朱發(fā)旺，尉慶國，石紹彬，劉新華

（1.中北大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，太原 030051； 2.中國北方發(fā)動(dòng)機(jī)研究所，山西大同 037036）

基于臺(tái)架試驗(yàn)的碳纖維賽車進(jìn)氣系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)*

朱發(fā)旺1，尉慶國1，石紹彬1，劉新華2

（1.中北大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，太原 030051； 2.中國北方發(fā)動(dòng)機(jī)研究所，山西大同 037036）

為改善安裝限流閥后的發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力輸出，應(yīng)用三維建模軟件CATIA建立中北大學(xué)2015年國際學(xué)生方程式賽車競(jìng)賽（FSAE）賽車發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)的模型，采用FLUENT軟件對(duì)進(jìn)氣系統(tǒng)模型進(jìn)行優(yōu)化分析，通過分析選擇出最佳模型；在此基礎(chǔ)之上，使用碳纖維材料加工制造出進(jìn)氣系統(tǒng)實(shí)物部件，對(duì)改造后的FSAE賽車發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)。通過臺(tái)架試驗(yàn)獲得實(shí)驗(yàn)結(jié)果與原機(jī)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，改造后的發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩和功率為原機(jī)的70%左右，性能較往年有了較大提升，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方案的合理性。

國際學(xué)生方程式賽車競(jìng)賽；賽車；進(jìn)氣系統(tǒng)；優(yōu)化分析；碳纖維；臺(tái)架試驗(yàn)

中國大學(xué)生方程式汽車大賽是由高等院校汽車工程或汽車相關(guān)專業(yè)在校學(xué)生組隊(duì)參加的汽車設(shè)計(jì)與制造比賽。大賽規(guī)則對(duì)賽車動(dòng)力系統(tǒng)提出以下要求：（1）賽車須由排量610 cc以下的四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)來驅(qū)動(dòng)；（2）最大直徑為20.0 mm的限壓閥須安裝于節(jié)氣門與進(jìn)氣門之間且全部進(jìn)氣氣流須流經(jīng)此閥。加裝限流閥之后，發(fā)動(dòng)機(jī)的功率與扭矩相對(duì)于原機(jī)均有不同程度的降低［1］，因此，在滿足大賽規(guī)則的前提下，如何改善發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣限流后賽車的動(dòng)力性是設(shè)計(jì)者須考慮的重點(diǎn)。

1 發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)幾何模型的建立

FSAE賽車進(jìn)氣系統(tǒng)一般由空氣濾清器、節(jié)氣門、限流閥、穩(wěn)壓腔組成，因?yàn)榭諝鉃V清器對(duì)進(jìn)氣系統(tǒng)內(nèi)的流場(chǎng)的影響很小，所以在進(jìn)氣系統(tǒng)模型的建立過程中并未考慮空氣濾清器［2］。

根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)，最佳限流閥開口錐角角度為40°。由于安裝限流閥，造成了發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣壓力和進(jìn)氣流速的損失，為了將限流閥造成的損失降至最低，在限流閥后應(yīng)安裝擴(kuò)散器，它是有一定角度且截面積逐漸增大的經(jīng)典文丘里管［3］。結(jié)合國內(nèi)外相關(guān)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，將出口的錐角定為7°，限流閥示意圖如圖1所示。

圖1　 限流閥示意圖

關(guān)于穩(wěn)壓腔體積的選取，對(duì)于乘用車而言，一般為其排量的0.5～1.5倍，但是這個(gè)體積對(duì)于大學(xué)生方程式賽車而言較小，因?yàn)镕SAE 規(guī)則規(guī)定了進(jìn)氣系統(tǒng)須加限流閥，所以對(duì)于自然吸氣的發(fā)動(dòng)機(jī)一般采用2～4倍。鑒于本次采用的發(fā)動(dòng)機(jī)的排量小于600 cc，所以穩(wěn)壓腔的容積定為1.2～2.4 L?？紤]到加工制作的方便性，選用半徑100 mm的球殼來制作穩(wěn)壓腔。

由于發(fā)動(dòng)機(jī)在發(fā)動(dòng)機(jī)艙的布置位置已確定，其進(jìn)氣口朝向車尾，為了充分利用氣流的迎風(fēng)效應(yīng)提高進(jìn)氣量，需要保證進(jìn)氣系統(tǒng)進(jìn)氣入口面向車頭。目前的設(shè)計(jì)主要有上部進(jìn)氣和側(cè)部進(jìn)氣。上部進(jìn)氣，空氣濾清器在車手頭部以上，主環(huán)頂部以下，此外，由于頭枕高度的限制，致使進(jìn)氣管道必須達(dá)到一定高度超越頭枕，才能實(shí)現(xiàn)一定的迎風(fēng)面的要求，但是進(jìn)氣管設(shè)置的長(zhǎng)度不宜過長(zhǎng)，而且這種布置一定會(huì)與迎風(fēng)面有一定角度差。側(cè)部進(jìn)氣，空氣濾清器在主環(huán)側(cè)面，相比較上部進(jìn)氣，進(jìn)氣口到側(cè)部的距離遠(yuǎn)小于進(jìn)氣口到頂部的距離，迎風(fēng)角度小，若側(cè)部進(jìn)氣，進(jìn)氣部件高度不高，在固定方面會(huì)更加簡(jiǎn)便［4］。

比較之后，最終選擇側(cè)部進(jìn)氣的布置方式，運(yùn)用三維建模軟件CATIA，對(duì)進(jìn)氣系統(tǒng)與發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行裝配。

2 　發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)Fluent仿真分析

由于大學(xué)生方程式賽車是一項(xiàng)大學(xué)生為主導(dǎo)的賽事運(yùn)動(dòng)，考慮到車手的安全因素，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)加裝限流閥，因此發(fā)動(dòng)機(jī)的功率與扭矩受到很大的限制，賽車的動(dòng)力性受到影響?？紤]到穩(wěn)壓腔的形狀容積已選擇好，因此使用Fluent軟件對(duì)限流閥進(jìn)行流體仿真。賽車可認(rèn)為處于低速行進(jìn)中，進(jìn)入進(jìn)氣系統(tǒng)中的氣體可認(rèn)為是不可壓縮的氣體，氣體的密度不發(fā)生變化，因此選用標(biāo)準(zhǔn)模型進(jìn)行求解。

首先對(duì)模型進(jìn)行前處理，使用mesh模塊劃分網(wǎng)格，考慮到邊界層對(duì)限流閥的影響，使用inflation功能進(jìn)行網(wǎng)格膨脹處理。為了求取進(jìn)出口的空氣質(zhì)量流量，在mesh界面設(shè)置命名邊界，設(shè)置邊界選項(xiàng)inlet，outlet，wall以及fluid，將劃分的網(wǎng)格導(dǎo)入fluent求解器計(jì)算處理。

設(shè)置邊界條件，進(jìn)口壓力為大氣壓，出口壓力為98 kPa，湍流強(qiáng)度為5%，湍流黏度比為0.5。設(shè)定進(jìn)、出口流量值為要查看的結(jié)果。計(jì)算到139步求解完成后，在后處理中查看限流閥靜壓圖以及流速圖，結(jié)果如圖2所示［5］。由圖2可知，最大壓力出現(xiàn)在限流閥開口端，最大流速位于漸變口處，符合流體力學(xué)相關(guān)知識(shí)要求。

圖2　 限流閥靜壓、流速圖

限流閥進(jìn)出口質(zhì)量流量數(shù)值見表1。

表1　 限流閥進(jìn)出口流量值

進(jìn)口質(zhì)量流量的絕對(duì)值大于出口的絕對(duì)值，說明存在沿程損失，損失小于1%。

以上結(jié)果主要針對(duì)進(jìn)口錐角為4°，出口錐角為7°的限流閥，為了得出最佳進(jìn)氣量的模型，下面采用ANSYS Workbench里面的響應(yīng)面優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行分析求解。

3 　響應(yīng)面優(yōu)化設(shè)計(jì)

為了求解出最優(yōu)模型，需要設(shè)置優(yōu)化模塊，可以根據(jù)前面的Fluent分析結(jié)果，選擇一個(gè)初始設(shè)計(jì)點(diǎn)，做一次仿真，然后依據(jù)相關(guān)性原則，找到另一個(gè)設(shè)計(jì)點(diǎn)，再做一次仿真，發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)變量和目標(biāo)變量之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，并繪制出響應(yīng)面。通過反復(fù)仿真，直到目標(biāo)值收斂，得出最優(yōu)解。

根據(jù)優(yōu)化原則，設(shè)定進(jìn)口錐角和出口錐角為輸入?yún)?shù)變量，設(shè)定進(jìn)口質(zhì)量流量和出口質(zhì)量流量為輸出參數(shù)，然后將輸入、輸出參數(shù)傳遞到響應(yīng)面優(yōu)化設(shè)計(jì)模塊。設(shè)定進(jìn)口錐角的范圍為30°～50°，出口錐角的角度范圍為5°～9°，將實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)類型設(shè)為Central Composite Design，仿真分析結(jié)果見表2。

為了使分析結(jié)果更具參考性，設(shè)置多組樣本參數(shù)，并從中選擇3個(gè)候選設(shè)計(jì)點(diǎn)，通過響應(yīng)面仿真，選取的三個(gè)候選點(diǎn)見表3。

單纖維肌電圖在甲亢伴眼肌型重癥肌無力和Graves眼病鑒別診斷中的價(jià)值 … 李文娟，王玉凱，謝堅(jiān) 422

表2　 不同進(jìn)、出口錐角下的凈質(zhì)量流量 kg/s

表3　 優(yōu)化設(shè)計(jì)候選點(diǎn)

考慮到發(fā)動(dòng)機(jī)安裝限流閥，為了保證發(fā)動(dòng)機(jī)的功率要求，滿足賽車的動(dòng)力性能要求，選擇能保證限流閥進(jìn)氣質(zhì)量流量最大以及沿程損失最小的設(shè)計(jì)，即點(diǎn)2，此時(shí)進(jìn)口質(zhì)量流量為0.098 366 413 kg/s，出口質(zhì)量流量為-0.098 369 269 kg/s。

4 　進(jìn)氣系統(tǒng)制作

4.1 材料選擇

考慮到整車布置時(shí)，各零件總成之間結(jié)構(gòu)緊湊，使得進(jìn)氣管道與熱源較近、管道工況較惡劣等情況，因此采用碳纖維制作進(jìn)氣系統(tǒng)的限流閥與穩(wěn)壓腔。碳纖維材料一般是由聚丙烯腈、粘膠纖維等材料經(jīng)過氧化與碳化作用處理形成的［6］。由于組分的特殊性加上工藝處理，使得碳纖維在具有密度小的同時(shí)，可塑性好，同時(shí)耐高溫。基于這些特性，碳纖維適合用來制作進(jìn)氣系統(tǒng)。

4.2 模具制作

根據(jù)上文已經(jīng)確定好的限流閥與穩(wěn)壓腔尺寸，結(jié)合加工設(shè)備以及經(jīng)費(fèi)等因素，使用數(shù)控機(jī)床制作限流閥模型，由于穩(wěn)壓腔結(jié)構(gòu)的特殊性，可以直接購買球形結(jié)構(gòu)。并對(duì)球形結(jié)構(gòu)直徑兩端進(jìn)行打孔處理，孔徑由進(jìn)出口大小決定。模具渲染圖如圖3所示。

圖3　 三維渲染圖

4.3 碳纖維模型制作

相對(duì)玻璃纖維，碳纖維材料在制作時(shí)不用分成表面氈、短切氈并按順序放置，減少了加工程序。

（1）在將機(jī)床加工的限流閥模具表面的金屬細(xì)屑清理好后，為了方便后續(xù)脫模操作，在模具上使用透明膠帶，在膠帶上面加涂脫模蠟，在一定程度上彌補(bǔ)模具因?yàn)橥饨缫蛩卦斐傻牟还饣?/p>

（2）由于實(shí)驗(yàn)室設(shè)備限制，使用人工處理制作。將碳纖維布按照（0/45/90/-45）角度鋪置，鋪好一層，用細(xì)刷將環(huán)氧樹脂一層層順著鋪放的碳纖維布的紋路刷，由于沒有真空泵的作用，需要手工將碳纖維布?jí)簩?shí)，讓樹脂更好的滲透［7］。

（3）由于模具結(jié)構(gòu)的特殊性，邊角過渡不平滑，因此使用小塊的碳纖維布貼補(bǔ)，避免后期使用過程中產(chǎn)生局部強(qiáng)度不夠的因素，同時(shí)由于碳纖維材料的優(yōu)異性能，留下了打磨的空間。

（4）將模型放在陽光下加熱，加速固化進(jìn)程，等到模型樹脂完全與碳纖維結(jié)合，進(jìn)行脫模操作。

（5）將模具進(jìn)行手工修剪、打磨等一系列后續(xù)處理，得到制作的模型。

通過碳纖維材料的使用，制作出符合設(shè)計(jì)要求的進(jìn)氣系統(tǒng)，為下面的臺(tái)架試驗(yàn)打下基礎(chǔ)。將制作好的模型安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)上，如圖4所示。

圖4　 實(shí)物裝配圖

5 仿真結(jié)果的驗(yàn)證

為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)系統(tǒng)的可靠性，使用發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)來檢測(cè)改造后的發(fā)動(dòng)機(jī)性能指標(biāo)及可靠性，檢驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)的是否合理，同時(shí)也對(duì)進(jìn)氣系統(tǒng)的后續(xù)的改進(jìn)有著指導(dǎo)性的意義［8-9］。由于使用設(shè)備的限制，臺(tái)架試驗(yàn)在太原理工大學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。

本次臺(tái)架試驗(yàn)使用的實(shí)驗(yàn)設(shè)備：誠邦DW160電渦流式測(cè)功機(jī)、ET2100發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)控儀、ET2200油門勵(lì)磁驅(qū)動(dòng)儀、ET2300A數(shù)據(jù)采集儀等，實(shí)驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)為改造后的嘉陵JH600發(fā)動(dòng)機(jī)。嘉陵JH600原機(jī)的基本技術(shù)參數(shù)見表4。連接臺(tái)架試驗(yàn)設(shè)備如圖5所示。

表4　 嘉陵JH600發(fā)動(dòng)機(jī)基本技術(shù)參數(shù)

圖5　 臺(tái)架試驗(yàn)圖

考慮到發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)的時(shí)候，發(fā)動(dòng)機(jī)自身會(huì)產(chǎn)生劇烈的振動(dòng)，為了不影響進(jìn)氣效果，進(jìn)而影響實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性，對(duì)于進(jìn)氣管道進(jìn)行固定，如圖6所示。

圖6　 安裝固定圖

通過實(shí)驗(yàn)過程中，調(diào)節(jié)節(jié)氣門開度，來測(cè)定并記錄對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速的數(shù)值，使用制表軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分類處理，得出結(jié)果［10］。

圖7、圖8分別為不同的節(jié)氣門開度（5%，10%，15%，20%，25%，30%，35%，40%，45%）下發(fā)動(dòng)機(jī)部分負(fù)荷特性的功率和扭矩曲線。節(jié)氣門百分比如圖標(biāo)示，相應(yīng)曲線是各個(gè)節(jié)氣門開度下的發(fā)動(dòng)機(jī)功率和扭矩［11］。由圖7、圖8可知，進(jìn)氣系統(tǒng)經(jīng)優(yōu)化后發(fā)動(dòng)機(jī)最大功率為21.061 kW，最大扭矩為36.98 N·m，與原機(jī)的功率與扭矩相比下降了30%左右。

圖7　 發(fā)動(dòng)機(jī)部分負(fù)荷特性的功率曲線

圖8　 發(fā)動(dòng)機(jī)部分負(fù)荷特性的扭矩曲線

6 結(jié)論

依據(jù)大賽規(guī)則對(duì)賽車進(jìn)氣系統(tǒng)加裝限流閥之后，造成了發(fā)動(dòng)機(jī)充氣效率下降，發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力輸出降低，筆者對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)進(jìn)行Fluent流場(chǎng)分析，優(yōu)化了發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣系統(tǒng)，從一定程度上改善了進(jìn)氣限流后發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性。使用碳纖維材料制作限流閥，保證了進(jìn)氣系統(tǒng)的功能的同時(shí)，減少了整車的質(zhì)量，符合輕量化設(shè)計(jì)要求。驗(yàn)證了碳纖維材料在汽車制作設(shè)計(jì)上的應(yīng)用。并且通過發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)，得出實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過與原機(jī)數(shù)據(jù)對(duì)比，經(jīng)過改造后的發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩和功率為原機(jī)的70%左右，性能較去年有了較大的提高，進(jìn)一步驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方案的合理性，這為以后中北大學(xué)行知車隊(duì)賽車發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化提供一定的參考。

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Design Optimization of Carbon Fiber Intake System for Race Car Based on Engine Bench Test

Zhu Fawang1， Wei Qingguo1， Shi Shaobin1， Liu Xinhua2
（1. School of Mechanics and Power Engineering， North University of China， Taiyuan 030051， China；2. China North Engine Research Institute， Datong 037036， China）

To improve the engine power output after installing the restriction，the engine’s intake system model of 2015 Formular SAE （FSAE） race car for North University of China was established by the three dimensional modeling software CATIA. The optimization analysis for intake system model was conducted based on fluid calculation software FLUENT，then the optimal model was selected through the analysis. After that，the air intake system physical components was made by using carbon fiber material，and the engine experiment was carried out on the reformed engine to achieve the experimental results. Compared the experimental results with original data of engine，the reformed engine’s power and torque is about 70% of the original engine. The reformed engine’s performance is also improved greatly over previous year. It demonstrates the rationality of the design.

Formular SAE；race car；intake system；optimal analysis；carbon fiber；engine bench test

TQ322.3

A

1001-3539（2016）09-0053-04

10.3969/j.issn.1001-3539.2016.09.011

*國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（50606014）

聯(lián)系人：朱發(fā)旺，碩士研究生，主要從事車輛動(dòng)力學(xué)與控制研究

2016-07-02