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。

二冲程半直喷航空发动机喷油策略研究

基于自主研发的二冲程低压半直喷航空发动机及控制系统,开展喷油控制策略及对发动机性能影响规律的研究。结果表明:对于不同的发动机运行工况,需要采取不同的喷油策略组合。在起动和怠速工况,采用进气道喷射的独立供油方式;在部分负荷及高负荷工况,采用进气道喷射和缸内直喷协同供油方式,随着发动机直喷比例的提高,燃油消耗率相应减小;与采用进气道喷射供油相比较,采用低压半直喷供油可以获得较理想的燃油经济性。

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.

二冲程自由活塞发动机扫气过程仿真分析

点燃式二冲程自由活塞发动机扫气过程直接影响发动机的工作性能,故在建立分析模型的基础上,采用数值计算的方法对影响扫气过程的相关因素进行了分析。结果表明:采用外部供气方式适当提高进气压力可以有效提高扫气效率,增加缸内气体质量;当发动机转速存在波动时,较低转速有利于扫气过程的完成,但对缸内气体质量影响不大;当活塞行程小于设计值时,扫气效果变差,缸内气体质量明显下降。

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。

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。

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。

二冲程点燃式航空煤油发动机爆震预测模型研究

针对二冲程点燃式航空煤油活塞发动机进行爆震预测研究,提出了一种基于3-Arrhenius公式的两组分混合爆震预测模型。以航空煤油燃烧实验数据为基础,采用GT-Power软件建立并校核了航空煤油的燃烧模型,利用一维性能仿真得到了爆震预测模型需要的末端混合气温度,通过发动机爆震实验数据评估了混合爆震预测模型和单一爆震预测模型的预测性能。结果表明:混合爆震预测模型和单一爆震预测模型预测的爆震起始角与实际的爆震起始角之间的标准误差分别为1.19°CA和3.23°CA,混合爆震预测模型能够识别燃烧初期的低压区域,对于爆震时缸内压力的突然升高有较好响应,表现出了良好的爆震预测性能。

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。

二冲程自由活塞发动机扫气与排放仿真研究

利用CONVERGE软件建立二冲程自由活塞发动机的三维计算流体动力学(computational fluid dynamics,CFD)仿真模型,研究扫气压力、点火时刻对缸内扫气、燃烧和CO_(2)、NO_(x)、CO废气排放的影响。仿真研究结果表明:随着扫气压力增大,缸内扫气效果变好,更多新鲜气体进入缸内,CO_(2)和NO_(x)的生成和排放增加,CO减少;点火时刻影响缸内燃烧,随着点火时刻推迟,缸压峰值和缸内平均温度降低,CO的生成及排放增加,NO_(x)的生成及排放减少。自由活塞发动机试验过程时,应当综合选取工况条件,使得燃烧、扫气、排放等达到综合最优效果。

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。

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。

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。

航空活塞二冲程发动机的可变排气阀换气过程

航空活塞二冲程发动机的换气过程直接影响发动机的性能,采用可变排气阀可以改善发动机的动力性能。通过GT-Power软件搭建发动机一维整机模型,进行可变排气阀的仿真研究,分析了发动机在不同转速、不同排气阀状态下的换气过程及排气阀状态对换气过程的影响。在此基础上,还对定速巡航工况下(6500 r/min转速、50%节气门开度)的排气阀状态进行了优化。结果表明:不同的排气阀状态可以改变发动机排气过程压力波动的相位,从而影响发动机的换气品质及燃烧过程;在定速巡航工况下,排气阀为中等开度时(初级阀关闭、次级阀开启),其发动机动力性能达到最优。

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%。

航空二冲程煤油发动机数值仿真研究

在无人机燃用航空煤油燃料效能问题的研究中,以小型二冲程汽油发动机为动力装置的无人机燃用航空煤油燃料具有重要的军事意义。煤油在内燃机中的研究和应用相对较少,所以研究煤油发动机性能参数的变化规律及爆震特性,为煤油发动机的参数优化匹配提供依据。通过建立航空二冲程发动机工作循环数值模型及爆震模型,改变模型中的压缩比、空燃比、点火提前角及反映高空特性变化的进气压力和进气温度等参数,分析主要结构参数和调整参数对煤油发动机性能的影响情况。研究结果表明,在相同的条件下,二冲程发动机燃用航空煤油燃料时性能差别不大,爆震倾向加大。可为小型二冲程汽油发动机燃用航空煤油燃料时爆震特性的研究提供参考。

二冲程自由活塞发动机-发电机系统设计与工作过程仿真研究

介绍了自由活塞发动机-发电机系统的结构设计和工作原理,详细分析了系统的工作过程,确定了系统整个工作循环的理论模型;在理论模型的基础上,对系统进行了工作过程仿真分析,并通过改变相关参数值研究参数变化对系统性能的影响规律。

二冲程发动机活塞裙部变形和润滑的数值分析

发动机工作时活塞裙部的变形会直接影响与缸套的配合间隙和润滑状态.文中以某通用航空二冲程活塞发动机为研究对象,建立活塞-活塞销-连杆-气缸套组合体有限元模型,计算并分析了不同负荷作用下活塞裙部的变形,并通过建立二阶运动动力学模型分析了活塞的横向位移,对活塞裙部与气缸套间的润滑油膜厚度和油膜压力进行了模拟计算.结果表明:不同负荷作用下活塞裙部主推力面有不同的变形;热负荷使裙部膨胀变形;机械负荷作用下裙部上端膨胀、下端收缩;热-机负荷耦合作用时的裙部变形复杂,不是两者的简单叠加;发动机工作时裙部两端与气缸套壁面间形成楔形空间,活塞裙部与气缸套之间能够建立油膜润滑.