中国大学生方程式赛车进、排气系统设计

1、中北大学2014届毕业设计说明书中国大学生方程式赛车进、排气系统设计摘要本文以中国大学生方程式大赛为基础进行赛车的进排气设计，设计包括赛车进气系统和排气系统，并对赛车具体布置提供合理方案，最后对进气排气系统进行改进。首先介绍了跟赛车进排气布置有关的相关理论以及国内外的研究现状，为赛车总体设计定下合理的目标，建立相关的设计规则。然后对赛车进排气系统建模、确定布置方案，目标是提高赛车在赛道上的表现。本文的重点是进气排气系统的建模与实物制作，运用GT-Power对单缸汽油机进行数值模拟，模拟发动机的动力输出，为分析进排气效率提供数据依据，最终制作并安装满足大赛要求的进气排气系统。关键词：FSC赛车，

2、进、排气系统，发动机，建模FSC intake and Exhaust system designAbstractIn this paper, we design the intake and exhaust system according to Chinese Formula Student competition , including the design of the intake system and exhaust system , and providing a reasonable solution to racing specific arrangement , and f

3、inally to improve intake and exhaust systems.First introduced the arrangement of the intake and exhaust racing theory and research on the status of domestic and abroad,and setting the over all design of the car reasonable goals,establishing relevant design rules.Then modeled the exhaust system to de

4、termine the layout plan, the goal is to improve the performance of the car on the track.This article focuses on intake and exha the GT-Power simulation of gasoline engine and output power providing the basis for the analysis of the data of intake and exhaust efficiency, and ultimately produced and i

5、nstalled to meet the contest requirements.Keywords: FSC car,intake and exhaust systems, engine, modeling目 录1 绪论 11.1 赛事背景意义 11.2 大学生方程式汽车大赛简介 21.2.1 Formula SAE 21.2.2 大赛规则简介31.2.3 评定项目简介31.2.4 中国大学生方程式大赛简介41.3 进排气系统规则概况 42 进气系统设计 72.1 进气的设计 92.2 进气布置设计 92.3 进气形式选择 102.4 进气系统套件设计 102.5 进气系统材料与制造工艺16

6、2.6 进气管长度对发动机性能的影响182.7 进气管流体分析203 排气系统设计213.1 排气布置设计选择213.2 排气系统各参数的计算223.2.1 排气管内径 223.2.2 消音器各参数 233.3 排气管道及消声器的材料 253.3.1 排气系统的性能与强度分析 264 进排气系统的实物制作29 5 总 结 31参 考 文 献32致 谢33第 I 页 共 I 页1 绪 论1.1 赛事背景意义 中国大学生方程式汽车大赛旨在由各大学车队的本科生和研究生构想、设计、制造一辆小型方程式赛车并参加比赛。为了给予参赛车队最大的设计灵活性和自由度来表现我们大学生的创新能力和想象能力，大赛对于赛

7、车的整体设计没有太多的限制。每一个参赛队所面临的挑战在于要制作出一辆能够顺利完成规则中的所有比赛项目的赛车。中国大学生方程式汽车大赛给参赛车队创造一个同来各地大学的车队同场竞技的平台，以展示和证明我们大学生的创新能力和工程技术水平。 大赛评分规则由静态部分和动态部分两个部分组成，动态部分包括：直线加速测试、8 字绕环测试、高速避障测试、耐久测试、燃油经济性测试等。要想在动态项目中取得好的成绩，则对于赛车的动力系统要求又很高的要求。首先要求赛车要匹配一台高性能的发动机，因为动态项目的成绩直接受发动机性能的影响。因此，在赛车设计过程中，进排气改进工作将对赛车的性能和在比赛中的成绩起到至关重要的影响

8、。作为一名大学生，平时很少能直接接触到动力系统的相关的一些设计，因此，这次比赛能称得上是对大学生的非常有意义的一次锻炼。 大学生方程式赛车活动将以院校为单位组织学生参与，赛事组织的目的主要有：重点培养学生的创新设计能力、制造能力、成本控制能力和团队沟通协作能力，使学生能够尽快适应中国企业的需求，为中国企业挑选优秀人才提供了一个很好的平台；通过这项比赛来创造学术竞争的氛围，为各院校提供一个进行交流沟通的平台，进而推动学科建设的提升；大赛在提高和检验汽车行业院校学生的综合素质，为汽车工业健康、快速和可持续发展培养锻炼人才，增进产、学、研三方的交流与互动合作等方面具有十分广泛的意义。毫无疑问，对于对

9、汽车的了解仅限于书本和个人驾乘体验的大学生而言，组成一个团队设计一辆纯粹而高性能的赛车并将它制造出来，是一段极具挑战，同时也受益颇丰的过程。在天马行空的幻想、大脑一片空白的开始、兴奋的初步设计、激烈的争执、毫无方向的采购和加工、无可奈何的妥协、令人抓狂的一次次返工、绞尽脑汁的解决难题之后，参与者能获得的不仅仅是CATIA 、UG、ANSYS 以及焊接、定位、机加工技能，更有汽车工程师的基本素养和丰富实践经验。与此同时，管理和运营整个团队让未来的企业管理者接受了一次难度十足的锻炼。FSAE 赛事也给了汽车厂商发现优秀人才和创意想法的机会。通过FSAE 大赛可以学到很多书本上学不到的东西，并且能够

10、将知识转化为专业技能，同时还能锻炼学生的团队合作能力和责任感。1.2 大学生方程式汽车大赛简介1.2.1 Formula SAE Formula SAE，是由各国SAE，即汽车工程师协会举办的面向在读或毕业7 个月以内的本科生或研究生举办的一项学生方程式赛车比赛，要求在一年的时间内制造出一辆在加速、刹车、操控性方面有优异的表现并且足够稳定耐久，能够成功完成规则中列举的所有项目业余休闲赛车。自1981 年创办以来，FSAE 已发展成为每年由7 个国家举办的9 场赛事所组成，并有数百支来自全球顶级高校的车队参与的青年工程师盛会。规则是制作一台5 马力的木制赛车。 SAE 方程式（Formula S

11、AE）系列赛将挑战本科生、研究生团队构思、设计与制造小型具有越野性能的方程式赛车的能力。为给车队最大的设计弹性和自我表达创意和想象力的空间，在整车设计方面将会限制很少。赛前车队通常用8 至12 个月组的时间设计、建造、测试和准备赛车。在与来自世界各地的大学代表队的比较中，赛事给了车队证明和展示其创造力和工程技术能力的机会。为了达到比赛的目的、学生可以把自己假想设计人员。某一制造公司聘请他们为其设计、制造和论证一辆用来评估该公司某一量产项目的原型车。预期的销售市场是周末业余汽车比赛。因此，该车必须在加速，制动和操控性能方面表现出色。该车必须成本低廉、易于维修、可靠性好。此外，考虑到市场销售的因素

12、，该车需美观、舒适，零部件也需要有通用性。制造企业计划每天生产四辆该型车， 并要求原型车实际耗资应低于2.5 万美元（该规则09 年已经取消）。设计小组受到的挑战是设计和组装一辆满足各种要求的车。各个设计环节将作为竞赛比较和评判的内容。2008 年Formula SAE 系列赛包括以下九个比赛：1. 美国密歇根，Formula SAE，由SAE 举办；2. 美国加利福尼亚，Formula SAE West，由SAE 举办；3. 美国弗吉尼亚，Formula SAE VIR，由SAE 协办；4. 澳大利亚，Formula SAE Australasia，由澳洲SAE 举办；5. 巴西，Formu

13、la SAE Brasil，由巴西SAE 举办；6. 意大利，Formula SAE Italy，ATA 举办；7. 英国，Formula Student，由ImechE 举办；8. 德国，Formula Student Germany；9.日本，Formula SAE Japan。2009 年的比赛包括美国的密歇根、加州和弗吉尼亚赛，以及英国、巴西、意大利、日本、德国、澳大利亚赛。2010 年10 月，中国第一届大学生方程式汽车大赛在上海国际赛车场举办。2011 年10 月，中国第二届大学生方程式汽车大赛在上海国际赛车场举办。2012 年10 月，中国第三届大学生方程式汽车大赛在上海国际赛车

14、场举办。2013 年10 月，中国第四届大学生方程式汽车大赛在襄阳举办。1.2.2 大赛规则简介比赛规则非常开放，以鼓励学生的原创设计和各种形式的赛车的出现。比赛的基本原则如下所示：使用的发动机为四冲程汽油机且排量不能超过610cc必须安装内径20mm 的进气限流阀已控制发动机功率大量安全和结构强度要求整车的成本不能大于25000 美元（按规则计算）11.2.3 评定项目简介比赛通过一系列静态和动态的比赛项目来评判赛车的优劣，这些项目包括：技术检验、成本分析、市场陈述、工程设计、单项性能测试、耐久测试、燃油经济性。通过给这些项目进行打分来进一步评判赛车的整体性能。每个项目的分值分配如表1.1

15、所示。环节名称分值静态项目陈述75工程设计150成本分析100动态项目加速性75弯道性能50操作稳定性150燃油经济性50耐久性300总体两项总分1000 图1.11.2.4 中国大学生方程式大赛简介中国大学生方程式汽车大赛（简称FSC）是中国汽车工程学会及和其一起合作的会员单位，在学习和总结美国、日本、德国等国家相关经验的基础上，结合中国自身的国情，精心打造出的一项全新的比赛。这项比赛包括工艺、环保、动力系统、现场操作系统、动态测试和静态测试等多个项目，并且会对学生的设计理念、工艺水平、成本控制能力和营销方案进行评比，以及把赛车制造成产品的过程。这并不是一场竞速比赛或节油比赛，而是对中国汽车

16、人才综合素质的比赛，这项赛事通过全方位考核来进一步提高大学生的设计、制造、成本控制、营销、沟通与协调等五方面的综合能力，从而全面地提高大学生的综合素质。未来支撑中国汽车产业的人才一定会在这些大学生中出现，同时这也是这项比赛的最大意义，举办中国大学生方程式汽车大赛的目的，就是为了中国汽车产业的发展做长期的人才培养和积蓄。中国大学生方程式汽车大赛由各中国高等院校汽车工程或与汽车相关专业的在校学生组队参加。比赛要求各参赛队按照赛事规则和赛车制造标准，自行设计和制造方程式类型的小型单人座休闲赛车，并携该车进行参加全部或部分的比赛项目。在比赛过程中，参赛车队不仅要对设计理念进行阐述，还要由裁判对该车进行

17、若干项其他的性能测试。2010 年中国举办第一届FSC，北京理工大学代表队以总分第一的成绩获得总冠军。2011 年的中国第二届FSC 北京理工大学代表队以总分第一的成绩蝉联冠军。2012年，湖北汽车工业学院获得冠军，2013年厦门理工获得冠军。1.3 进排气系统规则概况以下部分为FSC 规则对于进排气系统的一些要求，在进行相关设计时必须按照规则要求进行。赛车的发动机必须为四冲程、排量不能超过610毫升的活塞式发动机。可以在规则的限制范围内对发动机进行一定的改造。如果使用多个发动机，那么其总排量不得超过610毫升，并且所有的进气气流必须经过同一个进气限流阀。发动机进气系统与供油系统的所有零部件（

18、包括节气门或化油器，以及整个进气系统：包括空气滤清器和进气室）必须安装在整车的外框内。赛车必须装有化油器或节气门。化油器或节气门的设计及尺寸不限。节气门必须为机械控制，比如通过拉线或连杆系统进行操作。禁止使用电子节气门或类似的线控系统。节气门控制系统必须至少有两个复位弹簧位于节气门体。使节气门系统的某部分如果出现故障时，节气门依然可以顺利回到闭合的位置。 油门拉线与排气系统部件之间必须至少相距50.8毫米，并且远离排气气流。油门踏板必须安装有限位块，当油门拉线或节气门控制系统超载时用以及时切断总电源。为限制发动机功率，在进气系统的节气门与发动机之间必须安装一个内部截面为圆形的限流阀，并且所有发

19、动机的进气气流都应流经此限流阀。 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为：使用汽油燃料20.0毫米使用E-85 燃料19.0毫米限流阀必须安放在技术检查对其进行测量时方便的位置 进气系统的任何部分如果离地面的高度小于350毫米，为了抵挡来自侧面或背面的碰撞必须安装保护罩对其进行保护。进气歧管必须使用支架或者机械连接，牢固地与发动机体或者气缸盖连接固定在一起。不允许使用钳夹，塑料扎带或者安全绳等进行连接。可以使用橡胶套管或者软管以实现气密，但是不允许将其用于结构固定。任何情况下，限流阀的内部截面都不能任何发生变化（例如限流阀不能作为节气门可动部件的一部

20、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限流阀。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，唯一允许的顺序是：节气门、限流阀、增压设备、发动机。尾气出口必须要合理布置，使赛车以任何速度行驶时，车手都不会遭受尾气污染。排气口不得处于后轴中心线450mm之后的位置，离地距离不得高于600mm。如果排气系统的零部件从车身两侧延伸到主环以前，那么这些零部件必须有护罩遮盖，以防车手或其他人员烫伤。赛车的噪音等级将使用静态方法测定。测试时，自由场测量麦克风的探头将位于尾气出口后方0.5m处，与排气口水平，并与气流流动方向夹角成45度。变速箱处于空挡且发动机处于指定转

21、速。如果使用了多个排气口，检测将测量各排气口的噪音等级，取最高读数为最终测量值。如果排放装置带有可调节或节流装置，那么在测试时，这些装置必须处在最大开口位置。这些装置的开口位置必须能让测试官员看到，并且测试官员能够直接手动对装置进行调节。汽车或摩托发动机在活塞平均速度914.4m/min的转速下进行噪音测试，“工业发动机”在活塞平均速度为731.5m/min的转速下进行噪音测试，上述方法计算所得转速取整后即为实际测试转速。组委会将公布常用发动机的测试转速。噪音等级上限为110加权分贝。组委会有权在比赛中任何时候检测赛车的噪音等级。如果赛车未通过噪音测试，赛车必须退出比赛。直至修改并再次通过噪音

22、测试1。2 进气系统的设计我校于2013 第一次筹划参加的中国大学生方程式汽车大赛，当时使用的发动机为嘉陵600。与当时其他学校使用的本田CBR600 的四缸发动机相比，动力性相差很大。发动机型式 单缸、四冲程、水冷、四气门、SOHC 排量：599cc 缸径 (mm) 94  行程 (mm) 85  最大功率 (kW) 30kw(6000rpm)  最大扭矩 (N.m) 51N.m(4500rpm)  冷却方式 强制水冷(组成：水泵、散热器、风扇等)  供油方式 闭环电喷系统（组成：供油系统、控制系统、参量、操控系统、喷油系统等）&#

23、160; 变速器型式五档常啮合  排放指标达到欧III标准  点火方式 电感储能式点火（DLI）  接插件结构 全密封式防水、防漏电接插组合件  自诊断系统 电路系统故障显示或提示 为了得到初始发动机的相关数据，并得到为发动机改进提供思路的数据，我们对初始发动机运用GT-Power进行数值模拟。模拟侧重对发动机进气系统的模拟，主要在进气系统进气情况以及充气效率上。GT-power是一款由Gamma Technologies公司开发的具有发动机工业标准的模拟仿真工具，现在被世界上大多数发动机和汽车制造厂家及供应商使用。 GT-Power

24、是GT-Suite系列软件中的一部分，涵盖了发动机本体、驱动系统、冷却系统、燃油供给系统、曲轴机构、配气机构六个方面。该软件采用有限体积法进行流体的计算，计算步长自动可调，有强大的辅助建模前处理工具，自带有丰富的燃烧模型，具有丰富的控制功能，能与SIMULINK进行耦合求解，能与三维的CFD软件进行耦合计算，自带有优化设计功能，能进行直接优化、DOE设计/优化，能进行进、排气系统噪音分析，能对进、排气系统的消音元件进行优化设计。12 在该模型的模拟中，我们期望得到的是发动机在未限流的情况下进气系统的气流情况，包括单位时间气流量、发动机输出情况，以及发动机的响应情况。模型建立的约束条件如下：发动

25、机形式：嘉陵JH600单缸汽油发动机燃烧模型：Wiebe函数模型进气环境定义：标准大气压（1bar），常温（300K）进气歧管：内壁粗糙度def，内壁温度450K进气门开启时间：139°凸轮轴转角排气门开启时间：126°凸轮轴转角。排气歧管：内壁粗糙度def，内壁温度600K排气环境定义：标准大气压，常温。生成的模型树如图2.1图2.1单缸汽油机GT-Power模型建立模型并进行模拟计算，如图2.2 图2.2未加限流器前发动机进气道气流情况从模拟结果中我们可以得到，本次模拟共有832个循环，各种参数比较正常，在正常情况下，该发动机的进气情况比较理想，进气系统中没有能影响发动

26、机进气的组件，进气管单位时间内的空气流量比较高，在88kg/h左右，发动机充气效率较高，燃油燃烧完全，输出性能跟厂商数据相差不大。2.1 进气系统的设计把空气或混合气导入发动机气缸的零部件集合体称为发动机进气系统，主要组件有原始进气道、空气滤清器、连接管路、增压器、中冷却器等。其功能是为发动机提供清洁、干燥、充足的空气。由于大赛对于进气系统的限流阀的要求，所以一套进气系统包括：空滤、节气门、限流阀、稳压箱、进气管。2.2 进气布置设计a) 上方进气：理论上这里的进气效果应该是最好的，进气压力高，空气干净较稳定。不过这样进气管较长，气体的沿程损失较大，而且因为布置空间的原因（发动机高度，主环高度

27、，限流阀长度），很可能布置不开。b) 侧向进气：布置方便，进气效果也较好，不足是因为侧向吸气，可能导致各缸的进气不均匀度提高；下部的进气较脏，侧翼的空气也可能会由于车辆运行而不稳定。可以从稳压箱设计上减小这问题，但是制造上可能有问题（异形，从进气处到尾端由大到小渐缩），后面会有稳压箱设计。唯一要考虑的是不能超过进气系统设置的范围（不大可能超出）。c) 冲后进气：理论上车辆后面有个正压区，但是这个区域随着车速而变化，而且车后空气较脏，此处进气效果较差，但是进气管可以做的比较短，降低沿程损失，布置也是最方便。考虑综合因素，选择上方进气。2.3 进气形式设计进气方式主要有自然进气、涡轮增压、机械增压

28、三大类。涡轮增压和机械增压均能增加充气效率。但涡轮增压会使发动机的零部件长期处于高负荷状况，零部件易受损，导致日后的维护成本较高，维修也不方便；更大的弊端是在低转速下涡轮有迟滞现象，输出不线性，不利于操控。机械增压则需要对发动机内部进行改动，效率不如涡轮增压。反观自然进气，虽然没有增压器，但可以通过改变进气管长度提高充气效率。根据赛事规则与参赛内容，发动机常处于中低转速工况。因此，决定先采用自然进气为今年的方案，在实践中累积经验，熟悉这款发动机的特性，在今后尝试对发动机做更突破的改造。2.4 进气系统套件设计选择a) 空滤：选用冬菇头，如有可能比赛时可以改用一层滤网，能减少进气阻力。另外应该注

29、意如果使用冬菇头的话，选用合适形状的冬菇头，避免冬菇头超出外框。b) 节气门：节气门喉口不宜过大，因为节气门将变得同原机比相差过多。同样由于原机ECU，故而需要考虑节气门位置传感器的安装位置。由于怠速空气控制阀和原机不匹配，故而不适用怠速空气控制阀，改用节气门预开一个小开度来保证怠速的时候的进气。可以通过节气门上的螺钉进行微调。节气门位置传感器的全闭电压可选用0.330.5v，低于0.32v将会报警。全开电压在4.0v左右。最终选用发动机原装节气门，内径45mm。c) 限流阀：限流阀基本构型为文丘里管式的渐缩渐扩管，考虑三种形式：通过查阅相关资料我们得到三种不同形式的限流器设计方案，如图2.3

30、a 限流器1b 限流器2c 限流器3 图2.3 三种不同设计参数的限流器 限制器1是参考劳伦斯科技大学所公布的数据而设计的。设计包括了“入口32mm，14°角延伸至20毫米限流器，出口7°倾斜锥角延伸至504mm出口”。圆锥形状的目的是实现平稳过渡，防止气流分离。限制器2进口延伸角由14°增至16°，出口延伸角增至17°，但进出口半径不变。限制器3是将限制器进口延伸角增大至41°进口半径增至50mm，其他条件不变13。我们选择以上三种不同参数的限流器对发动机进行模拟，得到不同限流器限流情况下发动机的空气流量、充气效率以及发动机输出性能

31、的变化，如图2.4:图2.4 不同限流器下，进气系统的空气流量由曲线图中我们可以得到，在低转速阶段（3000RPM以下），发动机空气流量较低，限流器对发动机影响较小。但当发动机进入中高转速区域是，三种限流器的进气流量出现较大波动，并且三者之间出现较大的差别，限流器3在中高转速波动较小，而限制器1和2流量随转速变化波动较大，最高达35%。图2.5 限流器对充气效率的影响上图2.5为不同限流器随转速变化对发动机充气效率的影响曲线，从曲线中我们可以看出，当其他条件不变，发动机在中低转速（低于4500RPM）时，限流器对发动机充气效率影响不大，但在高转速区域，发动机的充气效率下降明显。这是由于在高转速

32、区域，发动机节气门全开，在进气冲程所占凸轮轴转角比例不变的情况下，发动机进气时间减少，并且由于进气道里空气流速加快，气压下降，空气密度下降，进一步导致进入气缸内的氧气量减少，导致燃烧所需氧量不足，发动机充气效率下降2。由于嘉陵600特点是中低转速输出，综合上面分析结果，选取限流器3进行下一步的模拟以及实验。见图2.6：图2.6 限流后发动机的数值模拟从模拟结果中可以看出，虽然优化了限流器的设计，但是限流器给发动机带的影响是非常大的，进气系统中单位时间的气流量从原来的88kg/h降低到了26kg/h左右，降低了大约70%，这对发动机的性能限制是非常大的。所以，要通过发动机的改进平衡限流器对发动机

33、的影响。根据资料，减缩锥角为2040°，渐扩为410°（5°左右最佳），圆弧半径为（0.51.0）最小直径。考虑加工方便，使用方案2.在喉管处留有2mm 左右的过渡段，保证20mm 的精度要求。最终建模如下图2.7和图2.8。图2.7限流阀建模图2.8限流阀实物图图2.8 限流阀d) 稳压箱设计：稳压箱设计有三套方案：i. 方形：设计、制造、连接，喷油座布置简单方便，但是流场不好看。ii. 圆柱形：制造简单（钣金+焊接或管件+焊接），连接。内燃所制造为管件车薄了再焊接。iii. 异形：可以最大限度的优化流场，但是设计制造复杂，异形最好使用fluent优化后再确定，

34、至少保证过渡圆滑。稳压箱用来收集经过限流器的空气，并使空气在稳压箱内稳定下来，以层流的状态进入汽缸。稳压箱的最主要的参数是体积，理论上讲，稳压箱体积越大对发动机的充气效率的增加就越有帮助，但因为节气门在稳压箱前面，稳压箱体积太大，箱内气体压力上升缓慢，造成发动机响应缓慢，所以，确定稳压箱体积就是要在增加充气效率与取得良好的发动机响应之间取得良好的平衡。根据经验值，稳压箱一般是发动机排量的3-5倍，即1.8L-3L是这台发动机稳压箱合适的体积范围，然后运用GT-Power对不同体积稳压箱下的发动机进行数值模拟，对模拟结果进行分析，取得特定稳压箱体积下发动机进气系统单位时间内的空气流量和发动机的充

35、气效率，得到如图2.9所示，最大空气流量下的最佳稳压箱容积，此情况下，稳压箱容积是2.5L10: 图2.9 取得最大空气流量下的稳压箱容积稳压箱和进气歧管内壁粗糙度主要影响气流与管壁的摩擦力大小，粗糙度越高，摩擦力越大，气体流经管道过程中能量损失和压力损失越大，造成的气流分离现象越明显。所以为了不影响气流的流动状态，进气管道内壁应该尽可能光滑。稳压箱容积越大则高转扭矩提升，但是低转扭矩减低，另外稳压箱容积提升所造成的油门迟滞感并不十分明显（60ms 附近）稳压箱容积定为2.5L。最终选定为圆柱形，如图2.1015: 图2.10 稳压箱2.5 进气系统材料与制造工艺汽车进气系统要求轻质，可靠，耐

36、用，抗腐蚀等特性。现代汽车发动机大多采用工程塑料为进气管的材质，由于不同于排气管需要耐高温，进气管不断地在充入新鲜工质，不会产生高温，塑料在这种情况下是非常好的选择，因为既轻质，成本又低廉，并且形状可塑性佳，造型自由度很高，切内壁容易做到很光滑，有利于气体流动。我校有相关设备，于是使用3D打印机制作限流阀和稳压箱。进气管连接部分采用内壁光滑的硅胶管。管之间用管箍固定。进气系统布置时要求不得与其他部分干涉，且处在车架的轮廓内，车架轮廓定义如下图2.11:图2.11车架轮廓 车架与发动机建模和最终进气系统建模如下图2.12和2.13: 图2.12 车架与发动机图2.13 进气系统最终装配图2.6

37、进气管长度对发动机性能的影响进气系统结构对发动机的动力性能有较大影响。根据FSC赛事规则，必须在发动机节气门和进气门之间安装直径为20 mm的限流阀。发动机进气系统主要包括进气管和进气道两部分，而进气管的形状包括长度、曲率和内径3个方面。下面主要从进气管长度方面进行分析。中低速范围内迸气管长度会影响发动机的充量系数，在发动机高速状态下，利用惯性增压效应，进气管长度越长，管内流速越高，吸入气缸的新鲜气体越多。因为波动效应，局部的损失量会增加，并且对发动机的有效功率输出有较大影响。因此，在其他结构因素不变的情况下，运用GT-Power软件模拟不同进气管长度对发动机充气效率、扭矩的影响3。图2.14

38、 进气管长度对发动机充气效率的影响图2.15进气管长度对发动机扭矩的影响 从图2.14和图2.15可以看出：在汽油机内径、曲率等参数不变的前提下，迸气管长度变化对发动机中、高转速的动力性能及充气效率影响很大，且随着长度的增加，其影响越明显。发动机一定时，发动机转矩和充量系数成正相关。因此，由于原发动机的高速谐振点所对应的发动机转速较高，适当加长进气管长度，对改善发动机中、高转速的动力性能作用比较大。故在不影响发动机整体布置的前提下应适当加长进气管长度7。2.7 进气管流体分析 用ansys分析进气系统的进气效果，如图2.16和2.17,从图中可以看出稳压箱起到了很好的稳压作用。图2.16 进气

39、系统流速分析 图2.17 进气系统压强分析3 排气系统设计排气系统是发动机的重要组成部分，其主要作用是在满足整车结构布置要求，保证发动机最佳性能的同时，流畅的排出发动机工作所产生的废气，并使排出的废气污染减尽量小，噪音尽量低。所以设计一个好的排气系统对发动机整体性能的提高具有重要意义。排气系统最基本的功能就是引导发动机做功产生的废气排出车外，由于排气对发动机换气的影响和排气噪声的存在。排气系统在设计的最大目标就是优化排气过程提高发动机换气效率以及减少排气噪声。凡用空气燃烧燃料的发动机，他所能发出的功率，归根到底，受限于空气的进入，空气与燃料的化合以及废气排出的速率。持续输出高额持续功率的管家在

40、于易于换气。当然，在发动机中还必须有效利用空气，否则混合气质量不高也得不到高功率。本次暂不分析混合气的形成过程。3.1 排气布置设计选择1）排气系统（主要是消音器）必须满足赛车整车的结构布置要求，并要有较好的外观和内在质量，可以承受较高的排气温度及强烈的震动，具备较长的使用寿命。 2）排气系统（主要是消音器）的设计，应使得排气阻力尽可能小，以使其对发动机功率的损失尽可能小。3）排气系统（主要是消音器）要有较好的音质和较低的音强，即应有较大的插入损失。4）排气系统必须保证具有较好的结构特性，可以有效地防止废气的泄露。根据以上设计要求，参考车架与发动机的设计参数，借鉴传统高性能发动机排气系统的设计

41、要求，根据车架布置的相关参数，大体确定排气系统的布置方式。如下图3.114:图3.1 排气系统布置图3.2 排气系统各参数的计算 参考已有的发动机排气系统的设计的相关经验，结合本赛车所用发动机的基本参数，设计确定本排气系统（主要是消音器）的各项参数（主要包括消音器容积、消音器的扩张比与长径比）以及结构形式，选取一种合适的消音器产品。确定排气系统的具体结构尺寸，以及在整车车架中的具体位置。结合软件分析模拟对所设计的排气系统的性能、强度进行分析试验，并对相关部分进行优化设计。123.2.1 排气管内径在结构布置允许的情况下，排气管内径应尽可能大些，以降低管道内得气流速度，减少气流阻力产生的功率损失

42、和再生噪声。一般应发动机排气歧管出口内径。或根据发动机排量等参数，按公式 (1) 计算初步确定排气管内径。 （3-1）式中：Q发动机排量； V气流速度，一般取 5060 m/s 。则由此可算得排气管内径为36mm。3.2.2 消音器各参数 消音器的种类很多，但究其消声机理，又可以把它们分为六种主要的类型，即阻性消音器、抗性消音器、阻抗复合式消音器、微穿孔板消音器、小孔消音器和有源消音器。 阻性消音器，主要是利用多孔吸声材料来降低噪声的。把吸声材料固定在气流通道的内壁上或按照一定方式在管道中排列，就构成了阻性消音器。当声波进入阻性消音器时，一部分声能在多孔材料的孔隙中摩擦而转化成热能耗散掉，使通

43、过消音器的声波减弱。阻性消音器就好象电学上的纯电阻电路，吸声材料类似于电阻。因此，人们就把这种消音器称为阻性消音器。阻性消音器对中高频消声效果好、对低频消声效果较差。(主要应用于发电机机组消音) 抗性消音器，是由突变界面的管和室组合而成的，好象是一个声学滤波器，与电学滤波器相似，每一个带管的小室是滤波器的一个网孔，管中的空气质量相当于电学上的电感和电阻，称为声质量和声阻。小室中的空气体积相当于电学上的电容，称为声顺。与电学滤波器类似，每一个带管的小室都有自己的固有频率。当包含有各种频率成分的声波进入第一个短管时，只有在第一个网孔固有频率附近的某些频率的声波才能通过网孔到达第二个短管口，而另外一

44、些频率的声波则不可能通过网孔只能在小室中来回反射，因此，我们称这种对声波有滤波功能的结构为声学滤波器。选取适当的管和室进行组合就可以滤掉某些频率成分的噪声，从而达到消声的目的。抗性消音器适用于消除中、低频噪声。 阻抗复合式消音器，由阻性结构和抗性结构按照一定的方式组合构成。 微穿孔板消音器，一般是用厚度小于1mm的纯金属薄板制作，在薄板上用孔径小于1mm的钻头穿孔，穿孔率为1%一3%。选择不同的穿孔率和板厚不同的腔深，就可以控制消音器的频谱性能，使其在需要的频率范围内获得良好的消音效果。 小孔消音器，结构是一根末端封闭的直管，管壁上钻有很多小孔。小孔消音器的原理是以喷气噪声的频谱为依据的，如果

45、保持喷口的总面积不变而用很多小喷口来代替，当气流经过小孔时、喷气噪声的频谱就会移向高频或超高频，使频谱中的可听声成分明显降低，从而减少对人的干扰和伤害。有源消音器，基本原理是在原来的声场中，利用电子设备再产生一个与原来的声压大小相等、相位相反的声波，使其在一定范围内与原来的声场相抵消。这种消音器是一套仪器装置，主要由传声器、放大器、相移装置、功率放大器和扬声器等组成。 消声量首先要发动机排气噪声大小、频谱特性和消声器所匹配车辆的噪声标准限值之间的差值来决定消声器确定降低排气噪声的目标值，即由消声量的大小。假设声源特性属线性声源，声衰减量L为： L=10lg（R2/R1） （3-2）式中：R1消

46、声器出口处噪声限值点到声源点距离；R2整车噪声限值测点到声源点距离；消声器出口噪声限值： LmL+La （3-3）消声器的消声量Ld为： LdLe-Lm （3-4）根据赛车车架本发动机实际情况，要求消音量Ld20dB消声器有效容积大小直接影响其消声性能和功率损失。合理的消声器有效容积要根据汽油机排量、转速、气缸数、冲程数以及消声器要达到的指标来选择。在结构布置允许的情况下，相对而言，其容积越大插入损失越大。其容积一般不小于8倍的发动机排量，以10倍为宜。以下是一种常见的消音器容积的计算方式。 （3-5）其中：n-发动机转速；T-冲程；N-气缸数；Vh-发动机排量；Q-系数；取2-6本发动机为单

47、缸四冲程发动机，排量0.6L，在此取消音器的容积为6L。选择消声器进口直径时要避免因进气直径过小而引起整个排气管的截面突变，同时，进气处气流流速不宜过大。估算进口直径Di的公式为： （3-6）上式中：Q-进口处排气流量，L/s； Vmax-允许最大气流流速，m/s；（通常取100m/s）进口处排气流量可以通过发动机进气流量Qi公式估算： （3-7）式中：c-充量系数，一般取0.86排气流量计算公式： （3-8）上式中：Tb-进口处排气温度；（发动机厂家提供） Ts-进气温度；（发动机厂家提供） -取0.98经计算，本消音器的进口直径选为37.5mm，而出口直径想选为相同的37.5mm。消声器截

48、面积与消声器进口截面积之比称为扩张比（M）。对消声器插入损失要求越大，扩张比选择值越大。根据上面确定的消声器进口直径Di，直接算出圆形消声器直径Dm： （3-9）在此取消音器的扩张比为12，则可相应算得消音器直径为130mm。当消声器容积V、消声器直径Dm确定后，可直接计算长度L。当消声器容积保持不变时，只改变其内径与长度，L/Dm越小，空腔越扁，截面积的扩张比m越大，最大衰减量也随之增大，但消声频率范围变得较窄。因此，应选取适当的长径比。其经验推荐值为： 3<L/Dm<4。则取L/Dm=3.5，L=455mm。管的中心转弯半径一般应（1.52）D，其折弯成型角应大于90º

49、;，以大于120º为宜。整个系统的管道转弯数应尽可能少，一般情况下不多于6个。排气尾管段的方向应与水平面纵向下弯5º10º，出口方向应尽可能指向地面的车身投影的纵向中线。排气管与发动机连接处的结构方式采用平面双孔（或三孔）法兰。排气管与消音器连接处采用采用球面法兰家加密封垫片方式4。3.3 排气管道及消声器的材料本赛车发动机的排气系统主要由排气管及消音器两部分组成。这两部分分别处在不同的工作条件下，因此需要对这两部分的材料分别进行选取。由于发动机具有较高的排气温度（一般可达500900），因此需要排气管材料具有良好的抗氧化性、高温强度和热疲劳特性。参考其他发动机排

50、气管材料并查阅了几种材料的力学性能参数后，我们最终决定采用壁厚为1 .2mm的304不锈钢作为排气管的材料。对于消音器部分，由于消音器是由多种材料构成，因此对消音器的各部分也要选择相应的材料。消音器不需要承受较高的工作温度，考虑生产成本的原因，消音器用材料主要是SUS432系不锈钢（17Cr-0.5Mo），对于外壳和末端板等，从美观和防腐蚀措施来看，使用镀铝不锈钢。3.3.1 排气系统的性能与强度分析 排气系统的优劣对发动机的性能有直接的影响。排气系统不可避免的会造成发动机的排气损失，从而对发动机的整体性能造成不良影响。为在尽量小的发动机动力损失的前提下，取得尽可能好的消音效果，需要在试验的基

51、础上借助软件对所设计排气系统在各工况个转速下的效果进行分析仿真。在发动机全负荷时对发动机模型进行计算，得到如图 所示的该发动机速度特性曲线。该发动机的最大转矩为108 N·m （转速为4 200 r min）、标定功率为60 kW （转速为6 000 r min），计算值分别为1033 N·m（转速为4 200 r min）和59 kW（转速为6 000 r min），即最大转矩误差为435 、最大功率误差为167 ，均小于5 ，说明对该发动机工作过程的模拟比较准确，所建立的发动机工作过程模拟模型可用于排气噪声的分析。如下图3.211。 图3.2 发动机模拟 根据已知的数值进行发动机排气噪声分析，结果如图3.3：图3.3 噪音模拟分析 由图3.3得出结论，模拟数值可以满足大赛要求。用ANSYS分析排气系统中受的压力，从而校核排气系统地强度和有目的的加固排气系统。分析如下图3.4。图3.4ansys流体分析排气管 图中红色部分显示的是排气管中压强最大的部分4 排气系统的实物制作 最后，我与同学共同焊接安装排气系统，用不锈钢焊条将排气管焊接，如下图4.1: 图4.1 最终安装图5 总结2014年3月，我开始了我们的毕业设计工作，到今天，