FSC赛车进气限流阀研究与优化

2015-08-06林少辉任志英

赤峰学院学报·自然科学版 2015年12期

林少辉，任志英

（福州大学机械工程及自动化学院，福建福州 350116）

中国大学生方程式汽车大赛（Formula Student China，简称：FSC）是一项由高等院校汽车专业或汽车相关专业的在校学生组队参加的汽车设计与制造比赛.该赛事要求在校大学生设计、制造、测试并驾驶一辆小型单座赛车参加比赛并完成各项比赛项目.FSAE规则（2014）对动力系统的主要要求是[1]，驱动赛车的发动机必须为四冲程、排量610cc以下的活塞式发动机，且所有进气气流必须流经同一个直径不大于20mm的进气限流阀.

福州大学K-night赛车选用本田CRF450X发动机，且进行了电喷匹配改造.FSAE赛车的进气限流阀对赛车发动机的整机性能与充量系数有很大影响[2].基于减少限流阀对发动机动力性能的限制，有必要对限流阀进行进一步研究与优化.

1 GT-power仿真模型的建立与验证

1.1 GT-power介绍

GT-power是一款由Gamma Technologies公司开发的具有发动机工业标准的模拟仿真软件，被世界上大多数发动机和汽车制造厂家及供应商使用.它基于有限体积法，将气体及热量划分成有限的单元体，被称为“虚拟发动机”.在计算进、排气管内流体状态时应用的基本控制方程有[3]：

式中，c为气体流速；ρ为气体密度；P为气体压力；F为管截面积；f为管壁摩擦阻力；D为当量直径；a为气体流速加速度；k为传热系数；q为辐射能.

1.2 仿真模型的建立

CRF450发动机具体参数如表1所示.边界条件设置为进出口压力为1个标准大气压、温度为27度，如表2所示.利用参数建立如图1所示的发动机工作过程一维仿真模型，模型包括原机进气系统模型、简化排气系统模型以及气缸模型、曲轴箱模型.模型计算采用显示求解法，发动机燃烧模型采用韦伯函数[4].

表1 CRF450发动机参数

表2 进排气边界条件

图1 发动机仿真模型

1.3 仿真模型的验证

运行原机仿真模型，得到的发动机2000-10000r/min的有效转速范围内外特性曲线如图2所示.

图2 原机外特性曲线仿真

从计算结果得到，发动机最大功率为41.38kw（9000r∕min），最大扭矩为 49.16N（6500r∕min），而发动机原机数据为最大功率41.16kw（9000r∕min），最大扭矩为50.7N（6500r∕min）.将两者进行对比，最大功率误差为0.5%，最大扭矩误差为3.0%，模型误差在5%的允许范围内.整个曲线光滑平顺，最大功率及最大扭矩对应转速点皆相同，表明该模型与实际结果吻合较好，用该模型模拟发动机实际工作过程、设计进气系统可以保证较高的精度.

2 限流阀对发动机性能的影响

利用GT-power仿真分析研究矩形限流阀对发动机全负荷状态下功率及扭矩的影响.从图3的仿真结果可以看出，加装限流阀后发动机在3500-10000r/min下功率和扭矩都出现大幅度的下降，二者最多下降到仅为原来的50%左右.

图3 限流阀对发动机性能的影响

为了探究这种变化产生的原因，通过GT-power进一步仿真限流前后气缸充气效率的变化，如图4所示.可以看出，加装了限流阀后发动机功率及扭矩的下降是由于从3500r/min开始进气量低于发动机正常进气所需的进气量.汽油机采用量调节负荷调节方法，除启动、急加速等特殊工况以外，喷油量取决于进入气缸的空气流量[5].进入气缸混合气的减少不可避免造成了功率、扭矩下降.随着发动机转速的提升每一进气冲程所占的进气时间不断减少，则进气不足更严重，功率和扭矩下降更明显.因此优化限流阀设计十分重要.

图4 限流阀对充气效率的影响

3 限流阀的优化设计

3.1 限流阀的参数选择

FSC赛车用发动机在大赛规则下，安装限流阀后，特别是限流阀的整体几何扩散形状对进气压力的变化与恢复是非常重要的.其前后的整体几何形状的变化对FSC赛车用发动机的整机性能与充量系数有很大影响.为了保证限流阀进气气流的稳定，选用如图5所示的截面形状为锥形的限流阀[6].

图5 锥形限流阀示意图

限流阀的进出口延伸角，进出口半径是影响限流阀对发动机影响的主要因素[7].限流阀入口锥角并不敏感，故选定限流阀的入口长度为40mm.入口直径必须与节气门直径匹配，进气门直径过大会造成发动机响应延迟，故选择节气门与限流阀入口直径为30mm.气流对出口锥角最为敏感，查阅国外资料，限流阀出口参数一般在7°附近，故设置7°、9°、11°为限流阀Fluent分析的主要参数.

限流阀参数如图6所示，对比分析方案见表3.