活塞式煤油发动机点火提前角仿真计算与试验研究

【摘要】：与汽油相比，煤油因具有闪点低、粘度大、不易挥发等特性，且使用安全性能高，在一些军事背景的特种车辆中有较广阔的应用前景。但是由于煤油的雾化效果差，与汽油相比燃烧特性发生了较大的变化，特别是煤油的燃烧速度慢，对应的点火特性与汽油相比区别较大。点火提前角对发动机的性能有着重要的影响，国内外对活塞式煤油发动机的燃烧特性，特别是点火提前角特性研究较少，所以对发动机燃烧煤油的点火特性进行研究，具有重要的理论指导意义和工程应用价值。本文结合某国防预研项目，完成了某小型二冲程汽油发动机燃烧航空煤油的点火提前角及相关问题研究，内容围绕点火控制器的开发、点火提前角的标定与控制加以展开，主要研究内容和创新如下： 1.为获得原型机的相关参数，建立了发动机的测试系统，对二冲程发动机的点火参数进行了采集和提取，获得了发动机燃烧汽油时的点火提前角，为分析发动机燃烧煤油的工作性能提供了参考依据。 2.采用数值计算方法研究了发动机缸内煤油燃烧状况以及NOx排放。对燃烧室进行了三维建模，并利用动网格技术模拟了缸体运动。分析了发动机正常热工况，不同点火提前角和不同进气压力参数下的燃烧状况，比较了发动机燃烧煤油的排气温度和NOx排放等；探讨了火花塞周围影响点火成功的湍动能和速度场。对相同工况下汽油和煤油的燃烧性能进行对比，结果表明，煤油比汽油燃烧速度慢，点火滞燃期长。通过试验分析，在转速为5500r/min节气门开度为50%工况点，发动机燃烧煤油的最佳点火提前角要比燃烧汽油时的最佳点火提前角大10°CA。 3.利用GT-POWER对发动机燃烧煤油的整机性能进行了数值模拟，探讨了点火提前角对发动机动力性、排放性能等的影响；分析了压缩比、进气压力、进气温度和空燃比等对点火提前角的影响；针对不同的工况条件，充分考虑动力性而忽略经济性与排放性的前提下，通过计算获取了发动机初始点火数据图（MAP），为发动机燃烧煤油的点火提前角控制提供了重要的理论依据。 4.为寻求发动机最佳点火提前角，以GT-POWER仿真的初始点火MAP为参考，通过台架试验进行了标定修正，获得了不同工况下的燃烧煤油最佳点火MAP。基于模糊自寻优控制算法，发展了点火提前角标定方法，以初始点火MAP为基值，在稳态工况条件下对点火提前角标定，并通过Simulink与GT-POWER联合仿真验证了该方法的可行性。 5.针对发动机燃烧煤油的爆震问题，采用了小波分析方法对不同点火提前角的缸内压力信号进行爆震检测分析，提取发动机爆震特征，为发动机燃烧煤油的点火提前角控制提供了参考依据。 6.以嵌入式16位微控制器为核心，设计了点火电控单元的数据采集和控制硬件电路，完成了控制软件设计，实现了发动机的点火控制，并解决了火花塞电磁抗干扰问题。基于VisualStudio/C++平台设计了点火参数调整和监控标定系统，实现了对试验数据的实时监测、保存及历史数据的回放，以及发动机点火MAP实时在线改写功能。 7.建立了发动机试验台，对论文研制的点火系统的发动机性能进行试验，并与原型机进行了对比。结果表明，点火提前角的重新标定获得了较好的动力输出性能，所研制的点火系统有效地提高了发动机的输出扭矩。对比分析了数值计算与试验结果，验证了数值计算结果的正确性；分析了不同点火提前角的煤油发动机的燃烧循环变动，结果表明其燃烧变动率均小于10%，发动机工作在正常范围内。在试验数据分析过程中，利用最小二乘支持向量机对发动机的缸内压力进行回归分析，该方法在样本数较少的情况下能得到比较精确的结果，提高了分析精度。 【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2011
【分类号】：TK461

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