大学生方程式赛车的发动机可变进气技术研究

王瑄毅　李家洪　孙宇轩　郝尚瑞　覃朗

摘 要：可变进气歧管是一种广泛应用于乘用车自然吸气发动机的技术，与传统的进气系统相比，其全转速范围的充气效率较高，利于动力性和经济性，它利用了气体的波动效应和发动机的进气谐振，却较少应用在FSAE赛车中。本文首先提出了一种两段式的可变进气系统，其次提出了一种新型的连续式的可变进气系统，并在GT-power中进行了发动机模型的搭建，确定了歧管的稳压箱体积和歧管参数。本文对两种形式的可变进气歧管进行了对比分析，发现两段可变进气系统相较于固定式，在中高转速的扭矩和功率输出都有提升，连续式可变进气系统相较于两段式，在保持低转速扭矩的同时，提升了高转速的扭矩。

关键词：汽车工程 赛车 大学生方程式 发动机 可变进气歧管

Research on Variable Air Intake Technology of Engine in Formula Undergraduate Racing

Wang Xuanyi Li Jiahong Sun Yuxuan Hao Shangrui Qin Lang

Abstract：Variable intake manifold is a technology widely used in naturally aspirated engines of passenger cars. Compared with traditional intake systems， its charging efficiency in the full speed range is higher， which is conducive to power and economy. It takes advantage of the gas wave effect and the engine's intake resonance， but it is rarely used in FSAE racing cars. This article first proposed a two-stage variable intake system， and then proposed a new type of continuous variable intake system， and built the engine model in GT-power， determined the manifold， the volume of the surge tank and the parameters of the manifold. This article compares and analyses the two types of variable intake manifolds and finds that the two-stage variable intake system has improved torque and power output at medium and high speeds compared to the fixed one. Compared with the two-stage type， the high-speed torque is improved， while maintaining the low-speed torque.

Key words：automotive engineering， racing， Formula Student， engine， variable intake manifold

1 引言

FSAE（Formula SAE）大學生方程式赛车大赛是由国际汽车工程师学会开办的，要求参赛大学生设计团队设计一辆小型的和标准方程式赛车类似的赛车，并且要求设计的赛车在加速、制动和操控性方面表现优异并且稳定耐久。FSC规则2020[1]中要求发动机排量小于710cc，因此各院校选取不同的发动机来满足整个赛事的需求，且随着赛事的举办，较多的院校选择了单缸机，并对进气系统进行了全新设计。近年来，随着中国大学生方程式赛车大赛在中国快速发展，各高校非常重视对赛车的设计。进气系统是FSAE赛车的重要组成部分，对赛车的动力响应有重要影响。为使赛车在不同工况下能产生较大的扭矩，提高充气效率，一些自然吸气车队对进气歧管和稳压箱进行了优化设计。可变进气系统是民用车中常见的进气系统，其目标是利用气体的波动效应和发动机进气谐振，通过调节歧管长度以及稳压箱容积，来提高发动机的充气效率，并实时产生最大可能的扭矩[2]。

2 可变进气方案设计

2.1 可变进气原理

本次在大学生方程式赛车大赛中引入单缸机可变进气歧管的设计，来提高自然吸气状态下的进气充气效率。由于自然吸气的进气方式导致低转速下扭矩较低。因此利用可变进气系统设计的方法来改善这个现象。选择KTM 690单缸发动机为研究对象。该发动机为单缸四冲程活塞式发动机，其各项技术参数如表1所示。

发动机的扭矩和功率输出对该发动机的性能特点具有重大影响，这两项性能的优劣主要取决于发动机的充气效率[18]。可变进气系统利用进气谐振在进气歧管内气缸吸气产生低压波，在进气歧管内传递到谐振腔内瞬时产生高压波反向传递，通过一定长度歧管，使高压波在吸气冲程时进入发动机，提高充气效率，如图1（a-d）[3]。采用该项技术的发动机经过谐振充气之后，其充气效率可大于1.0，且避免了当进气门即将关闭时的缸内新鲜气体的回流[4]。

在进气管长度一定的情况下，进气管内的低压波和高压波在进气管内来回传播所需要的时间是相等的，但是进气门开启持续时间却是变化的，它取决于发动机转速。随着发动机转速的升高，进气门开启持续时间缩短，流进气缸的空气量减少，若低压波和高压波传播的时间不变，则将会导致在高波传入气缸前，进气门已经关闭，使得谐振充气无法进行。

可变进气一般有两段式可变进气和连续可变进气，两段式有对应发动机低转速到中转速的长进气管道和对应发动机高转速的短进气管道，通过控制阀片来使气流在不同转速下通向两条不同的进气管路[5]。两段式有结构和控制简单以及可靠的特点，但由于气门开启时间随转速改变，所以两个长度固定的进气管道不是能保持最佳充气效率方案。连续可变的进气管道就可以根据不同转速下气门开启时间来匹配不同长度的进气管道，来保证一个较高的充气效率。同时，连续可变式进气歧管拥有稳压箱容积和进气道长度同时可变的特点，并且可以依据发动机不同转速控制舵机旋转，使内腔位于不同角度，来控制稳压箱容积与进气道长度的无极连续变化。

2.2 两段可变式进气系统方案

两段可变式进气歧管主要由长短两根歧管构成。在发动机转速位于低转速区间时，短歧管阀门关闭，气体将全部流向长歧管，充分利用低转速时汽缸头吸气产生的低压波，与长歧管及稳压箱内的高压波进行进气谐振，提高充气效率[17];在发动机转速位于高转速区间时，歧管阀门完全打开，此时气体将大部分从短歧管流入，以满足发动机高负荷运转。其中阀门可以用电子节气门代替，并利用ECU的辅助输出功能，给节气门输出控制信号，从而实现阀门的可变控制[6]。

两段可变式进气歧管可切换两种状态：其一为长歧管状态，多用于中低转速，其阀门完全关闭，进气仅流经长歧管;其二为短歧管状态，多用于中高转速，其阀门完全打开，进气同时流经两根歧管[7]，见图2。

2.3 连续可变式进气系统方案

连续可变式进气歧管由旋转内腔件和固定外壳构成，外壳与进气歧管相连。通过旋转内腔件的转动，在改变歧管长度的同时，稳压箱容积也在相应改变[13]。连续可变式进气歧管结构如图3（a-b）所示。

系统可根据发动机转速、负荷等工况平稳地改变有效进气路径长度，根据波动频率改变稳压箱体积[15]，从而改善发动机的输出特性。不同于两段可变式，连续可变式的歧管长度和稳压箱容积可以按照内腔旋转角度线性无级变化[8]，避免了两段式中阀门开启关闭的瞬间气体波动性的突变，充气效率变化更加平缓。

3 仿真模型的建立

研究过程中，在GT-Power环境下建立了发动机的一维流动燃烧模型，该模型具有外部环境、进气系统、喷油器、配气机构、气缸、曲轴箱和排气系统几个主要部分[16]。其中：进排气系统模型、配气相位、气门尺寸、缸径、行程、压缩比等参数，均按照实际结构尺寸设定;燃烧模型采用韦伯双区燃烧模型，燃烧重心设定为上止点后5～10度，燃烧持续期根据试验数据进行了标定;环境条件为常温常压。排气系统在满足规则要求下重新设计，利用GT-SUITE其中的GME3D模块对消音器建模并离散化得到一维模型，再导入到GT-power中，在节气门全开状态下进行发动机稳态工况仿真[9]。如图4所示。

为检验上述模型的准确性，计算了原型发动机在全负荷下的转矩及功率，并与试验数据进行比较。结果表明，二者的基本趋势相同，峰值功率及转矩均出现在相仿的转速，且数值误差均在5%以内。

根据规则要求，对于自然吸气发动机，须在节气门后安装有内径为20mm的进气限流器，因此，以一台安装有限流器及7L容积稳压箱的690mL单缸发动机作为参考，并建立其一维流动燃烧模型[12]，计算得出外特性与原机的外特性对比如图5所示、相应的充气效率如图6所示。

观察参考发动机的外特性及充气效率，表明：该发动机在限流状态下最大功率为45.5kW、最大转矩为64Nm，较限流前所有升高/降低;在1500～3500r/min的转速区间内，输出转矩较为理想;在4000～7000r/min转速区间内，输出转矩低于最大转矩的90%，显然未达到理想的性能指标。

4 可变进气系统的参数设计

在仿真计算的过程中发现，所开发发动机的转矩和功率的输出与稳压箱容积和进气歧管长度都有关系[12]，大致的相关关系为：稳压箱体积对高转速功率和低转速响应有影响，进气管体积对输出转矩有影响[10]。

4.1 进气道长度

进气道长度的设计过程主要为以最大功率為目标确定最短长度其次以低扭为目标确定最长长度[19]。

设置稳压箱体积4.8L，进气管为截面直径60mm，曲率半径160mm的弯管，通过改变弯曲角度来改变进气管的长度[20]。

图7对比看出：在1500～3000r/min低转速区间，不同长度的进气管对扭矩影响不大;在3000～5500r/min中转速区间，管长越长扭矩输出越好，其中管长500mm时扭矩输出最平稳且数值较高;然而在7000～8500r/min高转速区间，管长越短扭矩输出越好，其中管长140mm时数值最高。

综上，两段式进气管为直径60mm，长度取140mm和500mm。连续式可变进气管直径60mm，长度在140mm～500mm连续变化。

4.2 进气道容积

进气道容积的设计过程主要为以功率为目标进而确定进气道的最大容积，其次以低转速响应为目标确定最小容积[11]。

4.2.1 中低转速下稳压箱体积

由于歧管长度在500mm时中低转速扭矩输出良好，稳压箱的体积会对中低转速的响应性有影响，所以固定歧管长度为500mm，用不同稳压箱体积下发动机的性能输出指标和响应性，来确定中低转速下稳压箱体积。设置进气歧管长度为500mm，稳压箱体积变化，进行全负荷稳态计算。

由图8中可看出，稳压箱体积为5L时，扭矩上升平稳，且有较大的数值。

设置进气歧管长度为500mm，稳压箱体积变化，发动机转速3500r/min，节气门信号阶跃输入，对响应性进行计算。在时间1.5s时节气门角度从5°开始阶跃，时间1.7s时节气门角度达到90°。

2L～5L对比如图9所示，6L～8L对比如图10所示。对比可看出：稳压箱体积越大，节气门角度阶跃后响应时间越长，但在稳压箱体积较小时，虽然响应性出色，但全负荷时输出扭矩较低。稳压箱体积达到5L以后，稳压箱体积增加不再能提升全负荷时的扭矩。所以运用在中低转速的长进气歧管应该匹配5L左右的稳压箱。

4.2.2 高转速下稳压箱体积

根据前面的计算结果可以得出，进气管长140mm时高转速输出性能良好，所以固定进气管长为140mm，改变稳压箱容积，对比动力输出性能。

图11和表3综合分析可知：稳压箱体积从4L变化到6L的过程中，中高转速扭矩输出提升明显，最大扭矩从67.8Nm提升到73Nm;从6L变化到8L过程中，中高转速输出扭矩也有上升，但数值增长不大。

所以高转速的进气系统采用6L稳压箱，既能保证高转速的输出扭矩良好，也避免了稳压箱体积过大导致不易布局。

综上稳压箱的体积变化范围5～6L。

5 仿真分析与验证

中低转速采用进气管长180°，稳压箱体积4.8L;高转速采用进气管长50°，稳压箱体积6L。经过中低转速和高转速下被开发发动机的外特性曲线对比，发动机转速5500r/min时切换进气系统。

综上所述，两段可变与连续可变式进气系统输出参数如下。

两段可变进气系统输出：

最大功率：52.5kW@7500r/min;

最大扭矩：74.5Nm@5500r/min。

连续式可变进气系统输出：

最大功率：53kW@7500r/min;

最大扭矩：77.3Nm@6000r/min。

6 结论

本次对比两段可变式进气歧管与连续可变式进气歧管的外特性曲线，数据方面得到了如下分析。

两段可变进气系统相较于固定式，在中高转速的扭矩和功率输出都有提升，最大功率提升了7Kw，最大扭矩提升了10.5Nm。

连续式可变进气系统相较于两段式，在保持低转速扭矩的同时，提升了高转速的扭矩，6000r/min时的扭矩输出提升了6.7Nm。

两段可变式进气歧管在阀门开启与关闭时会导致进气道体积与长度的瞬态突变，导致气体流场波动性的突变，不利于发动机稳定输出功率与扭矩。然而连续可变式进气歧管不存在两段式的突变效应，能够更平稳的改变进气道体积与长度，从而使得发动机输随转速变化输出更为平稳的功率与扭矩。

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