压燃式二冲程对置活塞转盘发动机一维性能仿真

二冲程对置活塞转盘(2S-OPCP)发动机是一种新型发动机.该发动机使用凸轮转盘机构替代了传统发动机中的曲柄连杆机构,这种特殊的结构使转盘发动机具有功率密度高、体积小和结构简单等优点.发动机两侧的凸轮转盘存在相对转角,通过改变凸轮相对转角θ可以改变发动机的有效压缩比及换气正时,从而影响发动机的性能.根据转盘发动机的结构特点及工作过程搭建了一维热力学仿真模型,并使用试验数据对模型的缸内压力曲线进行了标定.随着θ改变,发动机的扫气过程及性能表现都会发生变化.当θ在0°~10°内变化时,发动机的换气过程有所改善,给气比在θ=7°时最高,提升了3.5%.同时,在θ达到4°后,指示燃油消耗率(ISFC)开始逐渐增加,ISFC最高增加了3.5%(θ=10°);而平均有效压力(IMEP)最高增加了3.3%(θ=4°),之后随着θ的上升,IMEP开始降低.

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。

对置活塞二冲程内燃机折叠曲柄系方案设计研究

结合一种新型对置活塞内燃机折叠曲柄系设计要求,提出4种折叠曲柄系统方案,利用Matlab/Simulink和ADAMS建立了仿真模型,通过运动学和动力学特性分析进行方案优选。计算结果表明,与传统内燃机相比,这4种折叠曲柄系活塞运动学关于上止点具有明显的非对称性,相同转速下使得膨胀时间和压缩时间均不相同,因而将对气流湍动能、扫气质量和燃烧等容度均产生不同影响;动力学上,活塞侧压力较传统二冲程内燃机大幅度减小,有利于减小气缸壁的磨损。由于方案4具有空间结构布置灵活性大,系统平衡性较好,活塞运动规律有利于提高内燃机的充气效率和加快内燃机燃油与空气的混合速率,同时可以缩短着火延迟时期的特点,所以方案4为最优方案。

对置活塞二冲程柴油机换气过程的试验

针对对置活塞二冲程柴油机换气特点和示踪气体法测试原理,提出了示踪气体法在对置活塞二冲程柴油机上的具体试验方法.利用该方法开展了发动机换气过程的试验研究,分析了不同运转工况下进、排气状态参数对发动机换气品质的影响规律.结果表明:进、排气压差对换气品质及捕获空气量有较大的影响,压差越大,扫气效率和捕获空气量越高;当给气比大于1.4以后,压差对扫气效率和捕获空气量的影响趋势逐渐趋于平缓;以发动机稳定运行并兼顾较小的泵气损失为优化目标,给气比宜选取的范围为0.5~1.4.

对置活塞二冲程汽油机喷油和点火定时影响分析

对对置活塞二冲程缸内直喷汽油机缸内流动、混合气形成和燃烧过程进行数值模拟,以研究喷油定时和点火定时对混合气的形成、燃烧过程和整机性能的影响。结果表明:随着喷油提前角的增大,火焰发展期缩短,快速燃烧期先减小后增大,而在喷油提前角为100°CA时达到最小值;随着点火提前角的增大,火焰发展期延长,快速燃烧期先减小后增大且在点火提前角为20°CA时达到最小值。因此,喷油提前角100°CA、点火提前角20°CA为最佳匹配。此时,可实现点火时刻的均匀混合;同时具有较短的火焰发展期和快速燃烧期,所对应的缸内平均指示压力较高,指示燃油消耗率较低。

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。

对置活塞二冲程柴油机控制策略研究

运用快速原型工具ControlBase,利用MATLAB/Simulink软件设计了对置活塞二冲程柴油机的控制策略。综合考虑了对置活塞二冲程柴油机的各种运行工况,采用模块化的方法,设计了对置活塞二冲程柴油机起动控制、轨压控制、怠速控制、工况调度及油量控制等控制策略。采用变步长和等步长相结合的方法,设计和优化了控制MAP,在试验台架上优化了控制参数并验证了控制策略。研究结果表明:发动机起动响应快、转速超调小,怠速波动小于10r/min,轨压波动小于5MPa,发动机各工况运转稳定且过渡平滑。

对置活塞二冲程柴油机新鲜充量短路研究

为了研究二冲程发动机新鲜充量短路现象、提高其换气质量,并深入了解二冲程发动机换气过程,以某对置活塞二冲程柴油机为研究对象,通过排气管中短路新鲜充量质量占比的改变来表征换气过程中新鲜充量的短路,研究了进排气压差、排气背压和气口参数等设计参数对于该柴油机在换气过程中短路问题的影响规律。结果表明:压差的增加会使新鲜充量出现大量短路的时刻提前,对于整个换气过程而言,在压差较大时缸内废气的清扫效果较好;排气背压的增加可以推后新鲜充量出现大量短路的时刻,降低缸内废气的清扫程度;进气口高度增加会提前新鲜充量出现大量短路的时刻,并改善换气过程;排气口高度的增加有助于缸内废气的清扫;进气口和排气口宽度的变化对短路现象影响都不是十分明显。

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。

对置活塞二冲程柴油机换气子阶段完成比例研究

针对对置活塞二冲程柴油机自由排气、扫气和后充气3个换气子阶段,开展不同换气子阶段对换气过程影响研究,了解不同换气子阶段在整个换气过程中的完成比例。以某对置活塞二冲程柴油机为研究对象,在建立一维仿真模型并验证其准确性的基础上,通过缸内二氧化碳质量的变化研究了该柴油机3个换气阶段在整个换气过程中的完成比例。通过改变转速、压差和排气背压研究了这3种影响因素对不同换气阶段的影响。结果表明:该柴油机在发动机转速1 200 r/min、压差0.013 MPa、背压0.18 MPa时,自由排气、扫气和后充气3个阶段在换气过程中的完成比例分别为64.42%、35.57%和0.01%;自由排气完成比例随着转速的增加而逐渐下降,扫气阶段完成比例逐渐增加;进排气压差的影响效果与转速相似;排气背压的改变对不同换气阶段完成比例的影响不明显,只对换气过程中缸内二氧化碳的质量变化影响较大。

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。

新型无连杆二冲程航空活塞发动机结构分析

为了开发出一种无曲柄连杆机构的大缸径二冲程点燃式活塞发动机,参考国外设计专利,运用三维CAD软件构建发动机概念电子样机,分析发动机结构与工作原理。结果表明:新型大缸径无连杆发动机结构能满足航空活塞发动机高效率、高功重比的需求,具备较高的应用价值。

应用于长冲程活塞往复泵上的一种自动调心结构

长冲程往复泵要求 3个缸套高精度同轴。由于加工能力及成本限制 ,造成多节活塞杆和相配缸套不同轴 ,由此导致偏磨 ,密封失效。为此采用一种球面自动调心结构 ,即使在同轴度误差较大的情况下 。

基于ANSYS的两冲程小型发动机活塞热耦合分析

利用ANSYS对某型两冲程活塞的初始模型进行热应力耦合有限元计算,根据试验数据和常规经验确定温度、静应力等边界条件,计算活塞的温度场和最大应力,确定活塞的型线和技术条件。

OP2S双燃料发动机气口匹配特性研究

对置活塞二冲程(OP2S)发动机是一种结构可调性较高的动力系统,采用等效二冲程方法建立并校验了OP2S柴油机的一维仿真模型,研究了不同甲醇含量下进排气口高度冲程比对OP2S柴油机动力性能、燃油经济性、换气性能和排放性能的影响。结果表明:OP2S柴油机具有换气性能和排放性能的双“trade-off”关系。甲醇含量增加会促进经济性能的提高和动力性能的降低,也会促进扫气效率的增加和捕获率的降低。进排气口的匹配设计是提升OP2S柴油机性能的关键之一。进气口通过增加新鲜空气主动促进燃烧,而排气口通过减少能量和新鲜充量损失被动改善换气性能。随着气口高度的增加,OP2S柴油机的性能曲线具有双转捩点。将性能曲线分为3个区域,其中第2区域为最佳性能区,该区域对应的进/排气口高冲程比分别为0.056~0.122和0.078~0.100。

对置活塞折叠曲柄内燃机刚体动力学特性分析

建立了一种新型的对置活塞折叠曲柄内燃机的刚体系统动力学模型,并对其标定转速下运动机构的运动学规律和动力学特性进行了分析,得到了各个销轴水平方向和竖直方向的作用力变化曲线、各轴承比压及主要轴承的载荷图。分析结果表明:折叠曲柄系使活塞运动学具有不对称性,膨胀时间增长、压缩时间缩短,有利于提高内燃机的充气效率和加快内燃机燃油气的混合速率,会缩短着火延迟时期。动力学上,活塞侧压力较传统内燃机大幅度减小,有利于减小气缸壁的磨损;机构竖直方向的受力远小于传统内燃机,水平分量易被抵消,系统平衡性较好。

对置活塞发动机缸内流动的模型分析与仿真验证

为分析对置活塞二冲程发动机缸内流动的组织方法与影响规律,分别设计均匀和非均匀进气腔以及平顶和凹坑活塞进行缸内流动计算。通过建立缸内流动的零维模型,对缸内流动的组织和影响规律进行定性分析。同时,通过三维计算流体动力学仿真验证了零维模型的分析结论。研究表明,均匀进气可组织较强的缸内涡流,非均匀进气配合活塞顶面的凹坑导流结构,可实现缸内流动的合理组织和平均湍动能变化,相比平顶活塞缸内湍动能提高了1.5倍。

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。

气动冲击机构的动态特性分析

本文通过对有阀型气动冲击机构的动态特性分析,找出了各结构设计参数间的匹配关系,提出了参数型判据方法,为气动冲击机构的相似设计和优化提供了参考。并对提高机构的工作性能,充分利用压气的能量,提出了一些新见解。本文的理论分析和试验结果基本一致。

航空二冲程活塞发动机与定距螺旋桨的匹配研究

以长航时无人机的工作特点为基础,结合二冲程发动机的功率输出特性和定距螺旋桨的功率吸收特性,以及发动机的外特性曲线和螺旋桨的推进特性曲线,得出了在地面飞行状态下二冲程活塞发动机匹配定距螺旋桨所采用的方法,并通过为某型二冲程发动机匹配最优定距螺旋桨的试验,证明了该方法可以应用于在地面及低空状态下,为已知发动机匹配合适的定距螺旋桨.