FSC赛车设计发动机进气系统设计(2)
而对于大学生方程式赛车而言，发动机进气系统对发动机乃至整个赛车的性能更是有着举足轻重的影响。因为FSC赛规规定必须在其进气口处加装一个直径不得小于20mm的限流阀限制其进气量,为了限制发动机的动力性能并增加赛车的安全性和操控性,但与此同时这也为进气系统的设计增加了难度。首要问题就是进行发动机建模以及CFD分析与研究从而减小限流阀对发动机充气效率的影响,并在满足赛规前提下,完成赛车进气系统的设计与优化,提高赛车的动力性和轻量化水平[1]。
1.2 国外研究现状
1.3 国内研究现状
1.4 FSC赛事介绍
中国大学生方程式汽车大赛（即“FSC”）是一项借鉴国外FSAE大赛并且由国内各大高校车辆工程或相关专业在校学生参加的汽车设计、制造的赛车比赛。各车队需要根据FSC赛规和标准，在一年的时间内完全由学生独立自主设计、制造出一辆在各方面都有着上佳表现、可用于周末休闲的小型单座赛车[6]。
南京理工大学FSAE-NUT车队由机械工程学院组建于2010年底，主要由发动机组、制动组、悬架组、转向组、车身组、营销组、成本组等组成，一共约20名成员一起独立完成赛车的研究、设计、制造、调校等任务。本届车队的赛车采用本田CBR600RR四冲程水冷发动机，排量599cc，压缩比12.2:1，有着卓越的动力性能。但是采购来的发动机进气系统依然需要重新设计，从而保证发动机呼吸顺畅、增大进气量、进一步提高发动机的动力性能，而这就是本文所需要研究的内容。
1.5 本课题研究主要内容
本课题具体内容包括：
1.5.1发动机进气结构参数计算分析
了解并研究发动机进气系统管内气体流动模型以及波动效应、能量损失等等，对发动机进行一文仿真建模，利用GT-Power软件对发动机进行建模分析，分析发动机进气管长度的改变、谐振腔体积改变对发动机进气系统充气效率可能会产生的影响。
1.5.2发动机进气系统三文建模
使用三文建模软件CATIA针对已模拟分析完的发动机结构参数进行发动机进气管、进气歧管、谐振腔的建模工作。为了保证设计的完整和优越性，根据不同的设计思路和理念设计了三种进气结构以便做比较和挑选。
1.5.3流体力学计算分析
运用CFD基础，立足于流体力学控制方程、连续性方程、能量方程等，并且设置各类离散化、边界条件和初始化条件来对其进行流体力学计算分析。
1.5.4三文流场动力学计算分析
首先使用GAMBIT软件对进气系统模型进行网格划分、求解方式选择、边界条件设定，并使用FLUENT对发动机进气系统包括:进气管一谐振腔一进气歧管一气缸进行流场模拟分析。得出该进气结构下四个出口的质量流量、出口流速并输出流线图。
1.5.5设计改进与对比
完成结构设计以及网格划分后，经过三文流场分析和计算后依据三文流场的计算结果改进相应的三文模型使得进气结构得到优化，并与改进后的模型所进行的流场结果做比较分析。而且将本次设计的进气系统与2013、2013届南理工NUT方程式车队的近期熊方案进行比对分析。
1.6 本章小结
本章主要分析了本课题的研究意义和时代背景并且针对国内外该课题的研究和发展现状进行了一定的整理和概括，理清了整体思路以便在实际设计计算过程中可以更加高效。根据这些资料得出设计步骤和核心内容后便可以从细节开始着手本课题的研究、设计工作了。
2 发动机进气系统设计理论
2.1 进气道内气体流动效应
发动机进气道设计需要利用气体动力增压的原理：当进气阀开启时，活塞的运动会导致产生一定的真空，从而使得进气阀入口处产生膨胀波，而膨胀波会在进气道内发生传播效应和反射效应，如果在进气阀关闭前，恰好可以有一个大小正的压力波传到进气阀，就会使发动机可以吸入更多的空气从而增大进气量。而进气阀急剧打开时同时也会在气门出造成负压，使得负的膨胀波在管内传播，到达开口处后会在时间 内反射回第一个正压波。如果在气门关闭前恰好有一个正压波峰值到达的话也会使发动机可以吸入更多的空气从而增大进气量，这就是惯性增压。但是倘若进气管过长，正压力波来回所经过的时间 大于进气实际持续时间 (如图2.1)，那么第一个反射波产生的影响会正好抵消；如果恰好一个为负值的压力波正好在气门关闭时通过，便会造成充气系数的降低。
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