進氣支管對航空活塞發動機進氣性能的影響

王振領 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動機的進氣性能，本文構建了一維發動機整機仿真模型，并耦合了進氣系統的三維計算模型，研究了進氣歧管結構參數變化對發動機進氣性能的影響。研究結果表明：當發動機轉速為5500r/min、節氣門開度為65%時，隨著支管長度的增加，發動機各缸平均進氣量呈現先增大后減小的趨勢，每循環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.

關鍵詞： 航空活塞式發動機;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

進氣系統作為發動機的重要組成部分，其主要作用是為發動機輸送清潔、干燥、充足而穩定的空氣以滿足發動機的需求，同時保證多缸發動機各缸循環進氣量的差異不超過應有的范圍，以避免對整機性能產生不利的影響。將工質均勻的送入各氣缸是檢驗發動機進氣系統設計是否良好的重要條件之一，性能優良的進氣系統要盡可能減少流道內的漩渦，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]。

對于發動機進氣系統的研究一直備受學者的關注。徐斌等[2]利用標定的模型對某型活塞發動機的進氣均勻性進行分析，利用定質量流量觀察出口壓差的方式判斷整機的進氣均勻性，結果發現各缸進氣不均勻程度較大，主要是由于歧管長度設計不合理導致。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動機的各缸進氣量、進氣不均勻度，對進氣管道的設計有一定的指導作用。李天鵬等[4]利用Fluent軟件對某型發動機進氣歧管結構改進前、后進行了三維數值模擬，合理的設計進氣管入口的布置位置以及穩壓腔的結構提升發動機進氣系統的進氣性能。Xu[5]設計了三種進氣歧管結構，利用FLUENT軟件進行三維流場模擬仿真，分析了進氣系統進氣不均勻的原因。E.A.A[6]等采用一維仿真平臺，在不同轉速下，對進氣歧管的幾何形狀進行了優化，提出了進氣歧管的可變配置對發動機的動力性和經濟性有顯著影響。

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

1? 發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動機，相關技術參數見文獻[7]。發動機整機模型包括外部環境、進氣系統、噴油器、氣缸、曲軸箱、排氣系統等子模型，將上述子模型進行連接后得到如圖1所示的發動機整機模型。進氣系統子模型主要由進氣歧管、穩壓腔和外接管組成，外接管是連接在穩壓腔與節氣門之間的圓直管道，管徑和節氣門直徑相同。本文采用UG軟件建立進氣系統三維模型，如圖2所示，導出STL格式，利用GEM3D將三維模型轉化為計算所需要的一維模型，發動機進氣系統的離散長度一般取0.4倍缸徑，即31.8mm。進氣系統一維子模型如圖3所示。

計算模型中進氣系統結構參數如表1所示。根據試驗過程中采集的數據設置邊界條件，對于外部環境子模型，主要設置環境溫度和壓力，環境溫度設為300K，環境壓力設為一個標準大氣壓即1.01325bar，進氣系統壁溫設置為300K，傳熱系數和摩擦系數均取1。

1.2 仿真模型的驗證

為保證下步仿真模擬計算數據的準確程度，需要對發動機一維仿真模型進行驗證。本文選取發動機轉速從3000rpm/min到5500rpm/min時的性能變化規律，將仿真結果和試驗數據進行對比。

圖4為發動機在不同轉速時的仿真結果與試驗數據的對比。從圖中可以看出，在轉速3000rpm/min到5500rpm/min的工況下，發動機功率、扭矩和進氣系統支管壓力的仿真結果的變化趨勢和試驗數據的變化趨勢基本一致，誤差均在10%以內，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，可以運用該模型進行后續研究。

1.3 研究內容及評價指標

為確保在發動機高轉速、大負荷下，發動機進氣性能保持良好，本文依據航空活塞發動機實際飛行工況，分析發動機轉速為5500r/min、節氣門開度為65%（即平飛試驗）工況點時，發動機進氣性能隨進氣系統支管長度變化的規律。以驗證后的模型為基礎，對進氣系統結構進行發動機在上述工況下的一維仿真計算。原型進氣系統支管長度為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動機循環達到穩定時，單個循環內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動機缸內燃燒狀況，從而影響發動機各方面性能。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? 計算結果及分析

2.1 對各缸平均進氣量的影響

圖5為發動機循環到達穩定時，每循環各缸平均進氣量。由圖可知，隨著發動機進氣系統支管長度的增加，各缸平均進氣量呈現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，當進氣系統支管長度從原來的118mm增加到318mm時，發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生的膨脹波在管內反向傳播，使管內壓力出現波谷，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，并在進氣門關閉時刻恰好形成正的壓縮波，有利于下一循環的進氣[8]。

2.2 對各缸進氣和整機均勻性的影響

根據式（1）和式（2）分別計算發動機各缸進氣均勻性和整機進氣均勻性。不同支管長度時，發動機各缸進氣均勻性均良好，當支管長度為318mm時，發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，改進進氣系統支管長度后，發動機整機進氣均勻性提升了23.56%，此時發動機各缸平均進氣量達到最大值，由仿真結果可知，發動機動力性和經濟性均有明顯提升，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，發動機其余氣缸進氣均勻性有所改善。

3? 結論

本文利用一維仿真方法對發動機平飛試驗工況點下的發動機進氣性能展開分析，通過改變進氣支管長度，分析了這一參數變化對發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律，得出以下結論：

隨著發動機進氣系統支管長度的增大，在平飛試驗工況點下，發動機各缸平均進氣量呈現先增大后減小的趨勢，在支管長度為318mm時，各數值達到最大值。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，發動機其余氣缸進氣均勻性有所改善，發動機動力性等性能指標良好，因此選取支管長度318mm對發動機進氣性能最優。

參考文獻：

[1]崔華盛，趙振峰，王恩華，楊瓊瑤，劉宇航.某航空活塞發動機進氣系統優化設計[J].航空動力學報，2019，34（09）：2063-2070.

[2]徐斌，劉波，楊世春，姬芬竹.某型航空活塞發動機進排氣系統優化分析[J].航空動力學報，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優化[J].小型內燃機與摩托車，2011，40（02）：75-77.

[4]李天鵬，楊良勇，彭來森.基于CFD發動機進氣歧管內氣體流動仿真分析[J].現代車用動力，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.某航空活塞發動機活塞溫度場性能分析[A].中國航天第三專業信息網、中國科協航空發動機產學聯合體（籌）.中國航天第三專業信息網第四十屆技術交流會暨第四屆空天動力聯合會議論文集——S12航空活塞發動機技術[C].中國航天第三專業信息網、中國科協航空發動機產學聯合體（籌）：中國航天第三專業信息網，2019：6.

[8]劉雁澤.多缸柴油機進排氣系統一三維耦合仿真分析[D].哈爾濱工程大學，2018.