活塞航空发动机复合增压技术仿真分析

潘钟键，何清华，2，张祥剑

（1.中南大学机电工程学院，湖南长沙410083；2.山河智能装备股份有限公司技术中心，湖南长沙410100）

活塞航空发动机复合增压技术仿真分析

潘钟键1，何清华1，2，张祥剑1

（1.中南大学机电工程学院，湖南长沙410083；2.山河智能装备股份有限公司技术中心，湖南长沙410100）

为研究复合增压条件下活塞航空发动机高空性能，建立某型活塞航空发动机复合增压GT－POWER仿真模型并验证模型的准确性，对不同增压条件下的发动机高空特性进行分析。仅在一级涡轮增压条件下，发动机在5 000 m高空时，和地面工况相比，压力峰值降低26%且后燃现象严重，同时缸内温度上升，发动机热负荷显著增加，发动机功率下降。在复合增压条件下，高空时缸内压力得到恢复，缸内温度趋于地面工况，发动机功率得到恢复。该发动机搭载某轻型飞机进行高空试飞后，在7 600 m高空功率仍可保持80%的功率，验证复合增压技术满足高空飞行的需求。

活塞航空发动机；涡轮增压；后燃；复合增压；压力峰值；功率恢复

活塞航空发动机目前主要用于无人机、初级教练机、行政机、轻型运动飞机的动力装置，使用航空汽油（含铅）或车用汽油作为燃料。由于汽油闪点低且经济性差，使用重油（航空煤油或者柴油）替代航空汽油，对军事和通用航空领域具有重大意义［1］。在高空条件下，活塞航空发动机主要利用废气涡轮增压，提高进气量，来恢复功率［2-3］。目前，国外对活塞式航空汽油机的增压技术比较成熟，其中美国国家航空航天局（NASA）研究的三级涡轮增压活塞发动机飞行海拔高度达到24 km。国内对活塞航空汽油机的增压技术主要还在模拟方面［4-6］。活塞航空重油发动机的研制是先进技术，国外对其技术严格保密，资料甚少［7］，国内研制活塞航空重油发动机的报道较少，一些科研单位在国防项目支持下，在汽油机的基础上改用煤油燃料做过实验研究［8-10］，对其增压技术的研究文献相对较少。复合增压技术成本高、难度大，能帮助发动机恢复功率［11］，目前主要用于部分汽车［12］。本文以国外某型活塞航空重油发动机为例，采用复合增压技术，对发动机的高低空性能进行对比研究，表明在高空条件下，复合增压能提升缸内压力，降低发动机热负荷，发动机功率得到恢复。

1 增压器数学模型

1.1 压气机模型

压气机利用高速旋转的叶片给空气作功以提高空气压力，其效率、转速、空气质量流量、压比之间具有一定的函数关系，发动机进气量为压气机的流量为

式中：n为发动机转速，Z为气缸数，Vh气缸工作容积，φc为充量系数，τ为冲程数。压气机自身工作过程中消耗的扭矩Mc：

压气机出口气体温度：

式中：R为气体常数，κ为等熵指数，T0为环境温度，ηc为压气机等熵效率，πc增压压比［13－14］。

1.2 涡轮模型

径流式涡轮通常采用在小型航空发动机上，其效率特性常用无因次特性来表示。涡轮的流量：

式中：qt为涡轮流量，ATeq为当量流通面积，μ为流量系数，R为燃料燃气气体常数，κ空气比热比，πt为涡轮的膨胀比。涡轮的输出扭矩MT：

式中：T3为气缸排气温度，ηt为涡轮效率［13］。

1.3 机械增压器模型

机械增压器需要消耗发动机自身的功率来提高进气量，和涡轮增压器相比，具有很高的响应特性。理想状态下，机械增压器与外部无热交换，按等熵过程分析。其出口压力：

式中：Pe为发动机的平均有效压力，Ta为气缸内充量温度，l0为化学计量比，ηe为发动机有效效率，Hμ为燃烧低热值。

增压过程中，考虑内泄漏和定容压缩过程产生的温度变化，温升值：式中：γ为绝热指数，πc为机械增压器压比，T1为压气机出口温度，ηV为容积效率［15］。

2 某型活塞煤油航空发动机复合增压模拟

目前世界范围内具备生产活塞航空重油发动机能力的主要有6家公司。以国外研究的某型活塞重油发动机为例［16］，搭建GT－POWER模型。输入该机型相关参数，对其增压技术进行模拟。表1为该发动机的基本参数。

表1 发动机基本参数Table 1 Basic parameters of the engine

对该发动机进行建模仿真，输入各部分的主要数据参数以及相关物理参量，其中气缸内部采用woschni传热模型。仿真前作如下假设：1）工质为理想气体；2）气缸内工质分布均匀；3）将压缩气体流入气缸和流出气缸的过程视为准态流动，且忽略进出口时的动能；4）大气压力、温度等外部环境均按国际大气标准执行；5）系统边界内同一瞬时，各点的化学成分、热力状态完全相同。整机模型如图1所示。

对该模型进行验证，在地面工况下测量发动机不同转速下的燃油消耗率，与实测值进行对比，如图2所示，结果表明，模拟值与实测值之间的误差为3%～5%，可认同该模型具有一定的准确性。

图1 某型活塞航空重油发动机GT－POWER增压模型Fig.1 The GT－POWER model of a certain piston aviation heavy oil engine

图2 不同转速下燃油消耗率Fig.2 Brake specific fuel consumption of different rotational speeds

仅考虑一级涡轮增压，改变进排气环境，当海拔达到5 km，气压和温度下降，环境参数如表2所示，此时过量空气系数下降，空气密度低，雷诺系数减小，排气背压降低，压气机压比升高。在地面环境下，压气机工作在高效率区，压比值为2.25左右。当环境工况改变到5 km高空，压气机压比升高，接近压气机的极限增压比，且此时压气机稳定性下降，压气机工作效率低下。

随着飞行高度的不断爬升，压气机压比逐渐升高，工作范围变窄，排气温度升高，发动机热负荷增大；涡轮轴转速增加，对发动机的润滑系统和降温系统都提出了更为苛刻的要求，同时发动机缸内平均有效压力降低，燃油消耗率增大，动力性和经济性变差，发动机功率下降，发动机高空性能受到制约。

机械增压器和涡轮增压器联合使用被称为复合增压，机械增压器三维模型如图3所示。

表2 环境参数Table 2 Environmental parameters

图3 机械增压器三维模型Fig.3 3D model of supercharger

该机械增压器与涡轮增压器串联安装，由发动机直接驱动，空气经涡轮增压器压缩后进入机械增压器，然后进入扫气箱，机械增压器工作原理为：

1）地面工况下，涡轮增压器提供足够的进气压力和流量时，阀门在气压的作用下打开，气体直接进入扫气箱，机械增压器不进行二次增压，在皮带的驱动下空转。同时在低速情况下，机械增压器内部转子与发动机转速同步，起到良好的瞬态响应效果。

2）当飞机爬升一定高度，涡轮增压器不能提供足够的进气压力来，此时阀门关闭，机械增压器内转子工作，起到二次增压效果。

以5 km高空、地面为外部环境，对高空复合增压、高空一级涡轮增压、地面工况3种情况下缸内温度进行模拟，温度曲线如图4所示。地面工况为发动机正常状态，缸内温度1 780 K。高空一级涡轮增压工况下，发动机缸内温度2 266 K，缸内温度较地面工况升高34%，气缸套、气缸头部、涡轮增压器热疲劳增大。机械增压器在高空起到二次增压的作用，提升进气量，使得进入燃烧室的工质量增多，气缸内燃烧趋于正常，高空环境下缸内温度略高于地面工况温度。

以5 km高空、地面为外部环境，对3种工况下的缸内压力进行模拟，如图5所示。高空环境下仅一级涡轮增压，缸内最大压力仅6.1 MPa，压力下降26%，平均有效压力降低，发动机指示功率下降，且后燃现象严重，发动机动力不足。在内部压差作用下阀门关闭，机械增压器起到二次增压效果，缸内压力为地面压力的94%，气缸内平均有效压力提升，发动机功率得到恢复。

图4 不同工况下缸内温度曲线比较Fig.4 The temperature curve of cylinder on different conditions

图5 不同工况下缸内压力对比Fig.5 The pressure curve of cylinder on different conditions

通过模拟分析对比，普通的一级涡轮增压技术难以满足小型飞机高空飞行需求，容易降低缸内平均有效压力导致功率下降。主要由于高空环境过量空气系数降低，压气机进入不稳定工作状态，工作效率降低，同时排气背压降低，涡轮轴转速升高，压气机压比增大，气缸内燃烧温度升高，发动机热负荷增加，燃油消耗率增加。机械增压器内部阀门的设计，在高空环境下起到了二次增压的效果，虽然消耗发动机的部分能量，但能补偿发动机的驱动功率损失，提高了进气效率，从总体上能够提升发动机在高空的性能。

3 实验验证

对发动机进行地面台架实验，如图6所示，通过实验记录发动机扭矩、马力、转速参数值，如表3所示。由于没有特殊设置来模拟高空环境，该发动机直接搭载某轻型飞机进行高空试飞，飞行中记录发动机的转速等实验数据，计算不同高度下发动机的功率，发动机搭载不同的机型测试的数据会有所不同。飞行实验数据表明，使用复合增压后发动机不失功率飞行高度可达5 480 m，7 600 m处发动机仍能保持80%的功率，仅安装一级涡轮增压器时不失功率高度为3 050 m左右，其最大升限能力为6 km，如图7所示，说明复合增压能满足轻型飞机高空飞行的需求。

图6 发动机地面台架实验Fig.6 The engine bench test

图7 飞行高度和功率百分比Fig.7 Percentage of power and altitude

表3 实验记录数据Table 3 The experiment data

4 结束语

以某型活塞重油发动机为研究对象，建立该四缸发动机GT－POWER模型，考虑机械增压器内部阀门的开启，分析复合增压对飞机飞行能力的影响。通过对高空环境和地面环境进行模拟，结果表明，在5 km高空环境下，一级涡轮增压压气机效率下降，涡轮轴转速升高，压比系数增大，后燃现象严重，缸内平均指示压力降低，发动机功率下降，同时热负荷增加。使用复合增压技术后，在高空状态下，发动机气缸内压力提升到地面工况的94%，且燃烧正常，发动机功率得到提升，飞行实验证明发动机在高空状况下飞行状况良好，复合增压起到良好效果。

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Simulation analysis of composite supercharging technology of aircraft piston engines

PAN Zhongjian1，HE Qinghua1，2，ZHANG Xiangjian1
（1.College of Mechanical Engineering，Central South University，Changsha 410083，China；2.Research and Development Center，Sunward Intelligent Equipment Co.，Ltd.，Changsha 410100，China）

In order to investigate the high altitude performance of aircraft piston engines under composite supercharging conditions，the GT-POWER model of a composite supercharged system used on a certain aircraft piston engine was established to analyze its altitude characteristics under different supercharging conditions and its accuracy was validated.Based on the simulation results，it was concluded that when the engine was merely under level-one turbocharging condition，compared with the working condition on the ground，its maximum pressure in cylinder declined by 26 percent and the after-burning phenomenon became severe when it was operated at 5 000 meters above ground.In addition，the temperature in cylinder rose，resulting in apparent increase of thermal load，which ultimately leaded to power decrease of the engine.However，if the engine worked under composite supercharging condition，the pressure and power of the engine would recover in the high altitude，and the temperature in the cylinder approached to the level of ground working condition.When the engine was applied to a certain light aircraft，it could still maintain 80 percent of power even at the height of 7 600 meters，which verified that the composite supercharged system can satisfy the demand of high-altitude flight perfectly.

aircraft piston engine；turbocharging；after-burning；composite supercharging；maximum pressure；power recovery

10.3969／j.issn.1006-7043.201309004

http：／／www.cnki.net／kcms／detail／23.1390.U.20141208.0948.001.html

TK421

A

1006-7043（2014）12-1543-05

2013-09-02.网络出版时间：2014-12-08.

国家863计划资助项目（2009AA045103）.

潘钟键（1983-），男，博士研究生；何清华（1946-），男，教授，博士生导师.

何清华，E-mail：hqh＠mail.csu.edu.cn.