小型航空点燃式重油活塞发动机点火及爆燃协同控制的模拟研究
发布时间：2017-08-20 14:07
本文关键词：小型航空点燃式重油活塞发动机点火及爆燃协同控制的模拟研究
【摘要】：活塞发动机具有体积小、重量轻、升功率高、结构简单、操作维护方便、生产周期短、成本低等优点,因而在小型航空发动机领域占有非常重要的地位。小型航空活塞发动机的燃料主要以汽油为主。但汽油遇明火易发生爆炸,而重油具有较高的闪点和挥发温度,安全性得以保障,同时,重油燃料更符合特殊场合燃料供应一体化的要求。重油通常使用压燃的方式着火燃烧,但压燃式发动机结构复杂,重量较大,不满足无人机轻便灵活的要求。.因此,我国对于小型航空发动机开发的一个思路就是利用汽油活塞发动机轻便灵活的特点,同时保证燃料的安全易获取,对此国内各个科研单位对点燃式重油发动机作了大量的研究。重油的物性参数与汽油差别较大,燃油雾化存在一定困难,而燃油雾化是可靠点火及燃烧的前提。重油碳分子数多,饱和蒸汽压低,同时又采用了缸内直喷技术,点火时混合气浓度分布极其不均匀,给点火和火焰传播带来困难,可靠点火和火焰传播是需要解决的问题。同时,重油辛烷值显著低于汽油,抗爆性较差,容易发生爆燃,需要解决燃油的爆燃问题。在此基础上,需要解决重油混合气点火与爆燃的协同控制问题。本文主要对重油混合气可靠点火问题和爆燃问题,以及点火和爆燃协同控制问题展开仿真分析。利用AVL fire软件在ROTAX 914上开展模拟计算。首先仿真分析了均质混合气条件下重油混合气的点火特性和爆燃特性。然后采用缸内直喷技术将燃油喷入燃烧室,分析了不同条件下重油的雾化过程及其难易程度。在此基础上分析了非均质混合气的点火特性和爆燃特性。综合前面两步工作,本文对比了均质和非均质混合气的燃油雾化,点火和爆燃特性,在非均质条件下给出了两两因素对点火和爆燃的协同控制规律,给出多因素影响下的失火边界和爆燃边界,利用正交设计确定了最佳的喷油策略和点火策略。最后利用GT-POWER建立整机模型,分析了多种爆燃抑制方法及其对发动机性能的影响。结论表明,非均质条件更适于重油点火和燃烧,较早喷油有利于重油雾化蒸发,提高雾化质量,提高初始温度,选取适宜的EGR比例和两次喷油能确保较好的燃油雾化；火花塞处偏浓的混合气,提高初始温度,较小的EGR比例,较早的点火时刻和较大的点火能量可以保证形成有效火核并进入火焰传播；过浓或过稀,较大的EGR比例,较晚的点火时刻和两次喷油策略可以对爆燃起到抑制作用;多因素存在一个适当的范围使得重油既能可靠点燃同时减轻爆燃,提高发动机性能。
【关键词】：重油 活塞发动机 点火 爆燃 协同控制
【学位授予单位】：北京交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：V234
【目录】：
- 致谢5-6
- 中文摘要6-7
- ABSTRACT7-12
- 1 绪论12-28
- 1.1 论文研究背景12-13
- 1.2 国内外研究与应用现状13-24
- 1.2.1 小型航空活塞式发动机国内外研究应用现状13-15
- 1.2.2 小型航空活塞式重油发动机国内外研究应用现状15-17
- 1.2.3 小型航空活塞发动机混合气形成与点火研究现状17-20
- 1.2.4 发动机爆燃特性研究现状20-23
- 1.2.5 发动机失火特性研究现状23-24
- 1.3 论文研究内容24-28
- 1.3.1 问题的提出24-25
- 1.3.2 论文研究内容25-28
- 2 仿真模型的建立28-44
- 2.1 流体运动方程组和模型选取28-38
- 2.1.1 流体运动的基本方程组28-29
- 2.1.2 湍流模型29-32
- 2.1.3 喷雾模型32-36
- 2.1.4 点火和燃烧模型36-37
- 2.1.5 爆燃模型37-38
- 2.2 几何模型的建立及网格划分38-40
- 2.3 初始条件及边界条件40-41
- 2.4 模型有效性验证41-42
- 2.5 本章小结42-44
- 3 均质混合气点火与爆燃特性仿真分析44-88
- 3.1 均质混合气点火特性的仿真分析44-75
- 3.1.1 当量比和EGR对点火的影响分析45-59
- 3.1.2 初始温度对点火的影响分析59-64
- 3.1.3 点火系统参数对点火的影响分析64-75
- 3.2 均质混合气爆燃特性的仿真分析75-86
- 3.2.1 当量比和初始温度对爆燃的影响分析75-80
- 3.2.2 EGR对爆燃的影响分析80-83
- 3.2.3 点火时刻对爆燃的影响分析83-86
- 3.3 本章小结86-88
- 4 非均质混合气点火与爆燃特性仿真分析88-120
- 4.1 燃油雾化影响因素的仿真分析88-101
- 4.1.1 喷油定时对燃油雾化的影响分析88-93
- 4.1.2 多段喷射对燃油雾化的影响分析93-98
- 4.1.3 EGR率对燃油雾化的影响分析98-101
- 4.2 非均质混合气点火特性的仿真分析101-112
- 4.2.1 喷油定时对点火的影响分析102-106
- 4.2.2 多段喷射对点火的影响分析106-108
- 4.2.3 EGR率对点火的影响分析108-112
- 4.3 非均质混合气爆燃特性的仿真分析112-117
- 4.3.1 喷油定时对爆燃的影响分析112-114
- 4.3.2 多段喷射对爆燃的影响分析114-115
- 4.3.3 点火时刻对爆燃的影响分析115-116
- 4.3.4 EGR率对爆燃的影响分析116-117
- 4.4 本章小结117-120
- 5 点火与爆燃协同控制的仿真分析120-152
- 5.1 点火与爆燃协同控制分析120-132
- 5.1.1 均质与非均质混合气雾化、点火和爆燃对比分析120-127
- 5.1.2 非均质混合气点火和爆燃影响因素的分析127-129
- 5.1.3 非均质混合气点火与爆燃协同控制分析129-132
- 5.2 最优协同控制方案的确定132-143
- 5.2.1 优化设计方法——正交设计133-136
- 5.2.2 正交设计结果分析136-141
- 5.2.3 正交设计前后点火与爆燃特性对比141-143
- 5.3 保证点火条件下爆燃的不同抑制方法143-150
- 5.3.1 GT-POWER模型的建立与验证143-145
- 5.3.2 加浓对爆燃的影响分析145-147
- 5.3.3 扫气对爆燃的影响分析147-148
- 5.3.4 中冷后温度对爆燃的影响分析148-150
- 5.4 本章小结150-152
- 6 全文总结与展望152-160
- 6.1 全文总结152-157
- 6.2 工作展望157-160
- 参考文献160-164
- 作者简历164-168
- 学位论文数据集168
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