摘 要

随着航空航天产业的高速发展，各种飞行器对发动机的要求也越来越严格，本文以CENTURION2.0涡轮增压柴油机的结构参数作为基础，以燃油消耗率、转速、功重比为限制条件，以压缩比和爆发压力为优化目标，对二冲程补燃增压航空重油活塞发动机进行优化计算。依据工程热力学和传热学的理论分析，并且参照Hyperbar补燃超高增压发动机的补燃室结构提出了本文的优化方案。

论文写作思路是通过借助GT-POWER发动机仿真计算软件，对发动机按照分块（中冷器、进排气系统、气缸、曲轴箱和增压器）建模的理念进行建模，针对CENTURION2.0涡轮增压柴油机的已知参数搭建原机模型，并根据CENTURION2.0涡轮增压柴油机已知参数对该模型进行校核。在燃油消耗率、输出转速和功重比作为限制条件的状况下，根据GT-POST的输出结果，应用GT-POWER计算软件对压缩比、爆发压力进行优化。运用CENTURION2.0涡轮增压柴油机优化后的参数对模型进行改造，建立本文这款全新的发动机，并对这款全新发动机模型进行仿真模拟、分析验证，最终证明该方案的可行性。

研究结果表明：在满足燃油消耗率220g/kw·h，转速2300r/min的条件下，实现功重比为2.0的200KW二冲程补燃增压航空活塞发动机理论上是可行的。

关键词：航空重油；二冲程发动机；GT-POWER；补燃增压；优化

Abstract

With the rapid development of aerospace industry, a variety of aircraft on the engine requirements are more stringent, this paper to CENTURION2.0 turbo diesel engine structural parameters as a basis to fuel consumption rate, speed, weight ratio for the restrictions , The compression ratio and the outburst pressure are used as the optimization target to optimize the calculation of the two-stroke compensated and pressurized aviation heavy oil piston engine. Based on the theoretical analysis of engineering thermodynamics and heat transfer theory, the optimization scheme of this paper is given by referring to the replenishing chamber structure of Hyperbar supercharged engine.

The idea of writing is to model the engine according to the concept of block (intercooler, intake and exhaust system, cylinder, crankcase and supercharger) by means of GT-POWER engine simulation software. For CENTURION2.0 Turbocharged diesel engine known parameters to build the original model, and according to CENTURION2.0 turbocharged diesel engine known parameters of the model to check. Under the condition of fuel consumption rate, output speed and weight ratio as the limiting condition, GT-POWER calculation software is used to optimize the compression ratio and burst pressure according to the output of GT-POST. The model is modified by CENTURION2.0 turbocharged diesel engine, and the new engine is established. The simulation and simulation of the new engine model are carried out to prove the feasibility of the scheme.

The results show that it is theoretically feasible to realize the 200KW two-stroke supercharged aviation piston engine with the weight ratio of 2.0 under the condition of satisfying the fuel consumption rate 220g / kw · h and the speed of 2300r / min.

Key words: Aviation heavy oil；Two-stroke engine；GT-POWER; Hyperbar；Optimization

目 录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景 1

1.2 问题研究的必要性 2

1.2.1 国外发展历程 2

1.2.2 国内发展历程 3

1.3 国内外研究现状 4

1.3.1 二冲程航空发动机研究现状 4

1.3.2 旁通补燃增压技术和高升功率技术研究现状 5

1.3.3 二冲程柴油机与超高增压系统匹配的研究 5

1.3.4 发动机数值模拟和性能参数优化方法的研究现状 6

1.4 本文的主要内容及目标 7

第2章 二冲程补燃增压发动机仿真的理论基础 9

2.1 基础概念的介绍 9

2.1.1 本文发动机基础概念的介绍 9

2.1.2 仿真模拟软件GT-POWER简介 9

2.2 提高发动机功重比的途径 10

2.3 发动机子系统模型的建立 10

2.3.1 中间冷却器模型的建立 12

2.3.2 进排气系统模型的建立 13

2.3.3 柴油机气缸模型建立 14

2.3.4 增压器模型的建立 14

2.4 本章小结 15

第3章 二冲程增压柴油机模型的建立及校核 16

3.1 CENTURION2.0涡轮增压柴油机模型的建立 16

3.1.1 CENTURION2.0涡轮增压柴油机边界条件的设置 17

3.1.2 CENTURION2.0涡轮增压柴油机气缸参数的设置 18

3.1.3 喷油器参数设置 19

3.1.4 气阀参数设置 20

3.1.5 增压器参数设置 21

3.1.6 中间冷却器参数设置 22

3.1.7 整机模型及其他部件参数设置 23

3.2 CENTURION2.0涡轮增压柴油机模型的校核 24

3.2.1 CENTURION2.0涡轮增压柴油机中冷器的校核 24

3.2.2 CENTURION2.0涡轮增压柴油机涡轮增压器的校核 25

3.2.3 整机模型及其他参数的校核 26

3.3 本章小结 27

第4章 二冲程补燃增压柴油机的提出及优化分析 28

4.1 二冲程补燃增压柴油机的提出 28

4.2 二冲程补燃增压柴油机方案的建立 28

4.3 二冲程补燃增压航空重油发动机的优化分析 29

4.3.1 喷油器参数设置 29

4.3.2 气门参数的设置 29

4.3.3 优化后增压器显示的特性图 30

4.4 仿真结果比对 32

4.5 本章小结 32

第5章 总结与展望 33

5.1 总结 33

5.2 展望 33

参考文献 34

致 谢 37

绪论

研究背景

从首架飞机问世伊始到二战结束期间，所有飞机都采用活塞式发动机，旨在为飞行器提供航空动力。虽然从上世纪四十年代开始活塞式航空发动机逐渐被燃气轮机所取代，但活塞式重油航空发动机与燃气轮机相比巨大的经济潜能优势使其延用至今，尤其在低速轻型飞行器（无人机、教练机）上。二冲程航空重油发动机较之四冲程航空发动机来讲，更加紧凑的结构和体积，使其具备更大的升功率和功重比，让活塞式航空发动机在航空领域的优势发挥的淋漓尽致^【1】。

小型无人机目前已经广泛应用于航空摄影，军事侦察，边防巡逻，勘探测绘、巡查监视等领域，并且逐渐向物流配送领域延伸。小型无人机未来势必占领飞行器市场。当前小型无人机大多使用汽油燃料，但是使用航空汽油燃料会对排放造成污染，并且汽油的闪点低，部队后勤保障多为煤油，柴油，如若备用汽油不足，则很难为无人机实施加油，美国国防部在2004年以后已经开始限制燃用汽油燃料装备的发展^【2】。由此汽油在军事领域和通用航空领域的使用受到了限制。重油与汽油相比而言，分子量大，闪点、粘度高，挥发性小，被意外引燃的概率较之汽油低很多等优势，无论储藏和运输其安全性均能够得到保障。因此，研发使用柴油和航空煤油等重油为燃料的航空活塞发动机是大势所趋^{【3】【4】}。航空重油动力系统成为了下一代无人机的发展方向和关键技术，航空重油将取代汽油成为今后小型无人机的主要燃料,世界各国都加紧了对航空活塞重油柴油机的研发^【5】。