压缩比对航空煤油发动机燃烧与性能影响的仿真研究

刘瑞林，杨春浩，2，刘伍权，周　磊，2

(1.军事交通学院 军用车辆系，天津300161； 2.海军工程大学 动力工程学院，武汉 430033)



● 车辆工程Vehicle Engineering

压缩比对航空煤油发动机燃烧与性能影响的仿真研究

刘瑞林1，杨春浩1，2，刘伍权1，周磊1，2

(1.军事交通学院 军用车辆系，天津300161； 2.海军工程大学 动力工程学院，武汉 430033)

基于GT-POWER 仿真软件，建立了航空煤油发动机工作过程仿真模型，研究了压缩比对航空煤油发动机燃烧与性能的影响。结果表明：全负荷工况下，随着压缩比的增加，缸内最高燃烧压力增加，压缩比每升高0.5，最高燃烧压力增大3.8 MPa，最大压力升高率增大0.03 MPa/°CA，滞燃期变短，预混燃烧放热峰值降低，直至压缩比超过18时，发动机缸内压力达到限值17 MPa；转矩、功率上升，燃油消耗率下降；综合压缩比对航空煤油发动机燃烧与性能的影响，发动机压缩比应调整为18。

航空煤油发动机；数值模拟；压缩比；燃烧与性能

2.College of Power Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan 430033， China)

战时统一油料保障，可大大提高部队机动作战能力。20世纪70年代，美军提出了“战场单一燃料概念(single fuel concept，SFC )”[1]。美国陆军坦克与自动车辆研究、开发和工程中心对添加了特殊添加剂的航空煤油在车用柴油机中的燃烧情况进行了研究[2]，结果表明，添加剂过量会使燃料喷射系统中颗粒物增多，增加发动机磨损，降低使用寿命。美国陆军坦克司令部对车用柴油机燃用航空煤油的燃烧情况进行了研究[3-4]，结果表明，以缸内温度800 K、缸内压力6 MPa为分界线，当缸内温度、缸内压力低于该分界线时，航空煤油的滞燃期较柴油增长超过20%，高于该分界线时，燃料的滞燃期增长10%～20%。经过长期的研究与试验积累，美军在统一军用动力装备用油方面已取得突出进展[5]，并于海湾战争、阿富汗战争及海地维和任务中分别使用Jet-A1、TS1与JP-5作为单一燃料[6-7]。

为向“战场燃料单一化”方向积极转变，我国于20世纪90年代初开始开展航空煤油应用于压燃式发动机可行性的研究[8]。任连岭[9]综述了美国“战场单一燃料”的研究与应用现状，通过在东风、斯太尔、扶桑、奔驰4种车型上进行整车试验，论证了我军车辆装备燃烧航空煤油的可行性。南京航空航天大学以某国防预研项目为背景，进行汽油机燃用航空煤油可行性研究，在小型二冲程发动机上对比燃烧不同燃料的转矩输出、缸内压力示功图，发现发动机燃用汽油、航空煤油在性能方面变化很小[10]。姚广涛等[11]先后综述论证了车用柴油机燃用航空煤油的可行性，并在军用动力装置广泛应用的某重型高压共轨柴油机上进行了燃用航空煤油的发动机性能试验。研究表明：燃用航空煤油时，发动机动力性未出现明显的下降，经济性提高，在全部工况下，碳烟及CO排放下降明显；NOx排放整体呈下降趋势，但幅度较小， HC排放明显增加。

本文基于GT-POWER 仿真软件，建立燃用RP-3航空煤油燃料的发动机仿真模型，通过试验验证模型的可行性，并研究压缩比对压燃式发动机燃用RP-3航空煤油燃烧与性能的影响。

1　工作过程仿真模型的建立

本研究选用军用动力装置广泛采用的某中型高压共轨柴油机，发动机具体参数见表1。

表1　高压共轨柴油机主要技术参数

利用GT-POWER 建立仿真模型，包括进气系统、缸内系统、增压器、排气系统、曲轴箱以及相应的边界条件模型。模型中，新增RP-3航空煤油燃料库，根据RP-3航空煤油的理化性质，改进原发动机的燃料供给模型，模型中涉及到的燃料参数见表2。

表2　RP-3航空煤油的理化特性计算值

2　工作过程仿真模型的验证

发动机燃用RP-3航空煤油全负荷工况下功率、转矩仿真与试验数据对比曲线如图1所示。

由图1可知：对比仿真数据与试验数据的功率曲线，平均误差为3.14%，最大误差为5.93%；对比仿真数据与试验数据的转矩曲线，平均误差为2.68%，最大误差为4.27%。两种性能对比曲线误差均在可接受范围内，说明应用所建的模型进行发动机性能预测与实际情况基本相符，建立的模型是可信的。

图1　发动机燃用航空煤油仿真与试验数据对比曲线

3　压缩比对航空煤油发动机燃烧与性能的影响

为研究改变发动机压缩比时，航空煤油发动机燃烧与性能变化规律，进行全负荷，转速为1 000、1 500、2 100 r/min工况下，压缩比分别为17、17.5、18、18.5、19时发动机燃用RP-3航空煤油的燃烧与性能仿真试验。

不同转速、不同压缩比下最高燃烧压力对比曲线如图2所示，最大压力升高率对比曲线如图3所示。

图2　最高燃烧压力对比曲线

图3　最大压力升高率对比曲线

由图2、图3可知，随着压缩比增大，最高燃烧压力与最大压力升高率呈明显上升趋势，且压缩比每升高0.5，最高燃烧压力增加约3.8 MPa，最大压力升高率增大约0.03 MPa/°CA。这是由于在进气终了缸内温度与压力一定时，压缩终了的温度与压力随着压缩比的提高而增大[12]，在发动机燃烧过程中，最高燃烧压力与压力升高率取决于滞燃期的长短及滞燃期内形成可燃混合气的多少，燃料十六烷值一定时，缸内温度和压力越高，燃料越易燃烧，滞燃期越短，滞燃期内形成的可燃混合气越少，最高燃烧压力及压力升高率越小，不同压缩比下燃料燃烧始点如图4所示。压缩比的增大导致压缩终了压力和温度增加，燃料燃烧后缸内的峰值压力也相应增加，同时燃烧放热速率增大，最高燃烧压力及最大压力升高率上升[13]，燃料燃烧更充分，动力性更强。所以，在燃用航空煤油时可以适当增大发动机压缩比，补偿航空煤油因十六烷值低引起的滞燃期变长，使燃烧充分，充分利用燃料燃烧做功潜能；但当压缩比超过18时，发动机高转速最高燃烧压力超过17 MPa，达到该发动机的缸压限值，最大压力升高率达到0.82 MPa/°CA，较原机增长7.9%，如继续升高，有工作粗暴的隐患[14]。

图4　不同压缩比下燃料燃烧始点

发动机燃用RP-3航空煤油与柴油外特性试验对比曲线如图5所示。

图5　柴油机燃用航空煤油和柴油时外特性曲线

由图5可以看出：对比发动机燃用RP-3航空煤油与柴油，转矩、功率下降，其中转矩下降幅度在0.88%～2.02%，在全部转速范围内转矩平均下降1.37%；功率下降幅度在0.85%～2.17%，在全部转速范围内转矩平均下降1.38%。有效燃油消耗率在中等转速(1 200 ～1 800 r/min)时燃用RP-3航空煤油较燃用柴油下降明显，下降幅度在2.66%～3.53%，在发动机全部转速范围内有效燃油消耗率平均下降了3.15%。

选取1 000、1 500、2 100 r/min转速全负荷工况，计算不同压缩比对发动机性能影响，结果如图6、图7所示。

图6　不同转速、压缩比下发动机转矩、功率对比曲线

图7　不同转速、压缩比下发动机燃油消耗率对比曲线

由图6、图7可以看出，在各转速全负荷工况下，随着压缩比的增大，发动机转矩、功率均有明显提升，燃油消耗率明显下降。其中在1 000 r/min时转矩、功率分别上升0.19%、0.51%，燃油消耗率下降0.57%；在1 500 r/min时转矩、功率分别上升0.33%、0.38%，燃油消耗率下降0.61%；在2 100 r/min时转矩、功率分别上升0.21 %、0.24%，燃油消耗率下降0.59%。这是由于随着压缩比的升高，排气温度降低，排气带走的热量减少，由能量守恒定律可知，发动机热效率增加，燃料燃烧产生的热能转化成的机械功增加，在改善燃烧的同时，动力性、经济性明显增强。发动机排气温度随压缩比变化如图8所示。

图8　排气温度随压缩比变化曲线

综合考虑压缩比对压燃式发动机燃用RP-3航空煤油燃烧与性能的影响，建议在实际应用中可将压缩比调整为18左右，以改善燃烧，补偿压燃式发动机燃用航空煤油时的动力性损失。

4　结　论

(1)全负荷工况下，随着压缩比的增加，缸内最高燃烧压力增加，压缩比每升高0.5，最高燃烧压力增大3.8 MPa，最大压力升高率增加0.03 MPa/°CA，滞燃期变短，预混燃烧放热峰值降低，排气温度降低，后燃期缩短。

(2)全负荷工况下，转矩、功率上升，燃油消耗率下降。其中在1 000 r/min时转矩、功率分别上升0.19%、0.51%，燃油消耗率下降0.57%；在1 500 r/min时转矩、功率分别上升0.33%、0.38%，燃油消耗率下降0.61%；在2 100 r/min时转矩、功率分别上升0.21%、0.24%，燃油消耗率下降0.59%。

(3)综合考虑压缩比对航空煤油发动机燃烧与性能的影响，建议在实际应用中可将压缩比调整为18左右，以改善燃烧，补偿压燃式发动机燃用航空煤油时的动力性损失。

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(编辑：史海英)

Simulation Study on Effects of Compression Ratio on Combustion and Performance of Aviation Kerosene Engine

LIU Ruilin1，YANG Chunhao1，2，LIU Wuquan1，ZHOU Lei1，2

(1.Military Vehicle Department， Military Transportation University， Tianjin 300161， China；

On the base of GT-POWER simulation software, the simulation model of aviation kerosene engine working process is established. The effects of compression ratio on combustion and performance of aviation kerosene engine is studied. The results show that under full load condition, as compression ratio increases, the maximum combustion pressure also increases. The maximum combustion pressure increases by 3.8 Mpa and the maximum pressure by 0.03 MPa/°CA with every 0.5 compression ratio increase. The stagnation period becomes shorter, the heat release peak of premixed combustion decreases, the exhaust gas temperature decreases and the ignition time shortens. The torque and power rise, and the fuel consumption rate decreases. These effects considered, the compression ratio of the engine is adjusted to 18.

aviation kerosene engine; numerical simulation; compression ratio; combustion and performance

2015-12-18；

2016-01-27．

刘瑞林(1963—)，男，教授，博士生导师.

10.16807/j.cnki.12-1372/e.2016.06.010

TK428.9

A

1674-2192(2016)06- 0043- 05