加装谐振腔的巴哈赛车进气系统设计*

刘伟言 王 辉

（武汉理工大学汽车工程学院 湖北 武汉 430000）

引言

发动机性能是大学生巴哈赛事中极为重要的一环，在各个队伍必须使用同一款百力通发动机的情况下，如何更好地发挥这款发动机的性能是每一位参与巴哈赛车比赛的人都必须面临的课题。当前，在巴哈赛车的动力传动研究中，对于动力性的提高大多围绕2 个方面，一是通过对减速器的传动比进行设计、对无级变速器进行调校来提高传动效率；二是通过有限元分析对减速器壳体、半轴、轴承等零部件的结构进行优化设计，在保障强度的基础上进一步实现轻量化。对赛车而言，一个良好的进气系统可以进一步提高发动机的性能，使赛车在赛场上拥有更强的动力表现。在大学生方程式赛事（FSC）中，有许多与进气系统相关的研究，包括设计进气管长度、稳压腔体积和谐振腔形状、体积以提高充气效率，改造发动机进气道、燃烧室以增强流动特性，探索涡轮增压、机械增压与进气系统的匹配等等。相较于方程式赛车，巴哈赛车的进气系统更为简单，但对于此方面的研究却很少。本文从巴哈赛车的进气系统出发，依据相应理论设计了进气管的直径及长度，并且从方程式赛事的进气系统研究中得到灵感，增设了谐振腔，在GT-Power 软件中进行模拟仿真，以期利用谐振腔进一步提高发动机性能。对于越野赛事，恶劣的道路状况不容忽视。通过在进气口增设防水部件，使整个进气系统安全可靠。

1 发动机主要技术参数

本文所用发动机为百力通M19H 发动机，发动机的主要技术参数见表1。

表1 发动机主要技术参数

2 进气管参数确定

2.1 进气管管径大小确定

进气管管径方面，依据大量的试验数据，Engelaman 总结出产生最佳波动效果的谐振管管径计算公式[1]：

式中：di为谐振管管径，mm；n 为转速，r/min；Ve为气缸容积，mm3。

代入参数n=3 000 r/min，Ve=305 000 mm3，得到di=32.84≈33 mm。综合考虑安装要求，最终取进气管管径为34 mm。

2.2 进气管长度确定

进气管中由于波动效应会形成如图1 所示的压力波。图中，S.O.为进气门开启时刻，S.C.为进气门关闭时刻。如果使正压波与下一循环的进气过程重合，就能增加进气门关闭时的压强，提高充气效率[2]。

图1 进气一阶压力波的次数与谐振

压力波固有频率为：

式中：c 为进气管内气体的声速，m/s；L*为进气管当量长度，mm。

当发动机转速为n r/min 时，进气频率为：

波动次数q2表明了进气管内压力波的固有频率与发动机进气频率的配合关系。为实现进气管内动态效应的有效利用，对波动效应，有：

本文所用的百力通M19H 发动机，最高转速为3 600 r/min，怠速转速为2 000 r/min。为使其在常用转速情况下有更好的动力输出，选取2 800～3 600 r/min区间作为动态效应区。考虑防水性能，保证进气口有一定的离地高度，同时兼顾整车布置要求，取n=3 000 r/min，q2=6.5；进气管内气体的声速c=340 m/s，通过公式（4）计算得到进气管长度为520 mm。

3 发动机原机模型的建立与验证

3.1 发动机原机模型的建立

根据厂家提供的参数，在GT-power 中创建发动机原机模型。

进气管离散化长度[3]为：

式中：d 为缸径，mm。

根据表1，d=79.24 mm，代入公式（5）得到l=32 mm。

气缸模型中传热模型和燃烧模型分别采用Woschni GT 模型和SI Wiebe 模型[4]。建立模型时进行一定简化，如将空气滤清器简化为粗糙管道[5]。

3.2 发动机原机模型的验证

实际情况中，发动机常用转速为2800～3600r/min，故依据发动机转速在2 800～3 600 r/min 之间的有效功率与转矩来验证所建立的发动机原机模型。

模型计算结果与厂家数据对比如图2 所示。

图2 模型计算结果与厂家数据对比

由图2 可知，模型计算结果的变化趋势与厂家数据的变化趋势大致符合，且两者契合良好。对于有效功率，两者的相对误差均在6%以内，最小相对误差在转速为3 400 r/min 处产生，约为0.005%。对于转矩，两者的相对误差均在6%以内，最小相对误差在转速为3 400 r/min 处产生，约为0.2%。总体而言，模型计算结果与厂家数据的相对误差均在试验允许的10%之内。故认为该模型精度高，可用于后续的仿真分析。

4 谐振腔设计

4.1 谐振腔的基本几何尺寸

谐振腔可以利用进气管道中生成的压力波来提高进气门关闭前谐振腔体中的气体压力，与进气谐振管相配合进一步提高充气效率。同时，相较于其他增压进气机构，谐振增压进气机构没有运动件，便于安装，工作可靠，成本低，非常适合此类小排量越野赛车。

参考大学生方程式赛事（FSC）谐振腔的设计方法，本文根据亥姆霍兹谐振原理[6]设计球型谐振腔结构如图3 所示。图3 中，底部为进气管，中部为喉口，上部为谐振腔。

图3 谐振腔结构示意图

大多数情况下，谐振腔的容积设定为发动机排量的55%左右[7]。初步将谐振腔近似看为球形，忽略喉口体积，可得到谐振腔直径的计算公式为：

已知该发动机排量为305 mL，即305 000 mm3。代入公式（6），得出谐振腔直径d=68 mm。

考虑到实际因素会产生理论计算的不足，依据理论值，同时考虑实车布置，选取直径为20 mm、30 mm、40 mm、50 mm、60 mm、70 mm 的谐振腔模型进行对比，选出最佳直径。

4.2 谐振腔直径对发动机有效功率的影响

加上经过设计计算的谐振进气管，再对不同直径的谐振腔进行建模，然后经过离散化处理，加到已建立的发动机原机模型中，构建一个全新的谐振进气系统模型，研究不同谐振腔直径对发动机有效功率的影响。

不同谐振腔直径对发动机有效功率的影响如图4 所示。

图4 不同谐振腔直径对发动机有效功率的影响

由图4 可知，直径为20 mm 的谐振腔，在转速为3 200 r/min 前以及转速为3 400 r/min 之后，发动机有效功率均最低；在转速为3 200～3 400 r/min 之间，与其他直径的谐振腔相比也无优势。故淘汰直径20 mm。

谐振腔直径为30 mm 与40 mm 的发动机有效功率对比如图5 所示。

图5 谐振腔直径为30 mm 与40 mm 的发动机有效功率对比

由图5 可知，在转速3 200 r/ min 之后，直径为30 mm 谐振腔和直径为40 mm 的谐振腔对发动机有效功率的影响相差不大；在转速为3 200 r/min 之前，直径为40 mm 的谐振腔，发动机有效功率略微高于直径为30 mm 的谐振腔。故淘汰直径30 mm。

谐振腔直径为50 mm 与60 mm 的发动机有效功率对比如图6 所示。

图6 谐振腔直径为50 mm 与60 mm 的发动机有效功率对比

由图6 可知，在转速为2 900 r/min～3 100 r/min之间，直径为50 mm 的谐振腔，发动机有效功率略微高于直径为60 mm 的谐振腔；在转速为3 100 r/min～3 500 r/min 之间，直径为60 mm 的谐振腔，发动机有效功率明显高于直径为50 mm 的谐振腔，优势区间更长。故淘汰直径50 mm。

谐振腔直径为40 mm 与60 mm 的发动机有效功率对比如图7 所示。

图7 谐振腔直径为40 mm 与60 mm 的发动机有效功率对比

由图7 可知，在转速为3 000 r/min 以前和转速在3 200～3 600 r/min 之间，直径为60 mm 的谐振腔，发动机有效功率明显高于直径为40 mm 的谐振腔；在其他转速区间，直径为40 mm 谐振腔和直径为60 mm 的谐振腔对发动机有效功率的影响相差不大。故淘汰直径40 mm。

谐振腔直径为60 mm 与70 mm 的发动机有效功率对比如图8 所示。

图8 谐振腔直径为60 mm 与70 mm 的发动机有效功率对比

由图8 可知，在转速为2 900～3 200 r/min 之间，直径为70 mm 的谐振腔，发动机有效功率略微高于直径为60 mm 的谐振腔；在转速为3 300 r/min 之后，直径为60 mm 的谐振腔，发动机有效功率明显高于直径为70 mm 的谐振腔。综合考虑经济性，选取直径为60 mm 的谐振腔作为最终设计结果。

谐振进气系统对发动机有效功率的影响如图9所示。

图9 谐振进气系统对发动机有效功率的影响

由图9 可知，相比于原机，仅加装520 mm 进气管，发动机有效功率显著提高。相比于仅加装520 mm 进气管，加装520 mm 进气管与直径为60 mm 的谐振腔，有效功率进一步提高；尤其在较低转速区间，发动机有效功率提高明显，在转速为3 000 r/min 时，发动机有效功率提高最多，为0.33 kW。相比于原机，加装520 mm 进气管与直径为60 mm 的谐振腔的谐振进气系统，发动机有效功率在全部转速区间均得到显著提高，提高幅度均在12%以上；在转速为3 600 r/min时，发动机有效功率提高最多，达到1.43 kW，提高幅度达20.75%。故认为该谐振进气系统设计有效，可提高发动机有效功率，使赛车具有更强的动力表现。

5 防水部件设计

5.1 防水部件要求

根据实际经验，当巴哈赛车在赛道上飞驰，进气系统会受到恶劣环境中飞溅泥水的冲击。在长达4 h的耐力赛中，泥水会以较高的频率冲击赛车。有时候，赛场还会下雨。因此，对防水部件提出了较高的要求。

5.2 防水部件设计方案确定

由于在发动机与进气管的连接处已加装了空气滤清器，因此主要在进气口加装防水部件。为了满足防水要求，且避免因进气阻力过大影响发动机进气量，对进气口防水部件提出2 种设计方案：

1）在进气口加装预过滤器；

2）在进气口加装蘑菇头。

蘑菇头防水部件如图10 所示。

图10 蘑菇头防水部件

在已装有谐振进气系统的模型中，加入预过滤器滤芯，将其简化为粗糙管道，研究其对发动机有效功率的影响。

预过滤器对发动机有效功率的影响如图11 所示。

图11 预过滤器对发动机有效功率的影响

由图11 可知，加装预过滤器后，在高转速区间，发动机有效功率有小幅下降。若因滤芯长时间不更换导致积灰严重，还将导致更大的进气阻力，使有效功率进一步降低。因此从性能方面考虑，初步选择蘑菇头作为防水部件。

将设计好的蘑菇头模型进行3D 打印，装配于实车上进行试车。由于进气管离地高度足够大，且蘑菇头布置隐蔽、遮盖范围足够大，在后续的野外训练中，进气管口只出现少量水滴，车辆并未出现发动机进水、熄火等故障，动力性并未下降，因此认为蘑菇头防水部件可满足防水要求。

6 结论

在百力通提供的原发动机参数基础上，依据相应理论为整车设计了一套全新的谐振进气系统，同时设计了安装于进气口以满足防水要求的防水部件。经过软件仿真分析，与原机相比，优化后的进气系统可显著提高发动机有效功率，最大提高幅度达到20.75%。