進氣支管對航空活塞發(fā)動機進氣性能的影響

王振領(lǐng) 王全振 韓曉標 邱晨曦 胡靖斌 季宏 孟建 鄭斌

摘要： 為了提升某型航空活塞式發(fā)動機的進氣性能，本文構(gòu)建了一維發(fā)動機整機仿真模型，并耦合了進氣系統(tǒng)的三維計算模型，研究了進氣歧管結(jié)構(gòu)參數(shù)變化對發(fā)動機進氣性能的影響。研究結(jié)果表明：當發(fā)動機轉(zhuǎn)速為5500r/min、節(jié)氣門開度為65%時，隨著支管長度的增加，發(fā)動機各缸平均進氣量呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，每循環(huán)各缸平均進氣量最大增加32.075mg，同比增長9.53%。同時，在進氣量最大時，與原型機相比，各缸進氣均勻性和整機均勻性也有所提升，且改進前后整機進氣均勻性提升了23.56%。

Abstract： In order to improve the intake performance of an aero piston engine， a one-dimensional engine simulation model is built， and the three-dimensional calculation model of intake system is coupled to study the influence of intake manifold structure parameters on the intake performance of the engine. The results show that： when the engine speed is 5500r / min and the throttle opening is 65%， with the increase of the length of the branch pipe， the average air intake of each cylinder first increases and then decreases， and the maximum average air intake of each cylinder in each cycle increases by 32.075mg， with a year-on-year increase of 9.53%. At the same time， when the air intake is the largest， the air intake uniformity of each cylinder and the whole machine are also improved compared with the original machine， and the air intake uniformity of the whole machine is improved by 23.56% before and after the improvement.

關(guān)鍵詞： 航空活塞式發(fā)動機;進氣性能;進氣歧管;平均進氣量;進氣均勻性

Key words： aviation piston engine;intake performance;intake manifold;average air intake;intake uniformity

中圖分類號：V263.5????????????????????????????????????? 文獻標識碼：A??????????????????????????????? ? 文章編號：1674-957X（2021）21-0008-04

0? 引言

進氣系統(tǒng)作為發(fā)動機的重要組成部分，其主要作用是為發(fā)動機輸送清潔、干燥、充足而穩(wěn)定的空氣以滿足發(fā)動機的需求，同時保證多缸發(fā)動機各缸循環(huán)進氣量的差異不超過應(yīng)有的范圍，以避免對整機性能產(chǎn)生不利的影響。將工質(zhì)均勻的送入各氣缸是檢驗發(fā)動機進氣系統(tǒng)設(shè)計是否良好的重要條件之一，性能優(yōu)良的進氣系統(tǒng)要盡可能減少流道內(nèi)的漩渦，減少流動損失的同時，增大各缸進氣量，同時保證各缸的新鮮空氣盡可能均勻分配，保證整機的動力性、可靠性和排放性能[1]。

對于發(fā)動機進氣系統(tǒng)的研究一直備受學(xué)者的關(guān)注。徐斌等[2]利用標定的模型對某型活塞發(fā)動機的進氣均勻性進行分析，利用定質(zhì)量流量觀察出口壓差的方式判斷整機的進氣均勻性，結(jié)果發(fā)現(xiàn)各缸進氣不均勻程度較大，主要是由于歧管長度設(shè)計不合理導(dǎo)致。殷玉恩等[3]使用GT-POWER和STAR-CD軟件的一/三維耦合仿真計算了某直列六缸天然氣發(fā)動機的各缸進氣量、進氣不均勻度，對進氣管道的設(shè)計有一定的指導(dǎo)作用。李天鵬等[4]利用Fluent軟件對某型發(fā)動機進氣歧管結(jié)構(gòu)改進前、后進行了三維數(shù)值模擬，合理的設(shè)計進氣管入口的布置位置以及穩(wěn)壓腔的結(jié)構(gòu)提升發(fā)動機進氣系統(tǒng)的進氣性能。Xu[5]設(shè)計了三種進氣歧管結(jié)構(gòu)，利用FLUENT軟件進行三維流場模擬仿真，分析了進氣系統(tǒng)進氣不均勻的原因。E.A.A[6]等采用一維仿真平臺，在不同轉(zhuǎn)速下，對進氣歧管的幾何形狀進行了優(yōu)化，提出了進氣歧管的可變配置對發(fā)動機的動力性和經(jīng)濟性有顯著影響。

綜上所述，大部分現(xiàn)有研究是基于汽車發(fā)動機對進氣系統(tǒng)進行分析，對航空活塞發(fā)動機的進氣系統(tǒng)研究較少。因此，本文從實際試驗出發(fā)，利用GT-POWER軟件仿真分析航空活塞發(fā)動機進氣系統(tǒng)，研究進氣系統(tǒng)支管長度變化對航空發(fā)動機進氣性能的影響規(guī)律，以期為該型發(fā)動機改進提供基礎(chǔ)支持。

1? 發(fā)動機模型的建立與驗證

1.1 模型建立

試驗用機為某型航空活塞式發(fā)動機，相關(guān)技術(shù)參數(shù)見文獻[7]。發(fā)動機整機模型包括外部環(huán)境、進氣系統(tǒng)、噴油器、氣缸、曲軸箱、排氣系統(tǒng)等子模型，將上述子模型進行連接后得到如圖1所示的發(fā)動機整機模型。進氣系統(tǒng)子模型主要由進氣歧管、穩(wěn)壓腔和外接管組成，外接管是連接在穩(wěn)壓腔與節(jié)氣門之間的圓直管道，管徑和節(jié)氣門直徑相同。本文采用UG軟件建立進氣系統(tǒng)三維模型，如圖2所示，導(dǎo)出STL格式，利用GEM3D將三維模型轉(zhuǎn)化為計算所需要的一維模型，發(fā)動機進氣系統(tǒng)的離散長度一般取0.4倍缸徑，即31.8mm。進氣系統(tǒng)一維子模型如圖3所示。

計算模型中進氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。根據(jù)試驗過程中采集的數(shù)據(jù)設(shè)置邊界條件，對于外部環(huán)境子模型，主要設(shè)置環(huán)境溫度和壓力，環(huán)境溫度設(shè)為300K，環(huán)境壓力設(shè)為一個標準大氣壓即1.01325bar，進氣系統(tǒng)壁溫設(shè)置為300K，傳熱系數(shù)和摩擦系數(shù)均取1。

1.2 仿真模型的驗證

為保證下步仿真模擬計算數(shù)據(jù)的準確程度，需要對發(fā)動機一維仿真模型進行驗證。本文選取發(fā)動機轉(zhuǎn)速從3000rpm/min到5500rpm/min時的性能變化規(guī)律，將仿真結(jié)果和試驗數(shù)據(jù)進行對比。

圖4為發(fā)動機在不同轉(zhuǎn)速時的仿真結(jié)果與試驗數(shù)據(jù)的對比。從圖中可以看出，在轉(zhuǎn)速3000rpm/min到5500rpm/min的工況下，發(fā)動機功率、扭矩和進氣系統(tǒng)支管壓力的仿真結(jié)果的變化趨勢和試驗數(shù)據(jù)的變化趨勢基本一致，誤差均在10%以內(nèi)，功率在3500r/min時有最大誤差4.2%，同樣，扭矩在3500r/min時有最大誤差4.6%，支管壓力在3500r/min時有最大誤差7.02%，誤差在合理范圍內(nèi)，可以運用該模型進行后續(xù)研究。

1.3 研究內(nèi)容及評價指標

為確保在發(fā)動機高轉(zhuǎn)速、大負荷下，發(fā)動機進氣性能保持良好，本文依據(jù)航空活塞發(fā)動機實際飛行工況，分析發(fā)動機轉(zhuǎn)速為5500r/min、節(jié)氣門開度為65%（即平飛試驗）工況點時，發(fā)動機進氣性能隨進氣系統(tǒng)支管長度變化的規(guī)律。以驗證后的模型為基礎(chǔ)，對進氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進行發(fā)動機在上述工況下的一維仿真計算。原型進氣系統(tǒng)支管長度為118mm，間隔50mm改變支管長度，依此取68mm、168mm、218mm、268mm、318mm、368mm。

本文對發(fā)動機進氣性能的評價指標為各缸平均進氣量、各缸進氣均勻性和整機進氣均勻性。各缸平均進氣量即為在發(fā)動機循環(huán)達到穩(wěn)定時，單個循環(huán)內(nèi)各缸進氣量的平均值;各缸進氣均勻性和整機進氣均勻性的好壞決定著發(fā)動機缸內(nèi)燃燒狀況，從而影響發(fā)動機各方面性能。采用不均勻度mi和Δm來評價各缸進氣均勻性和整機進氣均勻性的好壞，計算方法如式（1）和式（2）所示：

2? 計算結(jié)果及分析

2.1 對各缸平均進氣量的影響

圖5為發(fā)動機循環(huán)到達穩(wěn)定時，每循環(huán)各缸平均進氣量。由圖可知，隨著發(fā)動機進氣系統(tǒng)支管長度的增加，各缸平均進氣量呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。在逐漸增加支管長度的過程中，存在某個支管長度使其各缸平均進氣量保持最大值，當進氣系統(tǒng)支管長度從原來的118mm增加到318mm時，發(fā)動機各缸平均進氣量增加了32.075mg，同比增長9.53%，其主要原因是隨著進氣門的開啟，由于活塞的抽吸作用產(chǎn)生的膨脹波在管內(nèi)反向傳播，使管內(nèi)壓力出現(xiàn)波谷，膨脹波在進氣口處被反射為壓縮波并再次向進氣門處傳播，并在進氣門關(guān)閉時刻恰好形成正的壓縮波，有利于下一循環(huán)的進氣[8]。

2.2 對各缸進氣和整機均勻性的影響

根據(jù)式（1）和式（2）分別計算發(fā)動機各缸進氣均勻性和整機進氣均勻性。不同支管長度時，發(fā)動機各缸進氣均勻性均良好，當支管長度為318mm時，發(fā)動機每個缸進氣均勻性都相對較好，且各缸之間的均勻性相差較小。表2為改進前（支管長度118mm）和改進后（支管長度318mm）整機不均勻度對比。由表可知，改進進氣系統(tǒng)支管長度后，發(fā)動機整機進氣均勻性提升了23.56%，此時發(fā)動機各缸平均進氣量達到最大值，由仿真結(jié)果可知，發(fā)動機動力性和經(jīng)濟性均有明顯提升，因此支管長度選取318mm最為合適。圖6為改進進氣系統(tǒng)支管長度后，各缸進氣均勻性對比圖。可以看出，當支管長度從原來的118mm增加到318mm時，除卻2缸外，發(fā)動機其余氣缸進氣均勻性有所改善。

3? 結(jié)論

本文利用一維仿真方法對發(fā)動機平飛試驗工況點下的發(fā)動機進氣性能展開分析，通過改變進氣支管長度，分析了這一參數(shù)變化對發(fā)動機各缸平均進氣量、各缸進氣均勻性和整機均勻性的影響規(guī)律，得出以下結(jié)論：

隨著發(fā)動機進氣系統(tǒng)支管長度的增大，在平飛試驗工況點下，發(fā)動機各缸平均進氣量呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，在支管長度為318mm時，各數(shù)值達到最大值。當支管長度為318mm時，各缸進氣量明顯提高，每循環(huán)各缸平均進氣量增加32.075mg，同比增長9.53%;且各缸進氣均勻性和整機均勻性有所改善，改進前后整機進氣均勻性提升了23.56%，除卻2缸外，發(fā)動機其余氣缸進氣均勻性有所改善，發(fā)動機動力性等性能指標良好，因此選取支管長度318mm對發(fā)動機進氣性能最優(yōu)。

參考文獻：

[1]崔華盛，趙振峰，王恩華，楊瓊瑤，劉宇航.某航空活塞發(fā)動機進氣系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計[J].航空動力學(xué)報，2019，34（09）：2063-2070.

[2]徐斌，劉波，楊世春，姬芬竹.某型航空活塞發(fā)動機進排氣系統(tǒng)優(yōu)化分析[J].航空動力學(xué)報，2014，29（03）：624-630.

[3]殷玉恩，田永海，劉勝.基于一三維模型耦合仿真的柴油機進氣系統(tǒng)優(yōu)化[J].小型內(nèi)燃機與摩托車，2011，40（02）：75-77.

[4]李天鵬，楊良勇，彭來森.基于CFD發(fā)動機進氣歧管內(nèi)氣體流動仿真分析[J].現(xiàn)代車用動力，2016（04）：20-22，58.

[5]Jianmin Xu. Flow analysis of engine intake manifold based on computational fluid dynamics[J]. Journal of Physics： Conference Series，2017，916（1）.

[6]E.A.A. Silva， A.A.V. Ochoa， J.R. Henríquez.Analysis and runners length optimization of the intake manifold of a 4-cylinder spark ignition engine，Energy Conversion and Management，Volume188，2019，Pages 310-320，ISSN 0196-8904.

[7]孟建，劉澤硯，趙樂文，王紹卿，孫鵬，孔喜磊，劉輝.某航空活塞發(fā)動機活塞溫度場性能分析[A].中國航天第三專業(yè)信息網(wǎng)、中國科協(xié)航空發(fā)動機產(chǎn)學(xué)聯(lián)合體（籌）.中國航天第三專業(yè)信息網(wǎng)第四十屆技術(shù)交流會暨第四屆空天動力聯(lián)合會議論文集——S12航空活塞發(fā)動機技術(shù)[C].中國航天第三專業(yè)信息網(wǎng)、中國科協(xié)航空發(fā)動機產(chǎn)學(xué)聯(lián)合體（籌）：中國航天第三專業(yè)信息網(wǎng)，2019：6.

[8]劉雁澤.多缸柴油機進排氣系統(tǒng)一三維耦合仿真分析[D].哈爾濱工程大學(xué)，2018.