基于FSC 的Honda CBR600 发动机排气系统设计

苏 炜，艾天乐，郑心怡

（武汉理工大学国际教育学院，湖北 武汉430000）

中国大学生方程式汽车大赛（FSC）是一项由高等院校汽车相关专业在校学生组队参加的汽车设计与制造比赛。排气系统的基本功用是将发动机做功所产生的废气排出体外，其布置形式的选择以及结构参数的选定对发动机的性能有巨大影响[1]。

由于要满足空间合理布局及性能、噪声要求，需对原车排气系统进行重新设计，主要包括排气歧管设计及消音器设计。在排气歧管设计中，运用GT-Power 仿真确定了排气歧管的长度及结构形式，通过CATⅠA 进行建模，借助Fluent进行流体分析得出排气管道内流体压力及流体流速的分布情况，从而进一步进行结构优化；在消声器的设计中，主要是通过GT-Power 软件模拟了不同结构形式的消音器，确保噪声在规则允许范围内[2]。

1 排气歧管设计

在分析了2018 赛季发动机动力缺陷的基础上，本部分排气歧管设计将以降低发动机排气阻力、提高功率和扭矩输出为目标，基于一维CFD 仿真软件及三维CFD 仿真软件对发动机排气系统进行优化。首先基于18 年发动机参数及台架试验数据搭建一维仿真模型，利用GT-Power 对发动机排气歧管长度及布置方式进行了一维CFD 仿真，确定发动机排气歧管长度参数及排气歧管；其次以提升排气歧管各缸均匀性和排气阻力为目标对排气歧管进行三维CFD仿真优化。

1.1 运用GT-Power 对发动机进行建模

GT-Power 是由Gamma Technologies 公司开发的模拟仿真工具，该软件采用有限体积法进行流体的计算，能进行直接优化、DOE 设计/优化，能进行进、排气系统噪声分析，能对进、排气系统的消音元件进行优化设计。依据发动机参数及2018 年台架试验数据，进排气系统的建立模型如图1所示。

图1 发动机GT-Power 模型（4-2-1）

通过参数输入得到仿真功率与扭矩仿真曲线，提取数据并与2018 赛季台架实验数据对比如图2 所示。

图2 GT-Power 仿真功率与台架数据对比

在对比中不难发现两者对应转速下，功率数值有一定差距，但考虑到在建立该模型时燃烧模型是理想化的，比实际燃烧情况要好，同时该进气模型采用了理想化的形式，默认各缸进气是均匀的，因此误差是在所难免的，但是对比两者的功率趋势基本是吻合的，所以验证了仿真模型建立是可用的。

1.2 排气歧管的布置形式确定

由于发动机内产生的废气在流经排气歧管后要聚拢在一起排出，并且CBR600 为4 缸发动机。因此排气系统有3种布置方式，分别为4-2 布置、4-2-1 布置和4-1 布置。

4-2 布置形式虽然设计简单，管道弯曲少利于废气的排出，但缺点是占用两侧车身空间大，易产生干涉，且此种布置废气的扩散空间小，管道内不能产生足够的负压，并需要两个消声器，所以不予考虑。其余2 种形式采用采用单一变量法进行分析，变量为4-2-1 与4-1 布置形式，分别用GT-Power 仿真5 000～9 000 r/min 内发动机转速与扭矩。通过数据处理，比较在相同转速下，两种方案对发动机性能的影响如图3 所示。

图3 不同布置形式、转速下仿真扭矩及功率对比

从以上数据不难发现，排除极端因素，发动机转速在5 000～7 500 r/min 时，4-2-1 比4-1 方案功率大，且两者差值随转速的上升而减小；在8 000～9 500 r/min 时，4-2-1 比4-1 要低，且差值逐渐增大。

可以得出：4-2-1 在中低转速下利于发动机性能的发挥，4-1 则在高转速下利于发动机性能的发挥。考虑到赛车在比赛过程中，中低转速5 000～8 000 r/min 的工况使用较频繁，因此选择4-2-1 的布置形式。

1.3 排气歧管的长度确定

在设计排气管道时，需要对管道长度、管道内径以及弯管的曲率半径进行计算。已知CBR600 发动机排气出口内径为32 mm，查阅相关文献，采用以下经验公式计算[3]：

式（1）中：P为排气歧管的长度，mm；ED为180°+排气门提前打开曲轴转过的角度，°；RPM为发动机性能最佳时发动机的转速，r/min。

排气歧管内径计算公式为：

式（2）中：ID为排气歧管内径，mm；CC为发动机的排量，mL。

将原始参数代入上式，排气歧管内径为26.6 mm，长度为363 mm。但如果内径设为26.6 mm，则排气歧管必将是一段锥形管，通过建模在Fluent 中分析后发现在排气出口附近会形成高压，这样是不利于废气的排除，因此选择另一种方案，内径设为32 mm，通过GT-Power 分析选出最佳的歧管长度。

根据图2 所示GT-Power 排气4-2-1 模型为基础，设置单一变量为歧管长度，仿真模拟出各个转速下最佳排气歧管长度。对数据进行进一步处理和分析，相同转速下不同长度功率的峰谷差在0.077 5～0.466 5 kW，其方差均在0.17 之内。可见排气歧管的长度对发动机有一定影响，但影响很小，通过工况的匹配，最终选定长度在300～320 mm 均可，具体值根据排气管空间限制及Fluent 的分析确定。

1.4 排气歧管仿真分析

图4 为新设计的排气歧管相比于18 赛季4-2 结构形式排气歧管的GT-Power 仿真对比结果。

由图4 可以看出：在低转速区间，排气背压较低，发动机输出扭矩功率较弱，且有较为明显的谐振现象，相比18赛季低转速性能较差；在中高转速区间排气背压较小，得到了更好的特性曲线。尤其是中段扭矩得到大幅提升，由于在耐久赛及高速避障比赛中，需要不断进行制动、加速、制动、加速过程，所以，发动机在中段转速扭矩的提升能极大地提高车辆的动态表现。

假定流场内的流体为烟气，流体状态为可压缩、非定常流动。边界条件按如下参数设置：入口边界为压力入口，压力值为0.3 MPa；出口为压力出口，压力值为1.0 MPa；固壁边界为光滑壁面且无速度滑移。在Fluent 中进行流体分析[4]。在分析不同形状集合器时我们得出，排气歧管的设计应适当地增大排气管的曲率半径且适当减小排气管的弯角大小，尽可能避免直角弯道的形式，这样流体在管道内的压力和流速分布更均匀，废气排放更顺畅。如图5 中所示，各个气流汇合处具有较好的对称性，流线分布合理，无明显湍流现象，流体沿程损失和局部损失较小。

图4 新设计的排气歧管相比于18 赛季4-2 结构形式排气歧管的GT-Power 仿真对比结果

图5 Fluent 仿真流线图

通过对不同形状参数的排气歧管进行仿真后，最终确定排气歧管模型如图6 所示。

图6 最终排气歧管模型及其仿真分析

通过仿真分析得出，该排气总管两道弯曲处的外侧流体压力最大，而在两次弯曲处的内侧流体压力最小；流体在排气管的直管部分压力分布相对均匀。排气总管的进口处以及弯管内侧流体的流速较大，排气总管的弯管外侧流速相对较小，其余各处流速分布相对均匀。

2 消声器设计

根据比赛规则，静态测试时，测量麦克风的探头将放置位于尾气出口后方0.5 m 处，与排气口水平，并与气流流动方向夹角成45°。发动机在怠速时噪声等级上限为C 加权103 dB（快速加权，Fast Weighting），其他速度时噪声等级上限为C 加权110 dB。

在往届比赛中我们采用抗性消声器并进行了频谱分析，如表1 所示，效果较差。阻抗结合式分别用抗性消声单元和吸声材料组合构成的消声器，它具有抗性、阻性消声器的共同特点，对低、中、高频噪声都有很好的消声效果，因此拟采用该种形式的消声器。

表1 18 赛季消声器频谱分析测量结果

2.1 消声器基本参数确定

查阅资料得到消声器通用体积公式如下[5]：

式（3）中：Q为修正系数，一般取2～6，对消声器要求越高时，Q应越大；n为发动机转速，r/min；Vst为发动机排量，L；τ为冲程数；i为发动机缸数。

取转速n=11 000 r/min，代入上式计算得消声器体积为3～4.5 L，初步确定长度为360 cm，空腔半径5～7 cm。

2.2 消声器建模及仿真

使用GT-Suit 系列软件中的GEM 3D 模块根据以上参数，初步对消声器建模，并将其离散为一维结构。其中根据标准消音棉参数，设置填充物纤维直径为0.01 mm，填充密度100 g/L。将离散化的消声器模型导入GTⅠ-SE 模块，与发动机排气歧管尾端相连接，并添加microphone 元件，用以测量加入消声器后排气尾段的噪声。根据赛事要求，microphone 的位置为距消声器尾段上方50 cm 的后方50 cm处。进行仿真，并在GT-Post 模块中得到指定位置处噪声值随发动机转速变化的曲线。通过对不同结构形式消声器的反复仿真和测试，确定最终消声器的结构形式如图7 所示。

图8 所示为GT-Post 中指定位置处的噪声曲线。横轴为发动机转速（r/min），纵轴为噪声分贝（dB）。从图中可以看出，加装消声器后的噪声曲线（浅灰色）相较于未加装消声器的噪声曲线（深灰色）有显著下降，且在比赛规则要求范围内，消声器最终的结构设计符合要求。

图7 消声器模型和一维离散化模型

图8 消声器降噪效果

3 结语

本文基于大学生方程式大赛，以Honda CBR600 发动机为实验平台，对其排气系统进行设计分析。通过GT-Power仿真初步确定了排气歧管的结构形式及参数，之后利用Catia 进行三维建模，导入Fluent 中进行CFD 分析并对模型进行优化；通过GEM 3D 进行消声器建模，离散后导入GT-Post 进行噪声分析，最终选取了效果满足要求的消声器。通过与往年数据对比分析，新的排气系统在中高转速区间排气背压较小，得到了更好的外特性曲线。同时发动机GT-Power 模型的建立为以后的动力总成设计提供了方向，通过仿真减少了不必要的台架试验次数。