毕业设计（论文）-FSAE进气系统设计与分析.doc

上海工程技术大学毕业设计（论文） fsae赛车进气系统设计与分析目 录摘 要1abstract20 引言41 绪论41.1 大学生方程式汽车大赛简介41.2 汽车发动机进气系统的简介61.2.1 定义61.2.2 基本构成61.2.3 进气形式71.3 汽车发动机进气系统发展趋势81.4 fsae赛车进气系统与量产车比较111.4.1 fsae规则对进气系统限制111.4.2 fsae赛车进气系统主要构成131.5 国内外fsae赛车进气系统现状与发展142 进气系统方案设计162.1 进气系统设计流程162.2 确定进气形式182.3 确定进气系统材料与制造工艺222.4 节气门体类型选择233 设定进气系统各部件基本参数253.1 系统参数253.2 空气滤清器253.3 限流阀开口263.4 限流阀263.5 限流阀扩散器273.6 稳压腔283.7 进气道293.8.1 进气管方案一293.8.2 进气管方案二303.8.3 进气管方案三313.9 方案的论证与选择313.10 利用赫尔姆霍兹（helmholtz）进气谐振原理验算334 进气系统做流体动力学分析354.1 分析软件介绍354.2 模型网格划分与边界条件初步定义374.3 整体分析384.3.1 进气管方案二整体分析384.3.2 进气管方案三整体分析404.4 确定进气系统方案424.5 扩散器理想锥角的cfd模拟424.5.1 6锥角扩散器分析424.5.2 7锥角扩散器分析444.5.3 8锥角扩散器分析464.5.4 扩散器对比论证474.6 燃油雾化效果模拟485 进气系统制造工艺及装配485.1 零件制造485.2 装配与安装506 结论与展望526.1 结论526.2 展望53参考文献54译文56原文说明7174摘 要本毕业设计课题来自我校第二届fsae赛车项目课题。fsae赛事中文名称为大学生方程式赛，是上世纪70年代由美国汽车工程师协会发起，三十一年以来发展至世界各地，致力于培养汽车方向的大学生各方面综合能力。此项赛事结合了专业知识与工程实践能力，有利于提高大学生的汽车和零部件的自主研发能力。本文以2011年全国第二届fsae大学生方程式赛为背景，设计研发一辆符合参赛规则的方程式赛车。fsae赛车进气系统以减少进气阻力，增强发动机充气效率，增强动力的同时要使赛车手便于操控为目标，对进气系统进行合理的设计。通过调研国外资料并结合发动机特性确定进气形式，论文确定了赛车的进气设计方案，并对其进行详细阐述，再利用进气管设计公式计算所需工况的进气歧管参数，使用catia对进气管三维建模，根据建模后的几何参数，利用赫尔姆霍兹进气谐振原理对其进行验算，最后使用fluent进行仿真分析，结果表明，所设计的进气系统能够满足fsae赛车的要求，并根据仿真分析结果，进行几何形状优化。本文的主要工作是初步实现了在理论上对fsae赛车的进气系统做设计与分析，进一步了解fsae赛车发动机进气的设计要求和特点。这对fsae赛车发动机性能改进有着实际意义。关键词：发动机进气，设计，流体力学分析，fluent，文氏管intake design of fsae carabstractthis graduation project topic comes from the self-school second session of fsae vehicle race project topic. the sports event fsae in chinese name the university student formula match, was initiated in the 1970s by american automobile engineer, since 31 years have developed to the world, devote in raise automotive university student various aspects synthesizing capacity. this sports event unified the specialized knowledge and the project practical ability, is advantageous in enhancing university students self independent research and development ability in automobile and parts. this article take 2011 national second session of fsae the university student formula match as the background, the design researches and develops one to conform to the participative rule formula car. the goal of fsae racing car intake system is reducing the intake resistance, strengthen the engine charge efficiency, enhance the power at the same time must make the racing driver to be advantageous for the control, carries on the reasonable design to the intake system. the paper had determined racing cars intake design proposal, and unifies the engine performance determination intake form through the investigation and study overseas material, and carries on the detailed elaboration to it, needs the operating mode again using the intake tube design formula computation the intake manifold parameter, uses catia for the intake manifold modeling, after the modeling geometric parameter, this intake resonance principle carries on the checking calculation using helmholtz resonance principle to it, finally uses fluent to carry on the simulation. the result said that this design is accord with the demand of fsae,and the comparative analysis results and makes the optimization for its geometrical shape. the prime task of the article was realizes initially has made the design and the analysis theoretically to the fsae race cars intake system, further understood the fsae racing car engines intake design requirements and the characteristic. this has the practical significance to the fsae racing car engine performance improvement key words： engine intake, design, cfd, fluent，venturi.fsae赛车进气系统设计与分析邹瑜辰 0611071160 引言 赛车，一个熟悉而又陌生的名字。众所周知，赛车运动是流行于世界各地汽车工业发达国家的热门运动，不同于一般的体育运动，赛车研发的尖端科技往往被逐步引入民用车中，造福于整个汽车工业的发展。fsae赛事则是致力于从培养汽车工程方向的在校大学生，研究生的创造力，实践能力。对于大学生而言，使用8至12个月去自助设计并制造一辆方程式赛车是个巨大的挑战，是理论与实践相结合的充分体现。本文正是结合上海工程技术大学2011届fsae车队的实际工作，完成了一套fsae赛车发动机进气系统的设计。1 绪论1.1 大学生方程式汽车大赛简介大学生方程式赛车(formula sae)在国际上被视为“学界的f1方程式赛车”。该赛事不单单是一项赛车竞技，更是一项赛车设计与团队运作的综合竞赛。作为美国汽车工程师协会于1979年创办的赛事，fsae已经有三十一年的历史了，目前举办该赛事的国家除美、英、德、意、澳及巴西，日本也于几年前加入推广这项比赛，此赛事致力于培养及训练车辆工程研发设计人才。该赛事于2010年正式进入中国，由中国汽车工程师协会承办，第一年便得到广大具有汽车工程特色的学校响应，超过20支车队参加了第一届比赛的报名。然而，在此之前，湖南大学 hnu车队已作为国内首支车队于 2007年6月参加了在美国加州举行的 sae 方程式赛车比赛，并取得了比较好的成绩，随后同济、厦门理工、上海交大也相继远赴海外参加到这项赛事中。图1.1 首次代表中国出征的湖南大学hnu车队fsae赛事能进入中国是件值得高兴的事。这不仅能够提供大学生们亲自参与设计制造的机会，更促进了与其他院校的学生交流的机会，并更深入地接触社会，培养了学生的综合能力，同时也能通过fsae赛车来展示我校汽车学院的风采，这无疑是一件双赢的事。1.2 汽车发动机进气系统的简介1.2.1 定义汽车的进气系统是把空气或混合气导入发动机气缸的零部件集合体。发动机是工程机械的心脏，而进气系统则是发动机的动脉，进气系统的合理性直接影响发动机的性能、寿命，从而影响整机的性能、寿命及环保性。进气系统的功能是为发动机提供清洁、干燥、充足的空气，系统中主要组件空滤器、管路及其设计安装将直接影响发动机功能的发挥、工作的稳定性、可靠性，甚至大大缩短其寿命。1.2.2 基本构成进气系统包含了空气滤清器、进气歧管、进气门机构。空气经空气滤清器过滤掉杂质后，流过空气流量计，经由进气道进入进气歧管，与喷油嘴喷出的汽油混合后形成适当比例的油气，由进气门送入气缸内点火燃烧，产生动力。1- 节气门体；2-进气管后段；3-空气流量计；4-空气滤清器 5-进气管前段图1.2 发动机进气系统构成1.2.3 进气形式 汽车的进气方式主要分为三大类：（1）自然进气：汽车最传统的进气方式，一般的引擎是以气缸内产生的负压力，将外部空气吸入，这种方式称之为自然吸气（naturally aspirated），简称na。（2）涡轮增压：涡轮增压器的两侧涡轮叶片链接发动机的进气管与排气管，在引擎运作的情况下，利用排出的废气推动排气涡轮叶片，从而带动进气涡轮叶片吸入空气，并利用离心增压原理通过壳体管道排出，进入发动机的进气管，达到增压效果，使进气量增大，实现更大的动力输出。（3）机械增压：这个装置安装在发动机上并由皮带与发动机曲轴相连接，从发动机输出轴获得动力来驱动增压器的转子旋转，从而将空气增压吹到进气岐道里。其优点是涡轮转速和发动机相同，因此没有滞后现象，动力输出非常流畅。但是由于装在发动机转动轴里面，因此还是消耗了部分动力，增压出来的效果并不高。1.3 汽车发动机进气系统发展趋势近年来，汽车发动机进气技术的革新主要体现在“可变”这一思想上。由于汽车发动机的工况可能每时每刻都在改变，不同的转速与负荷有着相对应的进排气系统理想参数。但是早前的发动机，进气系统是不可变的，故只能在一个特定的工况范围中才能被评判为最理想。而现代的可变进气管长度，可变气门正时，可变截面涡轮增压，可变涡流控制，可变气门升程等技术都是为了更好地去匹配发动机运转中随时而变的工况，以提高充气效率。目前最主流的则是分别以日本丰田汽车公司vvt技术和本田汽车公司vtec技术为代表的两种可变配气技术。可变配气技术，从大类上分，包括可变气门正时和可变气门行程两大类。气门是由发动机的曲轴通过凸轮轴带动的，气门的配气正时取决于凸轮轴的转角。在发动机运转的时候，需要让更多的新鲜空气进入到燃烧室，让废气能尽可能的排出燃烧室，最好的解决方法就是让进气门提前打开，让排气门推迟关闭。这样，在进气行程和排气行程之间，就会发生进气门和排气门同时打开的情况，这种进排气门之间的重叠被称为气门叠加角。在普通的发动机上，进气门和排气门的开闭时间是固定不变的，气门叠加角也是固定不变的，是根据试验而取得的最佳配气定时，在发动机运转过程中是不能改变的。然而发动机转速的高低对进，排气流动以及气缸内燃烧过程是有影响的。转速高时，进气气流流速高，惯性能量大，所以希望进气门早些打开，晚些关闭，使新鲜气体顺利充入气缸，尽量多一些混合气或空气。反之在在发动机转速较低时，进气流速低，流动惯性能量也小，如果进气门过早开启，由于此时活塞正上行排气，很容易把新鲜空气挤出气缸，使进气反而少了，发动机工作不稳定。因此，没有任何一种固定的气门叠加角设置能让发动机在高低转速时都能完美输出的，如果没有可变气门正时技术，发动机只能根据其匹配车型的需求，选择最优化的固定的气门叠加角。例如，赛车的发动机一般都采用较小的气门叠加角，以有利于高转速时候的动力输出。而普通的民用车则采用适中的气门叠加角，同时兼顾高速和低速是的动力输出，但在低转速和高转速时会损失很多动力。而可变气门正时技术，就是通过技术手段，实现气门叠加角的可变来解决这一矛盾。 vvt-i 是丰田公司的智能可变气门正时系统的英文缩写。vvt-i可以连续调节气门正时，但不能调节气门升程。它的工作原理是：当发动机由低速向高速转换时，电子计算机就自动地将机油压向进气凸轮轴驱动齿轮内的小涡轮，这样，在压力的作用下，小涡轮就相对于齿轮壳旋转一定的角度，从而使凸轮轴在60的范围内向前或向后旋转，从而改变进气门开启的时刻，达到连续调节气门正时的目的。90年代初，日本本田公司推出一种即可改变配气正时，又能改变气门运动规律的可变配气定时升程的控制机构，是世界上第一个能同时控制气门开闭时间及升程等两种不同情况的气门控制系统。就是现在大家耳熟能详的vtec机构：一般发动机每缸气门组只由一组凸轮驱动，而vtec系统的发动机却有中低速用和高速用两组不同的气门驱动凸轮，并可通过电子控制系统的自动操纵，进行自动转换。采用vtec系统，保证了发动机中低速与高速不同的配气相位及进气量的要求，使发动机无论在何速率运转都达到动力性、经济性与低排放的统一和极佳状态。需要说明的是，发动机采用可变配气定时技术获得上述好处的同时，没有任何负面影响，换句话说，就是没有对于发动机的工作强度提出更高的要求。vtec的设计就好像采用了两根不同的凸轮轴似的，一根用于低转速，一根用于高转速，但是vtec发动机的不同之处就在于将这样两种不同的凸轮轴设计在了一根凸轮轴上。本田发动机进气凸轮轴中，除了原有控制两个气门的一对凸轮（主凸轮和次凸轮）和一对摇臂（主摇臂和次摇臂）外，还增加了一个较高的中间凸轮和相应的摇臂（中间摇臂），三根摇臂内部装有由液压控制移动的小活塞。发动机低速时，小活塞在原位置上，三根摇臂分离，主凸轮和次凸轮分别推动主摇臂和次摇臂，控制两个进气门的开闭，气门升量较少，情形好像普通的发动机。虽然中间凸轮也推动中间摇臂，但由于摇臂之间已分离，其它两根摇臂不受它的控制，所以不会影响气门的开闭状态。发动机达到某一个设定的高转速时，电脑即会指令电磁阀启动液压系统，推动摇臂内的小活塞，使三根摇臂锁成一体，一起由中间凸轮驱动，由于中间凸轮比其它凸轮都高，升程大，所以进气门开启时间延长，升程也增大了。当发动机转速降低到某一个设定的低转速时，摇臂内的液压也随之降低，活塞在回位弹簧作用下退回原位，三根摇臂分开。整个vtec系统由发动机电子控制单元（ecu）控制，ecu接收发动机传感器（包括转速、进气压力、车速、水温等）的参数并进行处理，输出相应的控制信号，通过电磁阀调节摇臂活塞液压系统，从而使发动机在不同的转速工况下由不同的凸轮控制，影响进气门的开度和时间。本田的vtec发动机技术已经推出了十年左右了，事实也证明这种设计是可靠的。它可以提高发动机在各种转速下的性能，无论是低速下的燃油经济性和运转平顺性还是高速下的加速性。在电子控制阀门机构代替传统的凸轮机构之前，本田的vtec技术在目前可以说是一种很好的方法。1.4 fsae赛车进气系统与量产车比较1.4.1 fsae规则对进气系统限制（1）进气系统必须不超出外框，也就是从防滚架顶部到四个轮胎的外缘的连线外处。（2）节气门必须为机械控制，如通过拉线或连杆系统。禁止使用电子节气门（etc）或类似的线控系统。（3）为限制发动机功率，一个内部截面为圆形的限流阀必须安装在进气系统的节气门与发动机之间，并且所有发动机的进气气流都应流经此限流阀。且使用汽油为燃料的限流阀直径最大为20mm。（4）若使用增压器，限流阀必须安装在增压设备与化油器或节气门之间。因此，唯一允许的顺序为：节气门、限流阀、增压设备、发动机。图1.3 外框后视图图1.4 外框侧视图nozzle-限流阀开口；20mm restrictor-20mm 限流阀；diffuser-扩散器图1.5 限流阀及文氏管结构1.4.2 fsae赛车进气系统主要构成图1.6 fsae发动机总成结构图构成：空气滤清器，限流阀开口，节气门体，限流阀，涡轮/机械增压器，限流阀扩散器，稳压腔，进气道。 由于规则对进气的限制，限流阀及相对应的限流阀扩散器，稳压腔成为了fsae赛车进气系统有别于民用车的特别之处。此外，赛车的进气系统以发挥发动机最大性能为目的，故进气歧管应按照赛车最佳加速性工况，也就是让发动机发挥出高转速动力输出区域，使其在7000rpm至11000rpm时起到进气谐振作用，进气歧管将会相较于民用车而显得短。 此外，因为专用ecu控制模块的功能局限性，目前并没有引入可变技术在fsae赛车进气系统中的案例。1.5 国内外fsae赛车进气系统现状与发展2010年中国第一届fsae大学生方程式赛，由于组委会限定所有车队必须使用统一规格的春风cf188，单缸化油器水冷发动机，国内的现状则是部分车队保留其化油器装置，则进气系统无特别设计要求，对于化油器喉管而言，位于喉管之前的任何零件只要求使进气气流越顺畅越好。而部分学校车队，对发动机改装了春风公司为cf188配备的电控电喷模块，进气系统则可以按照fsae常规的自然进气方案对其设计。也有少部分学校做得比较超越，他们不但为发动机换上电控模块，还为其加装了增压装置，例如吉林大学为cf188改造了涡轮增压进气系统。但由于改装涡轮增压需要面临很多有待解决的问题，在没有充分的经验和手段下，很可能使发动机工作出现问题。吉林大学的赛车则在2010年fsae大赛的耐久赛中因为发动机过热冒烟而没能完成该项目的比赛。图1.7为2010年吉林大学车队为cf188加装涡轮增压器和中央冷却器的进气系统。图1.7 2010年吉林大学装备涡轮增压的进气系统 2011年国内取消了对发动机规格的限制，凡是610cc以下的发动机可由车队自由选择，例如我校选择的本田cbr600 f4i本身已是电控发动机，选择使用强制进气的车队将涌现的更为频繁，而成果怎样，让我们拭目以待。 至于国外对于fsae进气系统的发展则与国内有所不同，曾经在与劳伦斯理工大学车队交谈时，他们提到，很多人会尝试去为发动机加装涡轮增压，往往只看到了其正面的影响，那就是动力获得提升，但是涡轮增压带来的负面影响远远超出了他们的想象，他们车队使用了四年的涡轮增压，可是仍然有许多问题未能处理好，弊端也同时无法避免，于是在今年，他们放弃了使用涡轮增压而回归自然进气。这是他们的选择也是很多车队地选择。事实上，在刚刚顺利举办完毕的美国密切跟fsae大赛上，事实证明，排名靠前的都是使用自然进气的车队。图1.8为2010年取得优异成绩的密歇根州立大学车队的自然进气系统。图1.8 2010年密歇根州立大学fsae进气系统2 进气系统方案设计2.1 进气系统设计流程 进气系统设计首先是要了解发动机自身特性。此次使用的本田cbr600 f4i发动机是来自本田高性能公路摩托车cbr600的一款摩托车发动机。发动机，离合器，变速器为一体式结构，变速器末端以链轮直接输出。表2.1 相关技术参数发动机型号本田cbr600 f4i发动机形式直列四缸，双顶置凸轮轴发动机排量599cc发动机重量59kg着火顺序1-2-4-3冷却形式水冷润滑形式压力润滑，湿式油底壳压缩比12:1进气门早开迟闭角早开22迟闭43最高功率输出约70ps/9000rpm（有限流阀）最高扭矩输出约60nm/8000rpm（有限流阀） 图2.1 本田cbr600 f4i摩托车其次要确定发动机的使用特性，结合比赛项目和赛道特性来确定赛车常用的工况，fsae动态项目包括75m直线加速，8字绕环，高速避障和耐久赛。根据去年的参赛经验，大多数时间赛车都处于40km/h以下的速度，除直线加速赛意外，赛车主要处在弯道行驶中。故对于赛车发动机而言，良好的出弯加速性是我们需要的。而从驾驶风格上讲，拖延进档，让发动机保持合适的高转速输出，有利于提高加速性能。故根据发动机功率峰值输出9000rpm为最佳性能工况。7000rpm至11000rpm为常用转速。 然后确定进气方式，所用材料及制造工艺，部分零部件类型选择，再对进气系统各部件做初步计算，得到数据后使用catia进行三维建模。根据模型具体几何参数使用赫尔姆霍兹进气谐振原理进行验算，再使用fluent对进气系统总成做cfd分析，排除备选方案。最后使用fluent对限流阀扩散器和进气道做进一步分析及优化。 最终目的就是设计出一套，符合规则，使用可靠，进气损失小，充气效率高，在能够保证赛车手便于操控的前提下尽可能提高发动机动力性的进气系统。2.2 确定进气形式 在之前的绪论中，已经提到了进气系统主流地可以分为三大类，分别为自然进气，涡轮增压，机械增压。 本次毕业设计，决定采用传统的自然进气为进气形式。以下论证采用自然进气方案的理由。（1）自然进气结构特点：汽车最传统的进气方式，由节气门体，空气滤清器，空气流量计，进气歧管组成。适用于：装备汽油发动机的小客车。优点 ：结构简单、制造容易、维修方便、工作可靠、成本低便于保养。 缺点 ：动力性较差、充气效率相对较低、工作相对不够高效。应用 ：大多装备汽油发动机的轿车，跑车以及赛车。（2）涡轮增压结构特点：涡轮增压器与发动机进气管，排气管相连，并配有中央冷却器和润滑管路。适用于：需要提高燃烧效率，在高转速工况有较大马力输出的车辆。优点 ：利用废气能量工作高效，充气效率高，动力强劲。缺点 ：成本高，不便于保养维修，结构复杂，输出不线性。应用 ：装备柴油发动机的大型商用车，部分汽油发动机轿车，跑车。（3）机械增压结构特点：机械增压器与发动机曲轴相连，驱动力来自发动机本体。适用于：大排量发动机，在低转速工况需要更高扭矩的车辆。优点：工作高效，在发动机低转速时就能获得强劲的动力输出。缺点：结构复杂，成本较高，维修困难，输出不线性，高转速时无明显效果。应用：大排量轿车，跑车，尤以美国车为例。 fsae赛车按照规则采用610cc以下的小排量发动机，并以高转速输出见长，因此机械增压方案首先被排除。相比较而言，fsae赛车多数采用小排量高转速发动机，此次使用的cbr600 f4i就是此类典型的案例，故自然进气和涡轮增压为主要选择方案。而涡轮增压尽管为发动机提供了不少额外的动力，使其高效，但是同时也是发动机的工作环境更为恶劣，对于冷却以及润滑的要求大大提高，并且需要中央冷却器等额外附件，既增加了重量，又不方便布置。并且对于原本的自然进气发动机f4i而言，改装成涡轮增压需要降低其压缩比，增加其喷油量，这对于原有的ecu，则要做出相应的编程和标定，这对于我校车队今年第一年使用本田cbr600 f4i这款发动机来说，工作量太大。故决定先采用自然进气为今年的方案，在实践中累积经验，熟悉这款发动机的特性，在今后尝试对发动机做更突破的改造。 图2.2取自弗吉尼亚理工大学2007和2008两年，分别使用自然进气和涡轮增压两种方案后所做的发动机台架试验，以扭矩输出曲线作对比。 红色曲线为07年自然进气形式，蓝色曲线为08年涡轮增压形式，涡轮增压器由honeywell公司专门为fsae赛车匹配并提供的garrett gt12涡轮。图2.2 弗吉尼亚理工大学07与08年两种进气方式的扭矩输出曲线对比由图中两条扭矩输出曲线，可以看出，尽管使用涡轮增压的发动机峰值扭矩输出高出将近15ft/lb，但是它的峰值输出范围是在相对低的6000rpm左右，而从8000rpm开始，增压起到的效果并不明显。当转速超过9000rpm时，由于涡轮增压器所导致的排气不畅反而成为了发动机工作的拖累，扭矩输出不及自然进气。且在5000rpm之前可以看出有明显的涡轮迟滞效应，这不利于从静止起步加速的75m加速赛。综上所述，既然此款发动机常用转速在7000至11000rpm，涡轮增压在大部分工况下所起到的作用不明显，综合成本，重量，维护等各方面因素，决定放弃使用涡轮增压。从一系列方案的论证中，排除了今年使用强制进气的方案，综合其原因有，制造成本高，对发动机性能的不熟悉，对使用增压后引起的恶劣工况的不确定，对ecu电控重新编程的没把握等。发动机技术是一门试验科学，对于本校，一支第二年参加fsae，第一年使用本田cbr600 f4i的车队来说，要对发动机做大规模改进是非常冒险的，发动机性能的改进不仅仅基于理论计算和计算机模拟，长期的台架试验和整车测试才是真正验证其改进成功与否的关键。车队需要对这台发动机足够的经验和测试数据，在今后的赛季中，尝试运用涡轮增压进气方式实现更高的发动机性能。但是，即便是自然进气，仍然有有效的措施去削弱限流阀对进气系统的负面影响。这就是利用文氏管原理，所设计的扩散器起到的作用。针对于限流阀将进气系统的前端截面缩小至20mm口径，利用流体动力学原理，扩散器则是有特定的理想锥角将截面积慢慢扩大，从而使限流阀的限制效果被相对削弱。此外，稳压腔的存在也充分提高了进气效率，每个汽缸的工作循环，本身是以脉冲的信号表现其进气过程的，但是稳压腔将四个气缸的进气道相连，轮流给四个气缸提供进气，脉冲信号不直接响应到进气系统前端，而是通过稳压腔内部的压力变化，不断地使空气滤清器吸入新鲜空气，这样即便限流阀口径小，它吸入空气的过程是连续的，则进气效率也就是在此限制下最高的。2.3 确定进气系统材料与制造工艺 汽车进气系统要求轻质，可靠，耐用，抗腐蚀等特性。 现代汽车发动机大多采用工程塑料为进气管的材质。由于不同于排气管需要耐高温，进气管不断地在充入新鲜工质，不会产生高温，塑料在这种情况下是非常好的选择，因为既轻质，成本又低廉，并且形状可塑性佳，造型自由度很高，且内壁容易做到很光滑，有利于气体流动。 然而，fsae赛车由于不是量产型车辆，每一个零部件为其专门开模具成本太高，故最传统且最低廉的做法就是使用铝材，手工切割，焊接完成整套进气歧管。尽管铝的几何造型能力远不如塑料，质量也不够轻质，焊接的焊缝还会导致内壁不光滑，引起表面涡流，造成进气损失，但是成本低廉，质量也相对其他金属轻，是低成本的最佳选择。 当然，如果预算充足，自然可以考虑使用塑料，甚至碳纤维去制作进气歧管，劳伦斯理工大学2011年使用的就是塑料进气歧管，单个制造可以使用快速成型机加工，并且要选择抗腐蚀性好的塑料，但是了解到成本需要将近1000美元，于是决定放弃。 最高端的莫过于使用碳纤维制造进气歧管，碳纤维的制造工艺其实基于塑料制造工艺，所以它具备塑料进气歧管的几何造型优势，但是相比塑料更加轻质，坚硬，耐用。图2.3 碳纤维进气歧管半成品综合三种材质和工艺的优缺点，最终决定使用成本最低的铝材和焊接制作进气歧管。2.4 节气门体类型选择节气门体：根据fsae规则限制，节气门体必须位于限流阀之前，必须是机械式的，控制发动机负荷。常见的节气门体分为三类：蝴蝶式，滑阀式及滑片式。图2.4 三类节气门体结构示意图图2.4 依次为蝴蝶式，滑阀式，滑片式节气门体的示意图与性能比较。（1） 蝴蝶式优点：结构简单，成本低，工作可靠。缺点：由于蝴蝶片随着节气门开度增大，并不能完全隐藏，所以在大负荷工况下，相同内径的进气管，蝴蝶式节气门体会造成微量的进气损失。（2） 滑阀式 优点：怠速控制好，进气损失小。 缺点：结构复杂，随着节气门开度增大，通道截面变化因为其特性，所以截面增大量会在中段猛增，导致油门响应不够线性，不利于操控。（3） 滑片式 优点：进气损失小。 缺点：结构复杂，占空间。综合上诉优缺点，蝴蝶式节气门体无论是成本还是结构简单程度上都比另两者可取，且更利于拉索式控制机构匹配。所以最终选择蝴蝶式节气门体。3 设定进气系统各部件基本参数3.1 系统参数表3.1 进气系统参数参数名称参数值发动机常用工况转速9000rpm进气道内径35mm绝热指数1.4气体常数r286.9发动机排量599cc发动机常用转速即为需要起到谐振效果的转速，绝热指数和气体常数为气体固有参数，由于进气系统为自然进气，气体状态接近于空气，所以取空气的参数使用。3.2 空气滤清器 空气滤清器的主要功用是滤去灰尘和杂质，为发动机工作提供清洁的空气，以至于避免不可燃颗粒和硬物进气气缸，对发动机造成损害。赛车用高流量空气滤清器与名用车不同的是，不是以一个塑料壳体和内置海绵组成，而是通常以暴露呈伞形的无纺纤维和内部的文氏管结构组成，暴露的无纺纤维是为了有更好的迎风面和更低的进气阻力，内部的文氏管结构则起到加速气流的作用。空气流量q是设计空气滤清器的主要依据:对于常用的四冲程汽油机，计算公式为：（3.1）v-发动机排量 n-发动机额定转速r/minq=0.45x0.000599x9000=2.42595/min3.3 限流阀开口fsae赛车的限流阀开口通常有一定的锥角，外缘呈喇叭口展开，由于限流阀本体是一个进气管截面逐渐收小的过程，喇叭口和锥角的设计可以更好地收拢空气，为限流阀引流，这一点是经过流体力学的研究得出的结论。从多篇国外资料中查得，15锥角为最佳限流阀开口参数。3.4 限流阀根据fsae大赛的规则，赛车必须有且仅有一个限制进气的限流阀，在进气系统中，位于限流阀之后的进气系统不得有任何其他开口和旁通阀，此部件仅仅出于大赛对参赛赛车进气系统改造的限制为目的，美国fsae规定使用e85乙醇汽油，限流阀内径必须小于等于19mm，使用汽油则限流阀内径必须小于等于20mm。而在中国只允许使用93号汽油，则限流阀必须为20mm。选用英国at-power品牌formula student 28mm single bore throttle body。表3.2 所选限流阀套件系统参数参数名称参数值重量331g限流阀直径20mm空气滤清器接口直径70mm节气门直径28mm图3.1 所选的限流阀节气门体空气滤清器套件3.5 限流阀扩散器针对限流阀本身对于进气流速和进气压力造成的巨大损失，位于限流阀后部的扩散器可以说是一个上有政策，下有对策的一个唯一的解决方案，它是由一定的锥角构成的经典的文氏管，截面积逐渐变大，一个精心设计的扩散器可以有效地将限流阀造成的损失降低至最小。根据多篇国外资料中阐述，7为最佳扩散器锥角参数，长度则是在总布置合理的情况下越长越好。3.6 稳压腔此部件位于扩散器和进气道之间，可以说是赛车进气系统的一个特色，有以下几点作用：（1）低转工况：自然进气赛车发动机的调校转速都比较高，例如此次使用的本田f4i，其马力的峰值输出在9000转/分，针对发动机工作特性，进气歧管的长度和截面积都只为高转而设计，而赛车的进气系统通常不带可变进气歧管技术，以至于发动机低转进气效率下降，而稳压腔把本是间断的进气过程化为连贯，稳压腔内部压力变化致使发动机低转速进气间断时，限流阀处仍在进气，补充到稳压腔内，也为低转进气提供了所需要的进气惯性。（2）急加速工况：众所周知，fsae赛车有了限流阀后，进气受到了很大的限制，而急加速，则是一个进气流速急速提高的一个过程，此时如果只有限流阀，没有稳压腔，虽然赛车采用的是机械式节气门体，但是油门响应仍然会很迟钝，而有了稳压腔，则为发动机急加速时，储备了所需要的空气，也就是说稳压腔内的空气是可以用来给急加速应急的。而赛车比赛中，急加速则是起步和出弯常用的工况，所以稳压器的存在和其设计起着非常重要的作用。（3）稳压器容积的影响：在设计稳压器容积时，需要对发动机动态工况做出考量，一般理论来说，采用发动机排量的24倍为其理想值，体积大则储备空气量大，但油门响应反之则会变得迟钝，故在24的范围中需要经过长期测试，才能得出较为精确的理想值。此外稳压器的造型也有一定讲究，在加工方法可实现的前提下，尽可能减少其慢速滞留区，从而充分利用到其体积。稳压腔初始体积：稳压腔体积 发动机排量3.7 进气道进气道：是进气歧管的四根分支，将气流分配到四个气缸内，与稳压腔和发动机进气口相连，并且喷油嘴安装在进气道上。进气道初始长度：公式：（3.2）lpr-进气道长度mm t-温度=355k-绝热指数 r-气体常数=286.93.8 进气管建模3.8.1 进气管方案一进气系统的最前端位于车顶，高速行驶时撞风量大，扩散器末端与稳压腔中央相连，对称的设计保持左右两边的进气平衡。图3.2 进气管方案一模型3.8.2 进气管方案二 进气系统的最前端位于赛车尾部，布置空间不受座舱影响相对较大，扩散器末端与稳压腔中央相连，对称的设计保持左右两边的进气平衡。图3.3 进气管方案二模型3.8.3 进气管方案三 进气系统的前端位于赛车的中部侧边，空气滤清器正对于前进方向有良好的撞风面，扩散器末端与稳压腔侧端相连，使气流路径的弯折缓和，但简单的稳压腔曲面很难实现四缸进气的平衡。图3.4 进气管方案三模型3.9 方案的论证与选择根据国外多篇论文和ltu指导老师的建议，进气歧管的进气道设计成弯的更有利于喷油的雾化，而从上方进气，则进气歧管弯型的走向如图ltu 2005年的设计是朝上的，但是发动机气缸位置如图3.5所示，是向前倾斜有一定角度，以至于朝上的弯管不利于气流进入气缸，所以从ltu 2005年的照片中可以看出，在进气歧管接近发动机进气口处又做了一个反向的弯型，目的便是为了让气流在此种设计下更平滑地流入气缸，但是这样的方案一方面造成了加工的困难，并且两个弯道之间多了一条焊缝，导致进气管内壁更加粗糙，对高速气流造成一定的影响，另一方面气流经过两个反向的弯道，对于流速和进气压力都有较大的损失。但是做成直道不利于燃油雾化，如图3.5所示。图3.5 劳伦斯理工大学2005年赛车进气系统图3.5为劳伦斯理工大学2005年的进气系统实物图。为达到理想设计要求，方案一，上方中央进气在实际应用中难以避免很多焊接工序，不利于精度把握和内壁光滑这一要求。但是类似于方案一这样的设计非常多见，必然这种思路并不是一无是处。最有利的一点则是，这样的布置方案，导致进气滤清器位于赛车的较高处，往往处于低于主防滚架，高于车手头盔的位置，在赛车高于70km/h时，此处位置为进气滤清器提供了非常好的撞风面，有利于高转速发动机的进气需要。但是前面提到过赛车在动态项目中大多处于40km/h的弯道中，这样的撞风面起效并不显著，所以综合其优缺点，排除了方案一。3.10 利用赫尔姆霍兹（helmholtz）进气谐振原理验算表3.3 进气歧管模型参数参数名称参数值进气歧管长度limr=20.26cm进气歧管截面积aimr=9.62扩散器出口直径dro=7.2cm进气口长度lip=10.16cm进气口平均面积aip=7.34稳压腔长度lplen=37.2cm稳压腔平均截面积aplen=38.465进气道长度lpr=limr+lip=30.42cm表3.4 其他系统参数参数名称参数值每缸排量dpc=149.75节气门体自感应ithr=0.94488文氏管自感应ivent=7.654进气道次级感应lsr=0.4874音速cs=335.28m/s引擎压缩比ecr=12计算：进气口自感应 iip= 进气道自感应 iimr= 稳压腔自感应 iplen= 汽缸有效体积 c1= 频率因子 fp= 初级感应 iprim=iip+iimr=3.49 次级感应 isec=isr+ithr+iplen+ivent=10.05328 感应比 a=2.8806 电容比 b=9.136 计算常数 a=ab+a+1=30.198 b=28.401 共振频率 f1=0.00956 f2=0.00237 频率比 x1=1.0505 x2=0.2604 初级感应面积 aprim=8.8585 赫尔姆兹模型调校峰值 np=0.0441=8731.4107 rpm 赫尔姆兹调校峰值 n1=x1np=9172.347 rpm n2=x2np=2273.659 rpm结论：在现有设计的进气系统中，进气谐振发生在9172rpm和2273rpm两个转速，9172rpm近似于9000rpm，满足最初定为9000rpm的设计目标。4 进气系统做流体动力学分析4.1 分析软件介绍在cfd软件中, fluent软件是目前国内外使用最多、最流行的商业软件之一。fluent的软件设计基于“cfd计算机软件群的概念”,针对每一种流动的物理问题的特点,采用适合于它的数值解法在计算速度、稳定性和精度等各方面达到最佳。由于囊括了fluent dynamical international比利时polyflow和fluent dynamical international(fid)的全部技术力量(前者是公认的在黏弹性和聚合物流动模拟方面占领先地位的公司 ,后者是基于有限元方法cfd软件方面领先的公司),因此fluent软件具有如下优点。（1）功能强,适用面广。包括各种优化物理模型,如:计算流体流动和热传导模型 (包括自然对流、定常和非定常流动,层流,湍流,紊流,不可压缩和可压缩流动,周期流,旋转流及时间相关流等);辐射模型,相变模型,离散相变模型,多相流模型及化学组分输运和反应流模型等。对每一种物理问题的流动特点,有适合它的数值解法,用户可对显式或隐式差分格式进行选择,以期在计算速度、稳定性和精度等方面达到最佳。（2）高效,省时。fluent将不同领域的计算软件组合起来,成为cfd计算机软件群,软件之间可以方便地进行数值交换,并采用统一的前、后处理工具,这就省却了科研工作者在计算方法、编程、前后处理等方面投入的重复、低效的劳动,而可以将主要精力和智慧用于物理问题本身的探索上。 （3）建立了污染物生成模型。包括nox 和rox(烟尘)生成模型。其中nox 模型能够模拟热力型、快速型、燃料型及由于燃烧系统里回燃导致的nox的消耗。而rox的生成是通过使用两个经验模型进行近似模拟,且只使用于紊流。fluent同传统的cfd计算方法相比，具有以下的优点。 （1）稳定性好，fluent经过大量算例考核，同实验符合较好。 （2）适用范围广，fluent含有多种传热燃烧模型及多相流模型，可应用于从可压到不可压、从低速到高超音速、从单相流到多相流、化学反应、燃烧、气固混合等几乎所有与流体相关的领域。（3）精度提高，可达二阶精度。fluent是目前国际上比较流行的商用cfd软件包，在美国的市场占有率为60%。凡跟流体，热传递及化学反应等有关的工业均可使用。它具有丰富的物理模型、先进的数值方法以及强大的前后处理功能，在航空航天、汽车设计、石油天