大学生FSAE赛车发动机进气系统设计

式中，a：进气歧管内的音速，取 a=340m/s；n：发动机
转速，本文取 9000r/min；q：波动系数，其值为 q=1.5、2.5、3.5
…（考虑到布置空间取 q=3.5）。
进气歧管为 l=L-90=230mm。由于进气歧管存在进气
谐振效应，计算进气歧管的长度 320mm，由于发动机上进
气道的长度约为 90mm，所以发动机外部进气歧管为
度、谐振腔容积等几何尺寸，并借助三维建模软件 Ｉｎｖｅｎｔｏｒ 对进气系统各个部件进行建模。
关键词：中国大学生方程式汽车大赛；发动机进气系统；ＢＯＯＳＴ
中图分类号：U464.134
文献标识码：A
文章编号：1002－2333（2012）11－0020－04
Design and Manufacture of the Engine Intake System in the FSAE Racing Car of SCUT HE Tong-yang, HE Shan, LI Jie, XIAO Guo-quan, LEI Xiong
缸的压力如图 4 所示。
充量系数
1.167 1.166 1.165 1.164 1.163 1.162 1.161 1.160 1.159 1.158
1
图3
3
5
7
9 11 13
谐振腔容积 ／Ｌ
充量系数随谐振腔容积的变化曲线
缸内压力 ／Ｐａ
极位夹角 （／ °）
图4
缸内的温度则如图 5 所示。 现在考察一下进气气流在进入限流阀之前、流经限 流阀和经过了限流阀以后，其压力的变化情况。 由图 6、7、8 这三处的压力对比，可以看出，气流经过 限流阀时压力会减少。限流阀的直径先变小后变大，所以 压力先变小，然后慢慢恢复。入口端的最大压力约为 99300Pa，在直径为 20mm 处压力达到最小值，此时的最 大压力为 92500Pa 左右，然后压力慢慢得到恢复，到出口 端时最大压力恢复到 97500Pa 左右。但是，由于存在着沿 程损失和局部损失，所以气流压力并不能恢复到进入限 流阀前的压力。可见，进气气流经过了限流阀以后，气压 会有一定程度的降低。 下面考察一下，当确定进气歧管长度为 310mm，谐振 腔容积为 3.8L 以后，在不同的转速下，发动机的有效功
学术交流
ACADEMIC COMMUNICATION 理论 ／ 研发 ／ 设计 ／ 制 造
大学生 ＦＳＡＥ赛车发动机进气系统设计
贺彤阳， 何山， 黎杰， 肖国权， 雷雄 （华南理工大学 机械与汽车工程学院，广州 510641）
摘 要：利用 ＡＶＬ ＢＯＯＳＴ 建立 ＦＳＡＥ 赛车发动机工作循环的一维模型，对其进行分析优化，确定合适的进气歧管长
21 机械工程师 2012 年第 11 期
压力 ／Ｐａ
入口端压力 ／Ｐａ
温度 ／Ｋ
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极位夹角 （／ °）
图 5 缸内温度
极位夹角 （／ °）
图 6 限流阀入口端压力
极位夹角 （／ °）
图 7 限流阀最小直径处压力
230mm。
3.3 运行模型并进行分析
在设置参数时，先把进气歧管的长度定为 230mm，谐
振腔容积为 3.4L。运行模型后得到在此进气歧管和谐振
表 2 充量系数随进气 歧管长度的变化
长度/mm 充量系数
200
1.0401
210
1.0495
220
1.0648
230
1.0879
240
1.1209
250
1.1429
9000r/min 左右的转速。而对于四冲程发动机，最大计算
20 机械工程师 2012 年第 11 期
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表 1 元素的名称和数量 周期一般为 10 周期，也
Element Name（元素名称） Numbe（r 数量） 就是 7200°曲轴转角 。 ［6］
文丘里管。这样，在直径为 20mm 的限流阀后，一直延伸
到谐振腔的空间，流道的直径慢慢变大，气流流速下降，
从而使其压力得到恢复，尽可能减少由于限流阀的存在
而导致的充量系数的下降。
3 进气歧管和谐振腔优化分析
影响进气系统性能好坏的关键因素是进气歧管的长度
以及谐振腔的容积。但是，由于结构的完全改变，不可能在原
冲量系数
1.4 1.2
1 0.8 0.6 0.4 0.2
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
转速 ／１０３ｒ·ｍｉｎ－１
图 11 冲量系数曲线
充气效率较高，进气效果非常不错。 4 进气系统设计
本文采用三维建模软件 Inventor 来建立进气系统各 个零部件的模型。并在 Inventor 里建立了进气系统的模 型。包括：进气歧管模型，为了安装方便，本文把进气歧管 分开两部分加工，每部分都是两个歧管；谐振腔的模型， 在谐振腔上由于要安装进气压力传感器和进气温度传感 器，所以模型上开了小孔；限流阀的模型。
有效功率 ／ｋＷ
70 60 50 40 30 20 10
0 1
2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 转速 ／１０３ｒ·ｍｉｎ－１
图 9 有效功率曲线
80 70 60 50 40 30 20 10 0
1
23 4 56 7 8 转速 ／１０３ｒ·ｍｉｎ－１
图 10 扭矩曲线
9 10 11
有效扭矩 ／Ｎ·ｍ
充量系数
1.20 1.15 1.10 1.05 1.00 0.95
200
图2
220 240 260 280 300 320 340 进气歧管长度 ／ｍｍ
充量系数随进气歧管长度的变化曲线
从 2.2L 到 4.8L 之间以 0.4L 表 3 充量系数随谐振腔
的间隔变化，得到充量系数
容积的变化
随谐振腔容积的变化情况， 谐振腔容积/L 充量充量系数
来进气系统的基础上进行改进，必须重新设计。本文借助
AVL-BOOST 软件建立发动机工作过程的一维模型，通过分
析，确定合适的进气歧管长度和谐振腔容积。
3.1 建立发动机工作过程数值计算模型
本文借助
AVL -BOOST 建
立发动机工作过
程的一维模型，
通过分析，确定
合适的进气歧管
长度和谐振腔容
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
积。建立了如图 1
1引言 中国大学生方程式汽车大赛是一项由高等院校汽车
工程或汽车相关专业在校学生组队参加的汽车设计与制 造比赛。各参赛车队按照赛事规则和赛车制造标准，在一 年的时间内自行设计制造出一辆在加速、制动、操控性等 方面具有优异表现的小型单人座休闲赛车，能够成功完 成全部或部分赛事环节的比赛。
发动机供给系统设计作为发动机的主要设计任务， 主要包括进气系统、排气系统和供油系统设计。发动机供 给系统，特别是进气系统对于发动机性能有着非常重要 的影响。
对于汽油机而言，进气量的多少直接决定发动机性 能的高低 ［3］。进气系统存在着进气谐振效应 ［4］，由于第二 届赛车不打算采用涡轮增压或机械增压，所以能否通过 合理的进气歧管进气谐振效应来提高发动机的充量系数 显得非常关键。而影响进气系统谐振效应的因素主要是 进气歧管的长度和谐振腔的容积［5］，这两个几何尺寸也是 进气系统设计的关键。
PIPE（管）
26
因而本文主要关注发动
SYSTEM_BOUNDARY（边界）
2
机在此转速时进气歧管
PLENUM（谐振腔） CYLINDER（气缸） RESTRICTION（节流）
2
长度以及谐振腔容积对
4
8
充量系数的影响，以此
FUEL_INJECTOR（喷油嘴）
4
确定合适的歧管长度和
MEASURING_POINT（测量点） 10
通过借鉴国外车队的经验，并进行分析对比，发现 Honda 的发动机比较适合 FSAE 比赛，所以决定选用 Honda CBR 600 RR 这款高性能的摩托赛车发动机。据了 解，这款发动机在 FSAE 赛车上的使用频率相当高，因为 它的各项性能指标都非常适合这项比赛［1］，但是发动机原 来的进气系统和大赛规则要求［2］的结果相差很大，必须重 新设计进气系统，而不能使用发动机原装的进气系统。 2 进气系统布置
所示的发动机工
作过程的一维 BOOST 模型。在
图 1 BOOST 模型
模型中，所有元素的名称和数量如表 1 所示。
通过对模型进行分析研究如何得到合适的进气歧管
长度和谐振腔容积，使得发动机的进气效率更高。
3.2 元素参数的设置
FSAE 赛 车 在 进 行 耐 久 赛 时 大 部 分 时 间 工 作 在
图 12 为进气系统的三维模型。 加工好的进气系统如图 13 所示。
出口端压力 ／Ｐａ
极位夹角 （／ °）
图 8 限流阀出口端压力
率、有效扭矩以及冲量系数的表现。图 9、图 10 和图 11 分 别是有效功率、有效扭矩和冲量系数随发动机转速的变 化曲线。
对于图 9 的功率图，在高转速时，发动机的功率表现 也相当不错，在 65kW 左右的水平附加摆动，能很好地满 足比赛要求。
280
1.1446 如图 2 所示。
290
1.1437
由图 2 可以看出，当进气歧
300
1.1539
管是 310mm 时，充量系数达到最
310
1.1649
320
1.1341 大值 1.1649，表示此时的进气效
330
1.0864 果最好。
340
1.0528
然后保持进气歧管的长度为