林少輝，任志英

（福州大學 機械工程及自動化學院，福建 福州 350116）

中國大學生方程式汽車大賽（Formula Student China，簡稱：FSC）是一項由高等院校汽車專業(yè)或汽車相關專業(yè)的在校學生組隊參加的汽車設計與制造比賽.該賽事要求在校大學生設計、制造、測試并駕駛一輛小型單座賽車參加比賽并完成各項比賽項目.FSAE規(guī)則（2014）對動力系統(tǒng)的主要要求是[1]，驅動賽車的發(fā)動機必須為四沖程、排量610cc以下的活塞式發(fā)動機，且所有進氣氣流必須流經(jīng)同一個直徑不大于20mm的進氣限流閥.

福州大學K-night賽車選用本田CRF450X發(fā)動機，且進行了電噴匹配改造.FSAE賽車的進氣限流閥對賽車發(fā)動機的整機性能與充量系數(shù)有很大影響[2].基于減少限流閥對發(fā)動機動力性能的限制，有必要對限流閥進行進一步研究與優(yōu)化.

1 GT-power仿真模型的建立與驗證

1.1 GT-power介紹

GT-power是一款由Gamma Technologies公司開發(fā)的具有發(fā)動機工業(yè)標準的模擬仿真軟件，被世界上大多數(shù)發(fā)動機和汽車制造廠家及供應商使用.它基于有限體積法，將氣體及熱量劃分成有限的單元體，被稱為“虛擬發(fā)動機”.在計算進、排氣管內流體狀態(tài)時應用的基本控制方程有[3]：

式中，c為氣體流速；ρ為氣體密度；P為氣體壓力；F為管截面積；f為管壁摩擦阻力；D為當量直徑；a為氣體流速加速度；k為傳熱系數(shù)；q為輻射能.

1.2 仿真模型的建立

CRF450發(fā)動機具體參數(shù)如表1所示.邊界條件設置為進出口壓力為1個標準大氣壓、溫度為27度，如表2所示.利用參數(shù)建立如圖1所示的發(fā)動機工作過程一維仿真模型，模型包括原機進氣系統(tǒng)模型、簡化排氣系統(tǒng)模型以及氣缸模型、曲軸箱模型.模型計算采用顯示求解法，發(fā)動機燃燒模型采用韋伯函數(shù)[4].

表1 CRF450發(fā)動機參數(shù)

表2 進排氣邊界條件

圖1 發(fā)動機仿真模型

1.3 仿真模型的驗證

運行原機仿真模型，得到的發(fā)動機2000-10000r/min的有效轉速范圍內外特性曲線如圖2所示.

圖2 原機外特性曲線仿真

從計算結果得到，發(fā)動機最大功率為41.38kw（9000r∕min），最大扭矩為 49.16N（6500r∕min），而發(fā)動機原機數(shù)據(jù)為最大功率41.16kw（9000r∕min），最大扭矩為50.7N（6500r∕min）.將兩者進行對比，最大功率誤差為0.5%，最大扭矩誤差為3.0%，模型誤差在5%的允許范圍內.整個曲線光滑平順，最大功率及最大扭矩對應轉速點皆相同，表明該模型與實際結果吻合較好，用該模型模擬發(fā)動機實際工作過程、設計進氣系統(tǒng)可以保證較高的精度.

2 限流閥對發(fā)動機性能的影響

利用GT-power仿真分析研究矩形限流閥對發(fā)動機全負荷狀態(tài)下功率及扭矩的影響.從圖3的仿真結果可以看出，加裝限流閥后發(fā)動機在3500-10000r/min下功率和扭矩都出現(xiàn)大幅度的下降，二者最多下降到僅為原來的50%左右.

圖3 限流閥對發(fā)動機性能的影響

為了探究這種變化產生的原因，通過GT-power進一步仿真限流前后氣缸充氣效率的變化，如圖4所示.可以看出，加裝了限流閥后發(fā)動機功率及扭矩的下降是由于從3500r/min開始進氣量低于發(fā)動機正常進氣所需的進氣量.汽油機采用量調節(jié)負荷調節(jié)方法，除啟動、急加速等特殊工況以外，噴油量取決于進入氣缸的空氣流量[5].進入氣缸混合氣的減少不可避免造成了功率、扭矩下降.隨著發(fā)動機轉速的提升每一進氣沖程所占的進氣時間不斷減少，則進氣不足更嚴重，功率和扭矩下降更明顯.因此優(yōu)化限流閥設計十分重要.

圖4 限流閥對充氣效率的影響

3 限流閥的優(yōu)化設計

3.1 限流閥的參數(shù)選擇

FSC賽車用發(fā)動機在大賽規(guī)則下，安裝限流閥后，特別是限流閥的整體幾何擴散形狀對進氣壓力的變化與恢復是非常重要的.其前后的整體幾何形狀的變化對FSC賽車用發(fā)動機的整機性能與充量系數(shù)有很大影響.為了保證限流閥進氣氣流的穩(wěn)定，選用如圖5所示的截面形狀為錐形的限流閥[6].

圖5 錐形限流閥示意圖

限流閥的進出口延伸角，進出口半徑是影響限流閥對發(fā)動機影響的主要因素[7].限流閥入口錐角并不敏感，故選定限流閥的入口長度為40mm.入口直徑必須與節(jié)氣門直徑匹配，進氣門直徑過大會造成發(fā)動機響應延遲，故選擇節(jié)氣門與限流閥入口直徑為30mm.氣流對出口錐角最為敏感，查閱國外資料，限流閥出口參數(shù)一般在7°附近，故設置7°、9°、11°為限流閥Fluent分析的主要參數(shù).

限流閥參數(shù)如圖6所示，對比分析方案見表3.

表3 限流閥分析不同方案參數(shù)

圖6 限流閥參數(shù)示意圖

3.2 邊界條件設置

邊界條件設置主要是入口邊界與出口邊界，設置情況如表4所示：

表4 邊界條件設置

3.3 基于Fluent的限流閥分析結果

圖7 7°錐角壓力云圖

圖8 7°錐角速度矢量圖

由圖7、圖8可知，最高壓力出現(xiàn)在限流閥入口前端，數(shù)值大小為1.01x105Pa；最低壓力出現(xiàn)在限流閥喉口處，數(shù)值大小為9.55x104Pa；最高流速出現(xiàn)在限流閥喉口處，數(shù)值大小為8.89x101m/s；最低流速出現(xiàn)在限流閥限流閥出口末端，數(shù)值大小為3.33x101m/s.

圖9 9°錐角壓力云圖

圖10 9°錐角速度矢量圖

由圖9、圖10可知，最高壓力出現(xiàn)在限流閥入口前端，數(shù)值大小為1.01x105Pa；最低壓力出現(xiàn)在限流閥喉口處，數(shù)值大小為9.49x104Pa；最高流速出現(xiàn)在限流閥喉口處，數(shù)值大小為9.29x101m/s；最低流速出現(xiàn)在限流閥限流閥出口末端，數(shù)值大小為3.02x101m/s.

由圖11、圖12可知，最高壓力出現(xiàn)在限流閥入口前端，數(shù)值大小為1.01x105Pa；最低壓力出現(xiàn)在限流閥喉口處，數(shù)值大小為9.42x104Pa；最高流速出現(xiàn)在限流閥喉口處，數(shù)值大小為9.73x101m/s；最低流速出現(xiàn)在限流閥限流閥出口末端，數(shù)值大小為2.43x101m/s.

圖11 11°錐角壓力云圖

圖12 11°錐角速度矢量圖

3.4 優(yōu)化方案對比選擇

通過對7°、9°、11°三種不同出口錐角的限流閥速度矢量圖、壓力云圖分析，可知三種方案的限流閥出口壓力差別非常小.為了評判限流閥優(yōu)劣，選擇限流閥出口末端截面的空氣流量為指標，流量=截面積x流速.計算結果如表5所示.

表5 不同限流閥對應的空氣流量

由表5數(shù)據(jù)可知，當限流閥出口錐角為9°時，其出口截面的空氣流量最高，故選擇該方案為限流閥最優(yōu)方案，此時限流閥入口直徑為30mm，入口長度為40mm，出口長度為100mm，出口錐角為9°.

4 結束語

本文通過發(fā)動機仿真軟件建立CRF450仿真模型，研究了限流閥對發(fā)動機動力性能的限制，確定優(yōu)化限流閥設計的重要性.利用ANSYS Fluent對7°、9°、11°三種出口錐角的限流閥進行仿真計算，采用空氣流量作為評判指標，最終選擇9°出口錐角為限流閥最優(yōu)設計.

〔1〕中國汽車工程學會.中國大學生方程式汽車大賽規(guī)則(2014版).

〔2〕許俊.基于進氣限流下的FSAE賽車發(fā)動機進氣系統(tǒng)優(yōu)化設計與仿真研究[D].四川:西華大學,2012.

〔3〕石來華,馮仁華.基于GT-POWER模型的發(fā)動機進氣系統(tǒng)優(yōu)化[J].客車技術與研究,2010(3)：18-21.

〔4〕Gamma Technologies Inc.GT-power user’s manual(version 6.2)[Z].Gamma Technologies Inc,2006.

〔5〕林學東.發(fā)動機原理[M].北京：機械工業(yè)出版社,2008.62-63.

〔6〕柳威,師忠秀,于淵.基于 ANSYS/Fluent的 FSAE 賽車限流閥的仿真優(yōu)化研究[J].青島大學學報,2013,28(4)：76-81.

〔7〕盧超,洪偉,王俊峰,等.進氣限制器對FSAE賽車用發(fā)動機性能的影響[J].小型內燃機與摩托車,2012,41(2):17-19.