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摘要： 为了提升某型航空活塞式发动机的进气性能，本文构建了一维发动机整机仿真模型，并耦合了进气系统的三维计算模型，研究了进气歧管结构参数变化对发动机进气性能的影响。研究结果表明：当发动机转速为5500r/min、节气门开度为65%时，随着支管长度的增加，发动机各缸平均进气量呈现先增大后减小的趋势，每循环各缸平均进气量最大增加32.075mg，同比增长9.53%。同时，在进气量最大时，与原型机相比，各缸进气均匀性和整机均匀性也有所提升，且改进前后整机进气均匀性提升了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.
关键词： 航空活塞式发动机;进气性能;进气歧管;平均进气量;进气均匀性
Key words： aviation piston engine;intake performance;intake manifold;average air intake;intake uniformity
中图分类号：V263.5 文献标识码：A 文章編号：1674-957X（2021）21-0008-04
0 引言
进气系统作为发动机的重要组成部分，其主要作用是为发动机输送清洁、干燥、充足而稳定的空气以满足发动机的需求，同时保证多缸发动机各缸循环进气量的差异不超过应有的范围，以避免对整机性能产生不利的影响。将工质均匀的送入各气缸是检验发动机进气系统设计是否良好的重要条件之一，性能优良的进气系统要尽可能减少流道内的漩涡，减少流动损失的同时，增大各缸进气量，同时保证各缸的新鲜空气尽可能均匀分配，保证整机的动力性、可靠性和排放性能[1]。
对于发动机进气系统的研究一直备受学者的关注。徐斌等[2]利用标定的模型对某型活塞发动机的进气均匀性进行分析，利用定质量流量观察出口压差的方式判断整机的进气均匀性，结果发现各缸进气不均匀程度较大，主要是由于歧管长度设计不合理导致。殷玉恩等[3]使用GT-POWER和STAR-CD软件的一/三维耦合仿真计算了某直列六缸天然气发动机的各缸进气量、进气不均匀度，对进气管道的设计有一定的指导作用。李天鹏等[4]利用Fluent软件对某型发动机进气歧管结构改进前、后进行了三维数值模拟，合理的设计进气管入口的布置位置以及稳压腔的结构提升发动机进气系统的进气性能。Xu[5]设计了三种进气歧管结构，利用FLUENT软件进行三维流场模拟仿真，分析了进气系统进气不均匀的原因。E.A.A[6]等采用一维仿真平台，在不同转速下，对进气歧管的几何形状进行了优化，提出了进气歧管的可变配置对发动机的动力性和经济性有显著影响。
综上所述，大部分现有研究是基于汽车发动机对进气系统进行分析，对航空活塞发动机的进气系统研究较少。因此，本文从实际试验出发，利用GT-POWER软件仿真分析航空活塞发动机进气系统，研究进气系统支管长度变化对航空发动机进气性能的影响规律，以期为该型发动机改进提供基础支持。 1 发动机模型的建立与验证
1.1 模型建立
试验用机为某型航空活塞式发动机，相关技术参数见文献[7]。发动机整机模型包括外部环境、进气系统、喷油器、气缸、曲轴箱、排气系统等子模型，将上述子模型进行连接后得到如图1所示的发动机整机模型。进气系统子模型主要由进气歧管、稳压腔和外接管组成，外接管是连接在稳压腔与节气门之间的圆直管道，管径和节气门直径相同。本文采用UG软件建立进气系统三维模型，如图2所示，导出STL格式，利用GEM3D将三维模型转化为计算所需要的一维模型，发动机进气系统的离散长度一般取0.4倍缸径，即31.8mm。进气系统一维子模型如图3所示。
计算模型中进气系统结构参数如表1所示。根据试验过程中采集的数据设置边界条件，对于外部环境子模型，主要设置环境温度和压力，环境温度设为300K，环境压力设为一个标准大气压即1.01325bar，进气系统壁温设置为300K，传热系数和摩擦系数均取1。
1.2 仿真模型的验证
为保证下步仿真模拟计算数据的准确程度，需要对发动机一维仿真模型进行验证。本文选取发动机转速从3000rpm/min到5500rpm/min时的性能变化规律，将仿真结果和试验数据进行对比。
图4为发动机在不同转速时的仿真结果与试验数据的对比。从图中可以看出，在转速3000rpm/min到5500rpm/min的工况下，发动机功率、扭矩和进气系统支管压力的仿真结果的变化趋势和试验数据的变化趋势基本一致，误差均在10%以内，功率在3500r/min时有最大误差4.2%，同样，扭矩在3500r/min时有最大误差4.6%，支管压力在3500r/min时有最大误差7.02%，误差在合理范围内，可以运用该模型进行后续研究。
1.3 研究内容及评价指标
为确保在发动机高转速、大负荷下，发动机进气性能保持良好，本文依據航空活塞发动机实际飞行工况，分析发动机转速为5500r/min、节气门开度为65%（即平飞试验）工况点时，发动机进气性能随进气系统支管长度变化的规律。以验证后的模型为基础，对进气系统结构进行发动机在上述工况下的一维仿真计算。原型进气系统支管长度为118mm，间隔50mm改变支管长度，依此取68mm、168mm、218mm、268mm、318mm、368mm。
本文对发动机进气性能的评价指标为各缸平均进气量、各缸进气均匀性和整机进气均匀性。各缸平均进气量即为在发动机循环达到稳定时，单个循环内各缸进气量的平均值;各缸进气均匀性和整机进气均匀性的好坏决定着发动机缸内燃烧状况，从而影响发动机各方面性能。采用不均匀度mi和Δm来评价各缸进气均匀性和整机进气均匀性的好坏，计算方法如式（1）和式（2）所示：
2 计算结果及分析
2.1 对各缸平均进气量的影响
图5为发动机循环到达稳定时，每循环各缸平均进气量。由图可知，随着发动机进气系统支管长度的增加，各缸平均进气量呈现先增大后减小的趋势。在逐渐增加支管长度的过程中，存在某个支管长度使其各缸平均进气量保持最大值，当进气系统支管长度从原来的118mm增加到318mm时，发动机各缸平均进气量增加了32.075mg，同比增长9.53%，其主要原因是随着进气门的开启，由于活塞的抽吸作用产生的膨胀波在管内反向传播，使管内压力出现波谷，膨胀波在进气口处被反射为压缩波并再次向进气门处传播，并在进气门关闭时刻恰好形成正的压缩波，有利于下一循环的进气[8]。
2.2 对各缸进气和整机均匀性的影响
根据式（1）和式（2）分别计算发动机各缸进气均匀性和整机进气均匀性。不同支管长度时，发动机各缸进气均匀性均良好，当支管长度为318mm时，发动机每个缸进气均匀性都相对较好，且各缸之间的均匀性相差较小。表2为改进前（支管长度118mm）和改进后（支管长度318mm）整机不均匀度对比。由表可知，改进进气系统支管长度后，发动机整机进气均匀性提升了23.56%，此时发动机各缸平均进气量达到最大值，由仿真结果可知，发动机动力性和经济性均有明显提升，因此支管长度选取318mm最为合适。图6为改进进气系统支管长度后，各缸进气均匀性对比图。可以看出，当支管长度从原来的118mm增加到318mm时，除却2缸外，发动机其余气缸进气均匀性有所改善。
3 结论
本文利用一维仿真方法对发动机平飞试验工况点下的发动机进气性能展开分析，通过改变进气支管长度，分析了这一参数变化对发动机各缸平均进气量、各缸进气均匀性和整机均匀性的影响规律，得出以下结论：
随着发动机进气系统支管长度的增大，在平飞试验工况点下，发动机各缸平均进气量呈现先增大后减小的趋势，在支管长度为318mm时，各数值达到最大值。当支管长度为318mm时，各缸进气量明显提高，每循环各缸平均进气量增加32.075mg，同比增长9.53%;且各缸进气均匀性和整机均匀性有所改善，改进前后整机进气均匀性提升了23.56%，除却2缸外，发动机其余气缸进气均匀性有所改善，发动机动力性等性能指标良好，因此选取支管长度318mm对发动机进气性能最优。
参考文献：
[1]崔华盛，赵振峰，王恩华，杨琼瑶，刘宇航.某航空活塞发动机进气系统优化设计[J].航空动力学报，2019，34（09）：2063-2070.
[2]徐斌，刘波，杨世春，姬芬竹.某型航空活塞发动机进排气系统优化分析[J].航空动力学报，2014，29（03）：624-630.
[3]殷玉恩，田永海，刘胜.基于一三维模型耦合仿真的柴油机进气系统优化[J].小型内燃机与摩托车，2011，40（02）：75-77.
[4]李天鹏，杨良勇，彭来森.基于CFD发动机进气歧管内气体流动仿真分析[J].现代车用动力，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，刘泽砚，赵乐文，王绍卿，孙鹏，孔喜磊，刘辉.某航空活塞发动机活塞温度场性能分析[A].中国航天第三专业信息网、中国科协航空发动机产学联合体（筹）.中国航天第三专业信息网第四十届技术交流会暨第四届空天动力联合会议论文集——S12航空活塞发动机技术[C].中国航天第三专业信息网、中国科协航空发动机产学联合体（筹）：中国航天第三专业信息网，2019：6.
[8]刘雁泽.多缸柴油机进排气系统一三维耦合仿真分析[D].哈尔滨工程大学，2018.
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.
关键词： 航空活塞式发动机;进气性能;进气歧管;平均进气量;进气均匀性
Key words： aviation piston engine;intake performance;intake manifold;average air intake;intake uniformity
中图分类号：V263.5 文献标识码：A 文章編号：1674-957X（2021）21-0008-04
0 引言
进气系统作为发动机的重要组成部分，其主要作用是为发动机输送清洁、干燥、充足而稳定的空气以满足发动机的需求，同时保证多缸发动机各缸循环进气量的差异不超过应有的范围，以避免对整机性能产生不利的影响。将工质均匀的送入各气缸是检验发动机进气系统设计是否良好的重要条件之一，性能优良的进气系统要尽可能减少流道内的漩涡，减少流动损失的同时，增大各缸进气量，同时保证各缸的新鲜空气尽可能均匀分配，保证整机的动力性、可靠性和排放性能[1]。
对于发动机进气系统的研究一直备受学者的关注。徐斌等[2]利用标定的模型对某型活塞发动机的进气均匀性进行分析，利用定质量流量观察出口压差的方式判断整机的进气均匀性，结果发现各缸进气不均匀程度较大，主要是由于歧管长度设计不合理导致。殷玉恩等[3]使用GT-POWER和STAR-CD软件的一/三维耦合仿真计算了某直列六缸天然气发动机的各缸进气量、进气不均匀度，对进气管道的设计有一定的指导作用。李天鹏等[4]利用Fluent软件对某型发动机进气歧管结构改进前、后进行了三维数值模拟，合理的设计进气管入口的布置位置以及稳压腔的结构提升发动机进气系统的进气性能。Xu[5]设计了三种进气歧管结构，利用FLUENT软件进行三维流场模拟仿真，分析了进气系统进气不均匀的原因。E.A.A[6]等采用一维仿真平台，在不同转速下，对进气歧管的几何形状进行了优化，提出了进气歧管的可变配置对发动机的动力性和经济性有显著影响。
综上所述，大部分现有研究是基于汽车发动机对进气系统进行分析，对航空活塞发动机的进气系统研究较少。因此，本文从实际试验出发，利用GT-POWER软件仿真分析航空活塞发动机进气系统，研究进气系统支管长度变化对航空发动机进气性能的影响规律，以期为该型发动机改进提供基础支持。 1 发动机模型的建立与验证
1.1 模型建立
试验用机为某型航空活塞式发动机，相关技术参数见文献[7]。发动机整机模型包括外部环境、进气系统、喷油器、气缸、曲轴箱、排气系统等子模型，将上述子模型进行连接后得到如图1所示的发动机整机模型。进气系统子模型主要由进气歧管、稳压腔和外接管组成，外接管是连接在稳压腔与节气门之间的圆直管道，管径和节气门直径相同。本文采用UG软件建立进气系统三维模型，如图2所示，导出STL格式，利用GEM3D将三维模型转化为计算所需要的一维模型，发动机进气系统的离散长度一般取0.4倍缸径，即31.8mm。进气系统一维子模型如图3所示。
计算模型中进气系统结构参数如表1所示。根据试验过程中采集的数据设置边界条件，对于外部环境子模型，主要设置环境温度和压力，环境温度设为300K，环境压力设为一个标准大气压即1.01325bar，进气系统壁温设置为300K，传热系数和摩擦系数均取1。
1.2 仿真模型的验证
为保证下步仿真模拟计算数据的准确程度，需要对发动机一维仿真模型进行验证。本文选取发动机转速从3000rpm/min到5500rpm/min时的性能变化规律，将仿真结果和试验数据进行对比。
图4为发动机在不同转速时的仿真结果与试验数据的对比。从图中可以看出，在转速3000rpm/min到5500rpm/min的工况下，发动机功率、扭矩和进气系统支管压力的仿真结果的变化趋势和试验数据的变化趋势基本一致，误差均在10%以内，功率在3500r/min时有最大误差4.2%，同样，扭矩在3500r/min时有最大误差4.6%，支管压力在3500r/min时有最大误差7.02%，误差在合理范围内，可以运用该模型进行后续研究。
1.3 研究内容及评价指标
为确保在发动机高转速、大负荷下，发动机进气性能保持良好，本文依據航空活塞发动机实际飞行工况，分析发动机转速为5500r/min、节气门开度为65%（即平飞试验）工况点时，发动机进气性能随进气系统支管长度变化的规律。以验证后的模型为基础，对进气系统结构进行发动机在上述工况下的一维仿真计算。原型进气系统支管长度为118mm，间隔50mm改变支管长度，依此取68mm、168mm、218mm、268mm、318mm、368mm。
本文对发动机进气性能的评价指标为各缸平均进气量、各缸进气均匀性和整机进气均匀性。各缸平均进气量即为在发动机循环达到稳定时，单个循环内各缸进气量的平均值;各缸进气均匀性和整机进气均匀性的好坏决定着发动机缸内燃烧状况，从而影响发动机各方面性能。采用不均匀度mi和Δm来评价各缸进气均匀性和整机进气均匀性的好坏，计算方法如式（1）和式（2）所示：
2 计算结果及分析
2.1 对各缸平均进气量的影响
图5为发动机循环到达稳定时，每循环各缸平均进气量。由图可知，随着发动机进气系统支管长度的增加，各缸平均进气量呈现先增大后减小的趋势。在逐渐增加支管长度的过程中，存在某个支管长度使其各缸平均进气量保持最大值，当进气系统支管长度从原来的118mm增加到318mm时，发动机各缸平均进气量增加了32.075mg，同比增长9.53%，其主要原因是随着进气门的开启，由于活塞的抽吸作用产生的膨胀波在管内反向传播，使管内压力出现波谷，膨胀波在进气口处被反射为压缩波并再次向进气门处传播，并在进气门关闭时刻恰好形成正的压缩波，有利于下一循环的进气[8]。
2.2 对各缸进气和整机均匀性的影响
根据式（1）和式（2）分别计算发动机各缸进气均匀性和整机进气均匀性。不同支管长度时，发动机各缸进气均匀性均良好，当支管长度为318mm时，发动机每个缸进气均匀性都相对较好，且各缸之间的均匀性相差较小。表2为改进前（支管长度118mm）和改进后（支管长度318mm）整机不均匀度对比。由表可知，改进进气系统支管长度后，发动机整机进气均匀性提升了23.56%，此时发动机各缸平均进气量达到最大值，由仿真结果可知，发动机动力性和经济性均有明显提升，因此支管长度选取318mm最为合适。图6为改进进气系统支管长度后，各缸进气均匀性对比图。可以看出，当支管长度从原来的118mm增加到318mm时，除却2缸外，发动机其余气缸进气均匀性有所改善。
3 结论
本文利用一维仿真方法对发动机平飞试验工况点下的发动机进气性能展开分析，通过改变进气支管长度，分析了这一参数变化对发动机各缸平均进气量、各缸进气均匀性和整机均匀性的影响规律，得出以下结论：
随着发动机进气系统支管长度的增大，在平飞试验工况点下，发动机各缸平均进气量呈现先增大后减小的趋势，在支管长度为318mm时，各数值达到最大值。当支管长度为318mm时，各缸进气量明显提高，每循环各缸平均进气量增加32.075mg，同比增长9.53%;且各缸进气均匀性和整机均匀性有所改善，改进前后整机进气均匀性提升了23.56%，除却2缸外，发动机其余气缸进气均匀性有所改善，发动机动力性等性能指标良好，因此选取支管长度318mm对发动机进气性能最优。
参考文献：
[1]崔华盛，赵振峰，王恩华，杨琼瑶，刘宇航.某航空活塞发动机进气系统优化设计[J].航空动力学报，2019，34（09）：2063-2070.
[2]徐斌，刘波，杨世春，姬芬竹.某型航空活塞发动机进排气系统优化分析[J].航空动力学报，2014，29（03）：624-630.
[3]殷玉恩，田永海，刘胜.基于一三维模型耦合仿真的柴油机进气系统优化[J].小型内燃机与摩托车，2011，40（02）：75-77.
[4]李天鹏，杨良勇，彭来森.基于CFD发动机进气歧管内气体流动仿真分析[J].现代车用动力，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，刘泽砚，赵乐文，王绍卿，孙鹏，孔喜磊，刘辉.某航空活塞发动机活塞温度场性能分析[A].中国航天第三专业信息网、中国科协航空发动机产学联合体（筹）.中国航天第三专业信息网第四十届技术交流会暨第四届空天动力联合会议论文集——S12航空活塞发动机技术[C].中国航天第三专业信息网、中国科协航空发动机产学联合体（筹）：中国航天第三专业信息网，2019：6.
[8]刘雁泽.多缸柴油机进排气系统一三维耦合仿真分析[D].哈尔滨工程大学，2018.