小型航空二冲程直喷汽油活塞发动机燃油喷射及燃烧特性的研究

摘要

对于二冲程的化油器式或非直喷式汽油发动机来说，由于结构上存在着固有缺陷，导致换气时有一部分新鲜可燃混合气随同废气排出，而且不易将废气自气缸内排干净，从而难以满足无人机对动力性、安全性及续航能力的要求。缸内直喷技术能够实现只用纯净的空气进行扫气，从而弥补了二冲程发动机在换气方面的这一缺陷。本论文运用Fire软件对航空二冲程直喷发动机燃油喷射及燃烧特性进行了仿真分析，研究了不同运行工况下喷油参数对二冲程直喷发动机混合气形成及燃烧的影响规律。
　　根据某型航空二冲程发动机的结构参数及运行参数建立了发动机仿真计算模型。在此基础上，模拟研究了二冲程直喷发动机高负荷时喷油参数对均匀混合气形成的影响，分析了喷油方向、喷油定时和喷油压力对缸内流场、燃油蒸发以及混合气均匀性的影响规律。研究结果表明，在保证燃油不被扫出气缸的前提下，应选择适当的喷油方向角和较大的喷油压力，并尽量提前喷油定时，这将有助于均匀混合气的形成。但是，为了减少燃油的碰壁量，喷油压力不宜太大。
　　利用建立的发动机仿真计算模型，模拟研究了二冲程直喷发动机低负荷时喷油参数对分层混合气形成及燃烧的影响，分析了喷油参数对混合气分层、点火以及火焰传播过程的影响规律。研究结果表明:在保证燃油能够蒸发扩散的前提下，选择适当的喷油方向角和较大的喷油压力，能够形成以火花塞点火位置为中心逐渐变稀的分层混合气;另外，喷油不宜太早，以免油气混合太均匀。
　　最后，针对二冲程直喷发动机分层稀燃模式下燃油雾化蒸发不良且缸内存在局部混合气浓区而造成的燃烧效率低的问题，提出了二次喷油策略。由于改为二次喷射后，每次喷油量都较少，燃油携带能量较小，易受到较强的扫气气流的影响。因此，本章首先确定了二次喷油时的喷油方向和第一次喷油定时，在此基础上，研究了二次喷油时分层混合气形成及燃烧特点，并与单次喷油时分层混合气形成及燃烧过程进行了对比。研究结果表明:改为二次喷油后，在保证火花塞附近形成较浓的易于点火的混合气的同时，大大提高了燃烧速度，缩短了燃烧持续期，减少了残余未燃燃油量，提高了燃烧效率。
　　论文的研究结果可以为我国小型航空二冲程直喷发动机的研发提供理论支持和决策性的依据。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 小型航空二冲程活塞发动机的应用现状

1．2．2 缸内直喷技术的发展

1．2．3 二冲程缸内直喷发动机的研究现状

1．2．4 二冲程发动机的数值模拟研究

1．3 研究内容

2 二冲程直喷发动机仿真模型的建立

2．1 仿真模型的选取

2．1．1 流体流动基本控制方程

2．1．2 湍流模型

2．1．3 蒸发模型

2．1．4 喷雾破碎模型

2．1．5 湍流扩散模型

2．1．6 湍流燃烧模型

2．2 几何模型的建立和网格的划分

2．2．1 几何模型的建立

2．2．2 网格的划分

2．3 边界条件和初始条件的确定

2．4 本章小结

3 喷油参数对二冲程直喷发动机均质混合气形成影响的研究

3．1 喷油方向和喷油定时对直喷发动机均质混合气形成的影响

3．1．1 缸内流场分析

3．1．2 喷油方向和喷油定时对燃油蒸发的影响

3．1．3 喷油方向和喷油定时对燃油分布的影响

3．1．4 喷油方向和喷油定时对混合气均匀度的影响

3．2 喷油压力对直喷发动机均质混合气形成过程的影响

3．2．1 不同喷油压力下缸内流场分析

3．2．2 喷油压力对燃油蒸发的影响

3．2．3 喷油压力对燃油分布的影响

3．2．4 喷油压力对混合气均匀度的影响

3．3 本章小结

4 二冲程直喷发动机部分负荷时单次喷油分层稀燃的研究

4．1 喷油定时对直喷发动机分层稀燃的影响

4．1．1 喷油定时对分层混合气形成的影响

4．1．2 喷油定时对燃烧过程的影响

4．2 喷油方向对直喷发动机分层稀燃的影响

4．2．1 喷油方向对分层混合气形成的影响

4．2．2 喷油方向对燃烧过程的影响

4．3 喷油压力对直喷发动机分层稀燃的影响

4．3．1 喷油压力对分层混合气形成的影响

4．3．2 喷油压力对燃烧过程的影响

4．4 本章小结

5 二冲程直喷发动机二次喷油分层稀燃的研究

5．1 直喷发动机二次喷油方案的选择

5．2 二次喷油时直喷发动机缸内流场分析

5．3 二次喷油对直喷发动机分层混合气形成的影响

5．3．1 二次喷油时燃油分布特点

5．3．2 二次喷油对混合气浓度分层的影响

5．3．2 二次喷油对火花塞附近混合气浓度的影响

5．4 二次喷油对直喷发动机分层稀燃影响的分析

5．4．1 二次喷油对火焰发展期的影响

5．4．2 二次喷油对火焰快速传播期的影响

5．4．3 二次喷油对火焰传播后期的影响

5．5 本章小结

6 全文总结与展望

6．1 全文总结

6．2 工作展望

参考文献

作者简历

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