无人机直喷发动机谐振进气系统设计及仿真分析

李 源，吴亚锋，朴雅庆

（西北工业大学 陕西 西安 710072）

二冲程发动机具有功率大、旋转平稳、振动小、噪音低、维护简单等优点，特别适用于低速、中低空的小型无人机、动力翼伞等飞行器的应用。

缸内直喷（GDI）发动机将喷油嘴置于气缸之内，通过高压燃油泵将燃料精确地喷注进燃烧室内，使其雾化的更加细致，并根据不同的点火时刻将燃油混合气点燃，具有节省燃油、减少废气排放、提升动力性能。

目前国内的二冲程直喷系统的研究刚刚起步，主要围绕二冲程摩托车发动机进行的。对于无人机二冲程发动机直喷系统，为了提高缸内过量充气系数，改善进气效率，提高动力性能，通常需要对进气系统进行优化设计。 GT-Power是发动机工作过程模拟计算软件，现被世界上大多数发动机和汽车制造厂商使用。该软件采用有限体积法进行流体计算，计算步长自动可调，并且有强大的辅助建模前处理工具，自带有丰富的燃烧模型和优化设计功能，可较好地满足二冲程发动机直喷系统建模和分析的需要。

文中针对一台用于某型无人机直喷发动机，基于其结构和尺寸，使用GT-Power软件建立了仿真模型。通过运用亥姆霍兹理论设计谐振进气系统结构，并利用软件自带的优化工具，分析了谐振进气系统对发动机动力性能的影响。

1 直喷系统结构及建模

1.1 直喷系统结构

直喷系统工作循环有：空气经由空气滤清器、节气门、进气管、簧片阀、曲轴箱，在扫气口扫气的作用下，进入气缸的空气与燃油混合，按照设定的点火提前角将油气混合气点燃，废气经扫气口扫气排出。直喷系统主要参数如表1所示。

表1 直喷系统主要参数Tab.1 Main parameters of the direct injection system

1.2 直喷系统建模

基于直喷发动机结构和尺寸，使用GT-Power软件建立了曲轴箱模块、气缸模块、喷射系统模块、进排气系统模块。

燃烧计算仿真选择了准维燃烧模型[1－2]，该模型可以考虑气缸形状、点火时间及燃料属性等因素，较SIWiebe燃烧模型能更准确地预测喷油、点火等参数对燃烧放热率的影响。

进排气系统流动计算从N－S方程出发，并简化为一维控制体积进行计算[3]。传热计算选用Woschi模型[4]，在摩擦损失压力计算中模型采用Chen－Flynn的关系式，摩擦损失压力为活塞速度和峰值压力的函数[5]。

水平对置发动机属于V型发动机，在曲轴箱中气缸布置角度设置为180度。在建模时，还要明确如下的参数设置[6]：

1）网格的粗细（离散化长度）应趋于均匀，对进/排气系统离散长度设置分别为0.4×缸径/0.5×缸径。

2）节气门、簧片阀的参考流通面积设置为定值，即零升程时，流量系数为零。

3）由于进排气流动、传热等情况很复杂，本文使用推荐进气端口的温度为450 K；排气端口的温度为550 K。

4）循环初始条件相同，环境温度和压力在海拔高度0 m和1 000 m设定为300 K/0.1 MPa和294 K/0.09 MPa。

1.3 直喷发动机模型的验证

针对已建立的模型系统，通过对其气缸压力和发动机扭矩进行仿真，并与试验结果进行了对比，图1为发动机在转速5 000 r/min时的缸压对比曲线。图2为不同转速工况点的发动机扭矩对比曲线。

图1 缸压仿真结果与试验结果对比Fig.1 Comparison of the cylinder pressure simulation results and test results

图2 扭矩仿真结果与试验结果对比Fig.2 Comparison of simulation results and experimental results of torque

从图1中可以看出，在燃烧阶段仿真计算与试验的缸压曲线基本重合，表明了所建模型能较准确反映发动机内部燃烧过程的基本特征。由图2可以看出，最大扭矩的仿真值和试验值分别为62 N·m和63 N·m。两者在3 600 r/min至4 600 r/min时误差较大，在3 800 r/min时达到最大误差4.6%，均小于5%，表明了所建模型能够较准确模拟直喷发动机外部动力特征，能够用于对发动机进气系统的设计和优化。

2 谐振进气系统结构设计

利用亥姆霍兹原理，将谐振器并联安装于进气口/节气门与空气滤之间，谐振器与气道的连接方式主要有共轭式和插入式，增加谐振器的进气系统在特定的转速内，进气压力波与其门的进气周期协调，增高进气歧管压力，从而增加进气量。

2.1 谐振器管径计算

仅考虑管道摩擦的影响，Kastner[7]给出了最小管径的估算公式：

式中：S为行程；d为缸径（mm）；n为转速。

由上式，将S=52 mm，d=65 mm和n=3 000 r/min代入，可得到dmin=25.8mm。但综合考虑管道摩擦、波动效应和安装要求，最终取dmin=26.8 mm。

2.2 谐振器容积计算

1）空气中音速 c（m/s）与温度 t（℃）的关系：

2）发动机转速n与谐振频率fn的关系：

i为发动机缸数；n为发动机转速（r/min），τ为冲程数。

3）谐振频率计算：

式中，S 为插接管面积，S=π（d/2）2，mm2；LP为插接管当量长度，mm；V为谐振器容积，m3。则可得谐振器容积：

2.3 进气管管长优化方案

在确立谐振器的结构参数后，还需要对进气管部分进行优化。本文为了降低改进设计的难度及模具等的开发成本，只对进气总管和歧管长度进行选定，分别设计缩短10%、20%和加长10%、20%4个方案。

3 设计优化方案仿真分析

3.1 谐振器对动力性能的影响

增加谐振器后，在转速区（2 000～4 000 r/min）和转速区（5 000～6 000 r/min）充气效率有所提高，如图3所示。这是由于进气流在进气关闭时，进气瞬时发生逆反回流，紧接着的下个进气行程吸入新的气流，二者在进气道冲撞，增加谐振器缓冲了该频率区气流的谐振干扰，提高了缸内充气量。

图3 谐振器对充气效率的影响Fig.3 Effect of resonator on charging efficiency

3.2 进气总管长度对扭矩和充气效率的影响

增加谐振器，扭矩和充气效率随着进气总管长度变化，如图4、图5所示。由图可知，在低转速区和转速在（4 000～5 000 r/min）影响明显。结合无人机设计要求，最终选定缩短20%进气总管长度的方案。

图4 扭矩随进气总管长度变化曲线Fig.4 Torque curve with the intake manifold length change

3.3 进气歧管长度对扭矩和充气效率的影响

通过增加谐振器，改变进气总管长度，扭矩和充气效率得到提高。进气歧管的长度变化也会影响发动机的动力性能，其扭矩和充气效率变化分别如图6、7所示。

在低转速区（2 000～3 000 r/min）和中转速区（4 000～5 000 r/min）对发动机动力性能及充气效率影响明显。对于缩短10%和20%歧管长度的方案，在中低转速通过进气谐振作用，进气压力波峰值增大，使得进气量增多，回流空气量减少。

4 结束语

文中通过对一无人机用四缸两冲程汽油直喷发动机的仿真，其研究结果表明可以利用亥姆霍兹原理可以对谐振进气系统进行优化设计。增加谐振器后充气效率有所提高，进气管长度优化后扭矩有所提高，燃油消耗率亦有所降低，解决了无人机进气系统设计优化问题，并使得无人机动力性能进一步提高。

图5 充气效率随进气总管长度变化曲线Fig.5 The volumetric efficiency curve with the intake manifold length change

图6 扭矩随进气歧管长度变化曲线Fig.6 Torque curve changes with the length of the intake manifold

图7 充气效率随进气歧管长度变化曲线Fig.7 The charging efficiency curve changes with the length of the intake manifold

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