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1．引言

大学生方程式汽车大赛规则规定应在一年内制造完成一辆赛车。换句话说,规划、开发、设计、制造和实验必须在这个时期完成。我们大学的团队已经参加了两年比赛,美国赛在5月，日本赛在9月。由于日本队已经参与了FSAE 2000年的美国赛，我们的团队需要在从今年10月开始到明年2月的5个月内完成所有的工作，设计并制造一辆新的赛车。

2.研究流程

本研究描述了一些发动机改进设计,改进使得发动机至少比我们车队去年的发动机性能优秀，以确保赛车的耐用性、动力性和可靠性来完成所有的动态赛并且成绩超过前一年。我们计划安装一个典型商用涡轮增压器到自然吸气式发动机上，以得到更高的发动机的性能。为了完成这些目标，我们的计划如下。

(1)问题和要点在于基于自然吸气发动机的涡轮增压器，必须通过实验测试，检测涡轮增压器和自然吸气发动机进排气系统的组合效果。

(2)涡轮增压器型号和进气稳压箱的体积通过实验结果来选择。稳压箱的形状和进气限流阀的形状设计使用CFD(计算流体动力学)分析确定。

(3)VES发动机模型(虚拟仿真引擎)是由原始的发动机模型，依据我们将要设计的进气系统和排气系统的布置调整参数得到的。可以使得仿真结果向实验结果靠近。赛车车辆的涡轮增压器的基本参数型号由上述模型的VES仿真计算结果确定,发动机每个参数的改变都与发动机功率有关。

(4)决定发动机参数规格后,涡轮增压发动机进行基础测试,以检测发动机性能仿真计算结果是否符合实际结果。

3.涡轮增压器加装需要考虑的问题

涡轮增压器是一种利用通常被浪费掉的排放废气的动能做能源的空气泵。首先废气推动涡轮转子转动(热端)，然后热端的转子与压缩器转子(冷端)相联，当压缩机转子和废气涡轮转子被发动机排气能量驱动,大量的空气就被压缩送入发动机的燃烧室。也就是说，大量的压缩空气使更多的燃料随着空气进入燃烧室,涡轮增压发动机可以在排量相同的情况下输出高于自然吸气式发动的功率。然而另一方面,更高的燃料消耗和动力性的涡轮增压发动机也伴随着一些问题,如更高的冷却要求和其具有较低的可靠性。此外,FSAE赛事做出的关于涡轮增压和机械增压的规定如下：“只允许使用竞赛团队自行设计安装的涡轮增压器或机械增压器。不允许使用原厂就配备的涡轮增压器和机械增压器。限流阀必须处在增压器在进气系统中的上游位置。因此,唯一允许的顺序是节气门，限流阀，增压器，发动机。只能用空冷来冷却中冷器机油”。

3.1涡轮增压器的选择

假定涡轮增压器可以在低驱动气压和低发动机转速范围下启动,我们选择两种IHI公司生产的A/R(进气口面积/涡轮半径)最小的小型涡轮增压器（见图1和图2）。图3所示为发动机台架实验结果,2个被测试的涡轮增压器最大升压160 kpa。然而,由于A型的增压器的最大升压仅有150 kpa, 最大升高压力的差值就造成了图示的最大扭矩的区别。图4显示了进气管的内部压力上升响应时间的实验结果。此图显示了发动机工况从初始维持在进气管压力100 kpa,转速4000 r /min转变到满载条件所经历的时间。换句话说,这个实验的结果可以用来表示涡轮增压器的响应时间。由于对发动机转速的反应B型优于A型,所以B型涡轮增压器可以说是能使FSAE发动机产生更高性能的的涡轮增压器。

3.2涡轮增压器的布局

涡轮的安装位置需在车辆的重心附近的地方,而且必须按照规则要求位于高于侧面防滚架的位置。图5显示了涡轮增压器的安装空间。尽管排气歧管长度会受到限制,但仍然要首先进行进气歧管的布局设计。

4.进气系统CFD计算

4.1限流阀

FSAE规则规定了限制进气流量的条款如下。

限流阀:“为了限制发动机的功率,必须放置在一个圆形限制器节流器，所有发动机进气气流必须通过限制器。禁止在限流阀和发动机之间使用任何可以控制进气流量的装置。限流阀内部截面的最大直径（在赛事过程任何时间都应遵守）为-使用汽油燃料——20.0mm (0.7874英寸）-使用E85燃料——19.0mm (0.7480英寸）。限制器必须安放在便于技术检查时测量的位置。任何情况下，限流阀的内部截面都不能发生变化(例如限流阀不能作为节气门可动部件的一部分）。如果使用了多台发动机，所有发动机的进气气流都必须流经同一限流阀。限制器必须放置在进气中节气门和发动机之间。此外,涡轮增压器也必须安装在进气系统中限制器和发动机之间,典型的进气系统布局图5所示。如果限制器、节流阀和涡轮增压器布置不典型,发动机的改造应该做好充分的调研。

4.2 CFD分析流程

CFD计算流体动力学的缩写,是一种计算机仿真的计算方法,用来模拟如传热,物质流动、化学反应等物理现象。计算方法是使用电脑的数据运算的方式来求解物理方程。本研究使用以有限体积法计算为原理的Flowizard 2.0.4版本作为CFD分析软件。首先将分析对象的体积划分为离散的有限单元,然后将每个单元替换成代数方程的离散化数值矩阵，这些数值矩阵在电脑上可以用来计算守恒方程如质量、动量和能量。

4.3限流阀

（1）CFD仿真条件

已经有前人的研究分析过限流阀形状对进气气流的影响，因此,我们需要研究的是增加了增涡轮压器后限流阀对进气气流的影响。我们计算需要输入的模型为蝶形阀的最大开度、外界大气压力、进气压力口和空气是不可压缩流体的假设。同时,流动模型的出口直径因为涡轮增压器而限制为32mm。这些分析条件如表1所示,使用软件如表2所示。

（2）限流阀形状

根据FSAE的规则规定,所有的进气气流都必须通过直径为20mm的限流阀。如果能使限流阀对气流的限制作用降低到最小,发动机输出功率将会改善。在去年有一篇关于3.5度的最佳扩散角的论文，其限流阀基本的模型如图所示。在这一结论的基础上选择扩散角后，我们决定分析尾段长度对进气气流的影响。假设空气限制器的入口直径40毫米,也就是节气门体出口的直径；而限制器出口的直径是32毫米，也就是涡轮增压器的入口的直径。假设扩散器长度是35毫米，改变扩散器的扩散角,进行仿真计算。计算结果通过扩散器入口和出口之间的差压和流量进行评估。图16显示前人论文的扩散器锥角提到的基础的限流阀。

（3）CFD分析结果

图17到图21展示了CFD仿真分析得到的流场图形。从表3可以得知当锥管扩散角为3.5度时分析的模型进出口压差最小。这个结果与与前文提到的前人所做的结果基本吻合。有3.5度扩散角的限流阀在其出口的湍流比其他的限流阀要小。根据限流阀中气体流动速度不同，可以确定3.5度扩散角的限流阀比其他所有的限流阀都更好。

5.基于副燃油喷射器的进气冷却

5.1副燃油喷射器的冷却效果

增压发动机面临的一个重要问题是发动机进气增压后的温度上升，因为进气温度的上升将直接导致发动机性能的下降，进气中冷器通常被用来冷却进气。然而进气中冷器需要较大的安装位置，也会使得发动机重量增加，加剧发动机的震动。由于原装的冷却系统并不适合方程式赛车，我们必须要设计一个新的进气冷却器。所以，我们首先要研究去年使用的的，自然进气发动机的副燃油喷射器进气冷却系统是否能直接用于冷却增压发动机的进气。这个副燃油喷射器冷却系统通过副燃油喷射器喷射的的燃油蒸发来冷却进气，而且燃油的蒸发可以使得燃烧效果更好。首先，进行在逐渐增大的发动机转速下测量发动机进气的温度的实验，结果如图22所示。由于这些结果是在冷却水和机油温度恒定的情况下测得的，所以进气温度只随着时间流逝而变化。然后检测装配了副燃油喷油冷却器位置的进气温度，结果如图23和图24所示，副燃油喷射器只有在满载状态下才对进气有明显冷却效果。而且因为副燃油喷射器的安装位置距进气口较远，所以发动机需要更好的燃油雾化效果来提升发动机表现。图25显示了不同的副喷安装位置对发动机进气冷却带来的影响，结果表明副喷安装在200mm处比安装在500mm处有更好的冷却效果，其他的部件如燃油供给系统、进气系统等不影响副喷的最佳安装位置。然而，最终安装位置确定应该要依据车辆跑动实验结果来确定，以避免实际车辆行驶时进气过热。

6.发动机的VES仿真表现

FSAE规则规定加装一个最大直径20mm的限流阀而且要使用排量小于610cc的发动机。对于高速避障项目来说，行车的直线段小于或等于100m，而且有很多弯道，这时车辆的出弯加速性能和转向系统的过弯能力就比最高车速要重要。而且由于道路变化而频繁进行换挡也会导致时间的损失。总的来说，要使车辆有更高的平均车速，发动机应该在较宽的转速范围内输出较高的扭矩。发动机在去年实际参赛时高速避障常用的转速范围为4000到10000r/min.FSAE需要低转速时有较高扭矩，高转时扭矩平稳的发动机。为了在最短的开发时间内得到这样特性的发动机，我们决定使用仿真软件VES，可以通过仿真多种不同的要素设计来减少台架实验的次数。

6.1 VES仿真模型

表达发动机运行状态参数的数字化模型必须要在VES平台上建立。发动机进排气系统的管道长度，直径，弯管参数等一系列数据一定要输入到模型中。发动机的模拟运行状态一定要与发动机实际状态相同。点火正时假定为发动机原始状态的平均值，因为实际点火正时还受到发动机进排气管长度和发动机进气温度的影响。而且空气温度、湿度、大气压强等发动机运行时的参数（配气凸轮形状，缸径，行程，压缩比和空燃比等）也一定要输入。这个VES仿真的主要目的是研究发动机要素设计的改变带来的影响，而不是在发动机设计阶段的对比仿真结果和实际结果差异。进排气门带来的流量损失和摩擦损失可以由VES软件计算得到。图27和表4显示了发动机的基本外特性和发动机的基本参数。图28显示了发动机台架试验的结果和VES仿真的结果。图27中的曲线显示了台架实验的结果，图28中的曲线展示了实验结果和仿真结果的对比。4000-6000r/min的扭矩值因为增压器的影响而发生了改变，尽管存在最大12%的误差，仿真曲线仍然能在普通的转速范围内近似描述发动机的实验结果的走势。VES仿真模型能在限定的时间内，即使发动机部件可能发生改变也能快速的在电脑上得到发动机实验结果、得到有用的信息，这一点非常有用。

6.3限流阀设计

考虑到今年的赛车发动机安装空间，对进排气系统的尺寸，长度，重量进行了限制细节如下:

1. 节气门：根据节气门和限流阀对发动机动力特性的影响的仿真分析结果，决定选用口径40mm，长度20mm的节气门体。
2. 限流阀：根据前文的仿真结果决定选用进口长度45mm，扩散角3.5度，总长148mm的限流阀。并且入口直径设计为40mm以匹配节气门出口，出口直径设计为32mm以匹配涡轮增压器。
3. 稳压箱体积：根据CFD计算结果和发动机台架实验结果，决定选用1.5L的稳压箱。
4. 进气歧管：考虑到进气系统的布置，进气歧管长度从200mm到600mm间隔50mm进行了仿真实验，进气歧管的直径由发动机进气口直径决定为37mm
5. 排气头段：排气头段可以根据发动机安装空间设计成长度300-450mm，排气管口径和进气歧管一样由发动机排气口直径决定为30.5。
6. 排气中段：根据发动机的安装位置和排气管布置，排气中段的长度可以从100-300mm范围内取值。最短长度100mm是由排气头端和排气尾端的安装位置决定的。口径与排气管头段相同，采用30.5mm
7. 排气尾段：从发动机布局空间和排气管布置考虑，排气尾段长度可选范围为100-300mm。最短长度100mm由发动机排气管中段长度和位置决定，口径与排气中段相同，选取30.5mm。为了与涡轮增压器配合，排气管直径在排气管出口处10mm的长度内由30.5mm转变为28mm。

6.4进排气系统各个部件对发动机动力性的影响

(1)发动机进气歧管长度对动力性的影响

图29显示了发动机输出扭矩与进气歧管长度的关系，结果显示了设计进气歧管长度以匹配发动机进气谐振效应是影响发动机动力性的重要影响因素。

(2)发动机排气歧管长度对动力性的影响

图30，图31，图32显示了各个不同排气歧管长度下发动机的动力性。这些长度的改变对发动机性能的影响较小，但是排气中段长度对发动机高于7000r/min转速时性能影响增大，这似乎解释了为什么头段和中段处排气阻力随着排气头段或中段长度增加而减小。

6.5 发动机VES仿真的表现

这些发动机的VES仿真计算结果需要通过实际的台架实验来检验其是否有对真实值的代表性。发动机台架试验的实施，是用来检验经过仿真计算优化后的最佳发动机配置状态的结果的真实性的。所以，如果实验结果达到了目标值，就可以说仿真计算是成功的。图33显示了台架实验结果和目标值的对比。因为我们认为我们应该在4000-9000r/min时达到到扭矩平台，可以看出：根据VES仿真数据，优化设计了发动机结构要素的发动机特性曲线，完全超过了根据去年发动机最高状态表现制定的目标曲线。

7结论

在过去，对于发动机的动力性提升的研究一直在重复尝试和失败的过程。我们在较

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