二沖程煤油發(fā)動機爆震燃燒數(shù)值模擬與試驗研究.pdf

1、煤油具有閃點高、不易蒸發(fā)、使用安全性高等特性，作為特殊應(yīng)用條件下的單一化燃料具有很大優(yōu)勢，研究以煤油作為燃料的火花點燃式活塞發(fā)動機對其特殊應(yīng)用具有重要的意義。煤油與汽油相比，兩者的燃燒特性有很大的不同，煤油的火焰?zhèn)鞑ニ俣容^慢，燃燒過程粗暴，抗爆震性能差。爆震是火花點燃式發(fā)動機特有的一種非正常燃燒現(xiàn)象，嚴重的爆震不但會制約著火花點燃式煤油活塞發(fā)動機的動力性與經(jīng)濟性的提高，甚至破壞發(fā)動機機體。對于火花點燃式發(fā)動機，點火系統(tǒng)是其重要的組成部分

2、。點火時刻、點火能量以及雙火花塞異步點火相位是點火系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)，會對發(fā)動機爆震燃燒特性等產(chǎn)生重要影響。目前國內(nèi)外對二沖程煤油發(fā)動機的爆震燃燒特性，尤其是點火時刻、點火能量以及雙火花塞異步點火相位等點火系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)對爆震燃燒特性影響的研究較少，因此研究點火系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)對二沖程煤油發(fā)動機爆震燃燒特性的影響具有重要的理論意義與工程實用價值。
　　本文以某國防預(yù)研項目為研究背景，主要研究點火時刻、點火能量以及雙火花塞異步點火相位等點火系

3、統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)對二沖程煤油發(fā)動機爆震燃燒特性的影響等相關(guān)問題。論文圍繞爆震燃燒數(shù)值模擬、輕微爆震信號特征提取、爆震強度評價以及爆震燃燒試驗研究等問題展開，主要研究內(nèi)容以及創(chuàng)新如下：
　　(1)采用三維CFD數(shù)值模擬方法對火花點燃式二沖程活塞發(fā)動機燃燒煤油的爆震燃燒特性進行了研究。建立了二沖程煤油發(fā)動機燃燒室模型，利用三維CFD數(shù)值模擬工具計算了點火系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)對煤油均勻混合氣溫度、火焰?zhèn)鞑ニ俣?、混合氣燃燒放熱量等的影響。采用Shell

4、爆震模型描述了混合氣的自燃過程，利用反應(yīng)中間產(chǎn)物Q的濃度衡量爆震強度的大小，分析了點火系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)對二沖程活塞發(fā)動機爆震強度的影響。
　　(2)提出了基于內(nèi)稟模態(tài)特征能量法的輕微爆震信號特征提取方法，對二沖程煤油發(fā)動機缸內(nèi)壓力信號以及機體振動加速度信號進行爆震信號特征提取。該方法對二沖程煤油發(fā)動機信號進行經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解，得到各階內(nèi)稟模態(tài)函數(shù)，獲取信號能量占主導(dǎo)地位的內(nèi)稟模態(tài)函數(shù)分量，對該分量進行功率譜密度分析，得到了電控二沖程煤油發(fā)

5、動機缸內(nèi)壓力信號的爆震特征頻率與機體振動加速度信號的爆震檢測頻率。該方法可在較低信噪比下有效地提取發(fā)動機信號的爆震信號特征頻率，為爆震強度評價、爆震在線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計以及爆震燃燒試驗等研究打下了重要基礎(chǔ)。
　　(3)提出了基于內(nèi)稟模態(tài)高頻分量積分法的缸內(nèi)壓力信號爆震強度評價方法以及基于主導(dǎo)內(nèi)稟模態(tài)峰值法的機體振動加速度信號爆震強度評價方法，對二沖程煤油發(fā)動機的爆震強度進行了有效評價。基于內(nèi)稟模態(tài)高頻分量積分法的缸內(nèi)壓力信號爆震強度評

6、價方法對二沖程煤油發(fā)動機缸內(nèi)壓力信號進行經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解，獲取爆震高頻信號分量以及理想燃燒曲線，以理想燃燒曲線峰值對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角作為爆震窗口起始點以及參考窗口終點，計算爆震窗口和參考窗口內(nèi)的高頻分量積分能量比，即為爆震因子，以爆震因子作為爆震強度評價指標，進行了缸內(nèi)壓力信號的爆震強度評價?；谥鲗?dǎo)內(nèi)稟模態(tài)峰值法的機體振動加速度信號爆震強度評價方法對二沖程煤油發(fā)動機的機體振動加速度信號進行經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解，得到了爆震檢測頻率范圍內(nèi)的主導(dǎo)內(nèi)稟模態(tài)函

7、數(shù)分量，以主導(dǎo)內(nèi)稟模態(tài)函數(shù)分量峰值作為爆震強度評價指標，進行了機體振動加速度信號的爆震強度評價。
　　(4)以基于主導(dǎo)內(nèi)稟模態(tài)峰值法的機體振動加速度信號爆震強度評價方法為依據(jù)，設(shè)計并研制了二沖程煤油發(fā)動機爆震在線監(jiān)測系統(tǒng)，在線監(jiān)測了二沖程煤油發(fā)動機爆震燃燒試驗過程中的發(fā)動機爆震強度。確定了發(fā)動機爆震在線監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計方案，對發(fā)動機爆震在線監(jiān)測系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)進行了設(shè)計，完成了發(fā)動機爆震在線監(jiān)測系統(tǒng)的軟件設(shè)計，包括信號采集模塊、信號處

8、理模塊、爆震判斷模塊以及數(shù)據(jù)存儲模塊等；進行了爆震在線監(jiān)測試驗，驗證了二沖程煤油發(fā)動機爆震在線監(jiān)測系統(tǒng)的有效性。
　　(5)建立了二沖程煤油發(fā)動機爆震燃燒試驗系統(tǒng)，進行了二沖程煤油發(fā)動機爆震燃燒試驗研究。在線改變點火時刻、點火能量、雙火花塞異步點火相位等點火系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)，獲取了點火系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)不同時的缸內(nèi)壓力信號、缸蓋溫度、排氣溫度等數(shù)據(jù)。利用內(nèi)稟模態(tài)高頻分量積分法進行了二沖程煤油發(fā)動機缸內(nèi)壓力信號的爆震強度評價，采用爆震因子作為