【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 機(jī)改裝了春風(fēng)公司為 CF188 配備的電控電噴模塊，進(jìn)氣系統(tǒng)則可以按照 FSAE 常規(guī)的自然進(jìn)氣方案對(duì)其設(shè)計(jì)。也有少部分學(xué)校做得比較超越，他們不但為發(fā)動(dòng)機(jī)換上電控模塊，還為其加裝了增壓裝置，例如吉林大學(xué)為 CF188 改造了渦輪增壓進(jìn)氣系統(tǒng)。但由于 改裝渦輪增壓需要面臨很多有待解決的問(wèn)題，在沒(méi)有充分的經(jīng)驗(yàn)和手段下，很可能使發(fā)動(dòng)機(jī)工作出現(xiàn)問(wèn)題。吉林大學(xué)的賽車則在 2021 年 FSAE 大賽的耐久賽中因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)過(guò)熱冒煙而沒(méi)能完成該項(xiàng)目的比賽。 圖 為 2021 年吉林大學(xué)車隊(duì)為 CF188 加裝渦輪增壓器和中央冷卻上海工程技術(shù)大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） FSAE 賽車進(jìn)氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析 15 器的 進(jìn)氣系統(tǒng)。 圖 2021 年吉林大學(xué)裝備渦輪增壓的進(jìn)氣系統(tǒng) 2021 年國(guó)內(nèi)取消了對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)規(guī)格的限制，凡是 610cc 以下的發(fā)動(dòng)機(jī)可由車隊(duì)自由選擇，例如我校選擇的本田 CBR600 F4i 本身已是電控發(fā)動(dòng)機(jī)，選擇使用強(qiáng)制進(jìn)氣的車隊(duì)將涌現(xiàn)的 更為頻繁，而成果怎樣，讓我們拭目以待。 至于國(guó)外對(duì)于 FSAE 進(jìn)氣系統(tǒng)的發(fā)展則與國(guó)內(nèi)有所不同，曾經(jīng)在與勞倫斯理工大學(xué)車隊(duì)交談時(shí)，他們提到，很多人會(huì)嘗試去為發(fā)動(dòng)機(jī)加裝渦輪增壓，往往只看到了其正面的影響，那就是動(dòng)力獲得提升，但是渦輪增壓帶來(lái)的負(fù)面影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了他們的想象 ，他們車隊(duì)使用了四年的渦輪增壓，可是仍然有 許多問(wèn)題 未能處理好，弊端也同時(shí)無(wú)法避免，于是在今年，上海工程技術(shù)大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） FSAE 賽車進(jìn)氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析 16 他們放棄了使用渦輪增壓而回歸自然進(jìn)氣。這是他們的選擇也是很多車隊(duì)地選擇。事實(shí)上，在剛剛順利舉辦完畢的美國(guó)密切跟 FSAE 大賽上，事實(shí)證明 ，排名靠前的 都是使用自然進(jìn)氣的車隊(duì)。 圖 為 2021 年取得優(yōu)異成績(jī)的密歇根州立大學(xué)車隊(duì)的自然進(jìn)氣系統(tǒng)。 圖 2021 年密歇根州立大學(xué) FSAE 進(jìn)氣系統(tǒng) 2 進(jìn)氣系統(tǒng) 方案設(shè)計(jì) 進(jìn)氣系統(tǒng) 設(shè)計(jì) 流程 進(jìn)氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)首先是要了解發(fā)動(dòng)機(jī)自身特性。此次使用的本田CBR600 F4i 發(fā)動(dòng)機(jī)是來(lái)自本田高性能公路摩托車 CBR600 的 一款摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)。 發(fā)動(dòng)機(jī)，離合器，變速器為一體式結(jié)構(gòu)，變速器末端以鏈輪直接輸上海工程技術(shù)大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） FSAE 賽車進(jìn)氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析 17 出 。 表 相關(guān)技術(shù)參數(shù) 發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào) 本田 CBR600 F4i 發(fā)動(dòng)機(jī)形式 直列四缸，雙頂置凸輪軸 發(fā)動(dòng)機(jī)排量 599cc 發(fā)動(dòng)機(jī)重量 59kg 著火順序 1243 冷卻形式 水冷 潤(rùn)滑形式 壓力潤(rùn)滑，濕式油底殼 壓縮比 12:1 進(jìn)氣門早開(kāi)遲閉角 早開(kāi) 22176。遲閉 43176。 最高功率輸出 約 70ps/9000rpm（有限流閥） 最高扭矩輸出 約 60Nm/8000rpm（有限流閥） 圖 本田 CBR600 F4i 摩托車 上海工程技術(shù)大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） FSAE 賽車進(jìn)氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析 18 其次要確定發(fā)動(dòng)機(jī)的使用特性，結(jié)合比賽項(xiàng)目和賽道特性來(lái)確定賽車常用的工況， FSAE 動(dòng)態(tài)項(xiàng)目包括 75m 直線加速， 8 字繞環(huán)，高速避障和耐久賽。根據(jù)去年的參賽經(jīng)驗(yàn)，大多數(shù)時(shí)間賽車都處于 40km/h 以下的速度，除直線加速賽意外，賽車主要處在彎道 行駛中。故對(duì)于賽車發(fā)動(dòng)機(jī)而言，良好的出彎加速性是我們需要的。而從駕駛風(fēng)格上講，拖延進(jìn)檔，讓發(fā)動(dòng)機(jī)保持合 適的高轉(zhuǎn)速輸出，有利于提高加速性能。 故根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)功率峰值輸出 9000rpm 為最佳性能工況。 7000rpm 至 11000rpm為常用轉(zhuǎn)速。 然后確定進(jìn)氣方式，所用材料及制造工藝，部分零部件類型選擇，再對(duì)進(jìn)氣系統(tǒng)各部件做初步計(jì)算，得到數(shù)據(jù)后使用 CATIA 進(jìn)行三維建模。 根據(jù) 模型 具體幾何參數(shù)使用赫爾姆霍茲進(jìn)氣諧振原理進(jìn)行驗(yàn)算， 再使用Fluent 對(duì)進(jìn)氣系統(tǒng)總成做 CFD 分析， 排除備選 方案。最后使用 Fluent 對(duì)限流閥擴(kuò)散器和進(jìn)氣道做進(jìn)一步分析及優(yōu)化 。 最終目的就是設(shè)計(jì)出一套，符合規(guī)則，使用可靠，進(jìn)氣損失小 ，充氣效率高，在能夠保證賽車手便于操控的前提下盡可能提高發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性的進(jìn)氣系統(tǒng)。 確定進(jìn)氣形式 在之前的緒論中，已經(jīng)提到了進(jìn)氣系統(tǒng)主流地可以分為三大類，分別為自然進(jìn)氣 ，渦輪增壓，機(jī)械增壓。 本次畢業(yè)設(shè)計(jì)，決定采用傳統(tǒng)的自然進(jìn)氣為進(jìn)氣形式。以下論證采用自然進(jìn)氣方案的理由。 （ 1） 自然進(jìn)氣 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：汽車最傳統(tǒng)的進(jìn)氣方式，由節(jié)氣門體，空氣濾清器，空氣上海工程技術(shù)大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） FSAE 賽車進(jìn)氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析 19 流量計(jì)，進(jìn)氣歧管組成。 適用于：裝備汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的小客車 。 優(yōu)點(diǎn) ：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造容易、維修方便、工作可靠、成本低便于保養(yǎng)。 缺點(diǎn) ：動(dòng)力性 較差、充氣效率相對(duì)較低、工作相對(duì)不夠高效。 應(yīng)用 ：大多裝備汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的轎車，跑車以及賽車。 （ 2） 渦輪增壓 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：渦輪增壓器與發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣管，排氣管相連，并配有中央冷卻器和潤(rùn)滑管路 。 適用于：需要提高燃燒效率，在高轉(zhuǎn)速工況有較大馬力輸出的車輛 。 優(yōu)點(diǎn) ：利用廢氣能量工作高效，充氣效率高，動(dòng)力強(qiáng)勁 。 缺點(diǎn) ：成本高，不便于保養(yǎng)維修，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，輸出不線性 。 應(yīng)用 ：裝備柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的大型商用車，部分汽油發(fā)動(dòng)機(jī)轎車，跑車 。 （ 3） 機(jī)械增壓 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：機(jī)械增壓器與發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸相連，驅(qū)動(dòng)力來(lái)自發(fā)動(dòng)機(jī)本體 。 適用于：大 排量發(fā)動(dòng)機(jī)，在低轉(zhuǎn)速工況需要更高扭矩的車輛 。 優(yōu)點(diǎn)：工作高效，在發(fā)動(dòng)機(jī)低轉(zhuǎn)速時(shí)就能獲得強(qiáng)勁的動(dòng)力輸出。 缺點(diǎn)：結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本較高，維修困難，輸出不線性，高轉(zhuǎn)速時(shí)無(wú)明顯效果。 應(yīng)用：大排量轎車，跑車，尤以美國(guó)車為例。 FSAE 賽車按照規(guī)則采用 610cc 以下的小排量發(fā)動(dòng)機(jī)，并以高轉(zhuǎn)速輸出見(jiàn)長(zhǎng)，因此機(jī)械增壓方案首先被排除。 相比較而言， FSAE 賽車 多數(shù) 采上海工程技術(shù)大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） FSAE 賽車進(jìn)氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析 20 用小排量高轉(zhuǎn)速發(fā)動(dòng)機(jī) ，此次使用的 CBR600 F4i 就是此類典型的案例 ，故自然進(jìn)氣和渦輪增壓為主要選擇方案 。 而渦輪增壓盡管為發(fā)動(dòng)機(jī)提供了不少額外的動(dòng)力，使其高效， 但是同時(shí)也是發(fā)動(dòng)機(jī)的工作環(huán)境更為惡劣，對(duì)于冷卻以及潤(rùn)滑的要求大大提高，并且需要中央冷卻器等額外附件，既增加了重量，又不方便布置。并且對(duì)于原本的自然進(jìn)氣發(fā)動(dòng)機(jī)F4i 而言，改裝成渦輪增壓需要降低其壓縮比，增加其噴油量，這對(duì)于原有的 ECU，則要做出相應(yīng)的編程和標(biāo)定，這對(duì)于我校車隊(duì)今年第一年使用本田 CBR600 F4i 這款發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，工作量太大。故決定先采用自然進(jìn)氣為今年的方案，在實(shí)踐中累積經(jīng)驗(yàn)，熟悉這款發(fā)動(dòng)機(jī)的特性，在今后嘗試對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)做更突破的改造。 圖 取自弗吉尼亞理工大學(xué) 2021 和 2021 兩年，分 別使用自然進(jìn)氣和渦輪增壓兩種方案后所做的發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)，以扭矩輸出曲線作對(duì)比 。 紅色曲線為 07 年自然進(jìn)氣形式，藍(lán)色曲線為 08 年渦輪增壓形式，渦輪增壓器由 Honeywell 公司專門為 FSAE 賽車匹配并提供的 Garrett GT12渦輪。 圖 弗吉尼亞理工大學(xué) 07 與 08 年兩種進(jìn)氣方式的扭矩輸出曲線對(duì)比 上海工程技術(shù)大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） FSAE 賽車進(jìn)氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析 21 由圖中兩條扭矩輸出曲線，可 以看出 ，盡管使用渦輪增壓的發(fā)動(dòng)機(jī)峰值扭矩輸出高出將近 15ft/lb，但是它的峰值輸出范圍是在相對(duì)低的6000rpm 左右，而從 8000rpm 開(kāi)始，增壓起到的效果并不明顯 。 當(dāng)轉(zhuǎn)速超過(guò) 9000rpm 時(shí)，由于渦輪增壓器所導(dǎo)致的排氣不暢反而成為了發(fā)動(dòng)機(jī)工作的拖累，扭矩輸出不及自然進(jìn)氣。且在 5000rpm 之前可以看出有明顯的渦輪遲滯效應(yīng)，這不利于從靜止起步加速的 75m 加速賽。綜上所述，既然此款發(fā)動(dòng)機(jī)常用轉(zhuǎn)速在 7000 至 11000rpm，渦輪增壓在大部分工況下所起到的作用不明顯，綜合成本，重量，維護(hù)等各方面因素，決定放棄使用渦輪增壓。 從一系列方案的論證中，排除了今年使用強(qiáng)制進(jìn)氣的方案，綜合其原因有，制造成本高，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的不熟悉，對(duì)使用增壓后引起的惡劣工況的不確定，對(duì) ECU 電控重 新編程的沒(méi)把握等。發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)是一門試驗(yàn)科學(xué)，對(duì)于本校，一支第二年參加 FSAE，第一年使用本田 CBR600 F4i 的車隊(duì)來(lái)說(shuō)，要對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)做大規(guī)模改進(jìn)是非常冒險(xiǎn)的，發(fā)動(dòng)機(jī)性能的改進(jìn)不僅僅基于理論計(jì)算和計(jì)算機(jī)模擬，長(zhǎng)期的臺(tái)架試驗(yàn)和整車測(cè)試才是真正驗(yàn)證其改進(jìn)成功與否的關(guān)鍵。 車隊(duì) 需要對(duì)這臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)足夠的經(jīng)驗(yàn)和測(cè)試數(shù)據(jù)，在今后的賽季中，嘗試運(yùn)用 渦輪增壓進(jìn)氣方式實(shí)現(xiàn)更高的發(fā)動(dòng)機(jī)性能。但是，即便是自然進(jìn)氣，仍然有有效的措施去削弱限流閥對(duì)進(jìn)氣系統(tǒng)的負(fù)面影響。這就是利用文氏管原理，所設(shè)計(jì)的擴(kuò)散器起到的作用。針對(duì)于限流閥將進(jìn)氣系統(tǒng) 的前端截面縮小至 20mm 口徑，利用流體動(dòng)力學(xué)原理，擴(kuò)散器則是有特定的理想錐角將截面積慢慢擴(kuò)大，從而使限流閥的限制效果被相對(duì)削弱。此外，穩(wěn)壓腔的存在也充分提高了進(jìn)氣效率，每個(gè)汽缸的工作上海工程技術(shù)大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） FSAE 賽車進(jìn)氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析 22 循環(huán)，本身是以脈沖的信號(hào)表現(xiàn)其進(jìn)氣過(guò)程的，但是穩(wěn)壓腔將四個(gè)氣缸的進(jìn)氣道相連，輪流給四個(gè)氣缸提供進(jìn)氣，脈沖信號(hào)不直接響應(yīng)到進(jìn)氣系統(tǒng)前端，而是通過(guò)穩(wěn)壓腔內(nèi)部的壓力變化，不斷地使空氣濾清器吸入新鮮空氣，這樣即便限流閥口徑小，它吸入空氣的過(guò)程是連續(xù)的，則進(jìn)氣效率也就是在此限制下最高的。 確定進(jìn)氣系統(tǒng)材料與制造工藝 汽車進(jìn) 氣系統(tǒng)要求輕質(zhì)，可靠，耐用，抗腐蝕 等特性。 現(xiàn)代汽車發(fā)動(dòng)機(jī)大多采用工程塑料為進(jìn)氣管的材質(zhì)。 由于不同于排氣管需要耐高溫，進(jìn)氣管不斷地在充入新鮮工質(zhì)，不會(huì)產(chǎn)生高溫，塑料在這種情況下是非常好的選擇，因?yàn)榧容p質(zhì)，成本又低廉，并且形狀可塑性佳，造型自由度很高，且內(nèi)壁容易做到很光滑 ，有利于氣體流動(dòng) 。 然而， FSAE 賽車由于不是量產(chǎn)型車輛，每一個(gè)零部件為其專門開(kāi)模具 成本太高，故最傳統(tǒng)且最低廉的做法就是使用鋁材，手工切割，焊接完成整套進(jìn)氣歧管。盡管鋁的幾何造型能力遠(yuǎn)不如塑料，質(zhì)量也不夠輕質(zhì)，焊接的焊縫還會(huì)導(dǎo) 致內(nèi)壁不光滑，引起表面渦流，造成進(jìn)氣損失，但是成本低廉，質(zhì)量也相對(duì)其他金屬輕， 是低成本的最佳選擇 。 當(dāng)然，如果預(yù)算充足，自然可以考慮使用塑料，甚至碳纖維去制作進(jìn)氣歧管，勞倫斯理工大學(xué) 2021 年使用的就是塑料進(jìn)氣歧管，單個(gè)制造可以使用快速成型機(jī)加工，并且要選擇抗腐蝕性好的塑料，但是了解到成本需要將近 1000 美元，于是決定放棄。 最高端的莫過(guò)于使用碳纖維制造進(jìn)氣歧管，碳纖維的制造工藝其實(shí)基于塑料制造工藝，所以它具備塑料進(jìn)氣歧管的幾何造型優(yōu)勢(shì)，但是相比塑上海工程技術(shù)大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） FSAE 賽車進(jìn)氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析 23 料更加輕質(zhì)，堅(jiān)硬，耐用。 圖 碳 纖維進(jìn)氣 歧管 半成品 綜合三種材質(zhì)和工藝的優(yōu)缺點(diǎn)，最終決定使用成本最低的鋁材和焊接制作進(jìn)氣歧管。 節(jié)氣門體 類型選擇 節(jié)氣門體：根據(jù) FSAE 規(guī)則限制，節(jié)氣門體必須位于限流閥之前，必須是機(jī)械式的，控制發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷 。 常見(jiàn)的節(jié)氣門體分為三類：蝴蝶式，滑閥式及滑片式 。 上海工程技術(shù)大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） FSAE 賽車進(jìn)氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析 24 圖 三類節(jié)氣門體結(jié)構(gòu)示意圖 圖 依次為蝴蝶式，滑閥式，滑片式節(jié)氣門體的示意圖與性能比較 。 （ 1） 蝴蝶式 優(yōu)點(diǎn) ：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單， 成本低 ，工作可靠 。 缺點(diǎn)：由于蝴蝶片隨著節(jié)氣門開(kāi)度增大，并不能完全隱藏，所以在大負(fù)荷工況下，相同內(nèi)徑的進(jìn)氣管，蝴蝶式節(jié)氣門體會(huì)造成微量的進(jìn)氣損失。 （ 2） 滑閥式 優(yōu)點(diǎn)：怠速控制好，進(jìn)氣損失小 。 缺點(diǎn)：結(jié)構(gòu)復(fù)雜，隨著節(jié)氣門開(kāi)度增大，通道截面變化因?yàn)槠涮匦裕越孛嬖龃罅繒?huì)在中段猛增，導(dǎo)致油門響應(yīng)不夠線性，不利于操控。 上海工程技術(shù)大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） FSAE 賽車進(jìn)氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析 25 （ 3） 滑片式 優(yōu)點(diǎn)：進(jìn)氣損失小 。 缺點(diǎn)：結(jié)構(gòu)復(fù)雜，占空間 。 綜合上訴優(yōu)缺點(diǎn)，蝴蝶式節(jié)氣門體無(wú)論是 成本還是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單程度上都比另兩者可取，且更利于拉索式控制機(jī)構(gòu)匹配。所以最終選擇 蝴蝶式節(jié)氣門體。 3 設(shè)定 進(jìn)氣系統(tǒng) 各部件 基本參數(shù) 系統(tǒng) 參數(shù) 表 進(jìn)氣 系統(tǒng)參數(shù) 參數(shù)名稱 參數(shù)值 發(fā)動(dòng)機(jī)常用工況轉(zhuǎn)速 9000rpm 進(jìn)氣道內(nèi)徑 35mm 絕熱指數(shù) ? 氣體常數(shù) R 發(fā)動(dòng)機(jī)排量 599cc 發(fā)動(dòng)機(jī)常用轉(zhuǎn)速即為需要起到諧振效果的轉(zhuǎn)速，絕熱指數(shù)和氣體常數(shù)為氣體固有參數(shù)，由于進(jìn)氣系統(tǒng)為自然進(jìn)氣，氣體狀態(tài)接近于空氣，所以取空氣的參數(shù)使用。 空氣濾清器 空氣濾清器 的 主要功用是濾去灰塵和雜質(zhì)，為發(fā)動(dòng) 機(jī)工作提供清潔的空氣，以至于避免不可燃顆粒和硬物進(jìn)氣氣缸，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)造成損害。賽車