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FSAE赛车发动机进排气系统优化设计
2020-04-10 20:11:28· 来源：《汽车文摘》2019年第9期，汽车NVH之家
摘要：为提高FSAE（Formula SAE）赛车的性能，对其发动机进排气系统进行数值仿真，获得优化设计方案。利用FLUENT对限流阀流场进行计算，得到流量损失最小的入口
摘要：为提高FSAE（Formula SAE）赛车的性能，对其发动机进排气系统进行数值仿真，获得优化设计方案。利用FLUENT对限流阀流场进行计算，得到流量损失最小的入口和出口锥角。运用GT－Power软件建立发动机仿真分析模型，通过实测外特性曲线比对验证模型的准确性；以发动机进排气系统结构尺寸作为单一变量，分析发动机进排气歧管几何参数对发动机动力性能的影响规律，根据所得参数提出优化设计方案。通过对比分析可知优化后发动机的功率、最大扭矩均有较大的提升，同时峰值扭矩的输出转速区域加宽，输出更加平稳，最大扭矩增加11.6%。另外，峰值功率对应的转速点向高转速移动，弥补了安装进气限流阀对发动机动力性能下降的影响，达到了设计要求。
引言
发动机的进排气系统设计对车辆动力性、燃油经济性评价指标—功率和油耗的影响较大[1]。中国大学生方程式汽车大赛（FSAE）按赛事规则[2]要求，发动机进气系统用限流阀的安装直径为20 mm，这种进气系统布置结构对发动机的动力性有较大影响，会导致赛车在动态项目中发动机低速时扭矩和高速时功率的提升。对于自然吸气发动机通过进排气系统的结构参数优化设计，减少流动阻力，增加进气量，解决动态赛中低速扭矩小，高速功率和充气效率低的问题，提升动力性。
由于赛车发动机受试验条件、研发成本等诸多因素限制，发动机性能仿真技术日趋成熟，逐渐成为发动机设计研究的主要辅助手段，各院校参赛车队对此进行了大量的研究。吉林大学[3]利用GT-Power对3种不同结构的进气限制器进行了分析计算，3种限制器对发动机性能影响差异较大，其进出口延伸角及半径是影响发动机性能的最主要因素。长安大学[4]采用GT－Power建立发动机工作过程循环模拟与三维CFD流场分析相结合，优化进气系统，提高了发动机功率、扭矩以及充气效率，提高了发动机的动力性。西华大学[5]运用GT－Power分析了发动机进气歧管长度及稳压箱容积对发动机动力性能的影响规律。
为了提升限流阀存在情况下发动机的动力性能，本文研究进、排气歧管长度和稳压腔容积变化对赛车发动扭矩、功率以及充气效率的影响规律。利用CATIA软件建立了发动机CBR600RR相匹配的进排气系统三维模型，将三维CFD流场分析与发动机工作过程循环模拟相结合，提出进排气系统的优化设计方案，为西安理工大学FSAE赛车发动机系统设计提供理论依据，使得西安理工大学方程式赛车在2017赛季中总成绩排名位列同济大学之后北京理工大学之前，其中设计成绩、高速避障成绩、效率测试成绩在西北参赛高校中位列陕西第一。
1 仿真模型的建立
1.1 模型建立
所研究对象为CBR600RR发动机，在其基本技术参数的基础上建立发动机性能仿真模型。发动机技术参数如表1所示。
表1 CBR600RR发动机技术参数
利用GT-Power进行发动机进排气系统的流动模拟计算，采用有限容积法解析控制方程；运用韦伯燃烧模型[6]放热规律模拟燃烧；缸内热传导模型采用Woschni模型[7]。
（1）流动方程[7]
式中：u为气体流速；ρ为气体压力；F为管截面积；f为管壁摩擦阻力；D为当量直径；a为气体流速加速度；k为传热系数；q为辐射能。
（2）燃烧模型[6]
式中其中Q为总的燃烧放热量，ao为气体流速；m为形状因子；Δac为燃烧持续期。
（3）传热模型[7]
式中：Cf为气体流速；Ucff为边界层外有效速度；Cp为气体比热容；Pr为普朗克数。
根据上述原理，利用GT-Power软件建立的发动机性能仿真模型包括进气系统、排气系统、喷油部件、气缸和曲轴箱等[8]，模型如图1所示。
图1 发动机工作过程仿真分析模型
1.2 模型验证
通过对比图2可知，利用仿真模型进行发动机动力性计算得到的外特性曲线与实测得到的外特性曲线存在一定的差别。原机实测的最大功率比模型的最大功率大3 kW左右；原机实测的最大扭矩比模型的最大扭矩同样大3 N·m左右；原机实测最大功率对应的转速与模型的相同，原机模型功率和扭矩与实测值具有相同的趋势，模拟结果比实测结果略小，最大偏差小于10%。说明采用该模型进行仿真计算比较准确，采用该方法对该款发动机工作过程模型可用于不同进排气系统对发动机动力性能影响的计算分析。
图2 发动机外特性实测、模拟对比图
2 发动机进排气系统的布置方案
2.1 限流阀优化设计
FSAE发动机动力性能发挥的优劣与进气系统布置方式及其结构参数有着很紧密的关系[9-11]。安装限流阀后，由于进入气缸的进气量低于正常进气所需的进气量，造成功率、扭矩下降。限流阀的整体几何扩散形状对进气压力的变化与恢复有很大的影响，我校FSAE赛车限流阀安装于节气门与稳压腔之间，如图3所示。
图3 进气系统布置方案
节气门选择开度流量线性口径的双滚筒式[12]，这样可以减少因截面突变带来的能量损失，限流阀入口直径设置28 mm，喉口处直径（赛事规则要求）设置20 mm，出口直径（布置空间限制要求）设置50 mm。为了有效地将限流阀本身对进气流速和进气压力造成的损失降至最低。需要对限流阀进口锥角与出口锥角进行优化设计，分别配合不同入口锥角与出口锥角，运用进行FLUENT流场分析，如表2和表3所示，计算得到流量、压力、速度，并做比较，选定限流阀最佳的结构参数。
表2 不同出口锥角限流阀分析结果
表3 不同入口锥角限流阀分析结果
综合速度矢量图、压力云图和质量流量表可知，当入口锥角为18°、出口锥角为9°时限流阀出口流量最大，空气流量损失最小，故该参数为最佳锥角数值。
2.2 进气系统结构形式
进气系统结构模型如图4所示，主要包括：进气口、限流阀、进气总管、稳压腔、进气歧管。空气通过空气滤清器流经限流阀后进入稳压腔，进气歧管对称布置，稳压腔内加装风杯。
图4 进气系统模型
2.3 排气系统
排气管模型与实物皆是参照Honda CBR600RR原机排气管结构尺寸制作，设计原则主要是利用气流的惯性和振动让排气门附近的压力降低，选择弯曲处曲率半径大的弯头，以减少排气阻力，使排气更加顺畅，提高发动机的充量系数[13]。同时兼顾结构布置空间的考虑，模型如图5所示。
图5 排气管结构模型
3 仿真计算与分析
3.1 进气歧管长度对发动机性能的影响
根据进气管气流的惯性效应和波动效应[14]可知，合适长度的歧管长度可以有效的提高的充气效率。本文以进气歧管长度作为目标优化参数，模拟计算进气歧管长度为60 mm、70 mm、80 mm和90 mm的情况下，发动机扭矩、功率和充气效率随转速变化的曲线，如图6所示。
图6 进气歧管长度对发动机性能的影响
由图6（a）和（b）可知：进气歧管长度从60 mm增加至90 mm时，在7 000～13 000 r/min的转速区间对发动机的动力性有较大影响，在该转速区间随着进气歧管长度减小，扭矩、功率输出有明显提升，峰值功率相对应的转速也有所提高，但存在的扭矩、功率波动，进气歧管长度为60 mm时，9 000 r/min转速附近的功率、扭矩曲线均出现了较明显的波谷。由图6（c）可知，充气效率随转速变化的曲线与扭矩曲线走势基本一致。
3.2 稳压腔容积对发动机性能的影响
在分析稳压腔容积变化对动力性能的影响时，以稳压腔的容积作为单一变量，分别设置为2.5 L、2.8 L、3.0 L、3.2 L、3.5 L，计算得到扭矩-转速曲线和功率-转速曲线如图7所示。由图7（a）和（b）可以看出：随着稳压腔容积从2.8 L增加至3.5 L时，发动机的功率和输出扭矩在5 000～8 000 r/min区间内有极少量的降低，在8 500～11 000 r/min区间内有小幅度的降低；稳压腔容积为3.2 L时，发动机动力性表现较为优异。
图7（c）表明：当稳压腔容积增加到3.2 L，在7 000～9 500 r/min转速区间，充气效率较高，进气歧管可以平稳地把气流吸入气缸。当容积增加到3.5 L，充气效率在7 000～9 500 r/min转速区间内提升极小，有可能由于节气门响应迟滞导致，因此，稳压腔容积选择3.2 L作为最优设计参数。
图7 稳压腔容积对动力性能的影响
3.3 排气歧管长度对发动机性能的影响
排气歧管长度影响排气管道的压力波，为了有效提升发动机动力性，可以利用压力波动态效应优化排气歧管长度，使得发动机的残余废气系数减低，充量系数提高。考虑到发动机应具有良好的排气动力效应及发动机舱空间的限制和赛事规则对排气管布置的要求，利用GT－Power进行分析排气歧管长度对发动机功率、扭矩和充气效率的影响，结果如图8所示。
从图8（a）和（b）可知，在6 500～9 500 r/min转速区间，单一改变排气歧管长度对发动机动力性提升影响不大，其影响程度没有同条件下进气歧管的影响大。排气管歧管长度增加至500 mm时，在9 500～11 000 r/min转速区间，对功率、扭矩有较为明显提升，但在5 000～8 000 r/min转速区间，功率、扭矩存在较大的波动。在300～500 mm的长度范围，当排气管歧管长度设置为400 mm时，发动机功率、扭矩有较好的输出，选择排气歧管长度为400 mm最为最终设计结果。从图8（b）和（c）可知，排气管歧管长度为500 mm，在6 000～6 500 r/min转速区间，扭矩、充气效率具有一定波动，推断排气压力波在该转速区间时，形成了谐振效应，导致此转速点排气阻力骤然增加，动力性显著下降。
图8 排气歧管对发动机性的影响
3.4 优化前后对比
综合分析结果并兼顾整车布置需求，将限流阀入口锥角设置为18°、出口9°、进气歧管长度70 mm、稳压腔3.2 L和排气歧管长度400 mm作为最终设计结果。与2016赛季参数进行对比，结果如图9所示。优化后发动机的峰值扭矩有所提高，并且峰值扭矩的输出转速区域加宽，输出更加平稳，最大扭矩增幅可达11.6%。优化后发动机功率峰值相比2016赛季有大幅提高，且峰值功率对应的转速也有所推迟，在10 000～15 000 r/min转速区间的高转速区域发动机的功率提升较为明显。
图9 优化前后对比
4 结论
（1）本文借助ANSYS/FLUENT完成不同进出口参数的下限流阀进行流场分析，得出最优参数组。结合分析得到的限流阀参数，借助GT－Power完成CBR600RR发动机一维模型的建立，建立的发动机工作过程仿真模型能够准确模拟发动机的实际运行工况。
（2）本文利用GT－Power软件对FSAE赛车发动机模型进行计算，分析对比了进、排气歧管长度和稳压腔容积变化对赛车发动扭矩、功率以及充气效率的影响规律。找到了最佳设计参数，并进行了多种参数相结合优化，达到了更加合理的效果，对发动机系统进行了合理有效的改进。
（3）本文在分析进排气管各参数时，采用单一变量的原则，未考虑到各参数交叉组合对发动机动力性的影响，因此存在一定的局限性。 
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