【正文】 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） FSAE賽車排氣系統(tǒng)設(shè)計與分析 58 原文說明 題名： Scientific design of exhaustamp。當(dāng)然在這樣做時，進氣系統(tǒng)的其它作用一定不能忽略不計。在理想上，氣體應(yīng)以相同的速度流過全部的開啟面積。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。充量更換期間的面積變化取決于幾何關(guān)系。 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(xué)上的考慮。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。幸而，從在無需運轉(zhuǎn)運轉(zhuǎn)著的發(fā)動機的實驗設(shè)備上進行的簡單得多的觀察中可以得出很有用的結(jié)論。一般，這些壓力也是不斷變化的。 在實際的充量更換過程中，開啟面積不斷變化。如果流通系統(tǒng)中每個單元都設(shè)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。以上這些定性討論實在過于簡單化了。雖然目前的計算機技術(shù)可以用來設(shè)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。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。在高速下，第二次減壓來的太晚。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。目前成功的 V8 發(fā)上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） FSAE賽車排氣系統(tǒng)設(shè)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。 這種非常成功的分支排氣系統(tǒng)為今后設(shè)計開創(chuàng)了很好的先列。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。這種做法的原理與上述相類似但沒有與流入相應(yīng)的消聲器作為最后膨脹相對應(yīng)的東西。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。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。此波返回后繼續(xù)使開啟著的排氣門處減壓。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。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。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。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。向向進口上游反射一個稀疏波。彎管接頭是的不同流動階段。Deccker 等對氣流用過簡單的管道接頭是的情況作了實驗研究。 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） FSAE賽車排氣系統(tǒng)設(shè)計與分析 53 以前的全部分析均假設(shè)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(dāng)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。 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。在回合兩根排氣尾管的情況下，應(yīng)使匯合到每根排氣管的的各缸具有均勻的發(fā)貨間隔。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。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(yīng)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(shè)法獲得了組的轉(zhuǎn)彎間隙。 第六章 多缸發(fā)動機的排氣系統(tǒng) 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） FSAE賽車排氣系統(tǒng)設(shè)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。這個設(shè)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。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。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(rèn)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。 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(fù)載的時候有著讓人討厭的不規(guī)則運轉(zhuǎn)特性。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。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。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。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。 感謝化油器的制造者和研究改進燃燒室設(shè)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。現(xiàn)在發(fā)動機響應(yīng)如蒸汽機一樣已近不在重要了，當(dāng)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。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(dāng) 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?，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。最高速度很少使用，只有在空曠的大直路上使用?，F(xiàn)代發(fā)動機中對動力限制最大的就是節(jié)氣門。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(shè)計者不能只考慮 發(fā)動機性能而忽略了其 它 的要求。intake systems, [M]. Ohio: UpperSaddle River,New Jersey Columbus,2021. [8] Smith, To Win[M]. Aero Publishers 1978. [9] 陳家瑞 .汽車構(gòu)造 [M] .北京 :人民交通出版社 ,2021. [10] 吉林工業(yè)大學(xué)內(nèi)燃教研室 .內(nèi)燃機理論與設(shè)計上冊 [M].北京 :機械工業(yè)出版社 ,1975. [11] , .內(nèi)燃機中的氣體流動 [M].北京 :中國農(nóng)業(yè)機械出版社 ,1988. [12] 龐劍 ,諶剛 ,何華 .汽車噪聲與震動 :理論與應(yīng)用 [M].北京 :北京理工大學(xué)出版社 ,2021. [13] 顧伯良等譯 .BOSCH 汽車工程手冊 [M].北京 : 北京理工大學(xué)出版社 ,2021. [14] 汽車工程手冊編輯委員會 .汽車工程手冊 (設(shè)計篇 )[M]. 北京 :人民交通出版社 ,2021. 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） FSAE賽車排氣系統(tǒng)設(shè)計與分析 49 譯 文 第一章 基本知識 基本要求 作為一輛車的機械部件之一，從制造者的角度來看，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(yù)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。 如果在賽車設(shè)計初期能夠較早考慮排氣系統(tǒng)的布置，給予足夠的空間就能大大提設(shè)計出來的排氣系統(tǒng)整上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） FSAE賽車排氣系統(tǒng)設(shè)計與分析 47 體的整體性能和工藝性。 總結(jié)設(shè)計過程，在減少彎曲方面限制最大的就是留給排氣系統(tǒng)的空間不夠。 而根據(jù) 計算和 fluent 分析可知排氣氣流在歧管中遇到最大阻力的便是在彎管處，所以減小彎管是設(shè)計很重要的一個方法。 建議 如前文所述排氣系統(tǒng)的設(shè)計最主要的就是 讓排氣系統(tǒng)更加順暢，而諧振原理的運用最重要的就是計算好合適的排氣歧管管徑和長度。分析結(jié)果表明，所設(shè)計的排氣系統(tǒng)能夠滿足 FSAE 賽車的要求； （ 3）根據(jù)所設(shè)計的排氣管參數(shù)，輸出工程圖紙，完成了排氣管的加工制作，并根據(jù)加工制作存在的問題，提出了排氣管設(shè)計的進一步意見。 本文主要 工作 是完成了賽車排氣系統(tǒng)的參數(shù)的設(shè)計計算，排氣系統(tǒng)的性能分析和排氣管的加工制作。 圖 導(dǎo)流星形塊 圖 導(dǎo)流星形塊 7 總 結(jié) 和建議 總結(jié) 本次 排氣系統(tǒng)設(shè)計是一 FSAE 大賽為背景，以實際制造出一套符合比賽規(guī)則，適合比賽車輛，性能優(yōu)良的排氣系統(tǒng)為目的。 另外還可以在集合器中加入導(dǎo)流星形塊替代星形片，讓氣流更加順上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） FSAE賽車排氣系統(tǒng)設(shè)計與分析 45 暢。 這樣便可以使用圖 的布置方案，減少彎曲段得數(shù)目，焊縫也就自然少了。設(shè)計中之所以會讓集合器在和發(fā)動機這么近的距離，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，而彎曲程度最少的方案是圖 的布置方案。 改進方案 改進設(shè)計方案 時，應(yīng)該尋找 造成缺陷的原因。 總的來講： （ 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，上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） FSAE賽車排氣系統(tǒng)設(shè)計與分析 44 更重要的是在制造的時候由于焊縫過多導(dǎo)致加工精度下降，裝配困難。 6 改進方案 設(shè)計方案缺陷分析 本次排氣系統(tǒng)設(shè)計 最主要的工作就是排氣歧管的設(shè)計和制造，由于集合器和消聲器是選型購買而來，所以改進余地不大。 圖 1 號排氣歧管壓力云圖 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） FSAE賽車排氣系統(tǒng)設(shè)計與分析 43 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 ，最高速+05Pa。 以下為分析結(jié)果： 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） FSAE賽車排氣系統(tǒng)設(shè)計與分析 42 圖 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）由 正對于排 氣口截面的 標(biāo)準(zhǔn)大氣壓為進氣壓力。 1246 4. 14e 05 圖 1 號排氣歧管 網(wǎng)格劃分 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） FSAE賽車排氣系統(tǒng)設(shè)計與分析 41 圖 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 。 μ /kg λ /W Cp /J 假定 流場內(nèi)的氣體為煙氣，物質(zhì)性屬性見表 ，忽略配氣相位角以及管道內(nèi)其 它 壓力波對流場得影響，氣體流動為可壓縮、非定常流動模型，進出口邊界條件均采用壓力邊界條件，入口壓力為 ，溫度為 1000K,出口壓力為 ，溫度為 700K，其余為壁面邊界條件，因為氣 體流動上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） FSAE賽車排氣系統(tǒng)設(shè)計與分析 40 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行計算 如圖 。反之，流體質(zhì)點相互摻混做無序的隨機運動，此時的流動狀態(tài)稱為湍流。而非定常流動（又稱非穩(wěn)定流域或非恒定流）中至少有一個運動要素隨時間變化。 （ 2） 定常流動與非定常流動 按流動要素是否隨時間變化，可以將流體流動分為定常流動與非定常流動。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流動過程中變化很小，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)典理論上的貢獻讓流體力學(xué)有了比較完備的 理論基礎(chǔ)， 但是 在實際運用中有很多問題是沒有解析解，只有靠計算機用數(shù)值方法計算近似值。 根據(jù)此