活塞式煤油發(fā)動機點火提前角仿真計算與試驗研究

【摘要】：與汽油相比，煤油因具有閃點低、粘度大、不易揮發(fā)等特性，且使用安全性能高，在一些軍事背景的特種車輛中有較廣闊的應(yīng)用前景。但是由于煤油的霧化效果差，與汽油相比燃燒特性發(fā)生了較大的變化，特別是煤油的燃燒速度慢，對應(yīng)的點火特性與汽油相比區(qū)別較大。點火提前角對發(fā)動機的性能有著重要的影響，國內(nèi)外對活塞式煤油發(fā)動機的燃燒特性，特別是點火提前角特性研究較少，所以對發(fā)動機燃燒煤油的點火特性進行研究，具有重要的理論指導(dǎo)意義和工程應(yīng)用價值。本文結(jié)合某國防預(yù)研項目，完成了某小型二沖程汽油發(fā)動機燃燒航空煤油的點火提前角及相關(guān)問題研究，內(nèi)容圍繞點火控制器的開發(fā)、點火提前角的標定與控制加以展開，主要研究內(nèi)容和創(chuàng)新如下： 1.為獲得原型機的相關(guān)參數(shù)，建立了發(fā)動機的測試系統(tǒng)，對二沖程發(fā)動機的點火參數(shù)進行了采集和提取，獲得了發(fā)動機燃燒汽油時的點火提前角，為分析發(fā)動機燃燒煤油的工作性能提供了參考依據(jù)。 2.采用數(shù)值計算方法研究了發(fā)動機缸內(nèi)煤油燃燒狀況以及NOx排放。對燃燒室進行了三維建模，并利用動網(wǎng)格技術(shù)模擬了缸體運動。分析了發(fā)動機正常熱工況，不同點火提前角和不同進氣壓力參數(shù)下的燃燒狀況，比較了發(fā)動機燃燒煤油的排氣溫度和NOx排放等；探討了火花塞周圍影響點火成功的湍動能和速度場。對相同工況下汽油和煤油的燃燒性能進行對比，結(jié)果表明，煤油比汽油燃燒速度慢，點火滯燃期長。通過試驗分析，在轉(zhuǎn)速為5500r/min節(jié)氣門開度為50%工況點，發(fā)動機燃燒煤油的最佳點火提前角要比燃燒汽油時的最佳點火提前角大10°CA。 3.利用GT-POWER對發(fā)動機燃燒煤油的整機性能進行了數(shù)值模擬，探討了點火提前角對發(fā)動機動力性、排放性能等的影響；分析了壓縮比、進氣壓力、進氣溫度和空燃比等對點火提前角的影響；針對不同的工況條件，充分考慮動力性而忽略經(jīng)濟性與排放性的前提下，通過計算獲取了發(fā)動機初始點火數(shù)據(jù)圖（MAP），為發(fā)動機燃燒煤油的點火提前角控制提供了重要的理論依據(jù)。 4.為尋求發(fā)動機最佳點火提前角，以GT-POWER仿真的初始點火MAP為參考，通過臺架試驗進行了標定修正，獲得了不同工況下的燃燒煤油最佳點火MAP?；谀：詫?yōu)控制算法，發(fā)展了點火提前角標定方法，以初始點火MAP為基值，在穩(wěn)態(tài)工況條件下對點火提前角標定，并通過Simulink與GT-POWER聯(lián)合仿真驗證了該方法的可行性。 5.針對發(fā)動機燃燒煤油的爆震問題，采用了小波分析方法對不同點火提前角的缸內(nèi)壓力信號進行爆震檢測分析，提取發(fā)動機爆震特征，為發(fā)動機燃燒煤油的點火提前角控制提供了參考依據(jù)。 6.以嵌入式16位微控制器為核心，設(shè)計了點火電控單元的數(shù)據(jù)采集和控制硬件電路，完成了控制軟件設(shè)計，實現(xiàn)了發(fā)動機的點火控制，并解決了火花塞電磁抗干擾問題。基于VisualStudio/C++平臺設(shè)計了點火參數(shù)調(diào)整和監(jiān)控標定系統(tǒng)，實現(xiàn)了對試驗數(shù)據(jù)的實時監(jiān)測、保存及歷史數(shù)據(jù)的回放，以及發(fā)動機點火MAP實時在線改寫功能。 7.建立了發(fā)動機試驗臺，對論文研制的點火系統(tǒng)的發(fā)動機性能進行試驗，并與原型機進行了對比。結(jié)果表明，點火提前角的重新標定獲得了較好的動力輸出性能，所研制的點火系統(tǒng)有效地提高了發(fā)動機的輸出扭矩。對比分析了數(shù)值計算與試驗結(jié)果，驗證了數(shù)值計算結(jié)果的正確性；分析了不同點火提前角的煤油發(fā)動機的燃燒循環(huán)變動，結(jié)果表明其燃燒變動率均小于10%，發(fā)動機工作在正常范圍內(nèi)。在試驗數(shù)據(jù)分析過程中，利用最小二乘支持向量機對發(fā)動機的缸內(nèi)壓力進行回歸分析，該方法在樣本數(shù)較少的情況下能得到比較精確的結(jié)果，提高了分析精度。 【學(xué)位授予單位】：南京航空航天大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2011
【分類號】：TK461

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