【正文】 根歧管矩形組合后留下的空隙用星形片填上（圖 ），以免漏氣。 這種工藝的優(yōu)點(diǎn)就是整體精度比沖壓成形好，無(wú)需填補(bǔ)星形空間。 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） FSAE賽車(chē)排氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析 35 圖 焊接成形集合器 經(jīng)過(guò)分析對(duì)比 較雖然焊接 成形 集合器 整體性能比較好，可是考慮到成本因素最后選擇了沖壓彎折成形的集合器。第一種為膨脹箱，在該箱內(nèi)氣體流過(guò)管子中突然擴(kuò)大的官腔；第二種為側(cè)置共振器，它具有單獨(dú)的封閉小室，由小孔或者很短的小管子與排氣管相通；第三種，管子中的收縮部分也起到消聲作用，通俗 說(shuō) 的就是在排氣管中加入了擾流片。 實(shí)際工程 運(yùn)用中多數(shù) 車(chē)倆 是使用三種方法 組合消聲 ，如圖 。 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） FSAE賽車(chē)排氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析 37 以上分析的是民用車(chē)常用的消聲器結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)制造簡(jiǎn)單，消聲效果好然而 很顯然，由于廢氣需要經(jīng)過(guò)多個(gè)腔室，排氣阻力很大。 圖 賽車(chē)消聲器 從圖 以看出這正消音器是直通式的，排氣阻力可以降到最低在管道的管壁上打了許多小孔讓氣流流過(guò)，這樣和外面的封閉的大桶配合組成的膨脹腔，而且在腔中間填滿(mǎn)了消聲玻璃纖維，用來(lái)吸收氣體脈沖。 在消音氣的參數(shù)選擇上，由于每個(gè)廠(chǎng)家的設(shè)計(jì)不一樣 ， 每個(gè)膨脹腔的設(shè)計(jì)不同，消音棉的不同品質(zhì)，腔室的組合不同都會(huì)影響到消音效果。 美國(guó) Nelson消聲器公司推薦的消聲器容積計(jì)算公式為： ??????????? ??（ ） 式中： n — 發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速， r/min； v — 消聲器容積； i — 缸數(shù) ； — 沖程數(shù)； — 發(fā)動(dòng)機(jī)排量， L； Q — 修正系數(shù)，取 2到 6，對(duì)消聲器要求越高時(shí)， Q應(yīng)越大。 5 用 FLUENT 有限元分析軟件分析排氣管 CFD分析簡(jiǎn)介 與流體性質(zhì)簡(jiǎn)介 流體力學(xué)是 以流體 為 研究對(duì)象，研究其平衡、運(yùn)動(dòng)時(shí)的宏觀物理量變化規(guī)律，以及互相作用。 CFD 是計(jì)算流體力學(xué)的簡(jiǎn)稱(chēng)， 它 是基于離散化的數(shù)值計(jì)算方法 ，對(duì)流體的流場(chǎng)進(jìn)行分析的一個(gè)科學(xué)分支。 根據(jù)流體力學(xué)基本 理論，流體流動(dòng) 可以做以下劃分： （ 1） 可壓縮與不可壓縮流體； 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） FSAE賽車(chē)排氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析 39 根據(jù)流體壓縮性的大小可以將流體分為可壓縮流體與不可壓縮流體。除擊水現(xiàn)象外， 液體均可視為不可壓縮流體。高速氣流側(cè)需要考慮密度變化的影響，視為可壓縮流體。定常流動(dòng)（又稱(chēng)非穩(wěn)定流域或者非恒定流）是指流場(chǎng)中任一空間點(diǎn)上各運(yùn)動(dòng)要素不隨隨時(shí)間變化。 （ 3） 層流與 湍流 若流體質(zhì)點(diǎn)互相不摻混，有條不紊地做有序的成層流動(dòng)，這種流動(dòng)狀態(tài)稱(chēng)為層流。其局部速度、壓力等物理量在時(shí)間和空間都可能發(fā)生 不規(guī)則脈 動(dòng)。 表 煙氣性質(zhì) ρ /kg 氣 體 流速較高，粘性定義為 kepsilon 方程。 壓力出口（ Pressure outlet） 是對(duì)著集合器 ， 由于在集合器中會(huì)發(fā)生氣體膨脹 故定義為 。殘差設(shè)定為 1x103? ，則計(jì)算結(jié)果小于該值后求解 收斂。最高速度為 +02 m/s，出現(xiàn)在排氣歧管第一個(gè)彎管處。 從速度云圖和壓力云圖中可以看出彎曲段對(duì)氣流的影響巨大， 如果在設(shè)計(jì)中可以減小排氣彎曲，排 氣氣流就會(huì)順暢很多。而在排氣歧管的制造過(guò)程中還是發(fā)現(xiàn)了許多設(shè)計(jì)問(wèn)題。另外與發(fā)動(dòng)機(jī)接口處由于凸臺(tái)加工精度不足，所以讓發(fā)動(dòng)機(jī)和排氣歧管的裝配難度又加大了。 （ 3）歧管口和發(fā)動(dòng)機(jī)相出凸臺(tái)加工精度低，裝配不方便。從分析可以看出排氣管彎曲太多是造成歧管缺陷最大的 原因 。最終沒(méi)有采用這個(gè)方案的 原因是最后 4 號(hào)歧管進(jìn)口和出口的距離太近導(dǎo)致需要彎曲半徑很小的預(yù)彎管。 所以最佳的辦法就是把集合器的 位置改變。所以要合理設(shè)計(jì)排氣歧管，最好的辦法就是在總布置中給排氣歧管留下足夠的空間，讓集合器的位置可以遠(yuǎn)離發(fā)動(dòng)機(jī)給歧管彎曲留下足夠的空間，避免過(guò)小的彎曲半徑出現(xiàn)。加工難度 降低、排氣阻力減小 。如圖 。由于 FSAE 比賽課賽車(chē)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(lái)沒(méi)有遇見(jiàn)的困上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） FSAE賽車(chē)排氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析 46 難，使用了許多在平時(shí)教學(xué)和民用車(chē)設(shè)計(jì)中很少見(jiàn)的工藝和方法。 （ 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。 總的來(lái)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(chē)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)。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。而且考慮到加工工藝，減少 彎管也是很有好處的。而本次賽車(chē)的設(shè)計(jì)過(guò)程是先完成了車(chē)架設(shè)計(jì)和加工后才開(kāi)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 。 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） FSAE賽車(chē)排氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析 48 參考文獻(xiàn) [1] 劉惟信 .汽車(chē)設(shè)計(jì) [M].北京 :清華大學(xué)出版社 ,2021. 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Scientific design of exhaustamp。 前面所述沒(méi)有考慮到要求的要求的優(yōu)先順序。 當(dāng)然還有公認(rèn)的對(duì)于一般發(fā)動(dòng)機(jī)的重要要求，就是最大的動(dòng)力。一部車(chē)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。 然而，節(jié)氣門(mén)全開(kāi)任然有一個(gè)需要考錄的地方；加速超車(chē)，在現(xiàn)在道路越來(lái)越堵的情況下更加重要了。比如，在三檔 50 英里每小時(shí)得時(shí)候節(jié)氣門(mén)全開(kāi)是很好的超車(chē)方法。 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） FSAE賽車(chē)排氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析 50 對(duì)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(mén)突然開(kāi)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?？偟膩?lái)說(shuō)大多數(shù)消費(fèi)者任然希望得到一輛快速，靈活的車(chē)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(lái)后。這并不讓人 驚訝所以如果汽車(chē)生產(chǎn)者已經(jīng)展示了似乎是過(guò)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。同時(shí) 不得不承認(rèn)無(wú)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。 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?gòu)牡∷俚阶罡咿D(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。這個(gè)問(wèn)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。最大的困難就是要知道混合氣題在進(jìn)入汽缸前，到底是怎么一回上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） FSAE賽車(chē)排氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析 51 事情。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。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(mén)正時(shí)，這會(huì)影響到發(fā)動(dòng)機(jī)混合氣干凈與否。 只要想想氣門(mén)的運(yùn)作過(guò)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(mén)在活 塞下行之前利馬打開(kāi)進(jìn)氣門(mén)。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(mén)在活塞達(dá)到頂點(diǎn)的時(shí)候就關(guān)閉的話(huà)會(huì)有廢氣殘留在燃燒室中。這通常是指賽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)。 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）。一般來(lái)說(shuō)，頻率高一點(diǎn)容易被吸收。 “分支”系統(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。如果換上經(jīng)專(zhuān)門(mén)研制的排氣分支系統(tǒng)，這類(lèi)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(zhǎng)度是針對(duì)具體發(fā)動(dòng)機(jī)的配氣相位用式湊法決定的。遺憾的是其通過(guò)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(xiàn)法來(lái)確定簡(jiǎn)單的邊界條件也非常困難。圖 根據(jù)它們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，表明了一個(gè)壓縮波前鋒經(jīng)過(guò) 90176。 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。圖 表示入射波前鋒以輻射狀向主管和旁側(cè)管擴(kuò)展，同時(shí)所希望的稀疏波部分的返回到上游。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。 由 DUNSTALL 在市場(chǎng)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(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的功率有了明顯提高。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(guò)上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） FSAE賽車(chē)排氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析 54 小錐度的錐形器擴(kuò)散器，在其內(nèi)部裝上了消聲元件。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。最初的壓縮波也會(huì)從其它各缸尚未關(guān)閉著的排氣門(mén)處反射回來(lái)，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。 發(fā)動(dòng)機(jī)在高速時(shí)，返回的稀疏波來(lái)不及在排氣門(mén)關(guān)閉以前到達(dá)，但在中速下，稀疏波將對(duì)開(kāi)啟著的氣門(mén)處逐步減壓帶來(lái)顯著的有利影響，它將有助于氣門(mén)重疊期間（進(jìn)排氣門(mén)都為未開(kāi)啟著）廢氣的排出和新充量的錄入。 目前在摩托車(chē)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(kāi)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。 還有一種排氣系統(tǒng)方案用于本田四缸發(fā)動(dòng)機(jī) 。這樣一來(lái)，在轉(zhuǎn)速為 5000 到 6000 轉(zhuǎn) /分鐘內(nèi)能多發(fā)出 10 馬力。 分支 排氣管系統(tǒng)對(duì)于賽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)已大顯神通。它每列四個(gè)缸的四根排氣管風(fēng)別經(jīng)最佳的管長(zhǎng)后連接成兩對(duì)排氣管，再把兩對(duì)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(zhǎng)都是最佳的。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。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。所以必須在良好的扭矩特性或最大功率之間做出選擇。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(zhuān)門(mén)分析。 第 七 章 氣門(mén)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(lái)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)充量得純度和密上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） FSAE賽車(chē)排氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析 56 度。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(kāi)口處，不管采用菌形氣門(mén)，還是采用 活塞控制的氣口。在此過(guò)程的任一瞬間時(shí)，通過(guò)每個(gè)開(kāi)啟面積的流量取決于汽缸與緊靠汽缸的管道之間的壓差。此條件下，要進(jìn)行測(cè)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(mén)升程，或固定活塞位置）下，用通過(guò)開(kāi)口處的穩(wěn)定流動(dòng)來(lái)進(jìn)行研究的。即使發(fā)現(xiàn)絕對(duì)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。例如當(dāng)活塞環(huán)通過(guò)氣口時(shí)，允許它不接觸缸套部分的長(zhǎng)度等等。菌形氣門(mén)的最大開(kāi)啟面積主要受燃燒室設(shè)計(jì)（影響到氣門(mén)頭部直徑）以及氣門(mén)機(jī)構(gòu)力學(xué)考慮的影響。無(wú)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(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） FSAE賽車(chē)排氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析 57 開(kāi)度下的有限面積。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)。由進(jìn)氣門(mén)或氣口所建立起來(lái)的流型也許對(duì)燃燒過(guò)程有重要的影響，因此燃燒過(guò)程對(duì)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。intake systems 作者： Philip ,John 來(lái)源： Bentldy Publishers 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） FSAE賽車(chē)排氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析 1