基于MotoTron平台的二冲程煤油发动机控制器开发

为实现某二冲程航空煤油发动机控制器的快速开发和策略验证,结合MotoTron快速控制原型开发平台丰富的软硬件资源,依据空气辅助缸内直喷与双火花塞点火的系统设计需求,开发了一套利用8缸机程序控制4缸机的发动机控制器。分析了基于快速控制原型软件架构的控制软件设计方法,利用开发软件MotoHawk配置底层程序和搭建发动机控制系统,并结合Matlab/Simulink建立上层控制策略,实现了完整的控制系统开发。在台架上进行了冷起动测试,发动机起动后转速较平稳,点火提前角、喷油提前角和喷油脉宽的调节过程符合控制策略设计,空燃比控制稳定,空燃比误差在10%以内。发动机顺利过渡到正常工况,验证了冷起动控制策略的可行性,实现了控制器的基本功能,控制器设计满足要求。     

二冲程点燃式直喷重油发动机小负荷试验

利用燃用轻柴油的二冲程点燃式空气辅助缸内直喷发动机，进行了转速为3000r/min、节气门开度为10%与20%下的小负荷试验，研究了点火及喷油参数对发动机性能的影响。试验结果表明:当节气门开度较小时，采用上止点前30°~40°点火提前角，饱和点火能量，稀混合气（过量空气系数大于1.1）及适度提前混合物喷射结束时刻的策略能够充分改善发动机动力性和经济性。随着负荷增大，点火能量影响程度减小，采用适度推迟点火提前角，偏浓混合气（过量空气系数小于1.0）及提前喷射结束时刻策略，增加燃油蒸发时间来充分发挥发动机动力性能，而采用饱和点火能量，偏稀混合气（过量空气系数大于1.15）能够大幅度改善发动机经济性及HC/CO排放。      

点燃式航空重油活塞发动机冷起动控制策略

针对点燃式航空重油活塞发动机低温起动困难问题,采取了空气辅助缸内直喷技术手段,开展了冷起动控制策略研究及试验验证研究,解决了-10 ℃发动机低温顺利起动问题。提取了影响冷起动的关键控制参数,并对其进行了规律研究,获得了环境温度对各参数的最优匹配结果及试验验证;定义了点燃式重油发动机的冷起动阶段,根据匹配和试验结果获得了关键参数与缸体温度的映射关系,设计了冷起动策略并进行了试验验证。结果表明:缸体温度在-10～20 ℃之间,最佳喷油提前角在上止点前50°~85°范围,最佳点火提前角为上止点前45°可以保证重油发动机平稳起动,起动时间小于3 s。     

电容式多次放电点火系统设计与试验

针对某型二冲程点燃式空气辅助缸内直喷发动机燃用柴油问题,提出了实现单电容连续多次放电点火的方法,研制了直流电容式多次放电点火模块,进行了多次点火功能性验证及点火能量测试.在此基础上,进行了环境温度为6℃下的冷起动试验及3000r/min小负荷性能试验,结果表明:在该环境条件下,采用5次放电点火策略能够使发动机起动成功,在小负荷工况下,增加点火次数有利于改善缸内燃烧,点火提前角在10°~20°之间时,4次点火对发动机动力性、燃油消耗率及排放性能改善比2次点火更明显,当点火提前角提前至30°后,其改善作用逐渐减小.      

活塞式航空煤油直喷发动机的燃烧特性

在一台低压空气辅助直喷活塞式航空发动机上进行试验，分析了不同喷射开始时刻、点火提前角、过量空气系数对活塞式航空煤油直喷发动机燃烧特性的影响，并对比了航空煤油与汽油在混合气形成、滞燃期、火焰传播速度、抗爆性等方面的差异.研究表明:存在一个最佳喷射开始时刻使得燃油雾化质量最好，循环变动率最小，航空煤油冷起动比汽油困难.航空煤油火焰传播速度比汽油慢，同工况下航空煤油最佳点火提前角大于汽油，偏离最佳点火提前角对航空煤油热效率的影响大于汽油.航空煤油比汽油更加适合在燃油摩尔分数较大的混合气下燃烧，在过量空气系数为0.80~0.85的范围内，航空煤油的滞燃期最短，燃烧循环变动率最小.在低速大负荷工况下，航空煤油爆震强度显著上升，抗爆性比汽油差.      

周期供油气动雾化喷嘴喷雾特性试验研究

为满足小型无人机用活塞发动机对航空煤油雾化效果的要求,设计了某新型气动雾化喷嘴并进行了雾化性能试验研究。该喷嘴的结构主要由电磁直射喷嘴、气一液混合室和空气喷嘴3部分组成。试验分别对电磁直射喷嘴和空气喷嘴进行了流量标定,研究了喷油脉宽t1、时间延时t2、喷气脉宽t3和喷气压力对燃油雾化性能的影响,得出喷油脉宽减小、喷气脉宽增加、喷气压力增大均可提高雾化质量,最佳值处于t1=2ms,t2=1ms,t3=5ms时,此时DSH〈10um。     

异步点火相位对二冲程发动机爆震燃烧的影响

为了了解异步点火相位对二冲程航空活塞发动机燃用煤油时的爆震影响问题，使用Fire软件建立了发动机燃烧室的计算模型，并通过试验验证了该模型，研究了异步点火相位对发动机缸内燃烧以及火焰面密度分布、爆震强度的影响等.结果表明:在转速为5000r/min、全负荷工况、混合气当量比为11、点火能量为3564mJ条件下，当其中一个火花塞点火时刻固定在上止点前曲轴转角为29° ，另一个火花塞相对其分别提前曲轴转角为1°，3°，5°时点火，随着双火花塞异步点火相位差的增大，缸内平均压力、放热率及累积放热量均呈现减小的趋势，两个火花塞附近的湍动能增大，火焰传播速度加快，火焰发展期缩短，爆震强度表征物的浓度逐步减小，二冲程煤油发动机爆震发生的倾向减小.      

活塞式航空直喷发动机的燃烧特性

在ROTAX914化油器式活塞航空发动机的结构基础上,自主开发并研制了一台航空低压空气辅助直喷单缸试验机,开展了不同直喷控制参数包括:喷射时刻、喷射脉宽、喷射压力以及点火提前角对直喷发动机燃烧特性影响规律的研究.研究结果表明:存在一个最佳喷射开始时刻使得发动机燃烧效率最高,循环变动最低,最佳喷射开始时刻随发动机转速和负荷的增大而相应提前;降低直喷喷射脉宽和喷射压力均会引起发动机最大爆发压力和压力升高率的降低,快速燃烧期延长,燃烧循环变动增加;随着点火提前角提前,最大爆发压力和最大压力升高率增加,燃烧相位提前,循环变动降低.      

周期性供油气助雾化直喷喷嘴雾化特性试验

对一种典型的周期性供油气助雾化直喷喷嘴的雾化特性进行试验研究,分析总结了喷油脉宽、间隔时间、喷气脉宽以及空气压力对雾化性能的影响规律.试验中使用RP-3航空煤油作用工质,使用压缩空气作为介质;用激光粒度分析仪对油雾场进行测量并进行处理分析;喷油脉宽与喷气脉宽变化范围为2～8ms,间隔时间为-2～5ms,空气压力为0.1～0.65MPa.研究结果表明:随着气油比的增加,索太尔平均直径减小,均匀程度增加,雾化性能提高;增加空气压力,可以使空气密度增加,加大空气与燃油的气动作用力,有利于雾化性能的提高;增加间隔时间也可使雾化性能有小幅度的提升;在较大的平均粒径下,更加分散的粒径分布仍然可以具有较大的均匀度分布指数.对试验数据进行分析,在较高空气压力下,得到了该周期性供油气助雾化直喷喷嘴的平均粒径的经验计算模型.      

空气辅助雾化对活塞式航空煤油发动机燃烧特性的影响研究

为了满足无人机燃料的安全性、单一化战略,并实现发动机高功重比指标,此文将航空煤油应用在点燃式活塞发动机上,使用自主开发的空气辅助喷雾系统,在节气门全开条件下进行了不同过量空气系数、喷气压力、喷气脉宽、喷射时刻对于活塞式航空煤油发动机燃烧特性的影响研究,并将空气辅助雾化系统和120MPa高压共轨系统进行对比试验。结果表明,0.95为活塞式航空煤油发动机的最佳过量空气系数;提高喷气压力和喷气脉宽均会提高发动机的动力性和经济性,提高燃烧稳定性,并且提高喷气压力可以明显缩短燃烧持续期;360 ?CA BTDC喷气时刻时航空煤油的雾化效果最好;喷射参数优化后的空气辅助雾化系统对于航空煤油的雾化效果接近高压共轨系统水平。     

Research on windmill starting characteristics of MTE-D micro turbine engine

Micro turbine engine (MTE) is an important kind of propulsion system for miniature unmanned aircraft or missiles, because of its better high-speed performance (than propeller propulsion) and higher propulsion efficiency (obviously than rockets). Windmill start is a common air-starting mode used in micro turbine engine. The windmill starting characteristics are important to the practical use of micro turbine engine. In this paper, the windmill starting characteristics research for a 12 cm diameter (MTE-D) micro turbine engine is carried out by experiment and numerical simulation. The characteristic of rotor mechanical losses at low-speed condition is stud- ied, and the engine common working line of windmill starting process is obtained. Based on the engine windmill characteristics, the propane ignition characteristics under different inflow conditions are researched, and the envelope of propane ignition and propane flameout is determined. The experimental research of fuel supply and ignition characteristics is completed, and the envelope of fuel supply and ignition is obtained. The windmill stage, propane ignition stage, fuel ignition stage and acceleration process from idling-speed to 80% full speed of MTE-D micro turbine engine is optimized, and the optimization windmill starting parameters are collected. The successful wind-mill starting experiment under this condition with engine speed up to 80% full speed indicates that these starting parameters are reasonable. All the starting parameters of MTE-D micro turbine engine obtained in this work are dimensionless parameters, and the conclusions obtained in this study have some reference to other micro turbine engines with the similar structural form and starting process.     

航空活塞发动机燃烧煤油冷起动油量控制研究

为了解决航空活塞发动机燃烧煤油时冷起动油量控制的问题,根据油膜理论,建立冷起动油膜补偿模型,并推导出适于在微控制器上实现的离散控制算法.利用Matlab/Simulink对基于油膜补偿器的冷 起动油量控制模型进行仿真,结果表明该模型能够保证起动瞬间有足够数量燃油进入气缸.进行原型机改烧煤油试验,在不改动发动机供油和点火系统的情况下,通过冷起动油量控制,煤油发动机冷起动性能得到改善.      

低温对涡轴发动机起动性能影响的试验与分析

为研究低温对涡轴发动机起动性能的影响,对国军标的适用与裁剪进行了讨论,开展了低温起动试验,试验以滑油箱内的滑油温度达到-34 ℃算起,冷浸4 h后进行起动,分析了低温起动过程的阻力矩、剩余扭矩、点火性能和温升效应对起动性能的影响。结果表明:-34 ℃条件下的初始阻力矩是25 ℃条件下的2.25倍,至点火转速附件阻力矩降低为1.53倍；温度越低,点火边界对应的索尔太平均直径(SMD)越小,燃烧室点火边界越窄；温升效应对低温起动性能的影响显著,考虑温升效应的起动时间延长约25%。热空气加温和起动滑油断油可以降低起动初始阻力矩,改善点火性能,从而提高了低温起动性能。研究结论对同类发动机开展低温起动试验、起动供油规律优化及相关研究提供了参考。      

关键参数对二冲程煤油发动机爆震的影响

针对二冲程汽油发动机改用航空煤油后的爆震抑制和性能恢复进行了研究,利用GT-Power软件建立发动机的一维仿真模型并对煤油发动机的爆震进行了预测和优化。仿真结果表明:推迟点火时刻、远低于和远大于理论空燃比的混合气对爆震都有一定的抑制作用,试验结果验证了仿真结果的正确性。提出并采用协同推迟点火和增加喷油的控制策略进行试验研究。试验结果表明:在低转速大负荷工况下,爆震可被有效抑制,节气门全开时功率恢复在90%以上。发动机转速为5 500 r/min时,功率恢复能达到原机的95.7%。      

大功率船用柴油机起动性能试验研究

为了满足大功率船用柴油机的快速起动需求，针对船用柴油机的起动过程进行试验研究，总结了不同因素对船用柴油机起动性能的影响规律。试验结果表明：柴油机在起动初期，起动机退出时间应不早于共轨建压时间；喷油参数对起动性能的影响最大，占比超过48%，通过优化喷油参数可以大幅改善起动性能。对于大功率船用柴油机，采用低轨压、小油量起动，然后迅速切换至高轨压、大油量的喷油策略，可以使柴油机快速喷油并释放大量热量、有效缩短起动时间。     

气动阀式两相脉冲爆震发动机研究

开展常温常压进气条件下两相脉冲爆震发动机的研究具有重要的理论意义和工程应用价值。详细描述了气动阀式两相爆震发动机的主要组成部分的结构和性能要求以及主要的影响因素,并通过各参数不同组合下大量的试验研究,成功实现了常温常压进气条件下,以汽油为燃料的气动阀式脉冲爆震发动机的稳定爆震,同时获得了爆震管内燃烧波与气动阀参数、点火参数、扰流器参数、油雾参数和进口参数间的初步关系。研究成果为液态燃料爆震燃烧机理的发展,为实现两相爆震发动机的工程应用奠定了基础。