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大学生方程式赛车设计（发动机匹配试算与装配设计）（有cad图+三维图）.doc
大学生方程式赛车发动机匹配试算与装配设计【优秀含4张CAD图纸+汽车车辆全套毕业设计】【带三维】
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I 大学生方程式赛车设计 （发动机匹配试算与装配设计） 摘 要 中国大学生方程式汽车大赛 （ 简称中国 FSAE） 是一项由高等院校汽车工程或汽车相关专业在校学生组队参加的汽车设计与制造比赛。各参赛车队按照赛事规则和赛车制造标准，在一年的时间内自行设计和制造出一辆在加速、制动、操控性等方面具有优异表现的小型单人座休闲赛车，能够成功完成全部或部分赛事环节的比赛。 本文具体研究大学生方程式赛车（ FSAE）发动机系统的匹配试算和结构设计，通过了解发动机的性能参数、结构参数，运用发动机原理，汽车构造等所学的知识，根据大学生方程 式赛车的比赛规则及网上查询资料，对发动机进行选择。文章主要论述如何改进发动机的进排气及冷却系统，使发动机达到预想的状态，且符合大赛的规定。对于进排气系统采用 GT-Power、FLUNT 等软件进行仿真计算设计， 进排气系统的优化设计，采用四个分置的进气歧管，避免了各缸进排气时间不同造成的挣气现象，使得进排气更加顺畅，提高了进气效率，从而提升发动机的动力性能。进气系统限流阀的应用使得赛车更加安全，同时也能让学生更加的主动去学习如何改进进气系统，做成两头锥的形状，使得进气无死角，又不会违背大赛规定。应用流体力学设计 谐振腔，使得进气尽量多。 关键词： 方程式赛车（ FSAE） ， 发动机，匹配，进排气nts II Design of FSAE (trial matching and assembly design of engine) ABSTRACT Formula SAE of China (hereinafter referred to as the Chinese FSAE) is a study by the institutions of higher learning in vehicle engineering or relevant majors participate in automotive design and manufacture of the game. This paper studies college students formula (FSAE) matching calculation and structure design of engine system. by understanding the performance parameters, the structural parameters of the engine, using the principle of engine, automobile structure knowledge, According to the rules of the Formula SAE and search Information online to choose a engine . This paper mainly discusses how to improve the intake and exhaust and cooling system of engine, the engine to achieve the desired state, and in accordance with the competition rules. For the inlet and exhaust systems,use GT-Power FLUNT to simulation calculation. Optimization design of inlet and exhaust system,ues four intake manifold split,. avoid the phenomenon of each cylinder earn gas intake and exhaust is caused by the different time, the intake and exhaust more smoothly, improves the air intake efficiency, so as to enhance the power performance of the engine . The application of limited flow valve inlet system makes the car more secure, but also can make students more active go to study how to improve the intake system, made of two cone shape, so that the intake without blind angle, without violating the contest rules. Application of fluid mechanics designing resonant cavity, so that the intake as much as possible. KEY WORDS: Formula One racing (FSAE), engine, matching, The intake and exhaust. nts III 目 录 第一章 大学生方程式赛车简介 .1 1.1 赛事简介 .1 1.2 愿景与使命 .1 第二章 发动机的匹配 .3 2.1 发动机的匹配 .3 2.1.1 匹配的定义 .3 2.1.2 发动机匹配的应用场合 .3 2.2 发动机的机械匹配技术 .3 2.2.1 发动机和变速器的选型和匹配 .3 2.2.2 设计与分析 .4 2.2.3 主要试验项目 .5 2.3 发动机管理系统及其开发技术 .5 2.3.1 发动机管理系统 .5 2.3.2 发动机管理系统开发技术 .5 2.4 发动机的标定技术 .6 2.4.1 发动机标定 .6 2.4.2 发动机标定软件 .6 2.4.3 发动机标定设备 .6 2.4.4 发动机标定试验 .7 2.5 其它相关电气系统的开发 .7 2.5.1 车载网络系统的开发 .7 2.5.2 电气线束系统的开发 .7 2.6 发动机的选购 .7 2.6.1 赛车发动机的选择原则 .7 2.6.2 以下是国内几款常用 FSAE 发动机的资料 .8 第三章 发动机进排气系统的匹配 . 14 3.1 FSAE 进排气系统和限流阀的关系 . 14 3.2 GT-Power 介绍 . 15 3.3 发动机的进排气管 . 15 nts IV 3.3.1 进气管长度对发动机性能影响 . 17 3.3.2 排气管长度对发动机性能影响 . 17 3.4 限 流阀的作用意义 . 17 3.4.1 什么是进气限制器 . 18 3.4.2 进气限制器的作用 . 18 3.4.3 为什么要有进气限制器 . 19 3.4.4 进气限制器为什么要安装在节气门之后 . 20 3.5 谐振腔 CAE 分析方法 . 20 3.6 进排气歧管的设计 . 21 3.7 进排气最终方案 . 23 3.7.1 进排气系统 UG 图 . 23 3.7.2 进排气 CAD 图 . 24 第四章 冷却系统匹配 . 26 4.1 冷却系统的总体布置原则 . 26 4.1.1 提高进风系数 . 26 4.1.2 提高冷却液循环中的散热能力 . 26 4.2 膨胀水箱的选择 . 26 4.3 水管的设计 . 27 4.4 防冻液的选择 . 27 4.5 冷却系统的固定 . 28 第五章 润滑系统 . 29 5.1 润滑的意义 . 29 5.2 润滑的方式 . 29 5.3 润滑系统的组成及油路 . 30 5.4 曲轴箱通风 装置 . 30 5.5 机油的功用 . 31 5.6 机油的使用特性及机油添加剂 . 32 5.7 机油的分类 . 33 5.8 机油泵 . 34 5.9 机油滤清器 . 35 5.10 冷却器 . 36 nts V 第六章 总结 . 37 参考文献 . 38 致 谢 . 39 附 录 . 40 nts 1 第一章 大学生方程式赛车简介 1.1 赛事简介 中国大学生方程式汽车大赛（简称中国 FSAE）是一项由高等院校汽车工程或汽车相关专业在校学生组队参加的汽车设计与制造比赛。各参赛车队按照赛事规则和赛车制造标准，在一年的时间内自行设计和制造出一辆在加速、制动、操控性等方面具有优 异表现的小型单人座休闲赛车，能够成功完成全部或部分赛事环节的比赛。 2010 年第一届中国 FSAE 由中国汽车工程学会、中国二十所大学汽车院系、国内领先的汽车传媒集团 易车（ BITAUTO）联合发起举办。中国FSAE 秉持 “ 中国创造擎动未来 ” 的远大理想，立足于中国汽车工程教育和汽车产业的现实基础，吸收借鉴其他国家 FSAE 赛事的成功经验，打造一个新型的培养中国未来汽车产业领导者和工程师的交流盛会，并成为与国际青年汽车工程师交流的平台。中国 FSAE 致力于为国内优秀汽车人才的培养和选拔搭建公共平台，通过全方位考核，提 高学生们的设计、制造、成本控制、商业营销、沟通与协调等五方面的综合能力，全面提升汽车专业学生的综合素质，为中国汽车产业的发展进行长期的人才积蓄，促进中国汽车工业从 “ 制造大国 ” 向 “ 产业强国 ” 的战略方向迈进。 中国 FSAE 是一项非盈利的社会公益性事业，利在当代，功在未来。项目的运营和发展结合优秀高等院校资源、整车和零部件制造商资源，获得了政府部门和社会各界的大力支持以及品牌企业的资助。社会各界对项目投入的人力支持和资金赞助全部用于赛事组织、赛事推广和为参赛学生设立赛事奖金。 1.2 愿景与使命 促进中国汽车产 业自主研发与科技进步，提高中国汽车产业 “ 引进 消化 吸收 再创新 ” 和 “ 自主创新 ” 的能力，加快中国制造向中国创造的转型，推动民族品牌向世界品牌的跨越。 完善汽车人才培育机制，为中国汽车工业从 “ 制造大国 ” 向 “ 产业强国 ”nts 2 的战略方向迈进奠定人才基础。积极探索有效利用社会资源培养创新型人才的素质教育新体系。 搭建自主创新技术的国际交流舞台，帮助中国汽车产业的未来人才从世界汽车技术的革新潮流中不断获取新的启迪，以国际化的视野捕捉行业动态，丰富知识储备，积极参与国际汽车技术标准的更新与提升。 深化中国汽车产业自主创新的 主流意识，强化中国汽车厂家在汽车人才培养、技术研发等方面的企业社会责任感，帮助众多汽车自主品牌积极探索自身广阔的发展空间。 图 1-1 我校参加第一届 FSAE 的赛车 nts 3 第二章 发动机的匹配 2.1 发动机的匹配 2.1.1 匹配的定义 在汽车设计中 ， 根据整车中各个部件系统的特性 ， 合理地选择发动机、变速器和其它部件的类型和参数 ， 将其进行优化组合 ， 通过计算、仿真和实验等手段来估计和验证整车性能 ， 使整车具有最优的动力性、经济性、排放性能和制动性能的过程和方法。本文将分机械匹配和电气匹配两个方面来介绍发动机匹 配技术。 2.1.2 发动机匹配的应用场合 通常发动机匹配项目主要应用于两个方面 ： 一是在设计新车型过程中 ，开发新的动力系统 ； 二是已有车型更换发动机或发动机国产化。发动机和变速器的选型和匹配是此类项目的工作重点 。 2.2 发动机的机械匹配技术 2.2.1 发动机和变速器的选型和匹配 一、设计计算 发动机匹配项目的设计计算是根据汽车要求的性能 ， 来确定发动机和变速器等部件的类型和参数 ， 有 3 种方法 ： 1、手工计算 主要根据汽车驱动力与行使阻力的平衡图来确定汽车在不同档位情况下的最高车速、加速能力和爬坡能力 ， 从 而评价变速器的不同传动比对汽车性能的影响 ， 确定发动机和变速器的参数。这种方法计算繁琐 ， 结果不够准确。 2、仿真计算 在设计汽车和各部件的模型基础上 ， 输入发动机和变速器等汽车部件和整车的性能参数 ， 指定要求的行驶循环 ， 最后计算出汽车的动力性、经济性、nts 4 排放性能和制动性能。它可以在计算机上显示和打印各种分析报告和图表结果 ， 计算快速准确 ， 能反映出汽车系统中任何参数的变化对整车性能的影响。目前国内常见的车辆仿真商业软件有奥地利李斯特内燃机及测试设备公司开发的汽车性能仿真分析软件 CRUISE。 3、参数优化 将汽车的动力 性、经济性、排放性能和制动性能作为目标函数 ,将发动机功率、汽车重量和变速器的各档传动比等参数作为优化变量 ， 在一定范围内 ， 寻求最优的匹配组合 ， 使汽车达到最佳性能价格比。 二、发动机和变速器的布置 在完成发动机匹配设计计算后 ， 根据初步确定的计算参数和汽车布置形式 ， 可以从市场上选择一款或多款发动机和变速器 ， 然后选择和开发相应制动系统、转向系统和空调系统等部件 ， 在发动机舱和车身上试布置。也可以通过建立汽车和部件的 CAD 数字模型 ， 在 CAD 软件环境中试装配 ， 检查干涉情况 ， 并进行调整。在确定汽车主要部件的位置后 ， 可以进行 后续工作。 三、发动机附件系统的开发 通常汽车发动机供应商只提供基础发动机或称为短发动机 ， 它缺少部分外围附件系统 ， 因此需要汽车制造商开发这些系统。通常这些附件系统包括 ：风扇及风扇离合器、进气和排气管道、空气过滤器、发动机油泵、发动机悬置、动力转向泵、三元催化器、空调压缩机、燃油箱及供应系统。 2.2.2 设计与分析 1、 CAD 设计 在现代汽车的开发过程中 ， 需要应用 CAD 软件来设计汽车和部件的数字模型。汽车设计 CAD 软件主要有 ： 美国 UnigraphicsSolutions 公司的 UG和 ParametricTechnologyCorp 公司的 Pro/ENGINEER、法国 DassaultS ystems公司的 CATIA。 CAD 建模方法主要有 ： 特征造型、用三坐标测量机进行逆向扫描。 2、 CAE 分析 汽车 CAE 分析软件主要有 ： 美国 ANSYS 股份公司的 ANSYS 和 UG、Pro/ENGINEER 及 CATIA。发动机匹配项目中的 CAE 分析项目有 ： 发动机的噪声与振动分析、发动机支撑的分析、发动机热力学分析、计算流体力学nts 5 分析 （ 验证散热器的尺寸和发动机进气流动特性 ） 。 2.2.3 主要试验项目 发动机和汽车台架试验 ： 发动机噪声与振 动试验 ； 发动机悬置的振动频率测量试验 ； 排气系统的耐久性试验 ； 发动机过滤器和冷却系统的压力和流动试验。针对新设计的发动机和变速器等部件设计装配用的夹具工具 ； 针对新设计的发动机和变速器等部件设计制造工艺 ； 针对新设计的发动机和变速器等部件 ， 开发维修工具 ， 例如 OBD 车载诊断仪器及其软件 ； 开发汽车经销商销售管理数据库系统等。 2.3 发动机管理系统及其开发技术 2.3.1 发动机管理系统 发动机管理系统 (EMS,enginemanagementsystem)是在发动机电子点火和电控汽油喷射系统的基础上发展起来的集电子 控制喷射、排放控制、电子点火、起动、防盗、诊断等功能于一体的集成电路系统。电子控制技术的飞速发展及发动机排放法规的不断加严和人们对汽车发动机性能的要求不断提高 (方便性、舒适性、高效性和经济性 )促进了 EMS 的发展 ， EMS 能实现对发动机各系统的精确控制和灵活控制 ,是改善发动机各项性能指标和排放的主要手段。发动机管理系统都是由微处理器、各种传感器和执行器组成 ， 通过传感器检测各种工作状态和参数 ， 然后由微处理器经过计算、分析、判断后发出指令给各执行器完成各种动作 ， 使发动机在各种工作状况下都能以最佳状态工作。 市场上常 见的发动机管理系统有 ： 德国的博世、西门子 ;美国的德尔福(DELCO)； 日本的丰田 SFI/TCCS、本田 PGM2F1、尼桑 ECCS 等 ； 韩国的现代 ECFI。 2.3.2 发动机管理系统开发技术 发动机管理系统开发技术涉及到计算机技术、自动控制、嵌入式系统、发动机技术等多个领域 ， 是汽车电气控制系统中最复杂的系统。目前汽车制造商在匹配发动机系统的过程中 ， 不需要进行 EMS 的开发工作。这是因为通常由发动机供应商提供的基础发动机上 ， 已经配有现成的 EMS， 汽车制nts 6 造商仅需要联系相应的 EMS 开发商进行标定工作。目前流行的 EMS 开发过程是 ， 在 MATLABS imulink 仿真计算平台上 ， 采用可视化和模块化的方法 ,建立发动机的控制模型 ， 待调试成功后 ， 编译成机器执行代码 ， 然后下载到汽车电子控制单 (ECU,ElectronicControlUnit)中。例如英国 Pi 技术公司推出的发动机和汽车控制系统 OpenECU 开发工具 ， 提供了一种自动代码生成和快速原型的解决方案 ， 它的应用范围包括发动机控制系统、变速器控制系统、底盘控制系统、混合动力控制系统和汽车批量生产系统。 OpenECU 平台能够在 MATLABS imulink 环境中自动生成控制代码 ， 然后在汽车 ECU 中运行。它可以为 8 缸发动机自动生成控制代码。 2.4 发动机的标定技术 2.4.1 发动机标定 发动机的标定试验是指在汽车不同的工作状态和气候环境下 ， 对发动机管理系统的参数进行不断调试 ， 找到发动机最佳工作状态下的一组参数的测试技术。它通常分为室内台架实验和室外道路实验 ， 室外道路实验要求在汽车试车场进行 ， 另外还要进行 “ 高寒、高温和高海拔 ” 的 “ 三高 ” 试验 ,分别在冬季最冷的黑河、夏季最热的吐鲁番和海拔最高的拉萨进行。发动机标定试验的主要工具是发动机标定软件和发动机标定设备。 2.4.2 发动 机标定软件 从发动机传感器采集试验数据 ， 经过技术处理后 ， 再将其写入 (或下载 )汽车 ECU 中 ， 由于在标定试验中需要处理大量的试验数据 ， 发动机标定软件具有强大的数据库管理功能。由于现代发动机的功能越来越复杂 ， 控制参数也由最初的十几个急剧上升到目前的上千个 ， 导致实验次数呈几何级数上升。要求对每一个标定参数的所有工况都进行全部排列组合的实验是不可能实现的。因此 ， 现在也出现了基于试验优化技术 (DOE,De2signofExperiments)的标定软件 ， 它可以优化试验方案 ， 减少标定试验的次数 ， 降低试验费用 ，缩短试验周期 。 2.4.3 发动机标定设备 在发动机标定试验中 ， 需要测量发动机转速、温度和压力等多种物理量nts 7 的试验数据 ， 另外需要将标定软件生成的标定数据写入汽车 ECU 中 ， 发动机标定设备可以实现这些功能。德国 CSM 公司是发动机标定设备的主要供应商 ， 其部分产品有 ： AD2Scan 提供测量模拟 -3.5 16V 范围的电压 ；Thermo2Scan 提供测量 -100 1372 范围的热电偶传感器信号的温度通道 ；Dual2Scan 能同时提供模拟通道和温度通道的测量功能。 2.4.4 发动机标定试验 发动机台架标定试验项目有 ： 发动机实际充 气效率标定、空燃比标定、点火正时标定和基本发动机热机标定。整车标定试验项目有 ： 整车废气排放控制标定、整车驾驶性标定、热带环境标定、高原环境标定、寒带环境标定、车辆零部件故障诊断系统标定和系统验证。 2.5 其它相关电气系统的开发 2.5.1 车载网络系统的开发 随着汽车电气系统数量和功能的不断增多 ， 电气线束系统变得越来越复杂 ， 越来越粗 ， 损耗功率也越来越大。车载网络和总线系统可以大大减少电气系统的复杂程度。同时轻型汽车污染物排放限值及测量方法 (中国 、 阶段 )的轻型汽车 号排放国家标准自 2007 年 7 月 1 日起实施 ， 将促进车载诊断系统 OBD 在汽车上普及 ， 这使汽车必须装备车载网络系统。因此开发车载网络和总线系统成为当今的主流趋势。 2.5.2 电气线束系统的开发 由于发动机和变速器包含了复杂的电气控制系统 ， 因此在发动机匹配项目中涉及到电气线束系统的开发。其主要工作包括对发动机和变速器的电气线束的布线 ， ,设计其与整车电气系统连接的接插件接口等。在电气系统开发完成后 ， 必须按照国家标准进行相关的电气试验。 2.6 发动机的选购 2.6.1 赛车发动机的选择原则 赛车发动机的选择要根据比赛规则的要求和赛道特点而决 定。 FSAE 比nts 8 赛中分值最高和赛程最长的是 Endurance 比赛。 Endurance 赛道的直道不超过 70m。所以 FSAE 赛车发动机最关键的性能是稳定优秀的扭矩输出，而发动机功率输出性能的重要性则被弱化。 FSAE 比赛中发动机的选择主要分为两个方向。大排量高性能 4 缸机是多数车队的选择，较为典型的是 Honda CBR600 F4i。而选择小重量单缸机的高水平车队也有不少。 Yamaha WR450F 就是一款非常适合 FSAE 的单缸机。 越是性能优秀的发动机，往往意味着改进的难度越大。对于 FSAE 而言，使用的往往是摩托 车发动机（因为排量最大 610cc 的限制），自行改进发动机的进排气系统往往是车队必须面临的工作。新车队在没有 FSAE 研制经验的情况下，需要面临和解决的诸如设计、制造、配件选购的问题非常多。而且顺利完成 FSAE 赛车底盘研制任务是新车队应该投入更多精力的工作。所以新车队应该选择一款符合自身情况的发动机，以利于自己第一辆 FSAE 赛车的顺利完成。 2.6.2 以下是国内几款常用 FSAE 发动机的资料 一、 LD450 在国产发动机中选择，可以说是一个悲剧，因为怎么选都没有一台好发动机，国人的发动机无论是设计还是生产，都要 比国外落后很多年（这也就是为什么我们要上学，上学不是为了找工作，而是为了让我们的国家和社会得到更好的发展，靠读书来振兴我们的国家从来都不是一句笑话）。 国人现在的技术水平，没有办法自己研究出一台高水平发动机，那只有仿了。山寨一词已经不需要我多解释了。汽车都能山寨，发动机当然也可以。亚翔公司的 LD450 就是一台山寨。它抄袭了本田的 CRF450。虽然 CRF450在我之前的帖子里已经说过有诸多地方比不上 YAMAHA 的 WR450，但是如果必须在国产发动机里面选，那我想这台还是不错的。它有原装 32kw 的功率，重量 33kg，比 JH600 要轻很多，原装马力更大。由于是完全仿造，所以大家连说明书都可以看本田 CRF 的，零配件也都可以通用，在一些比较关键的配件上，可以选用进口件。虽然这违背了使用国产发动机的初衷，但是为了让你的车更快更稳定，你没有理由不这样做。 使用 LD 这台发动机最大的困难就是进气的改装了，由于原装是不带电喷的nts 9 （据说在研究电喷），所以你必须自己造一套电喷设备，可以选用 MOTEC或者其他有一些公司的 ECU 来完成你的进气改装，自己排线路，自己造进气管，自己装感应器，自己写 ECU 程序等，前提是你需要有一个发动机实验室。 如果你什么都没用，要想用这台发动机，那只有用化油器了，你需要设计并且制造一个 20mm 口径的化油器歧管，装在化油器和发动机之间，国外的论坛上的讨论说这样的一套，马力大概在 23hp，对于 FSAE 来说是没有什么竞争力的，但是相比 JH600，马力应该不会相差很多，但是可以减轻很多整车重量，调整也相对简单，几乎没有电路。 这台发动机的价格在 11000RMB 左右（由于是新机器，这个价格在国内可以买 2 台二手的 4 缸 600cc 发动机或者其他日本制造的发动机） 图 2-1 LD450 及其化油器 二、 LD192YMR 同样来自亚翔，我没有去研究这台发动机是抄袭的意大利哪一款，但是从数据来看，比 JH600 要强，重量 48kg，转速也比 JH600 要高。相比 LD450，最大的优点应该是电喷。而且该发动机是油冷的，虽然重量比 LD450 要重，但是湿重的差别会相对小，因为 LD450 的水箱很重，水箱里的水也很重。500CC 同样符合 SAE 的要求，价格不清楚，有兴趣的车队可以购买研究，我想无论如何都要比春风的那台强。 500 油冷发动机（ LD192YMR）为单缸风冷加油冷四冲程发动机，采用意大利技术，强大的低扭输出澎湃动力！最大功率 30kw(7800r/min)，最大扭矩 39.3N.m(5500r/min)，点火方式 MSE 3.0，电镀陶瓷缸体，德国博世专nts 10 配电喷系统，理论速度达 150km/h 以上，按需可配内置倒档，适用于大排量长途旅行类摩托车及全地形车 。 500cc 发动机特点： a、 意大利 CAGIVA 技术，稳定可靠。 b、 功率大、低速大扭矩、油耗低。 c、 电镀陶瓷缸体。 d、 风冷加油冷，冷却效果好。 e、 德国博世专配电喷系统。 f、 按需可配内置倒档，适用于沙滩车等。 表 2-1 LD192YMR 参数表 技术参数 发动机型号 LD192YMR 发动机型式 单缸、油冷、 4 气门、单顶置凸轮轴 排量 498ml 缸径 /行程 92.8mm 73.6mm 压缩比 9.2:1 最大功率 30kw 7800r/min 怠速 1500100r/min nts 11 图 2-2 LD192YMR 图 2-3 JH600 三、 JH600 这是一台国产唯一的 600cc 发动机（据说春风新出了 600cc 的，那么至少它是国产第一台 600CC 发动机，跟嘉陵 600ATV 动力一样，传动不 同）。这台发动机的排量，基本是符合 FSAE 的最大排量了，所以必然有它的优势，它排量大，如果你有发动机实验室并且能整，这台机器的马力和扭矩都将有不错的优势。虽然说这更像是一台柴油机，低转速，高扭矩，但是对于 FSAE来说，这正是我们所需要的。这台发动机也是国内目前最好的 2 支 FSAE 队伍所使用的发动机，一个是湖南大学，一个是厦门理工大学。如果能减轻除了发动机以外其他部件的重量，搭载这台 JH600 的车队也将拥有不错的性能。我不知道它在限制 20mm 进气以后能有多大的输出，湖南大学也没用设备进行马力测试，但是如果你有能 力写 ECU（购买 MOTEC 这样的通用ECU），那这台发动机的马力和扭矩还是非常值得挖掘的，毕竟它有着 600cc排量。还有一点可以参考的是，你相信嘉陵因为嘉陵跟本田合作了很多年。 四 、 CBR600 F4i Formula SAE 发动机首当其冲的当然是本田的 CBR600 F4i，是本田公司的上一代产品，在 Formula SAE 中的使用比例是其他发动机没法比的。那为什么这台发动机如此受欢迎呢？为什么人们不去用最新的 CBR600RR 发动机而更多地选择老款的 F4i?先看一下 2 张图，一张是 CBR600 的油底壳，一张是 CBR600 F4i 的油底壳。 对于新车队来说，改装油底壳会比较麻烦，没有经验，也不知道如何去改的时候，用 F4i 是很好的选择 。 nts 12 F4i 还有一个优点就是价格比 600RR 便宜，国内二手发动机的价格应该在一万人民币以下 。 原装电脑，改成规则规定的 20mm 进气以后，马力应该在 6065hp 发动机重量（连 6 档顺序变速箱）大概是 59kg 所以我想这台发动机应该也是中国的 FSAE 首选发动机。 CBR600RR 年代比较新，比较容易买，国内二手价格应该也不超过万元 . 图 2-4 F4i 油底壳 图 2-5 RR 改造后的油底壳 五、 CBR600RR CBR600RR 是本田现在在产的 600cc 上的产品，国内也叫 F5 它比 F4i 更轻，有 2 级进气喷射，所以也更省油，对于摩托车来说，它的安装更紧凑，排气管放到了油底壳的一侧，但是对于 FSAE 的发动机使用，它会导致发动机重心过高。 但是，很多车队，即便是用了 F4i 也是要进行油底壳改造的，如果油底壳不是问题，那还不如用更轻，马力更大的 CBR600RR。 CBR600RR 油底壳的改造有两种，一种是保持原有的湿式润滑不变，自己加工一个 像 F4i 一样底部平整的油底壳，还有一种就是改成干式油底壳，这种干式油底壳在 F4i 的油底壳改装上也非常常见，但是工艺相对湿式要复杂。 1、湿式油底壳，这样改的结果，就是发动机能有一个跟 F4i 原装差不多油底壳高度，比较省事，看了图你就明白 2、干式油底壳，这样改可以让发动机的重心在之前的基础上再降低 3nts 13 英寸左右，需要自己加工机油泵和储油罐 图 2-6 RR 油底壳特写 图 2-7 RR 改造后的干式油底壳 六、 YAMAHA WR450F 随着 Formula SAE 的发展，人们对轻量化的追求也 越来越厉害，所以单缸发动机在 FSAE 中流行了起来，最好的选择要数 YAMAHA WR450 了。它比本田的 CRF450 所没有的原装干式油底壳，这更适合于汽车的发动机润滑。湿式油底壳会导致汽车过弯的时候，由于离心力作用，油面不平，干式油底壳没有这样的问题。 另外比 CRF450 更先进的地方是，它有电喷，而 CRF 到 2010 款才出电喷。化油器本并不是坏事，但是由于 FSAE 要求 20mm 进气限制并且油门必须在进气限制的上流，也就是说必须在化油器和发动机之间，这样会导致20mm 的进气是 “湿气”， 也就是氧气含量比 20mm 的纯空 气要少，马力也会有很大影响。 WR450 的发动机重量大概是 30kg 左右，大概是 4 缸 600cc的一半，所以重量上有非常大的优势。 图 2-8 WR450 nts 14 第三章 发动机进排气系统的匹配 3.1 FSAE 进排气系统和限流阀的关系 SAE 方程式 (Formula Sae)是由美国汽车工程协会 (Society of Automotive Engineers)主办的挑战本科生、研究生团队构思、设计、制造和驾驶小型方程式赛车的国际性赛事。该赛事已成功举办 20 多年。 FSAE 赛车规则基本要点是赛车使用小于 610cc 容量的 发动机，进行多个项目的比赛。发动机的所有的进气都要通过直径为 20mm 的限流阀，如图 1 限流阀安装位置，并且限流阀必须位于发动机节气门和发动机进气门之间 。 在保证上述比赛规则的前提下，本文通过发动机系统仿真模型计算，分析不同进排气管长度对发动机扭矩、充气效率、功率的影响来确定与目标转矩点转速相对应的进排气管长度，从而改进设计进排气系统来提高发动机的动力性、提高比赛成绩。 图 3-1 限流阀安装位置 nts 15 3.2 GT-Power 介绍 GT Power 是 GT SUITE 系列中最著名的一款软件。 GT SUITE 软件包涵 了内燃机、驱动系统、冷却系统、燃油供给系统、曲轴机构、配气机构等六个方面，它是采用现代计算机技术和数值计算方法最新开发的内燃机性能模拟与仿真软件，被称为 “ 虚拟发动机 ” ，是目前国内外汽车厂和内燃机制造公司理想的实验模拟工具。 GT-Power 可模拟点火式发动机、柴油机、二冲程或四冲程机、增压机等多种活塞式发动机。可用于预测稳态或瞬态的发动机性能，如所有管路段的流量和流速、系统的温度和压力、发动机充气效率、功率、扭矩、燃烧率模型、汽油机 NOx 的排放、柴油机 NOx 和微粒排放、催化剂化学反应等。 GT-Power 是基于 面向对向的交互式界面，从模型图的建立，运行，到数据的后处理， GT-Power 的操作都是在 GT-ISE、GT-Post 中进行，使用方法简便，高效，界面如图 2 所示，主要组成部分包括：菜单、按钮、窗口、建模区域、数据库、模块管理器等，与常见的 Windows界面类似 。本次设计主要参考了湖南大学 FSAE 车队的 GT-Power 结论来作为设计依据的。 3.3 发动机的进排气管 提升发动机功率最简单的方法就是增大气缸工作容积，也就是提高排量。一般而言，增大工作容积就会增大发动机体积，重量也会随之增加，这种方法对于追求 结构紧凑，追求行驶经济性的现代乘用车设计者来说是难以接受的。因此，在同体积或者更小体积的前提下，通过改进发动机结构和采用新材料来追求更高的输出功率，是当前厂商的追求目标。 提高发动机的升功率，也就是每升气缸工作容积所发出的有效功率，是实现这个目标的方法。要提高发动机的升功率，加大进气量是一种解决方案。有些发动机采用强制吸气法的方式，用增大气体密度来提高进气量，例如采用涡轮增压 （ Turbo） 。但是，在日益严格的废气排放法例的管制及制造成本的限制下，多数汽车的发动机还是倾向采用自然吸气法方式。 采用自然吸气法， 又要提高进气量，设计者就把注意力放在了进排气的速度方面，也就是千方百计 提高气体的流动速度来提高单位时间内的进排气nts 16 量，在提高换气效率上做文章。换气是汽车发动机最基本的功能。通过换气，排出废旧气体，发动机工作循环回复到循环初始状态，吸纳新鲜气体来提供燃料所需的氧气。用一句成语形容，就是“吐故纳新”，只有“吐故纳新”畅顺，发动机才能正常工作。 良好的发动机进气通道设计是提高进气量的重要保证。一些汽车运动者在传统发动机改装上，采用了大通量的空气滤清器，大口径或多支排气管，目的就是改善气体的流速以提升发动机功率。更进 一步，改装深入到结构内部及材料的选用，例如打磨进气歧管内壁，使用不锈钢排气管等，以增高管壁的光滑程度来减少与气体之间的摩擦，提高气体的流动速度。 发动机进排气管过去都是用铸铁材料铸造出来的。发动机进排气管道改用不锈钢或铝合金材料，既可以降低管道内的气流阻力，同时也可以降低重量，因为不锈钢和铝合金比铸铁质量小得多，可谓是一举两得。因此，现在许多发动机都选用不锈钢材或铝合金材料做进排气管。据最新资料，德国拜耳专门开发了一种新型的 Durethan 材料，用于制造具有更精确内部几何形状的进气歧管，其焊接性能、加工可性 、焊接性能、气密性、经济性等都表现良好。 从形状上看，传统发动机进排气管多用方形，这是因为方形断面表面面积大，有利于进气管内油膜的蒸发，同时从铸造
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