劉偉言 王 輝

（武漢理工大學(xué)汽車工程學(xué)院 湖北 武漢 430000）

引言

發(fā)動機(jī)性能是大學(xué)生巴哈賽事中極為重要的一環(huán)，在各個(gè)隊(duì)伍必須使用同一款百力通發(fā)動機(jī)的情況下，如何更好地發(fā)揮這款發(fā)動機(jī)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(dāng)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(gè)方面，一是通過對減速器的傳動比進(jìn)行設(shè)計(jì)、對無級變速器進(jìn)行調(diào)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(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，在保障強(qiáng)度的基礎(chǔ)上進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)輕量化。對賽車而言，一個(gè)良好的進(jìn)氣系統(tǒng)可以進(jìn)一步提高發(fā)動機(jī)的性能，使賽車在賽場上擁有更強(qiáng)的動力表現(xiàn)。在大學(xué)生方程式賽事（FSC）中，有許多與進(jìn)氣系統(tǒng)相關(guān)的研究，包括設(shè)計(jì)進(jìn)氣管長度、穩(wěn)壓腔體積和諧振腔形狀、體積以提高充氣效率，改造發(fā)動機(jī)進(jìn)氣道、燃燒室以增強(qiáng)流動特性，探索渦輪增壓、機(jī)械增壓與進(jìn)氣系統(tǒng)的匹配等等。相較于方程式賽車，巴哈賽車的進(jìn)氣系統(tǒng)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(jìn)氣系統(tǒng)出發(fā)，依據(jù)相應(yīng)理論設(shè)計(jì)了進(jìn)氣管的直徑及長度，并且從方程式賽事的進(jìn)氣系統(tǒng)研究中得到靈感，增設(shè)了諧振腔，在GT-Power 軟件中進(jìn)行模擬仿真，以期利用諧振腔進(jìn)一步提高發(fā)動機(jī)性能。對于越野賽事，惡劣的道路狀況不容忽視。通過在進(jìn)氣口增設(shè)防水部件，使整個(gè)進(jìn)氣系統(tǒng)安全可靠。

1 發(fā)動機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

本文所用發(fā)動機(jī)為百力通M19H 發(fā)動機(jī)，發(fā)動機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 發(fā)動機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

2 進(jìn)氣管參數(shù)確定

2.1 進(jìn)氣管管徑大小確定

進(jìn)氣管管徑方面，依據(jù)大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，Engelaman 總結(jié)出產(chǎn)生最佳波動效果的諧振管管徑計(jì)算公式[1]：

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

代入?yún)?shù)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(jìn)氣管管徑為34 mm。

2.2 進(jìn)氣管長度確定

進(jìn)氣管中由于波動效應(yīng)會形成如圖1 所示的壓力波。圖中，S.O.為進(jìn)氣門開啟時(shí)刻，S.C.為進(jìn)氣門關(guān)閉時(shí)刻。如果使正壓波與下一循環(huán)的進(jìn)氣過程重合，就能增加進(jìn)氣門關(guān)閉時(shí)的壓強(qiáng)，提高充氣效率[2]。

圖1 進(jìn)氣一階壓力波的次數(shù)與諧振

壓力波固有頻率為：

式中：c 為進(jìn)氣管內(nèi)氣體的聲速，m/s；L*為進(jìn)氣管當(dāng)量長度，mm。

當(dāng)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速為n r/min 時(shí)，進(jìn)氣頻率為：

波動次數(shù)q2表明了進(jìn)氣管內(nèi)壓力波的固有頻率與發(fā)動機(jī)進(jìn)氣頻率的配合關(guān)系。為實(shí)現(xiàn)進(jìn)氣管內(nèi)動態(tài)效應(yīng)的有效利用，對波動效應(yīng)，有：

本文所用的百力通M19H 發(fā)動機(jī)，最高轉(zhuǎn)速為3 600 r/min，怠速轉(zhuǎn)速為2 000 r/min。為使其在常用轉(zhuǎn)速情況下有更好的動力輸出，選取2 800～3 600 r/min區(qū)間作為動態(tài)效應(yīng)區(qū)?？紤]防水性能，保證進(jìn)氣口有一定的離地高度，同時(shí)兼顧整車布置要求，取n=3 000 r/min，q2=6.5；進(jìn)氣管內(nèi)氣體的聲速c=340 m/s，通過公式（4）計(jì)算得到進(jìn)氣管長度為520 mm。

3 發(fā)動機(jī)原機(jī)模型的建立與驗(yàn)證

3.1 發(fā)動機(jī)原機(jī)模型的建立

根據(jù)廠家提供的參數(shù)，在GT-power 中創(chuàng)建發(fā)動機(jī)原機(jī)模型。

進(jìn)氣管離散化長度[3]為：

式中：d 為缸徑，mm。

根據(jù)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(shí)進(jìn)行一定簡化，如將空氣濾清器簡化為粗糙管道[5]。

3.2 發(fā)動機(jī)原機(jī)模型的驗(yàn)證

實(shí)際情況中，發(fā)動機(jī)常用轉(zhuǎn)速為2800～3600r/min，故依據(jù)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速在2 800～3 600 r/min 之間的有效功率與轉(zhuǎn)矩來驗(yàn)證所建立的發(fā)動機(jī)原機(jī)模型。

模型計(jì)算結(jié)果與廠家數(shù)據(jù)對比如圖2 所示。

圖2 模型計(jì)算結(jié)果與廠家數(shù)據(jù)對比

由圖2 可知，模型計(jì)算結(jié)果的變化趨勢與廠家數(shù)據(jù)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(nèi)，最小相對誤差在轉(zhuǎn)速為3 400 r/min 處產(chǎn)生，約為0.005%。對于轉(zhuǎn)矩，兩者的相對誤差均在6%以內(nèi)，最小相對誤差在轉(zhuǎn)速為3 400 r/min 處產(chǎn)生，約為0.2%?？傮w而言，模型計(jì)算結(jié)果與廠家數(shù)據(jù)的相對誤差均在試驗(yàn)允許的10%之內(nèi)。故認(rèn)為該模型精度高，可用于后續(xù)的仿真分析。

4 諧振腔設(shè)計(jì)

4.1 諧振腔的基本幾何尺寸

諧振腔可以利用進(jìn)氣管道中生成的壓力波來提高進(jìn)氣門關(guān)閉前諧振腔體中的氣體壓力，與進(jìn)氣諧振管相配合進(jìn)一步提高充氣效率。同時(shí)，相較于其他增壓進(jìn)氣機(jī)構(gòu)，諧振增壓進(jìn)氣機(jī)構(gòu)沒有運(yùn)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(xué)生方程式賽事（FSC）諧振腔的設(shè)計(jì)方法，本文根據(jù)亥姆霍茲諧振原理[6]設(shè)計(jì)球型諧振腔結(jié)構(gòu)如圖3 所示。圖3 中，底部為進(jìn)氣管，中部為喉口，上部為諧振腔。

圖3 諧振腔結(jié)構(gòu)示意圖

大多數(shù)情況下，諧振腔的容積設(shè)定為發(fā)動機(jī)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(jì)算公式為：

已知該發(fā)動機(jī)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(shí)際因素會產(chǎn)生理論計(jì)算的不足，依據(jù)理論值，同時(shí)考慮實(shí)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(jìn)行對比，選出最佳直徑。

4.2 諧振腔直徑對發(fā)動機(jī)有效功率的影響

加上經(jīng)過設(shè)計(jì)計(jì)算的諧振進(jìn)氣管，再對不同直徑的諧振腔進(jìn)行建模，然后經(jīng)過離散化處理，加到已建立的發(fā)動機(jī)原機(jī)模型中，構(gòu)建一個(gè)全新的諧振進(jìn)氣系統(tǒng)模型，研究不同諧振腔直徑對發(fā)動機(jī)有效功率的影響。

不同諧振腔直徑對發(fā)動機(jī)有效功率的影響如圖4 所示。

圖4 不同諧振腔直徑對發(fā)動機(jī)有效功率的影響

由圖4 可知，直徑為20 mm 的諧振腔，在轉(zhuǎn)速為3 200 r/min 前以及轉(zhuǎn)速為3 400 r/min 之后，發(fā)動機(jī)有效功率均最低；在轉(zhuǎn)速為3 200～3 400 r/min 之間，與其他直徑的諧振腔相比也無優(yōu)勢。故淘汰直徑20 mm。

諧振腔直徑為30 mm 與40 mm 的發(fā)動機(jī)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(fā)動機(jī)有效功率對比

由圖5 可知，在轉(zhuǎn)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(fā)動機(jī)有效功率的影響相差不大；在轉(zhuǎn)速為3 200 r/min 之前，直徑為40 mm 的諧振腔，發(fā)動機(jī)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(fā)動機(jī)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(fā)動機(jī)有效功率對比

由圖6 可知，在轉(zhuǎn)速為2 900 r/min～3 100 r/min之間，直徑為50 mm 的諧振腔，發(fā)動機(jī)有效功率略微高于直徑為60 mm 的諧振腔；在轉(zhuǎn)速為3 100 r/min～3 500 r/min 之間，直徑為60 mm 的諧振腔，發(fā)動機(jī)有效功率明顯高于直徑為50 mm 的諧振腔，優(yōu)勢區(qū)間更長。故淘汰直徑50 mm。

諧振腔直徑為40 mm 與60 mm 的發(fā)動機(jī)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(fā)動機(jī)有效功率對比

由圖7 可知，在轉(zhuǎn)速為3 000 r/min 以前和轉(zhuǎn)速在3 200～3 600 r/min 之間，直徑為60 mm 的諧振腔，發(fā)動機(jī)有效功率明顯高于直徑為40 mm 的諧振腔；在其他轉(zhuǎn)速區(qū)間，直徑為40 mm 諧振腔和直徑為60 mm 的諧振腔對發(fā)動機(jī)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(fā)動機(jī)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(fā)動機(jī)有效功率對比

由圖8 可知，在轉(zhuǎn)速為2 900～3 200 r/min 之間，直徑為70 mm 的諧振腔，發(fā)動機(jī)有效功率略微高于直徑為60 mm 的諧振腔；在轉(zhuǎn)速為3 300 r/min 之后，直徑為60 mm 的諧振腔，發(fā)動機(jī)有效功率明顯高于直徑為70 mm 的諧振腔。綜合考慮經(jīng)濟(jì)性，選取直徑為60 mm 的諧振腔作為最終設(shè)計(jì)結(jié)果。

諧振進(jìn)氣系統(tǒng)對發(fā)動機(jī)有效功率的影響如圖9所示。

圖9 諧振進(jìn)氣系統(tǒng)對發(fā)動機(jī)有效功率的影響

由圖9 可知，相比于原機(jī)，僅加裝520 mm 進(jìn)氣管，發(fā)動機(jī)有效功率顯著提高。相比于僅加裝520 mm 進(jìn)氣管，加裝520 mm 進(jìn)氣管與直徑為60 mm 的諧振腔，有效功率進(jìn)一步提高；尤其在較低轉(zhuǎn)速區(qū)間，發(fā)動機(jī)有效功率提高明顯，在轉(zhuǎn)速為3 000 r/min 時(shí)，發(fā)動機(jī)有效功率提高最多，為0.33 kW。相比于原機(jī)，加裝520 mm 進(jìn)氣管與直徑為60 mm 的諧振腔的諧振進(jìn)氣系統(tǒng)，發(fā)動機(jī)有效功率在全部轉(zhuǎn)速區(qū)間均得到顯著提高，提高幅度均在12%以上；在轉(zhuǎn)速為3 600 r/min時(shí)，發(fā)動機(jī)有效功率提高最多，達(dá)到1.43 kW，提高幅度達(dá)20.75%。故認(rèn)為該諧振進(jìn)氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)有效，可提高發(fā)動機(jī)有效功率，使賽車具有更強(qiáng)的動力表現(xiàn)。

5 防水部件設(shè)計(jì)

5.1 防水部件要求

根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)巴哈賽車在賽道上飛馳，進(jìn)氣系統(tǒng)會受到惡劣環(huán)境中飛濺泥水的沖擊。在長達(dá)4 h的耐力賽中，泥水會以較高的頻率沖擊賽車。有時(shí)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(shè)計(jì)方案確定

由于在發(fā)動機(jī)與進(jìn)氣管的連接處已加裝了空氣濾清器，因此主要在進(jìn)氣口加裝防水部件。為了滿足防水要求，且避免因進(jìn)氣阻力過大影響發(fā)動機(jī)進(jìn)氣量，對進(jìn)氣口防水部件提出2 種設(shè)計(jì)方案：

1）在進(jìn)氣口加裝預(yù)過濾器；

2）在進(jìn)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(jìn)氣系統(tǒng)的模型中，加入預(yù)過濾器濾芯，將其簡化為粗糙管道，研究其對發(fā)動機(jī)有效功率的影響。

預(yù)過濾器對發(fā)動機(jī)有效功率的影響如圖11 所示。

圖11 預(yù)過濾器對發(fā)動機(jī)有效功率的影響

由圖11 可知，加裝預(yù)過濾器后，在高轉(zhuǎn)速區(qū)間，發(fā)動機(jī)有效功率有小幅下降。若因?yàn)V芯長時(shí)間不更換導(dǎo)致積灰嚴(yán)重，還將導(dǎo)致更大的進(jìn)氣阻力，使有效功率進(jìn)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(shè)計(jì)好的蘑菇頭模型進(jìn)行3D 打印，裝配于實(shí)車上進(jìn)行試車。由于進(jìn)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(xù)的野外訓(xùn)練中，進(jìn)氣管口只出現(xiàn)少量水滴，車輛并未出現(xiàn)發(fā)動機(jī)進(jìn)水、熄火等故障，動力性并未下降，因此認(rèn)為蘑菇頭防水部件可滿足防水要求。

6 結(jié)論

在百力通提供的原發(fā)動機(jī)參數(shù)基礎(chǔ)上，依據(jù)相應(yīng)理論為整車設(shè)計(jì)了一套全新的諧振進(jìn)氣系統(tǒng)，同時(shí)設(shè)計(jì)了安裝于進(jìn)氣口以滿足防水要求的防水部件。經(jīng)過軟件仿真分析，與原機(jī)相比，優(yōu)化后的進(jìn)氣系統(tǒng)可顯著提高發(fā)動機(jī)有效功率，最大提高幅度達(dá)到20.75%。