[摘要] 本文详细阐述了XML6126J33车型进气口顶置式进气道的设计及优化过程。结合气体动力学原理，应用UGS NX6.0软件进行曲面设计，最终达到了降低进气阻力的目的。

[关键词] 客车；顶进气；气体动力学；进气道设计；曲面设计

XML6126J33车型为厦门金龙旅行车有限公司生产的发动机后置式12m级豪华客车，发动机型号为F2CE0681B* B052，功率为380 kW。

后置发动机客车的进气方式大致可以分为侧面进气和顶上进气2种，顶上进气的优点是保证了进气的纯净，最大程度地避免了道路污水和灰尘等的侵入，在一定程度上提高了车辆的通过性，改善了发动机的工作环境。缺点是进气道过长，如果设计不合理，会增大进气阻力，严重时满足不了发动机的进气量需求。

为了保证发动机在用户手中以最经济、最优性能、持久可靠地运行，并为设计持续改进提供依据，需要对新车型的发动机搭载安装进行试验评审。XML6126J33车型第一台样车的发动机搭载试验在厦门至龙岩高速公路上进行。试验依据为《上菲红发动机搭载技术协议》和厦门金龙旅行车有限公司企业标准《302-发动机搭载试验方法和限值》。本次试验对进气阻力进行了测试，实测结果如表1所示。

试验结果表明发动机在爬坡行驶和加速行驶2种工况下进气阻力过大，这会导致发动机功率下降，油耗增大。

1 分析过程

此发动机为大马力增压发动机，各个工况所需的进气量很大，该车型的顶进气道沿用自其他车型，可能满足不了要求。具体分析如下：

（1）进气道不流畅，阻力过大；

（2）进气口尺寸太小，进气量不够；

（3）由于压力传感器安装在空滤器之后，怀疑空滤器本身阻力大。

空滤器为外购件，同一批次差别不会很大，所以即使更换也不会有很大改善；而且此空滤器的容量已经足够满足要求。因此需要重新设计进气道。

2 原理设计

原进气道折弯过多，存在截面突变。如图1所示：

图1 原有进气道

根据气体动力学可知，气体在管道内的流动既有沿程损失又有局部损失[1]。沿程损失是不可避免的，管道越长，沿程损失就越大。而局部损失可以通过控制管道形状来减小。引起局部损失的原因主要有：

（1）截面突然变化。气体在管道突然扩张处不可能马上贴附于壁面，而是在拐角的尖点处离开壁面形成一系列旋涡，由于摩擦作用，一部分机械能不可逆转地转换成热能；

（2）气流方向急剧变化。气体在弯曲管道内流动，由于流线发生弯曲，气体在向心力的作用下形成压强差，这样气体在管内形成螺旋状的交替流动，从而消耗掉一部分机械能。

综上所述，碰撞和旋涡是产生局部损失的主要原因，也是导致阻力增大的主要原因。

因此，为了进气流畅，应尽量减少进气道截面突变，并用易成型材料（如玻璃钢）做成流线型。

3 造型设计

在已有车身骨架模型的基础上，应用UG样条曲线工具进行管道走向布置，主要考虑如何在狭小的车身骨架间隙内通过。如图2所示：

图2 边界简化模型

选取合适截面。客车进气道大部分为铁制件，少数有简易模具，很少采用精密模具加工，更不会像轿车进气道那样复杂。因此，进气道截面形状要尽量简单，方便制造。由于现有进气道截面为直径130 mm的圆形截面，面积为：

（1）

为了增大截面面积，将截面拉成近似椭圆形，实际上由2个半径为65的半圆加一个长方形构成，面积为：

（2）

改进后比之前面积增大49%。受顶进气罩形状所限，已接近极限尺寸。

应用扫掠工具，在关键位置控制截面方向，结果如图3、4所示。

图3 管道截面扭转

图4 后视图

一般进气道都有至少一个谐振腔，为了稳定气流，减小进气噪声[2]。原进气道，也有一个封箱，起到谐振腔和除湿的作用。因此等截面扫描后的管道不能满足要求，需要考虑变截面方案。

根据气体动力学可知，管道截面积变化对气流参数是有影响的[1]。对于亚声速气流，在收缩形管道中，速度和马赫数增大，压强、密度和温度减小；在扩张形管道中，速度和马赫数减小，压强、密度和温度增加。为了达到使气流加速的效果，管道必然有收缩段；为了达到集气的作用，管道必然有扩张段，又由气体动力学可知，管道扩张角为6°～12°时能量损失最小。考虑车身骨架空间的限制，决定采用两级扩张的方案，并控制管道中任意一处截面面积均大于进口截面。应用UG造型工具，根据车身骨架的约束，经过多次调整后，结果如图5所示：

图5 尽可能充分利用有限空间

进气过程气流状态为：由大气进入进气道（加速、冷却）——进入扩张段（减速、稳定、增压）——进入收缩段（加速、冷却）——进入最后扩张段（减速、增压、水汽凝结）——进入空滤器。

考虑安装方便，管道分上下两段，对接处用泡沫胶密封。最终方案如图6所示：

图6 采用自攻钉固定在车身骨架上

现在要考虑气流在管道里流动的沿程损失，由气体动力学可知，管道流动有摩擦壅塞现象[1]，壅塞将使气流的压强升高，对流动造成扰动。对于亚声速气流，压强升高的这一扰动将会逆流传播，扰动会一直影响到管道进口，使进口流速降低。一旦出现这种现象气流将很难通过，对应的管道长度有一个临界值。根据气体动力学中的摩擦管流理论，一般都设想管子有一个临界截面，然后把进口截面的气流参数和需要计算的那个截面上的参数都和临界截面建立联系。若以 表示气流速度达到声速时的管长，对应于 的气流速度因数 ，得

（3）

式中， 为摩擦管流的临界折合长度。平均摩擦因数 ，亚声速时 。

由式（3）可以看出，对于给定的进口速度因数 ，就有一个相应的管道最大长度 ，若实际管长超过此长度，即使出口反压足够低，以 流入管道的流量也无法从出口排出，流动将出现壅塞现象。

现在管道的长度是已知的，经过测量 ；管道直径取最小截面处的等效值， ，反求进口的速度因数 （ 时气流速度等于临界声速）。根据气体动力学可知，如果速度因数大于1.65，流动就会发生壅塞，而事实上，此进气道气流速度不会超过声速。也就是说此进气道足够满足要求，当气流速度达到最大时也不会发生壅塞。

上文已经提到，沿程损失是不可避免的，而且随管道长度增加而增大。现在管道比较长，似乎应该计算一下具体值，以便优化。但是，客车行业现有的技术与工艺不允许我们过多关注沿程损失的具体值，我们能做的只是尽量减小其损失，落实到制造上就是尽量降低管壁的摩擦系数[1]。

4 加工制造

由于客车进气道装车后一般不拆卸，隐藏在车身内部，因此对表面美观度无要求，但是为了进气流畅，内壁要光滑。考虑到此进气道形状复杂，决定采用玻璃钢[3]制造，内壁要求光滑。

玻璃钢是由玻璃纤维增强的塑料基复合材料，其强度相当于钢材，拥有像玻璃那样具有耐腐蚀、绝缘、隔热和易成型等优点。其成本也十分低廉。

委托厦门当地一家玻璃钢加工厂开模，并加工出产品，然后拆卸原有进气道，换装新开发的进气道。这是一个协同性要求很高的过程。

5 二次试验

更换进气道后，再次进行发动机搭载试验。试验过程中，据驾驶员反应：可以明显感觉到发动机加速有力，反应迅速。试验结果符合要求，如表2所示。

采用重新设计的进气道之后，大大降低了发动机的进气阻力，使得发动机的功率得到自由释放。相信改进之后，发动机的排放和油耗也会得到改善。看来，这次设计不仅仅是一项技术革新，更是对节能环保呼声的一次响应。

参考文献：

[1] 王新月.气体动力学基础[M].西安：西北工业大学出版社,2006.

[2] 陈南.汽车振动与噪声控制[M].北京：人民交通出版社,2005.

[3] 邹宁宇.玻璃钢制品手工成型工艺[M].北京：化学工业出版社,2006.

Design of Overhead Air Intake Type Inlet for Passenger Buses

Han Tianfeng

(Xiamen King Long Van Co., Ltd., Xiamen 361022, China)

Abstract: The design and optimization process of overhead air intake type inlet of XML6126J33 bus were expounded. Combined with gas dynamics, the UGS NX6.0 software was employed to design the curved surface to achieve the goal of reducing intake resistance.

Keywords: bus; overhead air intake; gas dynamics; inlet design; curved surface design