CN114608830A - 一种基于Doe的二冲程点燃式航空煤油发动机爆震抑制方法 - Google Patents

一种基于Doe的二冲程点燃式航空煤油发动机爆震抑制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于Doe的二冲程点燃式航空煤油发动机爆震抑制方法,包括如下步骤：根据发动机三维模型得到一维仿真中所需的结构尺寸，通过发动机构造搭建GT‑Power一维模型并进行校核，利用试验数据获取不爆震、轻微爆震和重度爆震下的爆震强度，得到试验发动机轻微爆震时的阈值，将校核后的一维模型爆震指数与试验所得的爆震强度相对应，利用一维模型对全工况下进行发动机爆震预测并通过DoE方法对控制参数进行优化，通过多次修改工况与控制参数的优化范围，得到最优的喷油‑点火控制参数，实现了DoE方法对发动机功率进行了优化，降低了通过试验方法反复寻找发动机最佳工况点所造成时间上的损失，提高了发动机台架标定的效率。

Description

一种基于Doe的二冲程点燃式航空煤油发动机爆震抑制方法
技术领域
本发明属于内燃机测试技术领域，特别涉及一种基于Doe的二冲程点燃式航空煤油发动机爆震抑制方法。
背景技术
二冲程航空活塞发动机由于其制造和维护成本低、功重比高等特点，在航空动力领域上有着广泛的应用。二冲程发动机点火方式分为压燃式和点燃式，典型的二冲程点燃式发动机主要以蒸发性好、易点燃的汽油作为燃料。由于汽油的闪点低(-45℃～-25℃)、易蒸发的特点，使其在某些特殊的场合下储存和运输时，易发生起火或爆炸等事故。相比之下，航空重油燃料(轻柴油、航空煤油)由于其闪点高、不易蒸发的特点，这使得航空重油在运输和储存的过程中比汽油更稳定安全，能够被广泛运用于军用产品中。我国军队常用航空重油燃料中，国产3号航空煤油(RP-3)是军用动力装置的主要燃料，与汽油有着相似的低热值。鉴于航空煤油燃料辛烷值低，自燃温度要低于汽油，在点燃式二冲程发动机中，燃用航空煤油时的爆震倾向远高于汽油，因此开展对点燃式航空煤油发动机的爆震抑制研究具有重要意义。
根据相关研究表明，当煤油机处于轻微爆震下，能够发挥出较大的发动机功率。煤油机处于中转速大负荷下，推迟点火提前角对二冲程点燃式煤油机爆震有着一定的抑制作用，但由于煤油混合气火焰传播慢，燃烧持续时间长，所以过于推迟点火提前角不仅会导致发动机功率损失，还会导致发动机排气温度过高可能引起发动机故障。加浓混合气虽然使发动机燃油经济性变差，但能够在保持发动机功率输出水平的基础上对爆震起着一定的抑制作用，此外加浓混合气可以有效降低排气温度。可以看出，基于单参数控制点火提前角或喷油量的爆震抑制策略有一定的局限性，而考虑综合调整点火提前角与喷油量在发动机输出功率、排气温度上具有一定的互补性，故本文通过使用Doe的方法来得到发动机不同工况下的喷油-点火参数，使在有效抑制发动机爆震倾向的同时尽可能提高发动机性能。
发明内容
为了解决现有工程技术中的问题，本发明提供一种基于Doe的二冲程点燃式航空煤油发动机爆震抑制方法，该方法利用一维模型对全工况下进行发动机爆震预测并通过DoE方法对控制参数进行优化，通过多次修改工况与控制参数的优化范围，得到最优的喷油-点火控制参数，实现了DoE方法对发动机功率进行了优化，降低了通过试验方法反复寻找发动机最佳工况点所造成时间上的损失，提高了发动机台架标定的效率。为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种基于Doe的二冲程点燃式航空煤油发动机爆震抑制方法，包括以下步骤：
步骤1、根据所选的发动机设计图纸，得到发动机的基本尺寸；
步骤2、根据发动机构造，搭建GT-Power模型，通过试验结果校核发动机的准确性，并对爆震模型进行校核；
步骤3、根据台架试验得到所需优化工况下不爆震、轻微爆震和重度爆震时的缸压数据各200组；
步骤4、根据煤油机爆震特征频率5kHz～25kHz，对步骤3中得到的不同爆震工况下的缸压数据进行带通滤波，得到滤波后缸压的最大震荡幅值MAPO；
步骤5、将步骤4中得到不同爆震工况下连续200个工作循环的MAPO的平均值作为爆震强度KI来反映发动机不同爆震工况下的爆震强度；
步骤6、利用步骤2中校核后的GT-Power模型，通过修改GT-Power中转速、点火角度以及节气门开度得到不同爆震工况下的爆震指数Ki；与步骤5中通过试验得到的爆震强度KI相对应；
步骤7、根据GT-Power中的DoE模块对发动机的喷油-点火进行优化计算；
步骤8、将步骤6中所得到轻微爆震下的爆震指数Ki作为限制因素，将步骤7中得到的最大功率点找出，记录其喷油、点火参数；
步骤9、重复步骤7～步骤8，只需修改模型中发动机工况即得到发动机全工况下的喷油脉宽和点火提前角的MAP图；
步骤10、将步骤9得到的喷油-点火参数写入ECU中进行台架试验，验证此方法的可行性。
进一步的，所述步骤1中，发动机的基本尺寸包括发动机的缸径尺寸、扫气道尺寸和位置、排气道尺寸和位置、活塞尺寸和位置、扫气口尺寸、排气口尺寸。
进一步的，所述步骤2中，发动机的构造包括进气系统、扫气系统、曲柄连杆机构、气缸以及排气系统。
进一步的，所述步骤2中GT-Power模型所需校核的参数包括功率、进气质量流量、燃油消耗率以及排气温度。
进一步的，所述步骤5中的爆震强度KI的计算公式如下：
Figure BDA0003500467950000031
式中，n为步骤5中各工作循环的MAPO值。
进一步的，所述步骤6中的爆震指数Ki的计算公式如下：
Figure BDA0003500467950000032
Figure BDA0003500467950000033
式中，Ki为爆震指数；M为爆震强度系数；φ为爆震时缸内未燃混合气质量百分比；ε为发动机压缩比；Tug为缸内未燃气体温度；Iave为末端气体的诱导时间积分；
Figure BDA0003500467950000034
为未燃区域等效比。
进一步的，所述步骤7中DoE的设置中，将发动机转速、节气门开度定为所需工况，将点火提前角和过量空气系数定为合理的优化区间；在设置的喷油、点火的优化区间中，利用拉丁超立方法在所设置喷油、点火的优化区间中各选取N个试验样本进行仿真计算。
进一步的，所述步骤7中所仿真的工况点为N*N个，全面覆盖设置的点火提前角和过量空气系数优化区间内的工况点。
进一步的，所述步骤9中所需修改的发动机工况参数包括发动机转速、节气门开度和所需优化的过量空气系数和点火提前角的优化区间。
有益效果
本发明旨在有效抑制发动机爆震同时，尽可能地提高发动机功率输出，通过发动机一维建模并对其爆震预测模型进行校核，基于DoE方法得到全工况下喷油-点火参数，进行了台架试验，节省了发动机控制参数的优化时间，提升了发动机设计效率。
附图说明
图1是本发明的基本流程图；
图2是本发明所搭建台架示意图；
图3是本发明所使用的发动机GT-Power模型简图；
图4是本发明校核的参数；
图5是本发明不同爆震工况下的爆震强度；
图6是本发明所得到的喷油脉宽和点火提前角的MAP图；
图7是单参数控制和DoE方法得到的喷油-点火参数控制的功率、排气温度对比。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行实例性的描述，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
一种基于Doe的二冲程点燃式航空煤油发动机爆震抑制方法，包括以下步骤：
步骤1、根据所选的发动机设计图纸，得到发动机的基本尺寸；
具体的讲，发动机的基本尺寸包括发动机的缸径尺寸、扫气道尺寸和位置、排气道尺寸和位置、活塞尺寸和位置、扫气口尺寸、排气口尺寸。
步骤2、根据发动机构造，搭建GT-Power模型，通过试验结果校核发动机的准确性，并对爆震模型进行校核；
具体的讲，发动机的构造包括进气系统、扫气系统、曲柄连杆机构、气缸以及排气系统构成，GT-Power模型所需校核的包括功率、进气质量流量、燃油消耗率以及排气温度。
步骤3、根据台架试验得到所需优化工况下不爆震、轻微爆震和重度爆震时的缸压数据各200组；
步骤4、根据煤油机爆震特征频率5kHz～25kHz，对步骤3中得到的不同爆震工况下的缸压数据进行带通滤波，得到滤波后缸压的最大震荡幅值MAPO；
步骤5、将步骤4中得到不同爆震工况下连续200个工作循环的MAPO的平均值作为爆震强度KI来反映发动机不同爆震工况下的爆震强度；
具体的讲，爆震强度KI的公式如下：
Figure BDA0003500467950000051
式中，n为步骤5中各工作循环的MAPO值。
步骤6、利用步骤2中校核后的GT-Power模型，通过修改GT-Power中转速、点火角度以及节气门开度得到不同爆震工况下的爆震指数Ki；与步骤5中通过试验得到的爆震强度KI相对应；
Figure BDA0003500467950000052
Figure BDA0003500467950000053
式中，Ki为爆震指数；M为爆震强度系数；φ为爆震时缸内未燃混合气质量百分比；ε为发动机压缩比；Tug为缸内未燃气体温度；Iave为末端气体的诱导时间积分；
Figure BDA0003500467950000054
为未燃区域等效比。
步骤7、根据GT-Power中的DoE模块对发动机的喷油-点火进行优化计算；
具体的讲，将发动机转速设置为4800r/min、节气门开度定为50°，将点火提前角设置为上止点前18°～36°，过量空气系数设置为0.68～1.15。在设置的喷油、点火的优化区间中，利用拉丁超立方法在所设置喷油、点火的优化区间中各选取100个试验样本进行仿真计算。所仿真的工况点为100*100个，全面覆盖设置的点火提前角和过量空气系数优化区间内的工况点。
步骤8、将步骤6中所得到轻微爆震下的爆震指数Ki作为限制因素，将步骤7中得到的最大功率点找出，记录其喷油、点火参数；
步骤9、重复步骤7～步骤8，只需修改模型中发动机工况即可得到发动机全工况下的喷油脉宽和点火提前角的MAP图；
具体的讲，所需修改的发动机工况参数包括发动机转速、节气门开度和所需优化的过量空气系数和点火提前角的优化区间。
步骤10、将步骤9得到的喷油-点火参数写入ECU中进行台架试验，验证此方法的可行性。

Claims (9)

1.一种基于Doe的二冲程点燃式航空煤油发动机爆震抑制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、根据所选的发动机设计图纸，得到发动机的基本尺寸；
步骤2、根据发动机构造，搭建GT-Power模型，通过试验结果校核发动机的准确性，并对爆震模型进行校核；
步骤3、根据台架试验得到所需优化工况下不爆震、轻微爆震和重度爆震时的缸压数据各200组；
步骤4、根据煤油机爆震特征频率5kHz～25kHz，对步骤3中得到的不同爆震工况下的缸压数据进行带通滤波，得到滤波后缸压的最大震荡幅值MAPO；
步骤5、将步骤4中得到不同爆震工况下连续200个工作循环的MAPO的平均值作为爆震强度KI来反映发动机不同爆震工况下的爆震强度；
步骤6、利用步骤2中校核后的GT-Power模型，通过修改GT-Power中转速、点火角度以及节气门开度得到不同爆震工况下的爆震指数Ki；与步骤5中通过试验得到的爆震强度KI相对应；
步骤7、根据GT-Power中的DoE模块对发动机的喷油-点火进行优化计算；
步骤8、将步骤6中所得到轻微爆震下的爆震指数Ki作为限制因素，将步骤7中得到的最大功率点找出，记录其喷油、点火参数；
步骤9、重复步骤7～步骤8，只需修改模型中发动机工况即得到发动机全工况下的喷油脉宽和点火提前角的MAP图；
步骤10、将步骤9得到的喷油-点火参数写入ECU中进行台架试验，验证此方法的可行性。
2.根据权利要求1所述的一种基于Doe的二冲程点燃式航空煤油发动机爆震抑制方法，其特征在于：所述步骤1中，发动机的基本尺寸包括发动机的缸径尺寸、扫气道尺寸和位置、排气道尺寸和位置、活塞尺寸和位置、扫气口尺寸、排气口尺寸。
3.根据权利要求1所述的一种基于Doe的二冲程点燃式航空煤油发动机爆震抑制方法，其特征在于：所述步骤2中，发动机的构造包括进气系统、扫气系统、曲柄连杆机构、气缸以及排气系统。
4.根据权利要求1所述的一种基于Doe的二冲程点燃式航空煤油发动机爆震抑制方法，其特征在于：所述步骤2中GT-Power模型所需校核的参数包括功率、进气质量流量、燃油消耗率以及排气温度。
5.根据权利要求1所述的一种基于Doe的二冲程点燃式航空煤油发动机爆震抑制方法，其特征在于：所述步骤5中的爆震强度KI的计算公式如下：
Figure FDA0003500467940000021
式中，n为步骤5中各工作循环的MAPO值。
6.根据权利要求1所述的一种基于Doe的二冲程点燃式航空煤油发动机爆震抑制方法，其特征在于：所述步骤6中的爆震指数Ki的计算公式如下：
Figure FDA0003500467940000022
Figure FDA0003500467940000023
式中，Ki为爆震指数；M为爆震强度系数；φ为爆震时缸内未燃混合气质量百分比；ε为发动机压缩比；Tug为缸内未燃气体温度；Iave为末端气体的诱导时间积分；
Figure FDA0003500467940000024
为未燃区域等效比。
7.根据权利要求1所述的一种基于Doe的二冲程点燃式航空煤油发动机爆震抑制方法，其特征在于：所述步骤7中DoE的设置中，将发动机转速、节气门开度定为所需工况，将点火提前角和过量空气系数定为合理的优化区间；在设置的喷油、点火的优化区间中，利用拉丁超立方法在所设置喷油、点火的优化区间中各选取N个试验样本进行仿真计算。
8.根据权利要求7所述的一种基于Doe的二冲程点燃式航空煤油发动机爆震抑制方法，其特征在于：所述步骤7中所仿真的工况点为N*N个，全面覆盖设置的点火提前角和过量空气系数优化区间内的工况点。
9.根据权利要求1所述的一种基于Doe的二冲程点燃式航空煤油发动机爆震抑制方法，其特征在于：所述步骤9中所需修改的发动机工况参数包括发动机转速、节气门开度和所需优化的过量空气系数和点火提前角的优化区间。
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