_航空二冲程煤油发动机数值仿真研究

基金项目:总装某国防预研项目收稿日期:2013－07－10第31卷第6期计算机仿真2014年6月文章编号:1006－9348(2014)06－0054－06航空二冲程煤油发动机数值仿真研究陈林林1，魏民祥2(1．聊城大学机械与汽车工程学院，山东聊城252059;2．南京航空航天大学能源与动力学院，江苏南京210016)摘要: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 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 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。关键词:航空;二冲程发动机;小型无人机;煤油;爆震特性;数值计算中图分类号:TK461文献标识码:BＲesearchonNumericalSimulationforTwo－StrokeKeroseneAero－EngineCHENLin－lin1，WEIMin－xiang2，YANGHai－qing2(1．SchoolofMechanicalandAutomotiveEngineering，LiaochengUniversity，LiaochengShandong252059，China;2．CollegeofEnergyandPowerEngineering，NanjingUniversityofAeronauticsandAstronautics，NanjingJiangsu210016，China)ABSTＲACT:BurningaviationkeroseneforunmannedAerialVehiclewhichtakestheminiaturetwo－strokegasolineengineasmotiveforcehasimportantmilitarysignificance，andstudyonknockcharacteristicsoftwo－strokekeroseneaero－engineisoneofkeytechnologies．Theworkingcyclenumericmodelandknockmodelofkeroseneenginewerebuiltinthepaper．Throughchangingthecompressionratio，air－fuelratio，advanceangleofignition，intakepressureandtemperature，knockcharacteristicsofaviationkerosenefuelreplacedgasolinefuelbeforeandafterwereresearched．Thepaperanalyzedknockcharacteristicsofthekeroseneengineinthedifferentconfigurationsandparameters．Thebasisforthekerosenewasproposedintheparametersoptimizingmatch．Theresultsshowthattwo－strokeengineburninggasolinefuelgeneratesmoreknockthanburningkerosenefuelinthesameconditions．KEYWOＲDS:Aviation;Two－strokeengine;Unmannedaerialvehicle;Kerosene;Knockcharacteristics;Numericalcalculation1引言煤油作为一种石油分馏产物，在喷气发动机中有着广泛的研究与应用，但在内燃机中的研究和应用相对较少［1］。由于汽油的闪点低，挥发性高，易着火，给运输和使用造成许多不便［2］。汽油机改用煤油燃料研究在军事上具有便于燃料供应和管理、易于存储与运输及安全等重要意义。无人机迫切需要采用重油(煤油、柴油)等具有低挥发性的单一燃料，便于油料在舰船上的管理，以提高安全性［3］。当前世界上某些以小型二冲程汽油发动机为动力装置的小型无人机，部分已经使用煤油作为替代燃料［4］。文献［3］和［4］对汽油机改烧煤油或柴油进行了研究，叙述了煤油燃料内燃机的研究历史和现状，论述了汽油机烧—45—煤油的关键技术和实现汽油机以煤油为燃料的技术途径，答了汽油机是否可以烧煤油、怎样烧煤油以及烧煤油的结果如何等一系列问题。但没有具体研究煤油发动机性能参数的变化规律及爆震特性。研究煤油发动机性能参数的变化规律可以为煤油发动机的参数优化匹配提供依据。由于煤油燃料的辛烷值和抗爆指数小于汽油燃料，而且煤油的火焰传播速度比汽油慢，燃烧时间延长，后燃比例加重，所以发生爆震倾向增大［5］。爆震的发生对发动机振动、排放、噪声、性能等产生不利影响，因此对煤油发动机爆震的预测、分析对于提高煤油发动机性能，改善燃油经济性有重大的作用。本文研究的原型汽油发动机为某小型无人直升机采用的双缸双冲程风冷活塞式电控汽油发动机，建立其工作循环计算模型和爆震模型，采用GT－Power软件进行数值计算仿真，研究其替换航空煤油燃料ＲP－3前后的爆震特性，通过改变模型中的压缩比、空燃比、点火提前角、进气压力、进气温度等主要工作参数对发动机进行数值计算，分析主要结构参数和调整参数对煤油发动机爆震的影响，为煤油发动机的参数优化匹配提供依据。2煤油动力性能的理论分析有关二冲程火花点火发动机数值模拟的物理和数学模型参看文献［6］和［7］。下面对煤油动力性能进行理论分析。煤油动力性能的影响与混合气的热值、分子变更系数等因素有关。2．1煤油与汽油理论混合气的热值由于燃料在发动机中是以混合气的形式进行燃烧的，因此混合气的热值对发动机动力性能的影响最为直接。混合气热值的计算式为:Hm=huαL0+1mT(1)式中:Hm─可燃混合气的热值;L0─1kg燃料完全燃烧所需的理论空气量;mT─燃料的分子量;α─理论混合气过量空气系数，α=1。1kg燃料完全燃烧所需的理论空气量为L0=10．21gC12+gH4－gO()32(kmolkg)(2)煤油理论混合气热值为汽油理论混合气热值的98.9%，因此，如果两种燃料都在理论混合气下工作，在同样的条件下以煤油为燃料时动力性能下降1.1%。2．2分子变更系数的影响煤油发动机可以根据分子变更系数研究新燃料对动力性的影响。对于点燃式发动机燃烧前吸入的充量应考虑燃油蒸汽的摩尔数1mT，燃烧前的混合气量为M1=αL0+1mT(kmolkg)(3)燃烧后工质的数量为M2=αL0+gH4+gO32(kmolkg)(4)定义理论分子变更系数为μ0=M2M1=αL0+gH4+gO32αL0+1mT(5)实际分子变更系数为μ=μ0+γ1+γ(6)式中，γ─残余废气系数，取值范围在0.030.10，在作一般比较时，对点燃式发动机可取0.08。对定容加热循环，循环平均压力为ptv=εkε－1pak－1(λ－1)ηt(7)式中，λ─压力升高比;k─绝热指数;ε─压缩比;pa─压缩始点压力;ηt─循环热效率。如果不考虑温度的差异，则压力升高比λ与μ成正比，即μ1μ2=λ1λ2(8)式中，μ1、λ1为汽油参数，λ1一般可取为4;μ2、λ2为煤油参数。对汽油，L0=0.512kmolkg，gH=0.145，gO=0，mT=114，若α=1，则汽油的实际分子变更系数为μ1=1.04889;对煤油，L0=0.508kmolkg，gH=0.137，gO=0.003，mT=141，若α=1，则煤油的实际分子变更系数为μ2=1.04898。替换煤油燃料时，压缩比不变，假定压缩始点压力和热效率是一样的，汽油和煤油的循环功分别为W1和W2，则两种燃料的循环功比值为W2－W1W1=μ2μ1－11－1λ1(9)根据式(9)代入具体值可得汽油燃料替换煤油燃料后循环功比原来增加了0.1144%，由此可见，燃用煤油与燃用汽油相比，分子变更系数稍微增大，因此循环功稍微增大，对发动机的动力性影响不大。3爆震预测模型本文爆震预测模型的计算基于DouaudandEyzat公式，计算方程如下:τ=5．72e6·P·ON()1003．402·p－1．7·exp3800A·T()U(10)T=∫thknIVC1τdt(11)式中，τ为累积时间;T为累积时间积分;P为预先反应速率乘数;ON为辛烷值;p为气缸瞬时压力;A为活化能乘数;TU为未燃气体瞬时温度;IVC为缸内末端混合气体压缩起始角;thkn为爆震开始的曲轴转角。—55—在GT－Power爆震预测模型中，模型的输出为爆震指数KI、爆震起始曲轴转角和爆震强度。爆震强度是指在爆震开始时气缸内未燃气体的质量分数。爆震指数定义如下:KI=10000·A·km·VTDCV()I·e－TaTU·max0，(1－(1－)2[])·τ(12)式中，KI为爆震指数;A为爆震指数乘数;km为爆震开始时缸内未燃混合气的质量百分比;VTDC为上止点气缸的体积;VI为爆震时气缸的体积;Ta为活化温度(6000K);为等价比。爆震指数KI(或爆震强度km)越大，发动机爆震的倾向越大。4工作循环数值模型的建立本文对原型汽油机进行了台架测试试验，获取了标定工况下发动机缸内压力示功图、总功率及燃油消耗率等重要试验数据，为发动机建模及验证模型准确性提供了基础。表1为原型汽油机主要技术参数。表1原型汽油机主要技术参数主要参数参数的值排量625cm3活塞行程69mm气缸直径76mm进气方式簧片阀式最大性能47.8kW(65HP)at6300rpm最大扭矩72.4Nmat6300rpm点火提前角18°BTDC(at2000rpm)由于发动机的结构比较复杂，为了便于建模，把发动机结构抽象为缸体、进气系统和排气系统3个部分，如图1所示。图2原型汽油机GT－Power模型框图本文结合利用GT－Power软件提供的模型模块，以及根据实际需要利用用户自定义模块功能，建立完整的簧片阀进气式二冲程火花点火发动机的性能数值计算模型。首先建图1原型机结构示意图立原型汽油机工作循环整机数值计算模型，通过缸内压力、总功率及燃油消耗率等指标验证该模型的精确性，使模型模拟精度达到实际要求。然后在较精确建立原型汽油发动机数值模型的基础上，对煤油的物性数据进行设置，建立煤油发动机数值模型并进行数值模拟计算。图2为建立的原型汽油机GT－Power仿真计算模型，空气自进气边界经过滤清器、进气道、簧片阀进入曲轴箱，再经扫气道进入气缸;气缸内燃烧后的高温废气经过排气道、排气管排出到排气边界。缸内压力示功图是验证发动机模型正确的重要参考依据，图3所示为原型汽油发动机标定转速n=6300rmin下缸内压力示功图的数值计算和试验结果对比曲线，计算值和试验结果比较吻合，误差在允许的范围之内。图3全负荷6300rmin工况下计算结果与试验结果对比图4是发动机数值计算出的有效输出功率和实测功率的比较曲线，图5为发动机有效燃油消耗率与转速的变化曲线。从图中可以看出在整个转速范围内模拟计算结果与试—65—验实测结果之间的变化规律基本一致。图4输出功率数值计算结果与试验结果对比图5燃油消耗率数值计算结果与试验结果对比考虑到在建模过程中使用了各种简化条件和假设，以及测试仪器本身的测量误差，计算结果与发动机实际工作状态之间必然存在一些差异，但相对误差都在5%以内，表明所建发动机工作循环数值模型能较准确地模拟原型二冲程汽油发动机，满足后续性能预测及优化的需要，因此，可以应用该模型对发动机的工作过程进行研究及变参数计算。替换航空煤油燃料后，由于燃料的理化特性发生变化，需要对GT－Power数值模型中的喷油燃料模块进行燃料物性数据的设置。在GT－Power软件中，燃料的设置主要包括液态燃料及其蒸汽燃料的理化特性。本文使用InjAF－ＲatioConn燃料喷射模块为整个发动机数值模型提供燃油喷射，有关燃油喷射参数及燃料物性数据的设置均在InjAF－ＲatioConn中进行。该模块需要输入的参数有空燃比、燃油特性及燃油蒸发比例等。在燃料物性设置完成后进行数值计算，可以分析煤油发动机性能的变化。5煤油发动机变参数性能及爆震分析5．1压缩比压缩比是影响煤油发动机爆震的一个重要参数。原型机压缩比为9.5，在该值的左右范围内取适当的值进行研究。在全负荷工况下其它参数不变的情况下，选取［7，11.5］区间段10个不同压缩比(步长为0.5)进行工作过程模拟计算，研究压缩比对煤油发动机爆震的影响。从图6看出，随着压缩比的增大，煤油燃料和汽油燃料发动机的爆震指数逐渐增大，并且随着压缩比的增大未燃区平均温度升高，如图7所示，因此发动机的爆震倾向增大［6］。从图8和图9可看出，煤油燃料发生爆震的起始曲轴转角先于汽油燃料，煤油燃料发生爆震的末端气体的质量分数大于汽油燃料，由此可见煤油燃料在压缩比相同的情况下爆震倾向加大。图6爆震指数随压缩比的变化曲线图7未燃区平均温度随压缩比的变化曲线图8爆震开始时的曲轴转角随压缩比的变化曲线—75—图9发生爆震的末端混合气质量分数随压缩比的变化曲线5．2点火提前角点火提前角对煤油发动机的爆震有着重要的影响。本文点火提前角分别选取［－10，－35］区间内的6个点(步长为5deg)进行数值计算，分析不同点火提前角对发动机性能的影响。图10爆震指数随点火提前角的变化曲线图11未燃区平均温度随点火提前角的变化曲线如图10所示，随着点火提前角的增大，两种燃料发动机的爆震指数逐渐增大，爆震倾向加大。当点火提前角为－30deg时，继续增大则爆震指数逐渐减小，爆震倾向减小。过大的点火提前角使得火焰中心形成到未燃混合气自燃所需的时间减小，有使爆震增强的趋势。随着点火提前角的继续增加，缸内压力曲线上压力值偏离压缩曲线到最大燃烧压力出现的时间减小，即火焰中心形成到正常火焰传播到整个燃图12爆震开始时的曲轴转角随点火提前角的变化曲线图13发生爆震的末端混合气质量分数随点火提前角的变化曲线烧室所需的时间减小，有使爆震减小的趋势。对图10所示曲线，当点火提前角大于－30deg时前者起决定作用，当点火提前角小于－30deg时后者起决定作用。图11图13曲线表明相同点火提前角时煤油燃料爆震倾向加大。5．3空燃比发动机的空燃比也会对煤油发动机的爆震产生影响。在全负荷下转速为6000rmin工况对发动机进行工作过程数值计算，原型机空燃比为14.5，选取［11.5，16.5］区间段的5个空燃比(步长为0.5)，本文所建数值模型通过变化喷射燃油量来改变空燃比。如图14中所示，发动机的爆震指数随着空燃比的增大是先增大后减小，当空燃比在理想空燃比附近时，爆震指数最大，爆震趋势最强。即混合气过稀或过浓爆震的趋势和强度减小。当空燃比在理想空燃比附近时，燃料充分燃烧，使得燃烧温度提升，而燃烧温度提高会造成发动机温度提升，容易爆震。较稀的燃料空气混合比，即稀混合气可以起到抑制爆震的作用，这与Gruden等研究的结论相吻合［8］。根据自燃机理分析，引起这种结果的原因主要有两个［9］:一是混合气的变稀降低了末端气体中燃油的浓度，即使在相同的压力温度条件下也不会轻易发生自燃;二是燃油的减少使得缸内最高燃烧温度和压力降低，从而改善了爆震发生的必要条件。较浓的燃料空气混合比将使尾气的自燃点火延迟时间—85—增加，也会使燃烧较不完全，产生的热量较少，使得燃烧最后的温度降低，减少爆震的发生，但也导致燃料用量增加，热效率下降，同时降低发动机的扭矩。图14爆震指数随空燃比的变化曲线从图15可看出，原型机替换煤油燃料发生爆震时的空燃比小于汽油燃料，在空燃比为11时即开始发生爆震(汽油燃料为12.5)，并且两种燃料发生爆震的起始曲轴转角随着空燃比的增大变化不大，在相同的空燃比时煤油燃料发生爆震的起始曲轴转角先于汽油燃料。从图16看出，在空燃比相同的情况下，煤油燃料发生爆震的末端气体的质量分数大于汽油燃料，由此可见煤油燃料在空燃比相同的情况下比汽油燃料较易发生爆震。图15爆震开始时的曲轴转角随空燃比的变化曲线6结论1)通过改变模型中的压缩比、空燃比、点火提前角、进气压力、进气温度等主要工作参数对发动机进行数值计算，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，为煤油发动机的参数优化匹配提供依据。2)通过仿真分析表明，所研究汽油发动机替换航空煤油发动机后对发动机性能影响差别不大，但是从安全的角度，燃烧煤油在航空军事领域意义明显。图16发生爆震的末端混合气质量分数随空燃比的变化曲线3)替换航空煤油后发动机爆震倾向增大。所以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尤为重要。参考文献:［1］LMaurice，TEdwards．Liquidhydrocarbonfuelsforhypersonicpropulsion．ScramjetPropulsionProgr［J］．Astronaut，Aeronaut，Ｒeston，AIAA，2000，189:757－822［2］刘济瀛，等．中国喷气燃料［M］．北京:中国石化出版社，1991．［3］GeoffreyCathcart，GavinDickson，JohnTubbandBobSchmidt［M］．DevelopmentofLightweight2－Stroke4－StrokeHeavyFuelUAVEngines．OrbitalCorporation，Australia．2006．［4］杨致明，李隆强．汽油机改烧煤油或柴油的研究［C］．中国内燃机学会特种发动机分会四届一次学术交流 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