基于爆燃控制的小型航空点燃式重油活塞发动机燃烧系统匹配研究

摘要

在小型航空领域，汽油由于闪点低、易挥发的特点其应用范围得到一定限制，在舰船上更是不允许使用汽油。同时传统的压燃式柴油机由于其体积大，结构比较复杂，不满足无人机的工作要求，解决问题的一种重要策略就是开发点燃式重油活塞发动机。重油的辛烷值很低，该发动机采用点燃的方式燃用重油，在工作时则极易发生爆燃现象，会在一定程度上损伤发动机严重影响发动机的寿命，这就需要对爆燃进行抑制。爆燃涉及发动机燃烧系统的各个方面，抑制爆燃则需要选择合适的燃烧系统参数匹配方案，这就不可避免的会影响发动机的性能，在抑制爆燃的同时尽可能小的降低对发动机的动力及经济性能的损耗，从而满足其在不同工作环境下的条件。
　　本文根据RO TAX914的相关参数建立了进气-喷油-燃烧的耦合模型，通过耦合模型模拟缸内的进气、喷油及燃烧过程。首先本文选取了具有代表性的混合气分布情况，对其燃烧过程中的爆燃情况进行了模拟分析。得出混合气偏浓的区域趋向于燃烧室的火花塞一侧时，最适于缸内的燃烧过程，缸内将呈现较高的爆燃倾向。
　　其次本文模拟了在不同进气、喷油及燃烧室形状相关参数下的混合气分布的变化情况，从而分析了各因素对于爆燃的影响。气门定时与气门升程改变时混合气分布变化较小，从而其爆燃倾向的改变也相对较小。同时喷油时刻越早、喷油压力越大及喷油角度由15°增大或减小时，缸内混合气分布越有利于缸内燃烧过程，爆燃趋势越高。凹面活塞的燃烧室的混合气分布相较于平顶更利于缸内燃烧过程，平顶加凹坑活塞的燃烧室更有利于形成爆燃趋势较小的混合气分布。
　　本文同时模拟不同点火的相关参数及EGR率下的爆燃情况，点火时刻与EGR率为爆燃的显著影响因素，而点火能量的影响则很小。综合以上的相关工作选取了对于发动机爆燃影响较大的因素采用正交设计对于发动机的燃烧系统的相关参数进行了匹配研究，得到了燃烧系统各因素对于爆燃的影响的显著性情况，基于此给出了在很好的降低爆燃趋势的条件下对发动机性能损耗较低的选取的燃烧系统参数的匹配结果。匹配后方案缸内燃烧过程的爆燃趋势相对于匹配前明显降低，而其功率及燃烧消耗率分别降低与升高了11％左右，满足发动机的工作需求。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．1 论文研究背景

1．2 国内外研究与应用现状

1．2．1 小型航空重油活塞发动机国内外研究现状

1．2．2 小型航空重油活塞发动机燃烧系统的研究现状

1．2．3 发动机燃烧系统优化匹配的研究现状

1．2．4 发动机爆燃特性研究现状

1．3 论文研究内容

1．3．1 问题的提出

1．3．2 论文研究内容

2 仿真模型的建立

2．1 流体运动方程组和模型选取

2．1．1 流体运动的基本方程组

2．1．2 湍流模型

2．1．3 喷雾模型

2．1．4 点火和燃烧模型

2．1．5 爆燃模型

2．2 几何模型的建立及网格划分

2．3 初始条件及边界条件

2．4 模型有效性验证

2．5 本章小结

3 基于燃油喷射的混合气分布对爆燃影响的研究

3．1 不同喷油条件下的混合气分布

3．1．1 不同喷油定时下的混合气分布

3．1．2 不同喷油角度下的混合气分布

3．1．3 不同喷油压力下的混合气分布

3．2 混合气分布对爆燃的影响

3．2．1 混合气分布的选择

3．2．2 不同混合气分布时的爆燃分析

3．3 本章小结

4 基于爆燃的混合气分布的影响因素研究

4．1 进气对混合气分布的影响

4．1．1 进气气门升程对混合气分布的影响

4．1．2 进气气门定时对混合气分布的影响

4．2 喷油对混合气分布的影响

4．2．1 喷油定时对混合气分布的影响

4．2．2 喷油角度对混合气分布的影响

4．2．3 喷油压力对混合气分布的影响

4．3 燃烧室形状对混合气分布的影响

4．4 本章小结

5点火与EGR对爆燃特性的影响研究

5．1 点火对爆燃的影响

5．1．1 点火时刻对爆燃的影响

5．1．2 点火能量对爆燃的影响

5．2 EGR对爆燃的影响

5．3 本章小结

6 发动机燃烧系统的匹配

6．1 燃烧系统匹配正交设计方案的确定

6．1．1 优化目标与评价指标

6．1．2 因素和水平的确定

6．1．3 正交表的选择

6．1．4 表头设计及计算安排

6．2 燃烧系统匹配正交设计结果分析

6．2．1 直接比较分析

6．2．2 极差分析

6．2．3 方差分析

6．2．4 方案选择

6．3 匹配前后方案结果比较分析

6．4 本章小结

7 全文总结与展望

7．1 全文总结

7．2 工作展望

参考文献

作者简历

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