方程式赛车发动机进气系统设计与分析

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Aprilia SXV 550【13】发动机是来自高性能公路摩托车阿普利亚Aprilia SXV 550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。
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 确定进气系统材料与制造工艺【14】
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2.1 碳纤维进气歧管半成品
2.3 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。【15】

图2.2 三类节气门体结构示意图
4 各部件基本参数设计
4.1 节气门口径
节气门必须为机械控制，所以选择最常见的蝴蝶阀节气门，利于拉线控制。在2011赛季，使用的为45mm的文氏管节气门。根据使用情况的反馈，会出现一定程度上的油门迟缓现象。经过调查发现，其中一个原因就是节气门口径过大，使得油门反应较为迟缓。在保证足够进气量的同时，还得保证较快的油门响应。最终调整的节气门口径为40mm，减少了进气截面面积，使得进气速度得到提高。
4.2 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，同时整合通过节气门后的紊乱气流。查阅相关文献后得知，较长的总管适合低转速工况，较短的总管适合高转速工况。老的进气总管长度为280mm，经过实践发现，结构过于修长，不利于整体的固定，刚度有所下降，长期处于振动当中容易损坏。由于必须在外框之内，现将总管长度缩至150mm。如果收缩的锥角过大，气流不能顺利通过，将会在收缩孔产生拥堵。
4.3 稳压腔体积
稳压腔的体积本应与实际工况密切相关，在高转速和低转速下分别对应不同的体积。但是目前我们还没能掌握这项工艺。【20】所以只能选取一个在常用转速表现良好的稳压腔体积。查阅了一篇关于稳压腔体积优化的外文文献。文中提到稳压腔体积可取2-8倍的发动机排量。然后仿真了在不同体积下发动机的外特性曲线，并做了实验。在2-5倍排量时发动机动力曲线上升，6-8倍时出现下降。最后选取了3L和5L作为仿真的对比对象。仿真结果证明3L的稳压腔要优于5L。
稳压腔体积：
Vplen—稳压腔体积 Ved—发动机排量
Vplen=Ved5=0.549×5=2.745L
4.4 进气歧管长度

5 流场分析
5.1 分析软件介绍
CFD商业软件FLUENT，是通用CFD软件包【21】，用来模拟从不可压缩到高度可压缩范围内的复杂流动。由于采用了多种求解方法和多重网格加速收敛技术，因而FLUENT能达到最佳的收敛速度和求解精度。灵活的非结构化网格和基于解的自适应网格技术及成熟的物理模型，使FLUENT在转换与湍流、传热与相变、化学反应与燃烧、多相流、旋转机械、动/变形网格、噪声、材料加工、燃料电池等方面有广泛应用。
GAMBIT——专用的CFD前置处理器，FLUENT系列产品皆采用FLUENT公司自行研发的Gambit前处理软件来建立几何形状及生成网格，是一具有超强组合建构模型能力之前处理器，然后由Fluent进行求解。也可以用ICEM CFD进行前处理，由TecPlot进行后处理。【22】
5.2 模型网格划分与边界条件初定义
利用前处理软件Gambit对模型进行三维网格划分，对面和体做边界定义。体网格划分时，选择Trid（四面体网格）。而根据气流的进出确定，入口边界为压力进口（pressure inlet），出口边界为压力出口（pressure outlet），管壁定义为壁（wall）。
5.2.1 进气总管分析
单独建立进气总管模型，分析限流阀处的空气流动状态，在相同边界条件下的，不同形状的模型对进气系统的影响。主要分析了不同长度的进气总管对进气系统的影响。参考变量为air flow rate、压强云图、速度云图。以下为结果。
（1）进气总管长度为150mm

图5.1 进气总管长度为150mm的压强云图

6 进气系统装配
由于整个进气系统存在加大的弯曲曲面，其他的加工方法难以加工且又保证加工精度。所以整个进气系统将采用快速成型加工制作，该方法适合单件制作，且能保证加工精度，特别是能保证进气系统的内壁光滑。用螺栓与发动机机体固定，同时为减弱发动机振动对进气系统的影响，在节气门处引出一根固定杆与车架相连。

图6.1 进气系统的装配效果图1
空气滤清器与限流阀开口的装配使用金属卡箍。限流阀开口，限流阀，限流阀扩散器由数控车床一体成型，此部分尽可不使用焊接，因为截面较小，焊接所以引起的内壁粗糙将对进气效果产生很大影响。扩散器末端与稳压腔连接处采用焊接，稳压腔与四根进气道用焊接相连，进气道与发动机按照规则要求使用螺栓螺母连接，为防止振动引起的松动，选用尼龙防松螺母。图6.1为此次进气系统设计成品在发动机与车架上的装配效果图。

图6.2 进气系统的装配效果图2