畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）_FSAE賽車排氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析

1、目 錄摘 要1ABSTRACT20 引言41 緒論41.1 大學(xué)生方程式汽車大賽簡(jiǎn)介41.2 FSAE賽車排氣系統(tǒng)與民用車性能取向比較61.3 賽事規(guī)則的限制72 排氣系統(tǒng)基本原理82.1 排氣系統(tǒng)在發(fā)動(dòng)機(jī)中的基本作用82.2 排氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)基本理論82.2.1 壓力波在管道中傳播特性和氣柱諧振效應(yīng)概述9諧振效應(yīng)在排氣歧管設(shè)計(jì)中的運(yùn)用92.2.3 消聲器設(shè)計(jì)原理123 排氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案分析123.1 4出2布置123.2 4出2出1布置133.3 4出1布置143.4 布置方案選擇154 排氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)154.1 排氣歧管設(shè)計(jì)154.1.1 基本參數(shù)計(jì)算154.1.3 集合器位置選擇184.1.4

2、 排氣歧管管路管路排布方案選擇204.2 排氣歧管工藝分析及制造過(guò)程分析264.2.1 歧管工藝與材料264.2.2 歧管制造過(guò)程分析304.3 集合器設(shè)計(jì)與工藝分析344.4 消聲器設(shè)計(jì)355 用FLUENT有限元分析軟件分析排氣管38流體力學(xué)與CFD分析簡(jiǎn)介與流體性質(zhì)簡(jiǎn)介38網(wǎng)格劃分與邊界條件設(shè)置395.3 排氣氣流云圖分析416 改進(jìn)方案436.1 設(shè)計(jì)方案缺陷分析436.2 改進(jìn)方案447 總結(jié)和建議457.1 總結(jié)457.2 建議46參考文獻(xiàn)48譯文49原文說(shuō)明58摘 要本論文以2011第二屆FSAE中國(guó)大學(xué)生方程式汽車大賽為設(shè)計(jì)背景，設(shè)計(jì)并且制造一輛方程式賽車的排氣系統(tǒng)。整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)

3、程在滿足大賽規(guī)則的基礎(chǔ)上，降低排氣系統(tǒng)重量、提高排氣效率和發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力表現(xiàn)、工藝性能滿足制造要求。本文主要工作是完成了賽車排氣系統(tǒng)的參數(shù)的設(shè)計(jì)計(jì)算，排氣系統(tǒng)的性能分析和排氣管的加工制作。（1）根據(jù)排氣管設(shè)計(jì)的要求，選擇排氣管的設(shè)計(jì)思路，完成排氣管關(guān)鍵參數(shù)的計(jì)算和排氣管的布置方案；（2） 使用CATIA軟件完成排氣系統(tǒng)的三維建模，并導(dǎo)入有限元分析軟件Fluent進(jìn)行排氣性能分析。分析結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的排氣系統(tǒng)能夠滿足FSAE賽車的要求；（3）根據(jù)所設(shè)計(jì)的排氣管參數(shù)，輸出工程圖紙，完成了排氣管的加工制作，并根據(jù)加工制作存在的問(wèn)題，提出了排氣管設(shè)計(jì)的進(jìn)一步意見(jiàn)。本課題的研究和制造為今后FSAE賽車排氣

4、系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與制造提供參考，總結(jié)了設(shè)計(jì)與制造過(guò)程匯總的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)。具有一定的工程價(jià)值。關(guān)鍵詞：排氣系統(tǒng)，諧振效應(yīng)，消聲器，彎管Exhaust system Design of FSAE carABSTRACTBased on the 2011 Formula SAE-China, the second college student formula car competition in China,this pare was to design and manufacture a exhaust system for Formula racing car. The designed exhaus

5、t system should fulfill the requirement of low mass, higher power performance and easy fabrication, on the basis of FSAE rules.The main task for this paper is to design and analysis of exhaust system for FSAE car. （1）Based on the characteristics of exhaust system, design theory was selected, then th

6、e main parameter of exhaust system were determined, and also the arrangement of exhaust pipes.(2) The CATIA software was used to establish the 3-D model.The model was imported into Fluent software to analysis the performance of desigened exhaust system. Results showed that the desighed exhaust head

7、can meet the requirement of FSAE car.(3)The exhaust system was fabricated according to the design.The future improvement of fabrication was proposed improve the performance of exhaust system. This paper is both summery of design and fabrication of exhaust system for FSAE car, which can provide usefu

8、l reference of the design of exhaust system for teams in China. Key Words: Exhaust system, Muffler , Resonance effect, bendFSAE賽車排氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析張勰嵩 0531072100 引言眾所周知，要設(shè)計(jì)制造一輛完整的汽車是一個(gè)很復(fù)雜的過(guò)程，特別是對(duì)一群大學(xué)生而言，因此大學(xué)生方程式大賽將使車隊(duì)成員們付出巨大的心血。它將挑戰(zhàn)本科生、研究生團(tuán)隊(duì)構(gòu)思、設(shè)計(jì)、制造小型具有高性能的方程式賽車的能力。通常一個(gè)車隊(duì)需要用8至12個(gè)月的時(shí)間設(shè)計(jì)、制造、測(cè)試和準(zhǔn)備賽車。正如F1一樣，F(xiàn)SAE

9、并非一項(xiàng)單純的體育運(yùn)動(dòng)，而是汽車制造業(yè)中的科技創(chuàng)新大賽，至今還沒(méi)有一項(xiàng)運(yùn)動(dòng)具有如此多的高科技?？梢赃@樣說(shuō)，汽車的形成與發(fā)展引發(fā)了汽車運(yùn)動(dòng)，而汽車運(yùn)動(dòng)引發(fā)高科技的不斷突破，從而帶動(dòng)了整個(gè)汽車工業(yè)的發(fā)展。而本文正是結(jié)合車隊(duì)的實(shí)際工作，幫助車隊(duì)完成一套完整的賽車的排氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并且解決其中排氣管制造工藝以及性能評(píng)價(jià)等問(wèn)題。1 緒論1.1 大學(xué)生方程式汽車大賽簡(jiǎn)介大學(xué)生方程式賽車(Formula SAE)在國(guó)際上被視為“學(xué)界的F1方程式賽車”。該賽事是一項(xiàng)車輛性能設(shè)計(jì)方面的比賽而不是一項(xiàng)競(jìng)技比賽。本賽事也是一場(chǎng)“工程教育式的體驗(yàn)”。 作為美國(guó)汽車工程師協(xié)會(huì)于1979年創(chuàng)辦的賽事，F(xiàn)SAE已經(jīng)有二十多年

10、的歷史了，目前舉辦賽事的國(guó)家除美、英、德、意、澳及巴西，日本也于幾年前加入推廣這項(xiàng)比賽，借以培養(yǎng)及訓(xùn)練車輛工程研發(fā)設(shè)計(jì)人才，然而該項(xiàng)賽事在中國(guó)起步比較晚，我校RISE 方程式車隊(duì)參加了2010年第一界中國(guó)FSAE大賽，雖然成績(jī)一般，然而學(xué)生的工程能力得到了極大地鍛煉。圖1.1 FSAE比賽正如上海設(shè)立F1賽事一樣，F(xiàn)SAE賽事在各高校間開(kāi)展對(duì)于中國(guó)賽車而言也是一件令人欣喜的事。這不僅能夠提供大學(xué)生們親自參與設(shè)計(jì)制造的機(jī)會(huì)，更值得高興是，與其它院校的學(xué)生能夠增進(jìn)交流，并更深入地接觸社會(huì)，同時(shí)也能通過(guò)FSAE賽車來(lái)展示我校，展示汽車學(xué)院，這無(wú)疑是一件雙贏的事。 FSAE賽車排氣系統(tǒng)與民用車性能取向

11、比較FSAE賽車或者說(shuō)大多數(shù)高性能賽車的排氣管系統(tǒng)和民用車排氣管在性能取向上來(lái)說(shuō)是非常不一樣的。排氣管最基本的作用就是引導(dǎo)發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣，隔絕排氣高溫。民用車為了控制成本，往往使用易于大量生產(chǎn)的工藝和材料制造，而且在設(shè)計(jì)的時(shí)候往往也是為了能夠盡量減少成本，沒(méi)有在排氣系統(tǒng)如何優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)表現(xiàn)上面多下功夫。而賽車排氣管則是相反，由于賽車產(chǎn)量少，追求高性能表現(xiàn)，對(duì)成本控制要求低。所以往往用不易于量產(chǎn)的工藝和材料。圖1.2 賽車排氣歧管而在設(shè)計(jì)上差別更是巨大，由于可以使用比較費(fèi)時(shí)費(fèi)力的工藝，在排氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)上受到的束縛很小，可以做更多有利發(fā)動(dòng)機(jī)性能的設(shè)計(jì)。而更重要的賽車的設(shè)計(jì)完全是為了競(jìng)速，所以在總布置上面

12、就給排氣系統(tǒng)留下足夠的空間，這樣排氣系統(tǒng)就可以使用一些在民用車上做不了的設(shè)計(jì)。比如利用氣體的震動(dòng)和慣性讓排氣系統(tǒng)在排氣門(mén)附近的壓力降低，這樣排氣更加順暢，提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的充量系數(shù)。從而獲得更大的功率和扭矩。具體的就是優(yōu)化設(shè)計(jì)排氣歧管，讓排氣初段互相獨(dú)立，各不干擾，且排氣順暢，計(jì)算好合適的排氣歧管初段長(zhǎng)度，保證每個(gè)汽缸的排氣歧管長(zhǎng)度等長(zhǎng)，最后又要讓各缸排氣歧管相會(huì)一處排出廢氣。排氣系統(tǒng)另外一個(gè)重要功能就是降低發(fā)動(dòng)機(jī)排氣噪聲，在這點(diǎn)上賽車雖然降噪要求比較低，然而FSAE并不是專業(yè)的競(jìng)速賽事，考慮到賽事的安全性等，也有一定的噪音要求。1.3 賽事規(guī)則的限制規(guī)則中對(duì)于賽車的排氣系統(tǒng)做了如下要求：1）賽車

13、排氣系統(tǒng)上必須安裝消音器，用以使噪音達(dá)到允許程度。2）尾氣出口必須要合理布置。使賽以任何速度行駛時(shí)，車手都不會(huì)遭受尾氣污染。排氣口不得處于后軸中心線后60cm(23.6 in)之后的位置，離地距離不得高于60cm( in)。3）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，以防車手或其它人員燙傷。4）噪音等級(jí)上限為110 dB。需要說(shuō)明的是FSAE比賽的規(guī)則不是死扣文字的，而是給比賽裁判和各個(gè)車隊(duì)一個(gè)基本的技術(shù)規(guī)范，在比賽場(chǎng)地車間的時(shí)候只要裁判認(rèn)為某部車的設(shè)計(jì)不合理，會(huì)影響到車手的安全問(wèn)題，就會(huì)被判定不符合規(guī)則，所以根據(jù)成熟車隊(duì)的經(jīng)驗(yàn)在至少保證符合上述規(guī)則之外根據(jù)

14、規(guī)則精神至少還要加上這樣幾個(gè)要求：5）排氣管和車手以及油箱等要有一定距離，即便有隔熱設(shè)備在，如果靠的太近也是會(huì)讓裁判覺(jué)得很不安全。6）排氣系統(tǒng)要合理固定在車架上不能有用不牢靠的固定方式。2 排氣系統(tǒng)基本原理2.1 排氣系統(tǒng)在發(fā)動(dòng)機(jī)中的基本作用排氣系統(tǒng)最基本的功能就是引導(dǎo)發(fā)動(dòng)機(jī)做功產(chǎn)生的廢氣派出車外，由于排氣對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)換氣的影響和排氣噪聲的存在。排氣系統(tǒng)在設(shè)計(jì)的最大目標(biāo)就是優(yōu)化排氣過(guò)程提高發(fā)動(dòng)機(jī)換氣效率以及減少排氣噪音。2.2 排氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)基本理論凡用空氣燃燒燃料的發(fā)動(dòng)機(jī)，它所能發(fā)出的功率，歸根到底，受限與空氣的進(jìn)入，空氣與燃料的化合以及廢棄派出的速率。持續(xù)輸出高額持續(xù)功率的關(guān)鍵在于易于換氣。當(dāng)然

15、，在發(fā)動(dòng)機(jī)中還必須有效利用空氣，否則混合氣質(zhì)量不高也是得不到高功率的。不過(guò)本文目前只考慮換氣過(guò)程中的排氣部分，混合氣的形成過(guò)程不再討論范圍。往復(fù)式內(nèi)燃機(jī)，也就是最常用的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)與吸進(jìn)穩(wěn)定氣流并持續(xù)燃燒燃料的旋轉(zhuǎn)式發(fā)動(dòng)機(jī)（如燃?xì)廨啓C(jī)）相比，往復(fù)式發(fā)動(dòng)機(jī)本質(zhì)上是一種工作過(guò)程斷續(xù)的發(fā)動(dòng)機(jī)。每個(gè)氣缸吸一口空氣，并使燃料在其中燃燒，然后排出燃燒產(chǎn)物，再吸一口空氣。因而，流進(jìn)和流出發(fā)動(dòng)機(jī)的氣流是脈動(dòng)的。這個(gè)特點(diǎn)帶來(lái)了許多特殊問(wèn)題。由于脈動(dòng)帶有能量，所以如能了解它和仔細(xì)分析它，就能利用這部分能量減少維持充量流動(dòng)所需要的功；反之，如果對(duì)它缺乏了解，脈動(dòng)能量就會(huì)阻擾充量流動(dòng)，降低了發(fā)動(dòng)機(jī)的功率和效率。另外這種

16、脈動(dòng)也是排氣噪聲的主要原因，排氣噪聲的本質(zhì)是排氣出口處的氣壓壓力變化，這種變化以聲波方式在大氣中傳播就變成了聲波。利用排氣氣體的這種脈動(dòng)特性合理設(shè)計(jì)消聲元件是降低排氣噪聲的主要方法。 壓力波在管道中傳播特性和氣柱諧振效應(yīng)概述根據(jù)壓力波在管道中傳播的理論：當(dāng)正壓波經(jīng)過(guò)一開(kāi)口端，會(huì)反射一個(gè)負(fù)壓波；當(dāng)它經(jīng)過(guò)一個(gè)閉口端，會(huì)反射一個(gè)正壓波。當(dāng)負(fù)壓波經(jīng)過(guò)一個(gè)開(kāi)口端，會(huì)反射一個(gè)正壓波；當(dāng)它經(jīng)過(guò)一個(gè)閉口端，會(huì)反射一個(gè)負(fù)壓波。這就是壓力波動(dòng)效應(yīng)。進(jìn)排氣動(dòng)態(tài)效應(yīng)的壓力波示意圖氣流在等截面管道中流動(dòng)時(shí)，可以把管道中氣體看成是一個(gè)具有一定質(zhì)量的氣柱，管道相當(dāng)于汽缸，而氣柱相當(dāng)于活塞。當(dāng)氣柱（活塞）往返運(yùn)動(dòng)時(shí)（諧振），

17、管道（汽缸）的體積就時(shí)而增大，時(shí)而變?。惑w積增大相當(dāng)于負(fù)壓波，體積減小相當(dāng)于正壓波。.2諧振效應(yīng)在排氣歧管設(shè)計(jì)中的運(yùn)用賽車排氣系統(tǒng)在設(shè)計(jì)上力求讓發(fā)動(dòng)機(jī)在功率和扭矩上達(dá)到最大值。原理上是這樣的在廢氣噴出排氣系統(tǒng)的時(shí)候, 廢氣由于慣性的關(guān)系在排氣歧管開(kāi)口端擴(kuò)散后會(huì)有一段真空低壓波向發(fā)動(dòng)機(jī)出口反射, 真空低氣壓波一直會(huì)反射到排氣氣門(mén)處。如果將時(shí)間控制在當(dāng)排氣過(guò)程接近完成, 進(jìn)氣氣門(mén)已打開(kāi)并開(kāi)始進(jìn)氣的時(shí)間, 也就是排氣氣門(mén)與進(jìn)氣氣門(mén)同時(shí)打開(kāi)的時(shí)候, 真空低氣壓帶就會(huì)因?yàn)檎婵瘴Φ年P(guān)系把燃燒室中的廢氣吸出排氣門(mén), 并將新鮮的混合氣吸入缸體, 這樣對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣效率和排氣效率有明顯提升。 假設(shè)一輛發(fā)動(dòng)機(jī)排

18、量為1000CC的摩托車, 那么在1000r/min舊的時(shí)候?qū)嶋H進(jìn)氣效率有70%就算不錯(cuò)的了。因?yàn)樵诟咿D(zhuǎn)速, 發(fā)動(dòng)機(jī)排氣門(mén)在極短時(shí)間內(nèi)是不可能完全排出廢氣的, 進(jìn)氣門(mén)也是不可能完全進(jìn)氣充分的。這樣來(lái)說(shuō)排氣的慣性低氣壓對(duì)于提高發(fā)動(dòng)機(jī)性能是十分重要的。四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)只有在活塞做功后的排氣沖程臨近結(jié)束時(shí)及進(jìn)氣沖程的剛開(kāi)始時(shí)會(huì)出現(xiàn)氣門(mén)同時(shí)開(kāi)啟。高轉(zhuǎn)速的發(fā)動(dòng)機(jī)因其轉(zhuǎn)速很高, 每次氣門(mén)同時(shí)開(kāi)啟的時(shí)間間隔比較短, 所以排氣管的歧管通常做得比較短, 可以讓真空低氣壓很短時(shí)間就反射回排氣門(mén)。低轉(zhuǎn)速發(fā)動(dòng)機(jī)因其轉(zhuǎn)速低,每次氣門(mén)同時(shí)開(kāi)啟的時(shí)間間隔比較長(zhǎng), 所以排氣管的歧管通常也做得比較長(zhǎng), 讓真空低氣壓波用比較長(zhǎng)的時(shí)間

19、才能回到排氣門(mén)處。在具體的工程設(shè)計(jì)中，為了讓多汽缸發(fā)動(dòng)機(jī)工作更加順暢所以個(gè)氣缸在相同的工作轉(zhuǎn)速一起利用諧振效應(yīng)，提高發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率?？梢杂袃煞N方法實(shí)現(xiàn)每個(gè)汽缸工作一致：第一種：讓排氣歧管的截面相同、長(zhǎng)度等長(zhǎng)，由于從歧管終端反射回的低壓波在歧管中的傳播速度和歧管的截面積，當(dāng)?shù)芈曇羲俣扔嘘P(guān)。只要使用相同的歧管管徑和長(zhǎng)度，那么每個(gè)歧管諧振效應(yīng)發(fā)生作用的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速是一樣的，就可以做到發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力輸出效果最佳。第二種：讓排氣管的截面和長(zhǎng)度不相等，如果排氣歧管的截面面積比較大，排氣阻力自然就會(huì)變小。這樣截面大的管做的短，截面小的管做的長(zhǎng)就可以讓每個(gè)歧管產(chǎn)生諧振效應(yīng)的工作轉(zhuǎn)速一樣。分析這兩種方法，第一種方法

20、制造工藝簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)和計(jì)算過(guò)程簡(jiǎn)單，然而缺點(diǎn)就是對(duì)布置空間的要求高。如果沒(méi)有足夠的空間讓歧管布置得當(dāng)長(zhǎng)度相同就會(huì)很難設(shè)計(jì)。第二種方法特點(diǎn)正好相反，由于需要長(zhǎng)短不一粗細(xì)不一樣的歧管，制造工藝復(fù)雜，設(shè)計(jì)和計(jì)算也不簡(jiǎn)單。最重要的就是管的直徑和氣體慣性有很大的聯(lián)系，如果每根歧管的截面積不同，在實(shí)際設(shè)計(jì)中很難保證良好的諧振效應(yīng)。所以在實(shí)際工程運(yùn)用中絕大多數(shù)的排氣歧管都是等截面等長(zhǎng)度設(shè)計(jì)的。影響排氣慣性的條件有以下幾種：（1）速度：保持排氣高速，也就能夠提高慣性及真空低氣壓帶。（2）密度：保持排氣的高密度，因?yàn)橄嗤俣认碌奈矬w密度高會(huì)產(chǎn)生比較大的慣性。(3）流暢：保持排氣流暢性；因?yàn)椴涣鲿尘蜁?huì)降低速度。(4

21、）排氣管內(nèi)壁的光滑程度：內(nèi)部的光滑可以減少排氣阻力。(5) 溫度：保持排氣管內(nèi)排氣的高溫才能保持排氣的速度。(6）排氣管內(nèi)徑：過(guò)粗的內(nèi)徑會(huì)讓排氣有更多的空間而減小排氣的密度，過(guò)細(xì)的內(nèi)徑會(huì)因?yàn)樗芡ㄟ^(guò)的排氣太少而減小排氣的速度。排氣時(shí)間的長(zhǎng)短是根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速而改變的，所以排氣管需要根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際情況來(lái)尋找一個(gè)粗細(xì)合適的內(nèi)徑，從而和發(fā)動(dòng)機(jī)完美曲配。 消聲器設(shè)計(jì)原理消聲器的形式很多，但所根據(jù)的基本原理實(shí)際上只有很少的幾種。主要分兩大類，一類為吸收式消聲器，即聲能在管中的傳遞因?yàn)楸还艿乐杏眠m當(dāng)?shù)牟牧献龀蓛?nèi)襯吸收一部分而減弱了；另一類為濾波是消聲器，即通過(guò)管子形狀的局部變化，影響管子中的氣體波動(dòng)，即把

22、輸入的壓力波的組成成分改變后再傳向排氣出口。實(shí)際設(shè)計(jì)中往往復(fù)合這兩種方法來(lái)設(shè)計(jì)消聲器3排氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案分析上海工程大學(xué)2011參賽車輛選用了本田CBR600 F4i摩托車搭載的發(fā)動(dòng)機(jī)，這臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)為四缸發(fā)動(dòng)機(jī)。而發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣在流過(guò)排氣歧管后要聚攏在一起通過(guò)消聲器來(lái)降噪這時(shí)便有了幾種排氣擴(kuò)散及負(fù)壓形成方式。3.1 4出2布置如圖3.1，這種布置的優(yōu)點(diǎn)便是排氣管設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，然而缺點(diǎn)也是非常大的，就是這種設(shè)計(jì)負(fù)壓產(chǎn)生的不夠，由于排氣歧管長(zhǎng)度確定，而且利用排氣慣性一定要讓氣體擴(kuò)散，也就是說(shuō)要讓排氣管歧管的終端體積變大，最好的方法當(dāng)然是直接就在歧管結(jié)束的地方吧廢氣排到大氣中，然而由于比賽規(guī)定了賽車噪音不得超過(guò)

23、110 dB，根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，排量為600CC的發(fā)動(dòng)機(jī)不裝消音器是不可能吧噪音降低在這個(gè)要求之下的，也就是說(shuō)只能靠在消音器之前排氣歧管結(jié)束的地方實(shí)現(xiàn)，而如圖3.1可以看出這種方法由于兩根管在末端合并不能提供足夠的空間給廢氣擴(kuò)散產(chǎn)生足夠的負(fù)壓。而且需要購(gòu)買兩個(gè)消音器?？傮w來(lái)看這個(gè)方案是不值得考慮的。圖3.1 4出2布置排氣3.2 4出2出1布置如圖3.2，這種布置方案因?yàn)闀?huì)產(chǎn)生兩次真空低壓，從汽缸出來(lái)的壓縮波在每個(gè)接頭處進(jìn)行膨脹，并在管子開(kāi)口端做最后膨脹之前想排氣口返回兩個(gè)稀疏波。在中等轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，這樣適時(shí)稀疏波會(huì)兼顧中段和尾段發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)排氣門(mén)處的低壓，顯著的有利于充量系數(shù)的提高和獲得良好的

24、扭矩特性，在高速下，第二次減壓來(lái)的太晚，所以產(chǎn)生的負(fù)壓不夠強(qiáng)烈。在制造方面，由于需要三個(gè)2出1集合器，制造量較大。圖3.2 4出2出1布置排氣3.3 4出1布置如圖3.3，這種4出1排氣管只有一次產(chǎn)生負(fù)壓，然而由于集合器（4 into 1 collector ）可以做的足夠大而且四根歧管在一個(gè)空腔內(nèi)產(chǎn)生負(fù)壓，這樣就能得到一個(gè)大而快的稀疏波，所以負(fù)壓很強(qiáng)。但是中等轉(zhuǎn)速下第二次減壓的好處就消失了，特別在氣門(mén)重疊期間。所以必須在良好的扭矩特性或最大功率之間做出選擇。由于集合器在排氣系統(tǒng)中比較常見(jiàn)所以在市面上比較容易買到合適的集合器。圖3.3 4出1布置排氣3.4 布置方案選擇綜合比較第二第三種方案，

25、雖然4出2出1的在整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)表現(xiàn)更好，但是考慮到賽車發(fā)動(dòng)機(jī)的高轉(zhuǎn)速特性和在比賽中賽車處于極限狀態(tài)的情況較多，所以4出1比較合適。而且從制造工藝上來(lái)說(shuō)4出1比較容易實(shí)現(xiàn)。所以選擇了4出1方案。4 排氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)4.1 排氣歧管設(shè)計(jì)4. 基本參數(shù)計(jì)算排氣管設(shè)計(jì)最基本的參數(shù)就是排氣歧管的長(zhǎng)度和管內(nèi)徑和彎曲中心線半徑。計(jì)算公式如下： （4.1）P 排氣歧管長(zhǎng)度，inh；ED 180°+排氣氣門(mén)早于排氣行程下止點(diǎn)開(kāi)啟曲軸轉(zhuǎn)角，度；RPM 發(fā)動(dòng)機(jī)目標(biāo)優(yōu)化轉(zhuǎn)速，rad/min； （4.2）P 排氣歧管長(zhǎng)度，in；CC 發(fā)動(dòng)機(jī)排量，；P 排氣歧管長(zhǎng)度，in；ID 排氣歧管內(nèi)徑，in；根據(jù)上面

26、公式計(jì)算結(jié)果為：；計(jì)算曲率半徑R的目的是要知道彎曲對(duì)流體的影響如何在工藝和性能之間做好平衡。流體在彎管中流動(dòng)的能量損失主要由三部分組成，一部分是由切應(yīng)力產(chǎn)生的沿程損失，特別是流動(dòng)方向改變、流速分布變化中產(chǎn)生的這種損失；另一部分是形成漩渦所產(chǎn)生的損失；第三部分是由二次流形成的雙螺旋流動(dòng)所產(chǎn)生大的損失。發(fā)動(dòng)機(jī)排氣過(guò)程中彎管處的流動(dòng)主要由前兩部分組成。氣流在彎管內(nèi)流動(dòng)時(shí)，由于離心力的作用，使得彎管內(nèi)側(cè)流速大，壓力小(如圖)外側(cè)流速小，壓力大，顯然在彎管內(nèi)側(cè)加速段AO內(nèi)不存在邊界層分離現(xiàn)象，而在擴(kuò)壓段OB中S點(diǎn)開(kāi)始產(chǎn)生邊界分離現(xiàn)象，形成渦流區(qū)，造成局部流動(dòng)損失增大。根據(jù)牛頓第二定律和伯努力方程可得彎曲

27、管道中流線上質(zhì)點(diǎn)的速度V和曲率半徑R的關(guān)系如下：V=CR （4.3 ）式中： C 沿徑向的積分常數(shù)。圖4.1 彎道內(nèi)的氣流運(yùn)動(dòng)示意圖由此可見(jiàn)，在彎曲流線主法線方向上，速度隨距曲率中心的距離減少而增加，所以在彎曲管道中，內(nèi)側(cè)速度高，外側(cè)速度低，垂直軸線方向的截面上速度分布梯度較大，能量損失增大，截面的有效利用率低。因排氣氣管彎曲而引起的壓力損失如公式(4.8)所述：p=v22 （4.4 ）式中： 氣體密度kgm3； v 氣體流速ms可以看出增大曲率半徑R可以減少因排氣管彎曲造成的壓力損失。然而在實(shí)際設(shè)計(jì)中為了考慮到工藝和空間布置，只能在可能的情況下盡量選擇曲率半徑大的彎管。4. 排氣歧管與發(fā)動(dòng)機(jī)

28、缸蓋接口設(shè)計(jì)發(fā)動(dòng)機(jī)位置確定后，因?yàn)榕艢馄绻芘c發(fā)動(dòng)機(jī)的接口位置為汽缸蓋，在汽缸蓋上已經(jīng)加工好接口，所以當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)布置確定后歧管與發(fā)動(dòng)機(jī)接口已經(jīng)確定了，如圖4.2。圖4.2 排氣歧管與發(fā)動(dòng)機(jī)安裝位置排氣歧管和發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋是通過(guò)法蘭與螺栓連接，并且用墊圈密封。如圖。歧管穿過(guò)中間大孔并且用凸臺(tái)固定，傍邊是螺栓固定孔。而凸臺(tái)是車床加工出不銹鋼套筒，然后焊接在歧管頭部。圖 排氣法蘭圖 排氣歧管接頭和法蘭4.1.3 集合器位置選擇然后根據(jù)整車的布置選擇一個(gè)合適的集合器的位置，并且以這個(gè)位置和歧管和發(fā)動(dòng)機(jī)連接處做歧管的末端和開(kāi)端。整個(gè)排氣歧管的設(shè)計(jì)就是以這兩個(gè)位置為基準(zhǔn)的。首先就要確定從空間布置上來(lái)說(shuō)集合器的位置

29、選擇。從側(cè)面看為了留給座椅油箱空間，集合器的位置只能在主環(huán)平面之后如圖。圖4.5 集合器位置側(cè)面從正面來(lái)看為了保證不與發(fā)動(dòng)機(jī)支架和機(jī)油濾清干涉，集合器的位置應(yīng)該放在發(fā)動(dòng)機(jī)支架和發(fā)動(dòng)機(jī)連接點(diǎn)與機(jī)油濾清之間，如圖。圖4.6 集合器位置正面然后根據(jù)以上兩個(gè)大致位置和排氣歧管要求的長(zhǎng)度進(jìn)行布置，由于從正面看最右側(cè)的排氣管需要避開(kāi)機(jī)濾和發(fā)動(dòng)機(jī)支架，而且離集合器最遠(yuǎn)，設(shè)計(jì)的時(shí)候?yàn)榱艘屗母艢夤艿乳L(zhǎng)，讓它走直線。這樣一來(lái)這根排氣管的形狀是固定的，只要集合器位置確這根排氣管的長(zhǎng)度就是確定的。而排氣歧管要求長(zhǎng)度為，再設(shè)計(jì)中就是不斷嘗試集合器的位置，來(lái)符合這個(gè)要求。直到最后確定位置如圖。圖4.7 確定集合器位置

30、4.1.4 排氣歧管管路管路排布方案選擇當(dāng)集合器的位置確定下來(lái)后就是要建立歧管的模型，然而排氣歧管管路的排布有很多種方法，而且根據(jù)前文描述的的方法，集合器位置不是唯一的，可以找到多個(gè)符合要求的位置，這時(shí)候就要從工藝和性能綜合分析在這些不同位置和不同的歧管管路排布方法組合下產(chǎn)生的多種方案。淘汰明顯不符合要求的方案，減少有限元分析的工作量。為了讓描述更加精確，現(xiàn)規(guī)定每缸排氣歧管的編號(hào)從賽車正面看，從右到坐分別為1、2、3、4管如圖。圖4.8 排氣歧管編號(hào)然后就是在集合器上的排氣管布置，一個(gè)叫成功的布置列子如圖。它的排氣歧管和集合器的排布方式如圖，它的排布方式見(jiàn)圖。圖4.9 排氣歧管圖4.10 排氣

31、歧管管口現(xiàn)在就分析一下每種排布方式的利弊和優(yōu)點(diǎn)。第一種如圖：圖4.11 排氣歧管管口（a）這種排布方式的確定就是3、4管需要避開(kāi)1、2管。所以會(huì)有比較多的彎折。然而它可以避免由于3、4管廢氣出口帶靠近廢氣進(jìn)口、導(dǎo)致彎管的中心線半徑太小，在市場(chǎng)上沒(méi)不到如此規(guī)格的預(yù)彎管。這個(gè)布置的三維模型如圖。圖4.12 排氣歧管正面（a）圖4.13 排氣歧管側(cè)面（a）第二種方案如圖：圖4.14 排氣歧管管口（b）這種排布方式的優(yōu)點(diǎn)就是四缸的排氣歧管彎曲都比較少，排氣流暢，然而3號(hào)管由于廢氣入口與出口太近需要彎曲中心線半徑很小的預(yù)彎管，在市場(chǎng)上較難尋找。它的三維圖如圖。圖4.15 排氣歧管正面（b）圖4.16 排

32、氣歧管側(cè)面面（b）第三種方案如圖：圖排氣歧管管口布置（c）這種排布方式不是很理想最主要的原因就是4號(hào)管特別彎曲，制造難度大。三維模型如圖4.18。圖 排氣歧管（c）由于如果把1、2號(hào)管布置在集合器遠(yuǎn)離發(fā)動(dòng)機(jī)一側(cè)，顯然3、4管很難布置因?yàn)楹苋菀装l(fā)生干涉。所以這種布置方案沒(méi)有嘗試去做。 從上述分析可以的是第一和第二種方案比較優(yōu)秀，在實(shí)際的工程運(yùn)用中由于市場(chǎng)上找不到合適第二種方案的預(yù)彎管。所以選擇了第一種方案。4.2 排氣歧管工藝分析及制造過(guò)程分析4. 歧管工藝與材料傳統(tǒng)的排氣系統(tǒng)工藝為鑄鐵或者球墨鑄鐵鑄造而成（圖4.19），這種工藝的優(yōu)點(diǎn)就是使用模具成產(chǎn)，大批量生產(chǎn)成本低，效率高。它的缺點(diǎn)也很，大

33、就是排氣管內(nèi)壁粗糙、重量大、小批量生產(chǎn)不方便。圖4.19 鑄造排氣管賽車排氣管多用金屬管彎曲成形、焊接工藝制造。這種工藝的特點(diǎn)便是排氣管重量輕，不利于大量制造，但是小批量生產(chǎn)容易。正好符合了FSAE賽車對(duì)排氣系統(tǒng)的要求。排氣歧管使用金屬管彎曲成形和焊接工藝的關(guān)鍵就是彎曲質(zhì)量的問(wèn)題。在工程實(shí)踐中, 對(duì)薄壁鋼管進(jìn)行彎曲時(shí)極易造成彎曲成型的嚴(yán)重變形內(nèi)側(cè)顯著起皺, 外側(cè)沿彎曲中心明顯壓扁, 其截面形狀由彎曲前的圓形變成彎曲后的扁平形, 并且截面積也顯著收縮,如圖。這既會(huì)影響使用質(zhì)量, 又嚴(yán)重影響外觀質(zhì)量, 而用于賽車排氣管的彎管, 管件的等截面積是首位的,如果產(chǎn)生了截面積顯著收縮, 就嚴(yán)重影響了使用的

34、性能。圖4.20 彎管變形鋼管彎曲成型時(shí), 其外側(cè)受拉應(yīng)力作用而產(chǎn)生彈、塑性變形伸長(zhǎng), 由于彎曲的薄壁鋼管相對(duì)拉伸量較大, 而管件往往剛性較差, 導(dǎo)致材料在還沒(méi)有充分完成切向塑性延伸時(shí)產(chǎn)生徑向剪切屈服, 即, 造成法向塑性位錯(cuò)( 變形) 而呈現(xiàn)宏觀“坍塌”, 即產(chǎn)生壓扁現(xiàn)象。內(nèi)側(cè)受壓應(yīng)力作用而產(chǎn)生塑性壓縮, 同樣, 因壓縮量較大及管件剛性不足,材料首先產(chǎn)生材料首先產(chǎn)生彈性失穩(wěn), 在外力N作用下沿彎曲圓周方向呈波紋狀, 造成管件局部區(qū)域承受剪切應(yīng)力的作用, 隨著P 力的增加,材料產(chǎn)生剪切屈服, 即 , 從而產(chǎn)生向管內(nèi)起皺的現(xiàn)象。這就產(chǎn)生了截面積的收縮。針對(duì)產(chǎn)生彎曲截面積收縮的原因, 采取下列工藝

35、方法予以解決:(1) 彎曲成型時(shí), 在彎曲拉伸邊設(shè)置輔助支承芯棒2,如圖4.21 所示, 以平衡剪應(yīng)力, 消除剪切屈服, 避免法向塑性位錯(cuò)( 彎形) , 從而解決壓扁問(wèn)題。(2)在彎曲成型力P1 作用的同時(shí), 管件軸向施以拉伸力P2和防皺支承3, 由此產(chǎn)生的拉應(yīng)力應(yīng)不小于由于彎曲成型產(chǎn)生的彎曲壓縮區(qū)的壓應(yīng)力, 以平衡壓應(yīng)力, 消除彈性失穩(wěn), 避免管件波折, 從而解決起皺問(wèn)題。解決了這兩個(gè)問(wèn)題, 管件的截面積收縮就基本上得到了解決, 本例的關(guān)鍵問(wèn)題也就基本解決。圖4.21 彎管模具 運(yùn)用這種芯棒彎管工藝對(duì)設(shè)計(jì)最大的一個(gè)影響便是這種工藝需要用到模具，所以在實(shí)際的工程運(yùn)用中這種彎管都是事先由專業(yè)工廠

36、以一定的規(guī)格制造完成，銷售給需要使用的客戶（圖）。而選擇這樣的預(yù)彎管就必須知道這些管材的技術(shù)參數(shù)，主要就是：管外徑、管壁厚、中心線半徑、彎曲角度、腿長(zhǎng)。見(jiàn)圖。圖4.22 預(yù)彎管圖4.23 彎管規(guī)格參數(shù)在材料選擇方面市面上有304不銹鋼、中碳鋼、鈦合金三種材料選擇，其中鈦合金重量最、輕導(dǎo)熱系數(shù)低是最理想的材料，可惜由于價(jià)格昂貴焊接工藝特殊所以首先排除。而中碳鋼雖然是最便宜的但是在重量和導(dǎo)熱方面都不如不銹鋼，所以最后選擇了不銹鋼預(yù)彎管最為排氣管的材料。4.2.2 歧管制造過(guò)程分析排氣歧管制造的第一個(gè)步驟就是切割管材如圖。其中使用了專用畫(huà)線工具。圖 專用畫(huà)線工具根據(jù)所需的尺寸加工出合適的管材。如圖圖

37、 管材切割然后把截好的管材更具設(shè)計(jì)要求組合焊接好，注意首先焊接在一個(gè)平面內(nèi)的管材，在發(fā)動(dòng)機(jī)上固定好之后在確定好不在一個(gè)平面管材的角度先點(diǎn)焊再滿焊如圖。圖 排氣歧管歧管焊接完畢后就是把每個(gè)歧管和集合器焊接在一起。先是把歧管裝在發(fā)動(dòng)機(jī)上固定好，定好位置。使用夾具固定好四個(gè)歧管，如圖。圖 排氣歧管（1）然后把星形片焊接上堵住四根歧管矩形組合后留下的空隙，最后把集合器焊接上，歧管算是完成了。實(shí)際工程圖紙如圖：圖 排氣歧管（1）圖 排氣歧管（4）4.3 集合器設(shè)計(jì)與工藝分析集合器由于要和排氣歧管焊接在一起，所以材料選擇必須和歧管一直，以便焊接。在集合器的工藝方案上有兩種選擇。第一種就是用整塊板材沖壓彎折

38、后焊接成形，如圖。這種工藝的優(yōu)點(diǎn)就是價(jià)格便宜，焊縫只有一條，焊接影響小。缺點(diǎn)就是材料厚度不一，形狀不準(zhǔn)。還有就是在和歧管末端連接的時(shí)候需要把四根歧管矩形組合后留下的空隙用星形片填上（圖），以免漏氣。圖4.30 沖壓彎折成型集合器圖4.31 星形片第二種便是焊接成形，如圖4.32。這種工藝的優(yōu)點(diǎn)就是整體精度比沖壓成形好，無(wú)需填補(bǔ)星形空間。缺點(diǎn)就是貴，焊縫多，熱影響區(qū)域比較多。圖4.32 焊接成形集合器經(jīng)過(guò)分析對(duì)比較雖然焊接成形集合器整體性能比較好，可是考慮到成本因素最后選擇了沖壓彎折成形的集合器。4.4 消聲器設(shè)計(jì)根據(jù)消聲器的原理，目前常見(jiàn)的有三種消聲器的方案可供選擇。第一種為膨脹箱，在該箱內(nèi)氣

39、體流過(guò)管子中突然擴(kuò)大的官腔；第二種為側(cè)置共振器，它具有單獨(dú)的封閉小室，由小孔或者很短的小管子與排氣管相通；第三種，管子中的收縮部分也起到消聲作用，通俗說(shuō)的就是在排氣管中加入了擾流片。但這種消聲器增大了排氣壓力損失，與降低噪聲相比是得不償失的。實(shí)際工程運(yùn)用中多數(shù)車倆是使用三種方法組合消聲，如圖。圖4.33 普通消聲器圖4.34 消聲器內(nèi)部構(gòu)造這種消聲器主要靠膨脹箱和共振器協(xié)同消聲，從圖4.35中可以看到由隔板分割成了幾個(gè)腔室，當(dāng)廢氣在管道中流過(guò)的時(shí)候會(huì)氣體膨脹，流速降低進(jìn)而降低脈沖，從膨脹腔進(jìn)入下一個(gè)管道的時(shí)候又會(huì)被壓縮，相當(dāng)于受到了阻擾排氣脈動(dòng)又降低了，而且在其中一個(gè)腔室通的通道會(huì)設(shè)計(jì)成管壁上

40、開(kāi)有小孔，這樣就變成了共振腔了，排氣脈沖進(jìn)一步降低。以上分析的是民用車常用的消聲器結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)制造簡(jiǎn)單，消聲效果好然而很顯然，由于廢氣需要經(jīng)過(guò)多個(gè)腔室，排氣阻力很大。不是很適合賽車對(duì)排氣性能的追求，所以在賽車上多運(yùn)用直通式，吸收式消音器如圖4.35。圖4.35 賽車消聲器從圖中可以看出這正消音器是直通式的，排氣阻力可以降到最低在管道的管壁上打了許多小孔讓氣流流過(guò)，這樣和外面的封閉的大桶配合組成的膨脹腔，而且在腔中間填滿了消聲玻璃纖維，用來(lái)吸收氣體脈沖。這種消音器由于是直通的阻力極低，而且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單重量輕，缺點(diǎn)就是消音棉容易被燒蝕，影響使用壽命，價(jià)格貴。在消音氣的參數(shù)選擇上，由于每個(gè)廠家的設(shè)計(jì)不

41、一樣，每個(gè)膨脹腔的設(shè)計(jì)不同，消音棉的不同品質(zhì)，腔室的組合不同都會(huì)影響到消音效果?？墒腔旧蟻?lái)說(shuō)所有設(shè)計(jì)都會(huì)使用膨脹腔原理，而膨脹腔的容積大小直接影 響到消聲效果，所以在選型的時(shí)候主要就是更具效應(yīng)器的體積來(lái)選擇的，更具經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)消聲器的容積與發(fā)動(dòng)機(jī)的排量之比應(yīng)該在34之間。美國(guó)Nelson消聲器公司推薦的消聲器容積計(jì)算公式為：V=QnVst/1000i （4.12 ）式中： n 發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min； v 消聲器容積； i 缸數(shù)； 沖程數(shù)； Vst 發(fā)動(dòng)機(jī)排量，L； Q 修正系數(shù)，取2到6，對(duì)消聲器要求越高時(shí)，Q應(yīng)越大。根據(jù)此公式對(duì)消聲器容積進(jìn)行計(jì)算得到消聲器體積為：。5 用FLUENT有限元分

42、析軟件分析排氣管5.1流體力學(xué)與CFD分析簡(jiǎn)介與流體性質(zhì)簡(jiǎn)介 流體力學(xué)是以流體為研究對(duì)象，研究其平衡、運(yùn)動(dòng)時(shí)的宏觀物理量變化規(guī)律，以及互相作用。雖然伯努利等人在經(jīng)典理論上的貢獻(xiàn)讓流體力學(xué)有了比較完備的理論基礎(chǔ)，但是在實(shí)際運(yùn)用中有很多問(wèn)題是沒(méi)有解析解，只有靠計(jì)算機(jī)用數(shù)值方法計(jì)算近似值。CFD是計(jì)算流體力學(xué)的簡(jiǎn)稱，它是基于離散化的數(shù)值計(jì)算方法，對(duì)流體的流場(chǎng)進(jìn)行分析的一個(gè)科學(xué)分支。而fluent作為一款很流行的CFD軟件很適合用來(lái)分析排氣系統(tǒng)的氣流。根據(jù)流體力學(xué)基本理論，流體流動(dòng)可以做以下劃分：（1） 可壓縮與不可壓縮流體；根據(jù)流體壓縮性的大小可以將流體分為可壓縮流體與不可壓縮流體。密度隨壓強(qiáng)變化較

43、大且不可視為常數(shù)的流體，稱為可壓縮流體；反之，密度隨壓強(qiáng)變化很小且可視為常數(shù)的流體稱為不可壓縮流體。除擊水現(xiàn)象外，液體均可視為不可壓縮流體。而氣體分為低速氣體（V50m/s）和高速氣體（V50m/s），低速氣也可視為不可壓縮流體，這是由于低速氣體的壓力和溫度在整個(gè)流動(dòng)過(guò)程中變化很小，重度和密度變化也很小，可以近似看成常數(shù)。高速氣流側(cè)需要考慮密度變化的影響，視為可壓縮流體。（2） 定常流動(dòng)與非定常流動(dòng)按流動(dòng)要素是否隨時(shí)間變化，可以將流體流動(dòng)分為定常流動(dòng)與非定常流動(dòng)。定常流動(dòng)（又稱非穩(wěn)定流域或者非恒定流）是指流場(chǎng)中任一空間點(diǎn)上各運(yùn)動(dòng)要素不隨隨時(shí)間變化。而非定常流動(dòng)（又稱非穩(wěn)定流域或非恒定流）中至少

44、有一個(gè)運(yùn)動(dòng)要素隨時(shí)間變化。（3） 層流與湍流若流體質(zhì)點(diǎn)互相不摻混，有條不紊地做有序的成層流動(dòng)，這種流動(dòng)狀態(tài)稱為層流。反之，流體質(zhì)點(diǎn)相互摻混做無(wú)序的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)，此時(shí)的流動(dòng)狀態(tài)稱為湍流。其局部速度、壓力等物理量在時(shí)間和空間都可能發(fā)生不規(guī)則脈動(dòng)。5.2網(wǎng)格劃分與邊界條件設(shè)置假定流場(chǎng)內(nèi)的氣體為煙氣，物質(zhì)性屬性見(jiàn)表5.1，忽略配氣相位角以及管道內(nèi)其它壓力波對(duì)流場(chǎng)得影響，氣體流動(dòng)為可壓縮、非定常流動(dòng)模型，進(jìn)出口邊界條件均采用壓力邊界條件，入口壓力為0.3Mpa，溫度為1000K,出口壓力為0.11Mpa，溫度為700K，其余為壁面邊界條件，因?yàn)闅怏w流動(dòng)速度很快，可以假定壁面是絕熱的，選擇三維單精度求解器進(jìn)行

45、計(jì)算如圖。表 5.1 煙氣性質(zhì)/kg·m-3Cp /J·kg-1·K-1/W·m-1 ·K-1/kg·m-1 ·s-112464. 14e - 05圖5.1 1號(hào)排氣歧管網(wǎng)格劃分圖 3號(hào)排氣歧管網(wǎng)格劃分5.3 排氣氣流云圖分析首先將Gambit中輸出的mesh文件導(dǎo)入Fluent，選用3D單精度模擬，定義求解器為以絕對(duì)壓力為基礎(chǔ)，流體材質(zhì)為煙氣。氣體流速較高，粘性定義為k-epsilon方程。邊界條件設(shè)定為，壓力入口（Pressure inlet）由正對(duì)于排氣口截面的標(biāo)準(zhǔn)大氣壓為進(jìn)氣壓力。壓力出口（Pressure outl

46、et）是對(duì)著集合器，由于在集合器中會(huì)發(fā)生氣體膨脹故定義為。壁面定義為光滑，恒定。殘差設(shè)定為1x10，則計(jì)算結(jié)果小于該值后求解收斂。以下為分析結(jié)果：圖 1號(hào)排氣歧管速度云圖從速度云圖可以看出排氣氣流在管道中流動(dòng)順暢只是在彎管出有比較高的流速。最高速度為5.93e+02 m/s，出現(xiàn)在排氣歧管第一個(gè)彎管處。圖5.4 1號(hào)排氣歧管壓力云圖圖 3號(hào)排氣歧管壓力云圖從壓力云圖中可以看出在排氣歧管的頭部特別是氣流沖擊的彎管背部有著很高的壓力，壓力隨著歧管長(zhǎng)度的增加顯著變小，最高速2.31e+05Pa。從速度云圖和壓力云圖中可以看出彎曲段對(duì)氣流的影響巨大，如果在設(shè)計(jì)中可以減小排氣彎曲，排氣氣流就會(huì)順暢很多。

47、6 改進(jìn)方案 設(shè)計(jì)方案缺陷分析本次排氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)最主要的工作就是排氣歧管的設(shè)計(jì)和制造，由于集合器和消聲器是選型購(gòu)買而來(lái)，所以改進(jìn)余地不大。而在排氣歧管的制造過(guò)程中還是發(fā)現(xiàn)了許多設(shè)計(jì)問(wèn)題。比如3、4號(hào)歧管彎曲的次數(shù)過(guò)多導(dǎo)致制造麻煩，而且由于焊接段數(shù)多讓排氣歧管內(nèi)的焊縫曾多，排氣阻力變大，更重要的是在制造的時(shí)候由于焊縫過(guò)多導(dǎo)致加工精度下降，裝配困難。另外與發(fā)動(dòng)機(jī)接口處由于凸臺(tái)加工精度不足，所以讓發(fā)動(dòng)機(jī)和排氣歧管的裝配難度又加大了?？偟膩?lái)講：（1）歧管彎曲多，排氣損失大；（2）歧管拼接焊縫太多，加工難度大，精度低，排氣阻力大。（3）歧管口和發(fā)動(dòng)機(jī)相出凸臺(tái)加工精度低，裝配不方便。 改進(jìn)方案改進(jìn)設(shè)計(jì)方案時(shí)

48、，應(yīng)該尋找造成缺陷的原因。從分析可以看出排氣管彎曲太多是造成歧管缺陷最大的原因。而在排氣歧管設(shè)計(jì)階段就發(fā)現(xiàn)排氣歧管的彎曲段得多少是和歧管終端在集合器上面如何布置有關(guān)的，而彎曲程度最少的方案是圖4.10的布置方案。最終沒(méi)有采用這個(gè)方案的原因是最后4號(hào)歧管進(jìn)口和出口的距離太近導(dǎo)致需要彎曲半徑很小的預(yù)彎管。而在這種彎曲半徑很小的預(yù)彎管很難買到。所以最佳的辦法就是把集合器的位置改變。設(shè)計(jì)中之所以會(huì)讓集合器在和發(fā)動(dòng)機(jī)這么近的距離，是由于總布置中防火墻和油箱的布置沒(méi)有給排氣系統(tǒng)留下足夠的空間。所以要合理設(shè)計(jì)排氣歧管，最好的辦法就是在總布置中給排氣歧管留下足夠的空間，讓集合器的位置可以遠(yuǎn)離發(fā)動(dòng)機(jī)給歧管彎曲留

49、下足夠的空間，避免過(guò)小的彎曲半徑出現(xiàn)。這樣便可以使用圖4.10的布置方案，減少?gòu)澢蔚脭?shù)目，焊縫也就自然少了。加工難度降低、排氣阻力減小。圖6.1 導(dǎo)流星形塊圖6.2 導(dǎo)流星形塊7 總結(jié)和建議7.1 總結(jié)本次排氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)是一FSAE大賽為背景，以實(shí)際制造出一套符合比賽規(guī)則，適合比賽車輛，性能優(yōu)良的排氣系統(tǒng)為目的。由于FSAE比賽課賽車排氣系統(tǒng)的特殊性，在設(shè)計(jì)和加工階段解決了許多從來(lái)沒(méi)有遇見(jiàn)的困難，使用了許多在平時(shí)教學(xué)和民用車設(shè)計(jì)中很少見(jiàn)的工藝和方法。本文主要工作是完成了賽車排氣系統(tǒng)的參數(shù)的設(shè)計(jì)計(jì)算，排氣系統(tǒng)的性能分析和排氣管的加工制作。（1）根據(jù)排氣管設(shè)計(jì)的要求，選擇排氣管的設(shè)計(jì)思路，完成排氣

50、管關(guān)鍵參數(shù)的計(jì)算和排氣管的布置方案；（2） 使用CATIA軟件完成排氣系統(tǒng)的三維建模，并導(dǎo)入有限元分析軟件Fluent進(jìn)行排氣性能分析。分析結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的排氣系統(tǒng)能夠滿足FSAE賽車的要求；（3）根據(jù)所設(shè)計(jì)的排氣管參數(shù)，輸出工程圖紙，完成了排氣管的加工制作，并根據(jù)加工制作存在的問(wèn)題，提出了排氣管設(shè)計(jì)的進(jìn)一步意見(jiàn)?？偟膩?lái)講，本次工程設(shè)計(jì)著重考慮了諧振效應(yīng)和新的工藝在FSAE賽車上的運(yùn)用，為日后制造排氣系統(tǒng)留下的寶貴的經(jīng)驗(yàn)。7.2 建議如前文所述排氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)最主要的就是讓排氣系統(tǒng)更加順暢，而諧振原理的運(yùn)用最重要的就是計(jì)算好合適的排氣歧管管徑和長(zhǎng)度。在確定好這兩個(gè)最重要的參數(shù)后就是盡量減低排氣

51、阻力。而根據(jù)計(jì)算和fluent分析可知排氣氣流在歧管中遇到最大阻力的便是在彎管處，所以減小彎管是設(shè)計(jì)很重要的一個(gè)方法。而且考慮到加工工藝，減少?gòu)澒芤彩呛苡泻锰幍??？偨Y(jié)設(shè)計(jì)過(guò)程，在減少?gòu)澢矫嫦拗谱畲蟮木褪橇艚o排氣系統(tǒng)的空間不夠。而本次賽車的設(shè)計(jì)過(guò)程是先完成了車架設(shè)計(jì)和加工后才開(kāi)始排氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)，所以限制了排氣系統(tǒng)的布置空間。如果在賽車設(shè)計(jì)初期能夠較早考慮排氣系統(tǒng)的布置，給予足夠的空間就能大大提設(shè)計(jì)出來(lái)的排氣系統(tǒng)整體的整體性能和工藝性。參考文獻(xiàn)1 劉惟信.汽車設(shè)計(jì)M.北京:清華大學(xué)出版社,2001.2 錢(qián)汝鼎.工程流體力學(xué)M.北京:北京航空航天大學(xué)出版社,1989.3 朱紅鈞，林元華，謝龍漢.Fl

52、uent 12 流體分析及工程仿真M.北京:清華大學(xué)出版社,2011.4 汽車工程手冊(cè)編輯委員會(huì).汽車工程手冊(cè)(設(shè)計(jì)篇)M.北京:人民交通出版社,2001.5 朱紅鈞，林元華，謝龍漢. Fluent 流體分析及工程仿真實(shí)用教程M. 北京:人民郵電出版社,2010.6 黃鍵,林曉輝,嚴(yán)世榕.基于FLUENT的柴油機(jī)排氣歧管內(nèi)流場(chǎng)的數(shù)值模擬J.福州大學(xué)學(xué)報(bào),2010，38（1）:81-85.7 Philip H.Smith,John C.Morrison. Scientific design of exhaust&intake systems, M. Ohio: UpperSaddle R

53、iver,New Jersey Columbus,2004.8 Smith, Carroll.Tune To WinM. Aero Publishers 1978.9 M .北京:人民交通出版社,2005.10 吉林工業(yè)大學(xué)內(nèi)燃教研室.內(nèi)燃機(jī)理論與設(shè)計(jì)上冊(cè)M.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1975.11,G.E.羅埃.內(nèi)燃機(jī)中的氣體流動(dòng)M.北京:中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械出版社,1988.12 龐劍,諶剛,何華.汽車噪聲與震動(dòng):理論與應(yīng)用M.北京:北京理工大學(xué)出版社,2006.13 顧伯良等譯.BOSCH汽車工程手冊(cè)M.北京: 北京理工大學(xué)出版社,2004.14 汽車工程手冊(cè)編輯委員會(huì).汽車工程手冊(cè)(設(shè)計(jì)篇)M.

54、北京:人民交通出版社,2001.譯 文第一章基本知識(shí)1.1 基本要求作為一輛車的機(jī)械部件之一，從制造者的角度來(lái)看，排氣系統(tǒng)需要滿足的基本要求有：能走快速方便的制造；能夠與一個(gè)車系的的車適用；都?jí)蚩焖侔惭b的車架上與發(fā)動(dòng)機(jī)上；和其它部分干涉小，有足夠的間隙；發(fā)動(dòng)機(jī)室溫度低；如果需要能夠給進(jìn)氣預(yù)熱；耐久性好；可以接受的噪音水平；發(fā)動(dòng)機(jī)低轉(zhuǎn)速的時(shí)候掃氣效果好，高轉(zhuǎn)速發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力損失小。前面所述沒(méi)有考慮到要求的要求的優(yōu)先順序。有可能對(duì)于一個(gè)比賽排氣系統(tǒng)來(lái)說(shuō)最后一條是最重要的，但是剩余的要求是重要的，一個(gè)設(shè)計(jì)者不能只考慮發(fā)動(dòng)機(jī)性能而忽略了其它的要求。當(dāng)然還有公認(rèn)的對(duì)于一般發(fā)動(dòng)機(jī)的重要要求，就是最大的動(dòng)力。現(xiàn)

55、代發(fā)動(dòng)機(jī)中對(duì)動(dòng)力限制最大的就是節(jié)氣門(mén)。一部車大部分的行駛里程是在四分之一到五分之一的負(fù)荷下跑出的。最高速度很少使用，只有在空曠的大直路上使用。然而，節(jié)氣門(mén)全開(kāi)任然有一個(gè)需要考錄的地方；加速超車，在現(xiàn)在道路越來(lái)越堵的情況下更加重要了?，F(xiàn)在駕駛車輛是換擋越來(lái)越簡(jiǎn)單了，特別是一些小發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速特征越來(lái)越好。比如，在三檔50英里每小時(shí)得時(shí)候節(jié)氣門(mén)全開(kāi)是很好的超車方法。在這個(gè)情況下，額外的動(dòng)力很難不被感受到，個(gè)別感受到是當(dāng)50英里每小時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)瞬時(shí)動(dòng)力輸出大大好于60或者70英里每小時(shí)。1.2 對(duì)設(shè)計(jì)的影響除了需要最大動(dòng)力和瞬間的反應(yīng)比如當(dāng)節(jié)氣門(mén)突然開(kāi)啟，發(fā)動(dòng)機(jī)為最高轉(zhuǎn)速的一半時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的低轉(zhuǎn)速和平順性也不能被忽視?，F(xiàn)在發(fā)動(dòng)機(jī)響應(yīng)如蒸汽機(jī)一樣已近不在重要了，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)在低速的時(shí)候牽引力已近很流暢了，而且最高檔位是一個(gè)重要的賣點(diǎn)。總的來(lái)說(shuō)大多數(shù)消費(fèi)者任然希望得到一輛快速，靈活的車能夠在公路上有好的表現(xiàn)，而且燃燒均勻一旦發(fā)動(dòng)機(jī)起來(lái)后。感謝化油器的制造者和研究改進(jìn)燃燒室設(shè)計(jì)和布局的人，現(xiàn)代發(fā)動(dòng)機(jī)已經(jīng)能夠優(yōu)秀的符合這些要求。這并不讓人驚訝所以如果汽車生產(chǎn)者已經(jīng)展示了似乎是過(guò)分保守的排氣系統(tǒng)布局，即使早就注意到可以讓發(fā)動(dòng)機(jī)獲得更多的動(dòng)力。那些正在注意到工廠要求的人并沒(méi)有意識(shí)到一些圈外