航空二冲程汽油发动机均值模型的研究与仿真

发动机平均值模型由于其模型简单、计算时间短、使用方便,且能满足控制设计的要求被广泛应用。目前均值模型主要在四冲程汽油机和大型二冲程柴油机上广泛应用,小型航空二冲程汽油发动机平均值模型国内外应用很少。本文采用机理建模和试验建模相结合的方法建立了发动机均值模型,为研究二冲程汽油发动机提供了一种思路。二冲程汽油机平均值模型主要分为三个动态子模块：燃油蒸发与油膜动态子模块、进气道与曲轴箱扫气子模块和动力输出子模块,建模中考虑了簧片阀的建模,同时考虑了扫气过程中的短路损失。分别建立了动力输出和转速模型、空燃比模型,并进行了Matlab/simulink仿真,仿真结果和实验数据吻合,证明了该均值模型的正确性。     

2 冲程直喷煤油发动机空燃比控制方法

为了保障2冲程直喷煤油发动机高效、稳定地运行，对其空燃比控制方法进行了研究。采用机理建模和试验数据建模 相结合的方法，建立了2冲程直喷煤油发动机平均值模型，包括扫气模型和燃油油量模型。在扫气模型建模过程中，分别对进气 道、曲轴箱、气缸进行了分析；燃油油量模型考虑了气缸温度对燃油蒸发效果的影响，并引入了燃油蒸发系数。对2冲程发动机扫 气过程进行了分析，通过台架试验得到了不同工况下的扫气效率、扫气比和捕获率等扫气参数。基于Matlab/Simulink建立了空燃 比前馈控制器，并进行了台架试验验证。结果表明：控制器能够满足空燃比的控制要求，最大误差为10%左右，该误差产生的原因 为燃油油量模型和扫气模型存在系统误差，但是燃油油量模型的系统误差影响较小，可以忽略。     

双对置二冲程柴油机扫气过程仿真研究

基于双对置二冲程柴油机直流扫气过程流动特点,建立了该发动机扫气过程瞬态流动三维计算流体动力学(CFD)仿真模型,应用AVL FIRE软件对该发动机额定工况(功率160 kW,转速2 500 r/min)下的扫气过程进行了仿真研究,结果显示该工况下发动机扫气效率可达94%.通过扫气过程不同时刻流场分析发现,采用直流扫气方式可较好避免新鲜充量与废气的相互掺混,有效提高高速二冲程发动机扫气质量.      

航空二冲程活塞发动机分层扫气优化

针对二冲程活塞发动机常规扫气短路损失大、油耗高的问题，提出了一种分层扫气方案并进行了优化。以某发动机为 研究对象，采用数值模拟方法建立了分层扫气模型，并对分层扫气过程进行了3维CFD仿真，其计算所需的边界条件通过发动机 整体性能1维仿真获得，采用该模型研究了分层扫气发动机扫气机理，对不同容积扫气道进行了仿真，并对二冲程扫气过程的过 量充气系数、扫气效率等参数进行对比。在仿真优化研究的基础上加工优化后的扫气道盖实物，并结合发动机巡飞工况状态开展 发动机性能对比试验。结果表明：采用分层扫气过程的短路损失相比于常规扫气过程的减小42%，扫气道容积提高到1.3倍可使 扫气效率提高2%，相比原型机测试数据，配置1.3倍扫气道容积的发动机在巡航转速范围内，燃油消耗率降低10%，但发动机功率 略有降低。     

航空活塞二冲程汽油机排气口高度优化研究

针对作为无人机动力的某可变排气二冲程发动机在去掉可变排气系统后对发动机性能的影响，利用Fire仿真软件建立了发动机的缸内工作过程仿真模型，通过仿真和试验的方法研究了去掉可变排气系统后的发动机特性，结果表明:去掉可变排气系统后在2000r/min、10%节气门开度和5500r/min、50%节气门开度条件下，发动机的扫气效率降低，输出功率下降。在此基础上，利用仿真研究的方法对排气口高度参数进行了优化研究。去掉可变系统后排气口高度最优值为36.3mm时可以在保证常用无人机飞行转速范围内，各工况下扫气效率较高，发动机指示功损失最小，输出功率可以满足无人机动力需求。      

航空活塞式发动机空燃比实时控制算法

采用比例-积分-微分神经网络(PIDNN)的控制算法,集合了传统PID控制及神经网络各自的优点,控制发动机在不同工况下的空燃比,实现发动机在不同工况间切换时,能够快速地控制空燃比至目标值.在AMESim软件中建立发动机模型,在MATLAB软件中建立PIDNN控制算法,进行模型在环仿真,仿真结果表明:在不同海拔高度下,PIDNN控制算法都能够准确地把空燃比控制在目标值,当发动机在不同工况间切换时,PIDNN能够在0.5s内把发动机空燃比控制至目标值,并且保证过量空气系数超调量在0.2之内,改善了发动机的动力性、经济性,提高了发动机的响应能力.     

航空活塞式发动机瞬态空燃比控制仿真研究

针对航空活塞式直喷发动机瞬态空燃比难以精确控制、动态超调大等问题,采用基于改进的粒子群优化算法和Elman神经网络(VPSO-Elman网络)的模型预测控制算法对发动机过渡工况空燃比进行控制。在实验数据的基础上,利用发动机建模软件AMESim建立发动机模型,在MATLAB/Simulink中建立VPSO-Elman空燃比预测模型控制系统,通过联合仿真检验控制系统的性能。结果表明:瞬态工况下,相比于比例-积分-微分（PID）控制,VPSO-Elman网络模型预测控制下的空燃比超调量可以减小约20%,回调时间缩短约75%;针对不同的节气门开度变化速率,VPSO-Elman控制器同样具有良好的控制效果。      

分层扫气二冲程汽油机的数值模拟

为研究分层扫气发动机的扫气特性和工作机理,建立了分层扫气发动机三维模型,并利用三维CFD仿真软件Fluent在额定转速下分别对有无分层扫气系统的发动机流场进行仿真与分析,计算所需的边界条件通过对发动机进行一维模拟计算得到。结果表明:分层扫气发动机在工作过程中利用纯空气在新鲜混合气和废气之间形成分层,并由纯空气承担一部分扫气损失,使得未燃碳氢化合物的排放减少了15%,提高了发动机的燃油经济性;有无分层扫气发动机扫气效率都是75%,分层扫气系统对发动机扫气效率没有较大影响,研究结果可以为分层扫气发动机的设计提供参考。      

高超声速超燃冲压发动机实时模型仿真研究

给出了一种高超声速超燃冲压发动机实时模型建立方法.发动机采用基于特性的部件级建模思想，考虑了燃烧室的容积效应，其中，在计算进气道参数时给出一种计算激波角的方法，该方法能够一次得到激波角，不需数值解法，在保证精度的同时简化了计算过程.该发动机动态模型通过数值积分来完成，避免了循环迭代，提高了模型计算速度与实时性.以某超燃冲压发动机建模为例, 通过闭环仿真实验得到在动态过程中响应时间在1s左右，超调量为0.5%.仿真结果表明:该建模方法满足提高实时性的要求，有助于对此类发动机动态过程进行控制研究.      

液氧/煤油补燃发动机低频频率特性研究

基于模块化层次化的建模技术,建立液氧/煤油补燃发动机的线性小扰动频率特性仿真模型.在建模过程中,重点考虑了绝热流动假设和熵波影响下的气路模型.依据交流流体网络理论,运用传递函数法分析了该型发动机的低频频率特性,为研究液体火箭的纵向耦合振动(POGO)及发动机动力学提供帮助.      

Real-time modular dynamic modeling for compression system of altitude ground test facilities

Modeling of a centrifugal compressor is of great significance to surge characteristics and fluid dynamics in the Altitude Ground Test Facilities (AGTF). Real-time Modular Dynamic System Greitzer (MDSG) modeling for dynamic response and simulation of the compression system is introduced. The centrifugal compressor, pipeline network, and valve are divided into pressure output type and mass flow output type for module modeling, and the two types of components alternate when the system is established. The pressure loss and thermodynamics of the system are considered. An air supply compression system of AGTF is modeled and simulated by the MDSG model. The simulation results of mass flow, pressure, and temperature are compared with the experimental results, and the error is less than 5%, which demonstrates the reliability, practicability, and universality of the MDSG model.     

提高二冲程煤油发动机抗爆性措施研究

为解决某二冲程航空活塞发动机采用航空煤油后爆震极限功率严重下降的问题，进行了一维发动机性能仿真分析，提出了提高发动机爆震极限功率的技术措施。在发动机额定工况下，油耗率和排气温度不发生恶化的前提下，添加抗爆添加剂、降低压缩比和推迟点火提前角以抑制采用煤油后的发动机爆震倾向,扩大缸径和降低空燃比以助于恢复发动机的爆震极限功率。结果表明:经过优化，发动机输出功率可达到原型机的96%，油耗率增加了19%，排气温度升高了57K。研究结果可为二冲程煤油发动机的性能优化和提高工作的可靠性提供依据。      

液体火箭发动机一种通用模块化仿真方法

为了研制一种较为通用的液体火箭发动机工作过程的仿真软件，依据模块化建模思想，建立发动机各组件的Simulink仿真模块。根据发动机系统中各组件之间的参数信号传递关系，连接各模块的相应输入输出端口即形成整个发动机系统的仿真模型。对某型发动机的起动过程进行仿真计算，结果表明这种模块化的建模仿真方法易操作，较通用。     

航空发动机燃油系统执行机构及其传感器故障诊断

提出了基于执行机构模型和航空发动机逆模型的执行机构及其传感器单一故障诊断和定位方法.基于执行机构小闭环结构建立了3阶执行机构传递函数模型.基于两个并联的BP(back propagation)神经网络,建立了航空发动机稳态逆模块和动态补偿模块,形成航空发动机逆模型,以实现基于航空发动机输出的燃油流量估计.以执行机构模型输出和传感器输出之间的偏差为依据进行故障判别,以航空发动机逆模型输出和传感器输出偏差为依据对故障进行定位.以某型航空发动机及其燃油系统执行机构模型为对象进行的仿真,结果表明,该诊断系统可在航空发动机稳态、动态情况下准确地诊断出幅值在1.6%以上的执行机构及其传感器故障并进行定位,验证了所提出故障诊断方法的有效性.      

二冲程汽油机高空增压功率恢复计算研究

通过地面试验与高空仿真模拟相结合的方式对二冲程汽油机高空增压功率恢复性能进行了研究.建立了二冲程增压汽油机的仿真计算模型,分析了二冲程汽油机排气系统的特性.针对性的设计了排气管系,合理调整排气管的长度以及收缩膨胀比,促进了汽油机的扫气过程,弥补了加装增压器带来的排气背压增大缺点.研究了增压后的汽油机在不同海拔处的功率和油耗特性,其输出功率与燃油经济性比原机都有所改善,能够适应高空的工作条件.      

临近空间高超声速跳跃滑翔式目标自适应跟踪模型

针对临近空间高超声速跳跃式滑翔目标跟踪问题,在将加速度建模为具有正弦波（SW）自相关随机过程的基础上,提出一种自适应非零均值正弦波相关（ANM-SW）模型。其核心是对正弦波相关模型进行均值补偿构建ANM-SW模型,并推导了模型状态方程;为深入分析均值补偿的作用,分别从时域和频域的角度探讨了自适应非零均值模型的物理本质;此外,为进一步说明模型的适应性问题,结合Kalman滤波推导了SW及ANM-SW模型状态更新的系统动态误差,验证了ANM-SW模型在机动适应方面的优越性;最终仿真表明与SW模型相比,ANM-SW模型在跟踪精度及机动适应能力方面具有一定的优势性。     

航空发动机动态链接库模型建模技术研究

针对目前航空发动机组态建模软件不能输出用户所搭建模型的局限性,设计了与组态建模软件相匹配的通用发动机动态链接库模型框架,并将用户在组态建模软件上录入的模型信息输出为1个配置文件,加载该动态链接库模型和配置文件进行发动机仿真,仿真结果与采用组态建模软件所得到的结果一致。通过该方法实现了输出组态建模软件中模型的功能,输出的模型可用于发动机数控系统的设计等工作中。     

太阳能无人机能源系统的多维耦合建模

针对太阳能无人机能源系统建模的耦合性考虑不足、能量流动过程描述不全面等问题,将外部大气环境、无人机的姿态角度等不同维度下影响能源系统运行的多个因素纳入到建模过程中,先后给出了非均质大气环境模型、无人机运动模型、电机模型、减速器模型、螺旋桨模型、光伏电池模型和蓄电池模型的建立过程,并建立了各模型间的耦合关系,得到反映非均质大气环境下、动态飞行行为的太阳能无人机中能量流动的耦合模型。仿真结果表明：该模型可以完整的描述外部大气环境和无人机飞行姿态对无人机发电功率以及动力负荷功率的影响等耦合作用,适合用于仿真分析和地面半实物仿真平台的搭建。