高空环境下喷嘴参数对航空活塞发动机燃烧与性能的影响

以一台四缸四冲程压燃式航空煤油活塞发动机为研究机型,运用工程系统高级建模和仿真平台软件(AMESim)仿真软件建立了发动机的整机模型,并使用台架实验的采集数据对该仿真模型进行了验证。在高空环境中,仿真分析了飞行器起飞工况、最大巡航工况下发动机喷油器的不同喷孔数、孔径对发动机燃烧过程、性能和NOx排放特性的影响。计算结果表明:稳态工况下,随着喷孔数的增加,最高燃烧压力和温度增加,瞬时放热率增长速度快且峰值上升;同时,缸内预混燃烧得到强化,燃烧始点提前,滞燃期和燃烧持续期缩短,燃烧重心前移,循环热效率增高,但同时会提高NOx的生成量;在飞行器瞬态变海拔的起飞工况下,多喷孔数、小孔径的喷油嘴有利于航空活塞发动机在高空环境下恢复发动机功率,提升飞行器的动力性和续航性能。      

不同海拔下压燃式航空活塞发动机的燃烧与排放特性

研究压燃式航空活塞发动机在不同海拔高度下的燃烧与排放特性,将有利于进一步优化通航飞行器的动力推进系统。通过发动机大气压力模拟试验台架,在3个不同海拔高度（10,1000,1920m）进行压燃式航空活塞发动机的燃烧与排放试验,获得了发动机的燃烧和排放污染物与海拔高度的变化规律。试验结果表明：随着海拔高度的上升,大气压力减小,航空发动机的进气质量流量降幅明显,过量空气系数和有效热效率也略有下降,但有效燃油消耗率是上升的;此外,在相同工况点出现最大燃烧压力下降,滞燃期延长,燃烧始点推迟,燃烧持续期呈延长趋势,最高平均燃烧温度增大,且发动机的NO_x,HC和碳烟排放增加。当海拔升高,发动机的负荷增大时,碳烟排放呈现出先降低后升高。在小负荷和大负荷时的CO排放增加较为明显,而中负荷附近基本保持不变。     

压燃式航空活塞发动机转矩与空燃比的控制

通过对压燃式航空活塞发动机的空燃比进行需求分析,采用发动机转矩需求的逆向倒推法,从螺旋桨的转矩需求倒推至发动机总转矩需求,建立转矩需求的主控通道和前导通道的控制模式,前导通道是利用微分控制的超前特性,加快转矩控制的动态响应能力。由相关转矩需求和进气量估算模块计算后,建立了最优空燃比控制的计算方程,实时计算得到对应的每循环总喷油量。在模拟保持飞机从零海拔起飞至1 890 m的发动机最大转矩输出条件下,列举了定海拔恒转速变转矩工况和定海拔发动机外特性工况的实验分析。实验结果表明：采用最优控制理论建立的空燃比控制,既保障了过量空气系数处于合理范围1.3～3.5之内,发动机的工作效果又能达到预期目标。     

不同增压模式对压燃式航空活塞发动机性能的影响研究

压燃式航空活塞发动机在高空环境下易出现动力衰减、推力不足等关键问题，因此，增压系统的匹配研究和优化至关重要。基于GT-Power软件构建一维整机热力学模型，探究了不同海拔下增压模式以及高压级压气机叶片开度对压燃式航空活塞发动机性能的影响。研究表明：海拔4000m下，在3400r/min工况点，相较于固定截面增压(FGT)，采用可变涡轮截面增压(VGT)技术后，燃烧始点提前了31.7%，转矩和功率分别提高36%,43.5%，泵气损失增加10.5%；而采用可调两级增压(RTST)后性能提升效果更显著，使发动机工作升限从5480m提升到了6000m，但在高转速下，RTST增压效率以及对发动机动力性能的增幅会出现下降趋势；低海拔下，随RTST高压级VGT叶片开度的减小，燃烧始点推迟，功率降低，油耗增加；高海拔下，燃烧始点、功率和油耗随叶片开度的减小而呈现与低海拔时相反的趋势。