—稳压腔—歧管—发动机。

在以上这些限制条件下，设计出的赛车要取得更好的成绩，并能使发动机工况处于最佳状态，这就要求进气系统做出更合理的设计，并尽可能提高充气效率。

本次的研究目的主要是对进气系统进行优化设计，并验证优化结果。

1 FSAE 赛车进气系统的结构
进气系统的结构如图1所示，主要包括：1进气口、2限流阀、3进气总管、4稳压腔、5进气歧管。

其工作原理是气体经过空气滤清器、节气门后由进气系统的进气口经过进气总管（内设有内径为20mm 的限流阀）进入
稳压腔，气体在稳压腔内稳压、蓄能。

在进气门开启时，气体在负压的作用下吸入气道，与燃油混合后进入气缸并燃烧。

进气系统的优劣直接影响发动机充气效率，并对整车的动力性与加速性有很大的影响，因此在进气过程中，要尽可能大的、范围广的提高发动机的充气效率。

2 进气系统的设计
进气系统的设计主要包括进气总管角度的设计、稳压腔容积的设计、进气歧管结构的设计等。

其设计所需参数如表1所示。

表1 CBR600发动机参数
名称参数
发动机水冷四冲程直列四缸/DOHC/每缸4气门
供油方式电子燃油喷射系统
缸径×行程67.0×42.5排量599cc 压缩比
12:1
2.1 进气总管角度的设计
为了能使发动机在运行中获得最佳的充气效率，应对进气总管的进气锥角与出气锥角进行合理的设计，如图2所示为进气总管示意图。

进气口到限流阀以及限流阀到稳压腔的距离分别为40mm ，230mm ，初步设定总管的渐缩角15°与扩张角6°[4]，并分别配合不同渐缩角与扩张角，运用FLUENT 分析计算得出充气效率，结果如表2所示，可以看出当渐缩角为18°、扩张角为6°
时充气效率最高。

图1 进气系统示意图
图2 进气总管示意图
表2 不同渐缩角与不同扩张角的对应匹配下的充气效率
扩张角(°)渐缩角(°)充气效率5°10°0.417
5°15°0.419
5°18°0.411
6°10°0.438
6°15°0.449
6°18°0.467
7°10°0.436
7°15°0.404
7°18°0.379
2.2 稳压腔的分析
稳压腔容积的大小范围在3.0L左右时，发动机的充气效率处于较佳状态[11]。

以下把稳压腔容积大小分为2.8L、2.9L、3.0L、3.1L进行比较，运用GT-power进行仿真分析得出稳压腔容积大小对发动机充气效率的影响。

分析结果如图3所示，发动机转速在8000～9600rad/ min时，四种稳压腔容积下的充气效率都为上升趋势。

图中可以明确看出发动机转速在8000～8200rad/min，稳压腔容积在2.8L、2.9L时充气效率高于3.0L、3.1L 时充气效率数值；在8200-9000rad/min，稳压腔容积在2.8L、2.9L时充气效率略低于3.0L、3.1L时的充气效率数值，但在9000rad/min之后均明显升高。

发动机转速在8000～8200rad/min、9000～9600rad/min，稳压腔容积在2.9L时的充气效率数值均高于稳压腔容积在2.8L时的充气效率数值，在8200～9000rad/min之间充气效率数值差距甚微，分析得出稳压腔容积在2.9L时的充气效率较好。

结合图4发动机功率图也可以得出稳压腔容积在2.9L时发动机功率折线图对应功率数值最高，综上所述发动机在高速8000～9600rad/min运转时，稳压腔容积在2.9L
时效果最好。

图3 不同转速下，
稳压腔容积大小对充气效率的影响
图4 不同转速下，稳压腔容积大小对发动机功率的影响
2.3 进气歧管的分析
1）进气歧管长度的初步计算与确定
进气管长度根据公式计算如下：
nq
c
L30
=
式中：L为进气歧管长度。

c为当地声速。

q为惯性效应波动系数，取q=4.5。

n为发动机转速，取n=9000r/min。

计算得出进气歧管的长度为180mm。

2）进气歧管的分析结果
根据计算所得歧管长度为180m m，为了得到最佳的充气效率，将分别设置歧管长度为175mm、180mm、185mm、190mm。

运用GT-power在转速为8000～9600rad/min时，对不同进气歧管长度进行分析。

分析结果如图5、图6所示，发动机转速在8000～9000rad/min时充气效率最好的是进气歧管长度180mm，虽然转速在9000rad/min之后岐管长度为180mm对应的充气效率数值有所下降，但其下降斜率较小、下降平缓，所以不会给发动机运转带来影响。

结合图6功率图可以明确看出进气歧管长度为180mm时，转
速在8000～9200rad/min ，折线图对应的发动机功率数值最大；转速在9200～9600rad/min 时，发动机功率折线图下降甚小，对发动机的运转没有影响，所以歧管长度为180mm 时发动机功率最好，经分析得出歧管长度为180mm
时为最优结果。

图5 不同歧管长度下，
充气效率与转速之间的关系
图6 不同歧管长度下，发动机功率与转速之间的关系
3 进气系统的整体优化分析
根据以上分析得出优化数据如表3所示，并利用CATIA 对进气系统进行整体建模，如图7所示。

表3 优化数据表
优化对象优化后数值优化前数值总管的渐缩角/扩张角
6°/18°6°/15°稳压腔的容积 2.9L 3.0L 歧管的长度
180mm
180mm
进气系统整体模型建立后，运用FLUENT 软件对该进气系统进行分析。

如图8(a)、8(b)壁面压力图所示，可以看出优化后的进气系统整体壁面压力大于优化前进气系统整体壁面压力，壁面压力越大说明其内部进气量越多，充气效率越好。

从图9(a)、9(b)可以看出优化后的稳压腔内气体平均速度小于优化前的稳压腔内气体平
均速度，说明优化后的稳压效果更好，同时对其它三缸的进气影响较小；优化后限流阀处的流速高于优化前限流阀处的流速，说明优化后的限流阀处单位时间内流经的气体较多，进而提高发动机的充气效率、改善发动机性能。

经FLUENT 软件分析得出优化前充气效率为0.1408，优化后充气效率为0.3641，优化后的充气效率与优化前相比提高了1.5
倍。

(a) 壁面压力图(优)
(b) 壁面压力图(原)
图8
壁面压力图
图7 进气系统的整体模型
(a) 进气系统流场图（优
）
(b) 进气系统流场图（原）
图9 进气系统流场图
4 结束语
运用GT-POWER 、CATIA 以及FLUENT 软件对进气系统进行试验分析与流场分析后，得出进气总管的渐缩角为18°、扩张角为6°、进气歧管的长度为180mm 、稳压腔体积为2.9L 时充气效率效果较优。

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