【文章內容簡介】 動機改裝了春風公司為 CF188 配備的電控電噴模塊，進氣系統(tǒng)則可以按照 FSAE 常規(guī)的自然進氣方案對其設計。也有少部分學校做得 比較超越，他們不但為發(fā)動機換上電控模塊，還為其加裝了增壓裝置，例如吉林大學為 CF188 改造了渦輪增壓進氣系統(tǒng)。但由于改裝渦輪增壓需要面臨很多有待解決的問題，在沒有充分的經(jīng)驗和手段下，很可能使發(fā)動機工作出現(xiàn)問題。吉林大學的賽車則在 2021 年 FSAE 大賽的耐久賽中因為發(fā)動機過熱冒煙而沒能完成該項目的比賽。 圖 為 2021 年吉林大學車隊為 CF188 加裝渦輪增壓器和中央冷卻上海工程技術大學 畢業(yè)設計（論文） FSAE 賽車進氣系統(tǒng)設計與分析 15 器的 進氣系統(tǒng)。 圖 2021 年吉林大學裝備渦輪增壓的進氣系統(tǒng) 2021 年國內取消了對發(fā)動機規(guī)格的限制，凡是 610cc 以 下的發(fā)動機可由車隊自由選擇，例如我校選擇的本田 CBR600 F4i 本身已是電控發(fā)動機，選擇使用強制進氣的車隊將涌現(xiàn)的更為頻繁，而成果怎樣，讓我們拭目以待。 至于國外對于 FSAE 進氣系統(tǒng)的發(fā)展則與國內有所不同，曾經(jīng)在與勞倫斯理工大學車隊交談時，他們提到，很多人會嘗試去為發(fā)動機加裝渦輪增壓，往往只看到了其正面的影響，那就是動力獲得提升，但是渦輪增壓帶來的負面影響遠遠超出了他們的想象 ，他們車隊使用了四年的渦輪增壓，可是仍然有 許多問題 未能處理好，弊端也同時無法避免，于是在今年，上海工程技術大學 畢業(yè)設計（論文） FSAE 賽車進氣系統(tǒng)設計與分析 16 他們放棄了使用渦輪增壓而回歸自 然進氣。這是他們的選擇也是很多車隊地選擇。事實上，在剛剛順利舉辦完畢的美國密切跟 FSAE 大賽上，事實證明 ，排名靠前的都是使用自然進氣的車隊。 圖 為 2021 年取得優(yōu)異成績的密歇根州立大學車隊的自然進氣系統(tǒng)。 圖 2021 年密歇根州立大學 FSAE 進氣系統(tǒng) 2 進氣系統(tǒng) 方案設計 進氣系統(tǒng) 設計 流程 進氣系統(tǒng)設計首先是要了解發(fā)動機自身特性。此次使用的本田CBR600 F4i 發(fā)動機是來自本田高性能公路摩托車 CBR600 的 一款摩托車發(fā)動機。 發(fā)動機，離合器，變速器為一體式結構，變速器末端 以鏈輪直接輸上海工程技術大學 畢業(yè)設計（論文） FSAE 賽車進氣系統(tǒng)設計與分析 17 出 。 表 相關技術參數(shù) 發(fā)動機型號 本田 CBR600 F4i 發(fā)動機形式 直列四缸，雙頂置凸輪軸 發(fā)動機排量 599cc 發(fā)動機重量 59kg 著火順序 1243 冷卻形式 水冷 潤滑形式 壓力潤滑，濕式油底殼 壓縮比 12:1 進氣門早開遲閉角 早開 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 上海工程技術大學 畢業(yè)設計（論文） FSAE 賽車進氣系統(tǒng)設計與分析 18 其次要確定發(fā)動機的使用特性，結合比賽項目和賽道特性來確定賽車常用的工況， FSAE 動態(tài)項目包括 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，大多數(shù)時間賽車都處于 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。故對于賽車發(fā)動機而言，良好的出彎加速性是我們需要的。而從駕駛風格上講，拖延進檔，讓發(fā)動機保持合適的高轉速輸出，有利于提高加速性能。 故根據(jù)發(fā)動機功率峰值輸出 9000rpm 為最佳性能工況。 7000rpm 至 11000rpm為常用轉速。 然后確定進氣方式，所用材料及制造工藝，部分零部件類型選擇，再對進氣系統(tǒng)各部件做初步計算，得到數(shù)據(jù)后使用 CATIA 進行三維建模。 根據(jù) 模型 具體幾何參數(shù)使用赫爾姆霍茲進氣諧振原理進行驗算， 再使用Fluent 對進氣系統(tǒng)總成做 CFD 分析， 排除備選 方案。最后使用 Fluent 對限流閥擴散器和進氣道做進一步分析及優(yōu)化 。 最終目的就是設計出一套，符合規(guī)則，使用可靠，進氣損失小，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)動機動力性的進氣系統(tǒng)。 確定進氣形式 在之前的緒論中，已經(jīng)提到了進氣系統(tǒng)主流地可以分為三大類，分別為自然進氣 ，渦輪增壓，機械增壓。 本次畢業(yè)設計，決定采用傳統(tǒng)的自然進氣為進氣形式。以下論證采用自然進氣方案的理由。 （ 1） 自然進氣 結構特點：汽車最傳統(tǒng)的進氣方式，由節(jié)氣門體，空氣濾清器，空氣上海工程技術大學 畢業(yè)設計（論文） FSAE 賽車進氣系統(tǒng)設計與分析 19 流量計，進氣歧管組成。 適用于：裝備汽油發(fā)動機的小客車 。 優(yōu)點 ：結構簡單、制造容易、維修方便、工作可靠、成本低便于保養(yǎng)。 缺點 ：動力性較差、充氣效率相對較低、工作相對不夠高效。 應用 ：大多裝備汽油發(fā)動機的轎車，跑車以及賽車。 （ 2） 渦輪增壓 結構特點：渦輪增壓器與發(fā)動機進氣管，排氣管相連，并配有中央冷卻器和潤滑管路 。 適用于：需要提高燃燒效率，在高轉速工況有較大馬力輸出的車輛 。 優(yōu)點 ：利用廢氣能量工作高效，充氣效率高，動力強勁 。 缺點 ：成本高，不便于保養(yǎng)維修，結構復雜 ，輸出不線性 。 應用 ：裝備柴油發(fā)動機的大型商用車，部分汽油發(fā)動機轎車，跑車 。 （ 3） 機械增壓 結構特點：機械增壓器與發(fā)動機曲軸相連，驅動力來自發(fā)動機本體 。 適用于：大排量發(fā)動機，在低轉速工況需要更高扭矩的車輛 。 優(yōu)點：工作高效，在發(fā)動機低轉速時就能獲得強勁的動力輸出。 缺點：結構復雜，成本較高，維修困難，輸出不線性，高轉速時無明顯效果。 應用：大排量轎車，跑車，尤以美國車為例。 FSAE 賽車按照規(guī)則采用 610cc 以下的小排量發(fā)動機，并以高轉速輸出見長，因此機械增壓方案首先被排除。 相比較而言， FSAE 賽車 多數(shù) 采上海工程技術大學 畢業(yè)設計（論文） FSAE 賽車進氣系統(tǒng)設計與分析 20 用小排量高轉速發(fā)動機 ，此次使用的 CBR600 F4i 就是此類典型的案例 ，故自然進氣和渦輪增壓為主要選擇方案 。 而渦輪增壓盡管為發(fā)動機提供了不少額外的動力，使其高效，但是同時也是發(fā)動機的工作環(huán)境更為惡劣，對于冷卻以及潤滑的要求大大提高，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。并且對于原本的自然進氣發(fā)動機F4i 而言，改裝成渦輪增壓需要降低其壓縮比，增加其噴油量，這對于原有的 ECU，則要做出相應的編程和標定，這對于我校車隊今年第一年使用本田 CBR600 F4i 這款發(fā)動機來說，工作量太大。故決 定先采用自然進氣為今年的方案，在實踐中累積經(jīng)驗，熟悉這款發(fā)動機的特性，在今后嘗試對發(fā)動機做更突破的改造。 圖 取自弗吉尼亞理工大學 2021 和 2021 兩年，分別使用自然進氣和渦輪增壓兩種方案后所做的發(fā)動機臺架試驗，以扭矩輸出曲線作對比 。 紅色曲線為 07 年自然進氣形式，藍色曲線為 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 07 與 08 年兩種進氣方式的扭矩輸出曲線對比 上海工程技術大學 畢業(yè)設計（論文） FSAE 賽車進氣系統(tǒng)設計與分析 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)動機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低的6000rpm 左右，而從 8000rpm 開始，增壓起到的效果并不明顯 。 當轉速超過 9000rpm 時，由于渦輪增壓器所導致的排氣不暢反而成為了發(fā)動機工作的拖累，扭矩輸出不及自然進氣。且在 5000rpm 之前可以看出有明顯的渦輪遲滯效應，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)動機常用轉速在 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，排除了今年使用強制進氣的方案，綜合其原因有，制造成本高，對發(fā)動機性能的不熟悉，對使用增壓后引起的惡劣工況的不確定，對 ECU 電控重新編程的沒把握等。發(fā)動機技術是一門試驗科學，對于本校，一支第二年參加 FSAE，第一年使用本田 CBR600 F4i 的車隊來說，要對發(fā)動機做大規(guī)模改進是非常冒險的，發(fā)動機性能的改進不僅僅基于理論計算和計算機模擬，長期的臺架試驗和整車測試才是真正驗證其改進成功與否的關鍵。 車隊 需要對這臺發(fā)動機足夠的經(jīng)驗和測試數(shù)據(jù)，在今后的賽季中，嘗試運用 渦輪增壓進氣 方式實現(xiàn)更高的發(fā)動機性能。但是，即便是自然進氣，仍然有有效的措施去削弱限流閥對進氣系統(tǒng)的負面影響。這就是利用文氏管原理，所設計的擴散器起到的作用。針對于限流閥將進氣系統(tǒng)的前端截面縮小至 20mm 口徑，利用流體動力學原理，擴散器則是有特定的理想錐角將截面積慢慢擴大，從而使限流閥的限制效果被相對削弱。此外，穩(wěn)壓腔的存在也充分提高了進氣效率，每個汽缸的工作上海工程技術大學 畢業(yè)設計（論文） FSAE 賽車進氣系統(tǒng)設計與分析 22 循環(huán)，本身是以脈沖的信號表現(xiàn)其進氣過程的，但是穩(wěn)壓腔將四個氣缸的進氣道相連，輪流給四個氣缸提供進氣，脈沖信號不直接響應到進氣系統(tǒng)前端，而是通過穩(wěn)壓腔內部的壓力變化 ，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，它吸入空氣的過程是連續(xù)的，則進氣效率也就是在此限制下最高的。 確定進氣系統(tǒng)材料與制造工藝 汽車進氣系統(tǒng)要求輕質，可靠，耐用，抗腐蝕 等特性。 現(xiàn)代汽車發(fā)動機大多采用工程塑料為進氣管的材質。 由于不同于排氣管需要耐高溫，進氣管不斷地在充入新鮮工質，不會產(chǎn)生高溫，塑料在這種情況下是非常好的選擇，因為既輕質，成本又低廉，并且形狀可塑性佳，造型自由度很高，且內壁容易做到很光滑 ，有利于氣體流動 。 然而， FSAE 賽車由于不是量產(chǎn)型車輛， 每一個零部件為其專門開模具 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，焊接完成整套進氣歧管。盡管鋁的幾何造型能力遠不如塑料，質量也不夠輕質，焊接的焊縫還會導致內壁不光滑，引起表面渦流，造成進氣損失，但是成本低廉，質量也相對其他金屬輕， 是低成本的最佳選擇 。 當然，如果預算充足，自然可以考慮使用塑料，甚至碳纖維去制作進氣歧管，勞倫斯理工大學 2021 年使用的就是塑料進氣歧管，單個制造可以使用快速成型機加工，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。 最高端的莫過于使用碳纖維制造進氣歧管，碳纖維的制造工藝其實基于塑料制造工藝，所以它具備塑料進氣歧管的幾何造型優(yōu)勢，但是相比塑上海工程技術大學 畢業(yè)設計（論文） FSAE 賽車進氣系統(tǒng)設計與分析 23 料更加輕質，堅硬，耐用。 圖 碳纖維進氣 歧管 半成品 綜合三種材質和工藝的優(yōu)缺點，最終決定使用成本最低的鋁材和焊接制作進氣歧管。 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，必須是機械式的，控制發(fā)動機負荷 。 常見的節(jié)氣門體分為三類：蝴蝶式，滑閥式及滑片式 。 上海工程技術大學 畢業(yè)設計（論文） FSAE 賽車進氣系統(tǒng)設計與分析 24 圖 三類節(jié)氣門體結構示意圖 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 ：結構簡單，成本低 ，工作可靠 。 缺點：由于蝴蝶片隨著節(jié)氣門開度增大，并不能完全隱藏，所以在大負荷工況下，相同內徑的進氣管，蝴蝶式節(jié)氣門體會造成微量的進氣損失。 （ 2） 滑閥式 優(yōu)點：怠速控制好，進氣損失小 。 缺點：結構復雜，隨著節(jié)氣門開度增大，通道截面變化因為其特性，所以截面增大量會在中段猛增，導致油門響應不夠線性，不利于操控。 上海工程技術大學 畢業(yè)設計（論文） FSAE 賽車進氣系統(tǒng)設計與分析 25 （ 3） 滑片式 優(yōu)點：進氣損失小 。 缺點：結構復雜，占空間 。 綜合上訴優(yōu)缺點，蝴蝶式節(jié)氣門體無論是 成本還是結構簡單程度上都比另兩者可取，且更利于拉索式控制機構匹配。所以最終選擇蝴蝶式節(jié)氣門體。 3 設定 進氣系統(tǒng) 各部件 基本參數(shù) 系統(tǒng) 參數(shù) 表 進氣 系統(tǒng)參數(shù) 參數(shù)名稱 參數(shù)值 發(fā)動機常用工況轉速 9000rpm 進氣道內徑 35mm 絕熱指數(shù) ? 氣體常數(shù) R 發(fā)動機排量 599cc 發(fā)動機常用轉速即為需要起到諧振效果的轉 速，絕熱指數(shù)和氣體常數(shù)為氣體固有參數(shù)，由于進氣系統(tǒng)為自然進氣，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，為發(fā)動機工作提供清潔的空氣，以至于避免不可燃顆粒和硬物進氣氣缸，對發(fā)動機造成損害。賽車上