某型航空煤油活塞式发动机性能研究

作     者：刘辉 

作者单位：山东理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：郑斌

授予年度：2021年

学科分类：082502[工学-航空宇航推进理论与工程] 08[工学] 082503[工学-航空宇航制造工程] 0825[工学-航空宇航科学与技术] 

主      题：航空煤油活塞式发动机 试验数据分析 仿真模型 性能分析 

摘      要：现如今,无人机在国家安全和经济发展中发挥着至关重要的作用,其发动机又占据着重要地位,活塞式发动机因为功重比高、结构紧凑等优点能够满足无人机的需求。为了响应燃料一体化的号召,将活塞发动机的燃料换为RP-3煤油成为了热门研究方向。本文为了探究航空煤油活塞式发动机的性能,以一台四冲程航空煤油活塞式发动机为研究对象,建立了试验台架,试验研究了发动机的负荷特性和速度特性,利用GT-POWER软件建立了发动机仿真计算模型,并用试验数据进行了验证,模拟研究了点火提前角、空燃比、压缩比、起飞环境压力、起飞环境温度和飞行高度对发动机性能的影响,并对发动机进行了改进与性能分析。主要结果如下:(1)研究了点火提前角、空燃比和压缩比对发动机性能的影响。随着点火提前角的减小,功率和扭矩先增大后减小,有效燃油消耗率先减小后增加;在点火提前角为34°CA,功率由最大值54.72 k W,扭矩由有最大值95.01 N·m,有效燃油消耗率有最小值345.44 g/(k W·h)。随着空燃比的增加,功率及扭矩先增加后减小,有效燃油消耗率先减小后增加;功率在空燃比为13.5时有最大值52.84 k W,扭矩在空燃比为13.5时有最大值91.75 N·m,有效燃油消耗率在空燃比为15.5时有最小值353.26 g/(k W·h)。随着压缩比的增加,功率和扭矩增加,有效燃油消耗率减小;当压缩比从6.5增加到12.5时,功率从41.94 k W增加到58.69 k W,扭矩从72.82 N·m增加到101.89 N·m,有效燃油消耗率从424.07 g/(k W·h)减小到325.98 g/(k W·h)。当压缩比在6.5～9范围内时,功率和扭矩的平均增长率为4.1%,要大于压缩比在9～12.5范围内时的平均增长率1.9%。(2)研究了起飞环境压力、起飞环境温度和飞行高度对发动机性能的影响。随着起飞环境压力的减小,功率以及扭矩在呈规律性的减小,有效燃油消耗率上升。当起飞环境压力从0.11 Mpa减小到0.05MPa时,功率从59.12 k W减小到13.02 k W,起飞环境压力每减小0.01 MPa,功率平均减小7.71 k W;扭矩从102.64 N·m增加到22.61N·m,环境压力每减小0.01 MPa,扭矩平均减小13.34 N·m;有效燃油消耗率从349.76g/(k W·h)增加到535.44 g/(k W·h)。随着起飞环境温度的升高,输出功率及扭矩在下降,燃油消耗率增加。当起飞环境温度从240 K增加到340 K时,输出功率从54.14 k W减小到50.50 k W,扭矩从94 N·m减小到87.68 N·m,有效燃油消耗率从420.40 g/(k W·h)增加到473.73 g/(k W·h)。温度每升高10 K,功率及扭矩平均下降0.69%,有效燃油消耗率平均增加1.2%。当飞行高度从0 m增加到6 000 m时,输出功率从52.22 k W减小到11.26 k W,扭矩从90.67 N·m减小到19.56 N·m。有效燃油消耗率从356.57g/(k W·h)增加至577.80 g/(k W·h)。(3)对发动机改进与性能分析。从点火提前角和空燃比两个运行参数分析发动机性能变化规律,得到最佳工况点的点火提前角为22°CA、空燃比为13.5,此时的功率为53.84 k W,提升2.14%;燃油消耗率为477.60 g/(k W·h),增加6.81%;改进的爆震指数为50.22,降低了10.77%。