560 大學(xué)生方程式賽車設(shè)計(jì)（發(fā)動機(jī)匹配試算與裝配設(shè)計(jì)）（有cad圖+三維圖）,560,大學(xué)生方程式賽車設(shè)計(jì)（發(fā)動機(jī)匹配試算與裝配設(shè)計(jì)）（有cad圖+三維圖）,大學(xué)生,方程式賽車,設(shè)計(jì),發(fā)動機(jī),匹配,裝配,cad,三維 汽車空調(diào)的二氧化碳冷卻系統(tǒng)的 工程和濕氣-壓縮吸收的測試 摘要 跨臨界的二氧化碳冷卻循環(huán)對環(huán)保來說是相當(dāng)重要的，但是在高達(dá)120bar的高操作壓力下它的應(yīng)用具有很大的挑戰(zhàn)性。濕氣-壓縮吸收 (WCA) CO2 冷卻循環(huán)是通過把非揮發(fā)性液體加入 CO2 冷卻循環(huán)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的。CO2在液體中溶解度很高并且也很容易被解析。在 WCA CO2 冷卻循環(huán)中，較高的壓力少于35bar，大大低于跨臨界的二氧化碳冷卻循環(huán)。 在這篇論文中，根據(jù)對工作液體的各項(xiàng)熱力學(xué)分析，WCA CO2 冷卻實(shí)驗(yàn)設(shè)備是通過限制現(xiàn)有汽車?yán)鋮s單元的外形和操作包裝構(gòu)造的。正確的操作這個(gè)獨(dú)特的設(shè)備為汽車空調(diào)傳遞足夠的冷卻條件。系統(tǒng)性能和周期律的關(guān)系及內(nèi)部熱交換器的效率要經(jīng)過測試。設(shè)備使用的成分完全以現(xiàn)有的成份為基礎(chǔ)而不是為提高效率追求最大化的潛在物質(zhì)。 關(guān)鍵字: 二氧化碳; 壓縮-吸收的周期; 測試; 車輛; 空調(diào) 1、簡介 與其他的冷卻系統(tǒng)相較, 比如吸收或熱電的冷卻系統(tǒng)，蒸汽壓縮系統(tǒng)由于他們的高效率而廣泛的被使用。但是傳統(tǒng)的蒸汽壓縮系統(tǒng)對碳氟化合物的使用易對環(huán)境造成污染而逐步被淘汰。基于環(huán)境友好的潛在選擇性冷卻系統(tǒng)目前具有較低的性能需要發(fā)展更新的有更高價(jià)值的成分。這些問題很顯然存在于傳統(tǒng)的汽車空調(diào)的二氧化碳冷卻系統(tǒng)中，即使CO2目前是替代CFC/HCFC的最好辦法，跨臨界的二氧化碳冷卻系統(tǒng)承受較高的操作壓力，不同于現(xiàn)有成分的成分具有較低的性能。 為了減少跨臨界的二氧化碳冷卻循環(huán)系統(tǒng)的操作壓力和費(fèi)用，本論文經(jīng)過研究將濕氣-壓縮吸收 (WCA) CO2 冷卻循作為汽車空調(diào)。此循環(huán)將跨臨界的二氧化碳冷卻循環(huán)和吸收冷卻循環(huán)聯(lián)系在了一起。由于吸收劑吸收了二氧化碳在吸收體里，WCA CO2 系統(tǒng)解除壓力重要地減少到不高于35bar以便那現(xiàn)有的成份為基于蒸汽壓縮系統(tǒng)的碳氟化合物直接地被吸收。混合液體在系統(tǒng)各處流通。吸收體和解吸蒸發(fā)器分別地代替?zhèn)鹘y(tǒng)系統(tǒng)的凝結(jié)器。 這不是第一次聯(lián)合蒸汽壓縮和吸收周期在冷卻系統(tǒng)中。大部分共同的系統(tǒng)是 帶有VCCSC的蒸汽壓縮循環(huán)。 命名法 一 區(qū)域 (m 2) x 離心因素 C 周期 Dp 差別的壓力 (Pa) d 公斤 kgA 1 干空氣 h 特性焓 (kJ kgA 1) 腳注 m 塊 (公斤) a 空氣 M 摩爾 (g molA 1) c 冷卻；重要狀態(tài) P 壓力 (Pa) 壓縮物 q 空氣流程率 (m 3 sA 1) h 高溫 Q 熱流出 (千瓦) I 工作液體 T 溫度 (K) 物體內(nèi)部 V 體積 (m 3) 1 低溫 W 力量 (千瓦) n 混合的成分編號 x 摩爾分?jǐn)?shù) 物體外部 q 密度 (公斤) g 效率 r 比率 Groll 發(fā)展了一個(gè)樣品單位并總結(jié)了1998年之前的研究成果。他對在以 CO2/丙酮作為工作液體對VCCSC在實(shí)驗(yàn)和數(shù)字的研究具有顯著的成就。與 NH3/H2 O 系統(tǒng)相比,CO2/丙酮在高度溫度環(huán)境應(yīng)用下具有很大的競爭力, 像是熱邦浦。Itard 和 Machielsen 發(fā)展了以 NH3/H2 O 作為工作液體的一個(gè)實(shí)驗(yàn)的 VCCSC 樣品單位。他們發(fā)現(xiàn)對外表面的局部條件最好將全部NH3濃縮在制高點(diǎn)上。與蒸汽壓縮系統(tǒng)相較, VCCSC 的主要優(yōu)勢是較高的潛在性能、新的能力控制選項(xiàng)、操作壓力的減少。盡管VCCSC的性能具有恨得吸引力, 但系統(tǒng)對安裝空間受限制的汽車空調(diào)的系統(tǒng)條件要求叫復(fù)雜。因此, 在WCA 周期通過在VCCSC 取消解決線路, 單一化能潛在減少工作壓力的系統(tǒng)程序。 Spauschus獲得二個(gè)基于 WCA 周期 的冷卻系統(tǒng)專利. 連同 Visteon 一起,Spauschus 呈現(xiàn)他們的起始測試結(jié)果。 結(jié)果表示 CO2 WCA 周期是有能力遞送足以支撐的冷卻能力。同時(shí)地, 一個(gè)源自制高點(diǎn)的周期模型包含了CO2/能吸收的混合特性和外部的環(huán)境條件也得到了改善。后來的工作描述了一個(gè) WCA CO2冷卻系統(tǒng)周期模型。模擬展現(xiàn)了IHX 的性能和周期比在系統(tǒng)性能上具有很強(qiáng)的影響。 在這篇論文中，不是以設(shè)計(jì)和生產(chǎn)出一種商業(yè)上可行的新的冷卻產(chǎn)品。相反的，主要目的是對于汽車應(yīng)用使用的WCA CO2冷卻系統(tǒng)在概念示范上的證明，以及找到了系統(tǒng)性能、周期比和IHX性能之間的關(guān)系，哪一個(gè)對以后的研究有更深遠(yuǎn)的影響。 2、原型設(shè)計(jì)和測試設(shè)備 2.1、程序和器具圖表 圖表展示了整個(gè)測試設(shè)備的結(jié)構(gòu)。戶外的房間環(huán)境的情況由一個(gè)電的加熱器和一個(gè)空調(diào)控制著, 而戶內(nèi)的房間環(huán)境由一個(gè)電加熱器、一個(gè)增濕器和一個(gè)空調(diào)控制著。能夠驅(qū)動風(fēng)扇的變速度馬達(dá)安裝在每個(gè)房間中的空氣輸送管中模擬不同的熱交換器在實(shí)際應(yīng)用中遇到的空氣速度。氣流率是以噴嘴測試。溫度和濕氣是以 Pt100 溫度計(jì)測試。 科里奧利塊流程公尺, 連同 T 熱電偶和壓力轉(zhuǎn)換器一起安裝在每個(gè)成份區(qū)域的冷凍邊緣的上下部分。壓縮物體的力用測力計(jì)直接地測量, 包括有帶子和沒有帶子的損失。測試臺簡單的反映了感應(yīng)器的準(zhǔn)確性和功能。 在圖中也展示了 WCA CO2 冷卻原型單位環(huán)。WCA 原型的主要的成份被挑選出來與汽車空調(diào)應(yīng)用中現(xiàn)有的 R134系統(tǒng)外部尺寸大致相配。系統(tǒng)成份的概要列在表 2。安裝了三副感光鏡來監(jiān)測工作液體的狀態(tài)。WCA 的工作程序周期是:在解吸過程中,超過了蒸發(fā)溫度工作混合液體中更多揮發(fā)性成份 (CO2)就會蒸發(fā)消失。在這之后, CO2 蒸汽和吸收了C5H9的液體被壓縮到一有利于吸收體吸收的高壓環(huán)境。在吸收過程中,熱氣不經(jīng)過熱洗滌槽,并且CO2蒸汽被C5H9NO所吸收。此過程完成后最終回到吸收體中。IHX被用來傳送熱氣從高溫溶液到低溫溶液。在低溫的IHX中樣品單位利用旁路管道控制它的效率。 表 1 器具規(guī)格和功能 項(xiàng)目 準(zhǔn)確性量功能 PT100 ± 0.1 °C 4 空氣邊溫度和濕氣 T 熱電偶 ± 0.2 °C 15 冷凍的邊溫度 壓力下降轉(zhuǎn)換器 ± 2.5 Pa 2 空氣邊壓力不同完成的噴嘴 壓力轉(zhuǎn)換器 ± 0.5 酒吧 6 冷凍的邊絕對的壓力 力量公尺 ± 0.02個(gè)千瓦 1 壓縮物力量輸入 流程公尺 ± 0.8 公斤/h 1 冷凍的塊流程率 RPM 公尺 10個(gè)轉(zhuǎn)/每分 1 壓縮物速度 表 2 原型的主要部份成份 項(xiàng)目 規(guī)格 壓縮物 卷橋壓縮物, 換置 89 cc/轉(zhuǎn) 吸收體 明礬的, 六個(gè)途徑平行流程熱交換器,裝有百葉窗板的有鰭, 740. 290.(L 。 W 。 H) 使解吸 明礬的, 15條途徑帶子-管熱交換器,裝有百葉窗板的有鰭, 305. 185. 90(L 。 W 。 H) IHX 青銅碟子熱交換器, 總數(shù)熱移動區(qū)域: 0.9 m 2 擴(kuò)充活瓣 手冊, 大頭針-活瓣 接收器 明礬的, 體積: 1500 cm 3 圖 1. 原型和測試設(shè)備。 2.2. 不確定分析 主要的實(shí)驗(yàn)結(jié)果是解吸空氣流程率q,系統(tǒng)冷卻能力Qc,壓縮物力量輸入 W補(bǔ)償和性能系數(shù)。這些叁數(shù)之間的關(guān)系是: C 是一個(gè)常數(shù), 0.99; n噴嘴的噴嘴區(qū)域;Dp經(jīng)過噴嘴的壓力差;qa在噴嘴插入處的空氣密度;hin和hout是吸收體分別在吸收和釋放時(shí)的空氣焓。Gtotal是常數(shù)0.686計(jì)入損失的力,帶子, 抓緊、二個(gè)有柔性的聯(lián)編者和發(fā)明家。根據(jù)被Moffat提出的方法精密的器具規(guī)格在表1中,性能系數(shù)的誤差是0.036。 表3 工作液體特性 2.3.工作液體 吸收劑的基本性能是CO2能快速溶解在它里面很快地達(dá)到平衡。CO2在吸收體中的可溶性對壓力是很敏感的。吸收體應(yīng)該是能夠耐高溫,比如150oC。吸收劑的其他特性是低黏質(zhì)和密度、低毒性。C5H9NO被作為吸收體在這研究中。CO2和C5H9NO的純凈度是99.99%。CO2和C5H9的主要性能列在表3中并有C5H9NO的更多性能。 3.工作液體的熱力學(xué)模型 熱力學(xué)模型的發(fā)展是基于Soave提出的EOS方程式。（P ? RTAV eV t bT e4T）模型對于CO2和C5H9NO混合的液體和蒸汽是很有效的,公式中的P是總數(shù)壓力,T是絕對溫度,V是摩爾體積,R是國際瓦斯常數(shù)。對于給定的(T,P)三個(gè)典型的摩爾體積可滿足Eq，其中最小的符合液體狀態(tài)最大的符合蒸汽狀態(tài)。叁數(shù)a和b是從標(biāo)準(zhǔn)混合規(guī)則獲得的: 在這里ai、aj和bi表示純凈的CO2和C5H9的物理特性并取決于臨界參數(shù)和表3列出的離心因素。kij是一個(gè)二進(jìn)位的交互作用叁數(shù)取決于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù), 這里是 0.004。 xi, xj 分別表示CO2和C5H9在液體狀態(tài)下的摩爾分?jǐn)?shù)。 使用這模型,CO2/C5H9NO蒸汽-液體狀態(tài)要保持在固定的壓力下。考慮到成份操作壓力和溫度限制,原型操作設(shè)備能在預(yù)計(jì)的理想情況下有幫助于控制CO2量和吸收的費(fèi)用。圖2表示平衡圖表和操作設(shè)備用交叉線標(biāo)記。最大值操作溫度和壓力分別是60°C和35bar。在這里,模型的主要作用是確定了原型的操作設(shè)備。熱力學(xué)模型的更多細(xì)節(jié),如何描述焓,熱力學(xué)函數(shù)改變與溫度和壓力之間的關(guān)系和蒸汽-液體狀態(tài)有關(guān)研究方面的著作。 從圖2可看出,考慮到樣品單位的操作壓力和溫度限制，最大值 CR(周期比) 大約 是0.16. CR 是有計(jì)算得出的。mCO2和mC5H9分別表示CO2和C5H9的質(zhì)量。周期比根據(jù)CO2和C5H9之間的比例而改變。 4. 測試結(jié)果和討論 原型的測試真值表是根據(jù)汽車空調(diào)操作條件和原型操作的壓力限制制作的。真值表結(jié)果列在表5中。表4給出了每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)值。表4中在IHX效率專欄中, ''0'' 表示沒有IHX, ''總數(shù)''表示使用所有的那熱交換器。IHX的效率由計(jì)算得出。熱量計(jì)測試結(jié)果在表6中。它顯示了研究獲得的最初性能。一個(gè)獨(dú)特有能力遞送持續(xù)不斷的冷卻的 WCA CO2 冷卻系統(tǒng)有和現(xiàn)有的HFC134a冷卻單元相當(dāng)?shù)耐庑卧O(shè)備構(gòu)成。 從例1, 2 和 3,顯示系統(tǒng)周期比對系統(tǒng)性能有很大的影響。系統(tǒng)周期比變化在 8-13%范圍內(nèi),系統(tǒng)能力增加21.6%。同時(shí), 尤其在高壓縮物旋轉(zhuǎn)速度下增加系統(tǒng)周期比，系統(tǒng)壓力將不再增加。因?yàn)椴僮鲏毫ο拗? 例9測試不能實(shí)現(xiàn)。有和沒有IHX,系統(tǒng)能力和性能系數(shù)分別是9%和19.3%，體現(xiàn)在例1,4和5。在例1和4,IHX 效率是95%和34%；例5沒有IHX。最大性能值在例8中,在高壓縮物速度和系統(tǒng)周期 比。 總之， WCA CO2 冷卻系統(tǒng)的效率和冷卻性能不太可能適合全負(fù)荷操作下設(shè)計(jì)完好的蒸汽-周期系統(tǒng)，這就是為什么蒸汽-周期系統(tǒng)領(lǐng)先了數(shù)十年。 然而,這個(gè)系統(tǒng)并不是最優(yōu)的在將來的工作中有待于改善,WCA CO2 系統(tǒng)的環(huán)境利益可能是在實(shí)踐中獲得。 5、總結(jié) 使用CO2和C5H9作為工作液體的汽車空調(diào) WCA 冷卻原型已得到發(fā)展。測試結(jié)果表示系統(tǒng)能補(bǔ)給足以支撐的冷卻能力。WCA系統(tǒng)在汽車應(yīng)用中有優(yōu)勢并發(fā)揮重要作用，硬件能夠兼容R134a蒸汽壓縮系統(tǒng)。 從測量,發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)周期比和IHX性能對系統(tǒng)容量和性能有重要影響。在特定的情況下存在一個(gè)最適宜的性能系數(shù)和IHX量。通常,對CO2和C5H9最適宜的系統(tǒng)周期比是10 – 20%。對IHX 含量, 應(yīng)考慮到系統(tǒng)效率和經(jīng)濟(jì)因素。通常效率可達(dá)到85%。 為了改善系統(tǒng)性能和容量適合R134a系統(tǒng),長期研究為了找到更好的吸收體找到控制CO2集中的方法,優(yōu)化壓縮物適和濕氣壓縮并校訂加熱交換器兼容CO2吸收混合體。 參考文獻(xiàn) [1] G. Lorentzen,天然制冷劑的使用:對氟氯碳化物/HCFC 替換的完全解決辦法 ,Int。 J. Refrig。 18(3)(1995)190 – 197. 大學(xué)生方程式賽車設(shè)計(jì) （發(fā)動機(jī)匹配試算與裝配設(shè)計(jì)） 摘 要 中國大學(xué)生方程式汽車大賽（簡稱中國FSAE）是一項(xiàng)由高等院校汽車工程或汽車相關(guān)專業(yè)在校學(xué)生組隊(duì)參加的汽車設(shè)計(jì)與制造比賽。各參賽車隊(duì)按照賽事規(guī)則和賽車制造標(biāo)準(zhǔn)，在一年的時(shí)間內(nèi)自行設(shè)計(jì)和制造出一輛在加速、制動、操控性等方面具有優(yōu)異表現(xiàn)的小型單人座休閑賽車，能夠成功完成全部或部分賽事環(huán)節(jié)的比賽。 本文具體研究大學(xué)生方程式賽車（FSAE）發(fā)動機(jī)系統(tǒng)的匹配試算和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，通過了解發(fā)動機(jī)的性能參數(shù)、結(jié)構(gòu)參數(shù)，運(yùn)用發(fā)動機(jī)原理，汽車構(gòu)造等所學(xué)的知識，根據(jù)大學(xué)生方程式賽車的比賽規(guī)則及網(wǎng)上查詢資料，對發(fā)動機(jī)進(jìn)行選擇。文章主要論述如何改進(jìn)發(fā)動機(jī)的進(jìn)排氣及冷卻系統(tǒng)，使發(fā)動機(jī)達(dá)到預(yù)想的狀態(tài)，且符合大賽的規(guī)定。對于進(jìn)排氣系統(tǒng)采用GT-Power、FLUNT等軟件進(jìn)行仿真計(jì)算設(shè)計(jì)，進(jìn)排氣系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，采用四個(gè)分置的進(jìn)氣歧管，避免了各缸進(jìn)排氣時(shí)間不同造成的掙氣現(xiàn)象，使得進(jìn)排氣更加順暢，提高了進(jìn)氣效率，從而提升發(fā)動機(jī)的動力性能。進(jìn)氣系統(tǒng)限流閥的應(yīng)用使得賽車更加安全，同時(shí)也能讓學(xué)生更加的主動去學(xué)習(xí)如何改進(jìn)進(jìn)氣系統(tǒng)，做成兩頭錐的形狀，使得進(jìn)氣無死角，又不會違背大賽規(guī)定。應(yīng)用流體力學(xué)設(shè)計(jì)諧振腔，使得進(jìn)氣盡量多。 關(guān)鍵詞：方程式賽車（FSAE），發(fā)動機(jī)，匹配，進(jìn)排氣 I Design of FSAE (trial matching and assembly design of engine) ABSTRACT Formula SAE of China (hereinafter referred to as the "Chinese FSAE") is a study by the institutions of higher learning in vehicle engineering or relevant majors participate in automotive design and manufacture of the game. This paper studies college students formula (FSAE) matching calculation and structure design of engine system. by understanding the performance parameters, the structural parameters of the engine, using the principle of engine, automobile structure knowledge, According to the rules of the Formula SAE and search Information online to choose a engine . This paper mainly discusses how to improve the intake and exhaust and cooling system of engine, the engine to achieve the desired state, and in accordance with the competition rules. For the inlet and exhaust systems,use GT-Power FLUNT to simulation calculation. Optimization design of inlet and exhaust system,ues four intake manifold split,. avoid the phenomenon of each cylinder earn gas intake and exhaust is caused by the different time, the intake and exhaust more smoothly, improves the air intake efficiency, so as to enhance the power performance of the engine. The application of limited flow valve inlet system makes the car more secure, but also can make students more active go to study how to improve the intake system, made of two cone shape, so that the intake without blind angle, without violating the contest rules. Application of fluid mechanics designing resonant cavity, so that the intake as much as possible. KEY WORDS: Formula One racing (FSAE), engine, matching, The intake and exhaust. II 目 錄 第一章 大學(xué)生方程式賽車簡介 1 §1.1 賽事簡介 1 §1.2 愿景與使命 1 第二章 發(fā)動機(jī)的匹配 3 §2.1 發(fā)動機(jī)的匹配 3 §2.1.1 匹配的定義 3 §2.1.2 發(fā)動機(jī)匹配的應(yīng)用場合 3 §2.2 發(fā)動機(jī)的機(jī)械匹配技術(shù) 3 §2.2.1 發(fā)動機(jī)和變速器的選型和匹配 3 §2.2.2 設(shè)計(jì)與分析 4 §2.2.3 主要試驗(yàn)項(xiàng)目 5 §2.3 發(fā)動機(jī)管理系統(tǒng)及其開發(fā)技術(shù) 5 §2.3.1 發(fā)動機(jī)管理系統(tǒng) 5 §2.3.2 發(fā)動機(jī)管理系統(tǒng)開發(fā)技術(shù) 5 §2.4 發(fā)動機(jī)的標(biāo)定技術(shù) 6 §2.4.1 發(fā)動機(jī)標(biāo)定 6 §2.4.2 發(fā)動機(jī)標(biāo)定軟件 6 §2.4.3 發(fā)動機(jī)標(biāo)定設(shè)備 6 §2.4.4 發(fā)動機(jī)標(biāo)定試驗(yàn) 7 §2.5 其它相關(guān)電氣系統(tǒng)的開發(fā) 7 §2.5.1車載網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的開發(fā) 7 §2.5.2 電氣線束系統(tǒng)的開發(fā) 7 §2.6 發(fā)動機(jī)的選購 7 §2.6.1 賽車發(fā)動機(jī)的選擇原則 7 §2.6.2 以下是國內(nèi)幾款常用FSAE發(fā)動機(jī)的資料 8 第三章 發(fā)動機(jī)進(jìn)排氣系統(tǒng)的匹配 14 §3.1 FSAE進(jìn)排氣系統(tǒng)和限流閥的關(guān)系 14 §3.2 GT-Power介紹 15 §3.3 發(fā)動機(jī)的進(jìn)排氣管 15 III §3.3.1 進(jìn)氣管長度對發(fā)動機(jī)性能影響 17 §3.3.2 排氣管長度對發(fā)動機(jī)性能影響 17 §3.4 限流閥的作用意義 17 §3.4.1 什么是進(jìn)氣限制器 18 §3.4.2 進(jìn)氣限制器的作用 18 §3.4.3 為什么要有進(jìn)氣限制器 19 §3.4.4 進(jìn)氣限制器為什么要安裝在節(jié)氣門之后 20 §3.5 諧振腔CAE分析方法 20 §3.6 進(jìn)排氣歧管的設(shè)計(jì) 21 §3.7 進(jìn)排氣最終方案 23 §3.7.1 進(jìn)排氣系統(tǒng)UG圖 23 §3.7.2 進(jìn)排氣CAD圖 24 第四章 冷卻系統(tǒng)匹配 26 §4.1 冷卻系統(tǒng)的總體布置原則 26 §4.1.1 提高進(jìn)風(fēng)系數(shù) 26 §4.1.2 提高冷卻液循環(huán)中的散熱能力 26 §4.2 膨脹水箱的選擇 26 §4.3 水管的設(shè)計(jì) 27 §4.4 防凍液的選擇 27 §4.5 冷卻系統(tǒng)的固定 28 第五章 潤滑系統(tǒng) 29 §5.1 潤滑的意義 29 §5.2 潤滑的方式 29 §5.3 潤滑系統(tǒng)的組成及油路 30 §5.4 曲軸箱通風(fēng)裝置 30 §5.5 機(jī)油的功用 31 §5.6 機(jī)油的使用特性及機(jī)油添加劑 32 §5.7 機(jī)油的分類 33 §5.8 機(jī)油泵 34 §5.9 機(jī)油濾清器 35 §5.10 冷卻器 36 IV 第六章 總結(jié) 37 參考文獻(xiàn) 38 致 謝 39 附 錄 40 V 第一章 大學(xué)生方程式賽車簡介 §1.1 賽事簡介 中國大學(xué)生方程式汽車大賽（簡稱中國FSAE）是一項(xiàng)由高等院校汽車工程或汽車相關(guān)專業(yè)在校學(xué)生組隊(duì)參加的汽車設(shè)計(jì)與制造比賽。各參賽車隊(duì)按照賽事規(guī)則和賽車制造標(biāo)準(zhǔn)，在一年的時(shí)間內(nèi)自行設(shè)計(jì)和制造出一輛在加速、制動、操控性等方面具有優(yōu)異表現(xiàn)的小型單人座休閑賽車，能夠成功完成全部或部分賽事環(huán)節(jié)的比賽。 2010年第一屆中國FSAE由中國汽車工程學(xué)會、中國二十所大學(xué)汽車院系、國內(nèi)領(lǐng)先的汽車傳媒集團(tuán)——易車（BITAUTO）聯(lián)合發(fā)起舉辦。中國FSAE秉持“中國創(chuàng)造擎動未來”的遠(yuǎn)大理想，立足于中國汽車工程教育和汽車產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)實(shí)基礎(chǔ)，吸收借鑒其他國家FSAE賽事的成功經(jīng)驗(yàn)，打造一個(gè)新型的培養(yǎng)中國未來汽車產(chǎn)業(yè)領(lǐng)導(dǎo)者和工程師的交流盛會，并成為與國際青年汽車工程師交流的平臺。中國FSAE致力于為國內(nèi)優(yōu)秀汽車人才的培養(yǎng)和選拔搭建公共平臺，通過全方位考核，提高學(xué)生們的設(shè)計(jì)、制造、成本控制、商業(yè)營銷、溝通與協(xié)調(diào)等五方面的綜合能力，全面提升汽車專業(yè)學(xué)生的綜合素質(zhì)，為中國汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展進(jìn)行長期的人才積蓄，促進(jìn)中國汽車工業(yè)從“制造大國”向“產(chǎn)業(yè)強(qiáng)國”的戰(zhàn)略方向邁進(jìn)。 中國FSAE是一項(xiàng)非盈利的社會公益性事業(yè)，利在當(dāng)代，功在未來。項(xiàng)目的運(yùn)營和發(fā)展結(jié)合優(yōu)秀高等院校資源、整車和零部件制造商資源，獲得了政府部門和社會各界的大力支持以及品牌企業(yè)的資助。社會各界對項(xiàng)目投入的人力支持和資金贊助全部用于賽事組織、賽事推廣和為參賽學(xué)生設(shè)立賽事獎金。 §1.2 愿景與使命 促進(jìn)中國汽車產(chǎn)業(yè)自主研發(fā)與科技進(jìn)步，提高中國汽車產(chǎn)業(yè)“引進(jìn)—消化—吸收—再創(chuàng)新”和“自主創(chuàng)新”的能力，加快中國制造向中國創(chuàng)造的轉(zhuǎn)型，推動民族品牌向世界品牌的跨越。 完善汽車人才培育機(jī)制，為中國汽車工業(yè)從“制造大國”向“產(chǎn)業(yè)強(qiáng)國”的戰(zhàn)略方向邁進(jìn)奠定人才基礎(chǔ)。積極探索有效利用社會資源培養(yǎng)創(chuàng)新型人才的素質(zhì)教育新體系。 搭建自主創(chuàng)新技術(shù)的國際交流舞臺，幫助中國汽車產(chǎn)業(yè)的未來人才從世界汽車技術(shù)的革新潮流中不斷獲取新的啟迪，以國際化的視野捕捉行業(yè)動態(tài)，豐富知識儲備，積極參與國際汽車技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的更新與提升。 深化中國汽車產(chǎn)業(yè)自主創(chuàng)新的主流意識，強(qiáng)化中國汽車廠家在汽車人才培養(yǎng)、技術(shù)研發(fā)等方面的企業(yè)社會責(zé)任感，幫助眾多汽車自主品牌積極探索自身廣闊的發(fā)展空間。 圖1-1 我校參加第一屆FSAE的賽車 2 第二章 發(fā)動機(jī)的匹配 §2.1 發(fā)動機(jī)的匹配 §2.1.1 匹配的定義 在汽車設(shè)計(jì)中，根據(jù)整車中各個(gè)部件系統(tǒng)的特性，合理地選擇發(fā)動機(jī)、變速器和其它部件的類型和參數(shù)，將其進(jìn)行優(yōu)化組合，通過計(jì)算、仿真和實(shí)驗(yàn)等手段來估計(jì)和驗(yàn)證整車性能，使整車具有最優(yōu)的動力性、經(jīng)濟(jì)性、排放性能和制動性能的過程和方法。本文將分機(jī)械匹配和電氣匹配兩個(gè)方面來介紹發(fā)動機(jī)匹配技術(shù)。 §2.1.2 發(fā)動機(jī)匹配的應(yīng)用場合 通常發(fā)動機(jī)匹配項(xiàng)目主要應(yīng)用于兩個(gè)方面：一是在設(shè)計(jì)新車型過程中，開發(fā)新的動力系統(tǒng)；二是已有車型更換發(fā)動機(jī)或發(fā)動機(jī)國產(chǎn)化。發(fā)動機(jī)和變速器的選型和匹配是此類項(xiàng)目的工作重點(diǎn)。 §2.2 發(fā)動機(jī)的機(jī)械匹配技術(shù) §2.2.1 發(fā)動機(jī)和變速器的選型和匹配 一、設(shè)計(jì)計(jì)算 發(fā)動機(jī)匹配項(xiàng)目的設(shè)計(jì)計(jì)算是根據(jù)汽車要求的性能，來確定發(fā)動機(jī)和變速器等部件的類型和參數(shù)，有3種方法： 1、手工計(jì)算 主要根據(jù)汽車驅(qū)動力與行使阻力的平衡圖來確定汽車在不同檔位情況下的最高車速、加速能力和爬坡能力，從而評價(jià)變速器的不同傳動比對汽車性能的影響，確定發(fā)動機(jī)和變速器的參數(shù)。這種方法計(jì)算繁瑣，結(jié)果不夠準(zhǔn)確。 2、仿真計(jì)算 在設(shè)計(jì)汽車和各部件的模型基礎(chǔ)上，輸入發(fā)動機(jī)和變速器等汽車部件和整車的性能參數(shù)，指定要求的行駛循環(huán)，最后計(jì)算出汽車的動力性、經(jīng)濟(jì)性、排放性能和制動性能。它可以在計(jì)算機(jī)上顯示和打印各種分析報(bào)告和圖表結(jié)果，計(jì)算快速準(zhǔn)確，能反映出汽車系統(tǒng)中任何參數(shù)的變化對整車性能的影響。目前國內(nèi)常見的車輛仿真商業(yè)軟件有奧地利李斯特內(nèi)燃機(jī)及測試設(shè)備公司開發(fā)的汽車性能仿真分析軟件CRUISE。 3、參數(shù)優(yōu)化 將汽車的動力性、經(jīng)濟(jì)性、排放性能和制動性能作為目標(biāo)函數(shù),將發(fā)動機(jī)功率、汽車重量和變速器的各檔傳動比等參數(shù)作為優(yōu)化變量，在一定范圍內(nèi)，尋求最優(yōu)的匹配組合，使汽車達(dá)到最佳性能價(jià)格比。 二、發(fā)動機(jī)和變速器的布置 在完成發(fā)動機(jī)匹配設(shè)計(jì)計(jì)算后，根據(jù)初步確定的計(jì)算參數(shù)和汽車布置形式，可以從市場上選擇一款或多款發(fā)動機(jī)和變速器，然后選擇和開發(fā)相應(yīng)制動系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和空調(diào)系統(tǒng)等部件，在發(fā)動機(jī)艙和車身上試布置。也可以通過建立汽車和部件的CAD數(shù)字模型，在CAD軟件環(huán)境中試裝配，檢查干涉情況，并進(jìn)行調(diào)整。在確定汽車主要部件的位置后，可以進(jìn)行后續(xù)工作。 三、發(fā)動機(jī)附件系統(tǒng)的開發(fā) 通常汽車發(fā)動機(jī)供應(yīng)商只提供基礎(chǔ)發(fā)動機(jī)或稱為短發(fā)動機(jī)，它缺少部分外圍附件系統(tǒng)，因此需要汽車制造商開發(fā)這些系統(tǒng)。通常這些附件系統(tǒng)包括：風(fēng)扇及風(fēng)扇離合器、進(jìn)氣和排氣管道、空氣過濾器、發(fā)動機(jī)油泵、發(fā)動機(jī)懸置、動力轉(zhuǎn)向泵、三元催化器、空調(diào)壓縮機(jī)、燃油箱及供應(yīng)系統(tǒng)。 §2.2.2 設(shè)計(jì)與分析 1、CAD設(shè)計(jì) 在現(xiàn)代汽車的開發(fā)過程中，需要應(yīng)用CAD軟件來設(shè)計(jì)汽車和部件的數(shù)字模型。汽車設(shè)計(jì)CAD軟件主要有：美國UnigraphicsSolutions公司的UG和ParametricTechnologyCorp公司的Pro/ENGINEER、法國DassaultSystems公司的CATIA。CAD建模方法主要有：特征造型、用三坐標(biāo)測量機(jī)進(jìn)行逆向掃描。 2、CAE分析 汽車CAE分析軟件主要有：美國ANSYS股份公司的ANSYS和UG、Pro/ENGINEER及CATIA。發(fā)動機(jī)匹配項(xiàng)目中的CAE分析項(xiàng)目有：發(fā)動機(jī)的噪聲與振動分析、發(fā)動機(jī)支撐的分析、發(fā)動機(jī)熱力學(xué)分析、計(jì)算流體力學(xué)分析（驗(yàn)證散熱器的尺寸和發(fā)動機(jī)進(jìn)氣流動特性）。 §2.2.3 主要試驗(yàn)項(xiàng)目 發(fā)動機(jī)和汽車臺架試驗(yàn)：發(fā)動機(jī)噪聲與振動試驗(yàn)；發(fā)動機(jī)懸置的振動頻率測量試驗(yàn)；排氣系統(tǒng)的耐久性試驗(yàn)；發(fā)動機(jī)過濾器和冷卻系統(tǒng)的壓力和流動試驗(yàn)。針對新設(shè)計(jì)的發(fā)動機(jī)和變速器等部件設(shè)計(jì)裝配用的夾具工具；針對新設(shè)計(jì)的發(fā)動機(jī)和變速器等部件設(shè)計(jì)制造工藝；針對新設(shè)計(jì)的發(fā)動機(jī)和變速器等部件，開發(fā)維修工具，例如OBD車載診斷儀器及其軟件；開發(fā)汽車經(jīng)銷商銷售管理數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)等。 §2.3發(fā)動機(jī)管理系統(tǒng)及其開發(fā)技術(shù) §2.3.1發(fā)動機(jī)管理系統(tǒng) 發(fā)動機(jī)管理系統(tǒng)(EMS,enginemanagementsystem)是在發(fā)動機(jī)電子點(diǎn)火和電控汽油噴射系統(tǒng)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的集電子控制噴射、排放控制、電子點(diǎn)火、起動、防盜、診斷等功能于一體的集成電路系統(tǒng)。電子控制技術(shù)的飛速發(fā)展及發(fā)動機(jī)排放法規(guī)的不斷加嚴(yán)和人們對汽車發(fā)動機(jī)性能的要求不斷提高(方便性、舒適性、高效性和經(jīng)濟(jì)性)促進(jìn)了EMS的發(fā)展，EMS能實(shí)現(xiàn)對發(fā)動機(jī)各系統(tǒng)的精確控制和靈活控制,是改善發(fā)動機(jī)各項(xiàng)性能指標(biāo)和排放的主要手段。發(fā)動機(jī)管理系統(tǒng)都是由微處理器、各種傳感器和執(zhí)行器組成，通過傳感器檢測各種工作狀態(tài)和參數(shù)，然后由微處理器經(jīng)過計(jì)算、分析、判斷后發(fā)出指令給各執(zhí)行器完成各種動作，使發(fā)動機(jī)在各種工作狀況下都能以最佳狀態(tài)工作。 市場上常見的發(fā)動機(jī)管理系統(tǒng)有：德國的博世、西門子;美國的德爾福(DELCO)；日本的豐田SFI/TCCS、本田PGM2F1、尼桑ECCS等；韓國的現(xiàn)代ECFI。 §2.3.2 發(fā)動機(jī)管理系統(tǒng)開發(fā)技術(shù) 發(fā)動機(jī)管理系統(tǒng)開發(fā)技術(shù)涉及到計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動控制、嵌入式系統(tǒng)、發(fā)動機(jī)技術(shù)等多個(gè)領(lǐng)域，是汽車電氣控制系統(tǒng)中最復(fù)雜的系統(tǒng)。目前汽車制造商在匹配發(fā)動機(jī)系統(tǒng)的過程中，不需要進(jìn)行EMS的開發(fā)工作。這是因?yàn)橥ǔＳ砂l(fā)動機(jī)供應(yīng)商提供的基礎(chǔ)發(fā)動機(jī)上，已經(jīng)配有現(xiàn)成的EMS，汽車制造商僅需要聯(lián)系相應(yīng)的EMS開發(fā)商進(jìn)行標(biāo)定工作。目前流行的EMS開發(fā)過程是，在MATLABSimulink仿真計(jì)算平臺上，采用可視化和模塊化的方法,建立發(fā)動機(jī)的控制模型，待調(diào)試成功后，編譯成機(jī)器執(zhí)行代碼，然后下載到汽車電子控制單(ECU,ElectronicControlUnit)中。例如英國Pi技術(shù)公司推出的發(fā)動機(jī)和汽車控制系統(tǒng)OpenECU開發(fā)工具，提供了一種自動代碼生成和快速原型的解決方案，它的應(yīng)用范圍包括發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)、變速器控制系統(tǒng)、底盤控制系統(tǒng)、混合動力控制系統(tǒng)和汽車批量生產(chǎn)系統(tǒng)。OpenECU平臺能夠在MATLABSimulink環(huán)境中自動生成控制代碼，然后在汽車ECU中運(yùn)行。它可以為8缸發(fā)動機(jī)自動生成控制代碼。 §2.4 發(fā)動機(jī)的標(biāo)定技術(shù) §2.4.1 發(fā)動機(jī)標(biāo)定 發(fā)動機(jī)的標(biāo)定試驗(yàn)是指在汽車不同的工作狀態(tài)和氣候環(huán)境下，對發(fā)動機(jī)管理系統(tǒng)的參數(shù)進(jìn)行不斷調(diào)試，找到發(fā)動機(jī)最佳工作狀態(tài)下的一組參數(shù)的測試技術(shù)。它通常分為室內(nèi)臺架實(shí)驗(yàn)和室外道路實(shí)驗(yàn)，室外道路實(shí)驗(yàn)要求在汽車試車場進(jìn)行，另外還要進(jìn)行“高寒、高溫和高海拔”的“三高”試驗(yàn),分別在冬季最冷的黑河、夏季最熱的吐魯番和海拔最高的拉薩進(jìn)行。發(fā)動機(jī)標(biāo)定試驗(yàn)的主要工具是發(fā)動機(jī)標(biāo)定軟件和發(fā)動機(jī)標(biāo)定設(shè)備。 §2.4.2 發(fā)動機(jī)標(biāo)定軟件 從發(fā)動機(jī)傳感器采集試驗(yàn)數(shù)據(jù)，經(jīng)過技術(shù)處理后，再將其寫入(或下載)汽車ECU中，由于在標(biāo)定試驗(yàn)中需要處理大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，發(fā)動機(jī)標(biāo)定軟件具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)庫管理功能。由于現(xiàn)代發(fā)動機(jī)的功能越來越復(fù)雜，控制參數(shù)也由最初的十幾個(gè)急劇上升到目前的上千個(gè)，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)次數(shù)呈幾何級數(shù)上升。要求對每一個(gè)標(biāo)定參數(shù)的所有工況都進(jìn)行全部排列組合的實(shí)驗(yàn)是不可能實(shí)現(xiàn)的。因此，現(xiàn)在也出現(xiàn)了基于試驗(yàn)優(yōu)化技術(shù)(DOE,De2signofExperiments)的標(biāo)定軟件，它可以優(yōu)化試驗(yàn)方案，減少標(biāo)定試驗(yàn)的次數(shù)，降低試驗(yàn)費(fèi)用，縮短試驗(yàn)周期。 §2.4.3 發(fā)動機(jī)標(biāo)定設(shè)備 在發(fā)動機(jī)標(biāo)定試驗(yàn)中，需要測量發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、溫度和壓力等多種物理量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，另外需要將標(biāo)定軟件生成的標(biāo)定數(shù)據(jù)寫入汽車ECU中，發(fā)動機(jī)標(biāo)定設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)這些功能。德國CSM公司是發(fā)動機(jī)標(biāo)定設(shè)備的主要供應(yīng)商，其部分產(chǎn)品有：AD2Scan提供測量模擬-3.5～16V范圍的電壓；Thermo2Scan提供測量-100～1372℃范圍的熱電偶傳感器信號的溫度通道；Dual2Scan能同時(shí)提供模擬通道和溫度通道的測量功能。 §2.4.4發(fā)動機(jī)標(biāo)定試驗(yàn) 發(fā)動機(jī)臺架標(biāo)定試驗(yàn)項(xiàng)目有：發(fā)動機(jī)實(shí)際充氣效率標(biāo)定、空燃比標(biāo)定、點(diǎn)火正時(shí)標(biāo)定和基本發(fā)動機(jī)熱機(jī)標(biāo)定。整車標(biāo)定試驗(yàn)項(xiàng)目有：整車廢氣排放控制標(biāo)定、整車駕駛性標(biāo)定、熱帶環(huán)境標(biāo)定、高原環(huán)境標(biāo)定、寒帶環(huán)境標(biāo)定、車輛零部件故障診斷系統(tǒng)標(biāo)定和系統(tǒng)驗(yàn)證。 §2.5 其它相關(guān)電氣系統(tǒng)的開發(fā) §2.5.1車載網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的開發(fā) 隨著汽車電氣系統(tǒng)數(shù)量和功能的不斷增多，電氣線束系統(tǒng)變得越來越復(fù)雜，越來越粗，損耗功率也越來越大。車載網(wǎng)絡(luò)和總線系統(tǒng)可以大大減少電氣系統(tǒng)的復(fù)雜程度。同時(shí)《輕型汽車污染物排放限值及測量方法(中國Ⅲ、Ⅳ階段)》的輕型汽車Ⅲ號排放國家標(biāo)準(zhǔn)自2007年7月1日起實(shí)施，將促進(jìn)車載診斷系統(tǒng)OBD在汽車上普及，這使汽車必須裝備車載網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。因此開發(fā)車載網(wǎng)絡(luò)和總線系統(tǒng)成為當(dāng)今的主流趨勢。 §2.5.2 電氣線束系統(tǒng)的開發(fā) 由于發(fā)動機(jī)和變速器包含了復(fù)雜的電氣控制系統(tǒng)，因此在發(fā)動機(jī)匹配項(xiàng)目中涉及到電氣線束系統(tǒng)的開發(fā)。其主要工作包括對發(fā)動機(jī)和變速器的電氣線束的布線，,設(shè)計(jì)其與整車電氣系統(tǒng)連接的接插件接口等。在電氣系統(tǒng)開發(fā)完成后，必須按照國家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行相關(guān)的電氣試驗(yàn)。 §2.6 發(fā)動機(jī)的選購 §2.6.1 賽車發(fā)動機(jī)的選擇原則 賽車發(fā)動機(jī)的選擇要根據(jù)比賽規(guī)則的要求和賽道特點(diǎn)而決定。FSAE比賽中分值最高和賽程最長的是Endurance比賽。Endurance賽道的直道不超過70m。所以FSAE賽車發(fā)動機(jī)最關(guān)鍵的性能是穩(wěn)定優(yōu)秀的扭矩輸出，而發(fā)動機(jī)功率輸出性能的重要性則被弱化。 FSAE比賽中發(fā)動機(jī)的選擇主要分為兩個(gè)方向。大排量高性能4缸機(jī)是多數(shù)車隊(duì)的選擇，較為典型的是Honda CBR600 F4i。而選擇小重量單缸機(jī)的高水平車隊(duì)也有不少。Yamaha WR450F就是一款非常適合FSAE的單缸機(jī)。 越是性能優(yōu)秀的發(fā)動機(jī)，往往意味著改進(jìn)的難度越大。對于FSAE而言，使用的往往是摩托車發(fā)動機(jī)（因?yàn)榕帕孔畲?10cc的限制），自行改進(jìn)發(fā)動機(jī)的進(jìn)排氣系統(tǒng)往往是車隊(duì)必須面臨的工作。新車隊(duì)在沒有FSAE研制經(jīng)驗(yàn)的情況下，需要面臨和解決的諸如設(shè)計(jì)、制造、配件選購的問題非常多。而且順利完成FSAE賽車底盤研制任務(wù)是新車隊(duì)?wèi)?yīng)該投入更多精力的工作。所以新車隊(duì)?wèi)?yīng)該選擇一款符合自身情況的發(fā)動機(jī)，以利于自己第一輛FSAE賽車的順利完成。 §2.6.2以下是國內(nèi)幾款常用FSAE發(fā)動機(jī)的資料 一、LD450 在國產(chǎn)發(fā)動機(jī)中選擇，可以說是一個(gè)悲劇，因?yàn)樵趺催x都沒有一臺好發(fā)動機(jī)，國人的發(fā)動機(jī)無論是設(shè)計(jì)還是生產(chǎn)，都要比國外落后很多年（這也就是為什么我們要上學(xué)，上學(xué)不是為了找工作，而是為了讓我們的國家和社會得到更好的發(fā)展，靠讀書來振興我們的國家從來都不是一句笑話）。 國人現(xiàn)在的技術(shù)水平，沒有辦法自己研究出一臺高水平發(fā)動機(jī)，那只有仿了。山寨一詞已經(jīng)不需要我多解釋了。汽車都能山寨，發(fā)動機(jī)當(dāng)然也可以。亞翔公司的LD450就是一臺山寨。它抄襲了本田的CRF450。雖然CRF450在我之前的帖子里已經(jīng)說過有諸多地方比不上YAMAHA的WR450，但是如果必須在國產(chǎn)發(fā)動機(jī)里面選，那我想這臺還是不錯的。它有原裝32kw的功率，重量33kg，比JH600要輕很多，原裝馬力更大。由于是完全仿造，所以大家連說明書都可以看本田CRF的，零配件也都可以通用，在一些比較關(guān)鍵的配件上，可以選用進(jìn)口件。雖然這違背了使用國產(chǎn)發(fā)動機(jī)的初衷，但是為了讓你的車更快更穩(wěn)定，你沒有理由不這樣做。 使用LD這臺發(fā)動機(jī)最大的困難就是進(jìn)氣的改裝了，由于原裝是不帶電噴的（據(jù)說在研究電噴），所以你必須自己造一套電噴設(shè)備，可以選用MOTEC或者其他有一些公司的ECU來完成你的進(jìn)氣改裝，自己排線路，自己造進(jìn)氣管，自己裝感應(yīng)器，自己寫ECU程序等，前提是你需要有一個(gè)發(fā)動機(jī)實(shí)驗(yàn)室。如果你什么都沒用，要想用這臺發(fā)動機(jī)，那只有用化油器了，你需要設(shè)計(jì)并且制造一個(gè)20mm口徑的化油器歧管，裝在化油器和發(fā)動機(jī)之間，國外的論壇上的討論說這樣的一套，馬力大概在23hp，對于FSAE來說是沒有什么競爭力的，但是相比JH600，馬力應(yīng)該不會相差很多，但是可以減輕很多整車重量，調(diào)整也相對簡單，幾乎沒有電路。 這臺發(fā)動機(jī)的價(jià)格在11000RMB左右（由于是新機(jī)器，這個(gè)價(jià)格在國內(nèi)可以買2臺二手的4缸600cc發(fā)動機(jī)或者其他日本制造的發(fā)動機(jī)） 圖2-1 LD450及其化油器 二、LD192YMR 同樣來自亞翔，我沒有去研究這臺發(fā)動機(jī)是抄襲的意大利哪一款，但是從數(shù)據(jù)來看，比JH600要強(qiáng)，重量48kg，轉(zhuǎn)速也比JH600要高。相比LD450，最大的優(yōu)點(diǎn)應(yīng)該是電噴。而且該發(fā)動機(jī)是油冷的，雖然重量比LD450要重，但是濕重的差別會相對小，因?yàn)長D450的水箱很重，水箱里的水也很重。500CC同樣符合SAE的要求，價(jià)格不清楚，有興趣的車隊(duì)可以購買研究，我想無論如何都要比春風(fēng)的那臺強(qiáng)。 500油冷發(fā)動機(jī)（LD192YMR）為單缸風(fēng)冷加油冷四沖程發(fā)動機(jī)，采用意大利技術(shù)，強(qiáng)大的低扭輸出澎湃動力！最大功率30kw(7800r/min)，最大扭矩39.3N.m(5500r/min)，點(diǎn)火方式MSE 3.0，電鍍陶瓷缸體，德國博世專配電噴系統(tǒng)，理論速度達(dá)150km/h以上，按需可配內(nèi)置倒檔，適用于大排量長途旅行類摩托車及全地形車。 500cc發(fā)動機(jī)特點(diǎn)： a、意大利CAGIVA技術(shù)，穩(wěn)定可靠。 b、功率大、低速大扭矩、油耗低。 c、電鍍陶瓷缸體。 d、風(fēng)冷加油冷，冷卻效果好。 e、德國博世專配電噴系統(tǒng)。 f、按需可配內(nèi)置倒檔，適用于沙灘車等。 表2-1 LD192YMR參數(shù)表 技術(shù)參數(shù) 發(fā)動機(jī)型號 LD192YMR 發(fā)動機(jī)型式 單缸、油冷、4氣門、單頂置凸輪軸 排量 498ml 缸徑/行程 92.8mm × 73.6mm 壓縮比 9.2:1 最大功率 30kw／7800r/min 怠速 1500±100r/min 圖2-2 LD192YMR 圖2-3 JH600 三、JH600 這是一臺國產(chǎn)唯一的600cc發(fā)動機(jī)（據(jù)說春風(fēng)新出了600cc的，那么至少它是國產(chǎn)第一臺600CC發(fā)動機(jī)，跟嘉陵600ATV動力一樣，傳動不同）。這臺發(fā)動機(jī)的排量，基本是符合FSAE的最大排量了，所以必然有它的優(yōu)勢，它排量大，如果你有發(fā)動機(jī)實(shí)驗(yàn)室并且能整，這臺機(jī)器的馬力和扭矩都將有不錯的優(yōu)勢。雖然說這更像是一臺柴油機(jī)，低轉(zhuǎn)速，高扭矩，但是對于FSAE來說，這正是我們所需要的。這臺發(fā)動機(jī)也是國內(nèi)目前最好的2支FSAE隊(duì)伍所使用的發(fā)動機(jī)，一個(gè)是湖南大學(xué)，一個(gè)是廈門理工大學(xué)。如果能減輕除了發(fā)動機(jī)以外其他部件的重量，搭載這臺JH600的車隊(duì)也將擁有不錯的性能。我不知道它在限制20mm進(jìn)氣以后能有多大的輸出，湖南大學(xué)也沒用設(shè)備進(jìn)行馬力測試，但是如果你有能力寫ECU（購買MOTEC這樣的通用ECU），那這臺發(fā)動機(jī)的馬力和扭矩還是非常值得挖掘的，畢竟它有著600cc排量。還有一點(diǎn)可以參考的是，你相信嘉陵因?yàn)榧瘟旮咎锖献髁撕芏嗄辍? 四、CBR600 F4i Formula SAE發(fā)動機(jī)首當(dāng)其沖的當(dāng)然是本田的CBR600 F4i，是本田公司的上一代產(chǎn)品，在Formula SAE中的使用比例是其他發(fā)動機(jī)沒法比的。那為什么這臺發(fā)動機(jī)如此受歡迎呢？為什么人們不去用最新的CBR600RR發(fā)動機(jī)而更多地選擇老款的F4i?先看一下2張圖，一張是CBR600的油底殼，一張是CBR600 F4i的油底殼。 對于新車隊(duì)來說，改裝油底殼會比較麻煩，沒有經(jīng)驗(yàn)，也不知道如何去改的時(shí)候，用F4i是很好的選擇。 F4i還有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)就是價(jià)格比600RR便宜，國內(nèi)二手發(fā)動機(jī)的價(jià)格應(yīng)該在一萬人民幣以下。 原裝電腦，改成規(guī)則規(guī)定的20mm進(jìn)氣以后，馬力應(yīng)該在60~65hp 發(fā)動機(jī)重量（連6檔順序變速箱）大概是59kg 所以我想這臺發(fā)動機(jī)應(yīng)該也是中國的FSAE首選發(fā)動機(jī)。 CBR600RR年代比較新，比較容易買，國內(nèi)二手價(jià)格應(yīng)該也不超過萬元. 圖2-4 F4i油底殼 圖2-5 RR改造后的油底殼 五、CBR600RR CBR600RR是本田現(xiàn)在在產(chǎn)的600cc上的產(chǎn)品，國內(nèi)也叫F5 它比F4i更輕，有2級進(jìn)氣噴射，所以也更省油，對于摩托車來說，它的安裝更緊湊，排氣管放到了油底殼的一側(cè)，但是對于FSAE的發(fā)動機(jī)使用，它會導(dǎo)致發(fā)動機(jī)重心過高。 但是，很多車隊(duì)，即便是用了F4i也是要進(jìn)行油底殼改造的，如果油底殼不是問題，那還不如用更輕，馬力更大的CBR600RR。 CBR600RR油底殼的改造有兩種，一種是保持原有的濕式潤滑不變，自己加工一個(gè)像F4i一樣底部平整的油底殼，還有一種就是改成干式油底殼，這種干式油底殼在F4i的油底殼改裝上也非常常見，但是工藝相對濕式要復(fù)雜。 1、濕式油底殼，這樣改的結(jié)果，就是發(fā)動機(jī)能有一個(gè)跟F4i原裝差不多油底殼高度，比較省事，看了圖你就明白 2、干式油底殼，這樣改可以讓發(fā)動機(jī)的重心在之前的基礎(chǔ)上再降低3英寸左右，需要自己加工機(jī)油泵和儲油罐 圖2-6 RR油底殼特寫 圖2-7 RR改造后的干式油底殼 六、YAMAHA WR450F 隨著Formula SAE的發(fā)展，人們對輕量化的追求也越來越厲害，所以單缸發(fā)動機(jī)在FSAE中流行了起來，最好的選擇要數(shù)YAMAHA WR450了。它比本田的CRF450所沒有的原裝干式油底殼，這更適合于汽車的發(fā)動機(jī)潤滑。濕式油底殼會導(dǎo)致汽車過彎的時(shí)候，由于離心力作用，油面不平，干式油底殼沒有這樣的問題。 另外比CRF450更先進(jìn)的地方是，它有電噴，而CRF到2010款才出電噴?；推鞅静⒉皇菈氖?，但是由于FSAE要求20mm進(jìn)氣限制并且油門必須在進(jìn)氣限制的上流，也就是說必須在化油器和發(fā)動機(jī)之間，這樣會導(dǎo)致20mm的進(jìn)氣是“濕氣”，也就是氧氣含量比20mm的純空氣要少，馬力也會有很大影響。WR450的發(fā)動機(jī)重量大概是30kg左右，大概是4缸600cc的一半，所以重量上有非常大的優(yōu)勢。 圖2-8 WR450 第三章 發(fā)動機(jī)進(jìn)排氣系統(tǒng)的匹配 §3.1 FSAE進(jìn)排氣系統(tǒng)和限流閥的關(guān)系 SAE方程式(Formula Sae)是由美國汽車工程協(xié)會(Society of Automotive Engineers)主辦的挑戰(zhàn)本科生、研究生團(tuán)隊(duì)構(gòu)思、設(shè)計(jì)、制造和駕駛小型方程式賽車的國際性賽事。該賽事已成功舉辦20多年。FSAE賽車規(guī)則基本要點(diǎn)是賽車使用小于610cc容量的發(fā)動機(jī)，進(jìn)行多個(gè)項(xiàng)目的比賽。發(fā)動機(jī)的所有的進(jìn)氣都要通過直徑為20mm的限流閥，如圖1限流閥安裝位置，并且限流閥必須位于發(fā)動機(jī)節(jié)氣門和發(fā)動機(jī)進(jìn)氣門之間。在保證上述比賽規(guī)則的前提下，本文通過發(fā)動機(jī)系統(tǒng)仿真模型計(jì)算，分析不同進(jìn)排氣管長度對發(fā)動機(jī)扭矩、充氣效率、功率的影響來確定與目標(biāo)轉(zhuǎn)矩點(diǎn)轉(zhuǎn)速相對應(yīng)的進(jìn)排氣管長度，從而改進(jìn)設(shè)計(jì)進(jìn)排氣系統(tǒng)來提高發(fā)動機(jī)的動力性、提高比賽成績。 圖3-1 限流閥安裝位置 §3.2 GT-Power介紹 GT—Power是GT—SUITE系列中最著名的一款軟件。GT—SUITE軟件包涵了內(nèi)燃機(jī)、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)等六個(gè)方面，它是采用現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)值計(jì)算方法最新開發(fā)的內(nèi)燃機(jī)性能模擬與仿真軟件，被稱為“虛擬發(fā)動機(jī)”，是目前國內(nèi)外汽車廠和內(nèi)燃機(jī)制造公司理想的實(shí)驗(yàn)?zāi)M工具。GT-Power可模擬點(diǎn)火式發(fā)動機(jī)、柴油機(jī)、二沖程或四沖程機(jī)、增壓機(jī)等多種活塞式發(fā)動機(jī)?？捎糜陬A(yù)測穩(wěn)態(tài)或瞬態(tài)的發(fā)動機(jī)性能，如所有管路段的流量和流速、系統(tǒng)的溫度和壓力、發(fā)動機(jī)充氣效率、功率、扭矩、燃燒率模型、汽油機(jī)NOx的排放、柴油機(jī)NOx和微粒排放、催化劑化學(xué)反應(yīng)等。GT-Power是基于面向?qū)ο虻慕换ナ浇缑?，從模型圖的建立，運(yùn)行，到數(shù)據(jù)的后處理，GT-Power的操作都是在GT-ISE、GT-Post中進(jìn)行，使用方法簡便，高效，界面如圖2所示，主要組成部分包括：菜單、按鈕、窗口、建模區(qū)域、數(shù)據(jù)庫、模塊管理器等，與常見的Windows界面類似。本次設(shè)計(jì)主要參考了湖南大學(xué)FSAE車隊(duì)的GT-Power結(jié)論來作為設(shè)計(jì)依據(jù)的。 §3.3 發(fā)動機(jī)的進(jìn)排氣管 提升發(fā)動機(jī)功率最簡單的方法就是增大氣缸工作容積，也就是提高排量。一般而言，增大工作容積就會增大發(fā)動機(jī)體積，重量也會隨之增加，這種方法對于追求結(jié)構(gòu)緊湊，追求行駛經(jīng)濟(jì)性的現(xiàn)代乘用車設(shè)計(jì)者來說是難以接受的。因此，在同體積或者更小體積的前提下，通過改進(jìn)發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)和采用新材料來追求更高的輸出功率，是當(dāng)前廠商的追求目標(biāo)。 提高發(fā)動機(jī)的升功率，也就是每升氣缸工作容積所發(fā)出的有效功率，是實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)的方法。要提高發(fā)動機(jī)的升功率，加大進(jìn)氣量是一種解決方案。有些發(fā)動機(jī)采用強(qiáng)制吸氣法的方式，用增大氣體密度來提高進(jìn)氣量，例如采用渦輪增壓（Turbo）。但是，在日益嚴(yán)格的廢氣排放法例的管制及制造成本的限制下，多數(shù)汽車的發(fā)動機(jī)還是傾向采用自然吸氣法方式。 采用自然吸氣法，又要提高進(jìn)氣量，設(shè)計(jì)者就把注意力放在了進(jìn)排氣的速度方面，也就是千方百計(jì)提高氣體的流動速度來提高單位時(shí)間內(nèi)的進(jìn)排氣量，在提高換氣效率上做文章。換氣是汽車發(fā)動機(jī)最基本的功能。通過換氣，排出廢舊氣體，發(fā)動機(jī)工作循環(huán)回復(fù)到循環(huán)初始狀態(tài)，吸納新鮮氣體來提供燃料所需的氧氣。用一句成語形容，就是“吐故納新”，只有“吐故納新”暢順，發(fā)動機(jī)才能正常工作。 良好的發(fā)動機(jī)進(jìn)氣通道設(shè)計(jì)是提高進(jìn)氣量的重要保證。一些汽車運(yùn)動者在傳統(tǒng)發(fā)動機(jī)改裝上，采用了大通量的空氣濾清器，大口徑或多支排氣管，目的就是改善氣體的流速以提升發(fā)動機(jī)功率。更進(jìn)一步，改裝深入到結(jié)構(gòu)內(nèi)部及材料的選用，例如打磨進(jìn)氣歧管內(nèi)壁，使用不銹鋼排氣管等，以增高管壁的光滑程度來減少與氣體之間的摩擦，提高氣體的流動速度。 發(fā)動機(jī)進(jìn)排氣管過去都是用鑄鐵材料鑄造出來的。發(fā)動機(jī)進(jìn)排氣管道改用不銹鋼或鋁合金材料，既可以降低管道內(nèi)的氣流阻力，同時(shí)也可以降低重量，因?yàn)椴讳P鋼和鋁合金比鑄鐵質(zhì)量小得多，可謂是一舉兩得。因此，現(xiàn)在許多發(fā)動機(jī)都選用不銹鋼材或鋁合金材料做進(jìn)排氣管。據(jù)最新資料，德國拜耳專門開發(fā)了一種新型的Durethan材料，用于制造具有更精確內(nèi)部幾何形狀的進(jìn)氣歧管，其焊接性能、加工可性、焊接性能、氣密性、經(jīng)濟(jì)性等都表現(xiàn)良好。 從形狀上看，傳統(tǒng)發(fā)動機(jī)進(jìn)排氣管多用方形，這是因?yàn)榉叫螖嗝姹砻婷娣e大，有利于進(jìn)氣管內(nèi)油膜的蒸發(fā)，同時(shí)從鑄造工藝上考慮，方形也比圓形更簡單一些。但由于園形斷面對氣流的阻力小，同時(shí)多點(diǎn)電噴發(fā)動機(jī)的噴油位置就在進(jìn)氣門處，進(jìn)氣管道不易形成油膜，為了得到更高的氣流速度，一些發(fā)動機(jī)進(jìn)排氣管就采用了圓形斷面 從安裝上看，傳統(tǒng)發(fā)動機(jī)進(jìn)排氣管多安裝在氣缸的同一側(cè)，進(jìn)氣管依賴排氣管加熱。它們用鑄鐵鑄成一體或者分別鑄成，再用螺栓連接在一起?，F(xiàn)在高轉(zhuǎn)速發(fā)動杌由于結(jié)構(gòu)上的需要，進(jìn)排氣管多分置在氣缸的兩側(cè)，進(jìn)氣管的加熱冷卻水或電熱裝置。這里要指出的是，因受廢氣溫度的影響，排氣管的冷熱溫度是急劇變化的，巨大的熱應(yīng)力可使排氣管產(chǎn)生裂紋，為保證一定的熱脹冷縮，排氣歧管的安裝形式與進(jìn)氣管有所不同，一般發(fā)動機(jī)排氣管是一缸一歧管，以減少排氣管的熱負(fù)荷。 按照空氣動力學(xué)原理，氣管的流通性應(yīng)以最小截面處的流動情況為依據(jù)，而發(fā)動機(jī)整個(gè)進(jìn)排氣道系統(tǒng)中最小截面處位于氣門閥隙處，這也就是現(xiàn)代發(fā)動機(jī)采用多氣門或者盡量增大氣門頭直徑的原因。同時(shí)，也要考慮到進(jìn)排氣管尺寸、形狀、材料、彎曲半徑、安裝位置等因素對氣流速度的影響，只有各種因素配合良好，發(fā)動機(jī)才能發(fā)揮最佳性能。 §3.3.1 進(jìn)氣管長度對發(fā)動機(jī)性能影響 進(jìn)氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)對發(fā)動機(jī)充氣效率有決定性影響，直接影響發(fā)動機(jī)的動力性。根據(jù)FSAE賽事的規(guī)則：發(fā)動機(jī)都必須要在位于發(fā)動機(jī)節(jié)氣門和發(fā)動機(jī)進(jìn)氣門之間安裝直徑為20mm的限流閥。發(fā)動機(jī)的進(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、直徑和曲率三個(gè)方面。本文主要從進(jìn)氣管長度方面進(jìn)行分析，中低速范圍內(nèi)進(jìn)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，長度較長的進(jìn)氣管會增加空氣進(jìn)給量，同時(shí)損失量也會增加，并且對發(fā)動機(jī)的動力輸出有較大影響。在其他結(jié)構(gòu)因素不變下，本文用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、功率的影響。 §3.3.2 排氣管長度對發(fā)動機(jī)性能影響 發(fā)動機(jī)的排氣壓力波對發(fā)動機(jī)的動力性有影響，而壓力波又與發(fā)動機(jī)的配氣相位、排氣口形狀和排氣管的結(jié)構(gòu)參數(shù)以及發(fā)動機(jī)的其他性能參數(shù)有關(guān)。合理地利用排氣管中的壓力波，可以使排氣更加徹底，進(jìn)氣更加充分。如果能恰當(dāng)?shù)乩脡毫Σǖ哪芰烤湍芴岣吲艢庑?，同時(shí)也能提升進(jìn)氣的效率。通過對排氣管的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能有效地提高發(fā)動機(jī)的輸出功率，達(dá)到提升動力的目的。本文在GT--Power中不改變汽油機(jī)其他結(jié)構(gòu)參數(shù)前提下，模擬排氣管長度對發(fā)動機(jī)充氣效率、扭矩、功率的影響。 本次設(shè)計(jì)主要參考了湖南大學(xué)FSAE賽車進(jìn)排氣管長度的優(yōu)化過程，把本次設(shè)計(jì)的進(jìn)排氣管長度做了相應(yīng)的調(diào)整。最終是選擇了在原長度的基礎(chǔ)上適當(dāng)了增加了進(jìn)排氣管的長度，從而提升了發(fā)動機(jī)的動力性和經(jīng)濟(jì)性，使得賽車在比賽中更具有競爭力。 §3.4 限流閥的作用意義 FSAE比賽的一大特色，就是要求所有參賽車輛的發(fā)動機(jī)進(jìn)氣部分，必須加裝一個(gè)直徑為20mm（E85燃料為19mm）的進(jìn)氣限制器。由于去年中國比賽的特殊情況，沒有要求使用進(jìn)氣限制器，所以，對于絕大多數(shù)同學(xué)，進(jìn)氣限制器是一個(gè)很新鮮的東西，近期也有不少關(guān)于進(jìn)氣限制器的討論。在此，我們就來談一談這個(gè)獨(dú)具特色的小東西。 §3.4.1什么是進(jìn)氣限制器 首先我們來閱讀以下規(guī)則： 8.6 進(jìn)氣系統(tǒng)限流閥 8.6.1 為限制發(fā)動機(jī)功率，一個(gè)內(nèi)部截面為圓形的限流閥必須安裝在進(jìn)氣系統(tǒng)的節(jié)氣門與發(fā)動機(jī)之間，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。 8.6.2 禁止在限流閥和發(fā)動機(jī)之間使用任何可以控制進(jìn)氣流量的裝置。8.6.3 限流閥內(nèi)部截面的最大直徑為：－使用汽油燃料——20.0mm（0.7874 英寸）－使用E-85 燃料——19.0mm（0.7480 英寸） 8.6.4限制器必須安放在便于技術(shù)檢查時(shí)測量的位置。 8.6.5 任何情況下，限流閥的內(nèi)部截面都不能發(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）。 8.6.6 如果使用了多臺發(fā)動機(jī)，所有發(fā)動機(jī)的進(jìn)氣氣流都必須流經(jīng)限流閥。 §3.4.2 進(jìn)氣限制器的作用 1、進(jìn)氣限制器在中低轉(zhuǎn)速、部分負(fù)荷條件下，就好像一個(gè)一直半開著的節(jié)氣門，讓進(jìn)氣道內(nèi)的壓力比正常情況低，從而降低發(fā)動機(jī)的充氣效率，進(jìn)而限制各個(gè)工況的扭矩。想象一下，如果你被堵住了一個(gè)鼻孔，然后和一個(gè)和你原本體力相同的人掰手腕，肯定是要悲劇的。 2、進(jìn)氣限制器會限制單位時(shí)間內(nèi)的最大進(jìn)氣量。我們都知道，管內(nèi)的氣流速度越快，效率越低，當(dāng)氣流速度接近0.5馬赫的時(shí)候，實(shí)際進(jìn)氣量就會達(dá)到瓶頸。在常溫常壓下，20mm管徑的這個(gè)瓶頸數(shù)值，大約在70g/s左右。也就是說，無論你怎么折騰，單位時(shí)間進(jìn)氣量也就是這些，進(jìn)而限制了發(fā)動機(jī)的最大功率。還是想象一下，如果被堵住一個(gè)鼻孔，然后跑個(gè)八百米，成績肯定比你正常情況下差很多，沒有暈過去就算萬幸了。 裝上進(jìn)氣限制器的發(fā)動機(jī)，最大功率、最大扭矩、最大功率和最大扭矩產(chǎn)生的轉(zhuǎn)速，都會出現(xiàn)不同程度的降低。以600cc四缸自然吸氣發(fā)動機(jī)為例，一般來說最大功率和最大扭矩會下降到原始的60%左右（經(jīng)過合理優(yōu)化后有可能達(dá)到70~80%），而最大功率點(diǎn)會掉到10000rpm以下、最大扭矩點(diǎn)掉到8000rpm以下。對于排量較小或汽缸數(shù)較少的發(fā)動機(jī)，受到的影響相應(yīng)會小一點(diǎn)。 §3.4.3為什么要有進(jìn)氣限制器 SAE在制定規(guī)則的時(shí)候，為什么要加入進(jìn)氣限制器呢？總的來說，是出于以下三點(diǎn)考慮：安全、平衡、鍛煉學(xué)生能力。 當(dāng)今社會，做任何事情，人身安全都最為關(guān)鍵，SAE辦活動也不例外。600cc的四缸發(fā)動機(jī)，動輒就能釋放出70~90KW的功率，相當(dāng)于民用車中1.6~1.8L的自然吸氣發(fā)動機(jī)。這么大的功率，安裝到整備質(zhì)量二三百公斤的FSAE賽車上，功率質(zhì)量比可以達(dá)到驚人的每噸300KW。換算一下，相當(dāng)于將一臺4.2L V8發(fā)動機(jī)安裝到一臺夏利上——這還是對原廠發(fā)動機(jī)沒有任何改裝的情況。無疑，這一件十分危險(xiǎn)、十分恐怖的事情。所以，加入進(jìn)氣限制器，最重要的目的就是限制發(fā)動機(jī)的功率、讓發(fā)動機(jī)的功率不能過高，進(jìn)而提高整個(gè)活動的安全性。 比賽的平衡也是很重要的，SAE不希望這個(gè)比賽千人一面，而是希望能出現(xiàn)各種不同的技術(shù)路線和技術(shù)側(cè)重。那么，為了這個(gè)目的，就需要將因?yàn)楦鬈囮?duì)發(fā)動機(jī)選型不同所造成的差異盡量縮小，不能出現(xiàn)“小排量永遠(yuǎn)比不過大排量”“單缸永遠(yuǎn)比不過四缸”的尷尬局面。而進(jìn)氣限制器則可以達(dá)到這個(gè)目的。在上一部分我們已經(jīng)說了，排量和功率越大的發(fā)動機(jī)，受到限流器的制約越明顯，這就出現(xiàn)了一個(gè)戲劇性的局面：路人甲選用出廠70KW的發(fā)動機(jī)，機(jī)器自重60kg，限流后剩下45KW；路人乙選用出廠40KW的發(fā)動機(jī)，機(jī)器自重35kg，限流后剩下30KW——在這種情況下，誰更占據(jù)優(yōu)勢，還真不好說了。 最后一點(diǎn)，也是十分重要的一點(diǎn)，就是SAE希望通過加入限流器，人為地提高動力總成的開發(fā)難度，引導(dǎo)學(xué)生去了解發(fā)動機(jī)、研究發(fā)動機(jī)、探索發(fā)動機(jī)。因?yàn)榧尤肓讼蘖髌?，原廠的四聯(lián)節(jié)氣門就不能使用了，進(jìn)排氣歧管也需要自己做，這就意味著原廠那種基于節(jié)氣門開度（多數(shù)的四缸機(jī)）或者基于進(jìn)氣壓力（多數(shù)的單缸機(jī)）的標(biāo)定數(shù)據(jù)幾乎完全失效——要知道，自己換了節(jié)氣門和進(jìn)排氣歧管，同樣節(jié)氣門開度下，偏差可能會高達(dá)20%。在這種情況下，學(xué)生就需要去研究流體力學(xué)、需要去設(shè)計(jì)限流器、需要考慮進(jìn)排氣的設(shè)計(jì)和加工、需要了解ECU是怎么判定噴油量和提前角的、需要學(xué)習(xí)發(fā)動機(jī)的控制技術(shù)和標(biāo)定策略。很可惜的是，我們國內(nèi)的從業(yè)者，包括很多企業(yè)、高校領(lǐng)導(dǎo)老師、以及學(xué)生，都被“整車廠不研究分總成”“原廠的東西就是最好的”“發(fā)動機(jī)是高科技”這種操蛋思想毒害太深，所以，當(dāng)大家面對限流閥的時(shí)候，總是問能不能繞過它、躲開它，能不能自欺欺人地不管它，這是十分可悲的。 §3.4.4進(jìn)氣限制器為什么要安裝在節(jié)氣門之后 進(jìn)氣限制器并不是FSAE的專利，很多比賽都有進(jìn)氣限制或類似的規(guī)定，譬如說達(dá)喀爾拉力賽、WTCC、WRC等等。但是FSAE是唯一一個(gè)強(qiáng)制要求進(jìn)氣限制器位于節(jié)氣門之后的項(xiàng)目，也是唯一一個(gè)不允許使用同等尺寸節(jié)氣門代替進(jìn)氣限制器的項(xiàng)目，這是為什么呢？ 進(jìn)氣限制器位于節(jié)氣門后，可以說是防止作弊的一項(xiàng)技術(shù)手段。大家想想看，如果我的限制器位于節(jié)氣門之前，那么如果限制器和節(jié)氣門之后有滲漏、或者干脆你在比賽中把限制器弄掉了，是很難發(fā)現(xiàn)的——因?yàn)檫@輛賽車一樣可以加速、可以減速、可以正常行駛、而且跑得更好更快啊！但是現(xiàn)在規(guī)則要求限制器放在節(jié)氣門之后，這下可好，限制器掉了，節(jié)氣門也就掉了；節(jié)氣門掉了，這輛車也就沒法比賽了。 再則是規(guī)則不允許使用20mm口徑節(jié)氣門替代20mm進(jìn)氣限制。這個(gè)的原因也很簡單——節(jié)氣門除了蝶閥，可還有個(gè)結(jié)構(gòu)叫做怠速旁通啊！倘若你用一個(gè)20mm的節(jié)氣門，卻做了一個(gè)巨大的怠速旁通，而這個(gè)旁通還是可調(diào)的，這下算不算違規(guī)？這不就說不清了么？當(dāng)然，SAE也可能是考慮到應(yīng)該讓學(xué)生學(xué)習(xí)一下怎么設(shè)計(jì)和加工這種文丘里管、不要直接拿來主義。 歸根結(jié)底，F(xiàn)SAE對安全、對教育意義的要求遠(yuǎn)高于其他賽事，這也是FSAE和一般汽車運(yùn)動的本質(zhì)區(qū)別。 §3.5 諧振腔CAE分析方法 仿真的目的是在保證諧振腔容積的前提下盡量減少壓力損失，使進(jìn)氣流暢。諧振進(jìn)氣系統(tǒng)通過在進(jìn)氣道上增加諧振腔，調(diào)整發(fā)動機(jī)的固有頻率，使得發(fā)動機(jī)在一定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)獲得更大的進(jìn)氣量，以達(dá)到改善發(fā)動機(jī)效率的目的。進(jìn)氣道的設(shè)計(jì)要求最大限度的提高進(jìn)氣量，保證發(fā)動機(jī)的進(jìn)氣需求，提高進(jìn)氣效率。采用CFD軟件FLUENT對進(jìn)氣系統(tǒng)中影響較大的諧振腔進(jìn)行仿真分析，通過對不同錐角諧振腔的流場分析，得出一種最優(yōu)的諧振腔。FLUENT軟件是個(gè)工程運(yùn)用的CFD軟件，針對每一種流動的物理問題的特點(diǎn)，采用適合于它的數(shù)值解法在計(jì)算速度、穩(wěn)定性和精度方面達(dá)到最佳?？梢杂?jì)算流場、傳熱和化學(xué)反應(yīng)。對二維流動模型，可以生成三角形和矩形網(wǎng)格；對于三維流動模型，則可生成四面體、六面體、三角柱和金字塔等網(wǎng)格；結(jié)合具體計(jì)算，還可生成混合網(wǎng)格，其自適應(yīng)功能，能對網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)分或粗化，或生成不連續(xù)網(wǎng)格、可變網(wǎng)格和滑動網(wǎng)格。FLUENT軟件在我國已經(jīng)獲得較好的應(yīng)用。通過了解湖南大學(xué)的FSAE設(shè)計(jì)我們得出如下結(jié)論： 1、通過對限流閥安裝在進(jìn)氣系統(tǒng)不同位置對發(fā)動機(jī)的影響進(jìn)行了理論分析，得出限流閥安裝在節(jié)氣門閥體和噴油嘴之間時(shí)，發(fā)動機(jī)的動力性最好。 2、通過對不同錐角諧振腔仿真溫度場、速度場的對比，可以得出：諧振腔兩端減小錐角會縮小進(jìn)氣死角，同時(shí)進(jìn)氣流速降低較少，進(jìn)氣溫度變化不大，改善發(fā)動機(jī)的進(jìn)氣。通過整車試驗(yàn)證明改進(jìn)后的進(jìn)氣系統(tǒng)在動力性、排放性以及噪音方面有非常大的改善。 §3.6 進(jìn)排氣歧管的設(shè)計(jì) 進(jìn)排氣歧管的設(shè)計(jì)主要有固定長度和可變長度兩種，下面只是介紹一下可變進(jìn)氣技術(shù)，由于條件有限，本次設(shè)計(jì)不做可變設(shè)計(jì)的考慮。 90年代中期以后，可變進(jìn)氣歧管技術(shù)在汽上越來越流行。這種技術(shù)能提高發(fā)動機(jī)在中低轉(zhuǎn)速時(shí)的扭力輸出，對燃油經(jīng)濟(jì)性和高轉(zhuǎn)速動力沒有壞的影響，因而能改善發(fā)動機(jī)的適應(yīng)性。通常的固定式進(jìn)氣歧管，只能按照發(fā)動機(jī)的具體要求，或者按照高轉(zhuǎn)速和低轉(zhuǎn)速時(shí)的要求進(jìn)行最優(yōu)化的幾何設(shè)計(jì)，或者采用折中的辦法，但是無論那種設(shè)計(jì)，都不能兼顧到不同轉(zhuǎn)速時(shí)的需求?？勺冞M(jìn)氣歧管技術(shù)則可以分兩段或更多的級數(shù)來適應(yīng)不同的發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速。 與可變配氣技術(shù)相比，可變進(jìn)氣歧管技術(shù)成本更低——它只需要一些簡單的電磁閥和進(jìn)氣管形狀的設(shè)計(jì)就能夠?qū)崿F(xiàn)；而可變配氣技術(shù)則需要復(fù)雜而精確的液壓系統(tǒng)進(jìn)行驅(qū)動，如果改變氣門行程，還需要一些特制的凸輪軸。 目前，有兩種可變進(jìn)氣歧管技術(shù)：可變進(jìn)氣歧管長度和可變進(jìn)氣共振，他們都是通過進(jìn)氣歧管的幾何設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的。下面我們就分別討論一下這兩種技術(shù)。 1、可變進(jìn)氣歧管長度 可變進(jìn)氣歧管長度是一種廣泛應(yīng)用于普通民用車的技術(shù)，進(jìn)氣歧管長度大部分被設(shè)計(jì)成分兩段可調(diào)——長的進(jìn)氣歧管在低轉(zhuǎn)速時(shí)使用，短的進(jìn)氣歧管在高轉(zhuǎn)速時(shí)使用。為何在高轉(zhuǎn)速時(shí)要設(shè)計(jì)為短進(jìn)氣歧管？因?yàn)樗苁沟眠M(jìn)氣更順暢，這一點(diǎn)應(yīng)該很容易理解；但是為什么在低轉(zhuǎn)速時(shí)需要長進(jìn)氣歧管呢，它不會增加進(jìn)氣阻力嗎？因?yàn)榘l(fā)動機(jī)低轉(zhuǎn)速時(shí)發(fā)動機(jī)進(jìn)氣的頻率也是低的，長的進(jìn)氣歧管能聚集更多的空氣，因而非常適合與低轉(zhuǎn)速時(shí)發(fā)動機(jī)的進(jìn)氣需求相匹配，從而可以改善扭矩的輸出。另外，長進(jìn)氣歧管還能降低空氣流速，能讓空氣和燃料更好的混合，燃燒更充分，也可以產(chǎn)生更大的扭矩輸出。車 為了更好的適應(yīng)不同轉(zhuǎn)速的進(jìn)氣需求，有一些系統(tǒng)采用了分三段可變進(jìn)氣歧管長度的設(shè)計(jì)，例如的V8發(fā)動機(jī)。每列氣缸都有分三段可調(diào)的進(jìn)氣歧管，一共有24個(gè)進(jìn)氣歧管。事實(shí)上，奧迪并沒有把進(jìn)氣歧管分開，它在中央轉(zhuǎn)子周圍布置了回旋的進(jìn)氣歧管，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到不同的位置就能獲得不同的進(jìn)氣歧管長度。整個(gè)系統(tǒng)布置在V型發(fā)動機(jī)的V型夾角內(nèi)側(cè)。 2、可變進(jìn)氣共振 Boxer發(fā)動機(jī)和V-type發(fā)動機(jī)（非直列發(fā)動機(jī)）采用的是通過進(jìn)氣共振來提高發(fā)動機(jī)中高轉(zhuǎn)速的動力。每個(gè)氣缸都共享著同一個(gè)諧振室，他們兩個(gè)互相連接，其中一個(gè)進(jìn)氣管能在ECU的控制下，通過閥門打開和關(guān)閉。這個(gè)閥門開關(guān)頻率與各個(gè)氣缸之間的進(jìn)氣頻率（進(jìn)氣頻率實(shí)際上又取決于發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速）相關(guān)。這樣，在氣缸與氣缸之間就形成了一種壓力波。如果進(jìn)氣頻率與壓力波轉(zhuǎn)速相對稱，根據(jù)共振的原理，空氣就會因?yàn)閺?qiáng)烈的共振而被強(qiáng)力地推進(jìn)氣缸，從而改善了進(jìn)氣效率。具體改變頻率的原理是這樣的：壓力波的頻率通過相互交錯的進(jìn)氣管控制，在低轉(zhuǎn)速時(shí)關(guān)閉其中一組，這樣壓力波的頻率減小，與相對較低的進(jìn)氣頻率剛好吻合，從而可以提高中低轉(zhuǎn)速的扭力輸出；相反，在高轉(zhuǎn)速時(shí)，閥門打開，這樣壓力波的頻率增大，與較高的進(jìn)氣頻率吻合，從而可以改善高轉(zhuǎn)速時(shí)的進(jìn)氣效率。 3、可變排氣回壓管 許多新款高性能車上，還采用了可變排氣回壓技術(shù)。類似于可變進(jìn)氣歧管技術(shù)，可變排氣回壓技術(shù)只不過是針對排氣設(shè)計(jì)的。普通運(yùn)動車型上的排氣管從單個(gè)氣缸收集到排氣以后匯集到排氣總管，形成一個(gè)新的排氣脈沖。這種排氣脈沖被利用在對于進(jìn)氣的增壓上，這種增壓被稱作反向增壓。 反向增壓只會在發(fā)動機(jī)處于某一轉(zhuǎn)速的時(shí)候，才有最好的工作狀態(tài)，排氣管的長度決定了它的適用轉(zhuǎn)速范圍。短的排氣管適合在低轉(zhuǎn)速時(shí)增壓，長的則反之。對于排氣管的長度是固定的發(fā)動機(jī)，只能將其設(shè)計(jì)成最適合一個(gè)相對折中的轉(zhuǎn)速。可變排氣管長度技術(shù)使用了兩段不同長度的排氣管，它們通過閥門的開閉互相切換工作，因此它能同時(shí)滿足高轉(zhuǎn)速和低轉(zhuǎn)速時(shí)的功率輸出。此外，它還能降低噪音，要知道，排氣噪音與轉(zhuǎn)速也有關(guān)。 優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)化高低轉(zhuǎn)速時(shí)的功率輸出，減小低轉(zhuǎn)速時(shí)的排氣噪音 進(jìn)排氣其歧管的設(shè)計(jì)要考慮到四個(gè)缸進(jìn)排氣時(shí)間的不同而引起的掙氣現(xiàn)象，通過觀察上屆FSAE賽車的進(jìn)氣歧管設(shè)計(jì)，本次設(shè)計(jì)把進(jìn)排氣歧管都設(shè)計(jì)成了4個(gè)獨(dú)立的接口，最后在歸總到一根進(jìn)氣管和一根排氣管。有效的解決了進(jìn)排氣的掙氣現(xiàn)象，提高發(fā)動機(jī)的進(jìn)氣效率和經(jīng)濟(jì)性、動力性。 圖3-2 進(jìn)氣歧管 §3.7 進(jìn)排氣最終方案 §3.7.1 進(jìn)排氣系統(tǒng)UG圖 綜合以上考慮選擇方案3，先使用UG畫出進(jìn)排氣系統(tǒng)的三維立體圖，再通過“制圖”命令重生成進(jìn)氣系統(tǒng)的CAD三視圖。由于三視圖中有許多不需要的線條，還需要整理刪除多余的線條。以下是UG和CAD的圖：