FSC赛车涡轮增压发动机进气系统的优化设计_葛召浩

图 3 进气管壁压力云图 Fig.3 Stress contour of intake pipe wall
图 4 进气管内部速度流线图 Fig.4 Velocity contour of intake pipe
在压力云图中， 可见稳压腔壁面压强分布不 均匀，正对来流方向的壁面处所受压强较大。 在速 度流线图中，可以直观地看到气流分布的情况，在 进气总管向稳压腔延伸的扇形区存在较为严重的 回流， 而 1、4 歧管与 2、3 歧管的进气量存在较大 差异。
FSC 赛车涡轮增压发动机进气系统的优化设计
葛召浩，贾丽娜，程奉雨，何涛，黄勇
（210031 江苏省 南京市 南京农业大学 工学院）
［摘要］ 以本田 CBR600RR 自然吸气发动机为平台，将其改造为废气涡轮增压发动机。 确定增压发动机的整体
布置方案， 进行了涡轮增压器的匹配选型。 设计与之配套的进气系统， 并用 CATIA 软件建立三维模型； 利用
FLUENT 软件对进气系统进行流体动力学分析，根据分析结果对进气系统模型做了针对性的优化。 研究结果表
明，优化后的进气系统气流顺畅无回流，各歧管空气质量流量分布均匀。
［关键词］ FSC；废气涡轮增压；发动机进气系统；FLUENT 流体分析
［中图分类号］ U464.171
［文献标志码］ A ［文章编号］ 1673-3142(2016)10-0061-04
5.2 优化改进方案 经过对进气管的流体分析， 本文认为高压高
速的气体在流经扇形区时，没有沿着管壁分散，而 是以一股气流的形式撞击到稳压腔壁上， 在扇形 区形成低压从而引起回流。 同时，高压高速的气体 集中分布在稳压腔中部， 造成 1、4 歧管进气量较 少。 因此，在扇形区设计了导流板的结构以改善这 种情况。 图 5 为优化后的进气管模型。
限流阀
增压器
进气管路
节气门 中冷器
发动机
排气管路
图 1 增压发动机布置方案 Fig.1 Supercharged engine layout
为了适应新的发动机系统结构， 进排气管道 必须要重新进行合理的设计。 一方面使歧管进气 均匀提高进气流量， 另一方面使排气顺畅减小排 气背压，从而提高发动机充气与排气效率，满足增 压条件下的进排气需求， 提高增压发动机动力性 能。 本文中选取进气系统的仿真分析与优化设计 作为重点研究内容。
随着涡轮增压技术的发展与成熟， 小排量涡 轮增压发动机因为其在动力性和节能性的优异表 现， 越来越广泛地被 FSC 赛事接受与推广。 本文
资助项目：南京农业大学 SRT 计划项目（1530B12） 收稿日期：2016-04-27 修回日期：2016-05-09
针对一款 FSC 赛事中所使用的小排量发动机进行 研究，对其进行增压化改造，并设计一套与之匹配 的进气系统。
大转速的 50%~60%［2］，故 针对本项目 中选用的发
动机而言，选择发动机转速 6 000 r/min 作为匹配
工况点，此时有效功率为 50 kW，压气机的空气质
量 流 量 及 增 压 比 的 计 算 公 式 如 下 ［3］。
空气质量流量
qm=
pe×be×Ia 3 600
×L0
（1）
增压后的气体密度
气不均匀等问题， 影响了涡轮增压发动机性能的 进一步提高，有待进行优化设计。
表 2 进气歧管质量流量分布 Tab.2 Mass flow rate of intake manifold
歧管 进气歧管 1 进气歧管 2 进气歧管 3 进气歧管 4
质 量 流 量 / （g·s-1） 25.517 884 43.243 277 44.430 401 22.969 276
目标发动机的额定功率可达 90 kW， 然而在 实际比赛中仅能发挥 50%~60%的功率。 本设计将 比赛中所使用的此款本田发动机连同进排气管道 模型导入 GT-POEWR 软件，建立一维仿真模型进 行性能分析， 发现 4 根进气歧管的进气量最高值 小于 12.5 g/s，不足以满足高转速工况下发动机的 进气需求。 这是由于限流阀的存在限制了发动机 吸入气缸内的空气量， 进而限制了发动机的输出
ρb=
qm×60×2 i×n×Vs×Is
（2）
增压比
pb = pb×Tb
（3）
p0 ρ0×T0
根据公式计算可得， 匹配工况点的空气质量
流量为 6.481 b/min，增压比为 1.65。根据理论计算
结果， 我们初步确定涡轮增压器型号为盖瑞特
GT1241,该款增压器的设计匹配排量为 0.4~1.2 L，
3 涡轮增压器的选择
发动机与增压器的匹配是否良好，对发动机的 运行状况有着极其重要的影响。对涡轮增压器进行 选型，需要考虑发动机的设计功率和涡轮增压器压 气机的流通特性。 本文根据目标发动机的功率、扭 矩等参数计算出目标发动机在匹配工况点下的空 气质量流量与增压比，从而确定增压器的类型。 增 压发动机的匹配工况点对应的转速区间一般为最
将优化后的模型导入到 FLUENT 软件， 以相 同的参数进行流体分析，得到优化后的分析结果。 图 6 为优化后进气管壁压力云图， 图 7 为优化后 进气管内部速度流线图。
图 6 优化后进气管壁压力云图 Fig.6 Stress contour of the optimized intake pipe wall
设计匹配功率为 35~95 kW。 通过查阅增压器性能
曲线，发现匹配工况点下的工作效率为 76%，说明
涡轮增压器与发动机匹配良好， 满足目标发动机
的 工 作 需 要 ［4］。
4 进气系统的设计
在进行进气管道设计时， 本文对宁远车队近 几年所采用的进气系统进行了分析对比。 在满足 增压发动机的布置形式的基础上，最终采用了图 2 的进气管形式。 进气总管需与节气门、中冷器管道 配合，直径取为 40 mm。 为缩减进气系统长度以提 高进气响应速度， 将进气总管长度取为 200 mm； 为降低进气歧管的进气不均匀度， 将歧管 1、4 设 计为上大下小的圆台形状， 歧管 2、3 设计为圆柱 形状。 当稳压腔体积为发动机排量 5~6 倍时动力 性能最佳，因此将稳压腔部分容积定为 3.5 L。
利用软件计算进气质量流量， 以图表的形式 输出，如表 2 所示。 由此表可以直观地看出，进气 系统总流量相较自然进气提高许多， 然而 4 个歧 管的进气均匀度较差，不均匀度达到 63%，这对发 动机的稳定运行极为不利。
综上所述，此进气管设计中存在回流严重、进
图 5 优化后进气管模型 Fig.5 The optimized intake pipe model
图 2 进气管模型 Fig.2 Intake pipe mode
第 54 卷第 10 期
葛召浩 等： FSC 赛车涡轮增压发动机进气系统的优化设计
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5 进气系统的 CFD 分析及优化
5.1 进气管CFD 分析 将进气管三维模型导入到 FLUENT 软件中并
划分网格。 在求解设置中采用 K-e 湍流模型，操 作压力设置为一个大气wenku.baidu.com［6］。 由于增压 后的气体 在进入到进气管入口前需经过节气门、中冷器，会 受到一定的沿程损失及局部损失， 所以将进气总 管入口气压设为 130 kPa［7］。 经分析计算后，将分 析结果导出为图表。 图 3 为进气管壁的压力云图， 图 4 为进气管内部的速度流线图。
0 引言
中国大学生方程式汽车大赛 （简称 “中国 FSC”） 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 的时间内自行设计和制造出一辆在加速、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［1］。 大赛规则要求驱动赛车的发动机必须为四冲程、 排量 610cc 以下的活塞式发动机， 且所有进气气 流必须流经同一个内部截面直径不超过 20 mm 的 进气限流阀。 同时，规则允许使用涡轮增压技术对 发动机进行改造， 其进气系统零部件唯一允许的 连接顺序为：限流阀、增压设备、节气门、发动机［2］。
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农业装备与车辆工程
2016 年
功率和扭矩。 因此，单纯地对进排气系统进行改装 设计很难满足 FSC 赛车对高性能的需求， 而在现 有的技术条件下， 可以使用涡轮增压器使发动机 在工作负荷不变的情况下增加输出功率。
2 目标发动机增压方案的设计
综合参考大赛规则以及宁远车队赛车上实际 空间的限制，确定对目标发动机的增压方案，如图 1。 相比原目标发动机的总体结构，主要的改变发 生在进气管和排气管间增加了涡轮增压器和中冷 器。 涡轮增压器位于限流阀之后，主要利用废气的 动能推动压气机压缩空气进入发动机， 从而增加 进气量， 它的性能以及与发动机的匹配性直接影 响了增压发动机的性能。 中冷器位于节气门下游， 主要使增压后的高温气体冷却降温， 从而降低发 动机的热负荷，提高发动机的进气效率。 由于中冷 器结构较为简单，只需满足空间布置要求即可，本 文中不做更多探讨。
1 目标发动机介绍
本项目选用了符合大学生方程式汽车大赛规 则的本田 CBR600RR 发动机，它的部分参数如表 1 所示。
表 1 本田 CBR600RR 发动机部分参数 Tab.1 Parameters of CBR600RR engine
气缸数 4缸
排量 599cc
气门机构 DOHC
压缩比 最高转速 12．2：1 11 000 r/min
Optimal Design of Intake System of FSC Racing Car Based on Turbocharging Technology
Ge Zhaohao, Jia Lina, Cheng Fengyu, He Tao, Huang Yong (College of Engineering, Nanjing Agricultural University, Nanjing City, Jiangsu Province 210031, China) ［Abstract］ This research aims to transform Honda CBR600RR small-displacement and naturally aspirated engine into exhaustturbo charged engine. Theoretical calculation was made to choose the suitable turbocharger for the engine, then the engine’s pressurization programme was set up. To match the new assembly, new intake system was designed and 3D model was made using CATIA software. Finally, fluid dynamic analysis of intake system was conducted on the basis of FLUENT software, so that specific optimization can be applied to intake system. The results show that the air flow of optimized inlet system is smooth without reflux, and the manifold air flow distribution is uniform. ［Key words］ FSC; exhaust-turbocharger; intake system of engine; FLUENT flow dynamic
第 54 卷 第 10 期 第Vol5． 454卷第No1． 010期
农业装备与车辆工程 AGRICULTURAL EQUIPMENT & VEHICLE ENGINEERING
2016 年 10 月 October 2016
doi：10．3969 ／ j．issn．1673－3142．2016．10．016