加裝諧振腔的巴哈賽車進氣系統設計*

劉偉言 王 輝

（武漢理工大學汽車工程學院 湖北 武漢 430000）

引言

發動機性能是大學生巴哈賽事中極為重要的一環，在各個隊伍必須使用同一款百力通發動機的情況下，如何更好地發揮這款發動機的性能是每一位參與巴哈賽車比賽的人都必須面臨的課題。當前，在巴哈賽車的動力傳動研究中，對于動力性的提高大多圍繞2 個方面，一是通過對減速器的傳動比進行設計、對無級變速器進行調校來提高傳動效率；二是通過有限元分析對減速器殼體、半軸、軸承等零部件的結構進行優化設計，在保障強度的基礎上進一步實現輕量化。對賽車而言，一個良好的進氣系統可以進一步提高發動機的性能，使賽車在賽場上擁有更強的動力表現。在大學生方程式賽事（FSC）中，有許多與進氣系統相關的研究，包括設計進氣管長度、穩壓腔體積和諧振腔形狀、體積以提高充氣效率，改造發動機進氣道、燃燒室以增強流動特性，探索渦輪增壓、機械增壓與進氣系統的匹配等等。相較于方程式賽車，巴哈賽車的進氣系統更為簡單，但對于此方面的研究卻很少。本文從巴哈賽車的進氣系統出發，依據相應理論設計了進氣管的直徑及長度，并且從方程式賽事的進氣系統研究中得到靈感，增設了諧振腔，在GT-Power 軟件中進行模擬仿真，以期利用諧振腔進一步提高發動機性能。對于越野賽事，惡劣的道路狀況不容忽視。通過在進氣口增設防水部件，使整個進氣系統安全可靠。

1 發動機主要技術參數

本文所用發動機為百力通M19H 發動機，發動機的主要技術參數見表1。

表1 發動機主要技術參數

2 進氣管參數確定

2.1 進氣管管徑大小確定

進氣管管徑方面，依據大量的試驗數據，Engelaman 總結出產生最佳波動效果的諧振管管徑計算公式[1]：

式中：di為諧振管管徑，mm；n 為轉速，r/min；Ve為氣缸容積，mm3。

代入參數n=3 000 r/min，Ve=305 000 mm3，得到di=32.84≈33 mm。綜合考慮安裝要求，最終取進氣管管徑為34 mm。

2.2 進氣管長度確定

進氣管中由于波動效應會形成如圖1 所示的壓力波。圖中，S.O.為進氣門開啟時刻，S.C.為進氣門關閉時刻。如果使正壓波與下一循環的進氣過程重合，就能增加進氣門關閉時的壓強，提高充氣效率[2]。

圖1 進氣一階壓力波的次數與諧振

壓力波固有頻率為：

式中：c 為進氣管內氣體的聲速，m/s；L*為進氣管當量長度，mm。

當發動機轉速為n r/min 時，進氣頻率為：

波動次數q2表明了進氣管內壓力波的固有頻率與發動機進氣頻率的配合關系。為實現進氣管內動態效應的有效利用，對波動效應，有：

本文所用的百力通M19H 發動機，最高轉速為3 600 r/min，怠速轉速為2 000 r/min。為使其在常用轉速情況下有更好的動力輸出，選取2 800～3 600 r/min區間作為動態效應區。考慮防水性能，保證進氣口有一定的離地高度，同時兼顧整車布置要求，取n=3 000 r/min，q2=6.5；進氣管內氣體的聲速c=340 m/s，通過公式（4）計算得到進氣管長度為520 mm。

3 發動機原機模型的建立與驗證

3.1 發動機原機模型的建立

根據廠家提供的參數，在GT-power 中創建發動機原機模型。

進氣管離散化長度[3]為：

式中：d 為缸徑，mm。

根據表1，d=79.24 mm，代入公式（5）得到l=32 mm。

氣缸模型中傳熱模型和燃燒模型分別采用Woschni GT 模型和SI Wiebe 模型[4]。建立模型時進行一定簡化，如將空氣濾清器簡化為粗糙管道[5]。

3.2 發動機原機模型的驗證

實際情況中，發動機常用轉速為2800～3600r/min，故依據發動機轉速在2 800～3 600 r/min 之間的有效功率與轉矩來驗證所建立的發動機原機模型。

模型計算結果與廠家數據對比如圖2 所示。

圖2 模型計算結果與廠家數據對比

由圖2 可知，模型計算結果的變化趨勢與廠家數據的變化趨勢大致符合，且兩者契合良好。對于有效功率，兩者的相對誤差均在6%以內，最小相對誤差在轉速為3 400 r/min 處產生，約為0.005%。對于轉矩，兩者的相對誤差均在6%以內，最小相對誤差在轉速為3 400 r/min 處產生，約為0.2%。總體而言，模型計算結果與廠家數據的相對誤差均在試驗允許的10%之內。故認為該模型精度高，可用于后續的仿真分析。

4 諧振腔設計

4.1 諧振腔的基本幾何尺寸

諧振腔可以利用進氣管道中生成的壓力波來提高進氣門關閉前諧振腔體中的氣體壓力，與進氣諧振管相配合進一步提高充氣效率。同時，相較于其他增壓進氣機構，諧振增壓進氣機構沒有運動件，便于安裝，工作可靠，成本低，非常適合此類小排量越野賽車。

參考大學生方程式賽事（FSC）諧振腔的設計方法，本文根據亥姆霍茲諧振原理[6]設計球型諧振腔結構如圖3 所示。圖3 中，底部為進氣管，中部為喉口，上部為諧振腔。

圖3 諧振腔結構示意圖

大多數情況下，諧振腔的容積設定為發動機排量的55%左右[7]。初步將諧振腔近似看為球形，忽略喉口體積，可得到諧振腔直徑的計算公式為：

已知該發動機排量為305 mL，即305 000 mm3。代入公式（6），得出諧振腔直徑d=68 mm。

考慮到實際因素會產生理論計算的不足，依據理論值，同時考慮實車布置，選取直徑為20 mm、30 mm、40 mm、50 mm、60 mm、70 mm 的諧振腔模型進行對比，選出最佳直徑。

4.2 諧振腔直徑對發動機有效功率的影響

加上經過設計計算的諧振進氣管，再對不同直徑的諧振腔進行建模，然后經過離散化處理，加到已建立的發動機原機模型中，構建一個全新的諧振進氣系統模型，研究不同諧振腔直徑對發動機有效功率的影響。

不同諧振腔直徑對發動機有效功率的影響如圖4 所示。

圖4 不同諧振腔直徑對發動機有效功率的影響

由圖4 可知，直徑為20 mm 的諧振腔，在轉速為3 200 r/min 前以及轉速為3 400 r/min 之后，發動機有效功率均最低；在轉速為3 200～3 400 r/min 之間，與其他直徑的諧振腔相比也無優勢。故淘汰直徑20 mm。

諧振腔直徑為30 mm 與40 mm 的發動機有效功率對比如圖5 所示。

圖5 諧振腔直徑為30 mm 與40 mm 的發動機有效功率對比

由圖5 可知，在轉速3 200 r/ min 之后，直徑為30 mm 諧振腔和直徑為40 mm 的諧振腔對發動機有效功率的影響相差不大；在轉速為3 200 r/min 之前，直徑為40 mm 的諧振腔，發動機有效功率略微高于直徑為30 mm 的諧振腔。故淘汰直徑30 mm。

諧振腔直徑為50 mm 與60 mm 的發動機有效功率對比如圖6 所示。

圖6 諧振腔直徑為50 mm 與60 mm 的發動機有效功率對比

由圖6 可知，在轉速為2 900 r/min～3 100 r/min之間，直徑為50 mm 的諧振腔，發動機有效功率略微高于直徑為60 mm 的諧振腔；在轉速為3 100 r/min～3 500 r/min 之間，直徑為60 mm 的諧振腔，發動機有效功率明顯高于直徑為50 mm 的諧振腔，優勢區間更長。故淘汰直徑50 mm。

諧振腔直徑為40 mm 與60 mm 的發動機有效功率對比如圖7 所示。

圖7 諧振腔直徑為40 mm 與60 mm 的發動機有效功率對比

由圖7 可知，在轉速為3 000 r/min 以前和轉速在3 200～3 600 r/min 之間，直徑為60 mm 的諧振腔，發動機有效功率明顯高于直徑為40 mm 的諧振腔；在其他轉速區間，直徑為40 mm 諧振腔和直徑為60 mm 的諧振腔對發動機有效功率的影響相差不大。故淘汰直徑40 mm。

諧振腔直徑為60 mm 與70 mm 的發動機有效功率對比如圖8 所示。

圖8 諧振腔直徑為60 mm 與70 mm 的發動機有效功率對比

由圖8 可知，在轉速為2 900～3 200 r/min 之間，直徑為70 mm 的諧振腔，發動機有效功率略微高于直徑為60 mm 的諧振腔；在轉速為3 300 r/min 之后，直徑為60 mm 的諧振腔，發動機有效功率明顯高于直徑為70 mm 的諧振腔。綜合考慮經濟性，選取直徑為60 mm 的諧振腔作為最終設計結果。

諧振進氣系統對發動機有效功率的影響如圖9所示。

圖9 諧振進氣系統對發動機有效功率的影響

由圖9 可知，相比于原機，僅加裝520 mm 進氣管，發動機有效功率顯著提高。相比于僅加裝520 mm 進氣管，加裝520 mm 進氣管與直徑為60 mm 的諧振腔，有效功率進一步提高；尤其在較低轉速區間，發動機有效功率提高明顯，在轉速為3 000 r/min 時，發動機有效功率提高最多，為0.33 kW。相比于原機，加裝520 mm 進氣管與直徑為60 mm 的諧振腔的諧振進氣系統，發動機有效功率在全部轉速區間均得到顯著提高，提高幅度均在12%以上；在轉速為3 600 r/min時，發動機有效功率提高最多，達到1.43 kW，提高幅度達20.75%。故認為該諧振進氣系統設計有效，可提高發動機有效功率，使賽車具有更強的動力表現。

5 防水部件設計

5.1 防水部件要求

根據實際經驗，當巴哈賽車在賽道上飛馳，進氣系統會受到惡劣環境中飛濺泥水的沖擊。在長達4 h的耐力賽中，泥水會以較高的頻率沖擊賽車。有時候，賽場還會下雨。因此，對防水部件提出了較高的要求。

5.2 防水部件設計方案確定

由于在發動機與進氣管的連接處已加裝了空氣濾清器，因此主要在進氣口加裝防水部件。為了滿足防水要求，且避免因進氣阻力過大影響發動機進氣量，對進氣口防水部件提出2 種設計方案：

1）在進氣口加裝預過濾器；

2）在進氣口加裝蘑菇頭。

蘑菇頭防水部件如圖10 所示。

圖10 蘑菇頭防水部件

在已裝有諧振進氣系統的模型中，加入預過濾器濾芯，將其簡化為粗糙管道，研究其對發動機有效功率的影響。

預過濾器對發動機有效功率的影響如圖11 所示。

圖11 預過濾器對發動機有效功率的影響

由圖11 可知，加裝預過濾器后，在高轉速區間，發動機有效功率有小幅下降。若因濾芯長時間不更換導致積灰嚴重，還將導致更大的進氣阻力，使有效功率進一步降低。因此從性能方面考慮，初步選擇蘑菇頭作為防水部件。

將設計好的蘑菇頭模型進行3D 打印，裝配于實車上進行試車。由于進氣管離地高度足夠大，且蘑菇頭布置隱蔽、遮蓋范圍足夠大，在后續的野外訓練中，進氣管口只出現少量水滴，車輛并未出現發動機進水、熄火等故障，動力性并未下降，因此認為蘑菇頭防水部件可滿足防水要求。

6 結論

在百力通提供的原發動機參數基礎上，依據相應理論為整車設計了一套全新的諧振進氣系統，同時設計了安裝于進氣口以滿足防水要求的防水部件。經過軟件仿真分析，與原機相比，優化后的進氣系統可顯著提高發動機有效功率，最大提高幅度達到20.75%。