مطالعه پارامترهای عملکردی موتور پرخورانی شده هوایی در ارتفاع با استفاده از مدل یک ‌بعدی

نوع مقاله : گرایش پیشرانش و انتقال حرارت

نویسندگان

1 دانشگاه تربیت مدرس

2 دانشکده مهندسی مکانیک دانشگاه تربیت مدرس

3 مرکز تحقیقات پیشرانش نهاب دانشگاه جامع امام حسین (ع)

چکیده

مدل­سازی یک بعدی موتورهای پیستونی هوایی، یکی از روش های مطالعه رفتار و عملکرد آنها در شرایط محیطی مختلف می­باشد. در این تحقیق به موضوع مدل­سازی یک بعدی موتور روتکس 914 به­عنوان یک موتور توربوشارژدار بنزینی هوایی و نیز پیش­بینی رفتار آن در ارتفاعات مختلف پرداخته می­شود. برای این منظور مدل یک بعدی کلیه اجزاء موتور همچون؛ فیلتر هوا، کاربراتور، منیفولد هوا، سوپاپ­های ورودی و خروجی، سیلندر و پیستون، میل‌لنگ، منیفولد دود و توربوشارژر در نرم­افزار GT-Power ایجاد می­شود. سپس با اعتبارسنجی مدل با داده­های ارائه­شده توسط شرکت سازنده و حصول اطمینان از دقت مناسب مدل، به مطالعه پارامترهای عملکردی مهم موتور و خطوط عملکردی توربوشارژر تا ارتفاع 30 هزارپایی از جنبه­های مختلف پروازی پرداخته می­شود. با مطالعه انجام شده مشاهده شد که تا ارتفاع 18 هزارپایی، توربوشارژر مانع از افت شدید پارامترهای عملکردی موتور می­شود و از آن به بعد به دلیل رسیدن کمپرسور به ناحیه سرعت بیشینه، شارژ هوای مورد نیاز و جلوگیری از افت عملکرد شدید موتور امکان­پذیر نیست. همچنین با مطالعه اثر تغییرات دمای محیط بر عملکرد موتور مشاهده شد که افزایش 40 درجه­ای دمای محیط، سبب افت 10 درصدی توان ترمزی و در نتیجه آن افت عملکرد پرنده در هنگام اوج­گیری خواهد شد. تاثیرگذاری تغییرات دمای محیط و ارتفاع بر عملکرد موتور، متفاوت است به صورتی­که تا رسیدن موتور به ناحیه سرعت بیشینه کمپرسور، اثر گذاری تغییرات دمای محیط محسوس­تر بوده و پس از آن، فاکتور ارتفاع مهمتر از دمای محیط خواهد بود.

کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله [English]

Parametric study on the performance of a gasoline turbocharged aircraft engine at high altitudes using a one-dimensional model

نویسندگان [English]

  • hosein mansoori 1
  • fatollah ommi 2
  • alireza al hashem 3
1 modarres
2 modarres
3 emam hosein
چکیده [English]

One-dimensional modeling of aircraft piston engines is one of the methods for studying their behavior and performance in different environmental conditions. In this research, the Rotax 914, an aerial Spark Ignition (SI) turbocharged engine, was modeled one-dimensionally to predict its behavior at different altitudes. To address this issue, the one-dimensional model of all engine components including air filter, carburetor, air manifold, inlet and outlet valves, cylinder and piston along with crankshaft, exhaust manifold and turbocharger were created in GT-Power software.Then by validating the model with the data provided by the manufacturer and ensuring the accuracy, the significant performance parameters of engine and turbocharger performance curves were evaluated for different flight conditions up to 30,000 feet. According to the results, the turbocharger prevented a dramatic decline in engine performance parameters up to 18,000 feet. However above that altitude, due to the compressor reaching the choking region, it is not possible to charge the required air and avoid severe engine performance loss. It was also observed, by studying the effect of ambient temperature changes on engine performance, an increase of 40­°C in the ambient temperature caused a 10% reduction in the braking horse power, and consequently, performance loss during climb period. The effect of changes in ambient temperature and altitude on engine performance varies so that, until the engine reaches the compressor's choking region, the impact of the ambient temperature variations is more perceptible, after that, the height factor will have a greater influence on the engine performance.

کلیدواژه‌ها [English]

  • GT-Power Model
  • Rotax 914
  • One-dimensional Modeling
  • Turbocharger
  • High Altitude

مراجع

  1. Luongo, A., Nuccio, P., and Vignoli, M. “Optimization of a Light Aircraft Spark-Ignition Engine”, SAE Technical Paper, Vol. 1, No. 3, pp.2420, 2016.##
  2. E.K. Anderson, W.P. Attard, A. Brown, P. Litke, K. Grinstead, and J. Hoke, “Experimental study of a pre-chamber jet igniter in a turbocharged Rotax 914 aircraft engine”, SAE Paper No. 1629, 2013.##
  3. J. Miller, J. Hoke, and F. Schauer, “Effect of Unsteady Flow on Intercooler Performance”, SAE Paper No. 2220, 2014.##
  4. K. Hashmi and D. Radhakrishna, “Prediction of High-Altitude Performance for UAV Engine”, SAE Paper No.  0207, 2015.##
  5. R. Amiel and L. Tartakovsky, “Effect of Flight Altitude on the Knock Tendency of SI Reciprocating Turbocharged Engines”, SAE Paper No. 0006, 2016.##
  6. J. Li, L. Zhou, Z. Zhao, X. Wang, and F. Zhang, “Research on Knocking Characteristics of Kerosene Spark-Ignition Engine for Unmanned Aerial Vehicle (UAV) by Numerical Simulation”, Therm. Sci. Eng. Prog. Vol. 9, pp.1-10, 2019.##
  7. A.P. Carlucci, A. Ficarella, D. Laforgia and A. Renna, “Supercharging system behavior for high altitude operation of an aircraft 2-stroke Diesel engine”, Energ. Convers. Manage. Vol. 101, pp.470–480, 2015.##
  8. S. Lebedevas, S. Dailydka, V. Jastremskas and P. Rapalis, “The influence of locomotive diesel engine transient operating modes on energy usage”, Transp. Res. Part D Vol. 34, pp.219–229, 2015.##
  9. H. Li, L. Shi and K. Deng, “Development of turbocharging system for diesel engines of power generation application at different altitudes”, J. Energy Inst. Vol. 89, pp.755-765, 2016.##
  10. W. Seldon, J. Hamilton, J. Cromas, and D. Schimmel, “Experimental GT-POWER Correlation Techniques and Best Practices Low Frequency Acoustic Modeling of the Intake System of a Turbocharged Engine”, SAE Paper No. 1794, 2017.##
  11. W. Seldon, A. Shoeb, D. Schimmel, and J. Cromas, “Experimental GT-POWER Correlation Techniques and Best Practices Low Frequency Acoustic Modeling of the Exhaust System of a Naturally Aspirated Engine”, SAE Paper No. 1793, 2017.##
  12. H. Wu and M.F. Li, “A hardware-in-the-loop (HIL) bench test of a GT-power fast running model for rapid control prototyping (RCP) verification”, SAE Paper No. 0549, 2016.##
  13. M.R. Khodaparast, M.A.S. Mirza Bozorg, and S. Kheradmand, “Keeping twin turbocharged engine power at flight altitudes”, Aircr. Eng. Aerosp. Tec. Vol. 90, pp.906-913, 2018.##
  14. BRP-Powertrain, “Operator’s Manual for Rotax Engine Type 914 Series”, OM-914, 2010.
  15. J.B. Heywood, “Internal combustion engine fundamentals”, Mcgraw-hill, 1988.##
  16. A.K.M. Shojaefard, H. Danamanesh, “Comparison of application models friction and combustion in spark ignition engine”, J. Auto. Eng. Rel. Indust. Vol. 123, pp.30-34, 2012.##
  17. I. Gamma Technologies, “GT-Power Engine Simulation Software Manual”, 2013.##
  18. M. Yang, Y. Gu, K. Deng, Z. Yang and S. Liu, “Influence of altitude on two-stage turbocharging system in a heavy-duty diesel engine based on analysis of available flow energy”, Appl. Therm. Eng. Vol. 129, pp.12–21, 2018.##
  19. X. Wang, Y. Ge, L. Yu and X. Feng, “Effects of altitude on the thermal efficiency of a heavy-duty diesel engine”, Energy Vol. 59, pp.543-548, 2013.##
  20. P.L. Perez and A.L. Boehman, “Performance of a single-cylinder diesel engine using oxygen-enriched intake air at simulated high-altitude conditions”, Aerosp. Sci. Tec. Vol. 14, pp.83-94, 2010.##

M. Yang, Y. Gu, K. Deng, Z. Yang and Y. Zhang, “Analysis on altitude adaptability of turbocharging systems for a heavy-duty diesel engine”, Appl. Therm. Eng. Vol. 128, pp.1196–1207, 2018.## 

فایل ها

سابقه مقاله

  • تاریخ دریافت: 10 دی 1397
  • تاریخ بازنگری: 25 بهمن 1398
  • تاریخ پذیرش: 12 آذر 1398
  • تاریخ انتشار: 01 فروردین 1399

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار