倪彰，王卉

（江蘇理工學(xué)院 汽車與交通工程學(xué)院，江蘇 常州 213000）

FSC賽車發(fā)動機排氣管道設(shè)計與分析

倪彰，王卉

（江蘇理工學(xué)院 汽車與交通工程學(xué)院，江蘇 常州 213000）

基于FSC大賽規(guī)則，對賽車用CBR600發(fā)動機排氣管道進(jìn)行設(shè)計分析。確定了排氣管道的總體布置方案，并利用流體力學(xué)相關(guān)知識，分析發(fā)動機排氣道中的氣流波動效應(yīng)及能量損失情況，運用FLUENT軟件進(jìn)行流場特性分析，通過對比模擬出來的的壓力云圖和流速矢量圖，提出排氣管道改進(jìn)措施。

排氣系統(tǒng)；布置方案；Fluent；流場分析

中國大學(xué)生方程式汽車大賽（FSC）是由中國汽車工程協(xié)會針對汽車專業(yè)及其相關(guān)專業(yè)的在校大學(xué)生舉辦的自主設(shè)計與制造汽車的比賽，競賽分為兩大類，分別為靜態(tài)陳述和動態(tài)測試。發(fā)動機是賽車的重要組成部分，發(fā)動機的換氣效率對賽車動力性有很的大影響。排氣系統(tǒng)作為發(fā)動機的一部分，其基本功用是將發(fā)動機做功所產(chǎn)生的廢氣排出體外，其布置形式的選擇以及結(jié)構(gòu)參數(shù)的選定對發(fā)動機的排氣通暢性有著重要意義，影響賽車的動力性能。

本文選用符合大賽規(guī)定的CBR600發(fā)動機，對其排氣系統(tǒng)中的排氣管道進(jìn)行分析。排氣管道由排氣歧管和排氣總管組成，針對賽車情況，對比分析排氣管道的布置形式，利用FLUENT軟件對發(fā)動機的排氣管道進(jìn)行流場特性分析，得出排氣管道的壓力云圖以及流速矢量圖，分析管道內(nèi)的流體壓力及流體流速的分布情況，從而得出有效改進(jìn)發(fā)動機排氣管道的方法。

1 排氣系統(tǒng)的布置方式

此次選用CBR600的四缸發(fā)動機。由于發(fā)動機內(nèi)產(chǎn)生的廢氣在流經(jīng)排氣歧管后要聚攏在一起排出，因此排氣系統(tǒng)有三種布置方式，分別為4通道至2通道式布置、4通道至2通道至1根排氣管式布置和4通道至1根排氣管式布置。

（1）方案1：選用4至2式布置。四通道至二通道式布置方式，如圖1，此種布置方式設(shè)計簡單，管道彎曲少利于廢氣的排出，但缺點是此種布置廢氣的擴散空間小，因此管道內(nèi)不能產(chǎn)生足夠的負(fù)壓，且需要在賽車的左右兩端各安裝一個消聲器，成本太大，故不予考慮。

圖1 4至2式布置的排氣管

（2）方案2：選用4至2至1式布置。四通道至二通道至一根排氣管的布置方式，如圖2，氣流在管道內(nèi)有兩次真空低壓狀態(tài)，壓縮波從汽缸內(nèi)反射出來，在管子接頭處發(fā)生膨脹現(xiàn)象，然后將兩個稀疏波返回至排氣口。當(dāng)發(fā)動機處于中等轉(zhuǎn)速時，稀疏波的存在可以提高發(fā)動機的充量系數(shù)并改善發(fā)動機的扭矩特性；當(dāng)發(fā)動機處于高速時，則會出現(xiàn)管內(nèi)負(fù)壓不足的缺點。由于比賽時賽車在大部分時間下都處于中低速狀態(tài)，因此此方案可行。

（3）方案3：選用4至1式布置。如圖3，四根排氣歧管直接集合在一根排氣總管上，給廢氣提供了足夠的擴散空間，因此排氣系統(tǒng)內(nèi)的負(fù)壓很強。但是此種布置方式的排氣系統(tǒng)內(nèi)部只產(chǎn)生一次真空低壓，故沒有第二次減壓的效果，相較于4至2至1式的布置方式，賽車處于中等車速時，發(fā)動機的充量系數(shù)小，扭矩特性下降。此外，4至1式的排氣管對空間要求比較高，容易與車架形成干涉。

綜合比較這三種排氣管的布置方式，方案2更利于賽用發(fā)動機的使用，發(fā)動機性能較好且制造難易適中，故選擇4至2至1式的方案。

圖2 4至2至1式排氣管

圖3 4至1式排氣管

2 排氣系統(tǒng)基本參數(shù)的計算以及管內(nèi)能量損失分析

2.1 排氣系統(tǒng)基本參數(shù)的確定

在設(shè)計排氣管道時，需要對管道長度、管道內(nèi)徑以及彎管的曲率半徑進(jìn)行計算。計算式如（1）所示：

其中：P 為排氣歧管的長度，mm；ED 為180°+排氣門提前打開曲軸轉(zhuǎn)過的角度，°；RPM為發(fā)動機性能最佳時發(fā)動機的轉(zhuǎn)速，r/min。

式中：CC為發(fā)動機的排量，mL；ID為排氣歧管內(nèi)徑(mm)。

將原始參數(shù)代入上式，則有P=160mm，ID=38mm。

2.2 管道的曲率與能量損失的關(guān)系

管道的曲率半徑與管內(nèi)能量損失也有一定的聯(lián)系，彎管內(nèi)流體的能量損失主要有三類，第一類是流體在切應(yīng)力方向產(chǎn)生的沿程損失，由于流體流速在彎管內(nèi)的分布情況隨流動方向的變化而不斷變化，從而造成切應(yīng)力方向上存在沿程損失。第二類是流體在彎管內(nèi)的漩渦狀態(tài)造成的能量損失；第三類是彎管內(nèi)的雙螺旋流動現(xiàn)象引起的部分能量損失。其中前兩類為主要能量損失。由牛頓第二定律和伯努利方程可知，流體在彎管流線上的速度V與彎管的曲率半徑R有如下關(guān)系：

圖4 彎管內(nèi)的氣流運動

其中，C為常數(shù)。

由上式可知，速度V和曲率半徑R滿足反比關(guān)系，隨著R的增大，V逐漸減小，即流體在彎管內(nèi)側(cè)的速度大于流體在彎管外側(cè)的速度，且流速在彎管截面上成梯形分布，若流體的速度梯度小，則能量損失也較?。▓D4）。

單位質(zhì)量下的流體由于管道的彎曲造成的能量損失可由下式表示：

其中，ζ表示局部阻力損失系數(shù)。

由上述分析可知，彎管的曲率半徑R越大，由彎曲引起的壓力損失越小，因此應(yīng)盡量選擇曲率半徑大的彎管。

3 仿真分析

FLUENT軟件是通用的CFD軟件包，用來模擬從不可壓縮到高度可壓縮范圍內(nèi)的復(fù)雜流動。由于采用了多種求解方法和多重網(wǎng)格加速收斂技術(shù)，因而FLUENT能達(dá)到最佳的收斂速度和求解精度。靈活的非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格和基于解的自適應(yīng)網(wǎng)格技術(shù)及成熟的物理模型，使FLUENT在轉(zhuǎn)換與湍流、傳熱與相變、化學(xué)反應(yīng)與燃燒、多相流、旋轉(zhuǎn)機械、動/變形網(wǎng)格、噪聲、材料加工、燃料電池等方面有廣泛應(yīng)用。

由上述分析可知，管道的曲率半徑對能量損失有一定的影響，因此利用FLUENT軟件對發(fā)動機的排氣管道進(jìn)行流場特性分析，得出排氣管道的壓力云圖以及流速矢量圖，分析管道內(nèi)的流體壓力及流體流速的分布情況，并依此得出排氣系統(tǒng)改進(jìn)措施。

3.1 邊界條件設(shè)置

假定流場內(nèi)的流體為煙氣，流體狀態(tài)為可壓縮、非定常流動。邊界條件按如下參數(shù)設(shè)置。

入口邊界：壓力入口，壓力值為0．3MPa；出口：壓力出口，壓力值為1．0MPa；固壁邊界：光滑壁面且無速度滑移。

3.2 排氣歧管的流場分析

將模型導(dǎo)入ANSYS中進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并導(dǎo)入FLUENT進(jìn)行初始條件和邊界條件的設(shè)置，然后進(jìn)行迭代計算，得出排氣歧管的壓力云圖和流速矢量圖。

圖5 排氣歧管的壓力云圖

由圖5的壓力云圖可得，排氣歧管的進(jìn)口處壓力值比較大且在彎管的背部由于氣流的沖擊，流體作用在彎管外側(cè)的壓力比彎管內(nèi)側(cè)大，最大壓力為2．51e+05Pa。此外，2和3號排氣歧管相比于1和4號排氣歧管彎管的曲率半徑大，壓力分布相對均勻。

圖6 排氣歧管的流速矢量圖

從圖6的流速矢量圖可以看出，流體在到達(dá)管道彎曲處流速變小，速度值為1．74e+02m/s,且彎管外側(cè)流體流速比彎管內(nèi)側(cè)流體流速低。當(dāng)流體到達(dá)四根排氣歧管匯合處時，管道的彎曲度最大，流體流速也處于最低狀態(tài)。

3.3 排氣總管的流場分析

廢氣從排氣歧管流出經(jīng)集合器匯合到排氣總管，排氣總管的設(shè)計應(yīng)在不與車身、車架發(fā)生干涉，且與駕駛員保持安全距離的情況下保證排氣通暢。由FLUENT分析得排氣總管的壓力云圖以及流速矢量圖如圖7。

由圖7的壓力云圖可得，排氣總管兩道彎曲處的外側(cè)流體壓力最大，壓力值為1．12e+05Pa；而在兩次彎曲處的內(nèi)側(cè)流體壓力最小，壓力值為8．92e+04Pa；流體在排氣管的直管部分壓力分布相對均勻。

由圖8可知，排氣總管的進(jìn)口處以及彎管內(nèi)側(cè)流體的流速較大，最高為2．03e+02m/s,排氣總管的彎管外側(cè)流速相對較小，值為7．09e+01m/s，其余各處流速分布相對均勻。

3.4 結(jié)果分析

圖7 排氣總管的壓力云圖

圖8 排氣總管的流速云圖

綜合排氣歧管和排氣總管的流場分析，流體在彎道處的外側(cè)壓力比內(nèi)側(cè)壓力高，而內(nèi)側(cè)流體的流速比外側(cè)流體流速大，且曲率半徑大的彎管流體壓力與流體流速的分布更均勻。因此，為了使流體在管道內(nèi)的壓力和流速分布更均勻，廢氣排放更順暢，排氣管道的設(shè)計應(yīng)適當(dāng)?shù)卦龃笈艢夤艿那拾霃角疫m當(dāng)減小排氣管的彎角大小，盡可能避免直角彎道的形式。

4 結(jié)語

本文基于FSC大賽規(guī)則，以CBR600發(fā)動機為實驗平臺，對其排氣管道進(jìn)行設(shè)計分析，通過對比分析得出合適的布置方案，利用FLUENT軟件對排氣歧管和排氣總管進(jìn)行仿真計算。通過對比分析，得出排氣管道的設(shè)計應(yīng)適當(dāng)?shù)卦龃笈艢夤艿那拾霃角疫m當(dāng)減小排氣管的彎角大小，盡可能避免直角彎道的形式的結(jié)論，從而得出優(yōu)化排氣系統(tǒng)的改進(jìn)方法。

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