韓佳偉， 賈振東， 肖 森,2*， 張小俊,2， 景國(guó)璽,2， 朱天際

(1.河北工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院， 天津 300401； 2.河北工業(yè)大學(xué)天津市新能源汽車動(dòng)力傳動(dòng)與安全技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 天津 300401； 3.天津大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院， 天津 300071)

大學(xué)生方程式汽車大賽(Formula Society of Automotive Engineers, FSAE)是一項(xiàng)由汽車工程學(xué)會(huì)組織的，由在校學(xué)生組成高校代表隊(duì)參加的一項(xiàng)整車設(shè)計(jì)及制造的賽事。FSAE可從工程角度訓(xùn)練學(xué)生對(duì)一輛車進(jìn)行設(shè)計(jì)創(chuàng)新，鍛煉實(shí)車制造經(jīng)驗(yàn)。此類賽事已經(jīng)成為培養(yǎng)中國(guó)汽車領(lǐng)域?qū)I(yè)人才的優(yōu)異平臺(tái)。由于賽事所設(shè)計(jì)賽道的緊湊多彎，賽車出彎加速過程中的動(dòng)力性成為比賽成績(jī)的決定性因素之一，其中發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)中的進(jìn)氣系統(tǒng)會(huì)較大程度的影響整車的動(dòng)力性能，從而決定整支隊(duì)伍的設(shè)計(jì)水平和比賽成績(jī)。

隨著整車設(shè)計(jì)水平的提高，目前絕大多數(shù)車隊(duì)在進(jìn)氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化時(shí)，均開展了基于臺(tái)架試驗(yàn)的發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的數(shù)值仿真。洪漢池等[1]基于FSAE賽車進(jìn)氣系統(tǒng)的諧振效應(yīng)開展了計(jì)算機(jī)仿真設(shè)計(jì)研究，其進(jìn)氣歧管部分缺少變量控制進(jìn)行仿真數(shù)據(jù)的比對(duì)。劉博夫[2]進(jìn)行了針對(duì)FSAE賽車進(jìn)氣系統(tǒng)的仿真研究，但并未控制進(jìn)氣歧管半徑為單一變量。黃美鵬[3]也針對(duì)FSAE動(dòng)力系統(tǒng)展開了較為深入并全面的探討，但在進(jìn)氣歧管設(shè)計(jì)的討論中缺少系統(tǒng)的理論分析。

發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)提升方面的研究，文獻(xiàn)[4-5]對(duì)進(jìn)氣系統(tǒng)的布置進(jìn)行了大量的仿真及實(shí)驗(yàn)研究，表明合理的設(shè)計(jì)進(jìn)氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，可以提高特定工況下的功率。文獻(xiàn)[6-9]采用了同樣的進(jìn)氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，進(jìn)而提升發(fā)動(dòng)機(jī)充氣效率。但在眾多基于FSAE賽車進(jìn)氣系統(tǒng)的研究中，在構(gòu)建的GT-Power模型進(jìn)氣系統(tǒng)時(shí)，均直接構(gòu)建一維模型。由于缺乏理論支撐，可能會(huì)導(dǎo)致模型準(zhǔn)確度降低，并且搭建模型的過程相對(duì)費(fèi)時(shí)。由于整車設(shè)計(jì)開發(fā)的時(shí)間緊張，可能會(huì)影響后續(xù)的進(jìn)氣均勻度優(yōu)化。并且以往多數(shù)研究并沒有進(jìn)行進(jìn)氣歧管內(nèi)徑對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力的影響研究。

基于以上背景分析，運(yùn)用進(jìn)氣系統(tǒng)的三維模型導(dǎo)入GEM3D進(jìn)行離散化，建立GT-Power一維仿真模型，通過仿真模型優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)氣系統(tǒng)，同時(shí)在后續(xù)過程中結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)與仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，提高仿真模型準(zhǔn)確度并進(jìn)行驗(yàn)證。以期利用FSAE平臺(tái)對(duì)于進(jìn)氣歧管進(jìn)行研究分析，并將其發(fā)展推廣到乘用車以及其他賽車的進(jìn)氣系統(tǒng)開發(fā)過程中。

1 方法與材料

1.1 進(jìn)氣系統(tǒng)簡(jiǎn)介

由于受到賽規(guī)限制，大學(xué)生方程式賽車的進(jìn)氣系統(tǒng)可分為限流閥、穩(wěn)壓腔、進(jìn)氣歧管和噴油底座如圖1所示。

圖1 進(jìn)氣系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of intake system

FSAE進(jìn)氣系統(tǒng)與傳統(tǒng)乘用車進(jìn)氣系統(tǒng)存在較大區(qū)別。主要原因是中國(guó)大學(xué)生方程式汽車大賽規(guī)定必須在進(jìn)氣系統(tǒng)中安裝一個(gè)圓環(huán)形的最大直徑20 mm的限流閥。因此，進(jìn)氣系統(tǒng)后續(xù)穩(wěn)壓腔、進(jìn)氣歧管等的設(shè)計(jì)開發(fā)，成為整車動(dòng)力總成開發(fā)過程中的重要因素。

1.2 仿真環(huán)境

隨著計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的發(fā)展，越來(lái)越多的學(xué)者開始將計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)引入研究過程中。大學(xué)生方程式的設(shè)計(jì)中，由于缺少試驗(yàn)條件以及提高研究效率等方面的限制和需求，整車的設(shè)計(jì)中使用計(jì)算機(jī)仿真可以大大縮減設(shè)計(jì)周期。由于中國(guó)賽車行業(yè)發(fā)展較晚，目前賽車動(dòng)力開發(fā)方面的研究局限性較大，間接地限制了中國(guó)賽車成績(jī)的發(fā)展與持續(xù)推進(jìn)。因此，通過開展FSAE賽車進(jìn)氣系統(tǒng)方面的相關(guān)研究，對(duì)于推進(jìn)中國(guó)賽車市場(chǎng)有積極作用。

首先針對(duì)進(jìn)氣系統(tǒng)前端限流閥部分利用計(jì)算流體力學(xué)(computational fluid mechanics, CFD)軟件進(jìn)行流體分析后，針對(duì)穩(wěn)壓腔與進(jìn)氣歧管，運(yùn)用GT-Power構(gòu)建發(fā)動(dòng)機(jī)模型，利用一維非定常流體流動(dòng)的計(jì)算模型進(jìn)一步研究諧振進(jìn)氣歧管對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響。在理想狀態(tài)下，可以假設(shè)流體無(wú)黏性，其流動(dòng)過程中的摩擦用摩擦系數(shù)進(jìn)行估算。整個(gè)仿真過程如圖2所示。

現(xiàn)將管道軸向設(shè)為x，過程時(shí)間為t，根據(jù)守恒定律，可得到以下方程。

連續(xù)方程：

(1)

式(1)中：ρ為氣體密度；c為進(jìn)口截面的流體流速；S為管截面積。

動(dòng)量方程：

(2)

式(2)中：f為摩擦系數(shù)；D為管道當(dāng)量直徑。

圖2 仿真計(jì)算流程圖Fig.2 Flow chart of simulation calculation

小擾動(dòng)時(shí)的音速為

(3)

式(3)中：k為湍動(dòng)能；p為氣體壓力。

能量方程：

(4)

式(4)中：q為外界傳入微元體中的熱量傳熱率。

1.3 進(jìn)氣系統(tǒng)理論分析

1.3.1 進(jìn)氣道增壓理論

對(duì)自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)，通過增大進(jìn)氣效率與增大壓強(qiáng)差來(lái)改變進(jìn)氣效果進(jìn)而提高其動(dòng)力性能是一種比較簡(jiǎn)便的思路。發(fā)動(dòng)機(jī)在正常工作情況下，進(jìn)氣門關(guān)閉時(shí)會(huì)向外界發(fā)射負(fù)壓波，并在進(jìn)氣前端反射。反射波與入射波傳播方向相反，稱為正壓波，而正壓波在回到閉合氣門時(shí)其又會(huì)發(fā)生反射，又變?yōu)樨?fù)壓波。壓力波在進(jìn)氣道內(nèi)來(lái)回振動(dòng)，當(dāng)正壓波與進(jìn)氣過程重合時(shí)，就達(dá)到了“增壓”的目的，進(jìn)而被動(dòng)提高進(jìn)氣量，這種效應(yīng)稱為諧振效應(yīng)[10-11]。

進(jìn)氣歧管對(duì)諧振效應(yīng)起到至關(guān)重要的作用[11]，選擇合適的進(jìn)氣歧管長(zhǎng)度與內(nèi)徑，理論上就是利用諧振效應(yīng)來(lái)提高發(fā)動(dòng)機(jī)的充氣效率，進(jìn)而提高發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率。

1.3.2 進(jìn)氣道長(zhǎng)度理論計(jì)算

在進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣歧管設(shè)計(jì)時(shí)，首先需要參考一系列的理論公式開展理論計(jì)算，設(shè)計(jì)一套初步的進(jìn)氣系統(tǒng)?；诖诉M(jìn)氣系統(tǒng)進(jìn)行后續(xù)計(jì)算機(jī)仿真。

進(jìn)氣系統(tǒng)內(nèi)壓力波的固有頻率為[2]

(5)

式(5)中：v為進(jìn)氣管內(nèi)氣體的聲速；L為進(jìn)氣管當(dāng)量長(zhǎng)度。

當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為n時(shí)，進(jìn)氣頻率為

(6)

所以，波動(dòng)效應(yīng)的次數(shù)為

(7)

當(dāng)qb=1,2,3,…時(shí)，表明波動(dòng)效應(yīng)與進(jìn)氣同步，此時(shí)循環(huán)運(yùn)動(dòng)的氣門在開啟時(shí)與負(fù)壓力波呈重合狀態(tài)，不利于加速進(jìn)氣與提升充氣效率；當(dāng)qb=1.5，2.5，3.5，…時(shí)，下一個(gè)循環(huán)的氣門開啟時(shí)恰好與正壓力波重合疊加，利于加速進(jìn)氣與充氣效率[2,12-13]。因此可得L計(jì)算公式為

(8)

參考往年的大學(xué)生方程式比賽數(shù)據(jù)，目標(biāo)峰值扭矩一般出現(xiàn)在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為9 000 r/min附近。在最終理論公式中，代入合適的qb可以得到幾組進(jìn)氣道長(zhǎng)度。由于發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部以及噴油底座部分各包含一部分進(jìn)氣道，故將所得結(jié)果減去其他部分長(zhǎng)度即可得到幾組經(jīng)過理論計(jì)算的進(jìn)氣管長(zhǎng)度。而理論計(jì)算的進(jìn)氣歧管長(zhǎng)度將作為后續(xù)仿真研究的基礎(chǔ)。

通過理論計(jì)算得到的進(jìn)氣歧管長(zhǎng)度分別為207、148、137、129、115、103、93 mm。在保持其他進(jìn)氣結(jié)構(gòu)不變的情況下選用不同長(zhǎng)度的進(jìn)氣歧管，導(dǎo)入GT-Power中進(jìn)行離散化以及仿真分析。

2 GT-Power模型搭建與仿真結(jié)果

為保證仿真計(jì)算的準(zhǔn)確性，仿真GT-ISE構(gòu)建的為一維模型?，F(xiàn)將CATIA繪制出的進(jìn)氣系統(tǒng)三維模型運(yùn)用GEM3D離散化為一維模型并導(dǎo)入GT-ISE。進(jìn)氣系統(tǒng)的一維模型如圖3所示。

由于離散化后仍缺少發(fā)動(dòng)機(jī)部分的一維模型，參考公開資料所給出的發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)據(jù)建立模型(表1)，并且將其與進(jìn)氣、排氣系統(tǒng)的模型進(jìn)行整合。

圖3 進(jìn)氣系統(tǒng)離散化模型Fig.3 Discrete model of intake system

表1 CBR600RR參數(shù)Table 1 Parameters of CBR600RR

建模過程中，結(jié)合已有文獻(xiàn)研究，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的部分模型進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化，如將空氣濾清器視為帶有摩擦系數(shù)的管道等[14]。同時(shí)考慮到排氣部分的影響，在本研究中，均采用原廠排氣數(shù)據(jù)進(jìn)行模型的構(gòu)建。最終在GT-Power中構(gòu)建而成的計(jì)算機(jī)仿真模型如圖4所示。

圖4 GT-Power發(fā)動(dòng)機(jī)模型Fig.4 GT-Power engine model

2.1 進(jìn)氣歧管長(zhǎng)度對(duì)于扭矩影響的研究

模型運(yùn)行時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速運(yùn)行區(qū)間為2 500～12 000 r/min。研究以500 r/min為間隔設(shè)置20組數(shù)據(jù)采樣點(diǎn)。最終通過軟件的仿真得到發(fā)動(dòng)機(jī)的多種性能特征信息，如功率曲線、扭矩曲線、缸壓曲線等(圖5)。

圖5 發(fā)動(dòng)機(jī)外特性曲線示意圖(仿真)Fig.5 Schematic diagram of engine external characteristic curve (simulation)

考慮到大學(xué)生方程式賽道的布局具有短小多彎的特點(diǎn)。要求賽車具有更好的機(jī)動(dòng)性和更優(yōu)異的加速性能。因此，發(fā)動(dòng)機(jī)優(yōu)化的主要方向是提高輸出扭矩。通過設(shè)置理論計(jì)算得到的不同組進(jìn)氣歧管長(zhǎng)度為優(yōu)化起始值，同時(shí)考慮到電子控制單元(electronic control unit, ECU)控制而將發(fā)動(dòng)機(jī)最高轉(zhuǎn)速限制在12 000 r/min，在經(jīng)過多次仿真迭代后得到仿真結(jié)果，如圖6所示。

圖6 不同進(jìn)氣歧管長(zhǎng)度對(duì)扭矩的影響Fig.6 Effects of different intake manifold lengths on torque

研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在2 000～6 000 r/min區(qū)間時(shí)，進(jìn)氣歧管長(zhǎng)度的變化對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩的影響較小，不同長(zhǎng)度的進(jìn)氣歧管對(duì)應(yīng)的發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩基本維持不變。當(dāng)歧管長(zhǎng)度為207 mm時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)擁有較好的中等轉(zhuǎn)速扭矩，且峰值扭矩達(dá)到了59 N·m，但此長(zhǎng)度的進(jìn)氣歧管在高轉(zhuǎn)時(shí)扭矩下落明顯，并且歧管長(zhǎng)度太長(zhǎng)，嚴(yán)重影響實(shí)車布置的方便快捷性。其余長(zhǎng)度的進(jìn)氣歧管在中轉(zhuǎn)速與高轉(zhuǎn)速情況下的扭矩相差不大。特別的，當(dāng)進(jìn)氣歧管長(zhǎng)度為137 mm時(shí)，扭矩曲線隨發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的變化較為平緩，更為線性，便于車手駕駛操控。

另外，隨著進(jìn)氣歧管的長(zhǎng)度增加，發(fā)動(dòng)機(jī)峰值扭矩出現(xiàn)向低轉(zhuǎn)速發(fā)展的趨勢(shì)。進(jìn)氣歧管長(zhǎng)度從93 mm變?yōu)?07 mm的過程中，發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)峰值扭矩時(shí)的轉(zhuǎn)速也從10 000 r/min變?yōu)? 000 r/min。

考慮到賽規(guī)限制以及實(shí)車布置問題，綜合考慮賽車的動(dòng)態(tài)性能，最終確定進(jìn)氣歧管長(zhǎng)度為137 mm。

2.2 進(jìn)氣歧管半徑對(duì)扭矩的影響

進(jìn)氣歧管半徑設(shè)計(jì)需要考慮噴油底座尺寸與發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道半徑。初步選擇將進(jìn)氣歧管半徑定為44 mm進(jìn)行對(duì)比分析?？紤]不同進(jìn)氣歧管半徑對(duì)進(jìn)氣系統(tǒng)安裝的影響，設(shè)置不同組別的進(jìn)氣歧管半徑進(jìn)行分析，分別選取進(jìn)氣歧管半徑為40、42、44、46、48 mm。仿真結(jié)果所得扭矩?cái)?shù)據(jù)如圖7所示。

圖7 不同進(jìn)氣歧管半徑對(duì)扭矩的影響Fig.7 Effects of different intake manifold inner diameters on torque

分析可知，除去管徑40 mm時(shí)，扭矩存在明顯的降低。當(dāng)進(jìn)氣歧管內(nèi)徑增大后，扭矩曲線會(huì)有變大的趨勢(shì)，并且扭矩曲線在高轉(zhuǎn)時(shí)，變換較平緩。這是因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)的沿程損失與進(jìn)氣歧管的內(nèi)徑成反比，管徑越小，沿程損失也就越大，發(fā)動(dòng)機(jī)充量系數(shù)也就會(huì)降低，進(jìn)而造成發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩下降。

在管徑分別為42、44、46 mm時(shí)，扭矩仿真結(jié)果之間相差不大，曲線基本重合。特別地，在管徑為48 mm時(shí)，扭矩增大趨勢(shì)較為明顯。特別是在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為9 500 r/min時(shí)，出現(xiàn)峰值扭矩，且在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為8 000～10 000 r/min，扭矩整體變化相對(duì)平緩。

同時(shí)，考慮到發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)的布置還受到車架等因素的影響，并且不同直徑的進(jìn)氣歧管安裝難易程度以及可操作性的不同，最終選取進(jìn)氣歧管的管徑為48 mm。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證及結(jié)果討論

理論計(jì)算結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)模擬仿真，最終確定進(jìn)氣歧管長(zhǎng)度為137 mm、管徑為48 mm。并且，為了驗(yàn)證計(jì)算機(jī)構(gòu)建模型的準(zhǔn)確性，開展了發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)。在試驗(yàn)過程中，為了方便發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣的排出，使用了原廠排氣歧管進(jìn)行了臺(tái)架試驗(yàn)，試驗(yàn)布置如圖8所示。

圖8 臺(tái)架試驗(yàn)實(shí)物圖Fig.8 Physical drawing of bench test

特別地，在發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)過程中，特別注意觀察發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，例如機(jī)油壓力、燃油壓力、水溫等。標(biāo)定結(jié)束后，對(duì)標(biāo)定所得試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行合理地篩選，去除奇異值，最終繪制出發(fā)動(dòng)機(jī)外特性曲線。

圖9 發(fā)動(dòng)機(jī)外特性曲線與仿真結(jié)果對(duì)比Fig.9 Comparison of engine external characteristic curve and simulation results

為了直觀對(duì)比，將計(jì)算機(jī)仿真得到的外特性曲線與臺(tái)架試驗(yàn)得到的外特性曲線繪制在同一張圖中，如圖9所示。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，仿真得到的數(shù)據(jù)與臺(tái)架試驗(yàn)得到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)最大扭矩差值在8%以內(nèi)，且整體變化趨勢(shì)一致。結(jié)果證明，研究構(gòu)建的數(shù)值仿真模型準(zhǔn)確具有良好逼真度。其中，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)處于高轉(zhuǎn)區(qū)間內(nèi)，仿真與實(shí)驗(yàn)誤差略大。這是由于包括高轉(zhuǎn)時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油黏度、氣門間隙等多種綜合因素導(dǎo)致的。

仿真與試驗(yàn)的對(duì)比誤差控制在8%以內(nèi)，符合工程條件要求。因此，通過三維模型導(dǎo)入離散化為一維模型，可以省去模型構(gòu)建的時(shí)間。同時(shí)，本研究也存在一定的局限性。后續(xù)研究中，應(yīng)針對(duì)不同穩(wěn)壓腔的容積、進(jìn)氣歧管形狀[15]，進(jìn)行更加全面的研究，以進(jìn)一步優(yōu)化進(jìn)氣系統(tǒng)。

4 結(jié)論

對(duì)進(jìn)氣歧管的長(zhǎng)度與內(nèi)徑對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性的影響開展分析，得到以下結(jié)論。

(1)基于FSAE賽車的進(jìn)氣系統(tǒng)，運(yùn)用GEM3D將其三維模型直接離散化為仿真模型，獲得了進(jìn)氣歧管長(zhǎng)度與半徑對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性的影響趨勢(shì)的數(shù)字模型。

(2)隨著進(jìn)氣歧管長(zhǎng)度在一定范圍內(nèi)的增加，發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩變化較小，且峰值扭矩向低轉(zhuǎn)速區(qū)間移動(dòng)；隨著進(jìn)氣歧管管徑的變大，發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩升高。

(3)通過仿真數(shù)據(jù)與發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比，證明研究所構(gòu)建仿真模型良好，滿足使用條件。

(4)為了節(jié)省后續(xù)研究中的不同模型搭建，可使用三維模型離散化來(lái)縮短仿真模型的構(gòu)建時(shí)間。

(5)綜合考慮各方面因素，針對(duì)方程式賽車的特定發(fā)動(dòng)機(jī)選擇進(jìn)氣歧管長(zhǎng)度為137 mm，內(nèi)徑48 mm。