A方程式賽車發(fā)動機進氣系統(tǒng)設(shè)計與分析

A方程式賽車發(fā)動機進氣系統(tǒng)設(shè)計與分析,方程式賽車,發(fā)動機,系統(tǒng),設(shè)計,分析 上海工程技術(shù)大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計（畢業(yè)論文）任務(wù)書 學(xué) 院 汽車工程學(xué)院 專 業(yè) 機械設(shè)計制造及其自動化（汽車工程）（中美合作） 班級學(xué)號 062110316 學(xué) 生 彭濤 指導(dǎo)教師 李傳昌 題 目 方程式賽車發(fā)動機進氣系統(tǒng)設(shè)計與分析 任務(wù)規(guī)定 進行日期 自 2014 年 2 月 17 日起，至 2014 年 6 月 20 日止 目 錄 摘要 4 關(guān)鍵詞 4 Abstract 5 Key words 5 引言 5 緒論 6 1.1 課題研究背景和意義 6 1.2 汽車發(fā)動機進氣系統(tǒng)的簡介 7 1.2.1 進氣系統(tǒng)定義 7 1.2.2 基本構(gòu)成 7 1.3 汽車發(fā)動機進氣系統(tǒng)發(fā)展趨勢 7 1.4 進氣限流情況下提高進氣效率技術(shù)的研究現(xiàn)狀 8 1.5 研究內(nèi)容 8 1.6 進氣系統(tǒng)系統(tǒng)概述 9 1.6.1 進氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)對充氣效率的影響 9 1.6.2 進氣管長度對充氣效率的影響 9 1.6.3 FSAE規(guī)則對進氣系統(tǒng)限制 9 1.6.4 賽車進氣系統(tǒng)主要構(gòu)成 11 2 進氣系統(tǒng)方案設(shè)計 11 2.1 進氣系統(tǒng)設(shè)計流程 11 2.2 確定進氣系統(tǒng)材料與制造工藝 13 2.3 節(jié)氣門體類型選擇 13 3 設(shè)定進氣系統(tǒng)各部件基本參數(shù) 14 3.1 系統(tǒng)參數(shù) 14 3.2 空氣濾清器 15 3.3 限流閥開口 16 3.4 限流閥 16 3.5 限流閥擴散器 16 3.6 穩(wěn)壓腔 16 3.7 進氣道 17 3.8設(shè)計要求 17 3.8.1 進氣方案 18 3.8.2 進氣管形式 18 4 各部件基本參數(shù)設(shè)計 21 4.1 節(jié)氣門口徑 21 4.2 進氣總管長度 21 4.3 穩(wěn)壓腔體積 21 4.4 進氣歧管長度 21 5 流場分析 22 5.1 分析軟件介紹 22 5.2 模型網(wǎng)格劃分與邊界條件初定義 22 5.2.1 進氣總管分析 22 5.2.2 穩(wěn)壓腔分析 25 5.2.3 進氣歧管長度分析驗證 27 6 進氣系統(tǒng)裝配 28 7 結(jié)論與展望 30 參考文獻 31 大學(xué)生方程式賽車進氣系統(tǒng)設(shè)計與分析 車輛工程專業(yè) 彭濤 指導(dǎo)教師 李傳昌 摘要：本設(shè)計是針對我院2014年FSAE賽車發(fā)動機進氣系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計與仿真研究。文中系統(tǒng)的闡述的發(fā)動機進氣的基本原理，簡要敘述了發(fā)動機進氣系統(tǒng)研究發(fā)展的現(xiàn)狀。這一優(yōu)化設(shè)計借助先進的發(fā)動機進氣性能計算三維制圖軟件CATIA建立該發(fā)動機的仿真模型，并就發(fā)動機進氣歧管長度四種方案進行了動力性能的模擬計算，分析了進氣歧管長度變化及進氣諧振箱體積變化對發(fā)動機動力性能的影響及其規(guī)律。在基本確定進氣系統(tǒng)的幾何設(shè)計參數(shù)以后運用三維流體仿真軟件FLUENT對管內(nèi)氣流流場進行仿真計算，形象化了氣流流線及流型，量化了流場內(nèi)部的壓力及速度分布情況，進一步優(yōu)化了進氣系統(tǒng)的局部結(jié)構(gòu)參數(shù)，并定出合里的限流閥結(jié)構(gòu)參數(shù)，為我院FSAE車隊后續(xù)的優(yōu)化設(shè)計的工作指明了方向，并提出改進建議。 關(guān)鍵詞:FSAE賽車 進氣系統(tǒng) 設(shè)計 分析 Simulation and Analysis of Steer-by-Wire based on PID Control Student majoring in vehicle engineering Peng Tao Tutor Li Chuanchang Abstract：This design is for our school in 2014 FSAE race engine optimization design of the intakepipe length. This paper describes the system of the engine intake resonator basic principles, and depicts the research and development status of the engine intake system in brief. The optimal design with advanced 3D software to establishe a simulation model of the engine and calculated five dynamic properties of program simulation for the engine intake manifold on the longer length, analysed the changes in the intake manifold length on performance of engine power and its regulars.The paper also made a comparative analysis of the acion of the dynamic performance before and after installing the throttle on the engine,and pointed out a clear direction for the follow-up work of optimal design of the FSAE team and recommended the improvement.. Key words: FSAE race，intake system，optimal design，analysis 引言 賽車運動是流行于世界各地汽車工業(yè)發(fā)達國家的熱門運動，不同于一般的體育運動，賽車研發(fā)的尖端科技往往被逐步引入民用車中，造福于整個汽車工業(yè)的發(fā)展。 本設(shè)計課題來自我校中國大學(xué)生方程式汽車大賽項目課題。該賽事意在培養(yǎng)汽車工程方向及相關(guān)專業(yè)的在校大學(xué)生、研究生的創(chuàng)新力，團隊協(xié)作能力。在為期8-12個月的時間里完成一輛小型方程式賽車的設(shè)計與制造，并成功完成比賽。 大學(xué)生方程式賽車【1】(Formula SAE)在國際上被視為“學(xué)界的F1方程式賽車”。該賽事不單單是一項賽車競技，更是一項賽車設(shè)計與團隊運作的綜合競賽。 作為美國汽車工程師協(xié)會于1979年創(chuàng)辦的賽事，F(xiàn)SAE已經(jīng)有三十一年的歷史了，目前舉辦該賽事的國家除美、英、德、意、澳及巴西，日本也于幾年前加入推廣這項比賽，此賽事致力于培養(yǎng)及訓(xùn)練車輛工程研發(fā)設(shè)計人才【2】。該賽事于2010年正式進入中國，由中國汽車工程師協(xié)會承辦，第一年便得到廣大具有汽車工程特色的學(xué)校響應(yīng)，超過20支車隊參加了第一屆比賽的報名。然而，在此之前，湖南大學(xué) HNU車隊已作為國內(nèi)首支車隊于 2007年6月參加了在美國加州舉行的 SAE 方程式賽車比賽，并取得了比較好的成績，隨后同濟、廈門理工、上海交大也相繼遠(yuǎn)赴海外參加到這項賽事中。 FSAE賽事能進入中國是件值得高興的事。這不僅能夠提供大學(xué)生們親自參與設(shè)計制造的機會，更促進了與其他院校的學(xué)生交流的機會，并更深入地接觸社會，培養(yǎng)了學(xué)生的綜合能力，同時也能通過FSAE賽車來展示我校汽車學(xué)院的風(fēng)采，這無疑是一件雙贏的事。 緒論 1.1 課題研究背景和意義 內(nèi)燃機在1867年問世至今,己有一百余年的歷史了。一個世紀(jì)來,內(nèi)燃機憑借其 熱效率高、熱負(fù)荷小、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點而在車輛、船舶、工程機械等廣泛的領(lǐng)域取得了優(yōu)勢地位。【3】內(nèi)燃機也己經(jīng)發(fā)展成為一個比較完備的動力機械體系,到今天為止已經(jīng)達到一個較高的技術(shù)水平,其中有兩個方面的科技發(fā)展為此做出了巨大貢獻,一是20世紀(jì)50年代初興起的增壓技術(shù)和高壓共軌技術(shù)在內(nèi)燃機產(chǎn)品上的廣泛應(yīng)用,再就是20世紀(jì)70年代開始的電子控制技術(shù)及計算機在內(nèi)燃機研制中的應(yīng)用。在這樣一個發(fā)展歷程中,內(nèi)燃機為世界的經(jīng)濟發(fā)展作出了巨大的貢獻,對人類文明的發(fā)展起到了極為重要的作用。 從20世紀(jì)40年代開始,人類進入內(nèi)燃機時代,內(nèi)燃機可以說是20世紀(jì)的重大科技成就之一。在今后相當(dāng)長時間內(nèi),內(nèi)燃機作為主要交通工具的動力其主導(dǎo)地位仍然不會改變。因此,隨著經(jīng)濟的發(fā)展,在可以預(yù)見的將來,內(nèi)燃機將仍是中小功率范圍內(nèi)最主要的原動機。內(nèi)燃機是工程機械的心臟,而進氣系統(tǒng)則是內(nèi)燃機的動脈,進氣系統(tǒng)的合理性直接影響發(fā)動機的性能、壽命,從而影響整機的性能、壽命及環(huán)保性。進氣系統(tǒng)的功能是為發(fā)動機提供清潔、干燥、充足的空氣,系統(tǒng)中主要組件空濾器、管路及其設(shè)計安裝將直接影響發(fā)動機功能的發(fā)揮、工作的穩(wěn)定性、可靠性,甚至大大縮短其壽命。提高發(fā)動機的動力性是內(nèi)燃機研究者們一直追求的目標(biāo)之一,而增加進氣量、改善氣缸內(nèi)混合氣流運動和燃燒是提高內(nèi)燃機動力性的主要途徑。但提高進氣量與進氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān),所以,研究進氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)對進氣量的影響規(guī)律對于改善汽油機性能具有十分重要意義?！?】 1.2 汽車發(fā)動機進氣系統(tǒng)的簡介 1.2.1 進氣系統(tǒng)定義 汽車的進氣系統(tǒng)是把空氣或混合氣導(dǎo)入發(fā)動機氣缸的零部件集合體。發(fā)動機是工程機械的心臟，而進氣系統(tǒng)則是發(fā)動機的動脈，進氣系統(tǒng)的合理性直接影響發(fā)動機的性能、壽命，從而影響整機的性能、壽命及環(huán)保性。進氣系統(tǒng)的功能是為發(fā)動機提供清潔、干燥、充足的空氣，系統(tǒng)中主要組件空濾器、管路及其設(shè)計安裝將直接影響發(fā)動機功能的發(fā)揮、工作的穩(wěn)定性、可靠性，甚至大大縮短其壽命?！?】 1.2.2 基本構(gòu)成 進氣系統(tǒng)包含了空氣濾清器、進氣歧管、進氣門機構(gòu)。空氣經(jīng)空氣濾清器過濾掉雜質(zhì)后，流過空氣流量計，經(jīng)由進氣道進入進氣歧管，與噴油嘴噴出的汽油混合后形成適當(dāng)比例的油氣，由進氣門送入氣缸內(nèi)點火燃燒，產(chǎn)生動力。 圖1.1 發(fā)動機進氣系統(tǒng) 1.3 汽車發(fā)動機進氣系統(tǒng)發(fā)展趨勢【6】 近年來，汽車發(fā)動機進氣技術(shù)的革新主要體現(xiàn)在“可變”這一思想上。 由于汽車發(fā)動機的工況可能每時每刻都在改變，不同的轉(zhuǎn)速與負(fù)荷有著相對應(yīng)的進排氣系統(tǒng)理想?yún)?shù)。但是早前的發(fā)動機，進氣系統(tǒng)是不可變的，故只能在一個特定的工況范圍中才能被評判為最理想。而現(xiàn)代的可變進氣管長度，可變氣門正時，可變截面渦輪增壓，可變渦流控制，可變氣門升程等技術(shù)都是為了更好地去匹配發(fā)動機運轉(zhuǎn)中隨時而變的工況，以提高充氣效率。 目前最主流的則是分別以日本豐田汽車公司VVT技術(shù)和本田汽車公司VTEC【7】技術(shù)為代表的兩種可變配氣技術(shù)?？勺兣錃饧夹g(shù)，從大類上分，包括可變氣門正時和可變氣門行程兩大類。 90年代初，日本本田公司推出一種即可改變配氣正時，又能改變氣門運動規(guī)律的可變配氣定時－升程的控制機構(gòu)，是世界上第一個能同時控制氣門開閉時間及升程等兩種不同情況的氣門控制系統(tǒng)。就是現(xiàn)在大家耳熟能詳?shù)腣TEC機構(gòu)：一般發(fā)動機每缸氣門組只由一組凸輪驅(qū)動，而VTEC系統(tǒng)的發(fā)動機卻有中低速用和高速用兩組不同的氣門驅(qū)動凸輪，并可通過電子控制系統(tǒng)的自動操縱，進行自動轉(zhuǎn)換。采用VTEC系統(tǒng)，保證了發(fā)動機中低速與高速不同的配氣相位及進氣量的要求，使發(fā)動機無論在何速率運轉(zhuǎn)都達到動力性、經(jīng)濟性與低排放的統(tǒng)一和極佳狀態(tài)。 本田的VTEC發(fā)動機技術(shù)已經(jīng)推出了十年左右了，事實也證明這種設(shè)計是可靠的。它可以提高發(fā)動機在各種轉(zhuǎn)速下的性能，無論是低速下的燃油經(jīng)濟性和運轉(zhuǎn)平順性還是高速下的加速性。在電子控制閥門機構(gòu)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的凸輪機構(gòu)之前，本田的VTEC技術(shù)在目前可以說是一種很好的方法。 1．4 進氣限流情況下提高進氣效率技術(shù)的研究現(xiàn)狀【8】 “進氣限流”出自于SAE方程式賽車。SAE方程式(Formula Sae)是由美國汽車工程協(xié)會主辦的挑戰(zhàn)本科生、研究生團隊構(gòu)思、設(shè)計、制造和駕駛小型方程式賽車的國際性賽事。賽車使用小于610CC容量的發(fā)動機,進行多個項目的此賽。而在此比賽規(guī)則中的動力限制里,主要是對發(fā)動機進氣流量進行限制,為了提高限流以后發(fā)動機的充氣效率,提高賽車的動力性。全球各個高校車隊均對限流以后如何提高發(fā)動機的充氣效率這個課題進行了深入研究。而其中利用氣體動力效應(yīng)的增壓技術(shù),進氣管長度連續(xù)可變技術(shù)以及廢氣禍輪增壓技術(shù)在充分挖掘進氣限流后的發(fā)動機動力性的研究上均取得了良好的效果。 如西華大學(xué)在2011年FSAE中國站比賽中,自主開發(fā)的諧波增壓的進氣系統(tǒng)在比賽中在動力性方面使賽車有優(yōu)異的表現(xiàn);日本上智大學(xué)車隊在2011年日本站比賽中,采用禍輪增壓技術(shù)充分調(diào)動了限流限制下賽車的動力性能;德國斯圖加特大學(xué)車隊,采用進氣管長度連續(xù)可變技術(shù)在各個轉(zhuǎn)速區(qū)域均能使限流后的賽車有著優(yōu)異的動力性能。 1．5 研究內(nèi)容 通過本課題的具體研究內(nèi)容包括: （1）進氣管結(jié)構(gòu)參數(shù)理論設(shè)計計算 首先研究了進氣管中氣流運動的波動效應(yīng)和能量損失以及汽油機趕內(nèi)的空氣運動,對進氣管氣流運動一維仿真方法進行探討,用CATIA軟件建立發(fā)動機模型,分析進氣管長度變化和諧振箱容積變化對發(fā)動機性能的影響。 （2）進氣系統(tǒng)三維幾何建模 利用三維造型軟件建立包括空氣濾清器、限流閥、進氣管、諧振箱、進氣歧管等幾何模型。 （3）評價選擇設(shè)計計算方法及工具 介紹CFD理論基礎(chǔ),包括流體力學(xué)控制方程、離散化、邊界條件和初始化條件等等。 （4）對系統(tǒng)進行三維流場動力學(xué)計算和分析 網(wǎng)格劃分好以后,借助計算流體力學(xué)(CFD)輔助內(nèi)燃機分析理論,利用三維流體計 算軟件FLUENT對改進前后的發(fā)動機進氣系統(tǒng)包括空氣濾清器一文丘里限流閥一進氣管一諧振箱一進氣歧管進行了流場模擬?！?】使進氣系統(tǒng)在不同氣紅吸氣沖程時刻時、進氣歧管出口速度有所提高。研究結(jié)果表明提高了發(fā)動機在中高速轉(zhuǎn)速時的轉(zhuǎn)矩和功率,滿足了賽車動力性需要。 1．6 進氣系統(tǒng)系統(tǒng)概述 1．6．1 進氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)對充氣效率的影響 使足夠的充量進入氣紅、以獲得較高的充氣效率,是組織和完善燃燒過程、提高發(fā)動機性能的前提。所以,提高充氣效率是研究發(fā)動機工作過程的重要內(nèi)容。利用進氣管中的動力效應(yīng)提高進氣充量是一種簡單而有效的方法。 發(fā)動機工作時,非定常流動效應(yīng)使各在進氣過程中進氣管內(nèi)的壓力發(fā)生變化,吸入氣虹的充量,受進氣門關(guān)閉前很短時間內(nèi)進氣門處壓力水平的影響。利用氣體動力效應(yīng)對進氣系統(tǒng)進行協(xié)調(diào),可提高進氣過程終了時氣門處的壓力,從而可提高發(fā)動機的容積效率。對于車用汽油發(fā)動機來說進氣系統(tǒng)主要包括:空氣濾清器、進氣管、迸氣道和連接空氣濾清器與進氣管 連接管?？諝鉃V清器作為進氣系統(tǒng)阻力的一部分,我們考慮的是盡可能地減少其流通阻力,而不考慮其對動力效應(yīng)增壓的影響。但對于進氣管不僅要減少其流動阻力,而且還要考慮其結(jié)構(gòu)參數(shù)是否符合動力效應(yīng)增壓的要求。所以,研究進氣系統(tǒng)的動力效應(yīng)增壓,其實質(zhì)就是研究進氣管的結(jié)構(gòu)參數(shù)對動力效應(yīng)增壓的影響?？諝鉃V清器與進氣管的連接管的長度也是影響動力效應(yīng)增壓的一個重要參數(shù),通過對進、排氣系統(tǒng)進行合理的設(shè)計,充分利用動力效應(yīng)增壓,使發(fā)動機轉(zhuǎn)矩在所側(cè)重的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)有較大的提高,同時可以改善燃油經(jīng)濟性。 1. 6. 2 進氣管長度對充氣效率的影響 進氣管長度是影響動力效應(yīng)的主要參數(shù)。選用合適的進氣管長度增加進氣充量,實質(zhì)就是利用其動力效應(yīng)來提高充氣效率。因此,進氣管長度的選擇尤為重要【10】。 在非增壓發(fā)動機進氣過程中,由于活塞下行真空吸入作用,在進氣門口處所形成的負(fù)壓波,經(jīng)進氣道、進氣歧管、諧振箱、文丘里限流閥傳至上游開口端,再反射回來。管入口處壓力波形態(tài)取決于諧振箱、外接管及上游親合部件中復(fù)雜的氣流波動,故它不是自身負(fù)壓波的簡單反射,而是由自身負(fù)壓波、上游各部件中氣體反射波以及來自各缸的負(fù)壓波在此處疊加而成。在進氣門關(guān)閉之前,若各波合成效果為正壓波時,則有利于后續(xù)進氣,使充氣效率增加;若為負(fù)壓波,則充氣效率降低。這也就是說,合成波的相位應(yīng)與配氣相位的關(guān)閉時刻配合,而合成波相位主要取決于管長度,配氣相位的關(guān)閉時刻則與轉(zhuǎn)速有關(guān)。由于在進氣管內(nèi)所發(fā)生的壓力振動對本次進氣過程影響較大,對下一次進氣過程有一定的影響,故進氣歧管內(nèi)的動力效應(yīng)主要是本次慣性效應(yīng)。 1. 6. 3 FSAE規(guī)則對進氣系統(tǒng)限制【11】 （1）進氣系統(tǒng)必須不超出外框，也就是從防滾架頂部到四個輪胎的外緣的連線外處。 （2）節(jié)氣門必須為機械控制，如通過拉線或連桿系統(tǒng)。禁止使用電子節(jié)氣門（ETC）或類似的線控系統(tǒng)。 （3）為限制發(fā)動機功率，一個內(nèi)部截面為圓形的限流閥必須安裝在進氣系統(tǒng)的節(jié)氣門與發(fā)動機之間，并且所有發(fā)動機的進氣氣流都應(yīng)流經(jīng)此限流閥。且使用汽油為燃料的限流閥直徑最大為20mm。 （4）若使用增壓器，限流閥必須安裝在增壓設(shè)備與化油器或節(jié)氣門之間。因此，唯一允許的順序為：節(jié)氣門、限流閥、增壓設(shè)備、發(fā)動機。 圖1.2 外框后視圖 圖1.3 外框側(cè)視圖 Nozzle-限流閥開口；20mm Restrictor-20mm 限流閥；Diffuser-擴散器 圖1.4 限流閥結(jié)構(gòu) 1. 6. 4 賽車進氣系統(tǒng)主要構(gòu)成 圖1.5 Aprilia SXV 550發(fā)動機總成結(jié)構(gòu)圖 構(gòu)成：空氣濾清器，限流閥開口，節(jié)氣門體，限流閥，渦輪/機械增壓器，限流閥擴散器，穩(wěn)壓腔，進氣道。 由于規(guī)則對進氣的限制，限流閥及相對應(yīng)的限流閥擴散器，穩(wěn)壓腔成為了FSAE賽車進氣系統(tǒng)有別于民用車的特別之處?！?2】此外，賽車的進氣系統(tǒng)以發(fā)揮發(fā)動機最大性能為目的，故進氣歧管應(yīng)按照賽車最佳加速性工況，也就是讓發(fā)動機發(fā)揮出高轉(zhuǎn)速動力輸出區(qū)域，使其在7000rpm至11000rpm時起到進氣諧振作用，進氣歧管將會相較于民用車而顯得短。 此外，因為專用ECU控制模塊的功能局限性，目前并沒有引入可變技術(shù)在FSAE賽車進氣系統(tǒng)中的案例。 2 進氣系統(tǒng)方案設(shè)計 2.1 進氣系統(tǒng)設(shè)計流程 進氣系統(tǒng)設(shè)計首先是要了解發(fā)動機自身特性。此次使用的Aprilia SXV 550【13】發(fā)動機是來自高性能公路摩托車阿普利亞Aprilia SXV 550的一款摩托車發(fā)動機。發(fā)動機，離合器，變速器為一體式結(jié)構(gòu)，變速器末端以鏈輪直接輸出。 表2.1 相關(guān)技術(shù)參數(shù) 發(fā)動機型號 阿普利亞Aprilia SXV 550 引擎形式 水冷SOHC 8活瓣77度夾角V2氣缸 發(fā)動機排量 549cc 發(fā)動機重量 55kg 著火順序 1-2 冷卻形式 水冷 潤滑形式 壓力潤滑，濕式油底殼 壓縮比 13:1 進氣門早開遲閉角 早開23°遲閉41° 最高功率輸出 約70ps/9000rpm（有限流閥） 最高扭矩輸出 約60Nm/8000rpm（有限流閥） 缸徑x行程 80mmx55mm 前制動系統(tǒng) 270mm剎車碟配放射式對向卡鉗 后制動系統(tǒng) 470mm剎車碟配放射式對向卡鉗 最大馬力 70bhp/13000rpm 傳動系統(tǒng) 濕式多片5前速鏈傳動 前懸掛 Aprilia45mm倒立套管前叉 后懸掛 Sachs單筒避震 輪胎前 120/70-17 后輪胎 180、55-17 燃油供應(yīng) 40mm電噴系統(tǒng) 最高車速 <=120km/h 排氣噪聲 <=110dB ECU 賽車MOTEC編程 其次要確定發(fā)動機的使用特性，結(jié)合比賽項目和賽道特性來確定賽車常用的工況，F(xiàn)SAE動態(tài)項目包括75m直線加速，8字繞環(huán)，高速避障和耐久賽。根據(jù)去年的參賽經(jīng)驗，大多數(shù)時間賽車都處于40km/h以下的速度，除直線加速賽意外，賽車主要處在彎道行駛中。故對于賽車發(fā)動機而言，良好的出彎加速性是我們需要的。而從駕駛風(fēng)格上講，拖延進檔，讓發(fā)動機保持合適的高轉(zhuǎn)速輸出，有利于提高加速性能。故根據(jù)發(fā)動機功率峰值輸出9000rpm為最佳性能工況。7000rpm至11000rpm為常用轉(zhuǎn)速。 然后確定進氣方式，所用材料及制造工藝，部分零部件類型選擇，再對進氣系統(tǒng)各部件做初步計算，得到數(shù)據(jù)后使用CATIA進行三維建模。根據(jù)模型具體幾何參數(shù)使用赫爾姆霍茲進氣諧振原理進行驗算，再使用Fluent對進氣系統(tǒng)總成做CFD分析，排除備選方案。最后使用Fluent對限流閥擴散器和進氣道做進一步分析及優(yōu)化。 最終目的就是設(shè)計出一套，符合規(guī)則，使用可靠，進氣損失小，充氣效率高，在能夠保證賽車手便于操控的前提下盡可能提高發(fā)動機動力性的進氣系統(tǒng)。 2.2 確定進氣系統(tǒng)材料與制造工藝【14】 汽車進氣系統(tǒng)要求輕質(zhì)，可靠，耐用，抗腐蝕等特性。 現(xiàn)代汽車發(fā)動機大多采用工程塑料為進氣管的材質(zhì)。由于不同于排氣管需要耐高溫，進氣管不斷地在充入新鮮工質(zhì)，不會產(chǎn)生高溫，塑料在這種情況下是非常好的選擇，因為既輕質(zhì)，成本又低廉，并且形狀可塑性佳，造型自由度很高，且內(nèi)壁容易做到很光滑，有利于氣體流動。 然而，F(xiàn)SAE賽車由于不是量產(chǎn)型車輛，每一個零部件為其專門開模具成本太高，故最傳統(tǒng)且最低廉的做法就是使用鋁材，手工切割，焊接完成整套進氣歧管。盡管鋁的幾何造型能力遠(yuǎn)不如塑料，質(zhì)量也不夠輕質(zhì)，焊接的焊縫還會導(dǎo)致內(nèi)壁不光滑，引起表面渦流，造成進氣損失，但是成本低廉，質(zhì)量也相對其他金屬輕，是低成本的最佳選擇。 當(dāng)然，如果預(yù)算充足，自然可以考慮使用塑料，甚至碳纖維去制作進氣歧管，勞倫斯理工大學(xué)2011年使用的就是塑料進氣歧管，單個制造可以使用快速成型機加工，并且要選擇抗腐蝕性好的塑料，但是了解到成本需要將近1000美元，于是決定放棄。 最高端的莫過于使用碳纖維制造進氣歧管，碳纖維的制造工藝其實基于塑料制造工藝，所以它具備塑料進氣歧管的幾何造型優(yōu)勢，但是相比塑料更加輕質(zhì)，堅硬，耐用。 圖2.1 碳纖維進氣歧管半成品 2.3 節(jié)氣門體類型選擇 節(jié)氣門體：根據(jù)FSAE規(guī)則限制，節(jié)氣門體必須位于限流閥之前，必須是機械式的，控制發(fā)動機負(fù)荷。 常見的節(jié)氣門體分為三類：蝴蝶式，滑閥式及滑片式?！?5】 圖2.2 三類節(jié)氣門體結(jié)構(gòu)示意圖 圖2.2 依次為蝴蝶式，滑閥式，滑片式節(jié)氣門體的示意圖與性能比較。 蝴蝶式 優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單，成本低，工作可靠。 缺點：由于蝴蝶片隨著節(jié)氣門開度增大，并不能完全隱藏，所以在大負(fù)荷工況下，相同內(nèi)徑的進氣管，蝴蝶式節(jié)氣門體會造成微量的進氣損失。 滑閥式 優(yōu)點：怠速控制好，進氣損失小。 缺點：結(jié)構(gòu)復(fù)雜，隨著節(jié)氣門開度增大，通道截面變化因為其特性，所以截面增大量會在中段猛增，導(dǎo)致油門響應(yīng)不夠線性，不利于操控。 滑片式 優(yōu)點：進氣損失小。 缺點：結(jié)構(gòu)復(fù)雜，占空間。 綜合上訴優(yōu)缺點，蝴蝶式節(jié)氣門體無論是成本還是結(jié)構(gòu)簡單程度上都比另兩者可取，且更利于拉索式控制機構(gòu)匹配。所以最終選擇蝴蝶式節(jié)氣門體。 3 設(shè)定進氣系統(tǒng)各部件基本參數(shù) 3.1 系統(tǒng)參數(shù) 表3.1 進氣系統(tǒng)參數(shù) 參數(shù)名稱 參數(shù)值 發(fā)動機常用工況轉(zhuǎn)速 13000rpm 進氣道內(nèi)徑 20mm 絕熱指數(shù) 1.4 氣體常數(shù)R 286.9 發(fā)動機排量 549cc 發(fā)動機常用轉(zhuǎn)速即為需要起到諧振效果的轉(zhuǎn)速，絕熱指數(shù)和氣體常數(shù)為氣體固有參數(shù)，由于進氣系統(tǒng)為自然進氣，氣體狀態(tài)接近于空氣，所以取空氣的參數(shù)使用。 3.2 空氣濾清器 空氣濾清器的主要功用是濾去灰塵和雜質(zhì)，為發(fā)動機工作提供清潔的空氣，以至于避免不可燃顆粒和硬物進氣氣缸，對發(fā)動機造成損害。賽車用高流量空氣濾清器與名用車不同的是，不是以一個塑料殼體和內(nèi)置海綿組成，而是通常以暴露呈傘形的無紡纖維和內(nèi)部的文氏管結(jié)構(gòu)組成，暴露的無紡纖維是為了有更好的迎風(fēng)面和更低的進氣阻力，內(nèi)部的文氏管結(jié)構(gòu)則起到加速氣流的作用。 圖3.1 進氣系統(tǒng)空氣濾清器 空氣流量Q是設(shè)計空氣濾清器的主要依據(jù): 對于常用的四沖程汽油機，計算公式為：………………（3.1） V-發(fā)動機排量 n-發(fā)動機額定轉(zhuǎn)速r/min Q=0.45x0.000549x13000=3.21165/min 3.3 限流閥開口 FSAE賽車的限流閥開口通常有一定的錐角，外緣呈喇叭口展開，由于限流閥本體是一個進氣管截面逐漸收小的過程，喇叭口和錐角的設(shè)計可以更好地收攏空氣，為限流閥引流，這一點是經(jīng)過流體力學(xué)的研究得出的結(jié)論。從多篇國外資料中查得，15°錐角為最佳限流閥開口參數(shù)。 3.4 限流閥 根據(jù)FSAE大賽的規(guī)則，賽車必須有且僅有一個限制進氣的限流閥，在進氣系統(tǒng)中，位于限流閥之后的進氣系統(tǒng)不得有任何其他開口和旁通閥，此部件僅僅出于大賽對參賽賽車進氣系統(tǒng)改造的限制為目的，美國FSAE規(guī)定使用E85乙醇汽油，限流閥內(nèi)徑必須小于等于19mm，使用汽油則限流閥內(nèi)徑必須小于等于20mm。而在中國只允許使用93號汽油，則限流閥必須為20mm。 表3.2 所選限流閥套件系統(tǒng)參數(shù)【16】 參數(shù)名稱 參數(shù)值 重量 331g 限流閥直徑 20mm 空氣濾清器接口直徑 70mm 節(jié)氣門直徑 28mm 3.5 限流閥擴散器 針對限流閥本身對于進氣流速和進氣壓力造成的巨大損失，位于限流閥后部的擴散器可以說是一個上有政策，下有對策的一個唯一的解決方案，它是由一定的錐角構(gòu)成的經(jīng)典的文氏管，截面積逐漸變大，一個精心設(shè)計的擴散器可以有效地將限流閥造成的損失降低至最小。根據(jù)多篇國外資料中闡述，7°為最佳擴散器錐角參數(shù)，長度則是在總布置合理的情況下越長越好。 3.6 穩(wěn)壓腔 此部件位于擴散器和進氣道之間，可以說是賽車進氣系統(tǒng)的一個特色，有以下幾點作用【17】： （1）低轉(zhuǎn)工況：自然進氣賽車發(fā)動機的調(diào)校轉(zhuǎn)速都比較高，例如此次使用的Aprilia SXV 550，其馬力的峰值輸出在13000轉(zhuǎn)/分，針對發(fā)動機工作特性，進氣歧管的長度和截面積都只為高轉(zhuǎn)而設(shè)計，而賽車的進氣系統(tǒng)通常不帶可變進氣歧管技術(shù)，以至于發(fā)動機低轉(zhuǎn)進氣效率下降，而穩(wěn)壓腔把本是間斷的進氣過程化為連貫，穩(wěn)壓腔內(nèi)部壓力變化致使發(fā)動機低轉(zhuǎn)速進氣間斷時，限流閥處仍在進氣，補充到穩(wěn)壓腔內(nèi)，也為低轉(zhuǎn)進氣提供了所需要的進氣慣性。 （2）急加速工況：眾所周知，F(xiàn)SAE賽車有了限流閥后，進氣受到了很大的限制，而急加速，則是一個進氣流速急速提高的一個過程，此時如果只有限流閥，沒有穩(wěn)壓腔，雖然賽車采用的是機械式節(jié)氣門體，但是油門響應(yīng)仍然會很遲鈍，而有了穩(wěn)壓腔，則為發(fā)動機急加速時，儲備了所需要的空氣，也就是說穩(wěn)壓腔內(nèi)的空氣是可以用來給急加速應(yīng)急的。而賽車比賽中，急加速則是起步和出彎常用的工況，所以穩(wěn)壓器的存在和其設(shè)計起著非常重要的作用。 （3）穩(wěn)壓器容積的影響：在設(shè)計穩(wěn)壓器容積時，需要對發(fā)動機動態(tài)工況做出考量，一般理論來說，采用發(fā)動機排量的2~4倍為其理想值，體積大則儲備空氣量大，但油門響應(yīng)反之則會變得遲鈍，故在2~4的范圍中需要經(jīng)過長期測試，才能得出較為精確的理想值。此外穩(wěn)壓器的造型也有一定講究，在加工方法可實現(xiàn)的前提下，盡可能減少其慢速滯留區(qū)，從而充分利用到其體積。 穩(wěn)壓腔初始體積： —穩(wěn)壓腔體積 —發(fā)動機排量 =×2=549×2=1098 3.7 進氣道 進氣道：是進氣歧管的四根分支，將氣流分配到四個氣缸內(nèi)，與穩(wěn)壓腔和發(fā)動機進氣口相連，并且噴油嘴安裝在進氣道上。 進氣道初始長度： 公式：……………………………………………（3.2） Lpr-進氣道長度mm T-溫度=355K -絕熱指數(shù) R-氣體常數(shù)==286.9 3.8設(shè)計要求 FSAE規(guī)則對進氣系統(tǒng)的限制 (1) 進氣系統(tǒng)必須不能超出外框; (2) 節(jié)氣門必須為機械控制; (3) 進氣歧管必須用支架或機械固定; (4) 為限制發(fā)動機功率， 一個內(nèi)部截面為圓形的限流閥必須安裝在進氣系統(tǒng)的節(jié)氣門與發(fā)動機之間，并且所有發(fā)動機的進氣氣流都應(yīng)流經(jīng)此限流閥（最大直徑20mm，且截面不能發(fā)生變化） 3.8.1 進氣方案【18】 (1)進氣系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu) 進氣系統(tǒng)包含了空濾器、節(jié)氣門、進氣總管、進氣歧管、進氣門。由于規(guī)則的限制，進氣系統(tǒng)的設(shè)計主要體現(xiàn)在進氣總管和進氣歧管上，這兩部分需要加工制作。 (2)進氣形式 進氣方式主要分為三大類： 自然進氣：引擎的運作在氣缸內(nèi)產(chǎn)生的負(fù)壓，將外部的空氣吸入氣缸內(nèi)。這是汽車最傳統(tǒng)進氣方式，動力輸出平穩(wěn)，維護簡單，但在高轉(zhuǎn)速下乏力。 渦輪增壓：渦輪增壓器的兩側(cè)渦輪葉片連接發(fā)動機的進氣管和排氣管，在引擎運作的情況下，利用排出的廢氣推動排氣渦輪葉片，從而帶動進氣渦輪葉片吸入空氣，利用離心增壓原理達到增壓的效果。 機械增壓：機械增壓器采用皮帶與引擎曲軸皮帶盤連接，利用引擎轉(zhuǎn)速來帶動機械增壓器內(nèi)部葉片，以產(chǎn)生增壓空氣送入引擎進氣歧管內(nèi)。其優(yōu)點是渦輪轉(zhuǎn)速與曲軸相同，沒有滯后現(xiàn)象，動力輸出平穩(wěn)。由于要消耗發(fā)動機的能量，增壓的效率并不高。 根據(jù)實際情況來看，渦輪增壓和機械增壓都能增加充氣效率，提高發(fā)動機的效率。但是渦輪增壓使得發(fā)動機的零部件長期處于高負(fù)荷當(dāng)中，日后的維護成本很高，維修也不方便。更重要的是在低轉(zhuǎn)速下渦輪有遲滯現(xiàn)象，輸出不線性，不利于操控。機械增壓則需要對發(fā)動機內(nèi)部進行改動，而且效率不如渦輪增壓。反觀自然進氣，雖然沒有增壓器，但可以通過改動進氣管提高充氣效率，重要的是動力輸出線性，針對賽場的情況，發(fā)動機處于中低轉(zhuǎn)速的情況較多，所以避免了高轉(zhuǎn)速下的乏力。綜上所述選擇自然吸氣更為符合我們的情況。 3.8.2 進氣管形式 方案一 進氣系統(tǒng)的最前端位于主環(huán)的下方，當(dāng)賽車高速行駛時，使得進氣口的撞風(fēng)量大，對稱的設(shè)計使得各缸的進氣量均勻。 圖3.2 進氣方案一 方案二 進氣系統(tǒng)的最前端位于賽車的尾部，空間布置不受座艙影響。 圖3.3 進氣方案二 方案三 與方案一類似，但進氣系統(tǒng)的前端與穩(wěn)壓腔的側(cè)面連接，使氣流經(jīng)過彎折后變得緩和，最大的缺陷是不能保證四缸的進氣平衡。 圖3.4 進氣方案三 方案四 通過查閱相關(guān)論文及收集大量資料，得知對稱布置的進氣管更有利于各缸的進氣平衡，所以排除方案三。對于進氣系統(tǒng)前段前置，固定方便，它的優(yōu)點體現(xiàn)在撞風(fēng)面將產(chǎn)生一定的進氣壓力，但在40km/h以下時效果不明顯?！?9】方案二的進氣歧管彎曲，降低了進氣阻力，使進氣更加平順。最后結(jié)合方案一、二的優(yōu)點得到改進方案四 圖3.5 進氣方案四 4 各部件基本參數(shù)設(shè)計 4.1 節(jié)氣門口徑 節(jié)氣門必須為機械控制，所以選擇最常見的蝴蝶閥節(jié)氣門，利于拉線控制。在2011賽季，使用的為45mm的文氏管節(jié)氣門。根據(jù)使用情況的反饋，會出現(xiàn)一定程度上的油門遲緩現(xiàn)象。經(jīng)過調(diào)查發(fā)現(xiàn)，其中一個原因就是節(jié)氣門口徑過大，使得油門反應(yīng)較為遲緩。在保證足夠進氣量的同時，還得保證較快的油門響應(yīng)。最終調(diào)整的節(jié)氣門口徑為40mm，減少了進氣截面面積，使得進氣速度得到提高。 4.2 進氣總管長度 進氣總管中將有一段起到限流閥的作用。所以總管的結(jié)構(gòu)大體為文氏管（進氣管截面漸縮漸擴）。收縮的截面可迅速提高氣流的速度，同時整合通過節(jié)氣門后的紊亂氣流。查閱相關(guān)文獻后得知，較長的總管適合低轉(zhuǎn)速工況，較短的總管適合高轉(zhuǎn)速工況。老的進氣總管長度為280mm，經(jīng)過實踐發(fā)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)過于修長，不利于整體的固定，剛度有所下降，長期處于振動當(dāng)中容易損壞。由于必須在外框之內(nèi)，現(xiàn)將總管長度縮至150mm。如果收縮的錐角過大，氣流不能順利通過，將會在收縮孔產(chǎn)生擁堵。 4.3 穩(wěn)壓腔體積 穩(wěn)壓腔的體積本應(yīng)與實際工況密切相關(guān)，在高轉(zhuǎn)速和低轉(zhuǎn)速下分別對應(yīng)不同的體積。但是目前我們還沒能掌握這項工藝?！?0】所以只能選取一個在常用轉(zhuǎn)速表現(xiàn)良好的穩(wěn)壓腔體積。查閱了一篇關(guān)于穩(wěn)壓腔體積優(yōu)化的外文文獻。文中提到穩(wěn)壓腔體積可取2-8倍的發(fā)動機排量。然后仿真了在不同體積下發(fā)動機的外特性曲線，并做了實驗。在2-5倍排量時發(fā)動機動力曲線上升，6-8倍時出現(xiàn)下降。最后選取了3L和5L作為仿真的對比對象。仿真結(jié)果證明3L的穩(wěn)壓腔要優(yōu)于5L。 穩(wěn)壓腔體積： Vplen---穩(wěn)壓腔體積 Ved---發(fā)動機排量 Vplen=Ved5=0.549×5=2.745L 4.4 進氣歧管長度 進氣歧管的長度對充氣效率的影響相當(dāng)顯著。但是發(fā)動機處于不同工況所對應(yīng)的最佳歧管長度都是不同的。最終我們選擇在常用轉(zhuǎn)速范圍里對歧管長度進行計算。查閱相關(guān)文獻得到一個歧管長度的計算公式。 （m） —絕熱指數(shù) ≈1.4 —音速 =340m/s —空氣流速 （m/s) N—發(fā)動機轉(zhuǎn)速 (rad/s) 由于空氣流速，無法直接算出，所以根據(jù)去年的數(shù)據(jù)初步預(yù)設(shè)進氣歧管長度150mm，然后建模仿真得到了歧管的空氣流速約為200m/s。由此數(shù)據(jù)帶入公式求解得到L=0.1238m，所以最后選擇了一個中間值140mm，而發(fā)動機機體上已經(jīng)存在了70mm的歧管，所以最后建模只需要70mm的歧管長度。 5 流場分析 5.1 分析軟件介紹 CFD商業(yè)軟件FLUENT，是通用CFD軟件包【21】，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。 GAMBIT——專用的CFD前置處理器，F(xiàn)LUENT系列產(chǎn)品皆采用FLUENT公司自行研發(fā)的Gambit前處理軟件來建立幾何形狀及生成網(wǎng)格，是一具有超強組合建構(gòu)模型能力之前處理器，然后由Fluent進行求解。也可以用ICEM CFD進行前處理，由TecPlot進行后處理?！?2】 5.2 模型網(wǎng)格劃分與邊界條件初定義 利用前處理軟件Gambit對模型進行三維網(wǎng)格劃分，對面和體做邊界定義。體網(wǎng)格劃分時，選擇Trid（四面體網(wǎng)格）。而根據(jù)氣流的進出確定，入口邊界為壓力進口（pressure inlet），出口邊界為壓力出口（pressure outlet），管壁定義為壁（wall）。 5.2.1 進氣總管分析 單獨建立進氣總管模型，分析限流閥處的空氣流動狀態(tài)，在相同邊界條件下的，不同形狀的模型對進氣系統(tǒng)的影響。主要分析了不同長度的進氣總管對進氣系統(tǒng)的影響。參考變量為air flow rate、壓強云圖、速度云圖。以下為結(jié)果。 （1）進氣總管長度為150mm 圖5.1 進氣總管長度為150mm的壓強云圖 限流閥中心處將會出現(xiàn)最低壓力-4.68e+05，形成的壓強差將使得空氣不斷流入。 圖5.2 進氣總管長度150mm的速度云圖 由于限流閥處的截面面積最小，此處的空氣收斂，使得速度得到了極大的增加。保證了進氣效率，從而也增加了進氣慣性，可以在進氣門處形成慣性增壓。最大速度為9.70e+02m/s，出現(xiàn)在限流閥中心處。 （2）進氣總管長度為280mm 圖5.3 進氣總管長度為280mm的壓強云圖 最低壓強同樣出現(xiàn)在限流閥處-3.65e+05。所以形成的壓差不及150mm的進氣總管。 圖5.4 進氣總管長度280mm的速度云圖 限流閥處所形成的最高速度也不及150mm 的進氣總管。所以對比發(fā)現(xiàn)150mm 的進氣總管性能優(yōu)于280mm 的進氣總管。 最后可用mass flow rate驗證。 總管長度150mm 總管長度280mm 5.2.2 穩(wěn)壓腔分析 以3L和5L的穩(wěn)壓腔作為對比分析的對象。同樣以air flow rate、壓強云圖、速度云圖，作為參考變量?！?3】 （1）穩(wěn)壓腔體積為3L： 圖5.5 總管與穩(wěn)壓腔的截面圖—速度云圖 最大速度能達到2.13e+03m/s，經(jīng)過擴散嘴擴散后，穩(wěn)壓腔被迅速填滿，此時穩(wěn)壓腔內(nèi)的速度最低也能達到106m/s。 圖5.6 總管與穩(wěn)壓腔的截面圖—壓強云圖 從進氣入口到穩(wěn)壓腔，壓力由高變低，再變高。高速流動的氣體不斷在穩(wěn)壓腔內(nèi)積累，不僅保證了進氣量，同時也產(chǎn)生了進氣壓力，可以提高進氣效率。 （2）穩(wěn)壓腔體5L： 圖5.7 總管與穩(wěn)壓腔的截面圖—速度云圖 穩(wěn)壓腔體積過大使得空氣在經(jīng)過限流閥后，速度迅速降低，能量損失嚴(yán)重。使得腔體內(nèi)的速度整體都低于3L的穩(wěn)壓腔。 圖5.8 總管與穩(wěn)壓腔的截面圖—壓強云圖 穩(wěn)壓腔的壓強沒有回升，過大的體積使得空氣在穩(wěn)壓腔無法形成一定的進氣壓力。最后分析結(jié)果是3L的穩(wěn)壓腔明顯好于5L的穩(wěn)壓腔?？捎肕ass flow rate驗證。 穩(wěn)壓腔體積3L 穩(wěn)壓腔體積5L 5.2.3 進氣歧管長度分析驗證 通過公式已初步驗證計算了歧管的長度，但是空氣流速的值是通過仿真得到的，最后的結(jié)果同樣能吻合，說明此計算不存在錯誤?！?4】【25】 圖5.9 進氣歧管截面流速云圖 可以看到在歧管中的速度正好處在1.86e+02m/s到2.48e+02m/s之間，所以取200m/s為帶入數(shù)據(jù)完全合理。 6 進氣系統(tǒng)裝配 由于整個進氣系統(tǒng)存在加大的彎曲曲面，其他的加工方法難以加工且又保證加工精度。所以整個進氣系統(tǒng)將采用快速成型加工制作，該方法適合單件制作，且能保證加工精度，特別是能保證進氣系統(tǒng)的內(nèi)壁光滑。用螺栓與發(fā)動機機體固定，同時為減弱發(fā)動機振動對進氣系統(tǒng)的影響，在節(jié)氣門處引出一根固定桿與車架相連。 圖6.1 進氣系統(tǒng)的裝配效果圖1 空氣濾清器與限流閥開口的裝配使用金屬卡箍。限流閥開口，限流閥，限流閥擴散器由數(shù)控車床一體成型，此部分盡可不使用焊接，因為截面較小，焊接所以引起的內(nèi)壁粗糙將對進氣效果產(chǎn)生很大影響。擴散器末端與穩(wěn)壓腔連接處采用焊接，穩(wěn)壓腔與四根進氣道用焊接相連，進氣道與發(fā)動機按照規(guī)則要求使用螺栓螺母連接，為防止振動引起的松動，選用尼龍防松螺母。圖6.1為此次進氣系統(tǒng)設(shè)計成品在發(fā)動機與車架上的裝配效果圖。 圖6.2 進氣系統(tǒng)的裝配效果圖2 7 結(jié)論與展望 本論文進行了對FSAE賽車的進氣系統(tǒng)設(shè)計與分析，建立了進氣系統(tǒng)的實體模型，并在Fluent下對進氣系統(tǒng)做了空氣動力學(xué)分析，通過模擬驗證了進氣系統(tǒng)各參數(shù)設(shè)定的可行性，結(jié)果表明，所設(shè)計的進氣系統(tǒng)能夠滿足賽車的要求。 FSAE賽車的進氣系統(tǒng)從大賽規(guī)則角度出發(fā)，目的在于限制發(fā)動機的性能，從而提出了限流閥的應(yīng)用，及其固定不變的相對位置要求，也就是說，裝有限流閥的進氣系統(tǒng)將使發(fā)動機性能大大低于其原廠的設(shè)定。然而，從學(xué)生設(shè)計FSAE賽車進氣系統(tǒng)的目的則是盡可能降低限流閥對發(fā)動機性能造成的負(fù)面影響，甚至是使用增壓的方式突破對限流閥引起的發(fā)動機性能削弱，獲得比原裝發(fā)動機更高的動力。 本次研究已對進氣系統(tǒng)的流體動力學(xué)模擬和諧振進氣轉(zhuǎn)速做了分析及計算。在今后的研究中還應(yīng)通過FLUENT軟件，模擬進氣系統(tǒng)的一維參數(shù)設(shè)定對發(fā)動機輸出性能的曲線的影響，并結(jié)合發(fā)動機臺架試驗獲得驗證。在長期的調(diào)試中，進氣系統(tǒng)，排氣系統(tǒng)以及ECU電控模塊將得到更好的匹配，發(fā)揮發(fā)動機的性能潛力。 33 參考文獻 [1] 陳家瑞. 汽車構(gòu)造[M]. 北京：人民交通出版社，2000 [2] 劉維信. 汽車設(shè)計[M]. 北京：清華大學(xué)出版社，2001 [3] 余志生. 汽車?yán)碚揫M]. 北京：機械工業(yè)出版社，2009 [4] 林學(xué)東.汽車動力匹配技術(shù)[M].北京:中國水利水電出版社.2010 [5]過學(xué)訊，鄧亞東．汽車設(shè)計[M] ．北京：人民交通出版社，2005. [6] 顧伯良等譯.BOSCH汽車工程手冊[M].北京: 北京理工大學(xué)出版社,2004 [7] Carroll Smith. TUNE TO WIN [M]. United States：Aero Publishers, Inc. 1978 [8] 關(guān)文達. 汽車構(gòu)造[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，2006 [9] 汽車標(biāo)準(zhǔn)匯編[M]. 上海：中國汽車技術(shù)研究中心標(biāo)準(zhǔn)化研究所出版社，2000 [10] 龔為寒. 汽車現(xiàn)代設(shè)計制造[M]. 北京：人民交通出版社，1995 [11]江帆,黃鵬著.Fluent 高級應(yīng)用與實例分析[M].北京:清華大學(xué)出版社,2008. [12] 張洪欣.汽車設(shè)計(第2版)[M].北京：機械工業(yè)出版社,1995 [13] William F. Milliken ,Douglas L. Milliken.Race .Car Vehicle Dynamics[M] United States: SAE international ,1995 [14] 王望予. 汽車設(shè)計[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，2009 [15] 汽車工程手冊編輯委員會.汽車工程手冊(設(shè)計篇) [M].北京：人民交通出版社,2001 [16] 周龍保.內(nèi)燃機學(xué)[M].北京: 機械工業(yè)出版社,2006 [17] Badih A.Jawad.Formula sae dual plenum induction system design [M]. Society of Automotive Engineers,Inc. 2002 [18] 張凱，王瑞金，王剛. Fluent技術(shù)基礎(chǔ)與應(yīng)用實例（第2版）[M].北京：清華大學(xué)出版社，2010 [19] 李理光.中國大學(xué)生方程式汽車大賽規(guī)則[M].北京：中國汽車工程協(xié)會，2011 [20] 吉林工業(yè)大學(xué)內(nèi)燃教研室.內(nèi)燃機理論與設(shè)計上冊[M].北京:機械工業(yè)出版社,1975 [21] W.J.D.安南德,G.E.羅埃.內(nèi)燃機中的氣體流動[M].北京:中國農(nóng)業(yè)機械出版社,1988 [22] Philip H.Smith,John C.Morrison. Scientific design of exhaust&intake systems, [M]. Ohio: UpperSaddle River,New Jersey Columbus,2004 [23] Smith, Carroll.Tune To Win[M].Aero Publishers,1978 [24] 朱紅鈞，林元華，謝龍漢. Fluent 流體分析及工程仿真實用教程[M]. 北京:人民郵電出版社,2010 [25] 錢汝鼎.工程流體力學(xué)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社,1989 一、題目來源、目的、意義 本題目為設(shè)計類實際課題，來源于中國大學(xué)生方程式設(shè)計大賽，為我校第 五屆大學(xué)生方程式賽車（FSC）設(shè)計制造的項目。大學(xué)生方程式賽，是上世紀(jì) 70 年代由美國汽車工程師協(xié)會發(fā)起，致力于培養(yǎng)汽車方向的大學(xué)生各方面綜合能 力。競賽內(nèi)容包括靜態(tài)項目和動態(tài)項目，靜態(tài)項目包括車檢，設(shè)計報告，營銷 報告，成本分析報告等，動態(tài)項目包括直線加速，高速避障，耐久賽等。賽車 設(shè)計能培養(yǎng)學(xué)生的工程實踐能力，管理能力，成本控制能力等，賽車設(shè)計也必 須嚴(yán)格遵守賽事規(guī)則，在滿足規(guī)則的基礎(chǔ)上發(fā)揮創(chuàng)造力。進氣系統(tǒng)應(yīng)盡可能提 高充氣效率、產(chǎn)生進氣諧振是此次設(shè)計的主要目的。排氣系統(tǒng)應(yīng)盡量選擇合適 的排氣背壓，選擇合適的消聲器，滿足賽事噪聲要求。 二、主要工作內(nèi)容 （1）查閱相關(guān)文獻資料，熟悉進氣系統(tǒng)的相關(guān)資料，尤其是賽車進氣系統(tǒng)。 （2）根據(jù)賽事要求及發(fā)動機組的協(xié)調(diào)，完成進氣系統(tǒng)的建模計算，完成關(guān)鍵 零部件的設(shè)計、建模和分析。 （3）利用建模軟件對進氣系統(tǒng)關(guān)鍵零部件進行三維模型，并與整車裝配；利 用有限元軟件對進氣管進行流體力學(xué)分析與優(yōu)化。 （4）繪制制動系統(tǒng)裝配圖、零件圖，完成裝配、調(diào)試賽車的任務(wù)； （5）撰寫畢業(yè)論文說明書，完成畢業(yè)設(shè)計（論文）。 三、主要技術(shù)指標(biāo)（或主要論點） 進氣限流閥直徑(mm)：20 選擇發(fā)動機型號：Aprilia SXV 550 著火順序：1-2，壓縮比：13:1 ECU：賽車MOTEC編程 最高車速(km/h) ：<= 120 排氣噪聲(dB)：<=110 四、進度計劃 2014.2.20~2014.2.31 收集有關(guān)資料，了解國內(nèi)外方程式賽車進氣系統(tǒng)的設(shè)計 要求和設(shè)計步驟，完成外文資料翻譯。 2014.3.01~2014.4.15根據(jù)賽事要求及發(fā)動機組的協(xié)調(diào)，完成進氣系統(tǒng)的建模 計算， 完成關(guān)鍵零部件的設(shè)計、建模和分析。 2014.4.16~2014.5.15利用建模軟件對進氣系統(tǒng)關(guān)鍵零部件進行三維模型，并 與整車裝配；利用有限元軟件對進氣管進行流體力學(xué)分析與優(yōu)化。 2014.5.16~2014.6.05繪制制動系統(tǒng)裝配圖、零件圖，完成裝配、調(diào)試賽車的任 務(wù)。 2014.6.06~2014.6.20 論文裝訂、答辯準(zhǔn)備及畢業(yè)答辯。 五、主要參考資料（外文資料至少一篇） [1]過學(xué)訊，鄧亞東．汽車設(shè)計[M] ．北京：人民交通出版社，2005. [2]王望予．汽車設(shè)計[M]．北京：機械工業(yè)出版社，2004. [3]陳家瑞，馬天飛.汽車構(gòu)造（下冊）[M].北京：人民交通出版社，2006. [4]江帆,黃鵬著.Fluent 高級應(yīng)用與實例分析[M].北京:清華大學(xué)出版社,2008. [5]李理光.中國大學(xué)生方程式汽車大賽規(guī)則[M].中國汽車工程協(xié)會 2014. [6]錢汝鼎.工程流體力學(xué)[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,1989. [7]Formula sae dual plenum induction system design [M].SAE Technical Paper Series 2002. 六、系審批意見 系主任（簽名）: 七、院領(lǐng)導(dǎo)審核意見 院領(lǐng)導(dǎo)（簽名）: 八、學(xué)生實際完成日期 九、同組設(shè)計（論文）者 36