FSAE方程式进气系统的设计与优化

吴仁杰，宋志尧

（200093 上海市 上海理工大学）

0 引言

中国大学生方程式汽车大赛(简称“ 中国FSAE”)是由高等院校汽车工程或车辆相关专业的在校学生组队参加汽车设计与制造的一项比赛。大赛要求该团队在严格的规定下设计出一辆可以作为生产项目的汽车[1]。

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将会影响稳压腔内部气流的流动形态和进入发动机4 个进气道里的进气量，从而影响进气系统的充气效率，进而影响发动机动力,王海刚等人对内燃机进气系统进行流场分析[2]。

就发动机而言,大赛要求其排量不得高于600 mL,且总进气均需通过一个直径为20 mm 的限流阀。限流阀的存在使得原发动机的进气量减少,影响了其动力性与稳定性,因此,国内外出现了很多针对方程式赛车发动机进气系统的研究；彭才望[3]通过分析限流阀进出口锥角的角度,确定了最佳限流阀模型；庞圣桐[4]等以LD450 单缸发动机为载体,通过GT-Power 软件对发动机进气管长度和稳压腔容积进行了优化；刘敏章[5]等通过Fluent 软件对稳压腔和进气歧管进行分析,指出压力与速度在流动过程中损失的主要部位,并据此对进气系统进行了优化。

本文结合当前方程式的实际情况，参考各个参赛大学优秀的设计和借鉴往年赛车的进气系统去设计一套完整全新的进气系统，并且采用有限元软件Fluent 进行对比分析，从而达到减少进气系统质量、提高进气系统充气效率的目的。

1 进气系统设计方案分析

1.1 节气门体和发动机的选择

本文节气门体选用28 mm 直径的蝶式节气门体，因为其响应迅速，传感器信号稳定，所以一直采用此节气门体。发动机选用本田CBR600RR型号的发动机，其具体参数如表1 所示。因为从近几年大赛的趋势来看，四缸机的优势要明显高于单缸机，再加上拥有使用四缸机的经验，所以选择继续使用它。

表1 CBR600RR 发动机参数表Tab.1 Parameters of CBR600RR engine

本文进气系统废除了侧向进气的方案，虽然侧向进气系统(如图1 所示)便于在赛车上布置，但是通过流体分析可以看出发动机各缸进气有明显的不均匀，发动机的二缸和四缸进气歧管质量流量明显少于一缸和三缸，这个对于发动机输出扭矩的影响是很大的，因为这样不仅会使发动机的整体扭矩降低，同时，发动机输出扭矩的平顺性也会有明显的下降，有可能会出现发动机在某一工况下扭矩持续波动的现象。因此针对这种进气缺陷，本文的进气系统采用了中间进气(如图2 所示)的进气类型，并在此基础上进行结构数优化，以实现各缸的进气均匀度和提高发动机的充气效率。

图1 侧向进气Fig.1 Lateral inlet

图2 中间进气Fig.2 Middle inlet

1.2 进气歧管长度的计算

由于进气歧管的主要作用是将稳压腔中的空气分配到发动机的各个缸中，而且设计歧管长度时，利用其长度与进气动态效应之间的关系可以增加进气冲程的进气量

如何调整进气歧管的长度主要取决于稳压腔的体积，如果稳压腔的体积比较大，可以将稳压腔视为与大气相通的开口来计算歧管长度。

活塞下行产生的负压波传至节气门开口端后变为正压波反射回来，返回的时间为

式中：c——压力波在管内的传播速度，其大小等于音速。

该压力波往返的周期应尽可能与进气门开启的时间相同。

进气门在某一转速下开启的时间为

式中：n——转速；θintakevalveopeningperiod——节气门开度。

由此可以得出

根据CBR600RR 发动机高转速动力强的特点，以及实际比赛中发动机经常使用的转速区间，选取n=8 000 r/min 为计算转速。

CBR600RR 发动机进气门早开角为21°，进气门晚关角为44°，故进气门总的开启周期所对应的曲轴转角为

代入式（3）求得进气管总长度L=0.86 m。

CBR600RR 发动机进气道长度为94 mm，喷油底座长度为68 mm。大赛规则限制进气总管不能太长，从节气门开口到进气歧管进口之间距离暂定550 mm。可求得进气歧管长度为148 mm。

稳压腔的体积由经验一般取3～8 倍的发动机排量，根据经验稳压腔的容积3 L 左右充气效率最佳[6]。根据上面计算的进气歧管长度148 mm，排气总管1.2 m，以20 mm 为一个跨度，分析稳压腔取3 L，排气总管取1.2 m，当进气歧管分别取128，148，168 mm 时，发动机输出扭矩的变化结果依次如图3 所示。

图3 发动机输出扭矩变化图Fig.3 Diagram of engine output torque variation

由图4 三份数据可知，发动机转速在5 000 r/min以上时，进气歧管为148 mm 发动机输出扭矩要比歧管长度取128 mm 和168 mm 时的扭矩普遍高一些，因此，进气歧管长度确定为148 mm。

1.3 进气系统稳压腔容积计算

如果稳压腔体积取得太小，稳压腔对进气系统中压力波的缓和能力就有限，但是如果稳压腔体积取得过大，加速时空气充满稳压腔所需要的时间就会变长，就会产生油门迟滞现象。根据经验，稳压腔体积取3～8 倍发动机排量，因此，分别分析稳压腔体积取2，3，4 L 时，发动机输出扭矩的变化，如图4 所示。

分析结果可以看出，稳压腔体积对发动机输出扭矩影响也不大，但3 L 稳压腔与2 L 和4 L稳压腔相比，发动机5 000 r/min 以后扭矩略显大些，故确定稳压腔体积为3 L。

1.4 数模图确定

由于进气歧管长度和大赛对进气系统规则的限制，进气歧管若全部采用弯管，那么进气系统会超出规则限制的区域，所以，进气歧管采用全部直管的方案，这样，可以为之后布置节气门体和空气滤清器保留足够的空间。确定的进气方案如图5 所示。

图5 改进的进气系统Fig.5 Improved intake system

2 用Fluent 有限元分析软件分析进气系统

2.1 进气口流场分析

大赛规则要求在进气总管处加一个20 mm 的限流阀，用来限制发动机的最大进气量，从而限制发动机的最大功率。限流阀前端开口起到组织气流的作用，合适的开口锥角能有效组织气流，从而减小进气口处的紊流，减少进气阻力，将限流阀对进气的限制作用减少到最小，因此限流阀前端锥形管的设计很重要。通过经验可先初步选定此锥形管的锥角为16°，通过Fluent进行流体分析，分别分析锥角取14°，16°，18°时，限流阀出口端的质量流量。分析结果如图6 所示。

图6 限流阀前端锥角选取Fig.6 Selection of front cone angle of flow limiting valve

由分析结果可以看出，限流阀前端锥管锥角取14°时，出口质量流量为1.474 26 kg/s；锥角取16°时，出口质量流量为1.428 43 kg/s；锥角取18°时，出口质量流量为1.501 32 kg/s。所以最终决定采用18°锥角设计。

2.2 总管扩散器的流场分析

根据经验，初步选定扩散器的锥角为6°，并利用Fluent 分析扩散器锥角取5°，6°，7°时，其内部压力和出口端气流质量流量的变化。分析结果如图7 所示。

图7 扩散器锥角选取Fig.7 Selection of diffuser cone angle

由分析结果可以得出，扩散器采用5°锥角时，出口质量流量为0.710 043 kg/s；扩散器采用6°锥角时，出口质量流量为0.663 884 kg/s；扩散器采用7°锥角时，出口质量流量为0.751 523 kg/s，所以，选用7°扩散器锥角作为最终方案。

2.3 稳压腔与进气歧管的流场分析

稳压腔内部气流的运动主要与稳压腔形状和进气总管出口端到稳压腔之间过渡处的管的形状有关，可以通过改变以上两处的形状来调节稳压腔的内部气流的运动。根据经验，稳压腔采用圆柱体可以很好地实现稳压腔内部压力的均匀，下面分析由进气总管直接进入稳压腔和在进气总管出口端与稳压腔之间设置过渡区两种方案对稳压腔内部气流运动的影响。两种方案的进气系统三维模型和相应的采用Fluent 软件分析得到的两种稳压腔内部流速如图8 所示。

图8 2 种方案进气系统Fig.8 Two schemes of intake system

由以上分析结果对比可知，在扩散器出口端与稳压腔之间设置过渡管可有效地组织稳压腔内部气流运动，减少气流冲击壁面造成稳压腔内部气流紊乱的现象，故采用方案2。

2.4 进气歧管出口流量分析

进气歧管是进气系统的末端，4 个进气歧管出口端的空气质量流量最终决定了进入发动机各缸的进气量是否真正均匀，如果某个进气歧管出口端空气质量流量相比其他3 个歧管较少，则可以通过改变歧管内径尺寸来进行调整。初始进气模型4 个歧管管径均相同，大小为直径40 mm，通过Fluent 分析各个歧管内流速线图结果可以看出，采用4 个内径相同的进气歧管，2 缸和4 缸的歧管内空气流量和其余2 个缸的歧管相比显得少了一些，因此，将2 缸和4 缸的进气歧管内径设计得大一些，改为42 mm。修改后继续用Fluent 软件进行分析，将其分析的结果与已有的进气系统进行对比，如图9 所示。

图9 2 种版本进气流速分析图Fig.9 Two versions of intake flow rate analysis chart

综上所述，我们发现改进版本的进气系统的充气效率与已有版本相比得到了明显提升，这也达到了我们预期的目的。

3 结语

本文主要对进气系统进行布置，优化确定了进气系统的歧管的参数和稳压腔容积的参数，采用有限元软件流体分析对设计好的全新的进气系统进行仿真分析，通过对比已有的分析结果来不断优化全新进气系统的设计。总之，本设计着重考虑减轻进气系统的整体质量，提高进气系统的充气效率，利用动态效应以及接合有限元软件进行分析，为日后制造新的进气系统提供参考。