A方程式赛车发动机进气系统设计与分析
A方程式赛车发动机进气系统设计与分析,方程式赛车,发动机,系统,设计,分析
上海工程技术大学毕业设计(毕业论文)任务书学 院汽车工程学院专 业机械设计制造及其自动化(汽车工程)(中美合作)班级学号 062110316学 生彭涛指导教师李传昌 题 目方程式赛车发动机进气系统设计与分析任务规定进行日期 自 2014 年 2 月 17 日起,至 2014 年 6 月 20 日止目 录摘要4关键词4Abstract5Key words5引言5绪论61.1 课题研究背景和意义61.2 汽车发动机进气系统的简介71.2.1 进气系统定义71.2.2 基本构成71.3 汽车发动机进气系统发展趋势71.4 进气限流情况下提高进气效率技术的研究现状81.5 研究内容81.6 进气系统系统概述91.6.1 进气系统结构参数对充气效率的影响91.6.2 进气管长度对充气效率的影响91.6.3 FSAE规则对进气系统限制91.6.4 赛车进气系统主要构成112 进气系统方案设计112.1 进气系统设计流程112.2 确定进气系统材料与制造工艺132.3 节气门体类型选择133 设定进气系统各部件基本参数143.1 系统参数143.2 空气滤清器153.3 限流阀开口163.4 限流阀163.5 限流阀扩散器163.6 稳压腔163.7 进气道173.8设计要求173.8.1 进气方案183.8.2 进气管形式184 各部件基本参数设计214.1 节气门口径214.2 进气总管长度214.3 稳压腔体积214.4 进气歧管长度215 流场分析225.1 分析软件介绍225.2 模型网格划分与边界条件初定义225.2.1 进气总管分析225.2.2 稳压腔分析255.2.3 进气歧管长度分析验证276 进气系统装配287 结论与展望30参考文献31大学生方程式赛车进气系统设计与分析车辆工程专业 彭涛 指导教师 李传昌摘要:本设计是针对我院2014年FSAE赛车发动机进气系统的优化设计与仿真研究。文中系统的阐述的发动机进气的基本原理,简要叙述了发动机进气系统研究发展的现状。这一优化设计借助先进的发动机进气性能计算三维制图软件CATIA建立该发动机的仿真模型,并就发动机进气歧管长度四种方案进行了动力性能的模拟计算,分析了进气歧管长度变化及进气谐振箱体积变化对发动机动力性能的影响及其规律。在基本确定进气系统的几何设计参数以后运用三维流体仿真软件FLUENT对管内气流流场进行仿真计算,形象化了气流流线及流型,量化了流场内部的压力及速度分布情况,进一步优化了进气系统的局部结构参数,并定出合里的限流阀结构参数,为我院FSAE车队后续的优化设计的工作指明了方向,并提出改进建议。关键词:FSAE赛车 进气系统 设计 分析Simulation and Analysis of Steer-by-Wire based on PID ControlStudent majoring in vehicle engineering Peng Tao Tutor Li ChuanchangAbstract:This design is for our school in 2014 FSAE race engine optimization design of the intakepipe length. This paper describes the system of the engine intake resonator basic principles, and depicts the research and development status of the engine intake system in brief. The optimal design with advanced 3D software to establishe a simulation model of the engine and calculated five dynamic properties of program simulation for the engine intake manifold on the longer length, analysed the changes in the intake manifold length on performance of engine power and its regulars.The paper also made a comparative analysis of the acion of the dynamic performance before and after installing the throttle on the engine,and pointed out a clear direction for the follow-up work of optimal design of the FSAE team and recommended the improvement.Key words: FSAE race,intake system,optimal design,analysis引言赛车运动是流行于世界各地汽车工业发达国家的热门运动,不同于一般的体育运动,赛车研发的尖端科技往往被逐步引入民用车中,造福于整个汽车工业的发展。本设计课题来自我校中国大学生方程式汽车大赛项目课题。该赛事意在培养汽车工程方向及相关专业的在校大学生、研究生的创新力,团队协作能力。在为期8-12个月的时间里完成一辆小型方程式赛车的设计与制造,并成功完成比赛。大学生方程式赛车【1】(Formula SAE)在国际上被视为“学界的F1方程式赛车”。该赛事不单单是一项赛车竞技,更是一项赛车设计与团队运作的综合竞赛。作为美国汽车工程师协会于1979年创办的赛事,FSAE已经有三十一年的历史了,目前举办该赛事的国家除美、英、德、意、澳及巴西,日本也于几年前加入推广这项比赛,此赛事致力于培养及训练车辆工程研发设计人才【2】。该赛事于2010年正式进入中国,由中国汽车工程师协会承办,第一年便得到广大具有汽车工程特色的学校响应,超过20支车队参加了第一届比赛的报名。然而,在此之前,湖南大学 HNU车队已作为国内首支车队于 2007年6月参加了在美国加州举行的 SAE 方程式赛车比赛,并取得了比较好的成绩,随后同济、厦门理工、上海交大也相继远赴海外参加到这项赛事中。FSAE赛事能进入中国是件值得高兴的事。这不仅能够提供大学生们亲自参与设计制造的机会,更促进了与其他院校的学生交流的机会,并更深入地接触社会,培养了学生的综合能力,同时也能通过FSAE赛车来展示我校汽车学院的风采,这无疑是一件双赢的事。绪论1.1 课题研究背景和意义内燃机在1867年问世至今,己有一百余年的历史了。一个世纪来,内燃机凭借其热效率高、热负荷小、结构紧凑等优点而在车辆、船舶、工程机械等广泛的领域取得了优势地位。【3】内燃机也己经发展成为一个比较完备的动力机械体系,到今天为止已经达到一个较高的技术水平,其中有两个方面的科技发展为此做出了巨大贡献,一是20世纪50年代初兴起的增压技术和高压共轨技术在内燃机产品上的广泛应用,再就是20世纪70年代开始的电子控制技术及计算机在内燃机研制中的应用。在这样一个发展历程中,内燃机为世界的经济发展作出了巨大的贡献,对人类文明的发展起到了极为重要的作用。从20世纪40年代开始,人类进入内燃机时代,内燃机可以说是20世纪的重大科技成就之一。在今后相当长时间内,内燃机作为主要交通工具的动力其主导地位仍然不会改变。因此,随着经济的发展,在可以预见的将来,内燃机将仍是中小功率范围内最主要的原动机。内燃机是工程机械的心脏,而进气系统则是内燃机的动脉,进气系统的合理性直接影响发动机的性能、寿命,从而影响整机的性能、寿命及环保性。进气系统的功能是为发动机提供清洁、干燥、充足的空气,系统中主要组件空滤器、管路及其设计安装将直接影响发动机功能的发挥、工作的稳定性、可靠性,甚至大大缩短其寿命。提高发动机的动力性是内燃机研究者们一直追求的目标之一,而增加进气量、改善气缸内混合气流运动和燃烧是提高内燃机动力性的主要途径。但提高进气量与进气系统结构参数有关,所以,研究进气系统结构参数对进气量的影响规律对于改善汽油机性能具有十分重要意义。【4】1.2 汽车发动机进气系统的简介1.2.1 进气系统定义汽车的进气系统是把空气或混合气导入发动机气缸的零部件集合体。发动机是工程机械的心脏,而进气系统则是发动机的动脉,进气系统的合理性直接影响发动机的性能、寿命,从而影响整机的性能、寿命及环保性。进气系统的功能是为发动机提供清洁、干燥、充足的空气,系统中主要组件空滤器、管路及其设计安装将直接影响发动机功能的发挥、工作的稳定性、可靠性,甚至大大缩短其寿命。【5】1.2.2 基本构成进气系统包含了空气滤清器、进气歧管、进气门机构。空气经空气滤清器过滤掉杂质后,流过空气流量计,经由进气道进入进气歧管,与喷油嘴喷出的汽油混合后形成适当比例的油气,由进气门送入气缸内点火燃烧,产生动力。图1.1 发动机进气系统1.3 汽车发动机进气系统发展趋势【6】近年来,汽车发动机进气技术的革新主要体现在“可变”这一思想上。由于汽车发动机的工况可能每时每刻都在改变,不同的转速与负荷有着相对应的进排气系统理想参数。但是早前的发动机,进气系统是不可变的,故只能在一个特定的工况范围中才能被评判为最理想。而现代的可变进气管长度,可变气门正时,可变截面涡轮增压,可变涡流控制,可变气门升程等技术都是为了更好地去匹配发动机运转中随时而变的工况,以提高充气效率。目前最主流的则是分别以日本丰田汽车公司VVT技术和本田汽车公司VTEC【7】技术为代表的两种可变配气技术。可变配气技术,从大类上分,包括可变气门正时和可变气门行程两大类。90年代初,日本本田公司推出一种即可改变配气正时,又能改变气门运动规律的可变配气定时升程的控制机构,是世界上第一个能同时控制气门开闭时间及升程等两种不同情况的气门控制系统。就是现在大家耳熟能详的VTEC机构:一般发动机每缸气门组只由一组凸轮驱动,而VTEC系统的发动机却有中低速用和高速用两组不同的气门驱动凸轮,并可通过电子控制系统的自动操纵,进行自动转换。采用VTEC系统,保证了发动机中低速与高速不同的配气相位及进气量的要求,使发动机无论在何速率运转都达到动力性、经济性与低排放的统一和极佳状态。本田的VTEC发动机技术已经推出了十年左右了,事实也证明这种设计是可靠的。它可以提高发动机在各种转速下的性能,无论是低速下的燃油经济性和运转平顺性还是高速下的加速性。在电子控制阀门机构代替传统的凸轮机构之前,本田的VTEC技术在目前可以说是一种很好的方法。14 进气限流情况下提高进气效率技术的研究现状【8】“进气限流”出自于SAE方程式赛车。SAE方程式(Formula Sae)是由美国汽车工程协会主办的挑战本科生、研究生团队构思、设计、制造和驾驶小型方程式赛车的国际性赛事。赛车使用小于610CC容量的发动机,进行多个项目的此赛。而在此比赛规则中的动力限制里,主要是对发动机进气流量进行限制,为了提高限流以后发动机的充气效率,提高赛车的动力性。全球各个高校车队均对限流以后如何提高发动机的充气效率这个课题进行了深入研究。而其中利用气体动力效应的增压技术,进气管长度连续可变技术以及废气祸轮增压技术在充分挖掘进气限流后的发动机动力性的研究上均取得了良好的效果。如西华大学在2011年FSAE中国站比赛中,自主开发的谐波增压的进气系统在比赛中在动力性方面使赛车有优异的表现;日本上智大学车队在2011年日本站比赛中,采用祸轮增压技术充分调动了限流限制下赛车的动力性能;德国斯图加特大学车队,采用进气管长度连续可变技术在各个转速区域均能使限流后的赛车有着优异的动力性能。15 研究内容通过本课题的具体研究内容包括:(1)进气管结构参数理论设计计算首先研究了进气管中气流运动的波动效应和能量损失以及汽油机赶内的空气运动,对进气管气流运动一维仿真方法进行探讨,用CATIA软件建立发动机模型,分析进气管长度变化和谐振箱容积变化对发动机性能的影响。(2)进气系统三维几何建模利用三维造型软件建立包括空气滤清器、限流阀、进气管、谐振箱、进气歧管等几何模型。(3)评价选择设计计算方法及工具介绍CFD理论基础,包括流体力学控制方程、离散化、边界条件和初始化条件等等。(4)对系统进行三维流场动力学计算和分析网格划分好以后,借助计算流体力学(CFD)辅助内燃机分析理论,利用三维流体计算软件FLUENT对改进前后的发动机进气系统包括空气滤清器一文丘里限流阀一进气管一谐振箱一进气歧管进行了流场模拟。【9】使进气系统在不同气紅吸气冲程时刻时、进气歧管出口速度有所提高。研究结果表明提高了发动机在中高速转速时的转矩和功率,满足了赛车动力性需要。16 进气系统系统概述161 进气系统结构参数对充气效率的影响使足够的充量进入气紅、以获得较高的充气效率,是组织和完善燃烧过程、提高发动机性能的前提。所以,提高充气效率是研究发动机工作过程的重要内容。利用进气管中的动力效应提高进气充量是一种简单而有效的方法。发动机工作时,非定常流动效应使各在进气过程中进气管内的压力发生变化,吸入气虹的充量,受进气门关闭前很短时间内进气门处压力水平的影响。利用气体动力效应对进气系统进行协调,可提高进气过程终了时气门处的压力,从而可提高发动机的容积效率。对于车用汽油发动机来说进气系统主要包括:空气滤清器、进气管、迸气道和连接空气滤清器与进气管 连接管。空气滤清器作为进气系统阻力的一部分,我们考虑的是尽可能地减少其流通阻力,而不考虑其对动力效应增压的影响。但对于进气管不仅要减少其流动阻力,而且还要考虑其结构参数是否符合动力效应增压的要求。所以,研究进气系统的动力效应增压,其实质就是研究进气管的结构参数对动力效应增压的影响。空气滤清器与进气管的连接管的长度也是影响动力效应增压的一个重要参数,通过对进、排气系统进行合理的设计,充分利用动力效应增压,使发动机转矩在所侧重的转速范围内有较大的提高,同时可以改善燃油经济性。1. 6. 2 进气管长度对充气效率的影响进气管长度是影响动力效应的主要参数。选用合适的进气管长度增加进气充量,实质就是利用其动力效应来提高充气效率。因此,进气管长度的选择尤为重要【10】。在非增压发动机进气过程中,由于活塞下行真空吸入作用,在进气门口处所形成的负压波,经进气道、进气歧管、谐振箱、文丘里限流阀传至上游开口端,再反射回来。管入口处压力波形态取决于谐振箱、外接管及上游親合部件中复杂的气流波动,故它不是自身负压波的简单反射,而是由自身负压波、上游各部件中气体反射波以及来自各缸的负压波在此处叠加而成。在进气门关闭之前,若各波合成效果为正压波时,则有利于后续进气,使充气效率增加;若为负压波,则充气效率降低。这也就是说,合成波的相位应与配气相位的关闭时刻配合,而合成波相位主要取决于管长度,配气相位的关闭时刻则与转速有关。由于在进气管内所发生的压力振动对本次进气过程影响较大,对下一次进气过程有一定的影响,故进气歧管内的动力效应主要是本次惯性效应。1. 6. 3 FSAE规则对进气系统限制【11】(1)进气系统必须不超出外框,也就是从防滚架顶部到四个轮胎的外缘的连线外处。(2)节气门必须为机械控制,如通过拉线或连杆系统。禁止使用电子节气门(ETC)或类似的线控系统。(3)为限制发动机功率,一个内部截面为圆形的限流阀必须安装在进气系统的节气门与发动机之间,并且所有发动机的进气气流都应流经此限流阀。且使用汽油为燃料的限流阀直径最大为20mm。(4)若使用增压器,限流阀必须安装在增压设备与化油器或节气门之间。因此,唯一允许的顺序为:节气门、限流阀、增压设备、发动机。图1.2 外框后视图 图1.3 外框侧视图Nozzle-限流阀开口;20mm Restrictor-20mm 限流阀;Diffuser-扩散器图1.4 限流阀结构1. 6. 4 赛车进气系统主要构成图1.5 Aprilia SXV 550发动机总成结构图构成:空气滤清器,限流阀开口,节气门体,限流阀,涡轮/机械增压器,限流阀扩散器,稳压腔,进气道。 由于规则对进气的限制,限流阀及相对应的限流阀扩散器,稳压腔成为了FSAE赛车进气系统有别于民用车的特别之处。【12】此外,赛车的进气系统以发挥发动机最大性能为目的,故进气歧管应按照赛车最佳加速性工况,也就是让发动机发挥出高转速动力输出区域,使其在7000rpm至11000rpm时起到进气谐振作用,进气歧管将会相较于民用车而显得短。 此外,因为专用ECU控制模块的功能局限性,目前并没有引入可变技术在FSAE赛车进气系统中的案例。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。表2.1 相关技术参数发动机型号阿普利亚Aprilia SXV 550引擎形式水冷SOHC 8活瓣77度夹角V2气缸发动机排量549cc发动机重量55kg着火顺序1-2冷却形式水冷润滑形式压力润滑,湿式油底壳压缩比13:1进气门早开迟闭角早开23迟闭41最高功率输出约70ps/9000rpm(有限流阀)最高扭矩输出约60Nm/8000rpm(有限流阀)缸径x行程80mmx55mm前制动系统270mm刹车碟配放射式对向卡钳后制动系统470mm刹车碟配放射式对向卡钳最大马力70bhp/13000rpm传动系统湿式多片5前速链传动前悬挂Aprilia45mm倒立套管前叉后悬挂Sachs单筒避震轮胎前120/70-17后轮胎180、55-17燃油供应40mm电喷系统最高车速=120km/h排气噪声=110dBECU赛车MOTEC编程 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图2.2 依次为蝴蝶式,滑阀式,滑片式节气门体的示意图与性能比较。蝴蝶式优点:结构简单,成本低,工作可靠。缺点:由于蝴蝶片随着节气门开度增大,并不能完全隐藏,所以在大负荷工况下,相同内径的进气管,蝴蝶式节气门体会造成微量的进气损失。滑阀式优点:怠速控制好,进气损失小。缺点:结构复杂,随着节气门开度增大,通道截面变化因为其特性,所以截面增大量会在中段猛增,导致油门响应不够线性,不利于操控。滑片式优点:进气损失小。缺点:结构复杂,占空间。综合上诉优缺点,蝴蝶式节气门体无论是成本还是结构简单程度上都比另两者可取,且更利于拉索式控制机构匹配。所以最终选择蝴蝶式节气门体。3 设定进气系统各部件基本参数3.1 系统参数表3.1 进气系统参数参数名称参数值发动机常用工况转速13000rpm进气道内径20mm绝热指数1.4气体常数R286.9发动机排量549cc发动机常用转速即为需要起到谐振效果的转速,绝热指数和气体常数为气体固有参数,由于进气系统为自然进气,气体状态接近于空气,所以取空气的参数使用。3.2 空气滤清器空气滤清器的主要功用是滤去灰尘和杂质,为发动机工作提供清洁的空气,以至于避免不可燃颗粒和硬物进气气缸,对发动机造成损害。赛车用高流量空气滤清器与名用车不同的是,不是以一个塑料壳体和内置海绵组成,而是通常以暴露呈伞形的无纺纤维和内部的文氏管结构组成,暴露的无纺纤维是为了有更好的迎风面和更低的进气阻力,内部的文氏管结构则起到加速气流的作用。图3.1 进气系统空气滤清器空气流量Q是设计空气滤清器的主要依据:对于常用的四冲程汽油机,计算公式为:(3.1)V-发动机排量 n-发动机额定转速r/minQ=0.45x0.000549x13000=3.21165/min3.3 限流阀开口FSAE赛车的限流阀开口通常有一定的锥角,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,这一点是经过流体力学的研究得出的结论。从多篇国外资料中查得,15锥角为最佳限流阀开口参数。3.4 限流阀根据FSAE大赛的规则,赛车必须有且仅有一个限制进气的限流阀,在进气系统中,位于限流阀之后的进气系统不得有任何其他开口和旁通阀,此部件仅仅出于大赛对参赛赛车进气系统改造的限制为目的,美国FSAE规定使用E85乙醇汽油,限流阀内径必须小于等于19mm,使用汽油则限流阀内径必须小于等于20mm。而在中国只允许使用93号汽油,则限流阀必须为20mm。表3.2 所选限流阀套件系统参数【16】参数名称参数值重量331g限流阀直径20mm空气滤清器接口直径70mm节气门直径28mm3.5 限流阀扩散器针对限流阀本身对于进气流速和进气压力造成的巨大损失,位于限流阀后部的扩散器可以说是一个上有政策,下有对策的一个唯一的解决方案,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,7为最佳扩散器锥角参数,长度则是在总布置合理的情况下越长越好。3.6 稳压腔此部件位于扩散器和进气道之间,可以说是赛车进气系统的一个特色,有以下几点作用【17】:(1)低转工况:自然进气赛车发动机的调校转速都比较高,例如此次使用的Aprilia SXV 550,其马力的峰值输出在13000转/分,针对发动机工作特性,进气歧管的长度和截面积都只为高转而设计,而赛车的进气系统通常不带可变进气歧管技术,以至于发动机低转进气效率下降,而稳压腔把本是间断的进气过程化为连贯,稳压腔内部压力变化致使发动机低转速进气间断时,限流阀处仍在进气,补充到稳压腔内,也为低转进气提供了所需要的进气惯性。(2)急加速工况:众所周知,FSAE赛车有了限流阀后,进气受到了很大的限制,而急加速,则是一个进气流速急速提高的一个过程,此时如果只有限流阀,没有稳压腔,虽然赛车采用的是机械式节气门体,但是油门响应仍然会很迟钝,而有了稳压腔,则为发动机急加速时,储备了所需要的空气,也就是说稳压腔内的空气是可以用来给急加速应急的。而赛车比赛中,急加速则是起步和出弯常用的工况,所以稳压器的存在和其设计起着非常重要的作用。(3)稳压器容积的影响:在设计稳压器容积时,需要对发动机动态工况做出考量,一般理论来说,采用发动机排量的24倍为其理想值,体积大则储备空气量大,但油门响应反之则会变得迟钝,故在24的范围中需要经过长期测试,才能得出较为精确的理想值。此外稳压器的造型也有一定讲究,在加工方法可实现的前提下,尽可能减少其慢速滞留区,从而充分利用到其体积。稳压腔初始体积:稳压腔体积 发动机排量=2=5492=10983.7 进气道进气道:是进气歧管的四根分支,将气流分配到四个气缸内,与稳压腔和发动机进气口相连,并且喷油嘴安装在进气道上。进气道初始长度:公式:(3.2)Lpr-进气道长度mm T-温度=355K-绝热指数 R-气体常数=286.93.8设计要求FSAE规则对进气系统的限制(1) 进气系统必须不能超出外框;(2) 节气门必须为机械控制;(3) 进气歧管必须用支架或机械固定;(4) 为限制发动机功率, 一个内部截面为圆形的限流阀必须安装在进气系统的节气门与发动机之间,并且所有发动机的进气气流都应流经此限流阀(最大直径20mm,且截面不能发生变化)3.8.1 进气方案【18】(1)进气系统基本结构进气系统包含了空滤器、节气门、进气总管、进气歧管、进气门。由于规则的限制,进气系统的设计主要体现在进气总管和进气歧管上,这两部分需要加工制作。(2)进气形式进气方式主要分为三大类:自然进气:引擎的运作在气缸内产生的负压,将外部的空气吸入气缸内。这是汽车最传统进气方式,动力输出平稳,维护简单,但在高转速下乏力。涡轮增压:涡轮增压器的两侧涡轮叶片连接发动机的进气管和排气管,在引擎运作的情况下,利用排出的废气推动排气涡轮叶片,从而带动进气涡轮叶片吸入空气,利用离心增压原理达到增压的效果。机械增压:机械增压器采用皮带与引擎曲轴皮带盘连接,利用引擎转速来带动机械增压器内部叶片,以产生增压空气送入引擎进气歧管内。其优点是涡轮转速与曲轴相同,没有滞后现象,动力输出平稳。由于要消耗发动机的能量,增压的效率并不高。根据实际情况来看,涡轮增压和机械增压都能增加充气效率,提高发动机的效率。但是涡轮增压使得发动机的零部件长期处于高负荷当中,日后的维护成本很高,维修也不方便。更重要的是在低转速下涡轮有迟滞现象,输出不线性,不利于操控。机械增压则需要对发动机内部进行改动,而且效率不如涡轮增压。反观自然进气,虽然没有增压器,但可以通过改动进气管提高充气效率,重要的是动力输出线性,针对赛场的情况,发动机处于中低转速的情况较多,所以避免了高转速下的乏力。综上所述选择自然吸气更为符合我们的情况。3.8.2 进气管形式方案一进气系统的最前端位于主环的下方,当赛车高速行驶时,使得进气口的撞风量大,对称的设计使得各缸的进气量均匀。 图3.2 进气方案一方案二进气系统的最前端位于赛车的尾部,空间布置不受座舱影响。 图3.3 进气方案二方案三与方案一类似,但进气系统的前端与稳压腔的侧面连接,使气流经过弯折后变得缓和,最大的缺陷是不能保证四缸的进气平衡。图3.4 进气方案三 方案四通过查阅相关论文及收集大量资料,得知对称布置的进气管更有利于各缸的进气平衡,所以排除方案三。对于进气系统前段前置,固定方便,它的优点体现在撞风面将产生一定的进气压力,但在40km/h以下时效果不明显。【19】方案二的进气歧管弯曲,降低了进气阻力,使进气更加平顺。最后结合方案一、二的优点得到改进方案四 图3.5 进气方案四4 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=0.5495=2.745L4.4 进气歧管长度进气歧管的长度对充气效率的影响相当显著。但是发动机处于不同工况所对应的最佳歧管长度都是不同的。最终我们选择在常用转速范围里对歧管长度进行计算。查阅相关文献得到一个歧管长度的计算公式。 (m)绝热指数 1.4音速 =340m/s空气流速 (m/s)N发动机转速 (rad/s)由于空气流速,无法直接算出,所以根据去年的数据初步预设进气歧管长度150mm,然后建模仿真得到了歧管的空气流速约为200m/s。由此数据带入公式求解得到L=0.1238m,所以最后选择了一个中间值140mm,而发动机机体上已经存在了70mm的歧管,所以最后建模只需要70mm的歧管长度。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的压强云图限流阀中心处将会出现最低压力-4.68e+05,形成的压强差将使得空气不断流入。图5.2 进气总管长度150mm的速度云图由于限流阀处的截面面积最小,此处的空气收敛,使得速度得到了极大的增加。保证了进气效率,从而也增加了进气惯性,可以在进气门处形成惯性增压。最大速度为9.70e+02m/s,出现在限流阀中心处。(2)进气总管长度为280mm图5.3 进气总管长度为280mm的压强云图最低压强同样出现在限流阀处-3.65e+05。所以形成的压差不及150mm的进气总管。 图5.4 进气总管长度280mm的速度云图限流阀处所形成的最高速度也不及150mm 的进气总管。所以对比发现150mm 的进气总管性能优于280mm 的进气总管。 最后可用mass flow rate验证。 总管长度150mm 总管长度280mm5.2.2 稳压腔分析以3L和5L的稳压腔作为对比分析的对象。同样以air flow rate、压强云图、速度云图,作为参考变量。【23】(1)稳压腔体积为3L: 图5.5 总管与稳压腔的截面图速度云图最大速度能达到2.13e+03m/s,经过扩散嘴扩散后,稳压腔被迅速填满,此时稳压腔内的速度最低也能达到106m/s。 图5.6 总管与稳压腔的截面图压强云图从进气入口到稳压腔,压力由高变低,再变高。高速流动的气体不断在稳压腔内积累,不仅保证了进气量,同时也产生了进气压力,可以提高进气效率。(2)稳压腔体5L:图5.7 总管与稳压腔的截面图速度云图稳压腔体积过大使得空气在经过限流阀后,速度迅速降低,能量损失严重。使得腔体内的速度整体都低于3L的稳压腔。 图5.8 总管与稳压腔的截面图压强云图稳压腔的压强没有回升,过大的体积使得空气在稳压腔无法形成一定的进气压力。最后分析结果是3L的稳压腔明显好于5L的稳压腔。可用Mass flow rate验证。 稳压腔体积3L 稳压腔体积5L5.2.3 进气歧管长度分析验证通过公式已初步验证计算了歧管的长度,但是空气流速的值是通过仿真得到的,最后的结果同样能吻合,说明此计算不存在错误。【24】【25】 图5.9 进气歧管截面流速云图可以看到在歧管中的速度正好处在1.86e+02m/s到2.48e+02m/s之间,所以取200m/s为带入数据完全合理。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27 结论与展望本论文进行了对FSAE赛车的进气系统设计与分析,建立了进气系统的实体模型,并在Fluent下对进气系统做了空气动力学分析,通过模拟验证了进气系统各参数设定的可行性,结果表明,所设计的进气系统能够满足赛车的要求。 FSAE赛车的进气系统从大赛规则角度出发,目的在于限制发动机的性能,从而提出了限流阀的应用,及其固定不变的相对位置要求,也就是说,装有限流阀的进气系统将使发动机性能大大低于其原厂的设定。然而,从学生设计FSAE赛车进气系统的目的则是尽可能降低限流阀对发动机性能造成的负面影响,甚至是使用增压的方式突破对限流阀引起的发动机性能削弱,获得比原装发动机更高的动力。 本次研究已对进气系统的流体动力学模拟和谐振进气转速做了分析及计算。在今后的研究中还应通过FLUENT软件,模拟进气系统的一维参数设定对发动机输出性能的曲线的影响,并结合发动机台架试验获得验证。在长期的调试中,进气系统,排气系统以及ECU电控模块将得到更好的匹配,发挥发动机的性能潜力。33参考文献1 陈家瑞. 汽车构造M. 北京:人民交通出版社,20002 刘维信. 汽车设计M. 北京:清华大学出版社,20013 余志生. 汽车理论M. 北京:机械工业出版社,20094 林学东.汽车动力匹配技术M.北京:中国水利水电出版社.20105过学讯,邓亚东汽车设计M 北京:人民交通出版社,2005.6 顾伯良等译.BOSCH汽车工程手册M.北京: 北京理工大学出版社,20047 Carroll Smith. TUNE TO WIN M. United States:Aero Publishers, Inc. 19788 关文达. 汽车构造M. 北京:机械工业出版社,20069 汽车标准汇编M. 上海:中国汽车技术研究中心标准化研究所出版社,200010 龚为寒. 汽车现代设计制造M. 北京:人民交通出版社,199511江帆,黄鹏著.Fluent 高级应用与实例分析M.北京:清华大学出版社,2008.12 张洪欣.汽车设计(第2版)M.北京:机械工业出版社,199513 William F. Milliken ,Douglas L. Milliken.Race .Car Vehicle DynamicsM United States: SAE international ,199514 王望予. 汽车设计M. 北京:机械工业出版社,200915 汽车工程手册编辑委员会.汽车工程手册(设计篇) M.北京:人民交通出版社,200116 周龙保.内燃机学M.北京: 机械工业出版社,200617 Badih A.Jawad.Formula sae dual plenum induction system design M. Society of Automotive Engineers,Inc. 200218 张凯,王瑞金,王刚. Fluent技术基础与应用实例(第2版)M.北京:清华大学出版社,201019 李理光.中国大学生方程式汽车大赛规则M.北京:中国汽车工程协会,201120 吉林工业大学内燃教研室.内燃机理论与设计上册M.北京:机械工业出版社,197521 W.J.D.安南德,G.E.罗埃.内燃机中的气体流动M.北京:中国农业机械出版社,198822 Philip H.Smith,John C.Morrison. Scientific design of exhaust&intake systems, M. Ohio: UpperSaddle River,New Jersey Columbus,200423 Smith, Carroll.Tune To WinM.Aero Publishers,197824 朱红钧,林元华,谢龙汉. Fluent 流体分析及工程仿真实用教程M. 北京:人民邮电出版社,201025 钱汝鼎.工程流体力学M.北京:北京航空航天大学出版社,1989一、题目来源、目的、意义本题目为设计类实际课题,来源于中国大学生方程式设计大赛,为我校第五届大学生方程式赛车(FSC)设计制造的项目。大学生方程式赛,是上世纪 70 年代由美国汽车工程师协会发起,致力于培养汽车方向的大学生各方面综合能力。竞赛内容包括静态项目和动态项目,静态项目包括车检,设计报告,营销报告,成本分析报告等,动态项目包括直线加速,高速避障,耐久赛等。赛车设计能培养学生的工程实践能力,管理能力,成本控制能力等,赛车设计也必须严格遵守赛事规则,在满足规则的基础上发挥创造力。进气系统应尽可能提高充气效率、产生进气谐振是此次设计的主要目的。排气系统应尽量选择合适的排气背压,选择合适的消声器,满足赛事噪声要求。二、主要工作内容(1)查阅相关文献资料,熟悉进气系统的相关资料,尤其是赛车进气系统。(2)根据赛事要求及发动机组的协调,完成进气系统的建模计算,完成关键零部件的设计、建模和分析。(3)利用建模软件对进气系统关键零部件进行三维模型,并与整车装配;利用有限元软件对进气管进行流体力学分析与优化。(4)绘制制动系统装配图、零件图,完成装配、调试赛车的任务;(5)撰写毕业论文说明书,完成毕业设计(论文)。三、主要技术指标(或主要论点)进气限流阀直径(mm):20选择发动机型号:Aprilia SXV 550着火顺序:1-2,压缩比:13:1ECU:赛车MOTEC编程最高车速(km/h) := 120排气噪声(dB):=110四、进度计划2014.2.202014.2.31 收集有关资料,了解国内外方程式赛车进气系统的设计 要求和设计步骤,完成外文资料翻译。2014.3.012014.4.15根据赛事要求及发动机组的协调,完成进气系统的建模计算, 完成关键零部件的设计、建模和分析。2014.4.162014.5.15利用建模软件对进气系统关键零部件进行三维模型,并与整车装配;利用有限元软件对进气管进行流体力学分析与优化。2014.5.162014.6.05绘制制动系统装配图、零件图,完成装配、调试赛车的任务。2014.6.062014.6.20 论文装订、答辩准备及毕业答辩。五、主要参考资料(外文资料至少一篇)1过学讯,邓亚东汽车设计M 北京:人民交通出版社,2005.2王望予汽车设计M北京:机械工业出版社,2004.3陈家瑞,马天飞.汽车构造(下册)M.北京:人民交通出版社,2006.4江帆,黄鹏著.Fluent 高级应用与实例分析M.北京:清华大学出版社,2008.5李理光.中国大学生方程式汽车大赛规则M.中国汽车工程协会 2014.6钱汝鼎.工程流体力学M.北京:北京航空航天大学出版社,1989.7Formula sae dual plenum induction system design M.SAE Technical Paper Series 2002.六、系审批意见 系主任(签名): 七、院领导审核意见 院领导(签名): 八、学生实际完成日期 九、同组设计(论文)者 36
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