加装谐振腔的巴哈赛车进气系统设计.pdf

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Design of Baja Racing Intake System With PlenumLIU Weiyan;WANG HuiSchool of Automotive Engineering,Wuhan University of Technology(Wuhan,Hubei,430000,China)Abstract：In order to improve the charge efficiency of Baja racing engine,enhance the performance of theengine,and take into account the safety,the intake system of Baja racing car was designed.Firstly,the di原ameter and length of the intake pipe were calculated according to the fluctuation effect.Then the enginemodel was established in GT-Power software according to the original engine parameters,and a plenumwas added.The effects of cavitys diameter on engines output power were compared to select the bestone.Finally,the intake pipe waterproof part is designed to make the car have better waterproof perfor原mance to face the harsh environment of the off-road track.Keywords：BajaRacing;Intakesystem;GT-Power;Simulationanalysis;Plenum;Design摘要：为了提高赛车发动机的充气效率，进而提高发动机的性能，同时兼顾安全性，对小型越野巴哈赛车的进气系统进行了设计。首先依据波动效应计算进气管直径和长度；再依据发动机原机参数在GT-Power仿真软件中建立发动机原机模型，增设谐振腔，依据谐振腔对发动机有效功率的影响，选择出最佳谐振腔直径；最后设计进气口防水部件，使赛车具备较好的防水性能，以面对越野赛道恶劣的环境。关键词：巴哈赛车进气系统GT-Power仿真分析谐振腔设计中图分类号：U464.12文献标识码：A文章编号：2095-8234（2024）01-0022-05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）*基金项目：2022年度大学生创新创业训练计划项目资助（S202210497258）。作者简介：刘伟言（2001-），男，本科生，主要研究方向为巴哈赛车动力传动系统设计。通讯作者：王辉（1984-），男，教授，主要研究方向为节能与新能源汽车轻量化技术。小 型 内 燃 机 与 车 辆 技 术SMALL INTERNAL COMBUSTION ENGINE AND VEHICLE TECHNIQUE第53卷第1期圆园24年2月Vol.53 No.1Feb.2024 设计 计算 第1期腔，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。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：di=nVe姨921（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抑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。压力波固有频率为：f1=c4L*（2）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：f2=n120（3）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：q2=f1f2=30cnL*（4）由图1可见，当q2=112，212等时，在第2个周期进气门开启时，正压波与该周期的进气过程重合，提高了充气效率。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28003600r/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 000r/min，q2=6.5；进气管内气体的声速c=340m/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：l=d 伊 0.4（5）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28003600r/min，故依据发动机转速在2 8003 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。项目参数排量/mL305缸径/mm79.24行程/mm61.93机油容量/L0.8压缩比8:1表1发动机主要技术参数11122212第1个周期第2个周期S.O.S.C.S.O.S.C.图1进气一阶压力波的次数与谐振时间/s刘伟言等：加装谐振腔的巴哈赛车进气系统设计23小型内燃机与车辆技术第53卷由图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。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：d=2 伊34仔伊 Ve伊 0.553（6）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。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 2003 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。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3谐振腔结构示意图图4不同谐振腔直径对发动机有效功率的影响987652 8003 6003 4003 200转速/（rmin-1）3 00020 mm30 mm40 mm50 mm60 mm70 mm图2模型计算结果与厂家数据对比1211109876542 8003 6003 4003 200转速/（rmin-1）3 0002520151050转矩（模型计算结果）转矩（厂家数据）有效功率（模型计算结果）有效功率（厂家数据）24第1期由图6可知，在转速为2 900 r/min3 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/min3 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。由图7可知，在转速为3 000 r/min以前和转速在3 2003 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。由图8可知，在转速为2 9003 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。由图9可知，相比于原机，仅加装520mm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。图5谐振腔直径为30 mm与40 mm的发动机有效功率对比987652 8003 6003 4003 200转速/（rmin-1）3 000图6谐振腔直径为50 mm与60 mm的发动机有效功率对比98762 8003 6003 4003 200转速/（rmin-1）3 000图8谐振腔直径为60 mm与70 mm的发动机有效功率对比98762 8003 6003 4003 200转速/（rmin-1）3 000图9谐振进气系统对发动机有效功率的影响987652 8003 6003 4003 200转速/（rmin-1）3 000图7谐振腔直径为40 mm与60 mm的发动机有效功率对比98762 8003 6003 4003 200转速/（rmin-1）3 00030 mm40 mm50 mm60 mm40 mm60 mm60 mm70 mm加装520 mm进气管与直径60 mm谐振腔加装520 mm进气管原机刘伟言等：加装谐振腔的巴哈赛车进气系统设计25小型内燃机与车辆技术第53卷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。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。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%。参考文献1侯献军，巩学军，方丹，等.LJ276M电喷汽油机进气系统设计及优化J.武汉理工大学学报（交通科学与工程版），2009，33（4）：635-638.2颜伏伍.汽车发动机原理（第4版）M.北京：机械工业出版社，2020.3代文庆.FSAE赛车内燃机进气系统优化设计D.重庆：重庆大学，2016.4周思伟，严世榕.基于发动机一维仿真的赛车J形谐振腔设计J.系统仿真技术，2018，14（2）：131-135.5洪汉池，白煜杰，钟铭恩.FSAE赛车发动机谐振进气系统仿真及设计J.厦门理工学院学报，2012，20（3）：29-33.6谭建伟，葛蕴珊，毕晔，等.基于一维/三维模型耦合仿真的汽车进气谐振器设计J.汽车工程，2007，29（10）：859-864.7张朝山，熊树生，周超.进气谐振器容积对汽油机进气性能的影响研究J.机电工程，2016，33（6）：749-753援（收稿日期：2022-10-18）图10蘑菇头防水部件图11预过滤器对发动机有效功率的影响98762 8003 6003 4003 200转速/（rmin-1）3 000加装谐振进气系统加装谐振进气系统与预过滤器26