张炯辉 宋昊天 陈卫挺 庄栋 指导老师：刘新田
上海工程技术大学 机械与汽车工程学院，上海 201620
摘要：根据FSAE赛车规则，必须在发动机进气系统前加装一个限流阀装置，进入进气系统的气流必须流经同一个限流阀，且内部直径不可以超过20mm。进气系统作为发动机的重要组成部分，其的结构形状与参数直接影响发动机性能。为了提高进气系统充气效率和提高发动机性能，以cbr600发动机作为研究对象，对进气系统进行理论计算，建立其三维模型，利用有限单元法［１］对进气系统流体仿真分析，发现进气不平衡现象，对进气系统优化设计和再次仿真，并进行实车试车实验。
关键词：发动机进气 仿真分析 稳压腔 进气歧管
Design and Fluid Simulation of FSC(formula student china) Racing Car’s Air Intake System and Manufacture
ZHANG Jionghui,LIU Xintian,,Zhuang Dong,Song Haotian,Chen Weiting
(School of Mechanical and Automotive Engineering, Shanghai University of Engineering Science, Shanghai 201620, China)
Abstract：According to the FSAE racing regulations, a limiting valve device must be installed before the engine intake system. The airflow into the intake system must flow through the same limiting valve, and the internal diameter cannot exceed 20mm. As an important part of engine, the intake system's structure shape and parameters directly affect engine performance. In order to improve charging efficiency, air intake system improve engine performance, this paper takes cbr600 engine as the research object, to theoretical calculation of air intake system, establish the three-dimensional model, using the finite element method for air intake system fluid simulation analysis, found that the intake imbalance, and again for optimization design of air intake system simulation of real vehicle test experiment was carried on.
Key words： Air intake system of engine；Fluid simulation；regulator chamber；Intake manifold
引言
进气系统结构和参数对发动机性能（如功率、经济性、排放性等）有重要影响。如何利用CFD提高进气系统充量系数，从而提升发动机性能是设计重点之一
根据规则［2］，发动机进气系统必须装有一个直径不超过20mm 的限流阀。 这会让进气系统吸气时的流量减小，由于 CBR600rr是自然吸气发动机，在增加进气阻力后，必须优化进气系统的结构以改善性能。此外，赛车发动机为直列4缸发动机，四缸发动机进气时谐波增压会对相邻的气缸进气造成干扰，产生负增压效应也就是通常所说的抢气。考虑到以上两个方面，提出增设一个缓冲区来降低抢气情况，通过自身结构储存一定量的空气用来减缓抢气，从而改善进气系统的综合进气性能。此外，设计宗旨是动力最大化，所以进气歧管应按照赛车最佳加速性能设计，让发动机在高转速的时候具有最高功率输出，使其在7000rpm至12000rpm时产生进气谐振。
1 FSAE赛车进气系统结构
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气流通过空气滤清器吸入，并通过节流阀吸入进气总管，进气口设有限流阀，通过进气总管进入稳压腔，减少在进气门开启时气体由于负压经由进气歧管吸入缸内时抢气现象。进气系统内部结构的优劣直接影响进气的充气效率，直接关系到动力性。因此必须尽可能提高发动机充气效率，提升发动机性能。
2进气系统设计
进气系统的设计主要包含稳压腔容积、进气总管角度、进气歧管结构与长度等。发动机的部分参数见表1。
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2.1 进气歧管的长度计算
对于进气系统的惯性效应来说，进气压力波需要在进气管道内完成一个来回实现一次震动，震动固有频率fg
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式中L 为进气歧管长度；a 为声速，取 340 m/s；n为发动机转速。qb 为波动系数，当qb=1，2，3...时,进气频率与波动效应震动频率同步，当气门开启时会与负压力波重叠，使充气效率降低,所以其值一般为 1.5、2.5、3.5...。考虑到本车发动机的布置空间，本次设计波动系数取 qb=4.5。发动机工作转速根据比赛经验,发动机较多时间处于 9000r/min。经过计算，得出进气歧管总长度为180mm，由于发动机原厂节气门预留了70mm进气歧管长度所以外部进气长度为 110mm，经初步验证此进气管长度符合发动机工况。为于原装节气门配合设定进气歧管下端直径为 45mm。
2.2通过一维仿真对稳压腔容积选取
本次一维仿真的主要目的是选取合适的稳压腔容积，根据相关文献，发动机稳压腔的容积大小通常3-8倍于发动机排量。容积越大，在发动机进气门开启时内部压力变化越小越稳定，但是容积太大会带来油门迟滞的弊端，如果稳压腔容积太小又会导致压力变化较大，气体动态效应的效果太小。所以本次主要采用5倍，6倍，7倍为样本进行比较。以进气歧管110mm为基准，稳压腔为2.5L、3L、3.5L三个方案进行对比分析。
由于赛车使用频率较高的转速区间是7000rpm-12000rpm，所以主要着重分析这一区间的扭矩和功率曲线。通过仿真计算可以得出三种方案的扭矩曲线，如图所示：
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从扭矩-转速关系图中可以明显看到，在转速8000rpm-10000rpm区间，3L时扭矩最大，其次是3.5L最小的是2.5L。最终得到进气歧管110mm、稳压腔容积3L时，发动机性能更优。
2.3进气总管进口渐缩角与出口扩张角的设计
为使进气口通过限流阀的气流流速尽可能大，内部结构采用文丘里管设计。需要确定进口渐缩角与出口扩张角。通过查找文献[3]可得知进口渐缩角为18°出口扩张角为6°时充气效率最高。表2为参考文献所列举分析的不同进口渐缩角与出口扩张角不同时所影响的进气充气效率。
3.进气系统整体流体分析优化
通过之前计算选取进气渐缩角为18°、扩张角为6°、稳压腔容积选择3.1L、外部进气歧管长度110mm，通过catia[4]建立的三维模型。
做CFD分析前首先需要将三维模型进行网格划分。将三维模型导入ANSYS自带的ICEM网格划分软件当中。对网格局部处理，设置最大的面网格尺寸为6mm，最大的体网格尺寸为20mm。
3.1四个进气歧管同时开启时的流动情况
在fsae比赛当中赛道多弯特性与赛车设计时速等原因，在实际赛车行驶的过程当中大部分实际时速大约在80km/h左右（23m/s）。将进气入口的流速设定为23m/s，温度为25℃，湍流强度5%，绝热。
在进行第一次进气平衡的分析时发现完全按照理论计算建立的进气歧管，四根进气歧管都为110mm时在同时进气时有进气不均匀的现象。1号与4号歧管明显的比2和3号歧管进气量少。1号与4号进气歧管的进气平均流速为8.889m/s，而2号和3号的歧管平均流速为19.78m/s。
调整1,4号进气歧管和2,3号进气歧管长度平衡四根进气歧管进气流量。1和4号歧管长度最终定为115mm，2和3号歧管长度定为105mm。
改进后的进气模型再次进行流体仿真实验，得到图13，图14所示的进气速度与压力流线图。1和4号进气歧管的流速稳定在3.827m/s，2和3号歧管的流速稳定在3.676m/s，四根歧管流速差值较小，符合要求。
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由图13可见，进气总管至稳压腔内部的流速变化梯度较小，由于进气总管与稳压腔采用大圆角过渡的方式进行连接，降低了能量损耗。并且为了加大歧管的进气流量，在进气歧管的端口处增设一组缩放口[5]结构。缩放口可以增加进气面积和流量，还可以减少倒流发生。
3.2进气缩放口设计
在进气歧管前端设计一个缩放口是一个比较小众的技术。首先需要分析缩放口的设计，底部出口直径为45mm，绘制缩放口的结构图，并使用FLUENT对其进行分析。本次参考相关文献准备对比两种结构。第一种是简单的半球形环绕半径安装在管道的末端。第二种是翼型(NACA型)的缩放口。
经过考量，决定采用NACA翼型的曲率建立进气缩放口模型，首先采用的是NACA2412曲率结构，管壁处的压力收缩已经消除，并且进气流量再次提升到252.187 g/s。压力云图显示NACA缩放口结构能够顺滑的引导气流，消除明显的压降现象，并提高进气流量。
为了对比不同曲率参数的NACA结构，我们采用了两种常用的翼型，NACA4412，NACA6412进行对比，选取最优的方案。
根据cfd分析得出NACA4412结构，进气歧管流量为252.34 g/s和NACA6412结构，进气歧管流量为252.23g/s。根据最终的分析结果得出NACA4412结构是其中进气流量最大的，最终进气系统中进气缩放口采用NACA2412结构。
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3.3单个进气歧管开启时的流动情况
在分析单个进气歧管开启状态[6]时，以压力入口条件作为进气边界条件。进气口与大气相通，压力入口设置为101325pa，气体温度为25℃，湍流强度5%，绝热。单个的出口条件也设置为压力出口，发动机在进气门打开时处于一个负压状态，设置出口压力大小为 90000pa，出口直径为45mm。
通过仿真运算分析得出两个进气歧管单独开启时的压力分布云图。分析数据得知1号歧管平均压力为91130pa，2号歧管平均压力为91380 pa，两歧管压力相差不大，符合单个进气歧管开启时，进气压力的要求。
4.实物制作
因为进气系统模型曲面较多，要求精度较高内部结构比较复杂还要保证光滑度。所以采用3D打印工艺，考虑到发动机在热机状态下时，进气内部温度会比室温高一些同时为了保证轻量化，3D打印材料选择耐高温树脂。
结语：
本文开展对FSC赛车进气管路流体仿真设计与制作，首先确定进气系统的各项设计参数，建立进气系统的三维模型。利用有限元软件对进气系统内部进行流体仿真，根据分析改进原方案优化后得到的进气系统模型再次仿真分析，解决了原先问题使得进气系统内部达到平衡稳定的状态。为了使得进气更加顺畅，通过增设缩放口提高了进气量。最终确定进气方案为：渐缩角18°，扩张角6°，风杯采用NACA4412结构，稳压腔容积3L，1、4号进气歧管115mm，2、3号进气歧管105mm。
参考文献：
[1]Tong Jiachi,?Liu Xintian, Wang Xiaolan, Wang Yansong, Guo Hui. Lightweight Design of the Aluminum Wheel Hub Based on Reliability. Journal of The Chinese Society of Mechanical Engineers, 2017, 38(1): 73-79.?
[2] 中国大学生方程式汽车大赛规则2018公示版［Ｚ］
[3]汤沛,倪骁骅,赵雪晶,刘锐,魏民祥.FSAE方程式赛车进气系统设计[J].制造业自动化,2016,38(11):33-36.
[4]周桂生,陆文龙.CATIA二次开发技术研究与应用[J].机械设计与制造,2010(01):81-83.
[5] 郑颖,弋驰.FSAE赛车发动机进气系统设计[J].时代农机,2017,44(02):76-77.
[6] 吴建华,常绿,韩同群.汽车发动机原理.北京:机械工业出版社,2013
[7]李江. FSC方程式赛车进气系统的设计和优化[D].辽宁工业大学,2016.