大学生FSAE赛车发动机进气系统设计

280
1.1446 如图 2 所示。
290
1.1437
由图 2 可以看出，当进气歧
300
1.1539
管是 310mm 时，充量系数达到最
310
1.1649
320
1.1341 大值 1.1649，表示此时的进气效
330
1.0864 果最好。
340
1.0528
然后保持进气歧管的长度为
350
1.0349 310mm，改变谐振腔的容积，使其
文丘里管。这样，在直径为 20mm 的限流阀后，一直延伸
到谐振腔的空间，流道的直径慢慢变大，气流流速下降，
从而使其压力得到恢复，尽可能减少由于限流阀的存在
而导致的充量系数的下降。
3 进气歧管和谐振腔优化分析
影响进气系统性能好坏的关键因素是进气歧管的长度
以及谐振腔的容积。但是，由于结构的完全改变，不可能在原
1引言 中国大学生方程式汽车大赛是一项由高等院校汽车
工程或汽车相关专业在校学生组队参加的汽车设计与制 造比赛。各参赛车队按照赛事规则和赛车制造标准，在一 年的时间内自行设计制造出一辆在加速、制动、操控性等 方面具有优异表现的小型单人座休闲赛车，能够成功完 成全部或部分赛事环节的比赛。
发动机供给系统设计作为发动机的主要设计任务， 主要包括进气系统、排气系统和供油系统设计。发动机供 给系统，特别是进气系统对于发动机性能有着非常重要 的影响。
PIPE（管）
26
因而本文主要关注发动
SYSTEM_BOUNDARY（边界）
2
机在此转速时进气歧管
PLENUM（谐振腔） CYLINDER（气缸） RESTRICTION（节流）
2
长度以及谐振腔容积对
4
8
充量系数的影响，以此
FUEL_INJECTOR（喷油嘴）
4
确定合适的歧管长度和
MEASURING_POINT（测量点） 10
有效功率 ／ｋＷ
70 60 50 40 30 20 10
0 1
2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 转速 ／１０３ｒ·ｍｉｎ－１
图 9 有效功率曲线
80 70 60 50 40 30 20 10 0
1
23 4 56 7 8 转速 ／１０３ｒ·ｍｉｎ－１
图 10 扭矩曲线
9 10 11
有效扭矩 ／Ｎ·ｍ
21 机械工程师 2012 年第 11 期
压力 ／Ｐａ
入口端压力 ／Ｐａ
温度 ／Ｋ
学术交流
ACADEMIC COMMUNICATION 理论 ／ 研发 ／ 设计 ／ 制 造
极位夹角 （／ °）
图 5 缸内温度
极位夹角 （／ °）
图 6 限流阀入口端压力
极位夹角 （／ °）
图 7 限流阀最小直径处压力
对于汽油机而言，进气量的多少直接决定发动机性 能的高低 ［3］。进气系统存在着进气谐振效应 ［4］，由于第二 届赛车不打算采用涡轮增压或机械增压，所以能否通过 合理的进气歧管进气谐振效应来提高发动机的充量系数 显得非常关键。而影响进气系统谐振效应的因素主要是 进气歧管的长度和谐振腔的容积［5］，这两个几何尺寸也是 进气系统设计的关键。
度、谐振腔容积等几何尺寸，并借助三维建模软件 Ｉｎｖｅｎｔｏｒ 对进气系统各个部件进行建模。
关键词：中国大学生方程式汽车大赛；发动机进气系统；ＢＯＯＳＴ
中图分类号：U464.134
文献标识码：A
文章编号：1002－2333（2012）11－0020－04
Design and Manufacture of the Engine Intake System in the FSAE Racing Car of SCUT HE Tong-yang, HE Shan, LI Jie, XIAO Guo-quan, LEI Xiong
3.4 得出结论
4
1.1654
经过以பைடு நூலகம்的分析，当进
4.2
气歧管长度是 310mm、谐振
4.4
腔容积是 3.8L 时，发动机的
4.6
4.8
进气效果比较好，而且这样
1.1655 1.1656 1.1657 1.1657
的尺寸对赛车的布置也比较合适。所以，本文确定进气歧
管长度为 310mm，谐振腔的容积为 3.8L。此时发动机各
缸的压力如图 4 所示。
充量系数
1.167 1.166 1.165 1.164 1.163 1.162 1.161 1.160 1.159 1.158
1
图3
3
5
7
9 11 13
谐振腔容积 ／Ｌ
充量系数随谐振腔容积的变化曲线
缸内压力 ／Ｐａ
极位夹角 （／ °）
图4
缸内的温度则如图 5 所示。 现在考察一下进气气流在进入限流阀之前、流经限 流阀和经过了限流阀以后，其压力的变化情况。 由图 6、7、8 这三处的压力对比，可以看出，气流经过 限流阀时压力会减少。限流阀的直径先变小后变大，所以 压力先变小，然后慢慢恢复。入口端的最大压力约为 99300Pa，在直径为 20mm 处压力达到最小值，此时的最 大压力为 92500Pa 左右，然后压力慢慢得到恢复，到出口 端时最大压力恢复到 97500Pa 左右。但是，由于存在着沿 程损失和局部损失，所以气流压力并不能恢复到进入限 流阀前的压力。可见，进气气流经过了限流阀以后，气压 会有一定程度的降低。 下面考察一下，当确定进气歧管长度为 310mm，谐振 腔容积为 3.8L 以后，在不同的转速下，发动机的有效功
对于 FSAE 赛车发动机的进气系统，组委会为了限 制赛车的功率，从而更好地保证比赛的安全性，强制要求 使用直径为 20mm 的限流阀，所以我们必须重视限流阀 的设计。进气气流通过限流阀以后，流速会增加，但是气
压会明显下降，从而严重影响充量系数。要想使气流压力
尽可能地恢复到限流阀前面的水平，可以把限流阀做成
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大学生 ＦＳＡＥ赛车发动机进气系统设计
贺彤阳， 何山， 黎杰， 肖国权， 雷雄 （华南理工大学 机械与汽车工程学院，广州 510641）
摘 要：利用 ＡＶＬ ＢＯＯＳＴ 建立 ＦＳＡＥ 赛车发动机工作循环的一维模型，对其进行分析优化，确定合适的进气歧管长
冲量系数
1.4 1.2
1 0.8 0.6 0.4 0.2
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
转速 ／１０３ｒ·ｍｉｎ－１
图 11 冲量系数曲线
充气效率较高，进气效果非常不错。 4 进气系统设计
本文采用三维建模软件 Inventor 来建立进气系统各 个零部件的模型。并在 Inventor 里建立了进气系统的模 型。包括：进气歧管模型，为了安装方便，本文把进气歧管 分开两部分加工，每部分都是两个歧管；谐振腔的模型， 在谐振腔上由于要安装进气压力传感器和进气温度传感 器，所以模型上开了小孔；限流阀的模型。
（College of Mechanical & Automotive Engineering, South China University of Technology, Guangzhou 510640, China）
Abstract： TAVL BOOST software is used to establish a one -dimensional model of work cycle in FSAE racing car engine. Optimization is carried out for determining the optimal length of the intake air bypass and the volume of resonant cavities geometry size. Three-dimensional model of the air intake system is built based on Inventor software. Key words： formula SAE of China; engine intake system; BOOST
230mm。
3.3 运行模型并进行分析
在设置参数时，先把进气歧管的长度定为 230mm，谐
振腔容积为 3.4L。运行模型后得到在此进气歧管和谐振
表 2 充量系数随进气 歧管长度的变化
长度/mm 充量系数
200
1.0401
210
1.0495
220
1.0648
230
1.0879
240
1.1209
250
1.1429
9000r/min 左右的转速。而对于四冲程发动机，最大计算
20 机械工程师 2012 年第 11 期
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表 1 元素的名称和数量 周期一般为 10 周期，也
Element Name（元素名称） Numbe（r 数量） 就是 7200°曲轴转角 。 ［6］
腔容积时的充量系数。 本文将分别改变进气歧管的
长度和谐振腔容积，考察发动机 的充量系数的变化情况。首先保 持谐振腔容积不变，让进气歧管 长度在 200~350mm 之间并计算 每间隔 10mm 的充量系数，得到 充量系数随进气歧管的变化情
260
1.1494 况，如表 2 所示。
270
1.1482
把表 2 数据处理成折线图，
来进气系统的基础上进行改进，必须重新设计。本文借助
AVL-BOOST 软件建立发动机工作过程的一维模型，通过分
析，确定合适的进气歧管长度和谐振腔容积。
3.1 建立发动机工作过程数值计算模型
本文借助
AVL -BOOST 建
立发动机工作过
程的一维模型，
通过分析，确定
合适的进气歧管
长度和谐振腔容
积。建立了如图 1
如表 3 所示。
2.2
1.1613
把它处理成折线图，如
2.4
图 3 所示。
2.6
由图可以看出，在进气
2.8
3
歧管长度保持在 310mm 不
3.2
变时，当谐振腔容积为
3.4
3.8L， 充 量 系 数 有 最 大 值
3.6
1.1663。
3.8
1.1624 1.1632 1.1637 1.1642 1.1646 1.1649 1.1651 1.1663
式中，a：进气歧管内的音速，取 a=340m/s；n：发动机
转速，本文取 9000r/min；q：波动系数，其值为 q=1.5、2.5、3.5
…（考虑到布置空间取 q=3.5）。
进气歧管为 l=L-90=230mm。由于进气歧管存在进气
谐振效应，计算进气歧管的长度 320mm，由于发动机上进
气道的长度约为 90mm，所以发动机外部进气歧管为
图 12 为进气系统的三维模型。 加工好的进气系统如图 13 所示。
出口端压力 ／Ｐａ
极位夹角 （／ °）
图 8 限流阀出口端压力
率、有效扭矩以及冲量系数的表现。图 9、图 10 和图 11 分 别是有效功率、有效扭矩和冲量系数随发动机转速的变 化曲线。
对于图 9 的功率图，在高转速时，发动机的功率表现 也相当不错，在 65kW 左右的水平附加摆动，能很好地满 足比赛要求。
充量系数
1.20 1.15 1.10 1.05 1.00 0.95
200
图2
220 240 260 280 300 320 340 进气歧管长度 ／ｍｍ
充量系数随进气歧管长度的变化曲线
从 2.2L 到 4.8L 之间以 0.4L 表 3 充量系数随谐振腔
的间隔变化，得到充量系数
容积的变化
随谐振腔容积的变化情况， 谐振腔容积/L 充量充量系数
通过借鉴国外车队的经验，并进行分析对比，发现 Honda 的发动机比较适合 FSAE 比赛，所以决定选用 Honda CBR 600 RR 这款高性能的摩托赛车发动机。据了 解，这款发动机在 FSAE 赛车上的使用频率相当高，因为 它的各项性能指标都非常适合这项比赛［1］，但是发动机原 来的进气系统和大赛规则要求［2］的结果相差很大，必须重 新设计进气系统，而不能使用发动机原装的进气系统。 2 进气系统布置
所示的发动机工
作过程的一维 BOOST 模型。在
图 1 BOOST 模型
模型中，所有元素的名称和数量如表 1 所示。
通过对模型进行分析研究如何得到合适的进气歧管
长度和谐振腔容积，使得发动机的进气效率更高。
3.2 元素参数的设置
FSAE 赛 车 在 进 行 耐 久 赛 时 大 部 分 时 间 工 作 在
谐振腔容积。模拟控制
AIRCLEANER（空气滤清器）
1
的其他部分的设置
JUNCTION（三通） PIPE_END（管端）
3 （略）。FSAE 赛车的谐
54
振腔的容积一般超过
3L［7］，考虑到进气系统在赛车上的布置空间，先把谐振腔
的容积定在 3.4L。由于进气歧管存在进气谐振效应，根据
L=30a/nq 大约计算进气歧管的长度 ： ［8］