560 大學生方程式賽車設計（發(fā)動機匹配試算與裝配設計）（有cad圖+三維圖）
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汽車空調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)保來說是相當重要的，但是在高達120bar的高操作壓力下它的應用具有很大的挑戰(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)實現的。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，根據對工作液體的各項熱力學分析，WCA CO2 冷卻實驗設備是通過限制現有汽車冷卻單元的外形和操作包裝構造的。正確的操作這個獨特的設備為汽車空調傳遞足夠的冷卻條件。系統(tǒng)性能和周期律的關系及內部熱交換器的效率要經過測試。設備使用的成分完全以現有的成份為基礎而不是為提高效率追求最大化的潛在物質。
關鍵字: 二氧化碳; 壓縮-吸收的周期; 測試; 車輛; 空調
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?；诃h(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)展更新的有更高價值的成分。這些問題很顯然存在于傳統(tǒng)的汽車空調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)的操作壓力和費用，本論文經過研究將濕氣-壓縮吸收 (WCA) CO2 冷卻循作為汽車空調。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?；旌弦后w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)的凝結器。
這不是第一次聯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 摩爾分數 物體外部
q 密度 (公斤)
g 效率 r 比率
Groll 發(fā)展了一個樣品單位并總結了1998年之前的研究成果。他對在以 CO2/丙酮作為工作液體對VCCSC在實驗和數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實驗的 VCCSC 樣品單位。他們發(fā)現對外表面的局部條件最好將全部NH3濃縮在制高點上。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、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的系統(tǒng)條件要求叫復雜。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獲得二個基于 WCA 周期 的冷卻系統(tǒng)專利. 連同 Visteon 一起,Spauschus 呈現他們的起始測試結果。 結果表示 CO2 WCA 周期是有能力遞送足以支撐的冷卻能力。同時地, 一個源自制高點的周期模型包含了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 WCA CO2冷卻系統(tǒng)周期模型。模擬展現了IHX 的性能和周期比在系統(tǒng)性能上具有很強的影響。
在這篇論文中，不是以設計和生產出一種商業(yè)上可行的新的冷卻產品。相反的，主要目的是對于汽車應用使用的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性能之間的關系，哪一個對以后的研究有更深遠的影響。
2、原型設計和測試設備
2.1、程序和器具圖表
圖表展示了整個測試設備的結構。戶外的房間環(huán)境的情況由一個電的加熱器和一個空調控制著, 而戶內的房間環(huán)境由一個電加熱器、一個增濕器和一個空調控制著。能夠驅動風扇的變速度馬達安裝在每個房間中的空氣輸送管中模擬不同的熱交換器在實際應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 溫度計測試。 科里奧利塊流程公尺, 連同 T 熱電偶和壓力轉換器一起安裝在每個成份區(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器的準確性和功能。
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應用中現有的 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
項目 準確性量功能
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
壓力下降轉換器 ± 2.5 Pa 2 空氣邊壓力不同完成的噴嘴
壓力轉換器 ± 0.5 酒吧 6 冷凍的邊絕對的壓力
力量公尺 ± 0.02個千瓦 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個轉/每分 1 壓縮物速度
表 2
原型的主要部份成份
項目 規(guī)格
壓縮物 卷橋壓縮物, 換置 89 cc/轉
吸收體 明礬的, 六個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, 總數熱移動區(qū)域: 0.9 m 2
擴充活瓣 手冊, 大頭針-活瓣
接收器 明礬的, 體積: 1500 cm 3
圖 1. 原型和測試設備。
2.2. 不確定分析
主要的實驗結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補償和性能系數。這些叁數之間的關系是:
C 是一個常數, 0.99; n噴嘴的噴嘴區(qū)域;Dp經過噴嘴的壓力差;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的空氣焓。Gtotal是常數0.686計入損失的力,帶子, 抓緊、二個有柔性的聯編者和發(fā)明家。根據被Moffat提出的方法精密的器具規(guī)格在表1中,性能系數的誤差是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。吸收體應該是能夠耐高溫,比如150oC。吸收劑的其他特性是低黏質和密度、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.工作液體的熱力學模型
熱力學模型的發(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是總數壓力,T是絕對溫度,V是摩爾體積,R是國際瓦斯常數。對于給定的(T,P)三個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a和b是從標準混合規(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和表3列出的離心因素。kij是一個二進位的交互作用叁數取決于實驗數據, 這里是 0.004。 xi, xj 分別表示CO2和C5H9在液體狀態(tài)下的摩爾分數。
使用這模型,CO2/C5H9NO蒸汽-液體狀態(tài)要保持在固定的壓力下?？紤]到成份操作壓力和溫度限制,原型操作設備能在預計的理想情況下有幫助于控制CO2量和吸收的費用。圖2表示平衡圖表和操作設備用交叉線標記。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備。熱力學模型的更多細節(jié),如何描述焓,熱力學函數改變與溫度和壓力之間的關系和蒸汽-液體狀態(tài)有關研究方面的著作。
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 是有計算得出的。mCO2和mC5H9分別表示CO2和C5H9的質量。周期比根據CO2和C5H9之間的比例而改變。
4. 測試結果和討論
原型的測試真值表是根據汽車空調操作條件和原型操作的壓力限制制作的。真值表結果列在表5中。表4給出了每個標準值。表4中在IHX效率專欄中, ''0'' 表示沒有IHX, ''總數''表示使用所有的那熱交換器。IHX的效率由計算得出。熱量計測試結果在表6中。它顯示了研究獲得的最初性能。一個獨特有能力遞送持續(xù)不斷的冷卻的 WCA CO2 冷卻系統(tǒng)有和現有的HFC134a冷卻單元相當的外形設備構成。
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,系統(tǒng)能力增加21.6%。同時, 尤其在高壓縮物旋轉速度下增加系統(tǒng)周期比，系統(tǒng)壓力將不再增加。因為操作壓力限制, 例9測試不能實現。有和沒有IHX,系統(tǒng)能力和性能系數分別是9%和19.3%，體現在例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荷操作下設計完好的蒸汽-周期系統(tǒng)，這就是為什么蒸汽-周期系統(tǒng)領先了數十年。 然而,這個系統(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)境利益可能是在實踐中獲得。
5、總結
使用CO2和C5H9作為工作液體的汽車空調 WCA 冷卻原型已得到發(fā)展。測試結果表示系統(tǒng)能補給足以支撐的冷卻能力。WCA系統(tǒng)在汽車應用中有優(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最適宜的性能系數和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, 應考慮到系統(tǒng)效率和經濟因素。通常效率可達到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
[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.
大學生方程式賽車設計
（發(fā)動機匹配試算與裝配設計）
摘 要
中國大學生方程式汽車大賽（簡稱中國FSAE）是一項由高等院校汽車工程或汽車相關專業(yè)在校學生組隊參加的汽車設計與制造比賽。各參賽車隊按照賽事規(guī)則和賽車制造標準，在一年的時間內自行設計和制造出一輛在加速、制動、操控性等方面具有優(yōu)異表現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。
本文具體研究大學生方程式賽車（FSAE）發(fā)動機系統(tǒng)的匹配試算和結構設計，通過了解發(fā)動機的性能參數、結構參數，運用發(fā)動機原理，汽車構造等所學的知識，根據大學生方程式賽車的比賽規(guī)則及網上查詢資料，對發(fā)動機進行選擇。文章主要論述如何改進發(fā)動機的進排氣及冷卻系統(tǒng)，使發(fā)動機達到預想的狀態(tài)，且符合大賽的規(guī)定。對于進排氣系統(tǒng)采用GT-Power、FLUNT等軟件進行仿真計算設計，進排氣系統(tǒng)的優(yōu)化設計，采用四個分置的進氣歧管，避免了各缸進排氣時間不同造成的掙氣現象，使得進排氣更加順暢，提高了進氣效率，從而提升發(fā)動機的動力性能。進氣系統(tǒng)限流閥的應用使得賽車更加安全，同時也能讓學生更加的主動去學習如何改進進氣系統(tǒng)，做成兩頭錐的形狀，使得進氣無死角，又不會違背大賽規(guī)定。應用流體力學設計諧振腔，使得進氣盡量多。
關鍵詞：方程式賽車（FSAE），發(fā)動機，匹配，進排氣
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)動機的匹配 3
§2.1 發(fā)動機的匹配 3
§2.1.1 匹配的定義 3
§2.1.2 發(fā)動機匹配的應用場合 3
§2.2 發(fā)動機的機械匹配技術 3
§2.2.1 發(fā)動機和變速器的選型和匹配 3
§2.2.2 設計與分析 4
§2.2.3 主要試驗項目 5
§2.3 發(fā)動機管理系統(tǒng)及其開發(fā)技術 5
§2.3.1 發(fā)動機管理系統(tǒng) 5
§2.3.2 發(fā)動機管理系統(tǒng)開發(fā)技術 5
§2.4 發(fā)動機的標定技術 6
§2.4.1 發(fā)動機標定 6
§2.4.2 發(fā)動機標定軟件 6
§2.4.3 發(fā)動機標定設備 6
§2.4.4 發(fā)動機標定試驗 7
§2.5 其它相關電氣系統(tǒng)的開發(fā) 7
§2.5.1車載網絡系統(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)動機的選購 7
§2.6.1 賽車發(fā)動機的選擇原則 7
§2.6.2 以下是國內幾款常用FSAE發(fā)動機的資料 8
第三章 發(fā)動機進排氣系統(tǒng)的匹配 14
§3.1 FSAE進排氣系統(tǒng)和限流閥的關系 14
§3.2 GT-Power介紹 15
§3.3 發(fā)動機的進排氣管 15
III
§3.3.1 進氣管長度對發(fā)動機性能影響 17
§3.3.2 排氣管長度對發(fā)動機性能影響 17
§3.4 限流閥的作用意義 17
§3.4.1 什么是進氣限制器 18
§3.4.2 進氣限制器的作用 18
§3.4.3 為什么要有進氣限制器 19
§3.4.4 進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 進排氣歧管的設計 21
§3.7 進排氣最終方案 23
§3.7.1 進排氣系統(tǒng)UG圖 23
§3.7.2 進排氣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 提高進風系數 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 水管的設計 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 曲軸箱通風裝置 30
§5.5 機油的功用 31
§5.6 機油的使用特性及機油添加劑 32
§5.7 機油的分類 33
§5.8 機油泵 34
§5.9 機油濾清器 35
§5.10 冷卻器 36
IV
第六章 總結 37
參考文獻 38
致 謝 39
附 錄 40
V
第一章 大學生方程式賽車簡介
§1.1 賽事簡介
中國大學生方程式汽車大賽（簡稱中國FSAE）是一項由高等院校汽車工程或汽車相關專業(yè)在校學生組隊參加的汽車設計與制造比賽。各參賽車隊按照賽事規(guī)則和賽車制造標準，在一年的時間內自行設計和制造出一輛在加速、制動、操控性等方面具有優(yōu)異表現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由中國汽車工程學會、中國二十所大學汽車院系、國內領先的汽車傳媒集團——易車（BITAUTO）聯合發(fā)起舉辦。中國FSAE秉持“中國創(chuàng)造擎動未來”的遠大理想，立足于中國汽車工程教育和汽車產業(yè)的現實基礎，吸收借鑒其他國家FSAE賽事的成功經驗，打造一個新型的培養(yǎng)中國未來汽車產業(yè)領導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，提高學生們的設計、制造、成本控制、商業(yè)營銷、溝通與協(xié)調等五方面的綜合能力，全面提升汽車專業(yè)學生的綜合素質，為中國汽車產業(yè)的發(fā)展進行長期的人才積蓄，促進中國汽車工業(yè)從“制造大國”向“產業(yè)強國”的戰(zhàn)略方向邁進。
中國FSAE是一項非盈利的社會公益性事業(yè)，利在當代，功在未來。項目的運營和發(fā)展結合優(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生設立賽事獎金。
§1.2 愿景與使命
促進中國汽車產業(yè)自主研發(fā)與科技進步，提高中國汽車產業(yè)“引進—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)造的轉型，推動民族品牌向世界品牌的跨越。
完善汽車人才培育機制，為中國汽車工業(yè)從“制造大國”向“產業(yè)強國”的戰(zhàn)略方向邁進奠定人才基礎。積極探索有效利用社會資源培養(yǎng)創(chuàng)新型人才的素質教育新體系。
搭建自主創(chuàng)新技術的國際交流舞臺，幫助中國汽車產業(yè)的未來人才從世界汽車技術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標準的更新與提升。
深化中國汽車產業(yè)自主創(chuàng)新的主流意識，強化中國汽車廠家在汽車人才培養(yǎng)、技術研發(fā)等方面的企業(yè)社會責任感，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)動機的匹配
§2.1 發(fā)動機的匹配
§2.1.1 匹配的定義
在汽車設計中，根據整車中各個部件系統(tǒng)的特性，合理地選擇發(fā)動機、變速器和其它部件的類型和參數，將其進行優(yōu)化組合，通過計算、仿真和實驗等手段來估計和驗證整車性能，使整車具有最優(yōu)的動力性、經濟性、排放性能和制動性能的過程和方法。本文將分機械匹配和電氣匹配兩個方面來介紹發(fā)動機匹配技術。
§2.1.2 發(fā)動機匹配的應用場合
通常發(fā)動機匹配項目主要應用于兩個方面：一是在設計新車型過程中，開發(fā)新的動力系統(tǒng)；二是已有車型更換發(fā)動機或發(fā)動機國產化。發(fā)動機和變速器的選型和匹配是此類項目的工作重點。
§2.2 發(fā)動機的機械匹配技術
§2.2.1 發(fā)動機和變速器的選型和匹配
一、設計計算
發(fā)動機匹配項目的設計計算是根據汽車要求的性能，來確定發(fā)動機和變速器等部件的類型和參數，有3種方法：
1、手工計算
主要根據汽車驅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，從而評價變速器的不同傳動比對汽車性能的影響，確定發(fā)動機和變速器的參數。這種方法計算繁瑣，結果不夠準確。
2、仿真計算
在設計汽車和各部件的模型基礎上，輸入發(fā)動機和變速器等汽車部件和整車的性能參數，指定要求的行駛循環(huán)，最后計算出汽車的動力性、經濟性、排放性能和制動性能。它可以在計算機上顯示和打印各種分析報告和圖表結果，計算快速準確，能反映出汽車系統(tǒng)中任何參數的變化對整車性能的影響。目前國內常見的車輛仿真商業(yè)軟件有奧地利李斯特內燃機及測試設備公司開發(fā)的汽車性能仿真分析軟件CRUISE。
3、參數優(yōu)化
將汽車的動力性、經濟性、排放性能和制動性能作為目標函數,將發(fā)動機功率、汽車重量和變速器的各檔傳動比等參數作為優(yōu)化變量，在一定范圍內，尋求最優(yōu)的匹配組合，使汽車達到最佳性能價格比。
二、發(fā)動機和變速器的布置
在完成發(fā)動機匹配設計計算后，根據初步確定的計算參數和汽車布置形式，可以從市場上選擇一款或多款發(fā)動機和變速器，然后選擇和開發(fā)相應制動系統(tǒng)、轉向系統(tǒng)和空調系統(tǒng)等部件，在發(fā)動機艙和車身上試布置。也可以通過建立汽車和部件的CAD數字模型，在CAD軟件環(huán)境中試裝配，檢查干涉情況，并進行調整。在確定汽車主要部件的位置后，可以進行后續(xù)工作。
三、發(fā)動機附件系統(tǒng)的開發(fā)
通常汽車發(fā)動機供應商只提供基礎發(fā)動機或稱為短發(fā)動機，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：風扇及風扇離合器、進氣和排氣管道、空氣過濾器、發(fā)動機油泵、發(fā)動機懸置、動力轉向泵、三元催化器、空調壓縮機、燃油箱及供應系統(tǒng)。
§2.2.2 設計與分析
1、CAD設計
在現代汽車的開發(fā)過程中，需要應用CAD軟件來設計汽車和部件的數字模型。汽車設計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、用三坐標測量機進行逆向掃描。
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)動機匹配項目中的CAE分析項目有：發(fā)動機的噪聲與振動分析、發(fā)動機支撐的分析、發(fā)動機熱力學分析、計算流體力學分析（驗證散熱器的尺寸和發(fā)動機進氣流動特性）。
§2.2.3 主要試驗項目
發(fā)動機和汽車臺架試驗：發(fā)動機噪聲與振動試驗；發(fā)動機懸置的振動頻率測量試驗；排氣系統(tǒng)的耐久性試驗；發(fā)動機過濾器和冷卻系統(tǒng)的壓力和流動試驗。針對新設計的發(fā)動機和變速器等部件設計裝配用的夾具工具；針對新設計的發(fā)動機和變速器等部件設計制造工藝；針對新設計的發(fā)動機和變速器等部件，開發(fā)維修工具，例如OBD車載診斷儀器及其軟件；開發(fā)汽車經銷商銷售管理數據庫系統(tǒng)等。
§2.3發(fā)動機管理系統(tǒng)及其開發(fā)技術
§2.3.1發(fā)動機管理系統(tǒng)
發(fā)動機管理系統(tǒng)(EMS,enginemanagementsystem)是在發(fā)動機電子點火和電控汽油噴射系統(tǒng)的基礎上發(fā)展起來的集電子控制噴射、排放控制、電子點火、起動、防盜、診斷等功能于一體的集成電路系統(tǒng)。電子控制技術的飛速發(fā)展及發(fā)動機排放法規(guī)的不斷加嚴和人們對汽車發(fā)動機性能的要求不斷提高(方便性、舒適性、高效性和經濟性)促進了EMS的發(fā)展，EMS能實現對發(fā)動機各系統(tǒng)的精確控制和靈活控制,是改善發(fā)動機各項性能指標和排放的主要手段。發(fā)動機管理系統(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，然后由微處理器經過計算、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；韓國的現代ECFI。
§2.3.2 發(fā)動機管理系統(tǒng)開發(fā)技術
發(fā)動機管理系統(tǒng)開發(fā)技術涉及到計算機技術、自動控制、嵌入式系統(tǒng)、發(fā)動機技術等多個領域，是汽車電氣控制系統(tǒng)中最復雜的系統(tǒng)。目前汽車制造商在匹配發(fā)動機系統(tǒng)的過程中，不需要進行EMS的開發(fā)工作。這是因為通常由發(fā)動機供應商提供的基礎發(fā)動機上，已經配有現成的EMS，汽車制造商僅需要聯系相應的EMS開發(fā)商進行標定工作。目前流行的EMS開發(fā)過程是，在MATLABSimulink仿真計算平臺上，采用可視化和模塊化的方法,建立發(fā)動機的控制模型，待調試成功后，編譯成機器執(zhí)行代碼，然后下載到汽車電子控制單(ECU,ElectronicControlUnit)中。例如英國Pi技術公司推出的發(fā)動機和汽車控制系統(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，它的應用范圍包括發(fā)動機控制系統(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中運行。它可以為8缸發(fā)動機自動生成控制代碼。
§2.4 發(fā)動機的標定技術
§2.4.1 發(fā)動機標定
發(fā)動機的標定試驗是指在汽車不同的工作狀態(tài)和氣候環(huán)境下，對發(fā)動機管理系統(tǒng)的參數進行不斷調試，找到發(fā)動機最佳工作狀態(tài)下的一組參數的測試技術。它通常分為室內臺架實驗和室外道路實驗，室外道路實驗要求在汽車試車場進行，另外還要進行“高寒、高溫和高海拔”的“三高”試驗,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行。發(fā)動機標定試驗的主要工具是發(fā)動機標定軟件和發(fā)動機標定設備。
§2.4.2 發(fā)動機標定軟件
從發(fā)動機傳感器采集試驗數據，經過技術處理后，再將其寫入(或下載)汽車ECU中，由于在標定試驗中需要處理大量的試驗數據，發(fā)動機標定軟件具有強大的數據庫管理功能。由于現代發(fā)動機的功能越來越復雜，控制參數也由最初的十幾個急劇上升到目前的上千個，導致實驗次數呈幾何級數上升。要求對每一個標定參數的所有工況都進行全部排列組合的實驗是不可能實現的。因此，現在也出現了基于試驗優(yōu)化技術(DOE,De2signofExperiments)的標定軟件，它可以優(yōu)化試驗方案，減少標定試驗的次數，降低試驗費用，縮短試驗周期。
§2.4.3 發(fā)動機標定設備
在發(fā)動機標定試驗中，需要測量發(fā)動機轉速、溫度和壓力等多種物理量的試驗數據，另外需要將標定軟件生成的標定數據寫入汽車ECU中，發(fā)動機標定設備可以實現這些功能。德國CSM公司是發(fā)動機標定設備的主要供應商，其部分產品有：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能同時提供模擬通道和溫度通道的測量功能。
§2.4.4發(fā)動機標定試驗
發(fā)動機臺架標定試驗項目有：發(fā)動機實際充氣效率標定、空燃比標定、點火正時標定和基本發(fā)動機熱機標定。整車標定試驗項目有：整車廢氣排放控制標定、整車駕駛性標定、熱帶環(huán)境標定、高原環(huán)境標定、寒帶環(huán)境標定、車輛零部件故障診斷系統(tǒng)標定和系統(tǒng)驗證。
§2.5 其它相關電氣系統(tǒng)的開發(fā)
§2.5.1車載網絡系統(tǒng)的開發(fā)
隨著汽車電氣系統(tǒng)數量和功能的不斷增多，電氣線束系統(tǒng)變得越來越復雜，越來越粗，損耗功率也越來越大。車載網絡和總線系統(tǒng)可以大大減少電氣系統(tǒng)的復雜程度。同時《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號排放國家標準自2007年7月1日起實施，將促進車載診斷系統(tǒng)OBD在汽車上普及，這使汽車必須裝備車載網絡系統(tǒng)。因此開發(fā)車載網絡和總線系統(tǒng)成為當今的主流趨勢。
§2.5.2 電氣線束系統(tǒng)的開發(fā)
由于發(fā)動機和變速器包含了復雜的電氣控制系統(tǒng)，因此在發(fā)動機匹配項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)動機和變速器的電氣線束的布線，,設計其與整車電氣系統(tǒng)連接的接插件接口等。在電氣系統(tǒng)開發(fā)完成后，必須按照國家標準進行相關的電氣試驗。
§2.6 發(fā)動機的選購
§2.6.1 賽車發(fā)動機的選擇原則
賽車發(fā)動機的選擇要根據比賽規(guī)則的要求和賽道特點而決定。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)動機最關鍵的性能是穩(wěn)定優(yōu)秀的扭矩輸出，而發(fā)動機功率輸出性能的重要性則被弱化。
FSAE比賽中發(fā)動機的選擇主要分為兩個方向。大排量高性能4缸機是多數車隊的選擇，較為典型的是Honda CBR600 F4i。而選擇小重量單缸機的高水平車隊也有不少。Yamaha WR450F就是一款非常適合FSAE的單缸機。
越是性能優(yōu)秀的發(fā)動機，往往意味著改進的難度越大。對于FSAE而言，使用的往往是摩托車發(fā)動機（因為排量最大610cc的限制），自行改進發(fā)動機的進排氣系統(tǒng)往往是車隊必須面臨的工作。新車隊在沒有FSAE研制經驗的情況下，需要面臨和解決的諸如設計、制造、配件選購的問題非常多。而且順利完成FSAE賽車底盤研制任務是新車隊應該投入更多精力的工作。所以新車隊應該選擇一款符合自身情況的發(fā)動機，以利于自己第一輛FSAE賽車的順利完成。
§2.6.2以下是國內幾款常用FSAE發(fā)動機的資料
一、LD450
在國產發(fā)動機中選擇，可以說是一個悲劇，因為怎么選都沒有一臺好發(fā)動機，國人的發(fā)動機無論是設計還是生產，都要比國外落后很多年（這也就是為什么我們要上學，上學不是為了找工作，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）。
國人現在的技術水平，沒有辦法自己研究出一臺高水平發(fā)動機，那只有仿了。山寨一詞已經不需要我多解釋了。汽車都能山寨，發(fā)動機當然也可以。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說過有諸多地方比不上YAMAHA的WR450，但是如果必須在國產發(fā)動機里面選，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，在一些比較關鍵的配件上，可以選用進口件。雖然這違背了使用國產發(fā)動機的初衷，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)動機最大的困難就是進氣的改裝了，由于原裝是不帶電噴的（據說在研究電噴），所以你必須自己造一套電噴設備，可以選用MOTEC或者其他有一些公司的ECU來完成你的進氣改裝，自己排線路，自己造進氣管，自己裝感應器，自己寫ECU程序等，前提是你需要有一個發(fā)動機實驗室。如果你什么都沒用，要想用這臺發(fā)動機，那只有用化油器了，你需要設計并且制造一個20mm口徑的化油器歧管，裝在化油器和發(fā)動機之間，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，馬力應該不會相差很多，但是可以減輕很多整車重量，調整也相對簡單，幾乎沒有電路。
這臺發(fā)動機的價格在11000RMB左右（由于是新機器，這個價格在國內可以買2臺二手的4缸600cc發(fā)動機或者其他日本制造的發(fā)動機）
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)動機是抄襲的意大利哪一款，但是從數據來看，比JH600要強，重量48kg，轉速也比JH600要高。相比LD450，最大的優(yōu)點應該是電噴。而且該發(fā)動機是油冷的，雖然重量比LD450要重，但是濕重的差別會相對小，因為LD450的水箱很重，水箱里的水也很重。500CC同樣符合SAE的要求，價格不清楚，有興趣的車隊可以購買研究，我想無論如何都要比春風的那臺強。
500油冷發(fā)動機（LD192YMR）為單缸風冷加油冷四沖程發(fā)動機，采用意大利技術，強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150km/h以上，按需可配內置倒檔，適用于大排量長途旅行類摩托車及全地形車。
500cc發(fā)動機特點：
a、意大利CAGIVA技術，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、按需可配內置倒檔，適用于沙灘車等。
表2-1 LD192YMR參數表
技術參數
發(fā)動機型號
LD192YMR
發(fā)動機型式
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
這是一臺國產唯一的600cc發(fā)動機（據說春風新出了600cc的，那么至少它是國產第一臺600CC發(fā)動機，跟嘉陵600ATV動力一樣，傳動不同）。這臺發(fā)動機的排量，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)動機實驗室并且能整，這臺機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，低轉速，高扭矩，但是對于FSAE來說，這正是我們所需要的。這臺發(fā)動機也是國內目前最好的2支FSAE隊伍所使用的發(fā)動機，一個是湖南大學，一個是廈門理工大學。如果能減輕除了發(fā)動機以外其他部件的重量，搭載這臺JH600的車隊也將擁有不錯的性能。我不知道它在限制20mm進氣以后能有多大的輸出，湖南大學也沒用設備進行馬力測試，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。還有一點可以參考的是，你相信嘉陵因為嘉陵跟本田合作了很多年。
四、CBR600 F4i
Formula SAE發(fā)動機首當其沖的當然是本田的CBR600 F4i，是本田公司的上一代產品，在Formula SAE中的使用比例是其他發(fā)動機沒法比的。那為什么這臺發(fā)動機如此受歡迎呢？為什么人們不去用最新的CBR600RR發(fā)動機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。
對于新車隊來說，改裝油底殼會比較麻煩，沒有經驗，也不知道如何去改的時候，用F4i是很好的選擇。
F4i還有一個優(yōu)點就是價格比600RR便宜，國內二手發(fā)動機的價格應該在一萬人民幣以下。
原裝電腦，改成規(guī)則規(guī)定的20mm進氣以后，馬力應該在60~65hp
發(fā)動機重量（連6檔順序變速箱）大概是59kg
所以我想這臺發(fā)動機應該也是中國的FSAE首選發(fā)動機。
CBR600RR年代比較新，比較容易買，國內二手價格應該也不超過萬元.
圖2-4 F4i油底殼 圖2-5 RR改造后的油底殼
五、CBR600RR
CBR600RR是本田現在在產的600cc上的產品，國內也叫F5
它比F4i更輕，有2級進氣噴射，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，但是對于FSAE的發(fā)動機使用，它會導致發(fā)動機重心過高。
但是，很多車隊，即便是用了F4i也是要進行油底殼改造的，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雜。
1、濕式油底殼，這樣改的結果，就是發(fā)動機能有一個跟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)動機的重心在之前的基礎上再降低3英寸左右，需要自己加工機油泵和儲油罐
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)動機在FSAE中流行了起來，最好的選擇要數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)動機潤滑。濕式油底殼會導致汽車過彎的時候，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更先進的地方是，它有電噴，而CRF到2010款才出電噴?；推鞅静⒉皇菈氖拢怯捎贔SAE要求20mm進氣限制并且油門必須在進氣限制的上流，也就是說必須在化油器和發(fā)動機之間，這樣會導致20mm的進氣是“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)動機進排氣系統(tǒng)的匹配
§3.1 FSAE進排氣系統(tǒng)和限流閥的關系
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、研究生團隊構思、設計、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)則基本要點是賽車使用小于610cc容量的發(fā)動機，進行多個項目的比賽。發(fā)動機的所有的進氣都要通過直徑為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)動機節(jié)氣門和發(fā)動機進氣門之間。在保證上述比賽規(guī)則的前提下，本文通過發(fā)動機系統(tǒng)仿真模型計算，分析不同進排氣管長度對發(fā)動機扭矩、充氣效率、功率的影響來確定與目標轉矩點轉速相對應的進排氣管長度，從而改進設計進排氣系統(tǒng)來提高發(fā)動機的動力性、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軟件包涵了內燃機、驅動系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、燃油供給系統(tǒng)、曲軸機構、配氣機構等六個方面，它是采用現代計算機技術和數值計算方法最新開發(fā)的內燃機性能模擬與仿真軟件，被稱為“虛擬發(fā)動機”，是目前國內外汽車廠和內燃機制造公司理想的實驗模擬工具。GT-Power可模擬點火式發(fā)動機、柴油機、二沖程或四沖程機、增壓機等多種活塞式發(fā)動機?？捎糜陬A測穩(wěn)態(tài)或瞬態(tài)的發(fā)動機性能，如所有管路段的流量和流速、系統(tǒng)的溫度和壓力、發(fā)動機充氣效率、功率、扭矩、燃燒率模型、汽油機NOx的排放、柴油機NOx和微粒排放、催化劑化學反應等。GT-Power是基于面向對向的交互式界面，從模型圖的建立，運行，到數據的后處理，GT-Power的操作都是在GT-ISE、GT-Post中進行，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、數據庫、模塊管理器等，與常見的Windows界面類似。本次設計主要參考了湖南大學FSAE車隊的GT-Power結論來作為設計依據的。
§3.3 發(fā)動機的進排氣管
提升發(fā)動機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)動機體積，重量也會隨之增加，這種方法對于追求結構緊湊，追求行駛經濟性的現代乘用車設計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，通過改進發(fā)動機結構和采用新材料來追求更高的輸出功率，是當前廠商的追求目標。
提高發(fā)動機的升功率，也就是每升氣缸工作容積所發(fā)出的有效功率，是實現這個目標的方法。要提高發(fā)動機的升功率，加大進氣量是一種解決方案。有些發(fā)動機采用強制吸氣法的方式，用增大氣體密度來提高進氣量，例如采用渦輪增壓（Turbo）。但是，在日益嚴格的廢氣排放法例的管制及制造成本的限制下，多數汽車的發(fā)動機還是傾向采用自然吸氣法方式。
采用自然吸氣法，又要提高進氣量，設計者就把注意力放在了進排氣的速度方面，也就是千方百計提高氣體的流動速度來提高單位時間內的進排氣量，在提高換氣效率上做文章。換氣是汽車發(fā)動機最基本的功能。通過換氣，排出廢舊氣體，發(fā)動機工作循環(huán)回復到循環(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)動機才能正常工作。
良好的發(fā)動機進氣通道設計是提高進氣量的重要保證。一些汽車運動者在傳統(tǒng)發(fā)動機改裝上，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)動機功率。更進一步，改裝深入到結構內部及材料的選用，例如打磨進氣歧管內壁，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)動機進排氣管過去都是用鑄鐵材料鑄造出來的。發(fā)動機進排氣管道改用不銹鋼或鋁合金材料，既可以降低管道內的氣流阻力，同時也可以降低重量，因為不銹鋼和鋁合金比鑄鐵質量小得多，可謂是一舉兩得。因此，現在許多發(fā)動機都選用不銹鋼材或鋁合金材料做進排氣管。據最新資料，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部幾何形狀的進氣歧管，其焊接性能、加工可性、焊接性能、氣密性、經濟性等都表現良好。
從形狀上看，傳統(tǒng)發(fā)動機進排氣管多用方形，這是因為方形斷面表面面積大，有利于進氣管內油膜的蒸發(fā)，同時從鑄造工藝上考慮，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，同時多點電噴發(fā)動機的噴油位置就在進氣門處，進氣管道不易形成油膜，為了得到更高的氣流速度，一些發(fā)動機進排氣管就采用了圓形斷面
從安裝上看，傳統(tǒng)發(fā)動機進排氣管多安裝在氣缸的同一側，進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在高轉速發(fā)動杌由于結構上的需要，進排氣管多分置在氣缸的兩側，進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，巨大的熱應力可使排氣管產生裂紋，為保證一定的熱脹冷縮，排氣歧管的安裝形式與進氣管有所不同，一般發(fā)動機排氣管是一缸一歧管，以減少排氣管的熱負荷。
按照空氣動力學原理，氣管的流通性應以最小截面處的流動情況為依據，而發(fā)動機整個進排氣道系統(tǒng)中最小截面處位于氣門閥隙處，這也就是現代發(fā)動機采用多氣門或者盡量增大氣門頭直徑的原因。同時，也要考慮到進排氣管尺寸、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)動機才能發(fā)揮最佳性能。
§3.3.1 進氣管長度對發(fā)動機性能影響
進氣系統(tǒng)結構對發(fā)動機充氣效率有決定性影響，直接影響發(fā)動機的動力性。根據FSAE賽事的規(guī)則：發(fā)動機都必須要在位于發(fā)動機節(jié)氣門和發(fā)動機進氣門之間安裝直徑為20mm的限流閥。發(fā)動機的進氣系統(tǒng)主要包括進氣管和進氣道兩部分，而進氣管的形狀包括長度、直徑和曲率三個方面。本文主要從進氣管長度方面進行分析，中低速范圍內進氣管長度會影響發(fā)動機的充量系數，在發(fā)動機高速狀態(tài)下，長度較長的進氣管會增加空氣進給量，同時損失量也會增加，并且對發(fā)動機的動力輸出有較大影響。在其他結構因素不變下，本文用GT-Power軟件模擬不同進氣管長度對發(fā)動機充氣效率、扭矩、功率的影響。
§3.3.2 排氣管長度對發(fā)動機性能影響
發(fā)動機的排氣壓力波對發(fā)動機的動力性有影響，而壓力波又與發(fā)動機的配氣相位、排氣口形狀和排氣管的結構參數以及發(fā)動機的其他性能參數有關。合理地利用排氣管中的壓力波，可以使排氣更加徹底，進氣更加充分。如果能恰當地利用壓力波的能量就能提高排氣效率，同時也能提升進氣的效率。通過對排氣管的結構設計能有效地提高發(fā)動機的輸出功率，達到提升動力的目的。本文在GT--Power中不改變汽油機其他結構參數前提下，模擬排氣管長度對發(fā)動機充氣效率、扭矩、功率的影響。
本次設計主要參考了湖南大學FSAE賽車進排氣管長度的優(yōu)化過程，把本次設計的進排氣管長度做了相應的調整。最終是選擇了在原長度的基礎上適當了增加了進排氣管的長度，從而提升了發(fā)動機的動力性和經濟性，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)動機進氣部分，必須加裝一個直徑為20mm（E85燃料為19mm）的進氣限制器。由于去年中國比賽的特殊情況，沒有要求使用進氣限制器，所以，對于絕大多數同學，進氣限制器是一個很新鮮的東西，近期也有不少關于進氣限制器的討論。在此，我們就來談一談這個獨具特色的小東西。
§3.4.1什么是進氣限制器
首先我們來閱讀以下規(guī)則：
8.6 進氣系統(tǒng)限流閥
8.6.1 為限制發(fā)動機功率，一個內部截面為圓形的限流閥必須安裝在進氣系統(tǒng)的節(jié)氣門與發(fā)動機之間，并且所有發(fā)動機的進氣氣流都應流經此限流閥。
8.6.2 禁止在限流閥和發(fā)動機之間使用任何可以控制進氣流量的裝置。8.6.3 限流閥內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檢查時測量的位置。
8.6.5 任何情況下，限流閥的內部截面都不能發(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，所有發(fā)動機的進氣氣流都必須流經限流閥。
§3.4.2 進氣限制器的作用
1、進氣限制器在中低轉速、部分負荷條件下，就好像一個一直半開著的節(jié)氣門，讓進氣道內的壓力比正常情況低，從而降低發(fā)動機的充氣效率，進而限制各個工況的扭矩。想象一下，如果你被堵住了一個鼻孔，然后和一個和你原本體力相同的人掰手腕，肯定是要悲劇的。
2、進氣限制器會限制單位時間內的最大進氣量。我們都知道，管內的氣流速度越快，效率越低，當氣流速度接近0.5馬赫的時候，實際進氣量就會達到瓶頸。在常溫常壓下，20mm管徑的這個瓶頸數值，大約在70g/s左右。也就是說，無論你怎么折騰，單位時間進氣量也就是這些，進而限制了發(fā)動機的最大功率。還是想象一下，如果被堵住一個鼻孔，然后跑個八百米，成績肯定比你正常情況下差很多，沒有暈過去就算萬幸了。
裝上進氣限制器的發(fā)動機，最大功率、最大扭矩、最大功率和最大扭矩產生的轉速，都會出現不同程度的降低。以600cc四缸自然吸氣發(fā)動機為例，一般來說最大功率和最大扭矩會下降到原始的60%左右（經過合理優(yōu)化后有可能達到70~80%），而最大功率點會掉到10000rpm以下、最大扭矩點掉到8000rpm以下。對于排量較小或汽缸數較少的發(fā)動機，受到的影響相應會小一點。
§3.4.3為什么要有進氣限制器
SAE在制定規(guī)則的時候，為什么要加入進氣限制器呢？總的來說，是出于以下三點考慮：安全、平衡、鍛煉學生能力。
當今社會，做任何事情，人身安全都最為關鍵，SAE辦活動也不例外。600cc的四缸發(fā)動機，動輒就能釋放出70~90KW的功率，相當于民用車中1.6~1.8L的自然吸氣發(fā)動機。這么大的功率，安裝到整備質量二三百公斤的FSAE賽車上，功率質量比可以達到驚人的每噸300KW。換算一下，相當于將一臺4.2L V8發(fā)動機安裝到一臺夏利上——這還是對原廠發(fā)動機沒有任何改裝的情況。無疑，這一件十分危險、十分恐怖的事情。所以，加入進氣限制器，最重要的目的就是限制發(fā)動機的功率、讓發(fā)動機的功率不能過高，進而提高整個活動的安全性。
比賽的平衡也是很重要的，SAE不希望這個比賽千人一面，而是希望能出現各種不同的技術路線和技術側重。那么，為了這個目的，就需要將因為各車隊發(fā)動機選型不同所造成的差異盡量縮小，不能出現“小排量永遠比不過大排量”“單缸永遠比不過四缸”的尷尬局面。而進氣限制器則可以達到這個目的。在上一部分我們已經說了，排量和功率越大的發(fā)動機，受到限流器的制約越明顯，這就出現了一個戲劇性的局面：路人甲選用出廠70KW的發(fā)動機，機器自重60kg，限流后剩下45KW；路人乙選用出廠40KW的發(fā)動機，機器自重35kg，限流后剩下30KW——在這種情況下，誰更占據優(yōu)勢，還真不好說了。
最后一點，也是十分重要的一點，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，引導學生去了解發(fā)動機、研究發(fā)動機、探索發(fā)動機。因為加入了限流器，原廠的四聯節(jié)氣門就不能使用了，進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（多數的四缸機）或者基于進氣壓力（多數的單缸機）的標定數據幾乎完全失效——要知道，自己換了節(jié)氣門和進排氣歧管，同樣節(jié)氣門開度下，偏差可能會高達20%。在這種情況下，學生就需要去研究流體力學、需要去設計限流器、需要考慮進排氣的設計和加工、需要了解ECU是怎么判定噴油量和提前角的、需要學習發(fā)動機的控制技術和標定策略。很可惜的是，我們國內的從業(yè)者，包括很多企業(yè)、高校領導老師、以及學生，都被“整車廠不研究分總成”“原廠的東西就是最好的”“發(fā)動機是高科技”這種操蛋思想毒害太深，所以，當大家面對限流閥的時候，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進氣限制器為什么要安裝在節(jié)氣門之后
進氣限制器并不是FSAE的專利，很多比賽都有進氣限制或類似的規(guī)定，譬如說達喀爾拉力賽、WTCC、WRC等等。但是FSAE是唯一一個強制要求進氣限制器位于節(jié)氣門之后的項目，也是唯一一個不允許使用同等尺寸節(jié)氣門代替進氣限制器的項目，這是為什么呢？
進氣限制器位于節(jié)氣門后，可以說是防止作弊的一項技術手段。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)現的——因為這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進氣限制。這個的原因也很簡單——節(jié)氣門除了蝶閥，可還有個結構叫做怠速旁通啊！倘若你用一個20mm的節(jié)氣門，卻做了一個巨大的怠速旁通，而這個旁通還是可調的，這下算不算違規(guī)？這不就說不清了么？當然，SAE也可能是考慮到應該讓學生學習一下怎么設計和加工這種文丘里管、不要直接拿來主義。
歸根結底，FSAE對安全、對教育意義的要求遠高于其他賽事，這也是FSAE和一般汽車運動的本質區(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，使進氣流暢。諧振進氣系統(tǒng)通過在進氣道上增加諧振腔，調整發(fā)動機的固有頻率，使得發(fā)動機在一定轉速范圍內獲得更大的進氣量，以達到改善發(fā)動機效率的目的。進氣道的設計要求最大限度的提高進氣量，保證發(fā)動機的進氣需求，提高進氣效率。采用CFD軟件FLUENT對進氣系統(tǒng)中影響較大的諧振腔進行仿真分析，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軟件是個工程運用的CFD軟件，針對每一種流動的物理問題的特點，采用適合于它的數值解法在計算速度、穩(wěn)定性和精度方面達到最佳?？梢杂嬎懔鲌?、傳熱和化學反應。對二維流動模型，可以生成三角形和矩形網格；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格；結合具體計算，還可生成混合網格，其自適應功能，能對網格進行細分或粗化，或生成不連續(xù)網格、可變網格和滑動網格。FLUENT軟件在我國已經獲得較好的應用。通過了解湖南大學的FSAE設計我們得出如下結論：
1、通過對限流閥安裝在進氣系統(tǒng)不同位置對發(fā)動機的影響進行了理論分析，得出限流閥安裝在節(jié)氣門閥體和噴油嘴之間時，發(fā)動機的動力性最好。
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氣死角，同時進氣流速降低較少，進氣溫度變化不大，改善發(fā)動機的進氣。通過整車試驗證明改進后的進氣系統(tǒng)在動力性、排放性以及噪音方面有非常大的改善。
§3.6 進排氣歧管的設計
進排氣歧管的設計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氣技術，由于條件有限，本次設計不做可變設計的考慮。
90年代中期以后，可變進氣歧管技術在汽上越來越流行。這種技術能提高發(fā)動機在中低轉速時的扭力輸出，對燃油經濟性和高轉速動力沒有壞的影響，因而能改善發(fā)動機的適應性。通常的固定式進氣歧管，只能按照發(fā)動機的具體要求，或者按照高轉速和低轉速時的要求進行最優(yōu)化的幾何設計，或者采用折中的辦法，但是無論那種設計，都不能兼顧到不同轉速時的需求。可變進氣歧管技術則可以分兩段或更多的級數來適應不同的發(fā)動機轉速。
與可變配氣技術相比，可變進氣歧管技術成本更低——它只需要一些簡單的電磁閥和進氣管形狀的設計就能夠實現；而可變配氣技術則需要復雜而精確的液壓系統(tǒng)進行驅動，如果改變氣門行程，還需要一些特制的凸輪軸。
目前，有兩種可變進氣歧管技術：可變進氣歧管長度和可變進氣共振，他們都是通過進氣歧管的幾何設計實現的。下面我們就分別討論一下這兩種技術。
1、可變進氣歧管長度
可變進氣歧管長度是一種廣泛應用于普通民用車的技術，進氣歧管長度大部分被設計成分兩段可調——長的進氣歧管在低轉速時使用，短的進氣歧管在高轉速時使用。為何在高轉速時要設計為短進氣歧管？因為它能使得進氣更順暢，這一點應該很容易理解；但是為什么在低轉速時需要長進氣歧管呢，它不會增加進氣阻力嗎？因為發(fā)動機低轉速時發(fā)動機進氣的頻率也是低的，長的進氣歧管能聚集更多的空氣，因而非常適合與低轉速時發(fā)動機的進氣需求相匹配，從而可以改善扭矩的輸出。另外，長進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，也可以產生更大的扭矩輸出。車
為了更好的適應不同轉速的進氣需求，有一些系統(tǒng)采用了分三段可變進氣歧管長度的設計，例如的V8發(fā)動機。每列氣缸都有分三段可調的進氣歧管，一共有24個進氣歧管。事實上，奧迪并沒有把進氣歧管分開，它在中央轉子周圍布置了回旋的進氣歧管，轉子轉到不同的位置就能獲得不同的進氣歧管長度。整個系統(tǒng)布置在V型發(fā)動機的V型夾角內側。
2、可變進氣共振
Boxer發(fā)動機和V-type發(fā)動機（非直列發(fā)動機）采用的是通過進氣共振來提高發(fā)動機中高轉速的動力。每個氣缸都共享著同一個諧振室，他們兩個互相連接，其中一個進氣管能在ECU的控制下，通過閥門打開和關閉。這個閥門開關頻率與各個氣缸之間的進氣頻率（進氣頻率實際上又取決于發(fā)動機的轉速）相關。這樣，在氣缸與氣缸之間就形成了一種壓力波。如果進氣頻率與壓力波轉速相對稱，根據共振的原理，空氣就會因為強烈的共振而被強力地推進氣缸，從而改善了進氣效率。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氣管控制，在低轉速時關閉其中一組，這樣壓力波的頻率減小，與相對較低的進氣頻率剛好吻合，從而可以提高中低轉速的扭力輸出；相反，在高轉速時，閥門打開，這樣壓力波的頻率增大，與較高的進氣頻率吻合，從而可以改善高轉速時的進氣效率。
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。類似于可變進氣歧管技術，可變排氣回壓技術只不過是針對排氣設計的。普通運動車型上的排氣管從單個氣缸收集到排氣以后匯集到排氣總管，形成一個新的排氣脈沖。這種排氣脈沖被利用在對于進氣的增壓上，這種增壓被稱作反向增壓。
反向增壓只會在發(fā)動機處于某一轉速的時候，才有最好的工作狀態(tài)，排氣管的長度決定了它的適用轉速范圍。短的排氣管適合在低轉速時增壓，長的則反之。對于排氣管的長度是固定的發(fā)動機，只能將其設計成最適合一個相對折中的轉速。可變排氣管長度技術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，因此它能同時滿足高轉速和低轉速時的功率輸出。此外，它還能降低噪音，要知道，排氣噪音與轉速也有關。
優(yōu)點：優(yōu)化高低轉速時的功率輸出，減小低轉速時的排氣噪音
進排氣其歧管的設計要考慮到四個缸進排氣時間的不同而引起的掙氣現象，通過觀察上屆FSAE賽車的進氣歧管設計，本次設計把進排氣歧管都設計成了4個獨立的接口，最后在歸總到一根進氣管和一根排氣管。有效的解決了進排氣的掙氣現象，提高發(fā)動機的進氣效率和經濟性、動力性。
圖3-2 進氣歧管
§3.7 進排氣最終方案
§3.7.1 進排氣系統(tǒng)UG圖
綜合以上考慮選擇方案3，先使用UG畫出進排氣系統(tǒng)的三維立體圖，再通過“制圖”命令重生成進氣系統(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：
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