مطالعه پارامترهاي عملكردي موتور پرخوراني شده هوايي در ارتفاع با استفاده از مدل يك بعدي

Parametric Study on the Performance of a Gasoline Turbocharged Aircraft Engine at High Altitudes using a One-Dimensional Model

مدل­ سازي يك بعدي موتورهاي پيستوني هوايي، يكي از روش هاي مطالعه رفتار و عملكرد آنها در شرايط محيطي مختلف مي­باشد. در اين تحقيق به موضوع مدل­سازي يك بعدي موتور روتكس 914 به­عنوان يك موتور توربوشارژدار بنزيني هوايي و نيز پيش­بيني رفتار آن در ارتفاعات مختلف پرداخته مي­شود. براي اين منظور مدل يك بعدي كليه اجزاء موتور همچون؛ فيلتر هوا، كاربراتور، منيفولد هوا، سوپاپ­هاي ورودي و خروجي، سيلندر و پيستون، ميل لنگ، منيفولد دود و توربوشارژر در نرم­افزار GT-Power ايجاد مي­شود. سپس با اعتبارسنجي مدل با داده­هاي ارائه­شده توسط شركت سازنده و حصول اطمينان از دقت مناسب مدل، به مطالعه پارامترهاي عملكردي مهم موتور و خطوط عملكردي توربوشارژر تا ارتفاع 30 هزارپايي از جنبه­هاي مختلف پروازي پرداخته مي­شود. با مطالعه انجام شده مشاهده شد كه تا ارتفاع 18 هزارپايي، توربوشارژر مانع از افت شديد پارامترهاي عملكردي موتور مي­شود و از آن به بعد به دليل رسيدن كمپرسور به ناحيه سرعت بيشينه، شارژ هواي مورد نياز و جلوگيري از افت عملكرد شديد موتور امكان­پذير نيست. همچنين با مطالعه اثر تغييرات دماي محيط بر عملكرد موتور مشاهده شد كه افزايش 40 درجه­اي دماي محيط، سبب افت 10 درصدي توان ترمزي و در نتيجه آن افت عملكرد پرنده در هنگام اوج­گيري خواهد شد. تاثيرگذاري تغييرات دماي محيط و ارتفاع بر عملكرد موتور، متفاوت است به صورتي­كه تا رسيدن موتور به ناحيه سرعت بيشينه كمپرسور، اثر گذاري تغييرات دماي محيط محسوس­تر بوده و پس از آن، فاكتور ارتفاع مهمتر از دماي محيط خواهد بود.

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.