航空煤油转子发动机的喷雾及燃烧特性研究
发布时间：2022-01-16 06:46
转子发动机因其动力性能好、燃料适应性强以及功重比高的优点,被广泛应用于各类无人机、运输车、发电机组和舰艇。随着“万能燃料”概念的提出与发展,航空煤油的价值被进一步发掘,出色的燃烧性能以及良好的理化特性使其同样适用于各类传统内燃机,并且具有较好的发展前景。目前,针对航空煤油在传统发动机内适应性的研究已全面展开,而航空煤油在转子发动机内的适应性究竟如何还鲜有描述。因此,结合万能燃料概念,在分析了往复活塞式航空煤油发动机最新研究动态的基础上,对航空煤油在转子发动机内的适应性进行研究并明确其雾化和燃烧特性具有重要意义与创新价值。本研究从实验与数值模拟两个方向展开,首先,基于定容燃烧弹分别搭建了航空煤油喷雾以及喷雾燃烧可视化实验台,采用Mie散射法研究了转子发动机工况下航空煤油的基础喷雾特性,采用自然火焰发光成像原理以及OH化学荧光法研究了环境因素对航煤喷雾燃烧特性的影响规律;其次,基于Ansys Fluent建立了耦合化学反应动力学的转子发动机三维动态模型,并利用实验数据从流场、喷雾特性以及燃烧过程三个方面验证了该模型的可靠性。基于此模型,通过数值模拟计算与分析探索了适合转子发动机的航空煤油喷...
【文章来源】：江苏大学江苏省
【文章页数】：85 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
转子发动机零部件示意图[1]
杂谕?椿钊?⒍????臃⒍???倒乖旄?虻ィ?疃?考??佟?为了保证三角转子的三个转子顶端能够在气缸内紧贴气缸壁运动，气缸型线设计为双弧长短幅外旋轮线，转子型线则为气缸理论型线的内包络线。为了匹配合适的压缩比，转子壁面上设有转子凹坑，转子凹坑还可起到引导火焰传播的作用，改善燃料在转子发动机狭长燃烧室内的燃烧质量。因为转子上的内齿轮与固定在端盖上的外齿轮齿数比为3:2，所以偏心轴的角速度为转子角速度的三倍，即转子旋转一整圈，偏心轴旋转三圈。转子发动机与传统往复活塞式发动机工作原理的对比如图1.2所示，虽然在结构上两者有着本质上的区别，但与往复活塞式发动机的工作原理相同，转子发动机的工作过程同样包括进气、压缩、做功以及排气四个冲程[2]。发动机的进气冲程从燃烧室运动至排气上止点开始，新鲜空气在进气压力以及燃烧室真空度的作用下进入燃烧室，当转子转动90°（偏心轴转动0°~270°）后，燃烧室体积达到最大值，进气冲程结束；随着转子继续转动，压缩冲程开始，当转子由90°转动至180°（偏心轴转动270°~540°），燃烧室运动到压缩上止点，体积达到最小值，油气混合物的压力与温度得到了提高，压缩冲程结束；随着火花塞的点火，缸内工质被引燃，做功冲程开始，转子由180°转动至270°（偏心轴转动540°~810°），燃烧室体积再次变大，燃料剧烈燃烧放出热量并转化为机械能；随着燃烧过程的结束，转子将废弃经排气道排出，转子由270°转动至360°（偏心轴转动810°~1080°），燃烧室再次来到排气上止点，发动机的一个工作循环结束。图1.2转子发动机与传统发动机工作原理[2]Fig.1.2Operationprogressofrotaryengineandtraditionalengine[2]
氲搅说氖导视τ弥小?日本的马自达公司于1957年购得了转子发动机的专利权，并对其进行了大量的优化研究以解决其缸壁磨损以及气缸密封等问题。1967年，搭载L10A型转子发动机的CosmoSports轿车正式量产并销售，这也是第一款正式投入商用的转子发动机汽车。在随后的几十年里，马自达不断将涡轮增压、分层进气以及缸内直喷分层燃烧等新技术应用到转子发动机上，并连续发布了RX系列以及Cosmo系列乘用车。转子发动机在内燃机舞台上的精彩表现屡见不鲜，1991年，搭载13G型转子发动机的马自达787B赛车获得了勒芒24小时汽车赛的冠军（图1.3左），这也是历史上唯一一款获得该大奖的非往复活塞发动机赛车[5]。随着能源危机以及环境污染问题的日益加剧，各国对内燃机性能、排放的要求也日趋严格，2003年，马自达研发了Renesis发动机并装载于著名的RX-8跑车上（图1.3右），该发动机在原有13B型转子发动机的基础上进一步改善了燃油经济性以及零件损耗，并于该年获得了“国际最佳发动机大奖”[6]。由此看出，虽然转子发动机因油耗高、污染物排放量大等问题饱受诟病，其仍是目前唯一一款能够撼动往复活塞发动机在乘用车领域绝对地位的发动机。图1.3马自达787B赛车（左）[5]与RX-8跑车（右）[6]Fig.1.3Mazda787B(Left)[5]andRX-8(Right)[6]得益于质量轻、功率密度高等突出的优点，转子发动机还被选作为便携式发电机组、电动汽车增程器等发电装置的动力源。为了满足市场对可移动发电装置
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于双火花塞点火策略的活塞式航空煤油发动机爆震控制[J]. 刘娜,宋玺娟,胡春明,王赫. 航空动力学报. 2019(08)
[2]Design and optimization of a novel electrically controlled high pressure fuel injection system for heavy fuel aircraft piston engine[J]. Ke ZHANG,Xudong HUANG,Zhifeng XIE,Ming ZHOU. Chinese Journal of Aeronautics. 2018(09)
[3]军用车辆柴油机燃用航空煤油性能研究[J]. 姚广涛,刘宏威,杨春浩,刘伍权. 内燃机工程. 2017(01)
[4]转子发动机流场的测试和数值模拟[J]. 范宝伟,潘剑锋,刘杨先,卢青波,肖曼,薛宏. 工程热物理学报. 2015(08)
[5]RP-3航空煤油着火特性的实验[J]. 曾文,李海霞,马洪安,陈保东. 航空动力学报. 2014(03)
[6]点火提前角对天然气转子发动机燃烧过程的影响[J]. 范宝伟,潘剑锋,陈瑞,刘杨先,唐爱坤,王谦. 兵工学报. 2014(01)
[7]点火位置对天然气转子发动机燃烧的影响[J]. 潘剑锋,范宝伟,陈瑞,卢青波,唐爱坤,邵霞,王谦. 内燃机工程. 2013(01)
[8]一种航空煤油数值模拟替代燃料的化学反应简化机理[J]. 曾文,陈潇潇,刘静忱,马洪安,陈英涛. 航空动力学报. 2012(03)
[9]多种燃料转子发动机现状与前瞻[J]. 杨道荫,梁健光,白效介,陈炳才. 机电产品开发与创新. 2001(03)
[10]马自达与新型转子发动机[J]. 赵杭. 汽车维修. 1998(02)
本文编号：3592145
【文章来源】：江苏大学江苏省
【文章页数】：85 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
转子发动机零部件示意图[1]
杂谕?椿钊?⒍????臃⒍???倒乖旄?虻ィ?疃?考??佟?为了保证三角转子的三个转子顶端能够在气缸内紧贴气缸壁运动，气缸型线设计为双弧长短幅外旋轮线，转子型线则为气缸理论型线的内包络线。为了匹配合适的压缩比，转子壁面上设有转子凹坑，转子凹坑还可起到引导火焰传播的作用，改善燃料在转子发动机狭长燃烧室内的燃烧质量。因为转子上的内齿轮与固定在端盖上的外齿轮齿数比为3:2，所以偏心轴的角速度为转子角速度的三倍，即转子旋转一整圈，偏心轴旋转三圈。转子发动机与传统往复活塞式发动机工作原理的对比如图1.2所示，虽然在结构上两者有着本质上的区别，但与往复活塞式发动机的工作原理相同，转子发动机的工作过程同样包括进气、压缩、做功以及排气四个冲程[2]。发动机的进气冲程从燃烧室运动至排气上止点开始，新鲜空气在进气压力以及燃烧室真空度的作用下进入燃烧室，当转子转动90°（偏心轴转动0°~270°）后，燃烧室体积达到最大值，进气冲程结束；随着转子继续转动，压缩冲程开始，当转子由90°转动至180°（偏心轴转动270°~540°），燃烧室运动到压缩上止点，体积达到最小值，油气混合物的压力与温度得到了提高，压缩冲程结束；随着火花塞的点火，缸内工质被引燃，做功冲程开始，转子由180°转动至270°（偏心轴转动540°~810°），燃烧室体积再次变大，燃料剧烈燃烧放出热量并转化为机械能；随着燃烧过程的结束，转子将废弃经排气道排出，转子由270°转动至360°（偏心轴转动810°~1080°），燃烧室再次来到排气上止点，发动机的一个工作循环结束。图1.2转子发动机与传统发动机工作原理[2]Fig.1.2Operationprogressofrotaryengineandtraditionalengine[2]
氲搅说氖导视τ弥小?日本的马自达公司于1957年购得了转子发动机的专利权，并对其进行了大量的优化研究以解决其缸壁磨损以及气缸密封等问题。1967年，搭载L10A型转子发动机的CosmoSports轿车正式量产并销售，这也是第一款正式投入商用的转子发动机汽车。在随后的几十年里，马自达不断将涡轮增压、分层进气以及缸内直喷分层燃烧等新技术应用到转子发动机上，并连续发布了RX系列以及Cosmo系列乘用车。转子发动机在内燃机舞台上的精彩表现屡见不鲜，1991年，搭载13G型转子发动机的马自达787B赛车获得了勒芒24小时汽车赛的冠军（图1.3左），这也是历史上唯一一款获得该大奖的非往复活塞发动机赛车[5]。随着能源危机以及环境污染问题的日益加剧，各国对内燃机性能、排放的要求也日趋严格，2003年，马自达研发了Renesis发动机并装载于著名的RX-8跑车上（图1.3右），该发动机在原有13B型转子发动机的基础上进一步改善了燃油经济性以及零件损耗，并于该年获得了“国际最佳发动机大奖”[6]。由此看出，虽然转子发动机因油耗高、污染物排放量大等问题饱受诟病，其仍是目前唯一一款能够撼动往复活塞发动机在乘用车领域绝对地位的发动机。图1.3马自达787B赛车（左）[5]与RX-8跑车（右）[6]Fig.1.3Mazda787B(Left)[5]andRX-8(Right)[6]得益于质量轻、功率密度高等突出的优点，转子发动机还被选作为便携式发电机组、电动汽车增程器等发电装置的动力源。为了满足市场对可移动发电装置
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于双火花塞点火策略的活塞式航空煤油发动机爆震控制[J]. 刘娜,宋玺娟,胡春明,王赫. 航空动力学报. 2019(08)
[2]Design and optimization of a novel electrically controlled high pressure fuel injection system for heavy fuel aircraft piston engine[J]. Ke ZHANG,Xudong HUANG,Zhifeng XIE,Ming ZHOU. Chinese Journal of Aeronautics. 2018(09)
[3]军用车辆柴油机燃用航空煤油性能研究[J]. 姚广涛,刘宏威,杨春浩,刘伍权. 内燃机工程. 2017(01)
[4]转子发动机流场的测试和数值模拟[J]. 范宝伟,潘剑锋,刘杨先,卢青波,肖曼,薛宏. 工程热物理学报. 2015(08)
[5]RP-3航空煤油着火特性的实验[J]. 曾文,李海霞,马洪安,陈保东. 航空动力学报. 2014(03)
[6]点火提前角对天然气转子发动机燃烧过程的影响[J]. 范宝伟,潘剑锋,陈瑞,刘杨先,唐爱坤,王谦. 兵工学报. 2014(01)
[7]点火位置对天然气转子发动机燃烧的影响[J]. 潘剑锋,范宝伟,陈瑞,卢青波,唐爱坤,邵霞,王谦. 内燃机工程. 2013(01)
[8]一种航空煤油数值模拟替代燃料的化学反应简化机理[J]. 曾文,陈潇潇,刘静忱,马洪安,陈英涛. 航空动力学报. 2012(03)
[9]多种燃料转子发动机现状与前瞻[J]. 杨道荫,梁健光,白效介,陈炳才. 机电产品开发与创新. 2001(03)
[10]马自达与新型转子发动机[J]. 赵杭. 汽车维修. 1998(02)
本文编号：3592145
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