【導讀】本論文以2021第二屆FSAE中國大學生方程式汽車大賽為設計背景，設計并且制造一輛方程式賽車的排氣系統(tǒng)。整個設計過程在滿足大賽規(guī)則。關鍵參數(shù)的計算和排氣管的布置方案；軟件Fluent進行排氣性能分析。工制作，并根據(jù)加工制作存在的問題，提出了排氣管設計的進一步意見?？?，總結(jié)了設計與制造過程匯總的經(jīng)驗和教訓。具有一定的工程價值。

　　

【正文】 造者的角度來看，排氣系統(tǒng)需要滿足的基本要求有：能走快速方便的制造；能夠與一個車系的的車適用；都夠快速安裝的車架上與發(fā)動機上；和其 它 部分干涉小，有足夠的間隙；發(fā)動機室溫度低；如果需要能夠給進氣預熱；耐久性好；可以接受的噪音水平；發(fā)動機低轉(zhuǎn)速的時候掃氣效果好，高轉(zhuǎn)速發(fā)動機動力損失小。 前面所述沒有考慮到要求的要求的優(yōu)先順序。有可能對于一個比賽排氣系統(tǒng)來說最后一條是最重要的，但是剩余的要求是重要的，一個設計者不能只考慮 發(fā)動機性能而忽略了其 它 的要求。 當然還有公認的對于一般發(fā)動機的重要要求，就是最大的動力?，F(xiàn)代發(fā)動機中對動力限制最大的就是節(jié)氣門。一部車大部分的行駛里程是在四分之一到五分之一的負荷下跑出的。最高速度很少使用，只有在空曠的大直路上使用。 然而，節(jié)氣門全開任然有一個需要考錄的地方；加速超車，在現(xiàn)在道路越來越堵的情況下更加重要了?，F(xiàn)在駕駛車輛是換擋越來越簡單了，特別是一些小發(fā)動機的轉(zhuǎn)速特征越來越好。比如，在三檔 50 英里每小時得時候節(jié)氣門全開是很好的超車方法。在這個情況下，額外的動力很難不被感受到，個別感受到是當 50 英里每小時發(fā)動機瞬時動力輸出大大好于 60或者 70 英里每小時。 上海工程技術大學畢業(yè)設計（論文） FSAE賽車排氣系統(tǒng)設計與分析 50 對設計的影響 除了需要最大動力和瞬間的反應比如當節(jié)氣門突然開啟，發(fā)動機為最高轉(zhuǎn)速的一半時，發(fā)動機的低轉(zhuǎn)速和平順性也不能被忽視?，F(xiàn)在發(fā)動機響應如蒸汽機一樣已近不在重要了，當發(fā)動機在低速的時候牽引力已近很流暢了，而且最高檔位是一個重要的賣點?？偟膩碚f大多數(shù)消費者任然希望得到一輛快速，靈活的車能夠在公路上有好的表現(xiàn)，而且燃燒均勻一旦發(fā)動機起來后。 感謝化油器的制造者和研究改進燃燒室設計和布局的人，現(xiàn)代發(fā)動機已經(jīng)能夠優(yōu)秀的符合這些要求。這并不讓人 驚訝所以如果汽車生產(chǎn)者已經(jīng)展示了似乎是過分保守的排氣系統(tǒng)布局，即使早就注意到可以讓發(fā)動機獲得更多的動力。那些正在注意到工廠要求的人并沒有 意識到一些圈外人若提供了可以做一些看上去簡單的改進方法。同時 不得不承認無論如何在近期為了消聲而產(chǎn)生的氣動力損失是不可避免的。任何減少這些動力損失的方法都會讓一個工程師患得患失。 由于工作循環(huán)清楚精確，似乎很從理論上難解釋為什么四沖程發(fā)動機再從怠速到最高轉(zhuǎn)速會發(fā)生運作不順暢，實際上眾所周知很少的發(fā)動機會在很低的轉(zhuǎn)速下怠速穩(wěn)定。而且一些小型高功率發(fā)動機趨向更高，甚至是大大超過以 前的轉(zhuǎn)速。這個問題經(jīng)常被歸結(jié)于名聲不好的化油器，這被歸因于不可能得到一個合適每個工況的油氣混合比例，怠速往往給犧牲了，顯然優(yōu)秀的中高速表現(xiàn)和加速，和怠速的轉(zhuǎn)速范圍。實際上混合氣來源于節(jié)氣門，從燃燒的角度來看，在整個發(fā)動機轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)空燃比是做了很多妥協(xié)的。最大的困難就是要知道混合氣題在進入汽缸前，到底是怎么一回上海工程技術大學畢業(yè)設計（論文） FSAE賽車排氣系統(tǒng)設計與分析 51 事情。 1． 3 控制混合氣 做 為輔助，觀察簡單二沖程發(fā)動機：這種發(fā)動機在低負載的時候有著讓人討厭的不規(guī)則運轉(zhuǎn)特性。而且這種特性很難改變，因為必須一邊吸入新鮮空氣，一邊排放廢氣。所以不可避免的讓新鮮的混合氣 點不著火以至于發(fā)動機運轉(zhuǎn)不流暢 . 那些對二沖程發(fā)動機感到可笑的人也許會認為四沖程發(fā)動機也許接受不了四沖程發(fā)動機也有類似的毛病。事實上有一些設計上的特點也會導致運行不流暢，比如最主要就是氣門正時，這會影響到發(fā)動機混合氣干凈與否。理論上由于活塞從上行轉(zhuǎn)換到下行配合氣門運作，排氣沖程和吸氣沖程被很好的隔絕了，然而要知道排氣和進氣之間的轉(zhuǎn)換非常短， 它 的時間比活塞的行程頂部所處的時間少，而在 3000 轉(zhuǎn)每分鐘的時候這個時間只有兩千分之一秒。 只要想想氣門的運作過程就知道要想防止混合氣被改變，只要在活塞上止點關閉氣門在活 塞下行之前利馬打開進氣門。這個設計氣門相位的方法被用在側(cè)邊氣門時代的發(fā)動機上，那種發(fā)動機的燃燒室是很薄的一層而且壓縮比在 4 比 1 左右。然而，很明顯由于活塞在達到上止點前速會變得很慢，所以廢氣的動能很小，如果排氣門在活塞達到頂點的時候就關閉的話會有廢氣殘留在燃燒室中。 第六章 多缸發(fā)動機的排氣系統(tǒng) 上海工程技術大學畢業(yè)設計（論文） FSAE賽車排氣系統(tǒng)設計與分析 52 多缸發(fā)動機 的個氣缸顯然均可想單獨的管子排氣，因此問題實質(zhì)上與單缸發(fā)動機相同，而后者已在前一章中討論過了。這通常是指賽車發(fā)動機。對于賽車，常采用等截面管子以免采用多級膨脹室體積龐大，這樣的限制是很不希 望的，應為摩托賽車制造廠在四缸和六缸機上裝單獨的膨脹室仍設法獲得了組的轉(zhuǎn)彎間隙。 大多數(shù)多缸機總是把排氣管合并形成為數(shù)較少的排氣尾管（多半是一根或者兩根）。這樣不但在布置上有明顯的優(yōu)點，而且減少了所需要的消聲器的數(shù)量，提高了通過每個消聲器的脈沖頻率。一般來說，頻率高一點容易被吸收。在回合兩根排氣尾管的情況下，應使匯合到每根排氣管的的各缸具有均勻的發(fā)貨間隔。 “分支”系統(tǒng)與單根排氣管相比，發(fā)動機充氣效率的確差，但已近研制了一些極為有效的分支排氣管系統(tǒng)，在這種系統(tǒng)中，通向通向同一根排氣總管的各缸壓力波之間的干涉 在一定的發(fā)動機轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)得到良好的利用。 大量生產(chǎn)的汽車發(fā)動機往往把所有排氣通氣道都直接引到一根價格便宜的鑄鐵排氣歧管中區(qū)，然后再從此歧管一個單獨的排氣尾管和消聲系統(tǒng)中去。如果換上經(jīng)專門研制的排氣分支系統(tǒng)，這類發(fā)動機的性能就會得到改善，這是管道接頭之間的長度是針對具體發(fā)動機的配氣相位用式湊法決定的。 上海工程技術大學畢業(yè)設計（論文） FSAE賽車排氣系統(tǒng)設計與分析 53 以前的全部分析均假設氣體的流動為一維流動，也即脈動沖波經(jīng)過管道時，它的前鋒為平面，而且只有當脈沖波順著管子運動時才會發(fā)生壓力變化，不存在徑向壓力變化。遺憾的是其通過管接頭時與一維流動 相差很遠，同時在管道接頭處想為特征線法來確定簡單的邊界條件也非常困難。Deccker 等對氣流用過簡單的管道接頭是的情況作了實驗研究。圖 根據(jù)它們的實驗結(jié)果，表明了一個壓縮波前鋒經(jīng)過 90176。彎管接頭是的不同流動階段。 在直觀上，人們與子輸入的壓縮波一分為二流入兩個出口支管中，并且氣流在管道接頭處應斷面積怎大而發(fā)生膨脹。向向進口上游反射一個稀疏波。圖 表示入射波前鋒以輻射狀向主管和旁側(cè)管擴展，同時所希望的稀疏波部分的返回到上游。但是在 b 的情況下，壓縮波從管角 A 反射回來，不僅一部分進入到兩個出口支管中去， 而且還不分的返回到管道上游。圖 C 表示氣流進一步演變發(fā)展的情況，此時除了預期的壓縮波向下游運動之外，還有一個“意外的”壓縮波又返回上游。如果氣流在進入管道中發(fā)生超音速，則此波的上游部分會固定在管道接頭處，這將在下游影子很大的紊流。 由 DUNSTALL 在市場上出售了一種新的排氣系統(tǒng)，它采用一根特別設計的支管，使雙缸四沖程摩托車發(fā)動機的功率有了明顯提高。汽缸的兩根排氣管在靠近曲軸箱底部連成一根直徑與原來相同的管子，穿過發(fā)動機下面。這根管子在后輪之前由分成為兩根直徑較大的管子，每根管子 都通過上海工程技術大學畢業(yè)設計（論文） FSAE賽車排氣系統(tǒng)設計與分析 54 小錐度的錐形器擴散器，在其內(nèi)部裝上了消聲元件。該系統(tǒng)的工作情況可做定性說明如下圖 點 A 因流動面積怎大而膨脹；同時向打開著的排氣門反射回去一個小的稀疏波，是哪里略微減壓。當前進著的波峰達到分支 B 時，氣流氣流由于管子直徑的增大進一步膨脹。此波返回后繼續(xù)使開啟著的排氣門處減壓。最初的壓縮波也會從其它各缸尚未關閉著的排氣門處反射回來，成為為另一個壓縮波但應為改波為波峰的一部分，所以較弱。住壓縮波繼續(xù)前進，并在兩個消聲器的擴散管中的膨脹；因此進一步延長了返回來的稀 疏波。 發(fā)動機在高速時，返回的稀疏波來不及在排氣門關閉以前到達，但在中速下，稀疏波將對開啟著的氣門處逐步減壓帶來顯著的有利影響，它將有助于氣門重疊期間（進排氣門都為未開啟著）廢氣的排出和新充量的錄入。發(fā)動機在大部分轉(zhuǎn)速下，功率都有顯著的提高，但最明顯到是在 4599轉(zhuǎn) /分鐘時。 目前在摩托車上所通用的做法是在曲軸箱前面，二缸和三缸發(fā)動機的分開式排氣管之間裝一根橫管，以使中速范圍內(nèi)的功率有所提高。這種做法的原理與上述相類似但沒有與流入相應的消聲器作為最后膨脹相對應的東西。 還有一種排氣系統(tǒng)方案用于本田四缸發(fā)動機 。在該發(fā)動機上，四根排氣管都與一根公共的排氣管相接，后者再分成兩根管子與錐形消聲器相連接。這樣一來，在轉(zhuǎn)速為 5000 到 6000 轉(zhuǎn) /分鐘內(nèi)能多發(fā)出 10 馬力。 這種非常成功的分支排氣系統(tǒng)為今后設計開創(chuàng)了很好的先列。 分支 排氣管系統(tǒng)對于賽車發(fā)動機來說已大顯神通。目前成功的 V8 發(fā)上海工程技術大學畢業(yè)設計（論文） FSAE賽車排氣系統(tǒng)設計與分析 55 動機就其排氣管而言與兩個四個氣缸發(fā)動機相同。它每列四個缸的四根排氣管風別經(jīng)最佳的管長后連接成兩對排氣管，再把兩對排氣管合并成為單獨一根排氣管，或者把四根排氣管直接與一根單獨尾管，當然街頭建后的管長都是最佳的。在前一種由四管相連接成兩管，在再 由兩管匯成單管的情況下，從汽缸出來的壓縮波在每個接頭處進行膨脹，并在管子開口端做最后膨脹之前想排氣口返回兩個稀疏波。在中等轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，這樣適時的逐漸減壓顯著的有利于充量的流入和獲得良好的扭矩特性。在高速下，第二次減壓來的太晚。為了在高速下得到較大的久居，采用另一種四管直接匯成單管的結(jié)構，這樣就能得到一個大而快的稀疏波。但是中等轉(zhuǎn)速下第二次減壓的好處就消失了，特別在氣門重疊期間。所以必須在良好的扭矩特性或最大功率之間做出選擇。雖然目前的計算機技術可以用來設計這種四缸機發(fā)動機的分支排氣系統(tǒng)，但大多數(shù)常用的系統(tǒng)都 是用式湊發(fā)研制而成的。顯然，再多分支系統(tǒng)中，波動作用的復雜性以及壓縮波和稀疏波之間的所有相互關系都需要做專門分析。以上這些定性討論實在過于簡單化了。 第 七 章 氣門和氣道的設計 在 第一章中曾提到，設計進排氣系統(tǒng)的主要目的之一，在于以最小的泵氣功來最大限度地提高進氣終了時留在發(fā)動機氣缸內(nèi)充量得純度和密上海工程技術大學畢業(yè)設計（論文） FSAE賽車排氣系統(tǒng)設計與分析 56 度。如果流通系統(tǒng)中每個單元都設計成阻力為最小，而又不影響其它的職能，就顯然有利于達到上訴目的。在整個流動系統(tǒng)中，首先要注意那些阻力最大的部分，這往往是汽缸中的進排氣開口處，不管采用菌形氣門，還是采用 活塞控制的氣口。 在實際的充量更換過程中，開啟面積不斷變化。在此過程的任一瞬間時，通過每個開啟面積的流量取決于汽缸與緊靠汽缸的管道之間的壓差。一般，這些壓力也是不斷變化的。此條件下，要進行測量以決定通道的流動性質(zhì)和進行詳細的研究都比較困難。幸而，從在無需運轉(zhuǎn)運轉(zhuǎn)著的發(fā)動機的實驗設備上進行的簡單得多的觀察中可以得出很有用的結(jié)論。在這種試驗設備上，流量與壓差的關系是在固定的參數(shù)（或固定氣門升程，或固定活塞位置）下，用通過開口處的穩(wěn)定流動來進行研究的。如假定運轉(zhuǎn)著的發(fā)動機上每一瞬間的流與量與在和它相同的開啟面積及 相同的壓差條件下以穩(wěn)定氣流測得的流量相等，則它實際能達到總流量通常是可以計算的很精確的。即使發(fā)現(xiàn)絕對數(shù)值有分歧，但為了減少穩(wěn)流阻力而做的改進任將改善發(fā)動機的性能。 對受活塞控制的氣口來說，可提供的最大開口集合面積取決于所需要的氣口開閉定時、氣口在缸套圓周上能占據(jù)的百分比，以及一些力學上的考慮。例如當活塞環(huán)通過氣口時，允許它不接觸缸套部分的長度等等。充量更換期間的面積變化取決于幾何關系。菌形氣門的最大開啟面積主要受燃燒室設計（影響到氣門頭部直徑）以及氣門機構力學考慮的影響。最后還是在氣門開啟期間實際可行的開始 面積隨時間變化規(guī)律的主要影響因素。無論是前者還是后者，為了減少阻力，都需要最大限度地利用在每一上海工程技術大學畢業(yè)設計（論文） FSAE賽車排氣系統(tǒng)設計與分析 57 開度下的有限面積。在理想上，氣體應以相同的速度流過全部的開啟面積。但在實際上，這種理想情況是不可能實現(xiàn)的，而只能盡可能地接近它，以便在任何情況下都獲得最大的流量系數(shù)。當然在這樣做時，進氣系統(tǒng)的其它作用一定不能忽略不計。由進氣門或氣口所建立起來的流型也許對燃燒過程有重要的影響，因此燃燒過程對流行提出的要求以及減少流動阻力的要求兩者之間往往必須找到一種折中方案。 上海工程技術大學畢業(yè)設計（論文） FSAE賽車排氣系統(tǒng)設計與分析 58 原文說明 題名： Scientific design of exhaustamp。intake systems 作者： Philip ,John 來源： Bentldy Publishers 上海工程技術大學畢業(yè)設計（論文） FSAE賽車排氣系統(tǒng)設計與分析 1