二冲程活塞发动机复合增压方案及增压特性的仿真分析

摘要

二冲程发动机作为小型航空动力在国内外被广泛使用，但随着海拔的升高发动机功率大幅下降，故其使用海拔范围比较有限。增压技术作为发动机功率强化及恢复的一个十分重要而有效的技术手段，可用于二冲程发动机的中低空功率恢复。为尽可能提高压比，拓宽功率恢复的海拔范围，考虑采用两级增压。但是，为了避免出现两级涡轮增压下发动机的响应缓慢、排气能量不足时压比提升有限，以及两级涡轮增压后发动机排气压力提高影响到发动机的扫气性能等问题，本文旨在采用复合增压（机械+涡轮）对二冲程发动机进行变海拔下的功率恢复研究。
　　本文根据原型机的相关参数建立并验证了二冲程发动机的仿真模型。在此基础上，通过合理的变海拔增压匹配，模拟研究了涡轮增压二冲程发动机与增压系统的工作特性。研究结果表明，节气门仅控制发动机负荷而涡轮增压器由放气阀来调节的下游节气门方案，其功率全恢复到了10km，且该海拔处的可回收废气能量仍有剩余，超过该海拔后发动机的功率就会因增压比不足而下降。而油耗相对未增压时整体下降，但油耗值大小很大程度上依赖于扫气损失的多少，所以二冲程增压不仅要控制进气压力，还要控制排气压力。利用建立的机械增压仿真模型，分别对二冲程发动机多传动比机械增压方案和单传动比进气节流机械增压方案进行了模拟研究，探讨了二冲程机械增压发动机与增压系统的工作特性。研究结果表明，在匹配合理的前提下，多传动比机械增压方案功率全恢复的海拔范围比进气节流方案的要广，达到6000m，且在临界海拔以内，多传动比方案的油耗也略低一些。然而，多传动比方案结构相对比较复杂，而进气节流方案只需控制节气门的开度便可实现功率的平滑输出。另外，论文中提出并验证了排气节流升压对控制高海拔处扫气损失的可行性，并将节流作用用于了模型计算。最后，基于涡轮增压和机械增压仿真研究得到的相关结论，对二冲程发动机复合增压方案及其特点进行了分析，得出在低海拔下机械增压器工作，高海拔下机械增压器和涡轮增压器以串联形式联合工作的方案是相对最优的方案，并对该复合增压方案进行了仿真研究。研究结果表明:在海平面到4000m，涡轮增压器不工作，从4000m开始涡轮增压器投入运行;怠速时采用节气门适当地打开，并辅以进气回流装置进行发动机怠速工况的增压控制方式;复合增压发动机功率全恢复的海拔范围更广(11 km)，超过了涡轮增压，但油耗值比仅采用涡轮增压的情形要高;增压系统的稳态和瞬态切换研究表明了切换过程的可行性和切换平顺性。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 小型航空活塞式发动机的研究与应用现状

1．2．2 活塞发动机增压技术的研究现状

1．2．3 二冲程活塞发动机增压技术的研究与应用现状

1．3 课题的研究目标和内容

1．3．1 问题的提出

1．3．2 课题的研究目标

1．3．3 课题的研究内容

2 二冲程发动机工作过程的数学描述及仿真模型的验证

2．1 二冲程发动机数值计算模型的数学描述

2．1．1 缸内过程的数学模型

2．1．2 进排气系统计算模型

2．1．3 废气涡轮增压系统的计算模型

2．1．4 机械增压系统的计算模型

2．1．5 中冷器的计算模型

2．2 二冲程发动机扫气过程的相关参数

2．3 二冲程原机GT-Power模型的建立

2．3．1 建模步骤与仿真模型

2．3．2 建模过程中存在问题及解决方法

2．4 发动机仿真模型的验证

2．5 本章小节

3 二冲程涡轮增压发动机与增压系统的工作特性分析

3．1 航空活塞发动机工况

3．2 变海拔环境特点及其对增压器的影响

3．3 二冲程发动机废气涡轮增压方案

3．4 二冲程废气涡轮增压发动机工作过程仿真模型的建立

3．4．1 变海拔压气机Map修正模型

3．4．2 废气涡轮增压器的选型

3．4．3 基于增压器Map的涡轮增压发动机仿真模型

3．5 废气涡轮增压器与发动机的匹配分析

3．5．1 最大续航工况下的变海拔匹配

3．5．2 巡航工况下的变海拔匹配

3．5．3 不同工况时涡轮放气规律

3．6 废气涡轮增压发动机的工作特性

3．6．1 发动机有效功率

3．6．2 有效燃油消耗率

3．7 增压后发动机进排气压力和排温

3．7．1 进排气压力的变化

3．7．2 排气温度的变化

3．8 采用通用模型和修正模型的匹配效果对比

3．9 本章小节

4 二冲程机械增压发动机与增压系统的工作特性分析

4．1 二冲程发动机的耗气特性

4．2 二冲程发动机机械增压方案

4．3 二冲程机械增压发动机排气压力调节的必要性

4．4 多传动比机械增压方案仿真分析

4．4．1 仿真模型的建立

4．4．2 机械增压器与发动机的匹配分析

4．4．3 机械增压发动机的性能

4．4．4 机械增压调节方式及规律

4．4．5 机械增压系统的工作性能

4．4．6 喷油器位置对增压发动机的影响

4．5 进气节流机械增压方案的仿真分析

4．5．1 仿真模型的建立

4．5．2 机械增压器与发动机的匹配分析

4．5．3 增压发动机性能

4．5．4 调节方式及控制规律

4．5．5 排气压力调节阀对发动机功率的影响分析

4．6 二冲程发动机增压前后性能对比

4．7 两种机械增压方案特点的总结分析

4．8 本章小节

5 二冲程发动机复合增压方案及其特点分析

5．1 现有二冲程复合增压方案分析

5．2 复合增压系统的增压方案

5．3 各复合增压方案的特点分析

5．4 串联式复合增压方案的选定

5．5 串联式复合增压方案的工作过程

5．6 本章小节

6 二冲程发动机复合增压方案的仿真分析

6．1 复合增压仿真模型

6．2 复合增压系统与发动机的匹配分析

6．2．1 复合增压匹配效果

6．2．2 复合增压控制规律

6．3 复合增压发动机性能

6．4 复合增压系统工作性能

6．4．1 压气机耗功

6．4．2 进气压力(增压压力)

6．4．3 增压气体温度

6．4．4 排气压力

6．5 平均进排气压力差与扫气损失

6．5．1 平均进排气压力差

6．5．2 扫气损失的分析

6．6 复合增压系统中压比的分配

6．7 怠速时压气机的控制与增压匹配

6．8 增压器的切换研究

6．8．1 稳态切换分析

6．8．2 瞬态切换分析

6．9 本章小节

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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