FSAE赛车发动机进气系统优化设计_张欣欣

doi：10．3969／j．issn．1673－3142．2013．09．006

FSAE赛车发动机进气系统优化设计

张欣欣，文健康，冯策，祁华宪，李晓刚

（210031江苏省南京市南京农业大学工学院）

［摘要］根据大学生方程式赛事对赛车发动机进气限流的规定，并结合南京农业大学宁远车队以往参赛的经验，对新赛季赛车发动机进气系统进行优化设计。对进气系统形式及其相关部件参数进行选择，并通过GT－Power软件所建立的发动机模型，进一步确定进气总管长度与稳压腔体积这两个参数。利用CATIA软件建模和有限元分析、Fluent软件仿真分析，对进气系统做了结构和力学性能方面的优化。［关键词］FSAE赛车；进气系统；仿真；优化［中图分类号］TK413．4＋4

［文献标志码］A

［文章编号］1673-3142(2013)09-0020-05

OptimizationofEngineIntakeSysteminaFSAERacingCar

ZhangXinxin，WenJiankang，FengCe，QiHuaxian，LiXiaogang

（EngineeringCollege，NanjingAgriculturalUniversity，NanjingCity，JiangsuProvince210031，China）

［Abstract］AnengineintakesystemwasdesignedforanewFSAEcarinthispaper，accordingtothelimitofFSCrulestoen-

gineintakesystemandtheexperiencesofNingyuanRacingTeamofNanjingAgriculturalUniversity．Afterchoosingtheformoftheintakesystemandtheparametersoftherelevantparts，enginemodelwasconstructedandsimulatedonGT－powersoftwaretodeterminetwoparametersofthelengthoftheairintakemanifoldandthevolumeofthepressurestabilizingcavity．The3DmodeloftheintakesystemwasbuiltandthefiniteelementanalysiswasdonebasedonCATIAsoftware．SimulationofairflowfieldwasconductedonthebasisofFluentsoftware．Therefore，thegeometryandmechanicalperformanceswereoptimizedfortheintakesystemoftheFSAEcar．

［Keywords］formulaFSAE；engineintakesystem；simulation；optimization

0引言

大学生方程式汽车大赛（简称“FSAE”）是由

求对该发动机进气系统进行优化设计。

1进气系统方案的确定

进气系统作为发动机的供给系统，主要包含

美国汽车工程协会举办的一项方程式赛车比赛。在该项赛事中，要求由设计团队按照比赛规则设计、制造和测试一辆小型方程式赛车。影响赛车性能的核心部件为发动机，而发动机的进气系统对于发动机性能有着非常重要的影响。赛式规则中，对于进气系统主要有4点要求：①进气系统不得超出外框；②节气门必须为机械控制；③进气歧管必须用支架或机械固定；④必须在进气系统节气门与发动机之间加装限流阀，并且所有进入发动机气缸的进气气流应流过该限流阀（最大直径

1．1进气系统基本结构

了空滤器、节气门、进气总管、进气歧管、进气门。

1．2进气形式的确定

进气方式主要有自然进气、涡轮增压、机械增压三大类。涡轮增压和机械增压均能增加充气效率［3］。但涡轮增压会使发动机的零部件长期处于高负荷状况，零部件易受损，导致日后的维护成本较高，维修也不方便；更大的弊端是在低转速下涡轮有迟滞现象，输出不线性，不利于操控。机械增压则需要对发动机内部进行改动，效率不如涡轮增压。反观自然进气，虽然没有增压器，但可以通过改变进气管长度提高充气效率。根据赛事规则与参赛内容，发动机常处于中低转速工况。因此，确定进气方式为自然吸气。

20mm，且截面不能发生变化）［1］。

根据国外赛车发动机的选用情况［2］，南京农业大学工学院宁远车队将选用HondaCBR600RR摩托车发动机为赛车发动机，并根据赛事规则要

项目来源：国家大学生创新性实验计划项目（项目编号：1230B01）收稿日期：2013－05－21

修回日期：2013－05－30

1．3进气管形式的确定

本文采用对称布置的进气管形式，如图1所

第51卷第9期张欣欣等：FSAE赛车发动机进气系统优化设计

21

示，其中箭头所示为气流方向。这种布置形式有利于各缸的进气平衡。在赛车行驶时，由于进气系统最前端逆着气流方向，使得进气口的撞风量大。另外，这种形式的进气管与进气歧管上没有凹面，受力更均匀，能更好地配合节气门体，改善喷油效果，增强稳压腔的刚性，提高进气系统的稳定性，并能减少回火等不良现象发生。

动机排量，且经发动机外特性仿真，得出在2～5倍排量时发动机动力曲线上升，在6～8倍时出现下降［8］。因此，对于排量为599mL的CBR600发动机，其稳压腔体积初步定为3L（5倍的发动机排量）和3．6L（6倍的发动机排量）。

2．4进气歧管长度

进气歧管的长度对充气效率的影响相当显著。由于进气歧管存在进气谐振效应，根据L＝

30a／（nq）大约计算进气歧管的长度［9］，其中a为进气歧管内的音速，取a＝340m／s；n为发动机转速，本文取9000r／min；q为波动系数，其值为q＝1．5，2．5，3．5，…（考虑到布置空间取q＝3．5）。

计算得出进气歧管的长度为320mm。由于发动机上进气道的长度约为70mm，所以发动机外

图1进气管形式

部进气歧管的长度为250mm。

Fig．1Formofintakepipe

2．5进气歧管直径

进气歧管下端要与发动机上的原装节气门体装配，根据CBR600发动机的节气门体口径为

2进气系统各部件基本参数的选择

对于汽油机而言，进气量的多少直接决定发

45mm，初步选定直径为45mm。

动机性能的高低［4］。进气系统存在着进气谐振效应［5］。由于赛车采用自然吸气，所以能否通过合理的进气歧管进气谐振效应来提高发动机的充量系数显得非常关键。而影响进气系统谐振效应的因素主要是进气歧管的长度和稳压腔的容积。

［6］

3进气系统仿真分析

利用GT－Power软件建立CBR600的发动机

3．1进气总管长度和稳压腔体积的分析确定

在工作时的仿真模型，包括进气系统、排气系统、喷油部件、气缸和曲轴箱等，如图2所示。

2．1节气门口径

节气门必须为机械控制，故选择最常见的蝴蝶阀节气门，利于拉线控制。使用口径为45mm的文氏管节气门时，因为节气门口径过大，会出现一定程度上的油门迟缓现象。为保证足够进气量和较快的油门响应，最终调整的节气门口径为40mm，以减少进气截面面积，提高进气量。

3．1．1进气管长度的分析确定

2．2进气总管长度

进气总管中将有一段起到限流阀的作用，所以总管的结构大体为文氏管（进气管截面渐缩渐扩）。收缩的截面可迅速提高气流的速度，同时整合紊乱气流。进气管过长，影响高速时发动机的功率获得；进气管过短时，则使得发动机处于低速运转状况时性能较差。根据赛事要求，初步选定4个数值：300，250，200，150mm进行对比分析。

图2CBR600发动机工作过程仿真模型

Fig．2SimulationmodelofworkingprocessofCBR600engine

进气管长度直接影响着充气效率，在进气管型腔优化计算中，需将进气管长度作为目标参数进行优化。仿真得到了不同进气管长度下，充气效率、转矩、功率随发动机转速变化的曲线，如图3～图5。

2．3稳压腔体积

FSAE赛车稳压腔的体积一般不小于3L［7］。

稳压腔体积经优化后，其数值一般为2～8倍的发

22

57．5

农业装备与车辆工程

L－300mmL－250mmL－200mmL－150mm2013年

动机的动力性影响不是很大，但是接近7000r／

指示转矩／（N·m）54．551．548．545．542．5

25004500650085001050012500min时，对于长度为150mm的进气管，其动力性

更好。因此，确定发动机的进气总管长为150mm。

3．1．2稳压腔体积的分析确定

稳压腔容积的变化对充气效率、功率、转矩的影响很小，尤其在低转速1000～2500r／min，几乎没有影响。在大部分转速内（2000～6000r／min），稳压腔直径越小，充气效率、转矩、功率越大。而在

发动机转速／（r／min）

图3进气管长度变化对转矩的影响

Fig．3Influenceofintakepipelengthchangetoindicatedtorque

60

6000r／min以上倾向选择较大的稳压腔。实际

上，当稳压腔直径过小时，相当于一段进气管而起不到稳压腔的作用。

在稳压腔优化计算中，需将稳压腔体积作为目标参数进行优化。对于稳压腔体积分别为3L与3．6L，仿真得到充气效率、转矩、功率随发动机

指示功率／kW504060201025004500650085001050012500L－300mmL－250mmL－200mmL－150mm转速变化的曲线如图6～图8所示。

由图6和图7可知，发动机处于2500～7000

发动机转速／（r／min）

图4进气管长度变化对功率的影响

Fig．4Influenceofintakepipelengthchangetoindicatedpower

0．810．80

r／min时，稳压腔体积变化对发动机的转矩和功

率的影响较小。由图8可知，发动机处于2500～

充气效率0．790．780．770．7625004500650085001050012500L－300mmL－250mmL－200mmL－150mm4500r／min时，稳压腔体积变化对发动机充气效

率的影响很小，但当发动机处于6500r／min左右时，稳压腔容积为3L时的充气效率明显比为稳压腔体积为3．6L的高。综合图6～图8考虑，最终确定稳压腔的体积为3L。

3．2进气系统结构的优化改进

57．5

发动机转速／（r／min）

指示转矩／（N·m）图5进气管长度变化对充气效率的影响

54．551．548．545．5

42．5

250045006500V－3．6LV－3LFig．5Influenceofintakepipelengthchangetovolumetricefficiency

由图3知，当发动机转速在2500～6800r／min与9000～11000r／min时，进气管长度对发动机转矩的影响不大；当发动机转速在7000～9000r／min与大于11000r／min时，进气管长度变化对发动机转矩有影响，进气管越长转矩越高；当进气管长度为150mm时，发动机在6500r／min时的转矩最大。由图4可知，尽管在高转速时有一点的影响，进气管长度变化对发动机的功率的影响不大。由图5可知，在2500～6000r／min时，管越长充气效率越大；在6000～6800r／min时，进气管越长充气效率反而越低；而大于6800r／min时，充气效率又随着进气管长度的增长而增大。

85001050012500发动机转速／（r／min）

图6稳压腔容积变化对转矩的影响

Fig．6Influenceofvolumeofthepressurestabilizingcavitytoindicatedtorque

60

指示功率／kW50406020

10

25004500650085001050012500V－3．6LV－3LFSAE赛车在比赛时发动机转速常处于2000～7000r／min，综合分析图3－图5可知，发动机转

速处于2000～7000r／min时，进气管长变化对发

发动机转速／（r／min）

图7稳压腔容积变化对功率的影响

Fig．7Influenceofvolumeofthepressurestabilizingcavitytoindicatedpower

第51卷第9期

0．810．80

张欣欣等：FSAE赛车发动机进气系统优化设计

V－3．6LV－3L23

充气效率0．790．780．77

0．76

25004500650085001050012500发动机转速／（r／min）

图8稳压腔容积变化对充气效率的影响

图11优化后的压力图

Fig．11Pressurefigureafteroptimization

Fig．8Influenceofvolumeofthepressurestabilizingcavitytovolumetricefficiency

4个缸进气歧管直径为45mm时，对建立的

模型进行Fluent流体分析，得进气系统的流场压力场如图9～图10。

分析图9～图10可知，二缸与三缸的进气压

图12优化后的速度图

Fig．12Speedfigureafteroptimization

图9优化前的压力图

Fig．9Pressurefigurebeforeoptimization

图13优化前结构力学图

Fig．13Structuralmechanicsfigurebeforeoptimization

由图13分析得出，整个稳压腔应力应变较大，有应力集中的现象，且在极限工况时变形大。

优化后的材料、前壁厚度和稳压腔边缘倒角直

图10优化前的速度图

径保持不变，主要是将稳压腔壁厚加厚，圆周面加厚为6mm，两侧面加厚为7mm，其它进气管加厚为5mm，稳压腔两侧面倒角直径增大为10mm。利用CATIA对其进行结构力学分析，如图14。

Fig．10Speedfigurebeforeoptimization

力和进气速度均明显高于一缸与四缸，导致4个缸的进气量不同，4个缸工作状况不同。若没有对

ECU的喷油进行调节，会导致二缸与三缸工作负

荷加大，使得发动机工作不稳定，动力不足，寿命减短。因此，将一缸与四缸进气歧管与稳压腔连接处进气歧管直径扩大至65mm，分析其流场压力场如图11～图12。

分析图9～图12，优化后四缸的压力变化不大，但流经4个进气管的气流速度相对均匀，使得四缸进气量近似相同，进气腔稳压效果更好。

优化前材料为PC工程塑料，前壁厚为4mm，稳压腔壁边缘倒角直径为6mm。利用CATIA对其进行结构力学分析，如图13。

图14优化后结构力学图

Fig．14Structuralmechanicsfigureafteroptimization

分析可知，稳压腔内应变幅度、应力集中现象明显改善，使得集中工况下的变形量减小，发动机运行时，进气系统的稳定性增强。

24

农业装备与车辆工程2013年

根据理论设计与仿真优化分析，最终确定进气系统的进气总管长度为150mm，稳压腔体积为

与Fluent软件对发动机进气系统进行建模，并仿真分析进气系统内的空气流速、压力及结构力学性能，从而确定进气系统结构。

参考文献

［1］［2］［3］［4］［5］［6］

中国大学生方程式汽车大赛规则2013公示板［Z］．

3L，进气歧管长度为250mm，一缸与四缸与稳压

腔连接处的进气歧管直径为65mm，二缸与三缸进气歧管直径为45mm。利用CATIA软件建立装配示意图，如图15。

PashleyT．Howtobuildmotorcycle－enginedracingcars［M］．U．k．：VelocePublishing，2008：10－12．

陈家瑞．汽车构造（上册）［M］．5版．北京：人民交通出版社，

2005．

王波，刘刚，刘亚奇．基于BOOST某汽油机增压后的性能优化［C］／／AVL用户年会会议论文集，2010．

林学东．发动机原理［M］．北京：机械工业出版社，2008：44－

46．

AVLBOOSTExampleVersion5．1［Z］．2008．

HamiltionLJ．Theeffectsofintakeplenumvolumeontheperformanceofasmallnaturallyaspiratedrestrictedengine［J］．SAEInt．J．Engines，2009，1（1）：1312－1318．［8］

图15进气系统装配示意图

［7］

Fig．15Assemblydiagramofintakesystem

4结束语

本文主要对南京农业大学宁远车队新赛季赛

CevizMA，AkinM．DesignofanewSIengineintakemani-foldwithvariablelengthplenum［J］．EnergyConversionandManagement，2010，51：2239－2244．

车发动机进气系统进行设计与优化。在进气系统的设计过程中，借助GT－Power软件建立发动机的工作模型，模拟进气系统的基本参数变化对发动机转矩、功率和充气效率的影响曲线，分析完成进气系统基本参数的最终确定。最后，利用CATIA

［9］乔安平．小型高速强化汽油机进气歧管设计计算［J］．内燃机．

1991（4）：7－9．

作者简介张欣欣（1991—），女，江苏南通人，南京农业大学车辆工程专业本科学生。

（上接第19页）

旋转刀盘和含阻尼弹性减振器旋转刀盘扭摆力学模型，通过数值计算获得了阻尼弹性减振器的减振效果。得出了以下结论：

工方便、含橡胶减振器旋转切割刀盘。

参考文献

1）普通刀盘轴的最大扭转幅值为4.5°，而含

阻尼弹性减振器的刀盘轴的最大扭转幅值仅为

[1][2][3][4][5]

王汝贵.甘蔗收割机圆盘式切割器工作参数优化研究[D].南宁：广西大学，2004.

邓丁科，区颖刚，李志伟.甘蔗收割机前进速度与切割器转速的匹配[J].农机化研究，2006(6):35-38.

张义民.机械振动[M].北京：清华大学出版社，2007.丁文镜.减振理论[M].北京：清华大学出版社，1988.周仕城，杨望，杨坚.一刀切断甘蔗动力学仿真试验[J].农业机械学报，2011,42(1):68-73

0.8°，约为普通刀盘的1／5，减振效果明显。

2）安装阻尼弹性减振器刀盘后，轴的扭转幅值的两个峰值点分别为500r/min和860r/min，这

两个峰值点之间恰好对应于甘蔗切割器正常的工作区间，这样最大程度地减少了作用在甘蔗切割器转轴上的扭转振幅，减小了切割器转轴的疲劳损伤，起到保护切割器转轴的作用，延长了甘蔗切割器转轴的使用寿命和疲劳寿命。

作者简介史伟（1988—），男，合肥工业大学机械与汽车工程学

院车辆工程在读硕士研究生，研究方向：汽车系统动力学与转子系统动力学。

魏道高（1965—），男，博士，副教授，合肥工业大学机械与汽车工程学院车辆工程系，主要研究方向：汽车系统动力学与转子系统动力学。

3）根据仿真计算的结果设计了结构简单、加