FSAE赛车进气系统改进设计

第17卷　第4期厦门理工学院学报Vol .17　No .4 2009年12月Journal of Xia men University of Technol ogyDec .2009 [收稿日期]2009-09-01 [修回日期]2009-10-16[基金项目]厦门市科技计划项目(3502Z20073030)[作者简介]许建民(1981-),男,湖南邵阳人,助教,硕士,从事汽车节能与排放控制研究.FS AE 赛车进气系统改进设计许建民,刘金武,李晓宇(厦门理工学院机械工程系,福建厦门361024)[摘　要]通过对限流阀安装在进气系统不同位置对发动机的影响进行了详细分析,得出一种限流阀最优安装位置,即在节气门阀体和喷油嘴之间.并利用CF D 软件F LUE NT 对其谐振腔进行了流体动力学分析.研究表明:进气系统的改进对发动机的动力性、排放性以及噪音方面有非常大的改善.[关键词]FS AE 赛车;进气系统;谐振腔;CAE[中图分类号]U4641134+14;U46916+96[文献标志码]A [文章编号]1008-3804(2009)04-043-05FS AE 方程式赛事是由美国汽车工程师协会主办的挑战本科生、研究生团队构思、设计、制作和驾驶小型方程式赛车的国际性赛事.FS AE 方程式比赛内容是设计、制造和论证一辆用于业余比赛的小型赛车.该车必须在加速性,制动性和操稳性等方面表现出色,而且成本低廉(要求原型车实际耗资应低于215万美元)、易于维修、可靠性好.同时还需考虑其美观舒适性和零部件的通用性等因素.空气或混合气导入发动机汽缸的零部件集合体称为发动机进气系统.汽油机进气系统包含了空气滤清器、谐振腔、进气歧管、节气门等机构.空气经空气滤清器过滤掉杂质后,流过空气流量计和谐振腔,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混合气,混合气通过发动机进气门进入发动机燃烧室燃烧产生动力.FS AE 赛车规则基本要点是发动机的所有的进气都要通过限流阀,并且限流阀必须位于发动机节气门和发动机进气门之间.在保证上述比赛规则的前提下,通过改进设计进气系统来提高发动机的动力性、改善其排放性和噪音.1　限流阀安装位置对比分析111　方案Ⅰ中限流阀安装位置分析依据规则要求,目前FS AE 赛车进气顺序从外到内依次是:空气滤清器-谐振腔-橡胶弯管-节气门阀体(包括节气门和喷油嘴)-限流阀-发动机橡胶管-进气门.如图1.该方案限流阀安装在喷油嘴之后,发动机运转时汽油会喷到限流阀上,导致燃油雾化效果急剧变差,而且由于限流阀处在进气系统的最后阶段,这样会导致混合气在进入发动机前体积突变,从而产生不规则的压力波.通过安装上限流阀和卸掉限流阀时的发动机性能对比试验,发现限流阀使发动机动力性能急剧下降.基于方案Ⅰ的发动机(嘉陵JH600,发动机排量600mL )最高转速可达到5000r/m in .厦门理工学院学报2009年112　方案Ⅱ中限流阀安装位置分析方案Ⅱ的进气道的布置顺序依次是:空气滤清器-谐振腔-节气门-橡胶弯管-限流阀-喷油嘴-发动机橡胶管-进气门.见图2所示.该方案将节气门和限流阀同时外移.不改变原喷油嘴,则喷油顺畅,雾化效果比方案Ⅰ要好.但是首先将节气门和喷油嘴分开难度较大,而且改变了节气门位置传感器和进气压力传感器与喷油嘴的位置,节气门与喷油嘴的重新匹配比较困难,喷油雾化效果同样受到很大影响.基于方案Ⅱ的发动机(嘉陵JH600,发动机排量600mL )最高转速可达到6200r/m in .113　方案Ⅲ中限流阀安装位置分析方案Ⅲ的进气道布置顺序依次为:空气滤清器-谐振腔-橡胶弯管-堵上喷油孔的节气门阀体-限流阀-喷油嘴-发动机橡胶管-进气门,如图3所示.该方案在不拆分节气门阀体的前提下,在基本不改变节气门位置传感器和进气压力传感器与喷油嘴之间的位置的前提下,将原喷油嘴堵住,重新加工制作一喷油嘴.由于喷油点位置和角度不变,因此不影响喷油效果,而且限流阀紧跟喷油阀之前,则进气在限流阀处管径缩小,进气速度增大,改善燃油的雾化.通过发动机试验发现发动机的动力性和排放性都有极大的改善.基于方案Ⅲ的发动机(嘉陵JH600,发动机排量600mL )最高转速可达到7100r/m in .比较方案Ⅰ到方案Ⅲ可以发现:当限流阀安装在节气门阀体和喷油嘴之间时,发动机的动力性最好,即方案Ⅲ是最优方案,可以作为设计参考.2　谐振腔CF D 仿真分析211　谐振腔CAE 分析方法仿真的目的是在保证谐振腔容积的前提下尽量减少压力损失,使进气流畅.谐振进气系统通过在进气道上增加谐振腔,调整发动机的固有频率,使得发动机在一定转速范围内获得更大的进气量,以达到改善发动机效率的目的.进气道的设计要求最大限度的提高进气量,保证发动机的进气需求,提高进气效率.采用CF D 软件F LUENT 对进气系统中影响较大的谐振腔进行仿真分析,通过对不同锥角谐振腔的流场分析,得出一种最优的谐振腔.Fluent 软件是个工程运用的CF D 软件,针对每一种流动的物理问题的特点,采用适合于它的数值解法在计算速度、稳定性和精度方面达到最佳[1-2].可以计算流场、传热和化学反应.对二维流动模型,可以生成三角形和矩形网格;对于三维流动模型,则可生成四面体、六面体、三角柱和金字塔等网格;结合具体计算,还可生成混合网格,其自适应功能,能对网格进行细分或粗化,或生成不连续网格、可变网格和滑动网格.F LUE NT 软件在我国已经获得较好的应用.・44・　第4期许建民,等:FS AE 赛车进气系统改进设计212　谐振腔CAE 分析步骤21211　利用G AMB I T 建立计算区域和指定边界条件类型在G AB I T 中创建谐振腔模型,并设定边界条件进行网格划分,谐振腔边界分为进气边界、出气边界、两边wall 边界.为了保证分析精度,此次采用2003200网格截面进行分析.网格划分后,将文件保存为网格mesh 文件.21212　利用F LUENT求解器求解将划分好的模型导入fluent 中进行分析.读入网格文件,检查是否有单元格出错情况.选定的计算模型为流场和温度场,设置标准k -e 湍流模型.定义流体的物理属性,设置进气口和出气口边界条件[3-5].根据本次赛车进气量计算出进气流速为10m /s,进气入口温度为290K .最后显示计算结果.213　谐振腔CAE 分析结果对谐振腔提出了3种几何方案,采用F LU 2E NT 软件进行流体动力学分析,分析方案如表1,表1中所用的参数如图4,分析结果如下.表1　谐振腔流体动力学分析方案参数对比Ta b 11　Pa ram e te rs o f fl u i d m echa n i c ana l ys is f o r re so nat o rD 1/mmD 2/mmD 3/mmL 1/mmL 2/mmα/(°)β/(°)方案Ⅰ62122502002009090方案Ⅱ62122501802108080方案Ⅲ62122501482303060图5是方案Ⅰ的速度场CAE 分析结果.在图5中,外围深色区域为低速区,速度约为0,即为进气死角,中间深色区域为高速区,速度为13m /s,从图5可以看出低速区出现在谐振腔中间外围区域,速度约为0,高速区出现在出口区域,速度为13m /s .整体看来,整个谐振腔中心区域进气速度相对外围区域明显高很多.图6是方案Ⅰ的温度场CAE 分析结果.在图6中,外围深色区域为低温区,温度约为292K,中间深色区域为高温区,温度为310K,从图6可以看出低温区出现在谐振腔入口,温度约为290K,高温区出现在谐振腔外围区域,温度为310K .整体看来,谐振腔外围区域温度明显高于中心区域温度,而且温度场分布很不均匀.・54・厦门理工学院学报2009年图7是方案Ⅱ的速度场CAE 分析结果.在图7中,外围深色区域为低速区,速度约为0,中间深色区域为高速区,速度为14m /s,从图7可以看出低速区出现在谐振腔中间外围区域,速度约为0,高速区出现在出口区域,速度为14m /s .整体看来,从进口到腔体,速度逐渐下降,再从腔体到出口,速度大幅增加.总体上比方案Ⅰ变化比较均匀.图8是方案Ⅱ的温度场CAE 分析结果.在图8中,外围深色区域为低温区,温度约为295K,中间深色区域为高温区,温度为305K,从图8可以看出低温区出现在谐振腔入口,温度约为292K,高温区出现在出口区域,温度为305K .整体看来,从进口经过腔体到出口,温度逐渐增加.总体上温度与轴线基本对称.以下是根据锥角90°和锥角80°谐振腔的流场分析而得出的比较理想谐振腔形状.这样不仅可以充分利用谐振容积,还能最大限度地降低进气阻力,从而提高发动机进气效率.图9是方案Ⅲ的速度场CAE 分析结果.在图9中,外围深色区域为低速区,速度约为0,中间深色区域为高速区,速度为16m /s,从图13可以看出低速区出现在谐振腔中间外围区域,速度约为0,,速度为16m /s .整体看来,从进口到腔体,速度逐渐下降,再从腔体到出口,速度大幅增加.总体上变化比较均匀.图10为方案Ⅲ的温度场CAE 分析结果,从图10可以看出低温区出现在谐振腔入口,温度约为295K,高温区出现在出口中心区域,温度为302K .整体看来,从进口经过腔体到出口,温度逐渐提高.可见总体上温度与轴线对称.比较方案Ⅰ到方案Ⅲ可以发现:在可以满足发动机对谐振腔体积要求的前提下,方案Ⅲ的速度场、温度场分布均匀,进气阻力最小,可以作为设计参考.・64・　第4期许建民,等:FS AE 赛车进气系统改进设计3　结语1)通过对限流阀安装在进气系统不同位置对发动机的影响进行了理论分析,得出限流阀安装在节气门阀体和喷油嘴之间时,发动机的动力性最好.2)通过对不同锥角谐振腔仿真温度场、速度场的对比,可以得出:谐振腔两端减小锥角会缩小进气死角,同时进气流速降低较少,进气温度变化不大,改善发动机的进气.通过整车试验证明改进后的进气系统在动力性、排放性以及噪音方面有非常大的改善.[参考文献][1]王瑞金,张凯,王刚,等.Fluent 技术基础与应用实例[M ].北京:清华大学出版社,2007:33237.[2]周龙保.内燃机学[M ].北京:机械工业出版社,1998:56258.[3]王晗,蔡忆昔,毛笑平.发动机进气系统不均匀性的三维数值模拟[J ].小型内燃机与摩托车,2007,36(3):15217.[4]罗马吉,陈国华,蒋炎坤,等.进气管内三维稳态流动特性的数值分析[J ].小型内燃机与摩托车,2001,30(2):124.[5]夏兴兰,杨雄,朱忠伟,等.数值模拟方法在柴油机进气道改进中的应用[J ].内燃机学报,2002,20(5):22224.Enhanced I n t ake System D esi gn of FSAE Race CarXU J ian 2m in,L I U J in 2wu,L I Xiao 2yu(Depart m ent of Mechanical Engineering,Xiamen University of Technol ogy,Xia men 361024,China )Abstract:A detailed analysis was made t o see how engine was affected by varied positi ons of thr ottle valve on the intake syste m ,which resulted in an op ti m al thr ottle valve positi on bet w een the thr ottle valve p late and nozzle .A CF D Fluent based fluid mechanic analysis was done on its res onat or that indicated that the en 2hanced intake system contributed remarkably t o the dyna m ics,release efficiency and noise reducti on of the en 2gine .Key words:FS AE race car;intake syste m;res onat or;CAE・74・。