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毕业设计论文fsae进气系统设计与分析管理资料

摘要

本毕业设计课题来自我校第二届FSAE赛车项目课题。

FSAE赛事中文名称为大学生方程式赛，是上世纪70年代由美国汽车工程师协会发起，三十一年以来发展至世界各地，致力于培养汽车方向的大学生各方面综合能力。

此项赛事结合了专业知识与工程实践能力，有利于提高大学生的汽车和零部件的自主研发能力。

本文以2011年全国第二届FSAE大学生方程式赛为背景，设计研发一辆符合参赛规则的方程式赛车。

FSAE赛车进气系统以减少进气阻力，增强发动机充气效率，增强动力的同时要使赛车手便于操控为目标，对进气系统进行合理的设计。

通过调研国外资料并结合发动机特性确定进气形式，论文确定了赛车的进气设计方案，并对其进行详细阐述，再利用进气管设计公式计算所需工况的进气歧管参数，使用CATIA对进气管三维建模，根据建模后的几何参数，利用赫尔姆霍兹进气谐振原理对其进行验算，最后使用Fluent进行仿真分析，结果表明，所设计的进气系统能够满足FSAE赛车的要求，并根据仿真分析结果，进行几何形状优化。

本文的主要工作是初步实现了在理论上对FSAE赛车的进气系统做设计与分析，进一步了解FSAE赛车发动机进气的设计要求和特点。

这对FSAE赛车发动机性能改进有着实际意义。

关键词：

发动机进气，设计，流体力学分析，Fluent，文氏管

IntakeDesignofFSAECar

ABSTRACT

Thisgraduationprojecttopiccomesfromtheself-schoolsecondsessionofFSAEvehicleraceprojecttopic.ThesportseventFSAEinChinesenametheuniversitystudentformulamatch,wasinitiatedinthe1970sbyAmericanautomobileEngineer,since31yearshavedevelopedtotheworld,devoteinraiseautomotiveuniversitystudentvariousaspectssynthesizingcapacity.Thissportseventunifiedthespecializedknowledgeandtheprojectpracticalability,isadvantageousinenhancinguniversitystudent'sselfindependentresearchanddevelopmentabilityinautomobileandparts.

Thisarticletake2011nationalsecondsessionofFSAEtheuniversitystudentformulamatchasthebackground,thedesignresearchesanddevelopsonetoconformtotheparticipativeruleformulacar.ThegoalofFSAEracingcarintakesystemisreducingtheintakeresistance,strengthentheenginechargeefficiency,enhancethepoweratthesametimemustmaketheracingdrivertobeadvantageousforthecontrol,carriesonthereasonabledesigntotheintakesystem.

Thepaperhaddeterminedracingcar'sintakedesignproposal,andunifiestheengineperformancedeterminationintakeformthroughtheinvestigationandstudyoverseasmaterial,andcarriesonthedetailedelaborationtoit,needstheoperatingmodeagainusingtheintaketubedesignformulacomputationtheintakemanifoldparameter,usesCATIAfortheintakemanifoldmodeling,afterthemodelinggeometricparameter,thisintakeresonanceprinciplecarriesonthecheckingcalculationusingHelmholtzresonanceprincipletoit,finallyusesFluenttocarryonthesimulation.TheresultsaidthatthisdesignisaccordwiththedemandofFSAE,andthecomparativeanalysisresultsandmakestheoptimizationforitsgeometricalshape.

TheprimetaskofthearticlewasrealizesinitiallyhasmadethedesignandtheanalysistheoreticallytotheFSAEracecar'sintakesystem,furtherunderstoodtheFSAEracingcarengine'sintakedesignrequirementsandthecharacteristic.ThishasthepracticalsignificancetotheFSAEracingcarengineperformanceimprovement

KeyWords：

engineintake,design,CFD,Fluent，Venturi.

FSAE赛车进气系统设计与分析

邹瑜辰061107116

0引言

赛车，一个熟悉而又陌生的名字。

众所周知，赛车运动是流行于世界各地汽车工业发达国家的热门运动，不同于一般的体育运动，赛车研发的尖端科技往往被逐步引入民用车中，造福于整个汽车工业的发展。

FSAE赛事则是致力于从培养汽车工程方向的在校大学生，研究生的创造力，实践能力。

对于大学生而言，使用8至12个月去自助设计并制造一辆方程式赛车是个巨大的挑战，是理论与实践相结合的充分体现。

本文正是结合上海工程技术大学2011届FSAE车队的实际工作，完成了一套FSAE赛车发动机进气系统的设计。

1绪论

大学生方程式汽车大赛简介

大学生方程式赛车（FormulaSAE）在国际上被视为“学界的F1方程式赛车”。

该赛事不单单是一项赛车竞技，更是一项赛车设计与团队运作的综合竞赛。

作为美国汽车工程师协会于1979年创办的赛事，FSAE已经有三十一年的历史了，目前举办该赛事的国家除美、英、德、意、澳及巴西，日本也于几年前加入推广这项比赛，此赛事致力于培养及训练车辆工程研发设计人才。

该赛事于2010年正式进入中国，由中国汽车工程师协会承办，第一年便得到广大具有汽车工程特色的学校响应，超过20支车队参加了第一届比赛的报名。

然而，在此之前，湖南大学HNU车队已作为国内首支车队于2007年6月参加了在美国加州举行的SAE方程式赛车比赛，并取得了比较好的成绩，随后同济、厦门理工、上海交大也相继远赴海外参加到这项赛事中。

首次代表中国出征的湖南大学HNU车队

FSAE赛事能进入中国是件值得高兴的事。

这不仅能够提供大学生们亲自参与设计制造的机会，更促进了与其他院校的学生交流的机会，并更深入地接触社会，培养了学生的综合能力，同时也能通过FSAE赛车来展示我校汽车学院的风采，这无疑是一件双赢的事。

汽车发动机进气系统的简介

定义

汽车的进气系统是把空气或混合气导入发动机气缸的零部件集合体。

发动机是工程机械的心脏，而进气系统则是发动机的动脉，进气系统的合理性直接影响发动机的性能、寿命，从而影响整机的性能、寿命及环保性。

进气系统的功能是为发动机提供清洁、干燥、充足的空气，系统中主要组件空滤器、管路及其设计安装将直接影响发动机功能的发挥、工作的稳定性、可靠性，甚至大大缩短其寿命。

基本构成

进气系统包含了空气滤清器、进气歧管、进气门机构。

空气经空气滤清器过滤掉杂质后，流过空气流量计，经由进气道进入进气歧管，与喷油嘴喷出的汽油混合后形成适当比例的油气，由进气门送入气缸内点火燃烧，产生动力。

1-节气门体；2-进气管后段；3-空气流量计；4-空气滤清器5-进气管前段

发动机进气系统构成

进气形式

汽车的进气方式主要分为三大类：

（1）自然进气：

汽车最传统的进气方式，一般的引擎是以气缸内产生的负压力，将外部空气吸入，这种方式称之为自然吸气（NaturallyAspirated），简称NA。

（2）涡轮增压：

涡轮增压器的两侧涡轮叶片链接发动机的进气管与排气管，在引擎运作的情况下，利用排出的废气推动排气涡轮叶片，从而带动进气涡轮叶片吸入空气，并利用离心增压原理通过壳体管道排出，进入发动机的进气管，达到增压效果，使进气量增大，实现更大的动力输出。

（3）机械增压：

这个装置安装在发动机上并由皮带与发动机曲轴相连接，从发动机输出轴获得动力来驱动增压器的转子旋转，从而将空气增压吹到进气岐道里。

其优点是涡轮转速和发动机相同，因此没有滞后现象，动力输出非常流畅。

但是由于装在发动机转动轴里面，因此还是消耗了部分动力，增压出来的效果并不高。

汽车发动机进气系统发展趋势

近年来，汽车发动机进气技术的革新主要体现在“可变”这一思想上。

由于汽车发动机的工况可能每时每刻都在改变，不同的转速与负荷有着相对应的进排气系统理想参数。

但是早前的发动机，进气系统是不可变的，故只能在一个特定的工况范围中才能被评判为最理想。

而现代的可变进气管长度，可变气门正时，可变截面涡轮增压，可变涡流控制，可变气门升程等技术都是为了更好地去匹配发动机运转中随时而变的工况，以提高充气效率。

目前最主流的则是分别以日本丰田汽车公司VVT技术和本田汽车公司VTEC技术为代表的两种可变配气技术。

可变配气技术，从大类上分，包括可变气门正时和可变气门行程两大类。

气门是由发动机的曲轴通过凸轮轴带动的，气门的配气正时取决于凸轮轴的转角。

在发动机运转的时候，需要让更多的新鲜空气进入到燃烧室，让废气能尽可能的排出燃烧室，最好的解决方法就是让进气门提前打开，让排气门推迟关闭。

这样，在进气行程和排气行程之间，就会发生进气门和排气门同时打开的情况，这种进排气门之间的重叠被称为气门叠加角。

在普通的发动机上，进气门和排气门的开闭时间是固定不变的，气门叠加角也是固定不变的，是根据试验而取得的最佳配气定时，在发动机运转过程中是不能改变的。

然而发动机转速的高低对进，排气流动以及气缸内燃烧过程是有影响的。

转速高时，进气气流流速高，惯性能量大，所以希望进气门早些打开，晚些关闭，使新鲜气体顺利充入气缸，尽量多一些混合气或空气。

反之在在发动机转速较低时，进气流速低，流动惯性能量也小，如果进气门过早开启，由于此时活塞正上行排气，很容易把新鲜空气挤出气缸，使进气反而少了，发动机工作不稳定。

因此，没有任何一种固定的气门叠加角设置能让发动机在高低转速时都能完美输出的，如果没有可变气门正时技术，发动机只能根据其匹配车型的需求，选择最优化的固定的气门叠加角。

例如，赛车的发动机一般都采用较小的气门叠加角，以有利于高转速时候的动力输出。

而普通的民用车则采用适中的气门叠加角，同时兼顾高速和低速是的动力输出，但在低转速和高转速时会损失很多动力。

而可变气门正时技术，就是通过技术手段，实现气门叠加角的可变来解决这一矛盾。

VVT-i是丰田公司的智能可变气门正时系统的英文缩写。

VVT-i可以连续调节气门正时，但不能调节气门升程。

它的工作原理是：

当发动机由低速向高速转换时，电子计算机就自动地将机油压向进气凸轮轴驱动齿轮内的小涡轮，这样，在压力的作用下，小涡轮就相对于齿轮壳旋转一定的角度，从而使凸轮轴在60°的范围内向前或向后旋转，从而改变进气门开启的时刻，达到连续调节气门正时的目的。

90年代初，日本本田公司推出一种即可改变配气正时，又能改变气门运动规律的可变配气定时－升程的控制机构，是世界上第一个能同时控制气门开闭时间及升程等两种不同情况的气门控制系统。

就是现在大家耳熟能详的VTEC机构：

一般发动机每缸气门组只由一组凸轮驱动，而VTEC系统的发动机却有中低速用和高速用两组不同的气门驱动凸轮，并可通过电子控制系统的自动操纵，进行自动转换。

采用VTEC系统，保证了发动机中低速与高速不同的配气相位及进气量的要求，使发动机无论在何速率运转都达到动力性、经济性与低排放的统一和极佳状态。

需要说明的是，发动机采用可变配气定时技术获得上述好处的同时，没有任何负面影响，换句话说，就是没有对于发动机的工作强度提出更高的要求。

VTEC的设计就好像采用了两根不同的凸轮轴似的，一根用于低转速，一根用于高转速，但是VTEC发动机的不同之处就在于将这样两种不同的凸轮轴设计在了一根凸轮轴上。

本田发动机进气凸轮轴中，除了原有控制两个气门的一对凸轮（主凸轮和次凸轮）和一对摇臂（主摇臂和次摇臂）外，还增加了一个较高的中间凸轮和相应的摇臂（中间摇臂），三根摇臂内部装有由液压控制移动的小活塞。

发动机低速时，小活塞在原位置上，三根摇臂分离，主凸轮和次凸轮分别推动主摇臂和次摇臂，控制两个进气门的开闭，气门升量较少，情形好像普通的发动机。

虽然中间凸轮也推动中间摇臂，但由于摇臂之间已分离，其它两根摇臂不受它的控制，所以不会影响气门的开闭状态。

发动机达到某一个设定的高转速时，电脑即会指令电磁阀启动液压系统，推动摇臂内的小活塞，使三根摇臂锁成一体，一起由中间凸轮驱动，由于中间凸轮比其它凸轮都高，升程大，所以进气门开启时间延长，升程也增大了。

当发动机转速降低到某一个设定的低转速时，摇臂内的液压也随之降低，活塞在回位弹簧作用下退回原位，三根摇臂分开。

整个VTEC系统由发动机电子控制单元（ECU）控制，ECU接收发动机传感器（包括转速、进气压力、车速、水温等）的参数并进行处理，输出相应的控制信号，通过电磁阀调节摇臂活塞液压系统，从而使发动机在不同的转速工况下由不同的凸轮控制，影响进气门的开度和时间。

本田的VTEC发动机技术已经推出了十年左右了，事实也证明这种设计是可靠的。

它可以提高发动机在各种转速下的性能，无论是低速下的燃油经济性和运转平顺性还是高速下的加速性。

在电子控制阀门机构代替传统的凸轮机构之前，本田的VTEC技术在目前可以说是一种很好的方法。

FSAE赛车进气系统与量产车比较

FSAE规则对进气系统限制

（1）进气系统必须不超出外框，也就是从防滚架顶部到四个轮胎的外缘的连线外处。

（2）节气门必须为机械控制，如通过拉线或连杆系统。

禁止使用电子节气门（ETC）或类似的线控系统。

（3）为限制发动机功率，一个内部截面为圆形的限流阀必须安装在进气系统的节气门与发动机之间，并且所有发动机的进气气流都应流经此限流阀。

且使用汽油为燃料的限流阀直径最大为20mm。

（4）若使用增压器，限流阀必须安装在增压设备与化油器或节气门之间。

因此，唯一允许的顺序为：

节气门、限流阀、增压设备、发动机。

外框后视图

外框侧视图

Nozzle-限流阀开口；20mmRestrictor-20mm限流阀；Diffuser-扩散器

限流阀及文氏管结构

FSAE赛车进气系统主要构成

FSAE发动机总成结构图

构成：

空气滤清器，限流阀开口，节气门体，限流阀，涡轮/机械增压器，限流阀扩散器，稳压腔，进气道。

由于规则对进气的限制，限流阀及相对应的限流阀扩散器，稳压腔成为了FSAE赛车进气系统有别于民用车的特别之处。

此外，赛车的进气系统以发挥发动机最大性能为目的，故进气歧管应按照赛车最佳加速性工况，也就是让发动机发挥出高转速动力输出区域，使其在7000rpm至11000rpm时起到进气谐振作用，进气歧管将会相较于民用车而显得短。

此外，因为专用ECU控制模块的功能局限性，目前并没有引入可变技术在FSAE赛车进气系统中的案例。

国内外FSAE赛车进气系统现状与发展

2010年中国第一届FSAE大学生方程式赛，由于组委会限定所有车队必须使用统一规格的春风CF188，单缸化油器水冷发动机，国内的现状则是部分车队保留其化油器装置，则进气系统无特别设计要求，对于化油器喉管而言，位于喉管之前的任何零件只要求使进气气流越顺畅越好。

而部分学校车队，对发动机改装了春风公司为CF188配备的电控电喷模块，进气系统则可以按照FSAE常规的自然进气方案对其设计。

也有少部分学校做得比较超越，他们不但为发动机换上电控模块，还为其加装了增压装置，例如吉林大学为CF188改造了涡轮增压进气系统。

但由于改装涡轮增压需要面临很多有待解决的问题，在没有充分的经验和手段下，很可能使发动机工作出现问题。

吉林大学的赛车则在2010年FSAE大赛的耐久赛中因为发动机过热冒烟而没能完成该项目的比赛。

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2010年吉林大学装备涡轮增压的进气系统

2011年国内取消了对发动机规格的限制，凡是610cc以下的发动机可由车队自由选择，例如我校选择的本田CBR600F4i本身已是电控发动机，选择使用强制进气的车队将涌现的更为频繁，而成果怎样，让我们拭目以待。

至于国外对于FSAE进气系统的发展则与国内有所不同，曾经在与劳伦斯理工大学车队交谈时，他们提到，很多人会尝试去为发动机加装涡轮增压，往往只看到了其正面的影响，那就是动力获得提升，但是涡轮增压带来的负面影响远远超出了他们的想象，他们车队使用了四年的涡轮增压，可是仍然有许多问题未能处理好，弊端也同时无法避免，于是在今年，他们放弃了使用涡轮增压而回归自然进气。

这是他们的选择也是很多车队地选择。

事实上，在刚刚顺利举办完毕的美国密切跟FSAE大赛上，事实证明，排名靠前的都是使用自然进气的车队。

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2010年密歇根州立大学FSAE进气系统

2进气系统方案设计

进气系统设计流程

进气系统设计首先是要了解发动机自身特性。

此次使用的本田CBR600F4i发动机是来自本田高性能公路摩托车CBR600的一款摩托车发动机。

发动机，离合器，变速器为一体式结构，变速器末端以链轮直接输出。