馮勇，陽林，彭仁杰，周永光

（廣東工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，廣東 廣州 510006）

FSAE賽車進(jìn)氣限流閥的對(duì)比仿真分析

馮勇，陽林，彭仁杰，周永光

（廣東工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，廣東 廣州 510006）

本文分析了進(jìn)氣限流閥對(duì)賽車性能的影響，并利用Fluent軟件對(duì)6°、7°、8°擴(kuò)散器錐角的三種限流閥方案進(jìn)行分析和比較，根據(jù)對(duì)比分析結(jié)果最終選出最優(yōu)的限流閥方案，為以后對(duì)限流閥擴(kuò)散器錐角的優(yōu)選提供了一種參考方法。

FSAE；Fluent仿真；進(jìn)氣限流閥；擴(kuò)散器錐角

CLC NO.: U461.2 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2014)09-15-04

引言

FSAE比賽是一項(xiàng)由汽車工程相關(guān)專業(yè)的學(xué)生團(tuán)隊(duì)參加的汽車設(shè)計(jì)與制造的中國大學(xué)生方程式汽車大賽。按照賽事制定的規(guī)則和賽車設(shè)計(jì)與制造的標(biāo)準(zhǔn)，參賽的小型單人座賽車能夠成功完成全部或部分賽事，并且在加速、制動(dòng)、操控性等方面具有優(yōu)異表現(xiàn)。按照大賽規(guī)則要求，賽車使用小于610CC容量的發(fā)動(dòng)機(jī)，進(jìn)行多個(gè)項(xiàng)目的比賽[1]。

FSAE賽車的汽油機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)主要包括空氣濾清器、諧振腔、進(jìn)氣歧管、節(jié)氣門等機(jī)構(gòu)[2]。從第二屆中國FSAE大賽開始，組委會(huì)要求FSAE賽車用發(fā)動(dòng)機(jī)的所有進(jìn)氣都要通過限流閥，截面為圓形，直徑為20mm的限流閥的位置必須安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)氣門和進(jìn)氣門之間[3]，如圖1所示。

為了提高限流以后發(fā)動(dòng)機(jī)的充氣效率，提高賽車的動(dòng)力性，全國各個(gè)高校車隊(duì)均對(duì)限流后如何提高發(fā)動(dòng)機(jī)的充氣效率這個(gè)課題進(jìn)行了研究，因?yàn)镕SAE賽車的進(jìn)氣限流閥對(duì)賽車發(fā)動(dòng)機(jī)的整機(jī)性能與充量系數(shù)有很大影響[4]。綜上可知，進(jìn)氣限流閥的研究對(duì)于賽車的性能提升具有重要的意義。

1、限流閥的理論研究

充量系數(shù)φc定義為每缸每循環(huán)實(shí)際吸入氣缸的新鮮空

氣質(zhì)量與進(jìn)氣狀態(tài)下理論計(jì)算充滿氣缸工作容積的空氣質(zhì)量比值。

式中：V1，m1表示進(jìn)氣狀態(tài)下實(shí)際進(jìn)入氣缸的新鮮空氣的體積和質(zhì)量；Vs，ms表示進(jìn)氣狀態(tài)下理論上充滿氣缸工作容積的空氣的體積和質(zhì)量。

殘余廢氣系數(shù)φr是進(jìn)氣過程結(jié)束時(shí)，氣缸內(nèi)殘余廢氣量mr與進(jìn)入氣缸中新氣充量md的比值，即

充量系數(shù)與殘余廢氣系數(shù)之間的關(guān)系為[3]：

式中：ζ為考慮排氣門遲后角影響的系數(shù)，εc為發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮比，Ts，Ps為進(jìn)氣狀態(tài)的溫度和壓力（對(duì)于非增壓發(fā)動(dòng)機(jī)，進(jìn)氣狀態(tài)就是大氣狀態(tài)），Ta，Pa為進(jìn)氣終點(diǎn)的溫度和壓力。

根據(jù)式(3)可知，進(jìn)氣壓力Pa與充量系數(shù)φc成正比，Pa高則φc就大，Pa低則φc就小。而進(jìn)氣限流閥在中低轉(zhuǎn)速、部分負(fù)荷條件下，就類似一個(gè)半開的節(jié)氣門，讓進(jìn)氣道內(nèi)的壓力Pa比正常情況低[5]，從而降低發(fā)動(dòng)機(jī)的充量系數(shù)φc，進(jìn)而限制各個(gè)工況的扭矩。

另一方面，進(jìn)氣限流閥會(huì)限制單位時(shí)間內(nèi)的最大進(jìn)氣量。根據(jù)流體力學(xué)知識(shí)，管道內(nèi)的氣流速度越快，效率就越低，當(dāng)氣流速度接近0.5馬赫的時(shí)候，實(shí)際進(jìn)氣量就會(huì)達(dá)到瓶頸。在常溫常壓下，20mm管徑的這個(gè)瓶頸數(shù)值，大約在70g/s左右。換句話說，在管徑限定的情況下，無論如何，進(jìn)氣管在單位時(shí)間進(jìn)氣量就只能是這么多，進(jìn)而限制了發(fā)動(dòng)機(jī)的最大功率[5]。

2、限流閥結(jié)構(gòu)分析與建模

2.1 限流閥結(jié)構(gòu)分析

限流閥將進(jìn)氣系統(tǒng)的前端截面縮小至20mm口徑。本文限流閥開口有一定的錐角，外緣呈喇叭口展開，由于限流閥本體是一個(gè)進(jìn)氣管截面逐漸收小的過程，喇叭口和錐角的設(shè)計(jì)可以更好地收攏空氣，為限流閥引流。從多篇國外資料中查得，40°為最佳限流閥開口參數(shù)[6]。同時(shí)，針對(duì)限流閥本身給進(jìn)氣流速和進(jìn)氣壓力造成的巨大損失，在限流閥后部安裝擴(kuò)散器，它是由一定的錐角構(gòu)成的經(jīng)典的文氏管，截面積逐漸變大，一個(gè)精心設(shè)計(jì)的擴(kuò)散器可以有效地將限流閥造成的損失降低至最小。根據(jù)多篇國外資料中闡述，6°～8°左右為最佳擴(kuò)散器錐角參數(shù)[6]，長度則是在總布置合理的情況下越長越好。

限流閥結(jié)構(gòu)如圖2所示，根據(jù)前一屆賽車的限流閥參數(shù)的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)初定參數(shù)：進(jìn)口漸縮長度L1=40mm，出口漸擴(kuò)長度L2=110mm，進(jìn)口錐角A=40°，出口擴(kuò)散器錐角待定。

2.2 限流閥的建模

利用UG建立限流閥三維模型，其三維模型很簡單，包括進(jìn)氣管截面逐漸收小的限流閥本體和截面積逐漸變大的擴(kuò)散器，以7°錐角擴(kuò)散器的限流閥為例建模，取：進(jìn)口漸縮長度L1=40mm，出口漸擴(kuò)長度L2=110mm，進(jìn)口錐角A=40°，出口擴(kuò)散器錐角B=7°，建立的限流閥三維模型如圖3所示。

3、三種擴(kuò)散器錐角的限流閥方案仿真及對(duì)比分析

本文取擴(kuò)散器錐角6°～8°范圍內(nèi)的三個(gè)錐角6°、7°、8°進(jìn)行仿真分析。

對(duì)于6°和8°擴(kuò)散器錐角的限流閥，依照7°錐角擴(kuò)散器限流閥建模步驟建立這兩個(gè)錐角限流閥的三維UG模型，將三種錐角的限流閥三維模型導(dǎo)入Fluent軟件中，對(duì)計(jì)算區(qū)域采用多面體網(wǎng)格，邊界層網(wǎng)格加密。利用FLUENT軟件分析其壓力與流速的變化，并作比較。邊界條件設(shè)置如下：

壓力入口（Pressure inlet）：1x105Pa

壓力出口（Pressure outlet）：0Pa

殘差設(shè)定：1x10-3

3.1 限流閥6°錐角擴(kuò)散器分析

由圖5可知，最高流速出現(xiàn)在限流閥中央，其值為1.87e+03m/s，最低流速出現(xiàn)在擴(kuò)散器末端，其值為6.24e+01m/s。

由圖6可知，最高壓力出現(xiàn)在限流閥開口處，其值為1.77e+04Pa，最低壓力出現(xiàn)在限流閥中間處，其值為-2.36e+06Pa，擴(kuò)散器末端壓力為-6.15e+04Pa

3.2 限流閥7°錐角擴(kuò)散器分析

由圖8可知，最高流速出現(xiàn)在限流閥中央，其值為1.55e+03m/s，最低流速出現(xiàn)在擴(kuò)散器末端，其值為5.18e+01m/s。由圖9可知，最高壓力出現(xiàn)在限流閥開口處，其值為

4.39e+04Pa，最低壓力出現(xiàn)在限流閥中間處，其值為

-1.59e+06Pa，擴(kuò)散器末端壓力為-1.06e+04Pa。

3.3 限流閥8°錐角擴(kuò)散器分析

由圖11可知，最高流速出現(xiàn)在限流閥中央，其值為1.40e+03m/s，最低流速出現(xiàn)在擴(kuò)散器末端，其值為4.00e+01m/s。

由圖12可知，最高壓力出現(xiàn)在限流閥開口處，其值為5.48e+04Pa，最低壓力出現(xiàn)在限流閥中間處，其值為-1.28e+06Pa，擴(kuò)散器末端壓力為-1.20e+04Pa。

3.4 限流閥擴(kuò)散器對(duì)比分析

通過對(duì)6°7°8°三種不同錐角條件下的限流閥擴(kuò)散器速度云圖、壓力云圖分析，對(duì)比結(jié)果如表1。

表1 三種不同錐角的限流閥分析結(jié)果對(duì)比

對(duì)比以上表1的數(shù)據(jù)可知，空氣流量是7°錐角時(shí)最高，限流閥末端壓力是7°錐角時(shí)最高（即進(jìn)氣壓力損失是7°錐角時(shí)最?。?/p>

基于上面限流閥的理論研究可知：限流閥是通過影響進(jìn)氣壓力和進(jìn)氣流量而限制發(fā)動(dòng)機(jī)的性能的。所以，限流閥擴(kuò)散器的評(píng)判依據(jù)就以進(jìn)氣壓力損失和空氣流量為指標(biāo)。限流閥的進(jìn)氣壓力損失越小，發(fā)動(dòng)機(jī)的充量系數(shù)φc越大，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩提升越有利；限流閥的空氣流量（即進(jìn)氣流量）越大，限流閥在單位時(shí)間內(nèi)的進(jìn)氣量就大，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的功率提升越有利。所以，出口擴(kuò)散器錐角選為為7°是最佳方案。

綜上可知，為保證進(jìn)氣氣流的穩(wěn)定，確定限流閥參數(shù)如下：進(jìn)口漸縮長度L1=40mm，出口漸擴(kuò)長度L2=110mm，進(jìn)口錐角A=40°，出口擴(kuò)散器錐角B=7°，漸擴(kuò)末端與諧振腔連接，其長度與諧振腔配合，可略變。

4、結(jié)論

本文從充量系數(shù)和最大進(jìn)氣量兩方面分析了進(jìn)氣限流閥對(duì)賽車動(dòng)力性的影響，進(jìn)而借助Fluent軟件對(duì)具有6°、7°、8°擴(kuò)散器錐角的三種限流閥方案進(jìn)行仿真分析，并依據(jù)空氣流量和進(jìn)氣壓力損失為指標(biāo)來綜合比較三種方案，并最終確定限流閥出口擴(kuò)散器錐角B=7°為最佳方案。這為日后利用仿真軟件對(duì)進(jìn)氣限流閥的仿真分析與優(yōu)選提供了一種參考方法。

[1] 賀彤陽，何山，黎杰，肖國權(quán),雷雄．大學(xué)生FSAE賽車發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]．機(jī)械工程師，2012，11：20-23．

[2] 許建民，劉金武，李曉宇．FSAE賽車進(jìn)氣系統(tǒng)改進(jìn)設(shè)計(jì)[J]．廈門理工學(xué)院學(xué)報(bào)，2009，17（4）：44-47．

[3] 彭才望．FSAE賽車用發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣性能研究[D] ．廣東：廣東工業(yè)大學(xué)，2013．

[4] 許俊．基于進(jìn)氣限流下的FSAE賽車發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)與仿真研究[D] ．四川：西華大學(xué)，2012．

[5] FSAE中國聯(lián)盟．FSAE賽車進(jìn)氣限制器[EB/OL] ．http://cnfsae. com/viewthread. php?tid=2917，2012．

[6] 江大之星車隊(duì)．江蘇大學(xué)2011年“江大之星”車隊(duì)賽車設(shè)計(jì)報(bào)告[R] ．江蘇，江蘇大學(xué)，2011．

[7] 陳家瑞．汽車構(gòu)造（第3版）[ M ] ．北京：機(jī)械工業(yè)出版社 ，2009．

The Contrast Simulative Analysis of Intake Flow-limiting Valve on FSAE Racing Car

Feng Yong, Yang Lin, Peng Renjie, Zhou Yongguang
(Faculty of Electromechanical Engineering, Guangdong University of Technology, Guangdong Guangzhou 510006)

In this paper, the influence of intake flow-limiting valve on FSAE racing car’s performance is analyzed. Then three intake flow-limiting valve solutions with different diffuser cone angle of 6°、7°、8°are analyzed based on Fluent software. Finally, the best solution is chosen according to the result of comparison analysis, and thus a certain reference for optimizing the diffuser cone angle of intake flow-limiting valve.

FSAE；fluent simulation；intake flow-limiting valve；diffuser cone angle

U461.2

A

1671-7988(2014)09-15-04

馮勇，就讀于廣東工業(yè)大學(xué)，研究方向電動(dòng)汽車關(guān)鍵技術(shù)。