FSC賽車進(jìn)氣限流閥研究與優(yōu)化

林少輝，任志英

（福州大學(xué) 機(jī)械工程及自動化學(xué)院，福建 福州 350116）

中國大學(xué)生方程式汽車大賽（Formula Student China，簡稱：FSC）是一項由高等院校汽車專業(yè)或汽車相關(guān)專業(yè)的在校學(xué)生組隊參加的汽車設(shè)計與制造比賽.該賽事要求在校大學(xué)生設(shè)計、制造、測試并駕駛一輛小型單座賽車參加比賽并完成各項比賽項目.FSAE規(guī)則（2014）對動力系統(tǒng)的主要要求是[1]，驅(qū)動賽車的發(fā)動機(jī)必須為四沖程、排量610cc以下的活塞式發(fā)動機(jī)，且所有進(jìn)氣氣流必須流經(jīng)同一個直徑不大于20mm的進(jìn)氣限流閥.

福州大學(xué)K-night賽車選用本田CRF450X發(fā)動機(jī)，且進(jìn)行了電噴匹配改造.FSAE賽車的進(jìn)氣限流閥對賽車發(fā)動機(jī)的整機(jī)性能與充量系數(shù)有很大影響[2].基于減少限流閥對發(fā)動機(jī)動力性能的限制，有必要對限流閥進(jìn)行進(jìn)一步研究與優(yōu)化.

1 GT-power仿真模型的建立與驗證

1.1 GT-power介紹

GT-power是一款由Gamma Technologies公司開發(fā)的具有發(fā)動機(jī)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的模擬仿真軟件，被世界上大多數(shù)發(fā)動機(jī)和汽車制造廠家及供應(yīng)商使用.它基于有限體積法，將氣體及熱量劃分成有限的單元體，被稱為“虛擬發(fā)動機(jī)”.在計算進(jìn)、排氣管內(nèi)流體狀態(tài)時應(yīng)用的基本控制方程有[3]：

式中，c為氣體流速；ρ為氣體密度；P為氣體壓力；F為管截面積；f為管壁摩擦阻力；D為當(dāng)量直徑；a為氣體流速加速度；k為傳熱系數(shù)；q為輻射能.

1.2 仿真模型的建立

CRF450發(fā)動機(jī)具體參數(shù)如表1所示.邊界條件設(shè)置為進(jìn)出口壓力為1個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓、溫度為27度，如表2所示.利用參數(shù)建立如圖1所示的發(fā)動機(jī)工作過程一維仿真模型，模型包括原機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)模型、簡化排氣系統(tǒng)模型以及氣缸模型、曲軸箱模型.模型計算采用顯示求解法，發(fā)動機(jī)燃燒模型采用韋伯函數(shù)[4].

表1 CRF450發(fā)動機(jī)參數(shù)

表2 進(jìn)排氣邊界條件

圖1 發(fā)動機(jī)仿真模型

1.3 仿真模型的驗證

運行原機(jī)仿真模型，得到的發(fā)動機(jī)2000-10000r/min的有效轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)外特性曲線如圖2所示.

圖2 原機(jī)外特性曲線仿真

從計算結(jié)果得到，發(fā)動機(jī)最大功率為41.38kw（9000r∕min），最大扭矩為 49.16N（6500r∕min），而發(fā)動機(jī)原機(jī)數(shù)據(jù)為最大功率41.16kw（9000r∕min），最大扭矩為50.7N（6500r∕min）.將兩者進(jìn)行對比，最大功率誤差為0.5%，最大扭矩誤差為3.0%，模型誤差在5%的允許范圍內(nèi).整個曲線光滑平順，最大功率及最大扭矩對應(yīng)轉(zhuǎn)速點皆相同，表明該模型與實際結(jié)果吻合較好，用該模型模擬發(fā)動機(jī)實際工作過程、設(shè)計進(jìn)氣系統(tǒng)可以保證較高的精度.

2 限流閥對發(fā)動機(jī)性能的影響

利用GT-power仿真分析研究矩形限流閥對發(fā)動機(jī)全負(fù)荷狀態(tài)下功率及扭矩的影響.從圖3的仿真結(jié)果可以看出，加裝限流閥后發(fā)動機(jī)在3500-10000r/min下功率和扭矩都出現(xiàn)大幅度的下降，二者最多下降到僅為原來的50%左右.

圖3 限流閥對發(fā)動機(jī)性能的影響

為了探究這種變化產(chǎn)生的原因，通過GT-power進(jìn)一步仿真限流前后氣缸充氣效率的變化，如圖4所示.可以看出，加裝了限流閥后發(fā)動機(jī)功率及扭矩的下降是由于從3500r/min開始進(jìn)氣量低于發(fā)動機(jī)正常進(jìn)氣所需的進(jìn)氣量.汽油機(jī)采用量調(diào)節(jié)負(fù)荷調(diào)節(jié)方法，除啟動、急加速等特殊工況以外，噴油量取決于進(jìn)入氣缸的空氣流量[5].進(jìn)入氣缸混合氣的減少不可避免造成了功率、扭矩下降.隨著發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的提升每一進(jìn)氣沖程所占的進(jìn)氣時間不斷減少，則進(jìn)氣不足更嚴(yán)重，功率和扭矩下降更明顯.因此優(yōu)化限流閥設(shè)計十分重要.

圖4 限流閥對充氣效率的影響

3 限流閥的優(yōu)化設(shè)計

3.1 限流閥的參數(shù)選擇

FSC賽車用發(fā)動機(jī)在大賽規(guī)則下，安裝限流閥后，特別是限流閥的整體幾何擴(kuò)散形狀對進(jìn)氣壓力的變化與恢復(fù)是非常重要的.其前后的整體幾何形狀的變化對FSC賽車用發(fā)動機(jī)的整機(jī)性能與充量系數(shù)有很大影響.為了保證限流閥進(jìn)氣氣流的穩(wěn)定，選用如圖5所示的截面形狀為錐形的限流閥[6].

圖5 錐形限流閥示意圖

限流閥的進(jìn)出口延伸角，進(jìn)出口半徑是影響限流閥對發(fā)動機(jī)影響的主要因素[7].限流閥入口錐角并不敏感，故選定限流閥的入口長度為40mm.入口直徑必須與節(jié)氣門直徑匹配，進(jìn)氣門直徑過大會造成發(fā)動機(jī)響應(yīng)延遲，故選擇節(jié)氣門與限流閥入口直徑為30mm.氣流對出口錐角最為敏感，查閱國外資料，限流閥出口參數(shù)一般在7°附近，故設(shè)置7°、9°、11°為限流閥Fluent分析的主要參數(shù).

限流閥參數(shù)如圖6所示，對比分析方案見表3.

表3 限流閥分析不同方案參數(shù)

圖6 限流閥參數(shù)示意圖

3.2 邊界條件設(shè)置

邊界條件設(shè)置主要是入口邊界與出口邊界，設(shè)置情況如表4所示：

表4 邊界條件設(shè)置

3.3 基于Fluent的限流閥分析結(jié)果

圖7 7°錐角壓力云圖

圖8 7°錐角速度矢量圖

由圖7、圖8可知，最高壓力出現(xiàn)在限流閥入口前端，數(shù)值大小為1.01x105Pa；最低壓力出現(xiàn)在限流閥喉口處，數(shù)值大小為9.55x104Pa；最高流速出現(xiàn)在限流閥喉口處，數(shù)值大小為8.89x101m/s；最低流速出現(xiàn)在限流閥限流閥出口末端，數(shù)值大小為3.33x101m/s.

圖9 9°錐角壓力云圖

圖10 9°錐角速度矢量圖

由圖9、圖10可知，最高壓力出現(xiàn)在限流閥入口前端，數(shù)值大小為1.01x105Pa；最低壓力出現(xiàn)在限流閥喉口處，數(shù)值大小為9.49x104Pa；最高流速出現(xiàn)在限流閥喉口處，數(shù)值大小為9.29x101m/s；最低流速出現(xiàn)在限流閥限流閥出口末端，數(shù)值大小為3.02x101m/s.

由圖11、圖12可知，最高壓力出現(xiàn)在限流閥入口前端，數(shù)值大小為1.01x105Pa；最低壓力出現(xiàn)在限流閥喉口處，數(shù)值大小為9.42x104Pa；最高流速出現(xiàn)在限流閥喉口處，數(shù)值大小為9.73x101m/s；最低流速出現(xiàn)在限流閥限流閥出口末端，數(shù)值大小為2.43x101m/s.

圖11 11°錐角壓力云圖

圖12 11°錐角速度矢量圖

3.4 優(yōu)化方案對比選擇

通過對7°、9°、11°三種不同出口錐角的限流閥速度矢量圖、壓力云圖分析，可知三種方案的限流閥出口壓力差別非常小.為了評判限流閥優(yōu)劣，選擇限流閥出口末端截面的空氣流量為指標(biāo)，流量=截面積x流速.計算結(jié)果如表5所示.

表5 不同限流閥對應(yīng)的空氣流量

由表5數(shù)據(jù)可知，當(dāng)限流閥出口錐角為9°時，其出口截面的空氣流量最高，故選擇該方案為限流閥最優(yōu)方案，此時限流閥入口直徑為30mm，入口長度為40mm，出口長度為100mm，出口錐角為9°.

4 結(jié)束語

本文通過發(fā)動機(jī)仿真軟件建立CRF450仿真模型，研究了限流閥對發(fā)動機(jī)動力性能的限制，確定優(yōu)化限流閥設(shè)計的重要性.利用ANSYS Fluent對7°、9°、11°三種出口錐角的限流閥進(jìn)行仿真計算，采用空氣流量作為評判指標(biāo)，最終選擇9°出口錐角為限流閥最優(yōu)設(shè)計.

〔1〕中國汽車工程學(xué)會.中國大學(xué)生方程式汽車大賽規(guī)則(2014版).

〔2〕許俊.基于進(jìn)氣限流下的FSAE賽車發(fā)動機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計與仿真研究[D].四川:西華大學(xué),2012.

〔3〕石來華,馮仁華.基于GT-POWER模型的發(fā)動機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)優(yōu)化[J].客車技術(shù)與研究,2010(3)：18-21.

〔4〕Gamma Technologies Inc.GT-power user’s manual(version 6.2)[Z].Gamma Technologies Inc,2006.

〔5〕林學(xué)東.發(fā)動機(jī)原理[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2008.62-63.

〔6〕柳威,師忠秀,于淵.基于 ANSYS/Fluent的 FSAE 賽車限流閥的仿真優(yōu)化研究[J].青島大學(xué)學(xué)報,2013,28(4)：76-81.

〔7〕盧超,洪偉,王俊峰,等.進(jìn)氣限制器對FSAE賽車用發(fā)動機(jī)性能的影響[J].小型內(nèi)燃機(jī)與摩托車,2012,41(2):17-19.