进气系统设计计算
进气系统的优化设计
10.16638/ki.1671-7988.2021.08.012进气系统的优化设计余龙1，徐生荣2，朱银2，丁华锋1,2（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）摘要：FSAE赛车发动机进气系统结构参数影响充气效率。
文章利用软件FLUENT 对进气系统模型进行流场仿真，分析进气系统流场压力、速度等参数分布规律，研究进气歧管流量分布的均匀性，到达优化进气系统的目的。
关键词：CAE；FLUENT仿真优化；FSAE赛车；进气系统中图分类号：TK412 文献标识码：A 文章编号：1671-7988(2021)08-36-03Optimization Design of Intake SystemYu Long1, Xu Shengrong2, Zhu Yin2, Ding Huafeng1,2（1.School of Automotive and Traffic Engineering, Hubei University of Arts and Science, Hubei Xiangyang 441053;2.Hubei Three Ring Forging Co., Ltd., Hubei Xiangyang 441700）Abstract:The structural parameters of the intake system of FSAE racing engine affect the charging efficiency. Software FLUENT was used to simulate the flow field of the intake system model, in this paper analyze the distribution rules of the flow field parameters such as pressure and velocity, and study the uniformity of the flow distribution of the intake manifold, so as to achieve the purpose of optimizing the intake system.Keywords: CAE; FLUENT simulation optimization; FSAE car; Air intake systemCLC NO.: TK412 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2021)08-36-03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]。
进排气系统及冷却系统计算
计算公式单位P发动机额定功率kWg发动机额定功率时的燃油消耗率g/kW.hα额定功率时的过量空气系数 1.2-2A燃烧1kg燃油所学的理论空气量kgγ空气密度（标准状态下）kg/m³Q额定空气体积流量m³/h 计算公式单位Q修正系数，Q=5-6，消声器级别越高，Q越大n发动机额定功率下的转速r/mini缸数τ冲程数Vst发动机排量LKt增压比V消声器理论所需容积L 计算公式单位n发动机额定功率下的转速r/minZv充量系数Vst发动机排量m³f冲程数Qi＝n×Zv×Vst/60/f Qi内燃机进气流量m³/sTs内燃机进气温度KTe内燃机排气温度或者涡轮增压器出口温度Kv消声器前插入管的气流速度m/s Qo=Q×Te/Ts Qo内燃机排气流量m³/s F=Qo/v=πd1²/4F流通面积㎡d1=sqrt(4F/π)d1消声器进气管直径m 计算公式单位V=πab×L V消声器理论所需容积LL消声器长度mma消声器长半轴mmb消声器短半轴mmm扩张比9~16 S=πab S筒体截面积mm²S0=πd1²/4S0排气管截面积mm²d1排气管内径mmL/D纵横比消声器规格(mm)L/D排气管规格(mm)消声器理论容积(L)进气系统计算参数排气系统计算(消声器容积确定）参数排气系统计算(消声器进气管径即排气管直径确定）参数排气系统计算(消声器及排气管尺寸确定）参数排气系统计算(实际消声器及排气管尺寸确定）。
卡车发动机进气系统设计
进气系设计规范根据发动机对进气量的需求计算空滤器的流量允许范围，并选择合适的空滤器增压机计算公式：Qe= n (转) × V 排 × 130%×60/1000/2(m3/h)CY4102BZLQ：Qe= n (转) × V 排 × 130%×60/1000/2=2800*3.856*1.3*0.006/2=421m3/h（1109010Z11QZ-caS进气流量为600m3/h）非增压机计算公式：Qe= n (转) × V 排 × 80%×60/1000/2(m3/h)JM495:Qe= n (转) × V 排 × 80%×60/1000/2=4800*2.693*0.8*0.006/2=310m3/h (1109010Z412进气流量为430m3/h)（考虑到管路中，进气阻力产生的压力降，故选择空滤器时，将空滤器流量设为发动机进气需求量的1.3倍左右）2、中冷器的选择：根据发动机对进气量的需求计算出中冷器所需的降温能力（或所需面积），根据其降温能力（或所需面积）选择适当的中冷器 。
（附1109020N3QZ-uh0的选择、计算过程）3、空滤器位置的确定及出气口方向的选择：根据总布置要求选择空滤器的位置，并决定是否加用支架，然后根据空滤器与发动机的相对位置选择适当的出气口方向。
4、管路设计要求：根据空滤器与增压器之间的相对位置以及增压器与中冷器、中冷器出气管与发动机进气管的相对位置设计管路，同时，必须考虑到气流的顺畅性及其他分组是否会与进气管路干涉。
管路设计时，一般选择“软管--钢管--软管”的设计方案，尽量选用软管过弯，必要时可用钢管过弯，但钢管不得多于一处弯角。
钢管与软管之间采用过盈配合，钢管的外径应该大于软管的内径1～2mm，以避免软管脱落；同样，在变径处，尽量选择软管，因为采用钢管变径，必须拼焊，这样会降低钢管的强度以及钢管的外观。
进气系统设计计算
进气系统设计计算进气口位置：进气系统的设计须满足以下条件：●避免机舱内热空气吸入●避免雨滴和雾气直接吸入●避免排气灰尘吸入●从空滤器至涡轮增压器入口之间的进气管必须由耐蚀材料制成●进气系统使用的分离式接头(如罩与空滤器外壳的接头)必须位于空滤器上部●进气系统必须能够进行定期维护，且进行维护时不需要打开空滤器和涡轮增压器之间进气系统的任何部件●尽可能低的系统阻力，以保证最大限度的利用柴油机功率●进气系统部件之间的接头和其它接合处，比如与空压机的接头，必须保持有效密封，避免灰尘或其它污染物进入过滤空气中。
进气口尺寸应设计得足够大，且没有锐弯和面积改变，为减小阻力，还应有平滑的转换导管来与进气管相连。
发动机舱应充分通风，来发散出这些热量。
为保护热敏元件，发动机连续运转时机舱内的最高温度不允许超过（推荐）空滤器的选择及布置：一、根据发动机厂家推荐在2200rpm是所需空气流量为1500m3/h，结合以下计算：1发动机性能参数：发动机型号：L340额定功率Ne(kW)：2505额定转速n(r/min)：2200:排量Vh(L)：8.9（C系统8.3）空滤器流量VG（m3/h）的确定⑴增压后发动机所需的空气流量V（m3/h）的确定V=Vh×n/2×60/1000=8.9×2200/2×60/1000=587.4（m3/h）⑵发动机所需理想状态空气量Vo（m3/h）的确定（汽车设计理论）V o=ε×(T oT)0.75×V×ηvo×ψs式中：V o-发动机所需理想状态空气量（m3/h）大气环境温度（k）取313（273+40）；T-增压中冷后气体温度（k）取333（273+60）（要求不高于环境温度的20）；ηvo-充气效率取0.87（推荐）；ψs-扫气效率取1.05 ε-增压比2.18 V o=2.18×（313333）0.75×587.4×0.87×1.05=1116.67（m3/h）⑶空压机流量Vk（m3/h）的确定（推荐为320L/min）bVk=Vkh×nk×601000 式中：Vkh-空压机公称排量（L）；nk-空压机的转速（r/min）; Vk=0.229×1400×601000=19.2（m3/h）⑷空滤器流量VG的确定（空滤器流量上述设计的储备流量）VG=1.066×（V o+Vk）=1.066×（1116.67+19.2）=1212（m3/h）L考虑到以后布置功率加大380马力发动机结合两者得出按照发动机厂家的推荐空滤器流量≥1500 m3/h5二、流通面积的确定在确定了空滤器容积大小的同时，还应校核一下系统中所允许的气流流速。
进气系统设计
及 转 弯 数 量 ，以降 低气 体 损 失 和 进 气 阻 力 。
Ｙ方 向．６３６，参 考 发 动 机 缸 体 后 端 面 中 心 为 原 点 。
（６）பைடு நூலகம்气 滤 清 器应 便 于 保 养 ，便 于 维 修 ，在 空滤 器 外 壳 上
Ｚ方 向 １４２１＿３，参 考 发 动 机 缸 体 后 端 面 中 心为 原 点 。
滤芯的表面积是决定滤芯使用寿命 的重要参数 ，计算纸
空 气 滤清 器 主 要 功 用 ：滤 除 空气 中的 灰 尘和 水气 ，使干 燥 滤 芯 表 面 积 ：
清 洁 的空 气进 入 发 动 机 气 缸 。 另外 ，空 气 滤 清器 也有 消 减 进
Ａ＝２ｂｎＨ
气噪声的作用 。以普通轿车为例，每消耗 １Ｌ 汽 油需要消耗
发动机进气 口中心坐标为（５６．５，一２５２．５，２３６．８），此坐标 以
气滤清器进气 口一般置于汽车前脸 ，卡车的进气 口应尽量高， 发动机缸体后端面中心为原点。
一 般 放 在 驾 驶 室 顶部 ，以降低 空 气 含 尘 浓度 。
空气压缩机 口中心坐标为 （４１２．３，一２６７，２６３．６），此坐标 以
中图分类号 ：ＴＫ４０３
文献标识码 ：Ａ
进气 系 统 的 功用 ：是为 发 动 机 提 供纯 净 、干燥 、合 适温 度 、
１．４纸 质 空气 滤 芯 设 计及 计 算
充足的空气，降低灰尘对发动机的磨损 ，最大程度把发动机性
空 气滤 清 器 滤 芯 孔 径 及 过 滤 面 积 取 决 与 发 动机 排 量 、使
式 中 ：ｂ一 折 宽 ；ｎ一 折 数 ；Ｈ一 滤 芯 高 度 。
５０００—１００００Ｌ空气 。如 此 大 量 空 气 进入 气 缸 ，若不 将 其 中 的杂
进气系统设计计算说明书
DK4进气系统设计计算书DK4进气系统由于整车布置需要，整体布置在机舱内右侧，由于现有车型进气系统都是布置在车体左侧，因此，相对现有车型，进气系统设计变动较大。
1. 进气系统的构成和布置1.1空滤器总成的布置空滤器的布置在原车型的机舱右侧（原装电瓶处）。
1.1.1 空滤器的型式空滤器采用塑料壳体，本体和上盖壳体上下分开型式，进气口在本体，向车体右侧，出气口在上盖，出气口带法兰与空气流量计通过两个螺栓联接，法兰口粘接有橡胶密封圈保证与流量计接触端面密封。
1.1.2滤芯的结构型式滤芯采用折叠的无纺布通过注塑框架固定平板式结构，橡胶密封圈保证与空滤器壳体密封面密封。
1.1.3空滤器总成的安装方式空滤器总成采用三点固定方式，两点利用现有的孔位，固定金属安装支架，另一点借用动力转向罐支架。
1.2 进气导管的构成和布置进气导管由进气隔热板进气导管与谐振器导管口构成1.2.1 进气导管的结构进气导管由进气隔热板和进气导管构成，隔热板一方面起隔热作用，同时起固定进气管的作用。
进气口从右侧翼子板引导进气，另一歧管连接谐振器管口。
1.2.2 进气导管布置位置进气导管通过进气导管的隔热板卡装在引擎盖右侧内支撑板的长方孔内。
1.2.3 进气导管的基本尺寸进气导管进气口大气侧，管口内径为：80mm1.2.4 进气导管安装方式进气导管通过进气导管的隔热板卡装在引擎盖右侧内支撑板的长方孔内，另一端卡装在空滤器本体。
1.3 谐振器的结构和布置谐振器的型式采用亥姆霍兹(Helmholtz)共振腔，1.3.1 谐振器的布置位置谐振器布置在翼子板右侧内，1.3.2 谐振器的基本尺寸谐振器管口内径为：40mm，连接管的长度为：35mm1.3.3 谐振器的安装方式谐振器通过两个金属支架，固定在引擎盖右侧，利用现有侧孔位，通过螺母固定。
1.4 进气胶管的结构和布置进气胶管根据与空滤器联接的流量计的位置和发动机进气口位置设计布置1.4.1 进气胶管的结构进气胶管中部设计三个波纹，胶管外侧面布置纵横交叉加强筋，加强筋间距22～28mm，容易吸塌的部位，加强筋的高度为5mm，其他部位加强筋高度为4mm。
1300 进气系统设计规范
进气系设计规范根据发动机对进气量的需求计算空滤器的流量允许范围，并选择合适的空滤器增压机计算公式：Qe= n (转) × V 排 × 130%×60/1000/2(m3/h)CY4102BZLQ：Qe= n (转) × V 排 × 130%×60/1000/2=2800*3.856*1.3*0.006/2=421m3/h（1109010Z11QZ-caS进气流量为600m3/h）非增压机计算公式：Qe= n (转) × V 排 × 80%×60/1000/2(m3/h)JM495:Qe= n (转) × V 排 × 80%×60/1000/2=4800*2.693*0.8*0.006/2=310m3/h (1109010Z412进气流量为430m3/h)（考虑到管路中，进气阻力产生的压力降，故选择空滤器时，将空滤器流量设为发动机进气需求量的1.3倍左右）2、中冷器的选择：根据发动机对进气量的需求计算出中冷器所需的降温能力（或所需面积），根据其降温能力（或所需面积）选择适当的中冷器 。
（附1109020N3QZ-uh0的选择、计算过程）3、空滤器位置的确定及出气口方向的选择：根据总布置要求选择空滤器的位置，并决定是否加用支架，然后根据空滤器与发动机的相对位置选择适当的出气口方向。
4、管路设计要求：根据空滤器与增压器之间的相对位置以及增压器与中冷器、中冷器出气管与发动机进气管的相对位置设计管路，同时，必须考虑到气流的顺畅性及其他分组是否会与进气管路干涉。
管路设计时，一般选择“软管--钢管--软管”的设计方案，尽量选用软管过弯，必要时可用钢管过弯，但钢管不得多于一处弯角。
钢管与软管之间采用过盈配合，钢管的外径应该大于软管的内径1～2mm，以避免软管脱落；同样，在变径处，尽量选择软管，因为采用钢管变径，必须拼焊，这样会降低钢管的强度以及钢管的外观。
进气系统的计算
进气系统的计算1、进气系统的作用♦向发动机提供清洁、干燥、温度适当的空气进行燃烧以最大限度地降低发动机磨损并保持最佳的发动机性能。
♦在用户接受的合理保养间隔内有效地过滤灰尘并保持进气阻力在规定的限值内。
♦灰尘是内燃发动机部件磨损的基本原因，而大多数灰尘是通过进气系统进入发动机的。
♦水会损坏/ 阻塞空气滤清器，并且可能使发动机和进气系统发生腐蚀。
♦进气温度高意味着进入发动机的空气密度下降，这将导致排烟增加、功率下降、向冷却系统散热量增加、发动机温度升高。
.♦进气温度过低会导致柴油无法被压燃，发火滞后，燃烧不正常－－－这又可引起冒黑烟、爆震、运转不稳（特别是怠速时）和柴油稀释机油。
2、进气系统计算(1) 非增压发动机计算选择空气滤清器关键参数是要求能够满足流量要求，在满足流量要求情况下阻力尽量低，以改善发动机性能。
对于四冲程自然吸气式发动机，空气流量由下式计算：Ga=ηv.V h.n.ρa/120 kg/sGa=ηv.V h.n.60/2000 m3/h式中：ηv为发动机充气效率，对于自然吸气式柴油机可取0.9，对于汽油机可取0.85；n为发动机标定转速（r/min）；v h为发动机排量(m3)；ρa为空气密度（kg/ m3)。
ＣＡ４１１３发动机所需空滤器进气量就可以根据这个公式计算如下：Ga=ηv.V h.n.ρa/120=0.9·0.005014·2800·1.293=0.136 kg/s而对于增压发动机空气流量计算比较复杂，可按下面介绍的柴油机增压参数估算的方法进行计算。
（2）增压柴油机进气量的估算：♦经验公式法（一）：德国ＫＫＫ公司增压柴油机进气量Ｇａ＝ ·Ｎe/3600 Kg/sＧａ＝ ·Ｎe/1.293 m 3/h式中：Ne 为发动机功率(kw)为经验参数，ＫＫＫ公司对车用柴油机推荐值为６.２～６.８．该公式的计算精度较高，误差基本都在１０％以内．CY4102BZQ 、CA4113Z 、YC4110ZQ.发动机所需空滤器进气量计算如下：CY4102BZQ ：Ｇａ＝ ·Ｎe/3600＝６.８·８８/3600＝１．６７Kg/s ＝４６５L/m 3 ♦经验公式法（二）： Q —发动机所需进气量V —发动机排量n —发动机转速a1—充气系数，柴油机取0.85,汽油机取0.75a2—扫气系数，四缸以上取1A — 增压系数，低增压取1.3,中增压取1.6,高增压取2.2♦经验公式法（三）：Qe= n (转) × V ×60/1000/2V —发动机排量n —发动机转速以上经验公式计算的为发动机的最大进气量。
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进气口位置：
进气系统的设计须满足以下条件：
●避免机舱内热空气吸入
●避免雨滴和雾气直接吸入
●避免排气灰尘吸入
●从空滤器至涡轮增压器入口之间的进气管必须由耐蚀材料制成
●进气系统使用的分离式接头(如罩与空滤器外壳的接头)必须位于空滤器上部
●进气系统必须能够进行定期维护，且进行维护时不需要打开空滤器和涡轮增压器之间进气系统的任何部件
●尽可能低的系统阻力，以保证最大限度的利用柴油机功率
●进气系统部件之间的接头和其它接合处，比如与空压机的接头，必须保持有效密封，避免灰尘或其它污染物进入过滤空气中。
进气口尺寸应设计得足够大，且没有锐弯和面积改变，为减小阻力，还应有平滑的转换导管来与进气管相连。
发动机舱应充分通风，来发散出这些热量。
为保护热敏元件，发动机连续运转时机舱内的最高温度不允许超过（推荐）
空滤器的选择及布置：
一、根据发动机厂家推荐在2200rpm是所需空气流量为1500m3/h，结合以下计算：
1发动机性能参数：
发动机型号：L340
额定功率Ne(kW)：2505
额定转速n(r/min)：2200:
排量Vh(L)：8.9（C系统8.3）
空滤器流量VG（m3/h）的确定
⑴增压后发动机所需的空气流量V（m3/h）的确定
V=Vh×n/2×60/1000=8.9×2200/2×60/1000=587.4（m3/h）
⑵发动机所需理想状态空气量Vo（m3/h）的确定（汽车设计理论）
V o=ε×(ToT)0.75×V×ηvo×ψs
式中：V o-发动机所需理想状态空气量（m3/h）
大气环境温度（k）取313（273+40）；T-增压中冷后气体温度（k）取333（273+60）（要求不高于环境温度的20）；ηvo-充气效率取0.87（推荐）；ψs-扫气效率取1.05 ε-增压比2.18 V o=2.18×（313333）0.75×587.4×0.87×1.05=1116.67（m3/h）
⑶空压机流量Vk（m3/h）的确定（推荐为320L/min）
bVk=Vkh×nk×601000 式中：Vkh-空压机公称排量（L）；nk-空压机的转速（r/min）; Vk=0.229×1400×601000=19.2（m3/h）
⑷空滤器流量VG的确定（空滤器流量上述设计的储备流量）
VG=1.066×（V o+Vk）=1.066×（1116.67+19.2）=1212（m3/h）
L考虑到以后布置功率加大380马力发动机
结合两者得出按照发动机厂家的推荐空滤器流量≥1500 m3/h5
二、流通面积的确定
在确定了空滤器容积大小的同时，还应校核一下系统中所允许的气流流速。
进气系统内的气流流速不宜超过30m/s，因为过高的气流流速会产生很大的流阻和进气噪声，对发动机会造成过大的功率损失。
依据这一原则，在结构设计前先要确定空滤器进口、出口及连接管等部位允许的最小流通面积。
最小流通面积Smin=V o/(3.6×Vmax)×10-3(m2)
式中：Vmax-允许的最大气流流速（30m/s）
Smin=1500/(3.6×30)×10-3=13.9×10-3(m2)
样车上的进气口的面积为：S=255*125=31.875×10-3(m2)，大于要求，所以满足要求。
对应到圆形直径为66.5*2=133mm(外口)，空滤口直径月340。
查进气管路的径面变化情况（急）
三、空气滤清器选择
结合发动机进气系统的要求：
1、整个进气系统的进气阻力应不大于3.7kPa，最大允许进气阻力（脏的滤芯）不大于6.2kPa)
2、空气滤清器总成的滤清效率不低于99.5％，总成原始阻力不应大于2.94kPa。
空滤流量应小于1500m3/h，
现决定在参照样件要求厂家开发的同时，并从上海爱迪尔公司选择塑料壳的干式纸质滤芯空滤器，尽量减少开发的成本！另外在空滤器结构上做以下一定的要求：具有较大的储灰能力，使用寿命长，还可以利用进气脉冲自动排出空气滤清器内的灰尘，采用塑料叶片环旋流粗滤装置，即排气引流管，但是要在不影响进气阻力的情况下用此来增加除尘效率。
空滤器布置在驾驶室前端引擎罩下，维修保养方便，而且灰尘、雨雪也不易进入，但是空间上感觉比较紧张，采用样车上的三点支撑，等确定好空滤后在计算重量，设计支架管径。
初步想法是叫上海爱迪尔公司按照要求开发。
进气管路：
发动机进气系统的设计准则是向发动机提供充足、干净的新鲜空气，保证发动机能正常可靠地工作，根据发动机厂家的推荐要求进气系统的进气阻力应不大于3.7kPa，最大允许进气阻力（脏的滤芯）不大于 6.2kPa。
但是进气系统的阻力取决于很多的因素：如管子的直径、弯度、平滑度等等。
管径根据推荐在排量不大于9L时，用直径在75~110mm，钢管尽量用镀铝或是不锈钢管，主要考虑到热膨胀系数和T型卡箍夹紧时变形。
连接胶管在增压器出气口到中冷器进气口段用硅胶管（应能耐高温250 ℃和高压400 kPa以上）；中冷器到发动机用符合胶管（三元乙丙为主）。
中冷系统的管路布置应简洁，固定牢靠，并尽量减少方向的改变。
管路中间段尽量用支架固定。
|初步想法是用直径为100mm不锈钢管，厚度为2mm。
中冷器的选择：
发动机型号：L340 20
额定功率Ne(kW)：250.
额定功率进气流量：25m3/min
热端th1=150℃(进口)
冷端tc1=30℃(进口)
(出口) （对于载货汽车不应大于25 ℃）,
对数平均温差△t
* k/ p* r) m7 u x8 ?△t1= th1- tc2=150-55=95℃
△t2= th2- tc1=55-30=25℃; m. }
△t=（△t1-△t2）/ln（△t1/△t2）=52.4℃
传热系数K=47.43kcal/m2•℃
散热量Qr=3600×Gr△trCpr(kcal/h)
Gr=0.43kg/s（结合空气的密度（不定值取0.938kg/m3）的得出约为0.39kg/s，中冷器的额定流量一般按发动机标定工况下进气量的1.1倍来确定，从而得出Gr=0.43kg/s）
推荐为0.241kcal/kg.℃
△tr= th1- tc1=150-30=120℃
△Cpr=0.43kcal/kg•℃
Qr=3600×0.43×120×0.241=44582 kcal/h
所需散热面积F=Qr/（△t*K）=17.9 m2
正对面积Gr=0.0002866*空滤器额定流量
散热面积=41.89*Gr
所以中冷器作如下要求：
散热面积为18mm2，:
2芯部正对面积为进入中冷器的空气量为0.44kg/s，;
3中冷前后压力差不得大于16.7kp，
4所含杂质的总和不得超过90 mg，且杂质颗粒最大不得超过1.6 μm，
芯子正面积：0.46 mm2。
6、采用铸铝气室散热带的片密度不大于8~10片/25.4mm,带百叶窗，虽然现在已经有厂家通过波纹和突起在散热片上做工作产生散热好的效果，但是还需要实验来验证。