FSAE赛车发动机系统设计分析 - SUSTC-XLAB/FormulaE GitHub Wiki

FSC是一项中国大学生方程式汽车赛车。参赛赛车是由在校大学生设计、加工制造、装配、试驾及调试，打造出的一辆在加速、制动、操控性等方面具有优异表现的小型单座赛车，并且能够完成全部比赛项目。赛项对赛车的动力性和燃油经济性都有一定的要求，单独设为两项：75m直线加速和燃油经济性。因此，如何在发挥赛车动力性的同时，又能够境地燃油油耗，是设计者重点考虑的问题。

汽车发动机能够正常工作需要三方面的因素：足够的缸压、良好的可燃混合气、正确的点火正时及强烈的火花。

1、进气系统的优化分析

为了使可燃混合气在燃烧室内充分燃烧，发动机理论的空燃比为14.7:1。但在实际中，可燃混合气浓度难以达到理想状态，为改善FSC赛车的空燃比，在发动机排量和压缩比均不变的条件下，适时适量增大气缸进气量，克服和抑制原发动机进气量受限流阀的约束作用。

①进气限流阀 额外增加空气量，但加压后的空气温度骤然升高，导致可燃混合气燃烧膨胀程度小，严重影响发动机动力的提升。因此，对于涡轮增压或机械增压的发动机，为了避免热的空气进入气缸，增压后的空气经过中冷器冷却后却再进入气缸。另外，进排气通常亦能提高发动机的效率。进排气道的抛光可减少起到表面粗糙度，减少空气流经气道时在气道表面产生停滞现象。进气道口径的加大，可加快近进气或排气的流速，加快进气时的填充速度，达到进气更流畅，排气更彻底的理想效果。 目前，大多数汽车进气组件采用铸铁浇注而成，体积大、笨重。若运用在赛车上，会严重影响整车的轻量化。为了改变这一现状，很多车队采用碳纤维是或玻璃纤维进气。

②碳纤维进气管 基于上述原因及多次实验对比，本研究在进气组件材料选取上，从四种材质（玻璃纤维、碳纤维、不锈钢、树脂胶板）中选择采用不锈钢材料。在进气系统这一方面，针对大多数自然吸气式的发动机，进气稳压腔实际上是一个储气室，空气经混合均匀后平均分配到四个气缸参与燃烧。稳压腔的形状大同小异，基本上存在圆形、矩形、和椭圆形三种形状。但很多汽车会采用椭圆形稳压腔，因为它既不受沿程的环流阻力，也不受局部的涡流影响，进气效果是非常可靠的。另一方面我们在原先空滤的基础上换装有高流量滤芯外露式空气滤清器，简称“冬菇头”。 装有内含“冬菇头”的进气箱，比原来稀奇更快更畅。空气多了，燃烧就充足，动力也就提升很多了。

2、点火系统的优化分析

点火系统是汽油发动机所持有的装置。目前大多使用的是无触点电子点火系统，简称晶体管点火系统。一般由分电器、信号发生器、点火器、点火线圈及火花塞等组成。在点火系统中，必须提供足够高的击穿电压（>28KV）和足够高的点火能量按工作顺序定时作用于火花塞，产生火花，点燃混合气。其中高压都爱西安担负着传输由高压线圈所发出的高电压到火花塞的任务。然而一组优良的高压导线必须具备最少的电流损耗及避免高压传输过程产生电磁干扰。生活中的车，高压导线大多由于包覆材质所限，设计成约有5千欧的电阻值以防止电磁干扰，都这电阻值却会降低导线的传输效率，造成电流的损耗。若将导线包覆的材料改为硅树脂，则干扰的问题可获得解决，电阻值也可大幅度减低，功率因传输而造成的损耗也可降低。目前许多车型在使用硅胶导线的同时，也慢慢地被一种叫做“矽”材料的导线代替。 高压矽导线内阻很小，发热量有所降低，从而增大电流，提高电压，增强点火能量，并能形成稳定的多点扇形火花，使燃油重新燃烧，减少气缸积碳，达到动力强劲、节油减排的效果。整个点火系统应布置在一个通风散热良好的环境中加装防尘、防静电、防潮湿及通风的导线覆盖。同时加装特制的导流板，以便运动的赛车借来风导流到气缸盖上，有效降低气缸覆盖的温度，避免高压导线持续受热。本系统采用铱金火花塞。