本站小編為你精心準備了航空發動機數值仿真研究參考范文，愿這些范文能點燃您思維的火花，激發您的寫作靈感。歡迎深入閱讀并收藏。

《計算機仿真雜志》2014年第六期

1煤油動力性能的理論分析

有關二沖程火花點火發動機數值模擬的物理和數學模型參看文獻［6］和［7］。下面對煤油動力性能進行理論分析。煤油動力性能的影響與混合氣的熱值、分子變更系數等因素有關。2．1煤油與汽油理論混合氣的熱值由于燃料在發動機中是以混合氣的形式進行燃燒的，因此混合氣的熱值對發動機動力性能的影響最為直接。混合氣熱值的計算式為:煤油理論混合氣熱值為汽油理論混合氣熱值的98.9%，因此，如果兩種燃料都在理論混合氣下工作，在同樣的條件下以煤油為燃料時動力性能下降1.1%。2．2分子變更系數的影響煤油發動機可以根據分子變更系數研究新燃料對動力性的影響。對于點燃式發動機燃燒前吸入的充量應考慮燃油蒸汽的摩爾數1/mT，燃燒前的混合氣量為燃燒后工質的數量為根據式(9)代入具體值可得汽油燃料替換煤油燃料后循環功比原來增加了0.1144%，由此可見，燃用煤油與燃用汽油相比，分子變更系數稍微增大，因此循環功稍微增大，對發動機的動力性影響不大。

2爆震預測模型

本文爆震預測模型的計算基于DouaudandEyzat公式，計算方程如下:式中，τ為累積時間;T為累積時間積分;P為預先反應速率乘數;ON為辛烷值;p為氣缸瞬時壓力;A為活化能乘數;TU為未燃氣體瞬時溫度;IVC為缸內末端混合氣體壓縮起始角;thkn為爆震開始的曲軸轉角。在GT－Power爆震預測模型中，模型的輸出為爆震指數KI、爆震起始曲軸轉角和爆震強度。爆震強度是指在爆震開始時氣缸內未燃氣體的質量分數。爆震指數定義如下:式中，KI為爆震指數;A為爆震指數乘數;km為爆震開始時缸內未燃混合氣的質量百分比;VTDC為上止點氣缸的體積;VI為爆震時氣缸的體積;Ta為活化溫度(6000K);為等價比。爆震指數KI(或爆震強度km)越大，發動機爆震的傾向越大。

3工作循環數值模型的建立

本文對原型汽油機進行了臺架測試試驗，獲取了標定工況下發動機缸內壓力示功圖、總功率及燃油消耗率等重要試驗數據，為發動機建模及驗證模型準確性提供了基礎。表1為原型汽油機主要技術參數。由于發動機的結構比較復雜，為了便于建模，把發動機結構抽象為缸體、進氣系統和排氣系統3個部分，如圖1所示。本文結合利用GT－Power軟件提供的模型模塊，以及根據實際需要利用用戶自定義模塊功能，建立完整的簧片閥進氣式二沖程火花點火發動機的性能數值計算模型。首先立原型汽油機工作循環整機數值計算模型，通過缸內壓力、總功率及燃油消耗率等指標驗證該模型的精確性，使模型模擬精度達到實際要求。然后在較精確建立原型汽油發動機數值模型的基礎上，對煤油的物性數據進行設置，建立煤油發動機數值模型并進行數值模擬計算。圖2為建立的原型汽油機GT－Power仿真計算模型，空氣自進氣邊界經過濾清器、進氣道、簧片閥進入曲軸箱，再經掃氣道進入氣缸;氣缸內燃燒后的高溫廢氣經過排氣道、排氣管排出到排氣邊界。缸內壓力示功圖是驗證發動機模型正確的重要參考依據，圖3所示為原型汽油發動機標定轉速n=6300r/min下缸內壓力示功圖的數值計算和試驗結果對比曲線，計算值和試驗結果比較吻合，誤差在允許的范圍之內。圖4是發動機數值計算出的有效輸出功率和實測功率的比較曲線，圖5為發動機有效燃油消耗率與轉速的變化曲線。從圖中可以看出在整個轉速范圍內模擬計算結果與試驗實測結果之間的變化規律基本一致。考慮到在建模過程中使用了各種簡化條件和假設，以及測試儀器本身的測量誤差，計算結果與發動機實際工作狀態之間必然存在一些差異，但相對誤差都在5%以內，表明所建發動機工作循環數值模型能較準確地模擬原型二沖程汽油發動機，滿足后續性能預測及優化的需要，因此，可以應用該模型對發動機的工作過程進行研究及變參數計算。替換航空煤油燃料后，由于燃料的理化特性發生變化，需要對GT－Power數值模型中的噴油燃料模塊進行燃料物性數據的設置。在GT－Power軟件中，燃料的設置主要包括液態燃料及其蒸汽燃料的理化特性。本文使用InjAF－Ra-tioConn燃料噴射模塊為整個發動機數值模型提供燃油噴射，有關燃油噴射參數及燃料物性數據的設置均在InjAF－RatioConn中進行。該模塊需要輸入的參數有空燃比、燃油特性及燃油蒸發比例等。在燃料物性設置完成后進行數值計算，可以分析煤油發動機性能的變化。

4煤油發動機變參數性能及爆震分析

4．1壓縮比壓縮比是影響煤油發動機爆震的一個重要參數。原機壓縮比為9.5，在該值的左右范圍內取適當的值進行研究。在全負荷工況下其它參數不變的情況下，選取［7，11.5］區間段10個不同壓縮比(步長為0.5)進行工作過程模擬計算，研究壓縮比對煤油發動機爆震的影響。從圖6看出，隨著壓縮比的增大，煤油燃料和汽油燃料發動機的爆震指數逐漸增大，并且隨著壓縮比的增大未燃區平均溫度升高，如圖7所示，因此發動機的爆震傾向增大［6］。從圖8和圖9可看出，煤油燃料發生爆震的起始曲軸轉角先于汽油燃料，煤油燃料發生爆震的末端氣體的質量分數大于汽油燃料，由此可見煤油燃料在壓縮比相同的情況下爆震傾向加大。

4．2點火提前角點火提前角對煤油發動機的爆震有著重要的影響。本文點火提前角分別選取［－10，－35］區間內的6個點(步長為5deg)進行數值計算，分析不同點火提前角對發動機性能的影響。如圖10所示，隨著點火提前角的增大，兩種燃料發動機的爆震指數逐漸增大，爆震傾向加大。當點火提前角為－30deg時，繼續增大則爆震指數逐漸減小，爆震傾向減小。過大的點火提前角使得火焰中心形成到未燃混合氣自燃所需的時間減小，有使爆震增強的趨勢。隨著點火提前角的繼續增加，缸內壓力曲線上壓力值偏離壓縮曲線到最大燃燒壓力出現的時間減小，即火焰中心形成到正常火焰傳播到整個燒室所需的時間減小，有使爆震減小的趨勢。對圖10所示曲線，當點火提前角大于－30deg時前者起決定作用，當點火提前角小于－30deg時后者起決定作用。圖11～圖13曲線表明相同點火提前角時煤油燃料爆震傾向加大。

4．3空燃比發動機的空燃比也會對煤油發動機的爆震產生影響。在全負荷下轉速為6000r/min工況對發動機進行工作過程數值計算，原型機空燃比為14.5，選取［11.5，16.5］區間段的5個空燃比(步長為0.5)，本文所建數值模型通過變化噴射燃油量來改變空燃比。如圖14中所示，發動機的爆震指數隨著空燃比的增大是先增大后減小，當空燃比在理想空燃比附近時，爆震指數最大，爆震趨勢最強。即混合氣過稀或過濃爆震的趨勢和強度減小。當空燃比在理想空燃比附近時，燃料充分燃燒，使得燃燒溫度提升，而燃燒溫度提高會造成發動機溫度提升，容易爆震。較稀的燃料空氣混合比，即稀混合氣可以起到抑制爆震的作用，這與Gruden等研究的結論相吻合［8］。根據自燃機理分析，引起這種結果的原因主要有兩個［9］:一是混合氣的變稀降低了末端氣體中燃油的濃度，即使在相同的壓力溫度條件下也不會輕易發生自燃;二是燃油的減少使得缸內最高燃燒溫度和壓力降低，從而改善了爆震發生的必要條件。較濃的燃料空氣混合比將使尾氣的自燃點火延遲時間增加，也會使燃燒較不完全，產生的熱量較少，使得燃燒最后的溫度降低，減少爆震的發生，但也導致燃料用量增加，熱效率下降，同時降低發動機的扭矩。從圖15可看出，原型機替換煤油燃料發生爆震時的空燃比小于汽油燃料，在空燃比為11時即開始發生爆震(汽油燃料為12.5)，并且兩種燃料發生爆震的起始曲軸轉角隨著空燃比的增大變化不大，在相同的空燃比時煤油燃料發生爆震的起始曲軸轉角先于汽油燃料。從圖16看出，在空燃比相同的情況下，煤油燃料發生爆震的末端氣體的質量分數大于汽油燃料，由此可見煤油燃料在空燃比相同的情況下比汽油燃料較易發生爆震。

5結論

1)通過改變模型中的壓縮比、空燃比、點火提前角、進氣壓力、進氣溫度等主要工作參數對發動機進行數值計算，分析主要結構參數和調整參數對煤油發動機性能的影響情況，為煤油發動機的參數優化匹配提供依據。2)通過仿真分析表明，所研究汽油發動機替換航空煤油發動機后對發動機性能影響差別不大，但是從安全的角度，燃燒煤油在航空軍事領域意義明顯。圖16發生爆震的末端混合氣質量分數隨空燃比的變化曲線3)替換航空煤油后發動機爆震傾向增大。所以小型沖程汽油發動機燃用航空煤油燃料時爆震特性的研究尤為重要。

作者：陳林林魏民祥單位：聊城大學機械與汽車工程學院南京航空航天大學能源與動力學院