张宇，续彦芳，许磊

(中北大学 能源动力工程学院，山西 太原 030051)

0 引言

中国大学生方程式大赛(FSAE)按其赛事规则[1]的要求，使用汽油为燃料的内燃机车在其进气系统中必须安装流通截面直径为20mm的限流器。由于截面大小的突变会使进气系统流动阻力增加，单位时间内充气量减少，内燃机中高转速时功率和转矩输出不稳定，故进气系统的优化设计对发动机性能的提高尤为重要。

西安理工大学采用三维FLUENT限流阀流场分析与GT-Power建立内燃机工作过程仿真模型相结合，对限流阀垂直布置的进气系统进行优化，使得内燃机动力性能有了极大的提升[2]。西华大学通过内燃机整机一维仿真模型，分析了垂直进气式进气系统中进气歧管几何参数对内燃机动力性能的影响规律，得出其几何参数对高速运转的发动机的性能影响比较突出[3]。南京工业大学基于流体力学理论以及利用GT-Power发动机二维模型进行模拟分析，使得中高转速的充气效率提高5%[4]。

以上车队都针对的是限流阀垂直布置的进气系统。为了合理规划新赛季赛车的空间布局及动力性能的提升，本文设计一种侧置进气式的进气系统，并对其进行优化设计。

1 进气系统的设计方案

根据大赛规则和以往车队的参赛经验，发动机进气形式采用自然吸气，新赛季发动机进气顺序：外界环境—空气滤清器—节气门—限流阀—进气总管—稳压腔—进气歧管—发动机。

1.1 限流阀的设计与优化

1)限流阀结构参数的确定

节气门选择双滚筒式节气门，因为其在节气门全开的条件下(仿真要求)中间结构为一个通孔，气流通过时不会产生额外的能量损失。限流阀进口端的直径为28mm(节气门口径限制)，喉口处直径为20mm(赛事规则)，出口端直径为48mm(整车空间布置限制)，本文初步设定限流阀进出口锥角分别为14°和6°。

2)限流阀优化

为了减少限流阀形状突变带来的进气压力和进气流速的损失以及提高进气系统的质量流量，需对限流阀进出口锥角进行优化处理，通过ANSYS Fluent对不同进口锥角的限流阀流场进行仿真，结果如图1和图2所示。

图1 不同进口锥角限流阀的压力云图

图2 不同进口锥角限流阀的速度矢量图

从图1可以看出，按照箭头所指方向分别对应的限流阀进口锥角度为14°、16°、18°、20°的压力云图，最小压力出现在限流阀喉口处，随着进口锥角角度的增加，喉口处压力呈现先减小后增大的趋势。

按照逆时针方向，每个图对应的限流阀进口锥角度数分别为14°、16°、18°、20°的速度矢量图，可以看出最大流速出现限流阀喉口处，最大流速在18°时达到峰值，为198.8m/s。从图2可以得出限流阀进口锥角度数较大时，气体流速在喉口处会变慢，增加进气能量的损失。

结合上述分析，在不考虑进口锥角为20°的情况下，本文接下来只对进口锥角14°、16°、18°的限流阀渐扩端端口的质量流量进行计算，结果如表1所示。

表1 不同进口锥角限流阀出口末端的质量流量

综合不同进口锥角限流阀流场仿真结果及分析，选择限流阀进口锥角为14°。

由于前期已对出口锥角为6°限流阀进行了仿真，因此以下只针对出口锥角角度为5°、7°限流阀进行Fluent仿真，仿真结果的压力云图和速度矢量图如图3、图4所示。

图3 不同出口锥角限流阀的压力云图

图4 不同出口锥角限流阀速度矢量云图

图3中，结合已仿真过的6°出口锥角，可以发现限流阀出口锥角角度与喉口处压力变化成正线性关系，由于出口锥角角度为7°时限流阀进出口压力不一样，说明此时限流阀整体存在压力损失，故在设计中将对该角度不作考虑。

图4中，结合已仿真过的6°出口锥角，限流阀出口锥角角度与喉口处流速成负相关。当出口锥角为7°时，因流速较慢会增加流动过程中能量损失。

综合图3、图4分析，确定本次设计不考虑出口角为7°的情况，接下来只对出口锥角5°和6°的出口端端面质量流量进行计算，结果如表2所示。

表2 不同出口锥角限流阀出口端质量流量

结合上述仿真结果及分析、出口端质量流量数据，因此选择限流阀出口锥角为5°。

1.2 进气系统结构形式

为了避免进气总管与赛车车身的干涉，最后将进气总管设置成一段弯曲角度为90°、半径为100mm、直径为70mm的弯管。

为了减弱因加装一段弯管造成稳压腔内波动效应的紊乱程度增加及每个气缸进气效率不平衡的影响，故将稳压腔设置为一种圆台与半球的组合体。稳压腔初始容积设定为3L，进气歧管初始长度设为260mm。进气系统简化的三维模型如图5所示。

图5 进气系统的三维模型

2 仿真模型的建立

2.1 数学模型的建立

利用GT-Power软件建立内燃机整机仿真模型，采用有限容积解析流体流动控制方程；燃烧模型采用Wiebe模型[5]模拟放热规律；缸内传热模型采用WoschniGT模型[6]。

1)流动方程

(1)

(2)

(3)

式中：u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。

2)燃烧模型

(4)

3)传热模型

(5)

式中：Cf为气体流速；Ueff为边界层外有效速度；CP为气体比热容；Pr为普朗克数。

2.2 发动机基本参数

本赛季以Honda CBR600发动机作为动力源，其基本参数如表3所示。

表3 CBR600发动机基本参数

2.3 发动机整机一维模型的建立

内燃机整机仿真模型主要由进气系统、气缸、曲轴箱和排气系统组成。基于内燃机进排气门几何参数以及内燃机基本参数，建立了内燃机进排气阀门、进气道、气缸及曲轴箱模型。内燃机GT-Power仿真模型如图7所示。

图6 发动机整机一维仿真模型

在发动机整体一维模型中，以空滤器进口和发动机排气歧管出口为边界，边界压力为0.1MPa，温度为300K，进气系统仿真模型是其初始的三维模型通过GM3D离散得到的。

3 仿真计算与分析

3.1 稳压腔容积对发动机性能的影响

稳压腔是进气系统中气流稳定中枢，如果设计不合理，稳压腔中的波动效应会使得各缸进气不均匀，造成发动机进气效率降低，影响发动机性能的输出，严重时还会缩短发动机的寿命。所以将稳压腔容积作为目标优化参数，分析容积分别为2L、2.5L、3L、3.5L时对内燃机性能的影响，选出适合本次设计的稳压腔容积。仿真结果如图7所示。

图7 稳压腔容积对发动机性能的影响

由图7可得，发动机转速在6 000～7 000r/min区间内，充气效率和转矩的曲线均呈现下降趋势，在7 000r/min时充气效率和转矩均降到低谷。但在7 000～9 000r/min区间内转矩和充气效率都有了显著的提升且在9 000r/min达到中高转速区间内的首个峰值。从而得出，稳压腔容积变化主要影响高转速时的发动机性能，考虑到赛车比赛常用转速为8 000r/min左右，故选择3.5L的稳压腔为设计参数。

3.2 进气歧管对发动机性的影响

根据动态效应的理论研究可知，合理设计进气歧管的长度会对发动机充气效率的提高有一定促进作用，故以其长度作为目标优化参数。分析进气歧管长度为80mm、140mm、200mm、260mm、320mm时对内燃机动力性能的影响，选出最佳的歧管长度。仿真结果如图8所示。

图8 进气歧管长度对发动机性能的影响

由图8可知，进气歧管长度从80mm增加320mm时，在5 000～10 000r/min区间内对内燃机动力性能有着显著的影响；在5 000～7 000r/min区间内，随着进气歧管长度的增加，转矩和充气效率的峰值也在增加；转速在7 000～10 000r/min区间内，内燃机的功率随着长度的增加反而降低。由此可以得出，歧管长度主要对内燃机进气效率和转矩的输出造成影响。综合赛车实际的运行工况以及曲线走势的平稳性，当歧管长度为140mm时，内燃机动力性能输出更为稳定。

3.3 改进前后对比

综合上述分析结果及整车的空间布置，最终的设计结果将限流阀进出口锥角分别设置为14°和5°，进气歧管长度为140mm，进气总管是一段直径为100mm的弯管，稳压腔容积为3.5 L。与2020赛季限流器垂直布置的进气系统对比结果如图9所示。侧置进气式进气系统在7 500～10 000r/min速区间内，内燃机性能均有明显的改善，其中转矩的涨幅为3.42%，功率涨幅为2.85%，充气效率涨幅为2.98%。

图9 改进前后系统性能对比结果

4 结语

本文针对新赛季赛车整车空间布局的设置和限流阀加装造成的发动机性能降低的影响，构建出侧置进气式进

气系统并初步选定进气系统结构参数；通过限流阀流场仿真与一维内燃机工作过程仿真相结合，对侧置进气式进气系统进行优化处理，得出将限流阀进出口锥角分别设置为14°和5°、进气歧管长度为140mm、稳压腔容积为3.5L时，内燃机在赛车常用转速区间内转矩和功率输出更加稳定，且进气效率也有明显的改善。