大学生方程式赛车汽油机进气系统仿真研究

摘要

长沙理工大学方程式赛车队(CRT)已逐年参加了几届FSAE赛事，寻求新的突破已成为如今的研究重点。因为比赛中加速类的项目占总分的比重高于燃油经济性项目，故提升赛车的动力性对车队提高比赛成绩意义重大。赛车的动力性在很大程度上受到动力总成中的发动机影响，而发动机的动力性指标包括功率和转矩，这些参数无不和发动机的进气系统布置形式和结构尺寸息息相关。FSAE大赛亦规定用进气限制器来连接节气门和气缸从而实现限制发动机功率，导致原发动机的进气系统额定功率与额定功率不匹配，因此对进气系统展开仿真研究的重要性不言而喻。 本文主要针对CBR600RR这款FSAE赛车汽油机的进气系统进行多维仿真研究。首先在充分研究国内外相关文献的基础上，介绍了发动机进气流动仿真研究的现状，研究了进气系统的动态效应。再结合发动机的实际情况，根据进气系统的动态效应，提出了进气歧管及谐振腔的合理匹配方案。然后在专业发动机仿真软件GT-Power中建立了CBR600RR发动机一维模型，将其与台架试验完成了基本的验证后，再分析了不同进气歧管几何尺寸和谐振腔体积变化对发动机功率、扭矩以及充气效率的影响变化规律。在一维仿真软件得到的数据基础上，再通过UG软件建立了包括空气滤清器、进气限制器、节气门、谐振腔、进气歧管的进气系统三维模型。随后将其导入至计算流体动力学软件ANSYS的Fluent模块，对进气限制器的扩散器锥角进行计算分析，对比不同结构尺寸下的速度场、压强场以及流量等参数的差异性。 本文分别结合了发动机工作过程循环一维仿真和三维CFD流场分析，从理论上研究进气系统的结构参数对进气性能的影响，有助于体现进气系统内部流体流动效果。最终确定了限流阀的几何尺寸，将进气歧管长度增加到300mm，将谐振腔体积扩大到3L，出口总流量达到了0.13Skg/s，使得进气效果较之前提升了12.5％，从而提升了发动机的动力性，为FSAE赛车发动机进气系统设计提供了理论支撑。

目录

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摘要

第一章绪论

1．1研究课题背景及意义

1．2国内外研究现状

1．2．1国内研究现状

1．2．2国外研究现状

1．3本文主要研究内容及课题来源

1．3．1本文主要研究内容

1．3．2课题来源

第二章进气系统性能分析

2．1进气效果评价指标

2．2进气歧管内气体的动态效应分析

2．3进气管中流动能量损失分析

2．3．1进气管中总能量损失

2．3．2进气管中的沿程能量损失

2．3．3进气管中的局部能量损失

2．4进气系统部件及对充气效率的影响分析

2．4．1空气滤清器

2．4．2进气限制器

2．4．3节气门

2．4．4谐振腔

2．5本章小结

第三章进气系统气体流动一维仿真

3．1内燃机一维流动的物理模型

3．2一维非定常流动的数值解法

3．3 GT-Power软件介绍

3．4 CBR600RR发动机参数

3．5 GT-Power一维模型仿真分析

3．5．1 GT-Power一维模型的建立

3．5．2 GT-Power一维模型的验证

3．5．3 GT-Power一维模型的模拟计算

3．6本章小结

第四章进气系统流场三维分析

4．1计算流体动力学理论基础

4．2湍流模型

4．3三维仿真模型的计算分析

4．3．1三维模型的建立

4．3．2三维模型的仿真求解

4．4本章小结

全文总结与展望

全文总结

展望

参考文献

致谢

附录