FSAE赛车进气限流阀的对比仿真分析

冯勇，阳林，彭仁杰，周永光

（广东工业大学机电工程学院，广东 广州 510006）

FSAE赛车进气限流阀的对比仿真分析

冯勇，阳林，彭仁杰，周永光

（广东工业大学机电工程学院，广东 广州 510006）

本文分析了进气限流阀对赛车性能的影响，并利用Fluent软件对6°、7°、8°扩散器锥角的三种限流阀方案进行分析和比较，根据对比分析结果最终选出最优的限流阀方案，为以后对限流阀扩散器锥角的优选提供了一种参考方法。

FSAE；Fluent仿真；进气限流阀；扩散器锥角

CLC NO.: U461.2 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2014)09-15-04

引言

FSAE比赛是一项由汽车工程相关专业的学生团队参加的汽车设计与制造的中国大学生方程式汽车大赛。按照赛事制定的规则和赛车设计与制造的标准，参赛的小型单人座赛车能够成功完成全部或部分赛事，并且在加速、制动、操控性等方面具有优异表现。按照大赛规则要求，赛车使用小于610CC容量的发动机，进行多个项目的比赛[1]。

FSAE赛车的汽油机进气系统主要包括空气滤清器、谐振腔、进气歧管、节气门等机构[2]。从第二届中国FSAE大赛开始，组委会要求FSAE赛车用发动机的所有进气都要通过限流阀，截面为圆形，直径为20mm的限流阀的位置必须安装在发动机节气门和进气门之间[3]，如图1所示。

为了提高限流以后发动机的充气效率，提高赛车的动力性，全国各个高校车队均对限流后如何提高发动机的充气效率这个课题进行了研究，因为FSAE赛车的进气限流阀对赛车发动机的整机性能与充量系数有很大影响[4]。综上可知，进气限流阀的研究对于赛车的性能提升具有重要的意义。

1、限流阀的理论研究

充量系数φc定义为每缸每循环实际吸入气缸的新鲜空

气质量与进气状态下理论计算充满气缸工作容积的空气质量比值。

式中：V1，m1表示进气状态下实际进入气缸的新鲜空气的体积和质量；Vs，ms表示进气状态下理论上充满气缸工作容积的空气的体积和质量。

残余废气系数φr是进气过程结束时，气缸内残余废气量mr与进入气缸中新气充量md的比值，即

充量系数与残余废气系数之间的关系为[3]：

式中：ζ为考虑排气门迟后角影响的系数，εc为发动机压缩比，Ts，Ps为进气状态的温度和压力（对于非增压发动机，进气状态就是大气状态），Ta，Pa为进气终点的温度和压力。

根据式(3)可知，进气压力Pa与充量系数φc成正比，Pa高则φc就大，Pa低则φc就小。而进气限流阀在中低转速、部分负荷条件下，就类似一个半开的节气门，让进气道内的压力Pa比正常情况低[5]，从而降低发动机的充量系数φc，进而限制各个工况的扭矩。

另一方面，进气限流阀会限制单位时间内的最大进气量。根据流体力学知识，管道内的气流速度越快，效率就越低，当气流速度接近0.5马赫的时候，实际进气量就会达到瓶颈。在常温常压下，20mm管径的这个瓶颈数值，大约在70g/s左右。换句话说，在管径限定的情况下，无论如何，进气管在单位时间进气量就只能是这么多，进而限制了发动机的最大功率[5]。

2、限流阀结构分析与建模

2.1 限流阀结构分析

限流阀将进气系统的前端截面缩小至20mm口径。本文限流阀开口有一定的锥角，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。从多篇国外资料中查得，40°为最佳限流阀开口参数[6]。同时，针对限流阀本身给进气流速和进气压力造成的巨大损失，在限流阀后部安装扩散器，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，6°～8°左右为最佳扩散器锥角参数[6]，长度则是在总布置合理的情况下越长越好。

限流阀结构如图2所示，根据前一届赛车的限流阀参数的经验数据初定参数：进口渐缩长度L1=40mm，出口渐扩长度L2=110mm，进口锥角A=40°，出口扩散器锥角待定。

2.2 限流阀的建模

利用UG建立限流阀三维模型，其三维模型很简单，包括进气管截面逐渐收小的限流阀本体和截面积逐渐变大的扩散器，以7°锥角扩散器的限流阀为例建模，取：进口渐缩长度L1=40mm，出口渐扩长度L2=110mm，进口锥角A=40°，出口扩散器锥角B=7°，建立的限流阀三维模型如图3所示。

3、三种扩散器锥角的限流阀方案仿真及对比分析

本文取扩散器锥角6°～8°范围内的三个锥角6°、7°、8°进行仿真分析。

对于6°和8°扩散器锥角的限流阀，依照7°锥角扩散器限流阀建模步骤建立这两个锥角限流阀的三维UG模型，将三种锥角的限流阀三维模型导入Fluent软件中，对计算区域采用多面体网格，边界层网格加密。利用FLUENT软件分析其压力与流速的变化，并作比较。边界条件设置如下：

压力入口（Pressure inlet）：1x105Pa

压力出口（Pressure outlet）：0Pa

残差设定：1x10-3

3.1 限流阀6°锥角扩散器分析

由图5可知，最高流速出现在限流阀中央，其值为1.87e+03m/s，最低流速出现在扩散器末端，其值为6.24e+01m/s。

由图6可知，最高压力出现在限流阀开口处，其值为1.77e+04Pa，最低压力出现在限流阀中间处，其值为-2.36e+06Pa，扩散器末端压力为-6.15e+04Pa

3.2 限流阀7°锥角扩散器分析

由图8可知，最高流速出现在限流阀中央，其值为1.55e+03m/s，最低流速出现在扩散器末端，其值为5.18e+01m/s。由图9可知，最高压力出现在限流阀开口处，其值为

4.39e+04Pa，最低压力出现在限流阀中间处，其值为

-1.59e+06Pa，扩散器末端压力为-1.06e+04Pa。

3.3 限流阀8°锥角扩散器分析

由图11可知，最高流速出现在限流阀中央，其值为1.40e+03m/s，最低流速出现在扩散器末端，其值为4.00e+01m/s。

由图12可知，最高压力出现在限流阀开口处，其值为5.48e+04Pa，最低压力出现在限流阀中间处，其值为-1.28e+06Pa，扩散器末端压力为-1.20e+04Pa。

3.4 限流阀扩散器对比分析

通过对6°7°8°三种不同锥角条件下的限流阀扩散器速度云图、压力云图分析，对比结果如表1。

表1 三种不同锥角的限流阀分析结果对比

对比以上表1的数据可知，空气流量是7°锥角时最高，限流阀末端压力是7°锥角时最高（即进气压力损失是7°锥角时最小）。

基于上面限流阀的理论研究可知：限流阀是通过影响进气压力和进气流量而限制发动机的性能的。所以，限流阀扩散器的评判依据就以进气压力损失和空气流量为指标。限流阀的进气压力损失越小，发动机的充量系数φc越大，对发动机的扭矩提升越有利；限流阀的空气流量（即进气流量）越大，限流阀在单位时间内的进气量就大，对发动机的功率提升越有利。所以，出口扩散器锥角选为为7°是最佳方案。

综上可知，为保证进气气流的稳定，确定限流阀参数如下：进口渐缩长度L1=40mm，出口渐扩长度L2=110mm，进口锥角A=40°，出口扩散器锥角B=7°，渐扩末端与谐振腔连接，其长度与谐振腔配合，可略变。

4、结论

本文从充量系数和最大进气量两方面分析了进气限流阀对赛车动力性的影响，进而借助Fluent软件对具有6°、7°、8°扩散器锥角的三种限流阀方案进行仿真分析，并依据空气流量和进气压力损失为指标来综合比较三种方案，并最终确定限流阀出口扩散器锥角B=7°为最佳方案。这为日后利用仿真软件对进气限流阀的仿真分析与优选提供了一种参考方法。

[1] 贺彤阳，何山，黎杰，肖国权,雷雄．大学生FSAE赛车发动机进气系统设计[J]．机械工程师，2012，11：20-23．

[2] 许建民，刘金武，李晓宇．FSAE赛车进气系统改进设计[J]．厦门理工学院学报，2009，17（4）：44-47．

[3] 彭才望．FSAE赛车用发动机进气性能研究[D] ．广东：广东工业大学，2013．

[4] 许俊．基于进气限流下的FSAE赛车发动机进气系统优化设计与仿真研究[D] ．四川：西华大学，2012．

[5] FSAE中国联盟．FSAE赛车进气限制器[EB/OL] ．http://cnfsae. com/viewthread. php?tid=2917，2012．

[6] 江大之星车队．江苏大学2011年“江大之星”车队赛车设计报告[R] ．江苏，江苏大学，2011．

[7] 陈家瑞．汽车构造（第3版）[ M ] ．北京：机械工业出版社 ，2009．

The Contrast Simulative Analysis of Intake Flow-limiting Valve on FSAE Racing Car

Feng Yong, Yang Lin, Peng Renjie, Zhou Yongguang
(Faculty of Electromechanical Engineering, Guangdong University of Technology, Guangdong Guangzhou 510006)

In this paper, the influence of intake flow-limiting valve on FSAE racing car’s performance is analyzed. Then three intake flow-limiting valve solutions with different diffuser cone angle of 6°、7°、8°are analyzed based on Fluent software. Finally, the best solution is chosen according to the result of comparison analysis, and thus a certain reference for optimizing the diffuser cone angle of intake flow-limiting valve.

FSAE；fluent simulation；intake flow-limiting valve；diffuser cone angle

U461.2

A

1671-7988(2014)09-15-04

冯勇，就读于广东工业大学，研究方向电动汽车关键技术。