【CBR600型四缸发动机赛车排气系统设计案例2200字】

图3.1所示：名称参数发动机形式直列四缸、四冲程发动机排量/cm599冷却形式水冷压缩比12.2气门数8个进气门、8个排气门点火顺序1-2-4-3进气门早开迟闭角早开：21°、迟闭：44°排气门早开迟闭角早开：40°、迟闭：5°缸径×行程/mm×mm67.0×42.5进（排）气门直径/mm27.5（23）峰值功率KW/r/min89/13000峰值扭矩N∙m/r/min66/12560表STYLEREF1\s3.SEQ图\*ARABIC\s11CBR600发动机参数排气系统布置形式的选择目前，大多数方程式赛车排气系统布置形式主要分为三种。第一种是4-2-1布置形式，这种布置形式指由四根歧管先合并为两根歧管，然后它们再次合并为一根排气总管的布置形式。显然，这种布置形式由于存在两次支管的合并，因而会产生两次真空低压，来自汽缸的压缩波会在每一个管道结合处发生膨胀，并在管道开口处做最后膨胀之前向排气口反射两个压缩波。在中等转速范围内，产生的压缩波能够中和中部与尾部发动机转速范围内排气门处的低压，从而大大提高发动机充量系数并使发动机获得良好的扭矩特性。在高速状态下，第二次减压来的太迟，所以容易导致产生的负压不足。图STYLEREF1\s3.SEQ图\*ARABIC\s124-2-1型排气管第二种是4-1布置形式，这种布置形式指由四根歧管直接合并为一根排气总管，由于只有一处合并，因而也只产生一次负压，但是由于四根歧管接合处能产生负压的空间很大，这样就能得到一个大而快的压缩波，从而产生较强的负压。但是在中等转速下，尤其是在气门重叠期间，第二次减压的好处就无法体现了。图STYLEREF1\s3.SEQ图\*ARABIC\s134-1型排气管第三种是4-2布置形式，这种布置形式指由四根歧管合并为两根排气总管的排布方式。这种布置形式优点是管道结构简单，设计方便，但其缺点也十分明显，由于两根管的结合处无法提供充足的空间所以极有可能会导致负压产生不足，并且由于排气歧管长度确定，要利用排气惯性就要使气体尽可能扩散开来，从而就要增大排气歧管终端的体积。要实现这一结果最好的办法就是直接让气体从排气歧管末端排出，但是如此一来产生的巨大噪音将超过FSAE赛事对参赛车辆噪音不超过110db的限制要求，而且即使不考虑比赛规则，这种结构依然需要安装两个消声器才能使用，经济性上远远低于另外两种布置形式。通过比较发现，第三种布置形式相对于另外两种缺点较为突出，因此不做考虑，而第一种和第二种布置形式各有优缺点，4-2-1型排气管在中等转速范围内能够产生充足的负压，但是在高转速时容易导致负压产生不足。而4-1型排气管则恰恰相反，尽管在中等转速下它产生的负压不足，但是在高转速时能够发挥其产生负压的空间大的优点，从而得到良好的排气性能。而FSAE比赛中赛车发动机的转速一般6000-10000rpm，这一转速范围属于较高转速，因此本文选用4-1型排气管作为设计对象。排气歧管参数计算设计排气歧管时最重要的参数就是排气歧管的长度、管道直径以及弯曲中心线半径，计算过程如下：P=((850×ED)/RPM)−3(4-1)P—排气管长度（inch）ED—180°+排气提前角（度）RPM—发动机目标转速（rad/min）ID=P—排气管长度（inch）CC—发动机排量（cm3ID—排气歧管内径（inch）发动机的排期提前角一般在30°~80°，这里所选择发动机的排气提前角为40°，所选发动机目标转速为8000rad/min，发动机排量为599cc,将这些数据带入其中计算得P=20.375inch,ID=2.126inch。目前，对于排气歧管的曲率半径学术界还没有统一的计算公式，通常在分析确定排气歧管的曲率半径时往往考虑三个因素。一是所选用管道的曲率半径必须保证管道有良好的排气性能；二是这一曲率半径管道的制作工艺不能太过复杂；三是这一曲率半径的管道能满足相应的空间布置要求。排气性能方面，造成流体在弯管中流动时的能量损失的原因主要由三部分组成，一部分是由切应力所导致的沿程损失，尤其是在流动方向改变处以及流速分布变化的地方所产生的损失；另一部分是流体运动时形成的漩涡所产生的损失；第三部分是由二次流形成的双螺旋流动（如图4.1）所产生的损失。发动机排气过程中气流流过弯管时，由于离心力的作用，弯管内侧的流速较外侧更大，而压力小。因此在弯管内侧加速段AO中不会产生边界层分离现象（指原本紧贴物体表面流动的边界层脱离物体表面的现象），而在扩压段OB内点S处开始产生边界层分离现象，并形成漩涡区，从而造成局部流动损失增大。弯曲管道中流线上质点的速度V与曲率半径R的关系如下：V=C－沿往向的积分常数图STYLEREF1\s3.SEQ图\*ARABIC\s14弯道内的气流运动示意图由此可知，在弯曲流线的主法线方向上，流体的流动速度与流体到曲率中心的距离成反比，所以在管道弯曲处内侧流速较快，外侧流速较慢。并且管道中垂直于轴线方向的截面上速度分布梯度较大，能量损失也较大，截面的有效利用率低。因管道弯曲而产生的压力损失的公式为：∆pρ—气体密度（kg/v—气体流速m所以由公式可知曲率半径R越大则因管道弯曲造成的压力损失就越小，因此在实际工程设计过程中，在加工工艺和空间布置要求允许的条件下应尽可能将排气歧管的曲率半径设计的较大。排气歧管与发动机缸盖接口设计在确定发动机位置之后，由于排气歧管和发动机在汽缸盖处相连，并且接头已在汽缸盖上加工完成，因此在确定了发动机布局之后，就已经确定了歧管与发动机之间的接口。排气歧管和发动机气缸盖通过法兰和螺栓连接，并用垫圈密封。如图所示，排气歧管穿过中间的大孔，并用凸台固定。旁边的两个小孔是螺栓固定孔，而凸台是由车床加工的不锈钢​​套筒。焊接在排气歧管的末端。图STYLEREF1\s3.SEQ图\*ARABIC\s15排气法兰样例SolidWorks三维建模SolidWorks建模：图STYLEREF1\s3.SEQ图\*ARABIC\s16一号排气管图STYLEREF1\s3.SEQ图\*ARABIC\s17二号排气管图STYLEREF1\s3.SEQ图\*ARABIC\s18三号排气管图STYLEREF1\s3.SEQ图\*ARABIC\s19四号排