进气系统的优化设计

余龙，徐生荣，朱银，丁华锋,

（1.湖北文理学院汽车与交通工程学院，湖北 襄阳 441053；2.湖北三环锻造有限公司，湖北 襄阳 441700）

引言

中国大学方程式大赛规定油车发动机排量必须为710cc以下，本车队选用本CBR600作为参赛发动机，规则为限制发动机功率，必须在进气系统中安装一个圆环形直径为20㎜的限流阀，限流阀的增加大大降低了发动机的自然充气效率[1]。充气效率又直接影响发动机的性能，通过合理设计进气模型参数，利用三维软件 CATIA 建立 FSAE赛车发动机进气系统三维模型[2]。通过 ANSYS 软件中的FLUENT模块对进气系统模型进行流场分析，对比分析歧管的进气均匀性，最后达到对 FSAE 赛车发动机进气系统优化的目的，以此来达到提高发动机充气效率的目的[3]。

1 进气形式的确定

历年来随着大赛的逐渐发展，逐渐形成了三种进气形式：①机械增压；②涡轮增压；③自然吸气。四缸机主要采用自然吸气形式。FSAE赛车进气系统包括以下结构：

根据以上结构确定了大致的进气形式为中央进气。

2 进气主管及限流阀的参数确定

根据规则需要以及车架设计计算出主管的长度为240 mm，由于限流阀存在于进气主管之内，对限流阀采用文丘里管模型，当气体经过限流阀时流速增大，压力减小形成压差，产生一定的吸力，因此合适的设计限流阀的入口渐缩角和出口渐扩角，可以有效提高进气量。确定渐缩角范围一般在10°- 20°，渐扩角在5°- 7°，确定三组值，分别为（18°，5°）（18°，6°）（18°，7°）[4]。使用CATIA对这三组参数分别建立三维模型，通过FLUENT对建立模型进行流场分析。三组参数统一使用压力进出口边界条件：入口压力设为101325Pa，湍流强度为5%；出口压力设为97870Pa，湍流强度同样设为5%。湍流模型采用标准的k-ε模型[4]。进行迭代计算得出表1数据：

图1 三组参数二的流场分析结果

表1 各角度限流阀通过的流量大小

通过对三组参数的比较确定限流阀渐缩角为18°，渐扩角为7°。

3 稳压腔和进气歧管的参数确定

稳压腔容积是影响油门踏板的灵敏度的一个因素，容积过小，油门踏板的灵敏度会过高；容积过大，赛车油门的反应又会过于迟钝。稳压腔的容积一般在3-4 L左右，分别设计稳压腔容积为3.2L、3.4L、3.6L。根据谐振效应在特定转速下和进气门关闭之前，进气歧管内产生大幅度的压力波，使进气歧管内进气压力增高，从而增加进气量。由公式[5]：

c：声速取值340m/s；

n：为发动机转速取值9000r/min；

q=1.5、2.5、3.5.....（q为波动系数）波动系数选择2.5；

由于喷油底座也属于一段歧管长度，减去喷油底座长度，初步计算出歧管长度为155mm，歧管最大直径为53.7mm，最小直径为44mm，渐变角为4°。

4 进气模型的建立及优化

通过以上得出的几组数据在CATIA中建立三维模型如图2，将建立好的模型导入到FLUENT进行流场分析。

图2 进气三维模型

对建立好的模型在FLUENT流体分析软件中进行仿真，导入模型后建立内流域，使用MESH模块进行网格划分。设置求解，由于本文考虑的是单纯的流场特性分析，所以不涉及到换热，采用标准的k-ε模型；采用压力进口边界条件，进口压力设置101325Pa、出口压力设置 97870Pa；壁面边界条件采用无滑移边界条件；温度设置为26℃，迭代计算1000步，得出三种模型的质量流量和流场特性。

图3 不同体积稳压腔的流场分析图

表2 三组模型歧管进气量百分比

如上图3从上到下分别为稳压腔为3.2L、3.4L、3.6L时的流场特性和质量流量。分别分析表2中的三种模型的质量流量和流场特性得出3.2L和3.6L虽然在总质量流量上差异不大，但是3.2L的1、4歧管与2、3歧管流量百分比分别相差30.06%、29.6%，流量百分比相差比较大。3.4L的总质量流量十分接近理想值0.070㎏/s其四个歧管流量百分比与标准均匀进气情况下的百分比分别相差：5.7%、15.4%、12.1%、9.1%，其相对进气均匀性也强于其他两种方案。综上所述，本文得到稳压腔体积在3.4L为最佳方案。分析可知此模型在进气均匀性上有着明显的不足，所以本文针对歧管长度再次优化模型。

5 进气歧管的优化设计

由于稳压腔容积为3.2L时进气太集中于2、3两歧管，为了尽量让四个歧管进气量均匀，增加其功率和扭矩。本文从新对歧管进行了优化，将2、3两歧管的进口口径缩小至50mm，将1、4两歧管口径增大到56mm，并且对1、4两歧管在结构上进行优化，这里本文在1、4两歧管进口处引用了风杯结构，来实现增大1、4两管的进气量的目的。在CATIA中重新建模，并在ANSYS 中建立好内流域。

分别讨论单个风杯和两风杯的影响。

图4 两风杯结构优化结果

结合图4优化的结果可知，通过建立两个风杯结构使两侧歧管质量流量的更均匀分布，并使进气系统的流场更加顺畅，达到了对进气歧管的优化设计，提高了进气系统的充气效率，有利于提升发动机的性能。

6 总结

（1）本文通过结构分析确定了进气系统各个结构的参数。

（2）通过对进气模型的优化，将总进气量从去年的0.0532kg/s提高到了接近理想进气量的0.0675kg/s，有效地提高的总进气量，提升了充气效率。