航空發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)值仿真研究范文

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《計(jì)算機(jī)仿真雜志》2014年第六期

1煤油動(dòng)力性能的理論分析

有關(guān)二沖程火花點(diǎn)火發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)值模擬的物理和數(shù)學(xué)模型參看文獻(xiàn)［6］和［7］。下面對(duì)煤油動(dòng)力性能進(jìn)行理論分析。煤油動(dòng)力性能的影響與混合氣的熱值、分子變更系數(shù)等因素有關(guān)。2．1煤油與汽油理論混合氣的熱值由于燃料在發(fā)動(dòng)機(jī)中是以混合氣的形式進(jìn)行燃燒的，因此混合氣的熱值對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性能的影響最為直接。混合氣熱值的計(jì)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(shí)動(dòng)力性能下降1.1%。2．2分子變更系數(shù)的影響煤油發(fā)動(dòng)機(jī)可以根據(jù)分子變更系數(shù)研究新燃料對(duì)動(dòng)力性的影響。對(duì)于點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒前吸入的充量應(yīng)考慮燃油蒸汽的摩爾數(shù)1/mT，燃燒前的混合氣量為燃燒后工質(zhì)的數(shù)量為根據(jù)式(9)代入具體值可得汽油燃料替換煤油燃料后循環(huán)功比原來(lái)增加了0.1144%，由此可見(jiàn)，燃用煤油與燃用汽油相比，分子變更系數(shù)稍微增大，因此循環(huán)功稍微增大，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性影響不大。

2爆震預(yù)測(cè)模型

本文爆震預(yù)測(cè)模型的計(jì)算基于DouaudandEyzat公式，計(jì)算方程如下:式中，τ為累積時(shí)間;T為累積時(shí)間積分;P為預(yù)先反應(yīng)速率乘數(shù);ON為辛烷值;p為氣缸瞬時(shí)壓力;A為活化能乘數(shù);TU為未燃?xì)怏w瞬時(shí)溫度;IVC為缸內(nèi)末端混合氣體壓縮起始角;thkn為爆震開(kāi)始的曲軸轉(zhuǎn)角。在GT－Power爆震預(yù)測(cè)模型中，模型的輸出為爆震指數(shù)KI、爆震起始曲軸轉(zhuǎn)角和爆震強(qiáng)度。爆震強(qiáng)度是指在爆震開(kāi)始時(shí)氣缸內(nèi)未燃?xì)怏w的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。爆震指數(shù)定義如下:式中，KI為爆震指數(shù);A為爆震指數(shù)乘數(shù);km為爆震開(kāi)始時(shí)缸內(nèi)未燃混合氣的質(zhì)量百分比;VTDC為上止點(diǎn)氣缸的體積;VI為爆震時(shí)氣缸的體積;Ta為活化溫度(6000K);為等價(jià)比。爆震指數(shù)KI(或爆震強(qiáng)度km)越大，發(fā)動(dòng)機(jī)爆震的傾向越大。

3工作循環(huán)數(shù)值模型的建立

本文對(duì)原型汽油機(jī)進(jìn)行了臺(tái)架測(cè)試試驗(yàn)，獲取了標(biāo)定工況下發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)壓力示功圖、總功率及燃油消耗率等重要試驗(yàn)數(shù)據(jù)，為發(fā)動(dòng)機(jī)建模及驗(yàn)證模型準(zhǔn)確性提供了基礎(chǔ)。表1為原型汽油機(jī)主要技術(shù)參數(shù)。由于發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，為了便于建模，把發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)抽象為缸體、進(jìn)氣系統(tǒng)和排氣系統(tǒng)3個(gè)部分，如圖1所示。本文結(jié)合利用GT－Power軟件提供的模型模塊，以及根據(jù)實(shí)際需要利用用戶自定義模塊功能，建立完整的簧片閥進(jìn)氣式二沖程火花點(diǎn)火發(fā)動(dòng)機(jī)的性能數(shù)值計(jì)算模型。首先立原型汽油機(jī)工作循環(huán)整機(jī)數(shù)值計(jì)算模型，通過(guò)缸內(nèi)壓力、總功率及燃油消耗率等指標(biāo)驗(yàn)證該模型的精確性，使模型模擬精度達(dá)到實(shí)際要求。然后在較精確建立原型汽油發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)值模型的基礎(chǔ)上，對(duì)煤油的物性數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)置，建立煤油發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)值模型并進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算。圖2為建立的原型汽油機(jī)GT－Power仿真計(jì)算模型，空氣自進(jìn)氣邊界經(jīng)過(guò)濾清器、進(jìn)氣道、簧片閥進(jìn)入曲軸箱，再經(jīng)掃氣道進(jìn)入氣缸;氣缸內(nèi)燃燒后的高溫廢氣經(jīng)過(guò)排氣道、排氣管排出到排氣邊界。缸內(nèi)壓力示功圖是驗(yàn)證發(fā)動(dòng)機(jī)模型正確的重要參考依據(jù)，圖3所示為原型汽油發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)定轉(zhuǎn)速n=6300r/min下缸內(nèi)壓力示功圖的數(shù)值計(jì)算和試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比曲線，計(jì)算值和試驗(yàn)結(jié)果比較吻合，誤差在允許的范圍之內(nèi)。圖4是發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)值計(jì)算出的有效輸出功率和實(shí)測(cè)功率的比較曲線，圖5為發(fā)動(dòng)機(jī)有效燃油消耗率與轉(zhuǎn)速的變化曲線。從圖中可以看出在整個(gè)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)模擬計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)實(shí)測(cè)結(jié)果之間的變化規(guī)律基本一致?？紤]到在建模過(guò)程中使用了各種簡(jiǎn)化條件和假設(shè)，以及測(cè)試儀器本身的測(cè)量誤差，計(jì)算結(jié)果與發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際工作狀態(tài)之間必然存在一些差異，但相對(duì)誤差都在5%以內(nèi)，表明所建發(fā)動(dòng)機(jī)工作循環(huán)數(shù)值模型能較準(zhǔn)確地模擬原型二沖程汽油發(fā)動(dòng)機(jī)，滿足后續(xù)性能預(yù)測(cè)及優(yōu)化的需要，因此，可以應(yīng)用該模型對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的工作過(guò)程進(jìn)行研究及變參數(shù)計(jì)算。替換航空煤油燃料后，由于燃料的理化特性發(fā)生變化，需要對(duì)GT－Power數(shù)值模型中的噴油燃料模塊進(jìn)行燃料物性數(shù)據(jù)的設(shè)置。在GT－Power軟件中，燃料的設(shè)置主要包括液態(tài)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(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)值模型提供燃油噴射，有關(guān)燃油噴射參數(shù)及燃料物性數(shù)據(jù)的設(shè)置均在InjAF－RatioConn中進(jìn)行。該模塊需要輸入的參數(shù)有空燃比、燃油特性及燃油蒸發(fā)比例等。在燃料物性設(shè)置完成后進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，可以分析煤油發(fā)動(dòng)機(jī)性能的變化。

4煤油發(fā)動(dòng)機(jī)變參數(shù)性能及爆震分析

4．1壓縮比壓縮比是影響煤油發(fā)動(dòng)機(jī)爆震的一個(gè)重要參數(shù)。原機(jī)壓縮比為9.5，在該值的左右范圍內(nèi)取適當(dāng)?shù)闹颠M(jìn)行研究。在全負(fù)荷工況下其它參數(shù)不變的情況下，選取［7，11.5］區(qū)間段10個(gè)不同壓縮比(步長(zhǎng)為0.5)進(jìn)行工作過(guò)程模擬計(jì)算，研究壓縮比對(duì)煤油發(fā)動(dòng)機(jī)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(fā)動(dòng)機(jī)的爆震指數(shù)逐漸增大，并且隨著壓縮比的增大未燃區(qū)平均溫度升高，如圖7所示，因此發(fā)動(dòng)機(jī)的爆震傾向增大［6］。從圖8和圖9可看出，煤油燃料發(fā)生爆震的起始曲軸轉(zhuǎn)角先于汽油燃料，煤油燃料發(fā)生爆震的末端氣體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于汽油燃料，由此可見(jiàn)煤油燃料在壓縮比相同的情況下爆震傾向加大。

4．2點(diǎn)火提前角點(diǎn)火提前角對(duì)煤油發(fā)動(dòng)機(jī)的爆震有著重要的影響。本文點(diǎn)火提前角分別選取［－10，－35］區(qū)間內(nèi)的6個(gè)點(diǎn)(步長(zhǎng)為5deg)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，分析不同點(diǎn)火提前角對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響。如圖10所示，隨著點(diǎn)火提前角的增大，兩種燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的爆震指數(shù)逐漸增大，爆震傾向加大。當(dāng)點(diǎn)火提前角為－30deg時(shí)，繼續(xù)增大則爆震指數(shù)逐漸減小，爆震傾向減小。過(guò)大的點(diǎn)火提前角使得火焰中心形成到未燃混合氣自燃所需的時(shí)間減小，有使爆震增強(qiáng)的趨勢(shì)。隨著點(diǎn)火提前角的繼續(xù)增加，缸內(nèi)壓力曲線上壓力值偏離壓縮曲線到最大燃燒壓力出現(xiàn)的時(shí)間減小，即火焰中心形成到正?；鹧?zhèn)鞑サ秸麄€(gè)燒室所需的時(shí)間減小，有使爆震減小的趨勢(shì)。對(duì)圖10所示曲線，當(dāng)點(diǎn)火提前角大于－30deg時(shí)前者起決定作用，當(dāng)點(diǎn)火提前角小于－30deg時(shí)后者起決定作用。圖11～圖13曲線表明相同點(diǎn)火提前角時(shí)煤油燃料爆震傾向加大。

4．3空燃比發(fā)動(dòng)機(jī)的空燃比也會(huì)對(duì)煤油發(fā)動(dòng)機(jī)的爆震產(chǎn)生影響。在全負(fù)荷下轉(zhuǎn)速為6000r/min工況對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行工作過(guò)程數(shù)值計(jì)算，原型機(jī)空燃比為14.5，選?。?1.5，16.5］區(qū)間段的5個(gè)空燃比(步長(zhǎng)為0.5)，本文所建數(shù)值模型通過(guò)變化噴射燃油量來(lái)改變空燃比。如圖14中所示，發(fā)動(dòng)機(jī)的爆震指數(shù)隨著空燃比的增大是先增大后減小，當(dāng)空燃比在理想空燃比附近時(shí)，爆震指數(shù)最大，爆震趨勢(shì)最強(qiáng)。即混合氣過(guò)稀或過(guò)濃爆震的趨勢(shì)和強(qiáng)度減小。當(dāng)空燃比在理想空燃比附近時(shí)，燃料充分燃燒，使得燃燒溫度提升，而燃燒溫度提高會(huì)造成發(fā)動(dòng)機(jī)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(jié)論相吻合［8］。根據(jù)自燃機(jī)理分析，引起這種結(jié)果的原因主要有兩個(gè)［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(huì)輕易發(fā)生自燃;二是燃油的減少使得缸內(nèi)最高燃燒溫度和壓力降低，從而改善了爆震發(fā)生的必要條件。較濃的燃料空氣混合比將使尾氣的自燃點(diǎn)火延遲時(shí)間增加，也會(huì)使燃燒較不完全，產(chǎn)生的熱量較少，使得燃燒最后的溫度降低，減少爆震的發(fā)生，但也導(dǎo)致燃料用量增加，熱效率下降，同時(shí)降低發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩。從圖15可看出，原型機(jī)替換煤油燃料發(fā)生爆震時(shí)的空燃比小于汽油燃料，在空燃比為11時(shí)即開(kāi)始發(fā)生爆震(汽油燃料為12.5)，并且兩種燃料發(fā)生爆震的起始曲軸轉(zhuǎn)角隨著空燃比的增大變化不大，在相同的空燃比時(shí)煤油燃料發(fā)生爆震的起始曲軸轉(zhuǎn)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(fā)生爆震的末端氣體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于汽油燃料，由此可見(jiàn)煤油燃料在空燃比相同的情況下比汽油燃料較易發(fā)生爆震。

5結(jié)論

1)通過(guò)改變模型中的壓縮比、空燃比、點(diǎn)火提前角、進(jìn)氣壓力、進(jìn)氣溫度等主要工作參數(shù)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，分析主要結(jié)構(gòu)參數(shù)和調(diào)整參數(shù)對(duì)煤油發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響情況，為煤油發(fā)動(dòng)機(jī)的參數(shù)優(yōu)化匹配提供依據(jù)。2)通過(guò)仿真分析表明，所研究汽油發(fā)動(dòng)機(jī)替換航空煤油發(fā)動(dòng)機(jī)后對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)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(lǐng)域意義明顯。圖16發(fā)生爆震的末端混合氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨空燃比的變化曲線3)替換航空煤油后發(fā)動(dòng)機(jī)爆震傾向增大。所以小型沖程汽油發(fā)動(dòng)機(jī)燃用航空煤油燃料時(shí)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(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院南京航空航天大學(xué)能源與動(dòng)力學(xué)院