吳仁杰，宋志堯

（200093 上海市 上海理工大學(xué)）

0 引言

中國大學(xué)生方程式汽車大賽(簡稱“ 中國FSAE”)是由高等院校汽車工程或車輛相關(guān)專業(yè)的在校學(xué)生組隊(duì)參加汽車設(shè)計(jì)與制造的一項(xiàng)比賽。大賽要求該團(tuán)隊(duì)在嚴(yán)格的規(guī)定下設(shè)計(jì)出一輛可以作為生產(chǎn)項(xiàng)目的汽車[1]。

進(jìn)氣系統(tǒng)是發(fā)動機(jī)的重要組成部分，它的布置形式和結(jié)構(gòu)參數(shù)將會影響穩(wěn)壓腔內(nèi)部氣流的流動形態(tài)和進(jìn)入發(fā)動機(jī)4 個(gè)進(jìn)氣道里的進(jìn)氣量，從而影響進(jìn)氣系統(tǒng)的充氣效率，進(jìn)而影響發(fā)動機(jī)動力,王海剛等人對內(nèi)燃機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)進(jìn)行流場分析[2]。

就發(fā)動機(jī)而言,大賽要求其排量不得高于600 mL,且總進(jìn)氣均需通過一個(gè)直徑為20 mm 的限流閥。限流閥的存在使得原發(fā)動機(jī)的進(jìn)氣量減少,影響了其動力性與穩(wěn)定性,因此,國內(nèi)外出現(xiàn)了很多針對方程式賽車發(fā)動機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)的研究；彭才望[3]通過分析限流閥進(jìn)出口錐角的角度,確定了最佳限流閥模型；龐圣桐[4]等以LD450 單缸發(fā)動機(jī)為載體,通過GT-Power 軟件對發(fā)動機(jī)進(jìn)氣管長度和穩(wěn)壓腔容積進(jìn)行了優(yōu)化；劉敏章[5]等通過Fluent 軟件對穩(wěn)壓腔和進(jìn)氣歧管進(jìn)行分析,指出壓力與速度在流動過程中損失的主要部位,并據(jù)此對進(jìn)氣系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化。

本文結(jié)合當(dāng)前方程式的實(shí)際情況，參考各個(gè)參賽大學(xué)優(yōu)秀的設(shè)計(jì)和借鑒往年賽車的進(jìn)氣系統(tǒng)去設(shè)計(jì)一套完整全新的進(jìn)氣系統(tǒng)，并且采用有限元軟件Fluent 進(jìn)行對比分析，從而達(dá)到減少進(jìn)氣系統(tǒng)質(zhì)量、提高進(jìn)氣系統(tǒng)充氣效率的目的。

1 進(jìn)氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案分析

1.1 節(jié)氣門體和發(fā)動機(jī)的選擇

本文節(jié)氣門體選用28 mm 直徑的蝶式節(jié)氣門體，因?yàn)槠漤憫?yīng)迅速，傳感器信號穩(wěn)定，所以一直采用此節(jié)氣門體。發(fā)動機(jī)選用本田CBR600RR型號的發(fā)動機(jī)，其具體參數(shù)如表1 所示。因?yàn)閺慕鼛啄甏筚惖内厔輥砜?，四缸機(jī)的優(yōu)勢要明顯高于單缸機(jī)，再加上擁有使用四缸機(jī)的經(jīng)驗(yàn)，所以選擇繼續(xù)使用它。

表1 CBR600RR 發(fā)動機(jī)參數(shù)表Tab.1 Parameters of CBR600RR engine

本文進(jìn)氣系統(tǒng)廢除了側(cè)向進(jìn)氣的方案，雖然側(cè)向進(jìn)氣系統(tǒng)(如圖1 所示)便于在賽車上布置，但是通過流體分析可以看出發(fā)動機(jī)各缸進(jìn)氣有明顯的不均勻，發(fā)動機(jī)的二缸和四缸進(jìn)氣歧管質(zhì)量流量明顯少于一缸和三缸，這個(gè)對于發(fā)動機(jī)輸出扭矩的影響是很大的，因?yàn)檫@樣不僅會使發(fā)動機(jī)的整體扭矩降低，同時(shí)，發(fā)動機(jī)輸出扭矩的平順性也會有明顯的下降，有可能會出現(xiàn)發(fā)動機(jī)在某一工況下扭矩持續(xù)波動的現(xiàn)象。因此針對這種進(jìn)氣缺陷，本文的進(jìn)氣系統(tǒng)采用了中間進(jìn)氣(如圖2 所示)的進(jìn)氣類型，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行結(jié)構(gòu)數(shù)優(yōu)化，以實(shí)現(xiàn)各缸的進(jìn)氣均勻度和提高發(fā)動機(jī)的充氣效率。

圖1 側(cè)向進(jìn)氣Fig.1 Lateral inlet

圖2 中間進(jìn)氣Fig.2 Middle inlet

1.2 進(jìn)氣歧管長度的計(jì)算

由于進(jìn)氣歧管的主要作用是將穩(wěn)壓腔中的空氣分配到發(fā)動機(jī)的各個(gè)缸中，而且設(shè)計(jì)歧管長度時(shí)，利用其長度與進(jìn)氣動態(tài)效應(yīng)之間的關(guān)系可以增加進(jìn)氣沖程的進(jìn)氣量

如何調(diào)整進(jìn)氣歧管的長度主要取決于穩(wěn)壓腔的體積，如果穩(wěn)壓腔的體積比較大，可以將穩(wěn)壓腔視為與大氣相通的開口來計(jì)算歧管長度。

活塞下行產(chǎn)生的負(fù)壓波傳至節(jié)氣門開口端后變?yōu)檎龎翰ǚ瓷浠貋?，返回的時(shí)間為

式中：c——壓力波在管內(nèi)的傳播速度，其大小等于音速。

該壓力波往返的周期應(yīng)盡可能與進(jìn)氣門開啟的時(shí)間相同。

進(jìn)氣門在某一轉(zhuǎn)速下開啟的時(shí)間為

式中：n——轉(zhuǎn)速；θintakevalveopeningperiod——節(jié)氣門開度。

由此可以得出

根據(jù)CBR600RR 發(fā)動機(jī)高轉(zhuǎn)速動力強(qiáng)的特點(diǎn)，以及實(shí)際比賽中發(fā)動機(jī)經(jīng)常使用的轉(zhuǎn)速區(qū)間，選取n=8 000 r/min 為計(jì)算轉(zhuǎn)速。

CBR600RR 發(fā)動機(jī)進(jìn)氣門早開角為21°，進(jìn)氣門晚關(guān)角為44°，故進(jìn)氣門總的開啟周期所對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角為

代入式（3）求得進(jìn)氣管總長度L=0.86 m。

CBR600RR 發(fā)動機(jī)進(jìn)氣道長度為94 mm，噴油底座長度為68 mm。大賽規(guī)則限制進(jìn)氣總管不能太長，從節(jié)氣門開口到進(jìn)氣歧管進(jìn)口之間距離暫定550 mm。可求得進(jìn)氣歧管長度為148 mm。

穩(wěn)壓腔的體積由經(jīng)驗(yàn)一般取3～8 倍的發(fā)動機(jī)排量，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)穩(wěn)壓腔的容積3 L 左右充氣效率最佳[6]。根據(jù)上面計(jì)算的進(jìn)氣歧管長度148 mm，排氣總管1.2 m，以20 mm 為一個(gè)跨度，分析穩(wěn)壓腔取3 L，排氣總管取1.2 m，當(dāng)進(jìn)氣歧管分別取128，148，168 mm 時(shí)，發(fā)動機(jī)輸出扭矩的變化結(jié)果依次如圖3 所示。

圖3 發(fā)動機(jī)輸出扭矩變化圖Fig.3 Diagram of engine output torque variation

由圖4 三份數(shù)據(jù)可知，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速在5 000 r/min以上時(shí)，進(jìn)氣歧管為148 mm 發(fā)動機(jī)輸出扭矩要比歧管長度取128 mm 和168 mm 時(shí)的扭矩普遍高一些，因此，進(jìn)氣歧管長度確定為148 mm。

1.3 進(jìn)氣系統(tǒng)穩(wěn)壓腔容積計(jì)算

如果穩(wěn)壓腔體積取得太小，穩(wěn)壓腔對進(jìn)氣系統(tǒng)中壓力波的緩和能力就有限，但是如果穩(wěn)壓腔體積取得過大，加速時(shí)空氣充滿穩(wěn)壓腔所需要的時(shí)間就會變長，就會產(chǎn)生油門遲滯現(xiàn)象。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，穩(wěn)壓腔體積取3～8 倍發(fā)動機(jī)排量，因此，分別分析穩(wěn)壓腔體積取2，3，4 L 時(shí)，發(fā)動機(jī)輸出扭矩的變化，如圖4 所示。

分析結(jié)果可以看出，穩(wěn)壓腔體積對發(fā)動機(jī)輸出扭矩影響也不大，但3 L 穩(wěn)壓腔與2 L 和4 L穩(wěn)壓腔相比，發(fā)動機(jī)5 000 r/min 以后扭矩略顯大些，故確定穩(wěn)壓腔體積為3 L。

1.4 數(shù)模圖確定

由于進(jìn)氣歧管長度和大賽對進(jìn)氣系統(tǒng)規(guī)則的限制，進(jìn)氣歧管若全部采用彎管，那么進(jìn)氣系統(tǒng)會超出規(guī)則限制的區(qū)域，所以，進(jìn)氣歧管采用全部直管的方案，這樣，可以為之后布置節(jié)氣門體和空氣濾清器保留足夠的空間。確定的進(jìn)氣方案如圖5 所示。

圖5 改進(jìn)的進(jìn)氣系統(tǒng)Fig.5 Improved intake system

2 用Fluent 有限元分析軟件分析進(jìn)氣系統(tǒng)

2.1 進(jìn)氣口流場分析

大賽規(guī)則要求在進(jìn)氣總管處加一個(gè)20 mm 的限流閥，用來限制發(fā)動機(jī)的最大進(jìn)氣量，從而限制發(fā)動機(jī)的最大功率。限流閥前端開口起到組織氣流的作用，合適的開口錐角能有效組織氣流，從而減小進(jìn)氣口處的紊流，減少進(jìn)氣阻力，將限流閥對進(jìn)氣的限制作用減少到最小，因此限流閥前端錐形管的設(shè)計(jì)很重要。通過經(jīng)驗(yàn)可先初步選定此錐形管的錐角為16°，通過Fluent進(jìn)行流體分析，分別分析錐角取14°，16°，18°時(shí)，限流閥出口端的質(zhì)量流量。分析結(jié)果如圖6 所示。

圖6 限流閥前端錐角選取Fig.6 Selection of front cone angle of flow limiting valve

由分析結(jié)果可以看出，限流閥前端錐管錐角取14°時(shí)，出口質(zhì)量流量為1.474 26 kg/s；錐角取16°時(shí)，出口質(zhì)量流量為1.428 43 kg/s；錐角取18°時(shí)，出口質(zhì)量流量為1.501 32 kg/s。所以最終決定采用18°錐角設(shè)計(jì)。

2.2 總管擴(kuò)散器的流場分析

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，初步選定擴(kuò)散器的錐角為6°，并利用Fluent 分析擴(kuò)散器錐角取5°，6°，7°時(shí)，其內(nèi)部壓力和出口端氣流質(zhì)量流量的變化。分析結(jié)果如圖7 所示。

圖7 擴(kuò)散器錐角選取Fig.7 Selection of diffuser cone angle

由分析結(jié)果可以得出，擴(kuò)散器采用5°錐角時(shí)，出口質(zhì)量流量為0.710 043 kg/s；擴(kuò)散器采用6°錐角時(shí)，出口質(zhì)量流量為0.663 884 kg/s；擴(kuò)散器采用7°錐角時(shí)，出口質(zhì)量流量為0.751 523 kg/s，所以，選用7°擴(kuò)散器錐角作為最終方案。

2.3 穩(wěn)壓腔與進(jìn)氣歧管的流場分析

穩(wěn)壓腔內(nèi)部氣流的運(yùn)動主要與穩(wěn)壓腔形狀和進(jìn)氣總管出口端到穩(wěn)壓腔之間過渡處的管的形狀有關(guān)，可以通過改變以上兩處的形狀來調(diào)節(jié)穩(wěn)壓腔的內(nèi)部氣流的運(yùn)動。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，穩(wěn)壓腔采用圓柱體可以很好地實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓腔內(nèi)部壓力的均勻，下面分析由進(jìn)氣總管直接進(jìn)入穩(wěn)壓腔和在進(jìn)氣總管出口端與穩(wěn)壓腔之間設(shè)置過渡區(qū)兩種方案對穩(wěn)壓腔內(nèi)部氣流運(yùn)動的影響。兩種方案的進(jìn)氣系統(tǒng)三維模型和相應(yīng)的采用Fluent 軟件分析得到的兩種穩(wěn)壓腔內(nèi)部流速如圖8 所示。

圖8 2 種方案進(jìn)氣系統(tǒng)Fig.8 Two schemes of intake system

由以上分析結(jié)果對比可知，在擴(kuò)散器出口端與穩(wěn)壓腔之間設(shè)置過渡管可有效地組織穩(wěn)壓腔內(nèi)部氣流運(yùn)動，減少氣流沖擊壁面造成穩(wěn)壓腔內(nèi)部氣流紊亂的現(xiàn)象，故采用方案2。

2.4 進(jìn)氣歧管出口流量分析

進(jìn)氣歧管是進(jìn)氣系統(tǒng)的末端，4 個(gè)進(jìn)氣歧管出口端的空氣質(zhì)量流量最終決定了進(jìn)入發(fā)動機(jī)各缸的進(jìn)氣量是否真正均勻，如果某個(gè)進(jìn)氣歧管出口端空氣質(zhì)量流量相比其他3 個(gè)歧管較少，則可以通過改變歧管內(nèi)徑尺寸來進(jìn)行調(diào)整。初始進(jìn)氣模型4 個(gè)歧管管徑均相同，大小為直徑40 mm，通過Fluent 分析各個(gè)歧管內(nèi)流速線圖結(jié)果可以看出，采用4 個(gè)內(nèi)徑相同的進(jìn)氣歧管，2 缸和4 缸的歧管內(nèi)空氣流量和其余2 個(gè)缸的歧管相比顯得少了一些，因此，將2 缸和4 缸的進(jìn)氣歧管內(nèi)徑設(shè)計(jì)得大一些，改為42 mm。修改后繼續(xù)用Fluent 軟件進(jìn)行分析，將其分析的結(jié)果與已有的進(jìn)氣系統(tǒng)進(jìn)行對比，如圖9 所示。

圖9 2 種版本進(jìn)氣流速分析圖Fig.9 Two versions of intake flow rate analysis chart

綜上所述，我們發(fā)現(xiàn)改進(jìn)版本的進(jìn)氣系統(tǒng)的充氣效率與已有版本相比得到了明顯提升，這也達(dá)到了我們預(yù)期的目的。

3 結(jié)語

本文主要對進(jìn)氣系統(tǒng)進(jìn)行布置，優(yōu)化確定了進(jìn)氣系統(tǒng)的歧管的參數(shù)和穩(wěn)壓腔容積的參數(shù)，采用有限元軟件流體分析對設(shè)計(jì)好的全新的進(jìn)氣系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析，通過對比已有的分析結(jié)果來不斷優(yōu)化全新進(jìn)氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)?？傊驹O(shè)計(jì)著重考慮減輕進(jìn)氣系統(tǒng)的整體質(zhì)量，提高進(jìn)氣系統(tǒng)的充氣效率，利用動態(tài)效應(yīng)以及接合有限元軟件進(jìn)行分析，為日后制造新的進(jìn)氣系統(tǒng)提供參考。