【正文】 intake systems作者：Philip ,John 來源： Bentldy Publishers。由進(jìn)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(dòng)阻力的要求兩者之間往往必須找到一種折中方案。但在實(shí)際上，這種理想情況是不可能實(shí)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)。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開度下的有限面積。菌形氣門的最大開啟面積主要受燃燒室設(shè)計(jì)（影響到氣門頭部直徑）以及氣門機(jī)構(gòu)力學(xué)考慮的影響。例如當(dāng)活塞環(huán)通過氣口時(shí)，允許它不接觸缸套部分的長度等等。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(jìn)任將改善發(fā)動(dòng)機(jī)的性能。在這種試驗(yàn)設(shè)備上，流量與壓差的關(guān)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(dòng)來進(jìn)行研究的。此條件下，要進(jìn)行測量以決定通道的流動(dòng)性質(zhì)和進(jìn)行詳細(xì)的研究都比較困難。在此過程的任一瞬間時(shí)，通過每個(gè)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。在整個(gè)流動(dòng)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(jìn)排氣開口處，不管采用菌形氣門，還是采用活塞控制的氣口。第七章氣門和氣道的設(shè)計(jì)在第一章中曾提到，設(shè)計(jì)進(jìn)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(jìn)氣終了時(shí)留在發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸內(nèi)充量得純度和密度。顯然，再多分支系統(tǒng)中，波動(dòng)作用的復(fù)雜性以及壓縮波和稀疏波之間的所有相互關(guān)系都需要做專門分析。所以必須在良好的扭矩特性或最大功率之間做出選擇。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(gòu)，這樣就能得到一個(gè)大而快的稀疏波。在中等轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，這樣適時(shí)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。它每列四個(gè)缸的四根排氣管風(fēng)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(dú)一根排氣管，或者把四根排氣管直接與一根單獨(dú)尾管，當(dāng)然街頭建后的管長都是最佳的。分支排氣管系統(tǒng)對于賽車發(fā)動(dòng)機(jī)來說已大顯神通。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。還有一種排氣系統(tǒng)方案用于本田四缸發(fā)動(dòng)機(jī)。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(dòng)機(jī)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。發(fā)動(dòng)機(jī)在高速時(shí)，返回的稀疏波來不及在排氣門關(guān)閉以前到達(dá)，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(jìn)排氣門都為未開啟著）廢氣的排出和新充量的錄入。最初的壓縮波也會(huì)從其它各缸尚未關(guān)閉著的排氣門處反射回來，成為為另一個(gè)壓縮波但應(yīng)為改波為波峰的一部分，所以較弱。當(dāng)前進(jìn)著的波峰達(dá)到分支B時(shí)，氣流氣流由于管子直徑的增大進(jìn)一步膨脹。這根管子在后輪之前由分成為兩根直徑較大的管子，每根管子都通過小錐度的錐形器擴(kuò)散器，在其內(nèi)部裝上了消聲元件。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(shè)計(jì)的支管，使雙缸四沖程摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)的功率有了明顯提高。圖C表示氣流進(jìn)一步演變發(fā)展的情況，此時(shí)除了預(yù)期的壓縮波向下游運(yùn)動(dòng)之外，還有一個(gè)“意外的”壓縮波又返回上游。同時(shí)所希望的稀疏波部分的返回到上游。在直觀上，人們與子輸入的壓縮波一分為二流入兩個(gè)出口支管中，并且氣流在管道接頭處應(yīng)斷面積怎大而發(fā)生膨脹。表明了一個(gè)壓縮波前鋒經(jīng)過90176。遺憾的是其通過管接頭時(shí)與一維流動(dòng)相差很遠(yuǎn)，同時(shí)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。如果換上經(jīng)專門研制的排氣分支系統(tǒng)，這類發(fā)動(dòng)機(jī)的性能就會(huì)得到改善，這是管道接頭之間的長度是針對具體發(fā)動(dòng)機(jī)的配氣相位用式湊法決定的?！胺种А毕到y(tǒng)與單根排氣管相比，發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)得到良好的利用。一般來說，頻率高一點(diǎn)容易被吸收。大多數(shù)多缸機(jī)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）。這通常是指賽車發(fā)動(dòng)機(jī)。然而，很明顯由于活塞在達(dá)到上止點(diǎn)前速會(huì)變得很慢，所以廢氣的動(dòng)能很小，如果排氣門在活塞達(dá)到頂點(diǎn)的時(shí)候就關(guān)閉的話會(huì)有廢氣殘留在燃燒室中。只要想想氣門的運(yùn)作過程就知道要想防止混合氣被改變，只要在活塞上止點(diǎn)關(guān)閉氣門在活塞下行之前利馬打開進(jìn)氣門。事實(shí)上有一些設(shè)計(jì)上的特點(diǎn)也會(huì)導(dǎo)致運(yùn)行不流暢，比如最主要就是氣門正時(shí)，這會(huì)影響到發(fā)動(dòng)機(jī)混合氣干凈與否。而且這種特性很難改變，因?yàn)楸仨氁贿呂胄迈r空氣，一邊排放廢氣。最大的困難就是要知道混合氣題在進(jìn)入汽缸前，到底是怎么一回事情。這個(gè)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(gè)合適每個(gè)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。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(dòng)機(jī)再從怠速到最高轉(zhuǎn)速會(huì)發(fā)生運(yùn)作不順暢，實(shí)際上眾所周知很少的發(fā)動(dòng)機(jī)會(huì)在很低的轉(zhuǎn)速下怠速穩(wěn)定。同時(shí)不得不承認(rèn)無論如何在近期為了消聲而產(chǎn)生的氣動(dòng)力損失是不可避免的。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(dòng)機(jī)獲得更多的動(dòng)力?？偟膩碚f大多數(shù)消費(fèi)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(dòng)機(jī)起來后。 對設(shè)計(jì)的影響除了需要最大動(dòng)力和瞬間的反應(yīng)比如當(dāng)節(jié)氣門突然開啟，發(fā)動(dòng)機(jī)為最高轉(zhuǎn)速的一半時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的低轉(zhuǎn)速和平順性也不能被忽視。比如，在三檔50英里每小時(shí)得時(shí)候節(jié)氣門全開是很好的超車方法。然而，節(jié)氣門全開任然有一個(gè)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。一部車大部分的行駛里程是在四分之一到五分之一的負(fù)荷下跑出的。當(dāng)然還有公認(rèn)的對于一般發(fā)動(dòng)機(jī)的重要要求，就是最大的動(dòng)力。前面所述沒有考慮到要求的要求的優(yōu)先順序。參考文獻(xiàn)[1] [M].北京:清華大學(xué)出版社,2001.[2] [M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,1989.[3] 朱紅鈞，林元華， 12 流體分析及工程仿真[M].北京:清華大學(xué)出版社,2011.[4] (設(shè)計(jì)篇)[M].北京:人民交通出版社,2001.[5] 朱紅鈞，林元華，謝龍漢. Fluent 流體分析及工程仿真實(shí)用教程[M]. 北京:人民郵電出版社,2010.[6] 黃鍵,林曉輝,[J].福州大學(xué)學(xué)報(bào),2010，38（1）:8185.[7] Philip ,John . Scientific design of exhaustamp。而本次賽車的設(shè)計(jì)過程是先完成了車架設(shè)計(jì)和加工后才開始排氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)，所以限制了排氣系統(tǒng)的布置空間。而且考慮到加工工藝，減少彎管也是很有好處的。在確定好這兩個(gè)最重要的參數(shù)后就是盡量減低排氣阻力。總的來講，本次工程設(shè)計(jì)著重考慮了諧振效應(yīng)和新的工藝在FSAE賽車上的運(yùn)用，為日后制造排氣系統(tǒng)留下的寶貴的經(jīng)驗(yàn)。（1）根據(jù)排氣管設(shè)計(jì)的要求，選擇排氣管的設(shè)計(jì)思路，完成排氣管關(guān)鍵參數(shù)的計(jì)算和排氣管的布置方案；（2） 使用CATIA軟件完成排氣系統(tǒng)的三維建模，并導(dǎo)入有限元分析軟件Fluent進(jìn)行排氣性能分析。由于FSAE比賽課賽車排氣系統(tǒng)的特殊性，在設(shè)計(jì)和加工階段解決了許多從來沒有遇見的困難，使用了許多在平時(shí)教學(xué)和民用車設(shè)計(jì)中很少見的工藝和方法。另外還可以在集合器中加入導(dǎo)流星形塊替代星形片，讓氣流更加順暢。減少彎曲段得數(shù)目，焊縫也就自然少了。設(shè)計(jì)中之所以會(huì)讓集合器在和發(fā)動(dòng)機(jī)這么近的距離，是由于總布置中防火墻和油箱的布置沒有給排氣系統(tǒng)留下足夠的空間。而在這種彎曲半徑很小的預(yù)彎管很難買到。而在排氣歧管設(shè)計(jì)階段就發(fā)現(xiàn)排氣歧管的彎曲段得多少是和歧管終端在集合器上面如何布置有關(guān)的。 改進(jìn)方案改進(jìn)設(shè)計(jì)方案時(shí)，應(yīng)該尋找造成缺陷的原因?？偟膩碇v：（1）歧管彎曲多，排氣損失大；（2）歧管拼接焊縫太多，加工難度大，精度低，排氣阻力大。比如4號歧管彎曲的次數(shù)過多導(dǎo)致制造麻煩，而且由于焊接段數(shù)多讓排氣歧管內(nèi)的焊縫曾多，排氣阻力變大，更重要的是在制造的時(shí)候由于焊縫過多導(dǎo)致加工精度下降，裝配困難。6 改進(jìn)方案 設(shè)計(jì)方案缺陷分析本次排氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)最主要的工作就是排氣歧管的設(shè)計(jì)和制造，由于集合器和消聲器是選型購買而來，所以改進(jìn)余地不大。 1號排氣歧管壓力云圖 3號排氣歧管壓力云圖從壓力云圖中可以看出在排氣歧管的頭部特別是氣流沖擊的彎管背部有著很高的壓力，壓力隨著歧管長度的增加顯著變小，+05Pa。以下為分析結(jié)果： 1號排氣歧管速度云圖從速度云圖可以看出排氣氣流在管道中流動(dòng)順暢只是在彎管出有比較高的流速。壁面定義為光滑，恒定。邊界條件設(shè)定為，壓力入口（Pressure inlet）。s112464. 14e 05 1號排氣歧管網(wǎng)格劃分 3號排氣歧管網(wǎng)格劃分 排氣氣流云圖分析首先將Gambit中輸出的mesh文件導(dǎo)入Fluent，選用3D單精度模擬，定義求解器為以絕對壓力為基礎(chǔ)，流體材質(zhì)為煙氣。K1μ/kgK1λ/Wm3Cp /J假定流場內(nèi)的氣體為煙氣，忽略配氣相位角以及管道內(nèi)其它壓力波對流場得影響，氣體流動(dòng)為可壓縮、非定常流動(dòng)模型，進(jìn)出口邊界條件均采用壓力邊界條件，溫度為1000K,，溫度為700K，其余為壁面邊界條件，因?yàn)闅怏w流動(dòng)速度很快，可以假定壁面是絕熱的，選擇三維單精度求解器進(jìn)行計(jì)算如圖。反之，流體質(zhì)點(diǎn)相互摻混做無序的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)，此時(shí)的流動(dòng)狀態(tài)稱為湍流。而非定常流動(dòng)（又稱非穩(wěn)定流域或非恒定流）中至少有一個(gè)運(yùn)動(dòng)要素隨時(shí)間變化。（2） 定常流動(dòng)與非定常流動(dòng)按流動(dòng)要素是否隨時(shí)間變化，可以將流體流動(dòng)分為定常流動(dòng)與非定常流動(dòng)。而氣體分為低速氣體（V＜50m/s）和高速氣體（V＞50m/s），低速氣也可視為不可壓縮流體，這是由于低速氣體的壓力和溫度在整個(gè)流動(dòng)過程中變化很小，重度和密度變化也很小，可以近似看成常數(shù)。密度隨壓強(qiáng)變化較大且不可視為常數(shù)的流體，稱為可壓縮流體；反之，密度隨壓強(qiáng)變化很小且可視為常數(shù)的流體稱為不可壓縮流體。而fluent作為一款很流行的CFD軟件很適合用來分析排氣系統(tǒng)的氣流。雖然伯努利等人在經(jīng)典理論上的貢獻(xiàn)讓流體力學(xué)有了比較完備的理論基礎(chǔ)，但是在實(shí)際運(yùn)用中有很多問題是沒有解析解，只有靠計(jì)算機(jī)用數(shù)值方法計(jì)算近似值。根據(jù)此公式對消聲器容積進(jìn)行計(jì)算得到消聲器體積為：?？墒腔旧蟻碚f所有設(shè)計(jì)都會(huì)使用膨脹腔原理，而膨脹腔的容積大小直接影 響到消聲效果，所以在選型的時(shí)候主要就是更具效應(yīng)器的體積來選擇的，更具經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)消聲器的容積與發(fā)動(dòng)機(jī)的排量之比應(yīng)該在3～4之間。這種消音器由于是直通的阻力極低，而且結(jié)構(gòu)簡單重量輕，缺點(diǎn)就是消音棉容易被燒蝕，影響使用壽命，價(jià)格貴。不是很適合賽車對排氣性能的追求，所以在賽車上多運(yùn)用直通式。 普通消聲器 消聲器內(nèi)部構(gòu)造這種消聲器主要靠膨脹箱和共振器協(xié)同消聲，當(dāng)廢氣在管道中流過的時(shí)候會(huì)氣體膨脹，流速降低進(jìn)而降低脈沖，從膨脹腔進(jìn)入下一個(gè)管道的時(shí)候又會(huì)被壓縮，相當(dāng)于受到了阻擾排氣脈動(dòng)又降低了，而且在其中一個(gè)腔室通的通道會(huì)設(shè)計(jì)成管壁上開有小孔，這樣就變成了共振腔了，排氣脈沖進(jìn)一步降低。但這種消聲器增大了排氣壓力損失，與降低噪聲相比是得不償失的。 消聲器設(shè)計(jì)根據(jù)消聲器的原理，目前常見的有三種消聲器的方案可供選擇。缺點(diǎn)就是貴，焊縫多，熱影響區(qū)域比較多。 沖壓彎折成型集合器 星形片第二種便是焊接成形。缺點(diǎn)就是材料厚度不一，形狀不準(zhǔn)。第一種就是用整塊板材沖壓彎折后焊接成形。： 排氣歧管（1） 排氣歧管（4） 集合器設(shè)計(jì)與工藝分析集合器由于要和排氣歧管焊接在一起，所以材料選擇必須和歧管一直，以便焊接。使用夾具固定好四個(gè)歧管。 排氣歧管歧管焊接完畢后就是把每個(gè)歧管和集合器焊接在一起。 專用畫線工具根據(jù)所需的尺寸加工出合適的管材。 歧管制造過程分析。 預(yù)彎管 彎管規(guī)格參數(shù)在材料選擇方面市面上有304不銹鋼、中碳鋼、鈦合金三種材料選擇，其中鈦合金重量最、輕導(dǎo)熱系數(shù)低是最理想的材料，可惜由于價(jià)格昂貴焊接工藝特殊所以首先排除。 彎管模具 運(yùn)用這種芯棒彎管工藝對設(shè)計(jì)最大的一個(gè)影響便是這種工藝需要用到模具，所以在實(shí)際的工程運(yùn)用中這種彎管都是事先由專業(yè)工廠以一定的規(guī)格制造完成，銷售給需要使用的客戶（）。(2)在彎曲成型力P1 作用的同時(shí), 管件軸向施以拉伸力P2和防皺支承3, 由此產(chǎn)生的拉應(yīng)力應(yīng)不小于由于彎曲成型產(chǎn)生的彎曲壓縮區(qū)的壓應(yīng)力, 以平衡壓應(yīng)力, 消除彈性失穩(wěn), 避免管件波折, 從而解決起皺問題。這就產(chǎn)生了截面積的收縮。 彎管變形鋼管彎曲成型時(shí), 其外側(cè)受拉應(yīng)力作用而產(chǎn)生彈、塑性變形伸長, 由于彎曲的薄壁鋼管相對拉伸量較大, 而管件往往剛性較差, 導(dǎo)致材料在還沒有充分完成切向塑性延伸時(shí)產(chǎn)生徑向剪切屈服, 即, 造成法向塑性位錯(cuò)( 變形) 而呈現(xiàn)宏觀“坍塌”, 即產(chǎn)生壓扁現(xiàn)象。在工程實(shí)踐中, 對薄壁鋼管進(jìn)行彎曲時(shí)極易造成彎曲成型的嚴(yán)重變形內(nèi)側(cè)顯著起皺, 外側(cè)沿彎曲中心明顯壓扁, 其截面形狀由彎曲前的圓形變成彎曲后的扁平形, 并且截面積也顯著收縮,。正好符合了FSAE賽車對排氣系統(tǒng)的要求。 鑄造排氣管賽車排氣管多用金屬管彎曲成形、焊接工