航空活塞发动机气缸体多物理场耦合磨损机理研究

航空活塞发动机气缸体表面摩擦失效是滑动摩擦应力场、气缸体表面温度场和循环多变功率载荷耦合作用的结果。统计分析了航空活塞发动机在多种工况环境下的摩擦磨损润滑状态,绘制了航空活塞发动机气缸体载荷功率谱。通过多变工况确定多物理场加载参数方案,在SRM-4摩擦试验机上给定功率、温度、载荷和滑油量拟耦合摩擦环境测试废旧气缸体。通过检测气缸体表面状态参数,检验拟废旧气缸体摩擦前后的表面状态。通过拟耦合研究了气缸体应力场、温度场、载荷功率变化对气缸体摩擦系数的影响。结果表明:气缸体表面摩擦系数随温度的增加呈指数增加;低温段(92℃)和中温段(145℃)时,摩擦系数对载荷在35~38N时的变化较为敏感,摩擦系数随载荷的增加而增加,磨损形式以疲劳磨损、疲劳点蚀为主;大于38 N后,载荷对摩擦系数的影响较小;高温段(198℃),载荷对摩擦系数的影响程度减小,温度是主要影响因素,摩擦形式由磨粒磨损(两体/三体磨损)转变为粘着磨损。摩擦系数随频率的变化相对较小。

基于可变高增压方式的航空活塞发动机变海拔工作特性仿真研究

以一台直列四冲程压燃式航空活塞发动机为研究机型,通过GT-Power构建一维热力学模型,首先对比研究了不同海拔下固定截面增压(fixed geometry turbocharger,FGT)、可变几何截面增压(variable geometry turbocharger,VGT)和两级可变几何截面增压(twinvariable geometry turbocharger,TVGT)对发动机性能的影响;然后基于搭建的TVGT增压系统,探究了高、低压级VGT叶片开度对发动机变海拔条件下工作特性的影响。结果表明:在不同海拔和转速工况下,发动机匹配TVGT增压系统后,其海拔适应性更佳。针对TVGT系统,在不同海拔下,当高压级VGT叶片开度位于0.2~0.4范围内,低压级VGT叶片开度位于0.6~0.8范围内时可以获得较高的动力性及经济性。通过对高、低压级VGT叶片开度的优化,在巡航工况转速3397 r/min时可在6000 m海拔下实现106.8%的功率恢复目标,可满足发动机对高海拔工作运行的功率恢复要求。

航空活塞二冲程发动机排气结构对换气过程的影响研究

为了解决航空活塞二冲程发动机排气系统对发动机性能及换气效率的影响问题,基于GT-Power的一维流动仿真对比研究了航空活塞二冲程发动机直排、直排-渐扩和渐扩-渐缩三种形式排气系统谐振状态对发动机性能及换气效率的影响。结果表明,三种不同排气系统谐振状态对发动机换气效率的影响非常明显。相比直排管和直排-渐扩形式,采用渐扩-渐缩形式的发动机在高转速和中低转速均呈现出较好性能。合理的排气谐振通过提高背压达到提高捕获率及优化扫气效率的效果,进而影响发动机的油耗和性能。

航空活塞发动机稳压箱温度影响因素及高空特性研究

针对某型航空活塞发动机中冷系统,建立了系统的传热数学模型.通过与实验数据相对比可知,中冷器冷侧出口温度、热侧出口温度模拟结果误差均在1.5%以内,明确了本文构建仿真模型可行且可靠.进而,利用该模型研究了中冷系统空气速度、环境温度、增压比、进气流量等因素对稳压箱温度的影响,分析了航空活塞发动机中冷系统的高度特性.结果表明:稳压箱温度随着空气速度的增加而降低,随着环境温度、增压比及进气流量的增加而上升.稳压箱温度对增压比的敏感度最大,对环境温度的敏感度最低,对进气流量及空气速度的敏感度介于二者之间.对于所研究的航空发动机中冷系统,最高稳压箱温度及中冷系统最大换热量均出现在临界增压高度,在海平面温度为50℃的条件下,二者的值分别为82.4℃、11.5 kW.

中冷压降对多级增压航空活塞发动机性能影响研究

为了提高航空用活塞发动机升限和高空性能,本文基于仿真方法,建立带有三级增压中冷的复合增压系统GT-POWER计算模型,并研究了不同飞行高度下各级中冷器的压降对增压系统及发动机性能参数的影响。研究表明,级后中冷器的压降会改变不同飞行高度下的增压系统中涡轮增压器的效率及实际总压比,进而影响发动机的动力性能和燃油经济性。其中,低压级中冷器的压降影响最为显著。在海拔20 km,当中冷器压降增大至6 kPa时,低压级中冷压降导致增压系统实际总压比下降了28.9%。同时,低压级中冷压降造成的航空活塞发动机功率损失约是同工况高压级造成的4倍、机械级的8.3倍。

航空活塞发动机曲柄连杆机构的瞬态动力学特性研究

选取通用航空领域常用的莱康明水平对置四缸航空活塞发动机作为研究对象,利用SolidWorks、ANSYS Workbench软件进行三维建模以及有限元分析。通过模拟发动机在起飞、巡航和降落阶段的工作条件,分别在2700、2400和1600 r/min的转速下对活塞、连杆和曲轴关键部件的等效应力和应变进行研究。实验结果显示,在起飞阶段(2700 r/min),活塞的等效应力和等效应变分别达到91 MPa和0.0017 mm。相比于巡航阶段(2400 r/min),其等效应力分别高出11%,等效应变高出22%;相较于降落阶段(1600 r/min),等效应力高出12%,应变高出29%。连杆在起飞阶段的等效应力和等效应变分别达到162 MPa和8.23E-4 mm,相比于巡航和降落阶段均高出5%和8%。此外,曲轴在起飞阶段的等效应力和等效应变分别达到184 MPa和0.0014 mm,比巡航阶段分别高出17%和59%,比降落阶段高出21%和63%。这一研究结果揭示在起飞阶段,活塞、连杆和曲轴受到了更大的力和变形,为优化曲拐机构设计及提升其在高负荷工况下的可靠性和耐久性,提供了重要的理论依据。

不同增压模式对压燃式航空活塞发动机性能的影响研究

压燃式航空活塞发动机在高空环境下易出现动力衰减、推力不足等关键问题,因此,增压系统的匹配研究和优化至关重要。基于GT-Power软件构建一维整机热力学模型,探究了不同海拔下增压模式以及高压级压气机叶片开度对压燃式航空活塞发动机性能的影响。研究表明:海拔4000m下,在3400r/min工况点,相较于固定截面增压(FGT),采用可变涡轮截面增压(VGT)技术后,燃烧始点提前了31.7%,转矩和功率分别提高36%,43.5%,泵气损失增加10.5%;而采用可调两级增压(RTST)后性能提升效果更显著,使发动机工作升限从5480m提升到了6000m,但在高转速下,RTST增压效率以及对发动机动力性能的增幅会出现下降趋势;低海拔下,随RTST高压级VGT叶片开度的减小,燃烧始点推迟,功率降低,油耗增加;高海拔下,燃烧始点、功率和油耗随叶片开度的减小而呈现与低海拔时相反的趋势。

航空二冲程活塞发动机分层扫气优化

针对二冲程活塞发动机常规扫气短路损失大、油耗高的问题,提出了一种分层扫气方案并进行了优化。以某发动机为研究对象,采用数值模拟方法建立了分层扫气模型,并对分层扫气过程进行了3维CFD仿真,其计算所需的边界条件通过发动机整体性能1维仿真获得,采用该模型研究了分层扫气发动机扫气机理,对不同容积扫气道进行了仿真,并对二冲程扫气过程的过量充气系数、扫气效率等参数进行对比。在仿真优化研究的基础上加工优化后的扫气道盖实物,并结合发动机巡飞工况状态开展发动机性能对比试验。结果表明:采用分层扫气过程的短路损失相比于常规扫气过程的减小42%,扫气道容积提高到1.3倍可使扫气效率提高2%,相比原型机测试数据,配置1.3倍扫气道容积的发动机在巡航转速范围内,燃油消耗率降低10%,但发动机功率略有降低。

四冲程自由活塞发动机仿真与实验

为实现清洁高效利用燃料发电,提出并研究了四冲程自由活塞发动机。基于活塞组件的动力学方程、燃烧室内的气体状态方程以及代用燃烧放热规律,建立系统仿真模型,对系统动态特性进行仿真研究,重点讨论了压缩比和膨胀比对系统性能的影响。在仿真分析的基础上,研制了一台缸径为62 mm的原理性样机,对样机实验结果进行了分析,并利用仿真模型对样机的性能参数进行了回归分析。研究结果表明:目前样机的发电效率为34%左右,优化后四冲程自由活塞发动机的发电效率在45%左右,比传统小型汽油发电机组有明显的性能优势。

四冲程自由活塞天然气发动机原理样机的试验研究与分析

在单缸四冲程自由活塞汽油机(free piston engine,FPE)原理样机试验基础上,为验证FPE多燃料可行性和仿真模型可靠性,并探索气体燃料在FPE中燃烧特性,设计了天然气供气系统,对FPE进行了多循环对比试验研究。结果表明:缸内峰值压力随压缩比增大而增大;输出功率随膨胀比增大而增大;FPE通过增大压缩比和膨胀比在由汽油改用天然气后动力性不再降低;与天然气在传统发动机中燃烧相比,FPE适当推迟点火定时可减小压缩负功;受初始设计活塞最大行程所限,一代原理样机试验性能未达最优,有较大提升空间。

小型航空二冲程活塞发动机建模及控制器在回路仿真研究

针对某小型航空二冲程发动机,采用机理建模和试验建模相结合的方法建立了该发动机的平均值数学模型,并在MATLAB/Simulink环境下对该模型进行了仿真研究,发现发动机转速、输出扭矩以及功率等外特性数据的仿真结果与实际的发动机台架试验数据基本吻合。在VC环境下编写仿真软件,通过调用MATLAB引擎实现了模型与控制器的对接,将原控制器和开发的快速原型控制器用发动机模型进行了硬件在回路仿真试验,并进行对比分析,结果表明,快速原型控制器和原发动机ECU喷油脉宽偏差不超过0.050ms。

航空活塞发动机起动过程喷油参数的模糊控制研究

航空活塞发动机起动过程的转速变化具有强非线性等特点,且飞机起动时会受诸多因素的限制,导致发动机在起动至怠速过程中转速会突降,使其起动受阻。针对上述问题,提出一种基于模糊控制的航空活塞发动机喷油方法,改善发动机从起动至怠速过程的转速变化问题。首先,利用AMESim与Simulink搭建压燃式航空活塞发动机仿真模型,实现联合仿真,将发动机喷油参数作为决策目标,发动机曲轴转速和总需求转矩作为输入变量;其次,使用模糊控制结合联合仿真不断修正控制算法,使得发动机曲轴转速在3 s左右到达1352 r/min后稳定在怠速状态。实验结果验证了在不同海拔下发动机从起动平稳地过渡到怠速状态后转速会稳定在1352 r/min附近,相比于传统MAP控制方法,模糊算法在响应时间上提高了0.5 s,起动时间缩短22%,超调量小于3%,提高了发动机怠速稳定性。

某型航空活塞发动机散热器优化设计及高空性能研究

以某型航空活塞发动机散热器为研究对象,针对原厂散热器性能不足进行了优化,用Matlab建立了散热器设计仿真模型,通过仿真值与试验值的对比,验证了仿真模型的准确性。风洞试验结果表明,优化后散热器满足某无人机飞行包线内使用。在发动机热负荷一定的条件下,通过GT-COOL模块仿真和飞行试验,研究了散热器的温度特性及高度特性。结果表明:对于研究的散热器,在标准大气条件(ISA)0-5km海拔范围内,随着高度增加,密度降低,无人机真空速提高,气液温差增大,散热器散热量增大。1km时散热器散热量相对于海平面散热量升高了7%,5km时散热器散热量相对于海平面散热量提高了30%。

水平对置航空活塞发动机曲轴箱有限元分析

高推重比设计一直是航空活塞发动机技术发展的必然趋势,为提升发动机的推重比,实现减重增效,以某款二冲程水平对置航空活塞发动机高强度铝合金曲轴箱作为研究对象,根据其结构特点建立三维实体模型,利用GT-SUITE软件分析各个主轴承座的受力情况,运用有限元软件ANSYSWorkbench对曲轴箱有限元模型进行稳态静力与约束模态的求解。结果表明,在发动机最大爆发压力下,曲轴箱最大变形不大于0.1 mm,安全系数大于1.2,1阶频率为1 421.6 Hz,远高于发动机的激励频率,不存在共振现象,整体结构符合设计要求。

航空活塞发动机高空特性研究

针对高空长航时无人机动力需求,以某型一级涡轮增压航空活塞发动机为研究对象,建立仿真模型,并根据测功机台架试验数据及手册提供数据对仿真模型校核,验证模型准确性,在此基础上,通过仿真模型探索发动机高空安全使用边界及发动机高空性能,最后通过装机飞行验证高空发动机工作稳定性及安全性。结果表明:仿真模型准确性较高,可以用于发动机高空性能研究;仿真模型可以给出发动机不同海拔高度下的可用工作范围及性能参数;同时通过装机飞行,在高空安全边界可用工作范围内,发动机运行稳定。

二冲程航空活塞发动机增压匹配研究和优化

针对二冲程航空活塞发动机高空功率下降问题开展增压匹配的相关研究。建立二冲程非增压航空活塞发动机的一维仿真模型,并对仿真模型进行了实验验证;以校验后的非增压发动机模型为基础匹配了增压器,建立增压发动机模型。通过废气涡轮增压匹配进行不同海拔高度条件下的匹配计算;研究高空环境下二冲程增压发动机的工作情况,提出利用排气系统结构优化拓宽增压器的工作范围,利用废气旁通阀控制增压程度方法对增压系统进行优化。获得了在7000 m海拔高度能够实现76%功率恢复的增压型二冲程航空活塞发动机,满足某无人机平台飞行任务剖面对发动机的需求。

基于简化机理的四冲程点燃式活塞发动机爆震燃烧数值模型

爆震问题是限制发动机性能发挥的关键问题之一,因此针对性地构建四冲程点燃式活塞发动机爆震燃烧模型,探究爆震燃烧的机理具有十分重要的意义。基于四川大学提出的73.0%(质量分数)正十二烷,14.7%1,3,5-三甲基环己烷和12.3%正丙基苯组成的RP-3航空煤油的三组分替代模型,采用先简化后合并的思路,应用直接关系图法(DRG)、基于误差传递的直接关系图法(DRGEP)、奇异摄动法(CSP)等简化方法构建了包含127种物质、360步反应的RP-3航空煤油简化机理,通过与详细机理的滞燃期预测结果对比,发现初始温度在900~1200K时,简化机理与详细机理的滞燃期预测结果误差在30%以内,验证了简化机理的有效性。在此基础上基于CONVERGE平台,采用G方程耦合化学反应动力学机理的方法构建了基于简化机理的四冲程点燃式活塞发动机的爆震燃烧数值计算模型并校核,最后基于模型模拟了发动机的爆震燃烧过程。结果表明:采用RP-3航空煤油简化机理耦合三维数值计算构建的爆震燃烧数值计算模型能够有效地模拟四冲程点燃式活塞发动机爆震燃烧过程末端混合气自燃现象,体现爆震燃烧过程中缸内平均参数的变化特征,描述缸内压力、温度及中间物质空间分布的演化情况。

某型二冲程航空活塞发动机缸头热负荷研究

某型二冲程航空活塞发动机缸头的冷却形式为风冷,影响缸头热负荷的主要因素包括缸头外部冷却空气流速、缸头燃烧室内燃气温度。以某型二冲程航空活塞发动机缸头为对象,研究缸头在极限工况下的热负荷,分析缸头温度场分布特点,为缸头的散热片结构优化设计提供参考依据。以缸内燃气瞬时温度和缸内燃气瞬时传热系数为基础,利用经验公式计算了缸内燃气与缸头内壁的换热边界条件以及缸头外部与冷却空气的换热边界条件。利用有限元数值仿真分析软件对某型二冲程航空活塞发动机缸头热负荷进行了仿真计算,获得缸头的温度场分布。通过对发动机进行地面台架试验测取了缸头在该工况下的特征点温度,试验测量值与仿真值对比,可见仿真结果与试验的误差小于5%,满足工程需要。

四冲程自由活塞天然气发动机研究

天然气成为未来汽车动力发展的主要来源。天然气具有资源丰富、燃烧清洁、经济性好等天然优势,可以作为动力装置燃料首选,而基于Atkinson循环的四冲程自由活塞式发动机,也有着燃烧适应性广、结构简单、热效率高等特点,为充分发挥二者优势,可以将二者结合应用到新型汽车动力装置研究当中。本文将主要探索研究四冲程自由活塞发动机,对其热力过程进行简要分析,探究该发动机优劣势。

航空活塞发动机使用升限分析

通过对某航空活塞增压发动机仿真分析与实验研究,以使用高度上可调节范围作为该类发动机使用升限的一般标准,依据其工作过程和控制规律探讨了使用范围变化的内在原因,提出了与压气机、涡轮参数有关的方程.为提高动力性能,设计了匹配良好的二级增压系统,依据该标准仿真分析了其极限高度与使用升限的可调范围,并给出进一步的改进建议.