FSAE赛车发动机进气系统设计

郑 颖，弋 驰

（西安航空学院，陕西 西安 710077）

FSAE赛车发动机进气系统设计

郑 颖，弋 驰

（西安航空学院，陕西 西安 710077）

文章主要对FSAE赛车发动机进气系统进行分析，从而在符合大赛规则的前提下设计出符合FSAE赛车高速性能要求的进气系统，即在赛车发动机进气系统中安装稳压腔。首先利用CATIA软件绘制两种进气系统的3D模型（含有稳压腔和不含稳压腔），再将其导入到ANSYS软件中进行模拟仿真分析，通过比较分析证明带稳压腔的进气系统在进气速度的均匀性与进气压力稳定性上均具有一定的优势。

FSAE赛车；发动机进气系统；稳压腔

发动机是汽车的心脏部件，其结构的优劣对发动机性能参数有着重要的影响，比如发动机的动力性、经济性、排放性等性能指标，如何改进进气系统的充量系数，从而改善发动机的性能是发动机设计工作中较为重要的一个环节。而对于速度要求极高的FSAE赛车而言，进气系统结构的重要程度更是不言而喻。由于FSAE赛车高速，质量小的特点，出于安全的考虑，FSAE大赛要求所有参赛汽车的发动机进气系统都要添加限流阀，以此来降低发动机的进气量，从而降低赛车功率和限制车速，并且要求限流阀必须设置于发动机节气门和进气门之间。但加装限流阀相当于增加了进气的阻力，即改变了原来发动机的输出性能；另外，赛车发动机一般为多缸结构，多缸发动机进气时谐波增压会对相邻的气缸进气造成干扰，产生负增压效应（俗称抢气）。考虑到以上两个方面，文章提出增设一个缓冲区来减少抢气，即增加一个稳压腔，通过其自身结构储存一定量的空气来减缓抢气，从而改善发动机进气系统的综合进气性能。

1 采用稳压腔的赛车进气系统CATIA模型

（1）结构选择。由于汽车的行驶方向总是逆着空气的流动方向，所以进气系统最前端的撞风量较大，针对这一问题，本次设计的赛车进气系统采用对称式的进气管结构，这种布置形式有利于各缸的进气平衡，改善进气歧管上喷油器的喷油效果，并在一定程度上减少了回火等不良现象的发生；同时，这种形式的进气管与进气歧管上没有凹面，受力均匀，增加了稳压腔的刚度。

（2）进气歧管长度和稳压腔的体积。根据公式（1）计算进气歧管的长度。

其中，L表示要计算的进气歧管的长度；a为声速，取a= 340m/s；q为波动系数，其值一般为1.5、2.5、3.5，考虑到本车所设计发动机的布置空间，取q=3.5；n为所用发动机的转速，取9000r/min。经过计算，得出进气歧管的总长度为320mm，减去发动机上为进气道部分预留的约70mm，所得的进气歧管在发动机外部长度为250mm，经初步证实改进气管长度符合选用发动机的运行状况。

赛车的稳压腔体积一般为2～8倍的发动机排量，对发动机外特性曲线进行仿真分析，得出当稳压腔体积在2～5倍发动机排量时，发动机动力曲线上升，而在6～8倍时出现下降。对于赛车选定的铃木GSX-R600发动机，其排量为排量为599mL，参照2～5倍发动机排量，将稳压腔体积定为3L。

另外，该款发动机的节气门体口径为45mm，考虑到发动机进气歧管下端要与发动机上的原装节气门体进行装配，所以选定进气歧管下端直径为45mm。经测量车架主环斜撑处给发动机进气系统预留的空间宽度为360mm，所以稳压腔最宽处应小于360mm。

通过以上分析最终确定的建模参数如表1所示。利用这些参数在CATIA软件中分别建立未安装稳压腔的进气系统的3D模型和安装稳压腔的进气系统的3D模型如图1和图2所示。

表1 进气系统的建模参数

图1 未安装带稳压腔的进气系统的3D模型（左）

图2 安装稳压腔的进气系统的3D模型（右）

（3）对两种进气系统结构进行ANSYS分析比较。利用ANSYS软件对CATIA中建立的两个模型分别进行Fluent流体分析，检测各进气管中的进气压力，其中图3为未添加稳压腔的进气系统Fluent流体分析图，图4为添加稳压腔的进气系统Fluent流体分析图。

图3 未添加稳压腔的进气系统ANSYS软件分析（左）

图4 添加稳压腔的进气系统ANSYS软件分析（右）

从图3、图4的分析结果可以得出，普通进气在进气一定时间后，第四缸的进气由于压力波动导致进气速度明显低于一二三缸，进而造成发动机各缸进气不均匀，影响发动机性能。而对于增加稳压腔的结构，在相同的进气时间后，四缸进气在进气口位置，进气速度均匀，而且不会因为进气波动导致四缸进气不均匀。这样的进气能充分发挥发动机性能，保证各缸正常运转。

2 结语

文章通过ANSYS软件分析比较两种进气结构在发动机工况稳定后的进气压力图，得到普通进气因为进气波动原因，在二三缸造成进气压力低的问题，造成发动机二、三缸进气不足，导致发动机动力不稳和油耗的持续增加；而带稳压腔的结构很好的解决了这个问题，保证了进气歧管处的进气压力相等，发动机各缸进气均匀，能充分发挥各缸的性能，并且对发动机的损伤较低。

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Design of Air Intake System for FSAE Racing Engine

ZHENG Ying，YI Chi
（Xi'an Institute of Aeronautics，Xi'an，Shaanxi 710077，China）

This paper mainly analyzes the intake system of FSAE racing engine，so as to meet the requirements of the competition rules to meet the FSAE racing high-speed performance requirements of the intake system，that is，in the car engine intake system to install the regulator chamber.First，the 3D model of the two intake systems（including the regulator chamber and the regulator chamber）was drawn by CATIA software.Then，the simulation was carried out in the ANSYS software.The comparison analysis showed that the intake air system has a certain advantage in the uniformity of the intake air velocity and the inlet pressure stability.

FSAE racing；engine intake system；regulator chamber

U464.134.4

A

2095-980X（2017）02-0076-02

2017-02-16

郑颖，主要研究方向：汽车工程。