1、中國大學(xué)生方程式賽車進(jìn)、排氣系統(tǒng)設(shè)計摘要本文以中國大學(xué)生方程式大賽為基礎(chǔ)進(jìn)行賽車的進(jìn)排氣設(shè)計，設(shè)計包括賽車進(jìn)氣系統(tǒng)和排氣系統(tǒng)，并對賽車具體布置提供合理方案，最后對進(jìn)氣排氣系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)。首先介紹了跟賽車進(jìn)排氣布置有關(guān)的相關(guān)理論以及國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀，為賽車總體設(shè)計定下合理的目標(biāo)，建立相關(guān)的設(shè)計規(guī)則。然后對賽車進(jìn)排氣系統(tǒng)建模、確定布置方案，目標(biāo)是提高賽車在賽道上的表現(xiàn)。本文的重點是進(jìn)氣排氣系統(tǒng)的建模與實物制作，運(yùn)用GT-Power對單缸汽油機(jī)進(jìn)行數(shù)值模擬，模擬發(fā)動機(jī)的動力輸出，為分析進(jìn)排氣效率提供數(shù)據(jù)依據(jù)，最終制作并安裝滿足大賽要求的進(jìn)氣排氣系統(tǒng)。關(guān)鍵詞：FSC賽車，進(jìn)、排氣系統(tǒng)，發(fā)動機(jī)，建模FSC

2、 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 finally to improv

3、e 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 determine the layo

4、ut 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 installed to meet

5、 the contest requirements.Keywords: FSC car,intake and exhaust systems, engine, modeling目 錄1 緒論 11.1 賽事背景意義 11.2 大學(xué)生方程式汽車大賽簡介 21.2.1 Formula SAE 21.2.2 大賽規(guī)則簡介31.2.3 評定項目簡介31.2.4 中國大學(xué)生方程式大賽簡介41.3 進(jìn)排氣系統(tǒng)規(guī)則概況 42 進(jìn)氣系統(tǒng)設(shè)計 72.1 進(jìn)氣的設(shè)計 92.2 進(jìn)氣布置設(shè)計 92.3 進(jìn)氣形式選擇 102.4 進(jìn)氣系統(tǒng)套件設(shè)計 102.5 進(jìn)氣系統(tǒng)材料與制造工藝162.6 進(jìn)氣管長度對發(fā)動機(jī)性能的

6、影響182.7 進(jìn)氣管流體分析203 排氣系統(tǒng)設(shè)計213.1 排氣布置設(shè)計選擇213.2 排氣系統(tǒng)各參數(shù)的計算223.2.1 排氣管內(nèi)徑 223.2.2 消音器各參數(shù) 233.3 排氣管道及消聲器的材料 253.3.1 排氣系統(tǒng)的性能與強(qiáng)度分析 264 進(jìn)排氣系統(tǒng)的實物制作29 5 總 結(jié) 31參 考 文 獻(xiàn)32致 謝331 緒 論1.1 賽事背景意義 中國大學(xué)生方程式汽車大賽旨在由各大學(xué)車隊的本科生和研究生構(gòu)想、設(shè)計、制造一輛小型方程式賽車并參加比賽。為了給予參賽車隊最大的設(shè)計靈活性和自由度來表現(xiàn)我們大學(xué)生的創(chuàng)新能力和想象能力，大賽對于賽車的整體設(shè)計沒有太多的限制。每一個參賽隊所面臨的挑戰(zhàn)在

7、于要制作出一輛能夠順利完成規(guī)則中的所有比賽項目的賽車。中國大學(xué)生方程式汽車大賽給參賽車隊創(chuàng)造一個同來各地大學(xué)的車隊同場競技的平臺，以展示和證明我們大學(xué)生的創(chuàng)新能力和工程技術(shù)水平。 大賽評分規(guī)則由靜態(tài)部分和動態(tài)部分兩個部分組成，動態(tài)部分包括：直線加速測試、8 字繞環(huán)測試、高速避障測試、耐久測試、燃油經(jīng)濟(jì)性測試等。要想在動態(tài)項目中取得好的成績，則對于賽車的動力系統(tǒng)要求又很高的要求。首先要求賽車要匹配一臺高性能的發(fā)動機(jī)，因為動態(tài)項目的成績直接受發(fā)動機(jī)性能的影響。因此，在賽車設(shè)計過程中，進(jìn)排氣改進(jìn)工作將對賽車的性能和在比賽中的成績起到至關(guān)重要的影響。作為一名大學(xué)生，平時很少能直接接觸到動力系統(tǒng)的相關(guān)的

8、一些設(shè)計，因此，這次比賽能稱得上是對大學(xué)生的非常有意義的一次鍛煉。 大學(xué)生方程式賽車活動將以院校為單位組織學(xué)生參與，賽事組織的目的主要有：重點培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新設(shè)計能力、制造能力、成本控制能力和團(tuán)隊溝通協(xié)作能力，使學(xué)生能夠盡快適應(yīng)中國企業(yè)的需求，為中國企業(yè)挑選優(yōu)秀人才提供了一個很好的平臺；通過這項比賽來創(chuàng)造學(xué)術(shù)競爭的氛圍，為各院校提供一個進(jìn)行交流溝通的平臺，進(jìn)而推動學(xué)科建設(shè)的提升；大賽在提高和檢驗汽車行業(yè)院校學(xué)生的綜合素質(zhì)，為汽車工業(yè)健康、快速和可持續(xù)發(fā)展培養(yǎng)鍛煉人才，增進(jìn)產(chǎn)、學(xué)、研三方的交流與互動合作等方面具有十分廣泛的意義。毫無疑問，對于對汽車的了解僅限于書本和個人駕乘體驗的大學(xué)生而言，組成一

9、個團(tuán)隊設(shè)計一輛純粹而高性能的賽車并將它制造出來，是一段極具挑戰(zhàn)，同時也受益頗豐的過程。在天馬行空的幻想、大腦一片空白的開始、興奮的初步設(shè)計、激烈的爭執(zhí)、毫無方向的采購和加工、無可奈何的妥協(xié)、令人抓狂的一次次返工、絞盡腦汁的解決難題之后，參與者能獲得的不僅僅是CATIA 、UG、ANSYS 以及焊接、定位、機(jī)加工技能，更有汽車工程師的基本素養(yǎng)和豐富實踐經(jīng)驗。與此同時，管理和運(yùn)營整個團(tuán)隊讓未來的企業(yè)管理者接受了一次難度十足的鍛煉。FSAE 賽事也給了汽車廠商發(fā)現(xiàn)優(yōu)秀人才和創(chuàng)意想法的機(jī)會。通過FSAE 大賽可以學(xué)到很多書本上學(xué)不到的東西，并且能夠?qū)⒅R轉(zhuǎn)化為專業(yè)技能，同時還能鍛煉學(xué)生的團(tuán)隊合作能力和

10、責(zé)任感。1.2 大學(xué)生方程式汽車大賽簡介1.2.1 Formula SAE Formula SAE，是由各國SAE，即汽車工程師協(xié)會舉辦的面向在讀或畢業(yè)7 個月以內(nèi)的本科生或研究生舉辦的一項學(xué)生方程式賽車比賽，要求在一年的時間內(nèi)制造出一輛在加速、剎車、操控性方面有優(yōu)異的表現(xiàn)并且足夠穩(wěn)定耐久，能夠成功完成規(guī)則中列舉的所有項目業(yè)余休閑賽車。自1981 年創(chuàng)辦以來，F(xiàn)SAE 已發(fā)展成為每年由7 個國家舉辦的9 場賽事所組成，并有數(shù)百支來自全球頂級高校的車隊參與的青年工程師盛會。規(guī)則是制作一臺5 馬力的木制賽車。 SAE 方程式（Formula SAE）系列賽將挑戰(zhàn)本科生、研究生團(tuán)隊構(gòu)思、設(shè)計與制造小

11、型具有越野性能的方程式賽車的能力。為給車隊最大的設(shè)計彈性和自我表達(dá)創(chuàng)意和想象力的空間，在整車設(shè)計方面將會限制很少。賽前車隊通常用8 至12 個月組的時間設(shè)計、建造、測試和準(zhǔn)備賽車。在與來自世界各地的大學(xué)代表隊的比較中，賽事給了車隊證明和展示其創(chuàng)造力和工程技術(shù)能力的機(jī)會。為了達(dá)到比賽的目的、學(xué)生可以把自己假想設(shè)計人員。某一制造公司聘請他們?yōu)槠湓O(shè)計、制造和論證一輛用來評估該公司某一量產(chǎn)項目的原型車。預(yù)期的銷售市場是周末業(yè)余汽車比賽。因此，該車必須在加速，制動和操控性能方面表現(xiàn)出色。該車必須成本低廉、易于維修、可靠性好。此外，考慮到市場銷售的因素，該車需美觀、舒適，零部件也需要有通用性。制造企業(yè)計劃

12、每天生產(chǎn)四輛該型車， 并要求原型車實際耗資應(yīng)低于2.5 萬美元（該規(guī)則09 年已經(jīng)取消）。設(shè)計小組受到的挑戰(zhàn)是設(shè)計和組裝一輛滿足各種要求的車。各個設(shè)計環(huán)節(jié)將作為競賽比較和評判的內(nèi)容。2008 年Formula SAE 系列賽包括以下九個比賽：1. 美國密歇根，F(xiàn)ormula SAE，由SAE 舉辦；2. 美國加利福尼亞，F(xiàn)ormula SAE West，由SAE 舉辦；3. 美國弗吉尼亞，F(xiàn)ormula SAE VIR，由SAE 協(xié)辦；4. 澳大利亞，F(xiàn)ormula SAE Australasia，由澳洲SAE 舉辦；5. 巴西，F(xiàn)ormula SAE Brasil，由巴西SAE 舉辦；6.

13、意大利，F(xiàn)ormula SAE Italy，ATA 舉辦；7. 英國，F(xiàn)ormula Student，由ImechE 舉辦；8. 德國，F(xiàn)ormula Student Germany；9.日本，F(xiàn)ormula SAE Japan。2009 年的比賽包括美國的密歇根、加州和弗吉尼亞賽，以及英國、巴西、意大利、日本、德國、澳大利亞賽。2010 年10 月，中國第一屆大學(xué)生方程式汽車大賽在上海國際賽車場舉辦。2011 年10 月，中國第二屆大學(xué)生方程式汽車大賽在上海國際賽車場舉辦。2012 年10 月，中國第三屆大學(xué)生方程式汽車大賽在上海國際賽車場舉辦。2013 年10 月，中國第四屆大學(xué)生方程式汽

14、車大賽在襄陽舉辦。1.2.2 大賽規(guī)則簡介比賽規(guī)則非常開放，以鼓勵學(xué)生的原創(chuàng)設(shè)計和各種形式的賽車的出現(xiàn)。比賽的基本原則如下所示：使用的發(fā)動機(jī)為四沖程汽油機(jī)且排量不能超過610cc必須安裝內(nèi)徑20mm 的進(jìn)氣限流閥已控制發(fā)動機(jī)功率大量安全和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求整車的成本不能大于25000 美元（按規(guī)則計算）11.2.3 評定項目簡介比賽通過一系列靜態(tài)和動態(tài)的比賽項目來評判賽車的優(yōu)劣，這些項目包括：技術(shù)檢驗、成本分析、市場陳述、工程設(shè)計、單項性能測試、耐久測試、燃油經(jīng)濟(jì)性。通過給這些項目進(jìn)行打分來進(jìn)一步評判賽車的整體性能。每個項目的分值分配如表1.1 所示。環(huán)節(jié)名稱分值靜態(tài)項目陳述75工程設(shè)計150成本分

15、析100動態(tài)項目加速性75彎道性能50操作穩(wěn)定性150燃油經(jīng)濟(jì)性50耐久性300總體兩項總分1000 圖1.11.2.4 中國大學(xué)生方程式大賽簡介中國大學(xué)生方程式汽車大賽（簡稱FSC）是中國汽車工程學(xué)會及和其一起合作的會員單位，在學(xué)習(xí)和總結(jié)美國、日本、德國等國家相關(guān)經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，結(jié)合中國自身的國情，精心打造出的一項全新的比賽。這項比賽包括工藝、環(huán)保、動力系統(tǒng)、現(xiàn)場操作系統(tǒng)、動態(tài)測試和靜態(tài)測試等多個項目，并且會對學(xué)生的設(shè)計理念、工藝水平、成本控制能力和營銷方案進(jìn)行評比，以及把賽車制造成產(chǎn)品的過程。這并不是一場競速比賽或節(jié)油比賽，而是對中國汽車人才綜合素質(zhì)的比賽，這項賽事通過全方位考核來進(jìn)一步提高

16、大學(xué)生的設(shè)計、制造、成本控制、營銷、溝通與協(xié)調(diào)等五方面的綜合能力，從而全面地提高大學(xué)生的綜合素質(zhì)。未來支撐中國汽車產(chǎn)業(yè)的人才一定會在這些大學(xué)生中出現(xiàn)，同時這也是這項比賽的最大意義，舉辦中國大學(xué)生方程式汽車大賽的目的，就是為了中國汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展做長期的人才培養(yǎng)和積蓄。中國大學(xué)生方程式汽車大賽由各中國高等院校汽車工程或與汽車相關(guān)專業(yè)的在校學(xué)生組隊參加。比賽要求各參賽隊按照賽事規(guī)則和賽車制造標(biāo)準(zhǔn)，自行設(shè)計和制造方程式類型的小型單人座休閑賽車，并攜該車進(jìn)行參加全部或部分的比賽項目。在比賽過程中，參賽車隊不僅要對設(shè)計理念進(jìn)行闡述，還要由裁判對該車進(jìn)行若干項其他的性能測試。2010 年中國舉辦第一屆FSC

17、，北京理工大學(xué)代表隊以總分第一的成績獲得總冠軍。2011 年的中國第二屆FSC 北京理工大學(xué)代表隊以總分第一的成績蟬聯(lián)冠軍。2012年，湖北汽車工業(yè)學(xué)院獲得冠軍，2013年廈門理工獲得冠軍。1.3 進(jìn)排氣系統(tǒng)規(guī)則概況以下部分為FSC 規(guī)則對于進(jìn)排氣系統(tǒng)的一些要求，在進(jìn)行相關(guān)設(shè)計時必須按照規(guī)則要求進(jìn)行。賽車的發(fā)動機(jī)必須為四沖程、排量不能超過610毫升的活塞式發(fā)動機(jī)?？梢栽谝?guī)則的限制范圍內(nèi)對發(fā)動機(jī)進(jìn)行一定的改造。如果使用多個發(fā)動機(jī)，那么其總排量不得超過610毫升，并且所有的進(jìn)氣氣流必須經(jīng)過同一個進(jìn)氣限流閥。發(fā)動機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)與供油系統(tǒng)的所有零部件（包括節(jié)氣門或化油器，以及整個進(jìn)氣系統(tǒng)：包括空氣濾清器和

18、進(jìn)氣室）必須安裝在整車的外框內(nèi)。賽車必須裝有化油器或節(jié)氣門?；推骰蚬?jié)氣門的設(shè)計及尺寸不限。節(jié)氣門必須為機(jī)械控制，比如通過拉線或連桿系統(tǒng)進(jìn)行操作。禁止使用電子節(jié)氣門或類似的線控系統(tǒng)。節(jié)氣門控制系統(tǒng)必須至少有兩個復(fù)位彈簧位于節(jié)氣門體。使節(jié)氣門系統(tǒng)的某部分如果出現(xiàn)故障時，節(jié)氣門依然可以順利回到閉合的位置。 油門拉線與排氣系統(tǒng)部件之間必須至少相距50.8毫米，并且遠(yuǎn)離排氣氣流。油門踏板必須安裝有限位塊，當(dāng)油門拉線或節(jié)氣門控制系統(tǒng)超載時用以及時切斷總電源。為限制發(fā)動機(jī)功率，在進(jìn)氣系統(tǒng)的節(jié)氣門與發(fā)動機(jī)之間必須安裝一個內(nèi)部截面為圓形的限流閥，并且所有發(fā)動機(jī)的進(jìn)氣氣流都應(yīng)流經(jīng)此限流閥。 禁止在限流閥和發(fā)動機(jī)

19、之間使用任何可以控制進(jìn)氣流量的裝置。限流閥內(nèi)部截面的最大直徑為：使用汽油燃料20.0毫米使用E-85 燃料19.0毫米限流閥必須安放在技術(shù)檢查對其進(jìn)行測量時方便的位置 進(jìn)氣系統(tǒng)的任何部分如果離地面的高度小于350毫米，為了抵擋來自側(cè)面或背面的碰撞必須安裝保護(hù)罩對其進(jìn)行保護(hù)。進(jìn)氣歧管必須使用支架或者機(jī)械連接，牢固地與發(fā)動機(jī)體或者氣缸蓋連接固定在一起。不允許使用鉗夾，塑料扎帶或者安全繩等進(jìn)行連接?？梢允褂孟鹉z套管或者軟管以實現(xiàn)氣密，但是不允許將其用于結(jié)構(gòu)固定。任何情況下，限流閥的內(nèi)部截面都不能任何發(fā)生變化（例如限流閥不能作為節(jié)氣門可動部件的一部分）。如果使用了多臺發(fā)動機(jī)，所有發(fā)動機(jī)的進(jìn)氣氣流都必須

20、流經(jīng)限流閥。若使用增壓器，限流閥必須安裝在增壓設(shè)備與化油器或節(jié)氣門之間。因此，唯一允許的順序是：節(jié)氣門、限流閥、增壓設(shè)備、發(fā)動機(jī)。尾氣出口必須要合理布置，使賽車以任何速度行駛時，車手都不會遭受尾氣污染。排氣口不得處于后軸中心線450mm之后的位置，離地距離不得高于600mm。如果排氣系統(tǒng)的零部件從車身兩側(cè)延伸到主環(huán)以前，那么這些零部件必須有護(hù)罩遮蓋，以防車手或其他人員燙傷。賽車的噪音等級將使用靜態(tài)方法測定。測試時，自由場測量麥克風(fēng)的探頭將位于尾氣出口后方0.5m處，與排氣口水平，并與氣流流動方向夾角成45度。變速箱處于空擋且發(fā)動機(jī)處于指定轉(zhuǎn)速。如果使用了多個排氣口，檢測將測量各排氣口的噪音等級

21、，取最高讀數(shù)為最終測量值。如果排放裝置帶有可調(diào)節(jié)或節(jié)流裝置，那么在測試時，這些裝置必須處在最大開口位置。這些裝置的開口位置必須能讓測試官員看到，并且測試官員能夠直接手動對裝置進(jìn)行調(diào)節(jié)。汽車或摩托發(fā)動機(jī)在活塞平均速度914.4m/min的轉(zhuǎn)速下進(jìn)行噪音測試，“工業(yè)發(fā)動機(jī)”在活塞平均速度為731.5m/min的轉(zhuǎn)速下進(jìn)行噪音測試，上述方法計算所得轉(zhuǎn)速取整后即為實際測試轉(zhuǎn)速。組委會將公布常用發(fā)動機(jī)的測試轉(zhuǎn)速。噪音等級上限為110加權(quán)分貝。組委會有權(quán)在比賽中任何時候檢測賽車的噪音等級。如果賽車未通過噪音測試，賽車必須退出比賽。直至修改并再次通過噪音測試1。2 進(jìn)氣系統(tǒng)的設(shè)計我校于2013 第一次籌劃參

22、加的中國大學(xué)生方程式汽車大賽，當(dāng)時使用的發(fā)動機(jī)為嘉陵600。與當(dāng)時其他學(xué)校使用的本田CBR600 的四缸發(fā)動機(jī)相比，動力性相差很大。發(fā)動機(jī)型式 單缸、四沖程、水冷、四氣門、SOHC排量：599cc 缸徑 (mm) 94 行程 (mm) 85 最大功率 (kW) 30kw(6000rpm) 最大扭矩 (N.m) 51N.m(4500rpm) 冷卻方式 強(qiáng)制水冷(組成：水泵、散熱器、風(fēng)扇等) 供油方式 閉環(huán)電噴系統(tǒng)（組成：供油系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、參量、操控系統(tǒng)、噴油系統(tǒng)等） 變速器型式五檔常嚙合 排放指標(biāo)達(dá)到歐III標(biāo)準(zhǔn)點火方式 電感儲能式點火（DLI） 接插件結(jié)構(gòu) 全密封式防水、防漏電接插組合件 自

23、診斷系統(tǒng) 電路系統(tǒng)故障顯示或提示為了得到初始發(fā)動機(jī)的相關(guān)數(shù)據(jù)，并得到為發(fā)動機(jī)改進(jìn)提供思路的數(shù)據(jù)，我們對初始發(fā)動機(jī)運(yùn)用GT-Power進(jìn)行數(shù)值模擬。模擬側(cè)重對發(fā)動機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)的模擬，主要在進(jìn)氣系統(tǒng)進(jìn)氣情況以及充氣效率上。GT-power是一款由Gamma Technologies公司開發(fā)的具有發(fā)動機(jī)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的模擬仿真工具，現(xiàn)在被世界上大多數(shù)發(fā)動機(jī)和汽車制造廠家及供應(yīng)商使用。 GT-Power是GT-Suite系列軟件中的一部分，涵蓋了發(fā)動機(jī)本體、驅(qū)動系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、燃油供給系統(tǒng)、曲軸機(jī)構(gòu)、配氣機(jī)構(gòu)六個方面。該軟件采用有限體積法進(jìn)行流體的計算，計算步長自動可調(diào)，有強(qiáng)大的輔助建模前處理工具，自帶有豐富

24、的燃燒模型，具有豐富的控制功能，能與SIMULINK進(jìn)行耦合求解，能與三維的CFD軟件進(jìn)行耦合計算，自帶有優(yōu)化設(shè)計功能，能進(jìn)行直接優(yōu)化、DOE設(shè)計/優(yōu)化，能進(jìn)行進(jìn)、排氣系統(tǒng)噪音分析，能對進(jìn)、排氣系統(tǒng)的消音元件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。12 在該模型的模擬中，我們期望得到的是發(fā)動機(jī)在未限流的情況下進(jìn)氣系統(tǒng)的氣流情況，包括單位時間氣流量、發(fā)動機(jī)輸出情況，以及發(fā)動機(jī)的響應(yīng)情況。模型建立的約束條件如下：發(fā)動機(jī)形式：嘉陵JH600單缸汽油發(fā)動機(jī)燃燒模型：Wiebe函數(shù)模型進(jìn)氣環(huán)境定義：標(biāo)準(zhǔn)大氣壓（1bar），常溫（300K）進(jìn)氣歧管：內(nèi)壁粗糙度def，內(nèi)壁溫度450K進(jìn)氣門開啟時間：139凸輪軸轉(zhuǎn)角排氣門開啟時間：

25、126凸輪軸轉(zhuǎn)角。排氣歧管：內(nèi)壁粗糙度def，內(nèi)壁溫度600K排氣環(huán)境定義：標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，常溫。生成的模型樹如圖2.1圖2.1單缸汽油機(jī)GT-Power模型建立模型并進(jìn)行模擬計算，如圖2.2 圖2.2未加限流器前發(fā)動機(jī)進(jìn)氣道氣流情況從模擬結(jié)果中我們可以得到，本次模擬共有832個循環(huán)，各種參數(shù)比較正常，在正常情況下，該發(fā)動機(jī)的進(jìn)氣情況比較理想，進(jìn)氣系統(tǒng)中沒有能影響發(fā)動機(jī)進(jìn)氣的組件，進(jìn)氣管單位時間內(nèi)的空氣流量比較高，在88kg/h左右，發(fā)動機(jī)充氣效率較高，燃油燃燒完全，輸出性能跟廠商數(shù)據(jù)相差不大。2.1 進(jìn)氣系統(tǒng)的設(shè)計把空氣或混合氣導(dǎo)入發(fā)動機(jī)氣缸的零部件集合體稱為發(fā)動機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)，主要組件有原始進(jìn)氣道

26、、空氣濾清器、連接管路、增壓器、中冷卻器等。其功能是為發(fā)動機(jī)提供清潔、干燥、充足的空氣。由于大賽對于進(jìn)氣系統(tǒng)的限流閥的要求，所以一套進(jìn)氣系統(tǒng)包括：空濾、節(jié)氣門、限流閥、穩(wěn)壓箱、進(jìn)氣管。2.2 進(jìn)氣布置設(shè)計a) 上方進(jìn)氣：理論上這里的進(jìn)氣效果應(yīng)該是最好的，進(jìn)氣壓力高，空氣干凈較穩(wěn)定。不過這樣進(jìn)氣管較長，氣體的沿程損失較大，而且因為布置空間的原因（發(fā)動機(jī)高度，主環(huán)高度，限流閥長度），很可能布置不開。b) 側(cè)向進(jìn)氣：布置方便，進(jìn)氣效果也較好，不足是因為側(cè)向吸氣，可能導(dǎo)致各缸的進(jìn)氣不均勻度提高；下部的進(jìn)氣較臟，側(cè)翼的空氣也可能會由于車輛運(yùn)行而不穩(wěn)定?？梢詮姆€(wěn)壓箱設(shè)計上減小這問題，但是制造上可能有問題（

27、異形，從進(jìn)氣處到尾端由大到小漸縮），后面會有穩(wěn)壓箱設(shè)計。唯一要考慮的是不能超過進(jìn)氣系統(tǒng)設(shè)置的范圍（不大可能超出）。c) 沖后進(jìn)氣：理論上車輛后面有個正壓區(qū)，但是這個區(qū)域隨著車速而變化，而且車后空氣較臟，此處進(jìn)氣效果較差，但是進(jìn)氣管可以做的比較短，降低沿程損失，布置也是最方便。考慮綜合因素，選擇上方進(jìn)氣。2.3 進(jìn)氣形式設(shè)計進(jìn)氣方式主要有自然進(jìn)氣、渦輪增壓、機(jī)械增壓三大類。渦輪增壓和機(jī)械增壓均能增加充氣效率。但渦輪增壓會使發(fā)動機(jī)的零部件長期處于高負(fù)荷狀況，零部件易受損，導(dǎo)致日后的維護(hù)成本較高，維修也不方便；更大的弊端是在低轉(zhuǎn)速下渦輪有遲滯現(xiàn)象，輸出不線性，不利于操控。機(jī)械增壓則需要對發(fā)動機(jī)內(nèi)部進(jìn)

28、行改動，效率不如渦輪增壓。反觀自然進(jìn)氣，雖然沒有增壓器，但可以通過改變進(jìn)氣管長度提高充氣效率。根據(jù)賽事規(guī)則與參賽內(nèi)容，發(fā)動機(jī)常處于中低轉(zhuǎn)速工況。因此，決定先采用自然進(jìn)氣為今年的方案，在實踐中累積經(jīng)驗，熟悉這款發(fā)動機(jī)的特性，在今后嘗試對發(fā)動機(jī)做更突破的改造。2.4 進(jìn)氣系統(tǒng)套件設(shè)計選擇a) 空濾：選用冬菇頭，如有可能比賽時可以改用一層濾網(wǎng)，能減少進(jìn)氣阻力。另外應(yīng)該注意如果使用冬菇頭的話，選用合適形狀的冬菇頭，避免冬菇頭超出外框。b) 節(jié)氣門：節(jié)氣門喉口不宜過大，因為節(jié)氣門將變得同原機(jī)比相差過多。同樣由于原機(jī)ECU，故而需要考慮節(jié)氣門位置傳感器的安裝位置。由于怠速空氣控制閥和原機(jī)不匹配，故而不適用

29、怠速空氣控制閥，改用節(jié)氣門預(yù)開一個小開度來保證怠速的時候的進(jìn)氣?？梢酝ㄟ^節(jié)氣門上的螺釘進(jìn)行微調(diào)。節(jié)氣門位置傳感器的全閉電壓可選用0.330.5v，低于0.32v將會報警。全開電壓在4.0v左右。最終選用發(fā)動機(jī)原裝節(jié)氣門，內(nèi)徑45mm。c) 限流閥：限流閥基本構(gòu)型為文丘里管式的漸縮漸擴(kuò)管，考慮三種形式：通過查閱相關(guān)資料我們得到三種不同形式的限流器設(shè)計方案，如圖2.3a 限流器1b 限流器2c 限流器3 圖2.3 三種不同設(shè)計參數(shù)的限流器 限制器1是參考勞倫斯科技大學(xué)所公布的數(shù)據(jù)而設(shè)計的。設(shè)計包括了“入口32mm，14角延伸至20毫米限流器，出口7傾斜錐角延伸至504mm出口”。圓錐形狀的目的是實

30、現(xiàn)平穩(wěn)過渡，防止氣流分離。限制器2進(jìn)口延伸角由14增至16，出口延伸角增至17，但進(jìn)出口半徑不變。限制器3是將限制器進(jìn)口延伸角增大至41進(jìn)口半徑增至50mm，其他條件不變13。我們選擇以上三種不同參數(shù)的限流器對發(fā)動機(jī)進(jìn)行模擬，得到不同限流器限流情況下發(fā)動機(jī)的空氣流量、充氣效率以及發(fā)動機(jī)輸出性能的變化，如圖2.4:圖2.4 不同限流器下，進(jìn)氣系統(tǒng)的空氣流量由曲線圖中我們可以得到，在低轉(zhuǎn)速階段（3000RPM以下），發(fā)動機(jī)空氣流量較低，限流器對發(fā)動機(jī)影響較小。但當(dāng)發(fā)動機(jī)進(jìn)入中高轉(zhuǎn)速區(qū)域是，三種限流器的進(jìn)氣流量出現(xiàn)較大波動，并且三者之間出現(xiàn)較大的差別，限流器3在中高轉(zhuǎn)速波動較小，而限制器1和2流量隨

31、轉(zhuǎn)速變化波動較大，最高達(dá)35%。圖2.5 限流器對充氣效率的影響上圖2.5為不同限流器隨轉(zhuǎn)速變化對發(fā)動機(jī)充氣效率的影響曲線，從曲線中我們可以看出，當(dāng)其他條件不變，發(fā)動機(jī)在中低轉(zhuǎn)速（低于4500RPM）時，限流器對發(fā)動機(jī)充氣效率影響不大，但在高轉(zhuǎn)速區(qū)域，發(fā)動機(jī)的充氣效率下降明顯。這是由于在高轉(zhuǎn)速區(qū)域，發(fā)動機(jī)節(jié)氣門全開，在進(jìn)氣沖程所占凸輪軸轉(zhuǎn)角比例不變的情況下，發(fā)動機(jī)進(jìn)氣時間減少，并且由于進(jìn)氣道里空氣流速加快，氣壓下降，空氣密度下降，進(jìn)一步導(dǎo)致進(jìn)入氣缸內(nèi)的氧氣量減少，導(dǎo)致燃燒所需氧量不足，發(fā)動機(jī)充氣效率下降2。由于嘉陵600特點是中低轉(zhuǎn)速輸出，綜合上面分析結(jié)果，選取限流器3進(jìn)行下一步的模擬以及實驗

32、。見圖2.6：圖2.6 限流后發(fā)動機(jī)的數(shù)值模擬從模擬結(jié)果中可以看出，雖然優(yōu)化了限流器的設(shè)計，但是限流器給發(fā)動機(jī)帶的影響是非常大的，進(jìn)氣系統(tǒng)中單位時間的氣流量從原來的88kg/h降低到了26kg/h左右，降低了大約70%，這對發(fā)動機(jī)的性能限制是非常大的。所以，要通過發(fā)動機(jī)的改進(jìn)平衡限流器對發(fā)動機(jī)的影響。根據(jù)資料，減縮錐角為2040，漸擴(kuò)為410（5左右最佳），圓弧半徑為（0.51.0）最小直徑。考慮加工方便，使用方案2.在喉管處留有2mm 左右的過渡段，保證20mm 的精度要求。最終建模如下圖2.7和圖2.8。圖2.7限流閥建模圖2.8限流閥實物圖圖2.8 限流閥d) 穩(wěn)壓箱設(shè)計：穩(wěn)壓箱設(shè)計有三

33、套方案：i. 方形：設(shè)計、制造、連接，噴油座布置簡單方便，但是流場不好看。ii. 圓柱形：制造簡單（鈑金+焊接或管件+焊接），連接。內(nèi)燃所制造為管件車薄了再焊接。iii. 異形：可以最大限度的優(yōu)化流場，但是設(shè)計制造復(fù)雜，異形最好使用fluent優(yōu)化后再確定，至少保證過渡圓滑。穩(wěn)壓箱用來收集經(jīng)過限流器的空氣，并使空氣在穩(wěn)壓箱內(nèi)穩(wěn)定下來，以層流的狀態(tài)進(jìn)入汽缸。穩(wěn)壓箱的最主要的參數(shù)是體積，理論上講，穩(wěn)壓箱體積越大對發(fā)動機(jī)的充氣效率的增加就越有幫助，但因為節(jié)氣門在穩(wěn)壓箱前面，穩(wěn)壓箱體積太大，箱內(nèi)氣體壓力上升緩慢，造成發(fā)動機(jī)響應(yīng)緩慢，所以，確定穩(wěn)壓箱體積就是要在增加充氣效率與取得良好的發(fā)動機(jī)響應(yīng)之間取得

34、良好的平衡。根據(jù)經(jīng)驗值，穩(wěn)壓箱一般是發(fā)動機(jī)排量的3-5倍，即1.8L-3L是這臺發(fā)動機(jī)穩(wěn)壓箱合適的體積范圍，然后運(yùn)用GT-Power對不同體積穩(wěn)壓箱下的發(fā)動機(jī)進(jìn)行數(shù)值模擬，對模擬結(jié)果進(jìn)行分析，取得特定穩(wěn)壓箱體積下發(fā)動機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)單位時間內(nèi)的空氣流量和發(fā)動機(jī)的充氣效率，得到如圖2.9所示，最大空氣流量下的最佳穩(wěn)壓箱容積，此情況下，穩(wěn)壓箱容積是2.5L10: 圖2.9 取得最大空氣流量下的穩(wěn)壓箱容積穩(wěn)壓箱和進(jìn)氣歧管內(nèi)壁粗糙度主要影響氣流與管壁的摩擦力大小，粗糙度越高，摩擦力越大，氣體流經(jīng)管道過程中能量損失和壓力損失越大，造成的氣流分離現(xiàn)象越明顯。所以為了不影響氣流的流動狀態(tài)，進(jìn)氣管道內(nèi)壁應(yīng)該盡可能光

35、滑。穩(wěn)壓箱容積越大則高轉(zhuǎn)扭矩提升，但是低轉(zhuǎn)扭矩減低，另外穩(wěn)壓箱容積提升所造成的油門遲滯感并不十分明顯（60ms 附近）穩(wěn)壓箱容積定為2.5L。最終選定為圓柱形，如圖2.1015: 圖2.10 穩(wěn)壓箱2.5 進(jìn)氣系統(tǒng)材料與制造工藝汽車進(jìn)氣系統(tǒng)要求輕質(zhì)，可靠，耐用，抗腐蝕等特性?，F(xiàn)代汽車發(fā)動機(jī)大多采用工程塑料為進(jìn)氣管的材質(zhì)，由于不同于排氣管需要耐高溫，進(jìn)氣管不斷地在充入新鮮工質(zhì)，不會產(chǎn)生高溫，塑料在這種情況下是非常好的選擇，因為既輕質(zhì)，成本又低廉，并且形狀可塑性佳，造型自由度很高，切內(nèi)壁容易做到很光滑，有利于氣體流動。我校有相關(guān)設(shè)備，于是使用3D打印機(jī)制作限流閥和穩(wěn)壓箱。進(jìn)氣管連接部分采用內(nèi)壁光滑

36、的硅膠管。管之間用管箍固定。進(jìn)氣系統(tǒng)布置時要求不得與其他部分干涉，且處在車架的輪廓內(nèi)，車架輪廓定義如下圖2.11:圖2.11車架輪廓 車架與發(fā)動機(jī)建模和最終進(jìn)氣系統(tǒng)建模如下圖2.12和2.13: 圖2.12 車架與發(fā)動機(jī)圖2.13 進(jìn)氣系統(tǒng)最終裝配圖2.6 進(jìn)氣管長度對發(fā)動機(jī)性能的影響進(jìn)氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)對發(fā)動機(jī)的動力性能有較大影響。根據(jù)FSC賽事規(guī)則，必須在發(fā)動機(jī)節(jié)氣門和進(jìn)氣門之間安裝直徑為20 mm的限流閥。發(fā)動機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)主要包括進(jìn)氣管和進(jìn)氣道兩部分，而進(jìn)氣管的形狀包括長度、曲率和內(nèi)徑3個方面。下面主要從進(jìn)氣管長度方面進(jìn)行分析。中低速范圍內(nèi)迸氣管長度會影響發(fā)動機(jī)的充量系數(shù)，在發(fā)動機(jī)高速狀態(tài)下，利用

37、慣性增壓效應(yīng)，進(jìn)氣管長度越長，管內(nèi)流速越高，吸入氣缸的新鮮氣體越多。因為波動效應(yīng)，局部的損失量會增加，并且對發(fā)動機(jī)的有效功率輸出有較大影響。因此，在其他結(jié)構(gòu)因素不變的情況下，運(yùn)用GT-Power軟件模擬不同進(jìn)氣管長度對發(fā)動機(jī)充氣效率、扭矩的影響3。圖2.14 進(jìn)氣管長度對發(fā)動機(jī)充氣效率的影響圖2.15進(jìn)氣管長度對發(fā)動機(jī)扭矩的影響 從圖2.14和圖2.15可以看出：在汽油機(jī)內(nèi)徑、曲率等參數(shù)不變的前提下，迸氣管長度變化對發(fā)動機(jī)中、高轉(zhuǎn)速的動力性能及充氣效率影響很大，且隨著長度的增加，其影響越明顯。發(fā)動機(jī)一定時，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)矩和充量系數(shù)成正相關(guān)。因此，由于原發(fā)動機(jī)的高速諧振點所對應(yīng)的發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速較高，適當(dāng)

38、加長進(jìn)氣管長度，對改善發(fā)動機(jī)中、高轉(zhuǎn)速的動力性能作用比較大。故在不影響發(fā)動機(jī)整體布置的前提下應(yīng)適當(dāng)加長進(jìn)氣管長度7。2.7 進(jìn)氣管流體分析 用ansys分析進(jìn)氣系統(tǒng)的進(jìn)氣效果，如圖2.16和2.17,從圖中可以看出穩(wěn)壓箱起到了很好的穩(wěn)壓作用。圖2.16 進(jìn)氣系統(tǒng)流速分析 圖2.17 進(jìn)氣系統(tǒng)壓強(qiáng)分析3 排氣系統(tǒng)設(shè)計排氣系統(tǒng)是發(fā)動機(jī)的重要組成部分，其主要作用是在滿足整車結(jié)構(gòu)布置要求，保證發(fā)動機(jī)最佳性能的同時，流暢的排出發(fā)動機(jī)工作所產(chǎn)生的廢氣，并使排出的廢氣污染減盡量小，噪音盡量低。所以設(shè)計一個好的排氣系統(tǒng)對發(fā)動機(jī)整體性能的提高具有重要意義。排氣系統(tǒng)最基本的功能就是引導(dǎo)發(fā)動機(jī)做功產(chǎn)生的廢氣排出車外

39、，由于排氣對發(fā)動機(jī)換氣的影響和排氣噪聲的存在。排氣系統(tǒng)在設(shè)計的最大目標(biāo)就是優(yōu)化排氣過程提高發(fā)動機(jī)換氣效率以及減少排氣噪聲。凡用空氣燃燒燃料的發(fā)動機(jī)，他所能發(fā)出的功率，歸根到底，受限于空氣的進(jìn)入，空氣與燃料的化合以及廢氣排出的速率。持續(xù)輸出高額持續(xù)功率的管家在于易于換氣。當(dāng)然，在發(fā)動機(jī)中還必須有效利用空氣，否則混合氣質(zhì)量不高也得不到高功率。本次暫不分析混合氣的形成過程。3.1 排氣布置設(shè)計選擇1）排氣系統(tǒng)（主要是消音器）必須滿足賽車整車的結(jié)構(gòu)布置要求，并要有較好的外觀和內(nèi)在質(zhì)量，可以承受較高的排氣溫度及強(qiáng)烈的震動，具備較長的使用壽命。 2）排氣系統(tǒng)（主要是消音器）的設(shè)計，應(yīng)使得排氣阻力盡可能小，

40、以使其對發(fā)動機(jī)功率的損失盡可能小。3）排氣系統(tǒng)（主要是消音器）要有較好的音質(zhì)和較低的音強(qiáng)，即應(yīng)有較大的插入損失。4）排氣系統(tǒng)必須保證具有較好的結(jié)構(gòu)特性，可以有效地防止廢氣的泄露。根據(jù)以上設(shè)計要求，參考車架與發(fā)動機(jī)的設(shè)計參數(shù)，借鑒傳統(tǒng)高性能發(fā)動機(jī)排氣系統(tǒng)的設(shè)計要求，根據(jù)車架布置的相關(guān)參數(shù)，大體確定排氣系統(tǒng)的布置方式。如下圖3.114:圖3.1 排氣系統(tǒng)布置圖3.2 排氣系統(tǒng)各參數(shù)的計算 參考已有的發(fā)動機(jī)排氣系統(tǒng)的設(shè)計的相關(guān)經(jīng)驗，結(jié)合本賽車所用發(fā)動機(jī)的基本參數(shù)，設(shè)計確定本排氣系統(tǒng)（主要是消音器）的各項參數(shù)（主要包括消音器容積、消音器的擴(kuò)張比與長徑比）以及結(jié)構(gòu)形式，選取一種合適的消音器產(chǎn)品。確定排氣

41、系統(tǒng)的具體結(jié)構(gòu)尺寸，以及在整車車架中的具體位置。結(jié)合軟件分析模擬對所設(shè)計的排氣系統(tǒng)的性能、強(qiáng)度進(jìn)行分析試驗，并對相關(guān)部分進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。123.2.1 排氣管內(nèi)徑在結(jié)構(gòu)布置允許的情況下，排氣管內(nèi)徑應(yīng)盡可能大些，以降低管道內(nèi)得氣流速度，減少氣流阻力產(chǎn)生的功率損失和再生噪聲。一般應(yīng)發(fā)動機(jī)排氣歧管出口內(nèi)徑?；蚋鶕?jù)發(fā)動機(jī)排量等參數(shù)，按公式 (1) 計算初步確定排氣管內(nèi)徑。 （3-1）式中：Q發(fā)動機(jī)排量； V氣流速度，一般取 5060 m/s 。則由此可算得排氣管內(nèi)徑為36mm。3.2.2 消音器各參數(shù) 消音器的種類很多，但究其消聲機(jī)理，又可以把它們分為六種主要的類型，即阻性消音器、抗性消音器、阻抗復(fù)合式

42、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，主要是利用多孔吸聲材料來降低噪聲的。把吸聲材料固定在氣流通道的內(nèi)壁上或按照一定方式在管道中排列，就構(gòu)成了阻性消音器。當(dāng)聲波進(jìn)入阻性消音器時，一部分聲能在多孔材料的孔隙中摩擦而轉(zhuǎn)化成熱能耗散掉，使通過消音器的聲波減弱。阻性消音器就好象電學(xué)上的純電阻電路，吸聲材料類似于電阻。因此，人們就把這種消音器稱為阻性消音器。阻性消音器對中高頻消聲效果好、對低頻消聲效果較差。(主要應(yīng)用于發(fā)電機(jī)機(jī)組消音) 抗性消音器，是由突變界面的管和室組合而成的，好象是一個聲學(xué)濾波器，與電學(xué)濾波器相似，每一個帶管的小室是濾波器的一個網(wǎng)孔，管中的空氣質(zhì)量相當(dāng)于電學(xué)上

43、的電感和電阻，稱為聲質(zhì)量和聲阻。小室中的空氣體積相當(dāng)于電學(xué)上的電容，稱為聲順。與電學(xué)濾波器類似，每一個帶管的小室都有自己的固有頻率。當(dāng)包含有各種頻率成分的聲波進(jìn)入第一個短管時，只有在第一個網(wǎng)孔固有頻率附近的某些頻率的聲波才能通過網(wǎng)孔到達(dá)第二個短管口，而另外一些頻率的聲波則不可能通過網(wǎng)孔只能在小室中來回反射，因此，我們稱這種對聲波有濾波功能的結(jié)構(gòu)為聲學(xué)濾波器。選取適當(dāng)?shù)墓芎褪疫M(jìn)行組合就可以濾掉某些頻率成分的噪聲，從而達(dá)到消聲的目的。抗性消音器適用于消除中、低頻噪聲。 阻抗復(fù)合式消音器，由阻性結(jié)構(gòu)和抗性結(jié)構(gòu)按照一定的方式組合構(gòu)成。 微穿孔板消音器，一般是用厚度小于1mm的純金屬薄板制作，在薄板上用

44、孔徑小于1mm的鉆頭穿孔，穿孔率為1%一3%。選擇不同的穿孔率和板厚不同的腔深，就可以控制消音器的頻譜性能，使其在需要的頻率范圍內(nèi)獲得良好的消音效果。 小孔消音器，結(jié)構(gòu)是一根末端封閉的直管，管壁上鉆有很多小孔。小孔消音器的原理是以噴氣噪聲的頻譜為依據(jù)的，如果保持噴口的總面積不變而用很多小噴口來代替，當(dāng)氣流經(jīng)過小孔時、噴氣噪聲的頻譜就會移向高頻或超高頻，使頻譜中的可聽聲成分明顯降低，從而減少對人的干擾和傷害。有源消音器，基本原理是在原來的聲場中，利用電子設(shè)備再產(chǎn)生一個與原來的聲壓大小相等、相位相反的聲波，使其在一定范圍內(nèi)與原來的聲場相抵消。這種消音器是一套儀器裝置，主要由傳聲器、放大器、相移裝置

45、、功率放大器和揚(yáng)聲器等組成。 消聲量首先要發(fā)動機(jī)排氣噪聲大小、頻譜特性和消聲器所匹配車輛的噪聲標(biāo)準(zhǔn)限值之間的差值來決定消聲器確定降低排氣噪聲的目標(biāo)值，即由消聲量的大小。假設(shè)聲源特性屬線性聲源，聲衰減量L為： L=10lg（R2/R1） （3-2）式中：R1消聲器出口處噪聲限值點到聲源點距離；R2整車噪聲限值測點到聲源點距離；消聲器出口噪聲限值： LmL+La （3-3）消聲器的消聲量Ld為： LdLe-Lm （3-4）根據(jù)賽車車架本發(fā)動機(jī)實際情況，要求消音量Ld20dB消聲器有效容積大小直接影響其消聲性能和功率損失。合理的消聲器有效容積要根據(jù)汽油機(jī)排量、轉(zhuǎn)速、氣缸數(shù)、沖程數(shù)以及消聲器要達(dá)到的指

46、標(biāo)來選擇。在結(jié)構(gòu)布置允許的情況下，相對而言，其容積越大插入損失越大。其容積一般不小于8倍的發(fā)動機(jī)排量，以10倍為宜。以下是一種常見的消音器容積的計算方式。 （3-5）其中：n-發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速；T-沖程；N-氣缸數(shù)；Vh-發(fā)動機(jī)排量；Q-系數(shù)；取2-6本發(fā)動機(jī)為單缸四沖程發(fā)動機(jī)，排量0.6L，在此取消音器的容積為6L。選擇消聲器進(jìn)口直徑時要避免因進(jìn)氣直徑過小而引起整個排氣管的截面突變，同時，進(jìn)氣處氣流流速不宜過大。估算進(jìn)口直徑Di的公式為： （3-6）上式中：Q-進(jìn)口處排氣流量，L/s； Vmax-允許最大氣流流速，m/s；（通常取100m/s）進(jìn)口處排氣流量可以通過發(fā)動機(jī)進(jìn)氣流量Qi公式估算： （

47、3-7）式中：c-充量系數(shù)，一般取0.86排氣流量計算公式： （3-8）上式中：Tb-進(jìn)口處排氣溫度；（發(fā)動機(jī)廠家提供） Ts-進(jìn)氣溫度；（發(fā)動機(jī)廠家提供） -取0.98經(jīng)計算，本消音器的進(jìn)口直徑選為37.5mm，而出口直徑想選為相同的37.5mm。消聲器截面積與消聲器進(jìn)口截面積之比稱為擴(kuò)張比（M）。對消聲器插入損失要求越大，擴(kuò)張比選擇值越大。根據(jù)上面確定的消聲器進(jìn)口直徑Di，直接算出圓形消聲器直徑Dm： （3-9）在此取消音器的擴(kuò)張比為12，則可相應(yīng)算得消音器直徑為130mm。當(dāng)消聲器容積V、消聲器直徑Dm確定后，可直接計算長度L。當(dāng)消聲器容積保持不變時，只改變其內(nèi)徑與長度，L/Dm越小，空

48、腔越扁，截面積的擴(kuò)張比m越大，最大衰減量也隨之增大，但消聲頻率范圍變得較窄。因此，應(yīng)選取適當(dāng)?shù)拈L徑比。其經(jīng)驗推薦值為： 3L/Dm4。則取L/Dm=3.5，L=455mm。管的中心轉(zhuǎn)彎半徑一般應(yīng)（1.52）D，其折彎成型角應(yīng)大于90，以大于120為宜。整個系統(tǒng)的管道轉(zhuǎn)彎數(shù)應(yīng)盡可能少，一般情況下不多于6個。排氣尾管段的方向應(yīng)與水平面縱向下彎510，出口方向應(yīng)盡可能指向地面的車身投影的縱向中線。排氣管與發(fā)動機(jī)連接處的結(jié)構(gòu)方式采用平面雙孔（或三孔）法蘭。排氣管與消音器連接處采用采用球面法蘭家加密封墊片方式4。3.3 排氣管道及消聲器的材料本賽車發(fā)動機(jī)的排氣系統(tǒng)主要由排氣管及消音器兩部分組成。這兩部分

49、分別處在不同的工作條件下，因此需要對這兩部分的材料分別進(jìn)行選取。由于發(fā)動機(jī)具有較高的排氣溫度（一般可達(dá)500900），因此需要排氣管材料具有良好的抗氧化性、高溫強(qiáng)度和熱疲勞特性。參考其他發(fā)動機(jī)排氣管材料并查閱了幾種材料的力學(xué)性能參數(shù)后，我們最終決定采用壁厚為1 .2mm的304不銹鋼作為排氣管的材料。對于消音器部分，由于消音器是由多種材料構(gòu)成，因此對消音器的各部分也要選擇相應(yīng)的材料。消音器不需要承受較高的工作溫度，考慮生產(chǎn)成本的原因，消音器用材料主要是SUS432系不銹鋼（17Cr-0.5Mo），對于外殼和末端板等，從美觀和防腐蝕措施來看，使用鍍鋁不銹鋼。3.3.1 排氣系統(tǒng)的性能與強(qiáng)度分析

50、排氣系統(tǒng)的優(yōu)劣對發(fā)動機(jī)的性能有直接的影響。排氣系統(tǒng)不可避免的會造成發(fā)動機(jī)的排氣損失，從而對發(fā)動機(jī)的整體性能造成不良影響。為在盡量小的發(fā)動機(jī)動力損失的前提下，取得盡可能好的消音效果，需要在試驗的基礎(chǔ)上借助軟件對所設(shè)計排氣系統(tǒng)在各工況個轉(zhuǎn)速下的效果進(jìn)行分析仿真。在發(fā)動機(jī)全負(fù)荷時對發(fā)動機(jī)模型進(jìn)行計算，得到如圖 所示的該發(fā)動機(jī)速度特性曲線。該發(fā)動機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩為108 Nm （轉(zhuǎn)速為4 200 r min）、標(biāo)定功率為60 kW （轉(zhuǎn)速為6 000 r min），計算值分別為1033 Nm（轉(zhuǎn)速為4 200 r min）和59 kW（轉(zhuǎn)速為6 000 r min），即最大轉(zhuǎn)矩誤差為435 、最大功率誤差

51、為167 ，均小于5 ，說明對該發(fā)動機(jī)工作過程的模擬比較準(zhǔn)確，所建立的發(fā)動機(jī)工作過程模擬模型可用于排氣噪聲的分析。如下圖3.211。 圖3.2 發(fā)動機(jī)模擬 根據(jù)已知的數(shù)值進(jìn)行發(fā)動機(jī)排氣噪聲分析，結(jié)果如圖3.3：圖3.3 噪音模擬分析 由圖3.3得出結(jié)論，模擬數(shù)值可以滿足大賽要求。用ANSYS分析排氣系統(tǒng)中受的壓力，從而校核排氣系統(tǒng)地強(qiáng)度和有目的的加固排氣系統(tǒng)。分析如下圖3.4。圖3.4ansys流體分析排氣管 圖中紅色部分顯示的是排氣管中壓強(qiáng)最大的部分4 排氣系統(tǒng)的實物制作 最后，我與同學(xué)共同焊接安裝排氣系統(tǒng)，用不銹鋼焊條將排氣管焊接，如下圖4.1: 圖4.1 最終安裝圖5 總結(jié)2014年3月，我開始了我們的畢業(yè)設(shè)計工作，到今天，已經(jīng)好幾個月過去了，畢

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