发布时间 : 星期三 文章大学生方程式赛车设计（发动机匹配试算与装配设计）-汽服11403班 - 图文更新完毕开始阅读5acde0428bd63186bcebbc95
§3.1 FSAE进排气系统和限流阀的关系
FSAE方程是由美国汽车工程协会主办的小型方程式赛车的国际性赛事。已举办20多年。FSAE赛车使用的发动机容量小于610cc，发动机的进气要通过直径为20mm的限流阀，如图3-1，且限流阀的位置在节气门和进气门之间。在上述前提下，本文通过发动机系统仿真模型计算，分析不同进排气管长度对发动机扭矩、充气效率、功率的影响来确定与目标转矩点转速相对应的进排气管长度，从而改进设计进排气系统来提高发动机的动力性、提高比赛成绩。
图3-1
§3.2 GT-Power介绍
GT—Power是GT—SUITE系列中最著名的一款软件。本次设计主要参考了湖南大学FSAE车队的GT-Power结论来作为设计依据的。 §3.3 发动机的进排气管
提升发动机功率最简单的方法就是增大气缸工作容积，也就是提高排量。一般而言，发动机的体积重量会随着容积变化，在同体积前提下，通过改进发动机结构和采用新材料来追求更高的输出功率。
升功率，是每升气缸工作容积所发出的有效功率，增加进气量能提高发动机的升功率，采用自然吸气法，提高进气量，设计者可以通过增大气体的流动速度来增加单位时间内的进排气量，从而提高换气效率，良好的发动机进气通道设计是提高进气量的重要保证。采用大通量的空气滤清器，大口径或多支排气管，目的就是改善气体的流速以提升发动机功率。更进一步，改装结构内部及材料的选用，增高管壁光滑度，减少与气体的摩擦，提高流动速度。
发动机进排气管道改用不锈钢或铝合金材料，既可以降低管道内的气流阻力，同时也可以降低重量。
1
现在高转速发动杌由于结构上的需要，进排气管多分置在气缸的两侧，进气管的加热冷却水或电热装置。这里要指出的是，因受废气温度的影响，排气管的冷热温度是急剧变化的，巨大的热应力可使排气管产生裂纹，为保证一定的热胀冷缩，排气歧管的安装形式与进气管有所不同，一般发动机排气管是一缸一歧管，以减少排气管的热负荷。
气管的流通性以最小截面处的流动为依据，最小截面位于气门阀隙处，这也就是现代发动机采用多气门或者尽量增大气门头直径的原因。同时，只有各种因素（进排气管尺寸、形状、材料、弯曲半径、安装位置）配合良好，发动机才能发挥最佳性能。
§3.3.1 进气管长度对发动机性能影响
进气系统结构直接影响发动机的动力性。FSAE赛事要求：发动机必须安装直径为20mm的限流阀。发动机的进气系统主要由进气管和进气道两部分组成，本文主要分析进气管长度，一般情况下进气管长度会影响发动机的充量系数，在高速状态下，空气进给量，损失量会随着进气管长度增加而增加，且对发动机的动力输出有较大影响 §3.3.2 排气管长度对发动机性能影响
发动机的动力性受排气压力波影响，而压力波又与发动机的配气相位、排气口形状和排气管的结构参数等息息相关。合理地利用可使排气彻底，进气充分。如果能恰当地利用压力波的能量就能提高排气效率，同时也能提升进气的效率。为了提升动力增加发动机输出功率应对排气管合理设计。
本次设计主要参考了湖南大学FSAE赛车进排气管长度的优化过程，把本次设计的进排气管长度做了相应的调整。最终是选择了在原长度的基础上适当了增加了进排气管的长度，从而提升了发动机的动力性和经济性，使得赛车在比赛中更具有竞争力。 §3.4 限流阀的作用意义
FSAE比赛的一大特色，就是要求所有参赛车辆的发动机进气部分，必须加装一个直径为20mm（E85燃料为19mm）的进气限制器。由于去年中国比赛的特殊情况，没有要求使用进气限制器，所以，对于绝大多数同学，进气限制器是一个很新鲜的东西，近期也有不少关于进气限制器的讨论。 §3.4.1什么是进气限制器
首先我们来阅读以下规则：
1
8.6 进气系统限流阀
8.6.1安装在进气系统节气门与发动机之间的限流阀可以限制发动机功率。
8.6.2 禁止在限流阀和发动机之间使用任何可以控制进气流量的装置。8.6.3 限流阀内部截面的最大直径为：－使用汽油燃料——20.0mm（0.7874 英寸）－使用E-85 燃料——19.0mm（0.7480 英寸）
8.6.4限制器必须安放在便于技术检查时测量的位置。
8.6.5 任何情况下，限流阀的内部截面都不能发生变化（例如限流阀不能作为节气门可动部件的一部分）。
8.6.6 如果使用了多台发动机，所有发动机的进气气流都必须流经限流阀。
§3.4.2 进气限制器的作用
1、进气限制器在中低转速、部分负荷条件下，就好像一个一直半开着的节气门，让进气道内的压力比正常情况低，从而降低发动机的充气效率，进而限制各个工况的扭矩。想象一下，如果你被堵住了一个鼻孔，然后和一个和你原本体力相同的人掰手腕，肯定是要悲剧的。
2、进气限制器会限制单位时间内的最大进气量。我们都知道，管内的气流速度越快，效率越低，当气流速度接近0.5马赫的时候，实际进气量就会达到瓶颈。在常温常压下，20mm管径的这个瓶颈数值，大约在70g/s左右。也就是说，无论你怎么折腾，单位时间进气量也就是这些，进而限制了发动机的最大功率。还是想象一下，如果被堵住一个鼻孔，然后跑个八百米，成绩肯定比你正常情况下差很多，没有晕过去就算万幸了。
装上进气限制器的发动机，最大功率、扭矩、转速，都会降低。以600cc四缸自然吸气发动机为例，一般来说最大功率和最大扭矩会下降到原始的60%左右（经过合理优化后有可能达到70~80%），而最大功率点会掉到10000rpm以下、最大扭矩点掉到8000rpm以下。对于排量较小或汽缸数较少的发动机，受到的影响相应会小一点。
§3.4.3为什么要有进气限制器
SAE在制定规则的时候，为什么要加入进气限制器呢？总的来说，是出
1
于以下三点考虑：安全、平衡、锻炼学生能力。
当今社会，做任何事情，人身安全都最为关键，SAE办活动也不例外。600cc的四缸发动机，动辄就能释放出70~90KW的功率，换算一下，相当于将一台4.2L V8发动机安装到一台夏利上——这还是对原厂发动机没有任何改装的情况。无疑，这一件十分危险、十分恐怖的事情。所以，加入进气限制器，最重要的目的提高安全性。
比赛的平衡也是很重要的，SAE不希望这个比赛千人一面，而是希望能出现各种不同的技术路线和技术侧重。那么，为了这个目的，就需要将因为各车队发动机选型不同所造成的差异尽量缩小，不能出现“小排量永远比不过大排量”“单缸永远比不过四缸”的尴尬局面。而进气限制器则可以达到这个目的。在上一部分我们已经说了，排量和功率越大的发动机，受到限流器的制约越明显，这就出现了一个戏剧性的局面：路人甲选用出厂70KW的发动机，机器自重60kg，限流后剩下45KW；路人乙选用出厂40KW的发动机，机器自重35kg，限流后剩下30KW——在这种情况下，谁更占据优势，还真不好说了。
最后一点，也是十分重要的一点，就是SAE希望通过加入限流器，人为地提高动力总成的开发难度，引导学生去了解发动机、研究发动机、探索发动机。因为加入了限流器，原厂的四联节气门就不能使用了，进排气歧管也需要自己做，这就意味着原厂那种基于节气门开度（多数的四缸机）或者基于进气压力（多数的单缸机）的标定数据几乎完全失效——要知道，自己换了节气门和进排气歧管，同样节气门开度下，偏差可能会高达20%。在这种情况下，学生就需要去研究流体力学、需要去设计限流器、需要考虑进排气的设计和加工、需要了解ECU是怎么判定喷油量和提前角的、需要学习发动机的控制技术和标定策略。很可惜的是，我们国内的从业者，包括很多企业、高校领导老师、以及学生，都被“整车厂不研究分总成”“原厂的东西就是最好的”“发动机是高科技”这种操蛋思想毒害太深，所以，当大家面对限流阀的时候，总是问能不能绕过它、躲开它，能不能自欺欺人地不管它，这是十分可悲的。
§3.5 谐振腔CAE分析方法
仿真是为了减少压力损失，使进气容易，但必须保证谐振腔容积。谐振
1