FSAE发动机进排气系统简介及改进分析

FSAE发动机进排气系统简介及改进分析FSAE进气系统简介进进气系统是发动机的重要组成部分，它的布置形式和结构参数对发动机的充气效率、进气阻力、进气均匀性、缸内混合气运动和燃烧过程有着重要的影响，从而影响发动机的动力性、经济性和排放特性。

因此，进气系统的设计已成为发动机研发的关键技术之一，它在发动机产品的研发过程中，占有重要的地位。

对FSAE赛车来说显得更为重要。

FSAE赛车进气系统包括空气滤清器、节气门、限流阀、进气道、稳压腔、进气歧管，每个结构都有其特定的功能。

进气量控制喷油量，ECU判定喷油量的多少的重要信息来自进气管空气流量传感器，进多少气就喷多少油，有多少混合油气就释放多大的动力。

因此引擎运转时，每一循环所能获得的空气量多少，是决定引擎动力大小的基本因素。

FSAE规则规定发动机必须为排量在610cc以下的活塞式四冲程发动机，且为限制发动机功率，一个内部截为圆形最大直径为20.0mm的限流阀必须安装在节气门与发动机之间，发动机的所有进气气流都必须流经此限流阀，所以我们必须重视限流阀的设计。

因此，如何在限制条件下创新、严谨、细心的制作进气系统，让发动机的性能更充分地发挥才是最大的挑战。

此外为了充分展示我们的能力，还应考虑其可靠性、燃油经济性、美学、成本、可维护性、工艺性等。

效益最大化才能是最大的赢家。

为了更合理的设计进气系统，所以我们必须充分了解各个结构及其功能，了解进气系统中的各种现象并加以运用或减小其不利影响。

空气在进入汽缸的过程中会应紊流而产生进气阻力。

所以首先应减小由紊流产生的阻力。

如图由于进气道内产生了旋涡，形成像障碍物一样的缩流使气流远离管壁边缘，而致使气流截面变小。

所以应避免进气管陡变的情况。

在下图中，由于采用了逐渐增加限流器后部的直径的设计，所以有效的避免了在节流喉管尾流出产生进气涡流。

进气总管连接各进气歧管的管路被设计为喇叭口型。

对于此类方案，为防止紊流的发生，喇叭口的角度应设计为十五度以下。

系统各项效率一.容积效率容积效率指每个进气行程中气缸所吸入的空气在大气压下所占的体积和气缸活塞行程的比值。

由于在进行吸气行程时，会遭受各种的进气阻力，加上汽缸内的高温作用使自然吸气发动机的容积效率一定小于1。

进气阻力的降低、汽缸内压力的提高、温度降低、排气回压降低、进汽门面积加大都可提高发动机的容积效率，而发动机在高转速运转时则会降低容积效率。

另一项影响容积效率的重要因素是进气歧管的长度，由此也引发了与容积效率有关的‘脉动’及‘惯性’两种效应。

脉动效应发动机除了在极低的转速外，进汽门前的压力在进汽期间会不断的产生变动，这是由于进汽阀门的开、闭动作，使得进气歧管内产生一股压缩波以音速的大小前后波动。

假如进汽歧管的长度设计正确，能让压缩波将在适当的时间到达进汽阀门，则油气可由本身的波动进入汽缸，提高发动机的容积效率，反之则会导致容积效率下降，此现象称为进气歧管的脉动效应，又称‘共震效应’。

惯性效应进汽阀门打开，空气流入汽缸内时，由于惯性的作用，即使活塞已经到达下至点，空气仍将继续流入汽缸内，若在汽缸内压力达最大时，关闭进汽阀门的话，容积效率将成最大，此效应称为惯性效应。

若想得到最佳的容积效率必须同时考律脉动效应及惯性效应，也就是说在汽缸压力达到最大，关闭进汽阀门的同时，前方进气歧管内的压缩波也同时达到最高的位置（波峰）。

较长的进气歧管在引擎低转速时的容积效率较高，最大扭力值会较高，但随转速的提高，容积效率及扭力都会急剧降低，不利高速运转。

较短的进气歧管则可提高发动机高转速运转时的容积效率，但会降低发动机的最大扭力及其出现时机。

因此若要兼顾发动机高低转速的动力输出，维持任何转速下的容积效率，唯有采用可变长度的进气歧管脉动流的处理方法利用排气管内的气柱惯性提高气缸进气吸引力的方法被称为惯性效应。

如图所示，进气门打开后，活塞向下运动使得汽缸的内压力下降而产生负压。

这股负压波经由进气管向上传播。

首先是进气管内压力下降而使空气进入气缸，然后负压波接着传到与大气相连的开口端，会从开口端反射回一个向气缸方向传播的正压波。

如果这个正压波在进气门关闭之前到达汽缸，那么气缸内就会充满比稳定流动时的密度大很多的高密度混合气体。

利用惯性效应合理设计进气管长度进气系统如图所示，如果进气管的长度适中，反射波到达的时刻就会与进气门的开启时间吻合。

如何调整进气管的长度，由集气管的容积决定。

如果集气管的容积较大，就可将集气管视为与空气相通的开口。

具体表现为：1.活塞向下运动产生的吸引力负压波传至与大气相通的开口端后，到空气进入气缸之后的这段时间最好与进气门开启时间大体一致。

2.进气门开启时间段与发动机的转速成反比，所以为了与低转速运转相匹配，应采用较长的进气管。

二.充气效率充气效率是指每一个进气行程所吸入的空气质量与标准状态下（1个大气压、20℃、密度为 1.187kg/m2）占有气缸活塞行程容积的干燥空气质量的比值。

大气压力高、温度低、密度高时，发动机的充气效率也将随之提高。

容积效率所表现的是发动机构造及运转状态所造成发动机性能的差异，充气效率表现的则是运转当时大气状态所引起发动机性能的变化。

所以，提高充气效率是研究发动机工作过程的重要内容提高发动机充气效率的技术：空气在进气道中高速和低速时的进气效率、进气系数是不一样的，为了解决这个矛盾，有的发动机上采用了可变进气歧管技术，就是分别在低速和高速状态下改变进气歧管的长度和形状，来提高进气系数和效率。

其次相对于自然吸气发动机，涡轮增压的发动机打破常规，可使充气效率大于1，大大提高了充气效率。

使足够的充量进入气缸、以获得较高的充气效率是组织和完善燃烧过程提高发动机性能的前提。

稳压腔的容积对充气效率的影响为了避免气缸间进气的相互干扰，在电喷式发动机中通常设置稳压腔。

稳压腔容积的大小对于气流在进气管中的波动幅值有很大影响。

稳压腔相当于一个共振腔，其长度和直径决定这一共振腔的容积。

稳压腔为各入射波及反射波的必经之道。

由于稳压腔较长，使得当次进气过程中所发生的气体压力振动在吸入完毕后还在管内或多或少地残留，并不同程度地影响下一循环的进气过程，从这一点说，利用稳压腔内的动力效应获取较高的充气效率值，主要是利用其脉动效应。

在利用脉动效应时，在进气门关闭瞬间，若稳压腔内残留的压力振动能与正压力波同步，则充气效率迅速上升，若与负压波同步，则充气效率大大降低。

进气管长度对充气效率的影响进气管长度是影响动力效应的主要参数。

选用合适的进气管长度增加进气充量，实质就是利用其动力效应来提高充气效率。

因此，进气管长度的选择尤为重要。

在非增压发动机进气过程中，由于活塞下行真空吸入作用，在进气门口处所形成的负压波，经进气道、进气管、稳压腔传至上入游开口端，再反射回来。

进气管口处压力波形态取决于稳压腔、外接管及上游部件中复杂的气流波动，故它不是自身负压波的简单反射，而是由自身负压波、上游各部件中气体反射波以及来自各缸的负压波在此处叠加而成。

在进气门关闭之前，若各波合成效果为正压波时，则有利于后续进气，使充气效率增加；若为负压波，则充气效率降低。

这也就是说，合成波的相位应与配气相位的关闭时刻配合，而合成波相位主要取决于管长度，配气相位的关闭时刻则与转速有关。

由于在进气管内所发生的压力振动对本次进气过程影响较大，对下一次进气过程有一定的影响，故进气管内的动力效应主要是本次惯性效应。

由以上信息可知应根据实际情况合理设计进气管、稳压腔、进气歧管。

如果有实力甚至可以设计制作可变进气管、可变进气歧管。

同时还的尽量保证其制作工艺，内表明要尽可能的光滑，造型因美观。

排气系统在保证进气量的情况下，还应保证各个气缸得到的新鲜空气大致相同，这样动力输出才均匀，稳定性才高，燃油经济性才好。

充气效率要高，排气要顺畅。

由于发动机的工作原理，排气的气浪是一波一波地排出的，大家把手放在排气管后就可以感觉到。

如果排气管的直径较小，那么排出气浪的每一波都会在排气管内部形式较大的压力，当这一波气浪在排气管中开始向外排放时，对后一波气浪就会形成一个负压力，也就是大家所说的回压。

这个回压的大小决定了引擎的最佳排气领域，如果回压越大，引擎在低转速的气浪由于受前一波气浪的影响，就会越快被前一波气浪的负压力吸出，也就是说排气效果越好，但是当引擎到达高转数时，由于排气管的直径较小，造成的就是排气管内的压力不但不能尽快吸出下一波气浪，反而对每一波浪的排出造成了相当的阻力，而且每一波气浪之间互相影响，造成排气不畅顺，从而降低了引擎的性能，这个时候，选用直径较大的排气管就会起到较好的效果。

FSAE规定噪声等级上限为110加权分贝，必须严格控制。

噪声中的低、中频成分的起因主要是：消声器的容量不足，排气管（特别是尾管）的直径过大，测量转速产生共鸣等，高频成分的起因主要有：排气系统内部存在诱发紊流的角状构造或障碍物，吸音材料的长度和厚度不足，尾管过细等。

发动机在工作时，可燃混合气在极短时间时间内发生高温高压燃烧，排气门打开后，燃烧所产生的废气在排气管中急剧流动，受活塞往复运动和排气门开闭的影响，排气气流呈脉动形式在排气管中流动，就产生了强烈的排气噪声。

消除排气噪声的原则是消除废气气流的能量，平衡气流的压力波动。

排气能量主要集中在低、中频段，高频也有较高能量。

本着这个原则消除排气噪声可采取下列方法：1.多次变动气流方向；2.让气流通过收缩而又扩大的断面；3.将气流分割为很多小的气流，并沿不平滑表面流动；4.冷却气流；目前，很多学校选择单缸机，我们学校也打算使用单缸机。

单缸机由于其成本低、质量小、结构相对较简单，比较适合于FSAE。

但单缸机的动力小，为了提升其性能，在进排气系统上需要下很大的功夫。

应充分考虑其结构设计，空间的布置。

优化其性能。

为了更好提升其性能可以试一试加上增压备。

对于我们来说，设计一辆赛车是一个不断完善的过程，需要我们不断挖掘我们的创新能力和培养细心、严谨的态度及动手能力。

我们需要考虑成本、条件、能力等诸多因素，在规则限制中打造亮点。

设计分析过程中一定会用到很多的软件，例如CATIA、ANSYS、GT-power等。

唯有熟练的掌握这些设计分析软件才能为自己创新服务。

知识技能储备必不可少，这样才能将激情转化为动力。

动力总成进排气姜彦宏2014/1/2。