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FSAE赛车电气系统与仪表的设计与优化一：研究目的：FSAE是以汽车专业为主的一项学生方程式赛车比赛，要求在一年的时间内制造出一辆各方面表现优异且稳定耐久的业余休闲赛车。
电气系统是FSAE赛车很重要的一个组成部分。
也是整车系统中不可缺少的一部分。
其中包括电源，仪表，信号指示灯，点火系统等几个大的部分。
一个配合良好，工作正常，运行稳定的电路系统是使赛车正常运行的重要保障。
所以研究和制作一个简洁，实用，稳定的整车电器系统是很有必要的。
二：研究内容：FSAE赛车电气系统主要由发动机电控系统、数字仪表系统及紧急控制系统组成；本项目组研究内容包括1 FSAE赛车主要电器部件布置匹配设计：a 蓄电池安装位置的确定b 发动机电子控制单元（ECU）的软硬件设计以及ECU辅助电路的设计c 调压整流器的设计d 起动继电器的设计e 油泵继电器和喷油器的设计f 刹车灯及开关2 数字仪表的设计其中发动机ECU和数字仪表的设计作为研究的重点；1三：预期结果：提出一套FSAE赛车整车电气系统方案, 说明主要电器的设置,提高赛车的加速性能;对赛车仪表系统进行设计和优化,最后通过实车验证了上述方案的可行性项目技术路线：1 FSAE赛车与一般汽车一样采用蓄电池负极搭铁(接地)的布线方式，发电机通过调压整流器后并联到蓄电池；赛车线束采用单边走向呈E型布置。
2 本项目采用外挂式改装ECU，首先，外挂ECU将各个传感器所反馈回ECU 的信号进行拦截，针对需要调整的信号进行修改，将本来超过原厂ECU认可上限的信号变成正常信号输入原厂ECU，ECU接收到“正常信号”后将原厂设定的执行程序输出至外挂ECU，这时外挂ECU再将信号进行修改。
3 数字仪表的设计包括对仪表单片机的选型，转速信号处理电路设计，车速表设计和仪表电源电路设计。
特色与创新：1 本项目组的研究是基于整辆赛车的电气系统之上的，涵盖面较全，涉及面很广，以保证赛车的电气系统在各个环境下都能正常可靠的工作为目标，研究过程中要考虑到与赛车各个部分的协调合作，以保证赛车的整体性能；2 设计安装与FSAE赛车发动机匹配的外挂ECU，可以根据发动机的具体参数要求来进行改装；23 数字仪表的设计中的转速信号处理电路设计克服了以下三个技术难点:1) 转速信号的频率υ变化很大: 0～4 000 Hz;2) 转速信号的幅值不固定, 随转速升高而升高;3) 转速传感器信号幅度不固定3。
FSAE 方程式赛车进气系统设计Design on intake system of FSAE racing car汤 沛1,2，倪骁骅1，赵雪晶1，刘 锐2，魏民祥2TANG Pei 1,2, NI Xiao-hua 1, ZHAO Xue-jing 1, LIU Rui 2, WEI Min-xiang 2（1.盐城工学院 汽车学院，盐城 210016；2.南京航空航天大学 能源与动力学院，南京 210016）摘 要：研究分析S.FSAE方程式赛车进气总管的渐缩角与扩张角、稳压腔的容积大小以及进气歧管的内径与长度对充气效率的影响关系。
结合CATIA软件绘图、FLUENT软件对赛车进气系统进行流场分析，运用GT-POWER软件仿真试验得出优化数据。
分析结果得出进气总管的渐缩角为18°、扩张角为6°、进气歧管的长度为180mm、稳压腔体积为2.9L时进气效果最优。
关键词：FSAE方程式赛车；进气系统；优化设计中图分类号：TK413 文献标识码：A 文章编号：1009-0134(2016)11-0033-04收稿日期：2016-09-09基金项目：江苏省普通高校研究生科研创新计划（KYLX-0244）作者简介：汤沛（1981 -），男，江苏盐城人，博士研究生，主要从事发动机仿真设计工作。
0 引言自2010年第一届中国FSC 比赛以来，中国FSC 始终致力于培养国内优秀汽车人才，考验未来一批汽车人的各方面能力。
中国FSC 比赛规定赛事所用发动机排量小于600cc ，且在进气系统的进气总管处设有20mm 的限流阀；同时也规定出进气顺序为：空滤—节气门—总管（内设限流阀）—稳压腔—歧管—发动机。
在以上这些限制条件下，设计出的赛车要取得更好的成绩，并能使发动机工况处于最佳状态，这就要求进气系统做出更合理的设计，并尽可能提高充气效率。
本次的研究目的主要是对进气系统进行优化设计，并验证优化结果。
第36卷第1期 Vol. 36,No. 1西华大学学报（自然科学版）Journal of Xihua University(Natural Science)2017年1月Jan. 2017•新能源汽车与低碳运输•F S A E赛车发动机进气系统结构参数优化(西华大学汽车与交通学院，四川成都610039)摘要:大学生方程式汽车大赛(简称FSAE)规则要求，参赛赛车必须在发动机进气系统中安装流通直径为20 m m的进气限制器。
为弥补加装进气限制器对发动机动力性下降的影响，以FSAE赛车4缸发动机进气系统为研究对象，利用GT - Power建立发动机仿真分析模型，通过外特性实验验证模型的准确性后，以FSAE赛车发动机 进气系统结构尺寸作为单一变量，分析FSAE赛车发动机进气歧管长度及稳压箱容积对发动机性能的影响规律，并 提出优化设计方案。
通过对比实验，可知优化后发动机的动力性能得到提升，最大转矩增幅为5. 9%。
关键词:FSAE;进气管;稳压箱;优化中图分类号:TK41 文献标志码:A 文章编号:1673 -159X(2017)01 -0082-6doi：10. 3969/j. issn. 1673 -159X. 2017. 01. 015Optimization of Structural Parameters for the Engine IntakeSystem of FSAE Racing CarTAN Zhengping, HUANG Haibo, WANG Yongzhong(School of A utomotive and Transportation, Xihua University, Chengdu 610039 China) Abstract：According to the regulation of Formula SAE Rules, the circulating diameter of the intake manifold installed in FSAE racing car’s engine is limited to 20mm. Generally, this leads to the power performance degradation. Therefore, we researched the engine intake system of FSAE racing car and the simulation model was established with GT - Power software. The accuracy of the simulation model was verified. Then the model was used to calculate and analyze the effects of the length of intake manifold and the volume of plenum on power performance. Finally, the program was developed to optimize the intake system structure size. The experiment results show that the optimization can improve the power performance and increase the maximum torque 5.9%.Keywords ：FSAE ；intake manifold ；plenum ；optimization大学生方程式汽车大赛（简称FSAE)参赛赛车 按其规则[1]要求，必须在发动机进气系统中安装流 通直径为20 mm的进气限制器。
第17卷 第4期厦门理工学院学报Vol .17 No .4 2009年12月Journal of Xia men University of Technol ogyDec .2009 [收稿日期]2009-09-01 [修回日期]2009-10-16[基金项目]厦门市科技计划项目(3502Z20073030)[作者简介]许建民(1981-),男,湖南邵阳人,助教,硕士,从事汽车节能与排放控制研究.FS AE 赛车进气系统改进设计许建民,刘金武,李晓宇(厦门理工学院机械工程系,福建厦门361024)[摘 要]通过对限流阀安装在进气系统不同位置对发动机的影响进行了详细分析,得出一种限流阀最优安装位置,即在节气门阀体和喷油嘴之间.并利用CF D 软件F LUE NT 对其谐振腔进行了流体动力学分析.研究表明:进气系统的改进对发动机的动力性、排放性以及噪音方面有非常大的改善.[关键词]FS AE 赛车;进气系统;谐振腔;CAE[中图分类号]U4641134+14;U46916+96[文献标志码]A [文章编号]1008-3804(2009)04-043-05FS AE 方程式赛事是由美国汽车工程师协会主办的挑战本科生、研究生团队构思、设计、制作和驾驶小型方程式赛车的国际性赛事.FS AE 方程式比赛内容是设计、制造和论证一辆用于业余比赛的小型赛车.该车必须在加速性,制动性和操稳性等方面表现出色,而且成本低廉(要求原型车实际耗资应低于215万美元)、易于维修、可靠性好.同时还需考虑其美观舒适性和零部件的通用性等因素.空气或混合气导入发动机汽缸的零部件集合体称为发动机进气系统.汽油机进气系统包含了空气滤清器、谐振腔、进气歧管、节气门等机构.空气经空气滤清器过滤掉杂质后,流过空气流量计和谐振腔,经由进气道进入进气歧管,与喷油嘴喷出的汽油混合后形成混合气,混合气通过发动机进气门进入发动机燃烧室燃烧产生动力.FS AE 赛车规则基本要点是发动机的所有的进气都要通过限流阀,并且限流阀必须位于发动机节气门和发动机进气门之间.在保证上述比赛规则的前提下,通过改进设计进气系统来提高发动机的动力性、改善其排放性和噪音.1 限流阀安装位置对比分析111 方案Ⅰ中限流阀安装位置分析依据规则要求,目前FS AE 赛车进气顺序从外到内依次是:空气滤清器-谐振腔-橡胶弯管-节气门阀体(包括节气门和喷油嘴)-限流阀-发动机橡胶管-进气门.如图1.该方案限流阀安装在喷油嘴之后,发动机运转时汽油会喷到限流阀上,导致燃油雾化效果急剧变差,而且由于限流阀处在进气系统的最后阶段,这样会导致混合气在进入发动机前体积突变,从而产生不规则的压力波.通过安装上限流阀和卸掉限流阀时的发动机性能对比试验,发现限流阀使发动机动力性能急剧下降.基于方案Ⅰ的发动机(嘉陵JH600,发动机排量600mL )最高转速可达到5000r/m in .厦门理工学院学报2009年112 方案Ⅱ中限流阀安装位置分析方案Ⅱ的进气道的布置顺序依次是:空气滤清器-谐振腔-节气门-橡胶弯管-限流阀-喷油嘴-发动机橡胶管-进气门.见图2所示.该方案将节气门和限流阀同时外移.不改变原喷油嘴,则喷油顺畅,雾化效果比方案Ⅰ要好.但是首先将节气门和喷油嘴分开难度较大,而且改变了节气门位置传感器和进气压力传感器与喷油嘴的位置,节气门与喷油嘴的重新匹配比较困难,喷油雾化效果同样受到很大影响.基于方案Ⅱ的发动机(嘉陵JH600,发动机排量600mL )最高转速可达到6200r/m in .113 方案Ⅲ中限流阀安装位置分析方案Ⅲ的进气道布置顺序依次为:空气滤清器-谐振腔-橡胶弯管-堵上喷油孔的节气门阀体-限流阀-喷油嘴-发动机橡胶管-进气门,如图3所示.该方案在不拆分节气门阀体的前提下,在基本不改变节气门位置传感器和进气压力传感器与喷油嘴之间的位置的前提下,将原喷油嘴堵住,重新加工制作一喷油嘴.由于喷油点位置和角度不变,因此不影响喷油效果,而且限流阀紧跟喷油阀之前,则进气在限流阀处管径缩小,进气速度增大,改善燃油的雾化.通过发动机试验发现发动机的动力性和排放性都有极大的改善.基于方案Ⅲ的发动机(嘉陵JH600,发动机排量600mL )最高转速可达到7100r/m in .比较方案Ⅰ到方案Ⅲ可以发现:当限流阀安装在节气门阀体和喷油嘴之间时,发动机的动力性最好,即方案Ⅲ是最优方案,可以作为设计参考.2 谐振腔CF D 仿真分析211 谐振腔CAE 分析方法仿真的目的是在保证谐振腔容积的前提下尽量减少压力损失,使进气流畅.谐振进气系统通过在进气道上增加谐振腔,调整发动机的固有频率,使得发动机在一定转速范围内获得更大的进气量,以达到改善发动机效率的目的.进气道的设计要求最大限度的提高进气量,保证发动机的进气需求,提高进气效率.采用CF D 软件F LUENT 对进气系统中影响较大的谐振腔进行仿真分析,通过对不同锥角谐振腔的流场分析,得出一种最优的谐振腔.Fluent 软件是个工程运用的CF D 软件,针对每一种流动的物理问题的特点,采用适合于它的数值解法在计算速度、稳定性和精度方面达到最佳[1-2].可以计算流场、传热和化学反应.对二维流动模型,可以生成三角形和矩形网格;对于三维流动模型,则可生成四面体、六面体、三角柱和金字塔等网格;结合具体计算,还可生成混合网格,其自适应功能,能对网格进行细分或粗化,或生成不连续网格、可变网格和滑动网格.F LUE NT 软件在我国已经获得较好的应用.・44・ 第4期许建民,等:FS AE 赛车进气系统改进设计212 谐振腔CAE 分析步骤21211 利用G AMB I T 建立计算区域和指定边界条件类型在G AB I T 中创建谐振腔模型,并设定边界条件进行网格划分,谐振腔边界分为进气边界、出气边界、两边wall 边界.为了保证分析精度,此次采用2003200网格截面进行分析.网格划分后,将文件保存为网格mesh 文件.21212 利用F LUENT求解器求解将划分好的模型导入fluent 中进行分析.读入网格文件,检查是否有单元格出错情况.选定的计算模型为流场和温度场,设置标准k -e 湍流模型.定义流体的物理属性,设置进气口和出气口边界条件[3-5].根据本次赛车进气量计算出进气流速为10m /s,进气入口温度为290K .最后显示计算结果.213 谐振腔CAE 分析结果对谐振腔提出了3种几何方案,采用F LU 2E NT 软件进行流体动力学分析,分析方案如表1,表1中所用的参数如图4,分析结果如下.表1 谐振腔流体动力学分析方案参数对比Ta b 11 Pa ram e te rs o f fl u i d m echa n i c ana l ys is f o r re so nat o rD 1/mmD 2/mmD 3/mmL 1/mmL 2/mmα/(°)β/(°)方案Ⅰ62122502002009090方案Ⅱ62122501802108080方案Ⅲ62122501482303060图5是方案Ⅰ的速度场CAE 分析结果.在图5中,外围深色区域为低速区,速度约为0,即为进气死角,中间深色区域为高速区,速度为13m /s,从图5可以看出低速区出现在谐振腔中间外围区域,速度约为0,高速区出现在出口区域,速度为13m /s .整体看来,整个谐振腔中心区域进气速度相对外围区域明显高很多.图6是方案Ⅰ的温度场CAE 分析结果.在图6中,外围深色区域为低温区,温度约为292K,中间深色区域为高温区,温度为310K,从图6可以看出低温区出现在谐振腔入口,温度约为290K,高温区出现在谐振腔外围区域,温度为310K .整体看来,谐振腔外围区域温度明显高于中心区域温度,而且温度场分布很不均匀.・54・厦门理工学院学报2009年图7是方案Ⅱ的速度场CAE 分析结果.在图7中,外围深色区域为低速区,速度约为0,中间深色区域为高速区,速度为14m /s,从图7可以看出低速区出现在谐振腔中间外围区域,速度约为0,高速区出现在出口区域,速度为14m /s .整体看来,从进口到腔体,速度逐渐下降,再从腔体到出口,速度大幅增加.总体上比方案Ⅰ变化比较均匀.图8是方案Ⅱ的温度场CAE 分析结果.在图8中,外围深色区域为低温区,温度约为295K,中间深色区域为高温区,温度为305K,从图8可以看出低温区出现在谐振腔入口,温度约为292K,高温区出现在出口区域,温度为305K .整体看来,从进口经过腔体到出口,温度逐渐增加.总体上温度与轴线基本对称.以下是根据锥角90°和锥角80°谐振腔的流场分析而得出的比较理想谐振腔形状.这样不仅可以充分利用谐振容积,还能最大限度地降低进气阻力,从而提高发动机进气效率.图9是方案Ⅲ的速度场CAE 分析结果.在图9中,外围深色区域为低速区,速度约为0,中间深色区域为高速区,速度为16m /s,从图13可以看出低速区出现在谐振腔中间外围区域,速度约为0,,速度为16m /s .整体看来,从进口到腔体,速度逐渐下降,再从腔体到出口,速度大幅增加.总体上变化比较均匀.图10为方案Ⅲ的温度场CAE 分析结果,从图10可以看出低温区出现在谐振腔入口,温度约为295K,高温区出现在出口中心区域,温度为302K .整体看来,从进口经过腔体到出口,温度逐渐提高.可见总体上温度与轴线对称.比较方案Ⅰ到方案Ⅲ可以发现:在可以满足发动机对谐振腔体积要求的前提下,方案Ⅲ的速度场、温度场分布均匀,进气阻力最小,可以作为设计参考.・64・ 第4期许建民,等:FS AE 赛车进气系统改进设计3 结语1)通过对限流阀安装在进气系统不同位置对发动机的影响进行了理论分析,得出限流阀安装在节气门阀体和喷油嘴之间时,发动机的动力性最好.2)通过对不同锥角谐振腔仿真温度场、速度场的对比,可以得出:谐振腔两端减小锥角会缩小进气死角,同时进气流速降低较少,进气温度变化不大,改善发动机的进气.通过整车试验证明改进后的进气系统在动力性、排放性以及噪音方面有非常大的改善.[参考文献][1]王瑞金,张凯,王刚,等.Fluent 技术基础与应用实例[M ].北京:清华大学出版社,2007:33237.[2]周龙保.内燃机学[M ].北京:机械工业出版社,1998:56258.[3]王晗,蔡忆昔,毛笑平.发动机进气系统不均匀性的三维数值模拟[J ].小型内燃机与摩托车,2007,36(3):15217.[4]罗马吉,陈国华,蒋炎坤,等.进气管内三维稳态流动特性的数值分析[J ].小型内燃机与摩托车,2001,30(2):124.[5]夏兴兰,杨雄,朱忠伟,等.数值模拟方法在柴油机进气道改进中的应用[J ].内燃机学报,2002,20(5):22224.Enhanced I n t ake System D esi gn of FSAE Race CarXU J ian 2m in,L I U J in 2wu,L I Xiao 2yu(Depart m ent of Mechanical Engineering,Xiamen University of Technol ogy,Xia men 361024,China )Abstract:A detailed analysis was made t o see how engine was affected by varied positi ons of thr ottle valve on the intake syste m ,which resulted in an op ti m al thr ottle valve positi on bet w een the thr ottle valve p late and nozzle .A CF D Fluent based fluid mechanic analysis was done on its res onat or that indicated that the en 2hanced intake system contributed remarkably t o the dyna m ics,release efficiency and noise reducti on of the en 2gine .Key words:FS AE race car;intake syste m;res onat or;CAE・74・。
毕业设计（论文）-FSAE进气系统设计与分析【毕业论文】FSAE进气系统设计与分析目录摘要 1ABSTRACT 20 引言41 绪论4大学生方程式汽车大赛简介 4汽车发动机进气系统的简介 6定义 6基本构成 6进气形式 7汽车发动机进气系统发展趋势8FSAE赛车进气系统与量产车比较11FSAE规则对进气系统限制11FSAE赛车进气系统主要构成13国内外FSAE赛车进气系统现状与发展142 进气系统方案设计16进气系统设计流程16确定进气形式18确定进气系统材料与制造工艺22节气门体类型选择233 设定进气系统各部件基本参数25系统参数 25空气滤清器25限流阀开口26限流阀26限流阀扩散器27稳压腔28进气道29进气管方案一29进气管方案二30进气管方案三31方案的论证与选择31利用赫尔姆霍兹（Helmholtz）进气谐振原理验算 33 4 进气系统做流体动力学分析35分析软件介绍35模型网格划分与边界条件初步定义37整体分析 38进气管方案二整体分析38进气管方案三整体分析40确定进气系统方案42扩散器理想锥角的CFD模拟426°锥角扩散器分析427°锥角扩散器分析448°锥角扩散器分析46扩散器对比论证47燃油雾化效果模拟485 进气系统制造工艺及装配48零件制造 48装配与安装506 结论与展望52结论52展望53参考文献54译文56原文说明71摘要本毕业设计课题来自我校第二届FSAE赛车项目课题。
FSAE赛事中文名称为大学生方程式赛，是上世纪70年代由美国汽车工程师协会发起，三十一年以来发展至世界各地，致力于培养汽车方向的大学生各方面综合能力。
此项赛事结合了专业知识与工程实践能力，有利于提高大学生的汽车和零部件的自主研发能力。
本文以2011年全国第二届FSAE大学生方程式赛为背景，设计研发一辆符合参赛规则的方程式赛车。
FSAE赛车进气系统以减少进气阻力，增强发动机充气效率，增强动力的同时要使赛车手便于操控为目标，对进气系统进行合理的设计。
进气系统设计说明书前言第一章设计要求1.1 FSEA关于进气系统的主要要求第二章进气方案2.1 进气系统基本结构2.2 进气形式2.3 进气管形式2.3.1 方案一2.3.2 方案二2.3.3 方案三第三章各部件基本参数设计3.1 节气门口径3.2 进气总管长度3.3 稳压腔体积3.4 进气歧管长度第四章流场分析4.1 分析软件介绍4.2 模型网格划分与边界条件初定义4.3 进气总管分析4.4 稳压腔分析4.5进气歧管长度分析验证第五章加工装配5.1 加工装配前言本设计课题来自我校中国大学生方程式汽车大赛项目课题。
该赛事意在培养汽车工程方向及相关专业的在校大学生、研究生的创新力，团队协作能力。
在为期8-12个月的时间里完成一辆小型方程式赛车的设计与制造，并成功完成比赛。
该赛事从2010年在中国开始举办，我校成功完成了2011赛季。
本文结合了2011年宁远车队的设计经验，完成了2012赛季的进气系统的设计与优化。
第一章设计要求1.1 FSAE规则对进气系统的限制○1进气系统必须不能超出外框○2节气门必须为机械控制○3进气歧管必须用支架或机械固定○4为限制发动机功率，一个内部截面为圆形的限流阀必须安装在进气系统的节气门与发动机之间，并且所有发动机的进气气流都应流经此限流阀（最大直径20mm，且截面不能发生变化）第二章进气方案2.1 进气系统基本结构进气系统包含了空滤器、节气门、进气总管、进气歧管、进气门。
由于规则的限制，进气系统的设计主要体现在进气总管和进气歧管上，这两部分需要加工制作。
2.2 进气形式进气方式主要分为三大类：○1自然进气：引擎的运作在气缸内产生的负压，将外部的空气吸入气缸内。
这是汽车最传统进气方式，动力输出平稳，维护简单，但在高转速下乏力。
○2涡轮增压：涡轮增压器的两侧涡轮叶片连接发动机的进气管和排气管，在引擎运作的情况下，利用排出的废气推动排气涡轮叶片，从而带动进气涡轮叶片吸入空气，利用离心增压原理达到增压的效果。
