航空活塞發(fā)動機余氣系數監(jiān)控分析

1、航空活塞發(fā)動機余氣系數監(jiān)控分析打開文本圖片集摘要：余氣系數對航空活塞發(fā)動機的性能和工作穩(wěn)定性有著 非常重要的影響但是該參數無法直接測量。為了實現對余氣系數 監(jiān)控本文闡述了一種針對余氣系數計算的方法并依據某型航空活 塞發(fā)動機的實際運行參數計算余氣系數。通過對余氣系數和轉速 的對比分析確定了該型航空活塞發(fā)動機在大轉速和中等轉速狀態(tài) 下余氣系數略小應該適當降低燃油流量增大余氣系數到最佳值。關鍵詞：活塞發(fā)動機;余氣系數；轉速;燃油流量航空活塞發(fā)動機的余氣系數是指混合汽中實際空氣量與理論 空氣量的比值用Q表示如式（1）所示其中a中表示余氣系數理 表示氣缸中的燃料剛好完全燃燒所需要的理論空氣量實表示實際

2、進入氣缸的空氣量。理論空氣量指的是在理想情況下根據計算得出以最少空氣量 1kg燃料混合燃燒將其全部燃燒所需的最少空氣量就稱作理論空氣 量。對于不同種類的燃料其理論空氣量的數值也各不相同。任何 一種燃料的理論空氣量都可以由燃燒的化學反應式計算出來。在 常規(guī)大氣條件下氧氣在空氣中的質量含量約為23. 2%經計算航空汽 油的理論空氣量為15. 1kg空氣/kg汽油；而航空煤油的理論空氣量 為14. 7kg空氣/kg （煤油）。余氣系數對航空活塞發(fā)動機的功率 和燃油消耗率至關重要是調節(jié)發(fā)動機工作狀態(tài)的重要參數但余氣 系數無法直接測量。如果能夠通過發(fā)動機的工作參數計算余氣系 數將會對航空活塞發(fā)動機的狀態(tài)

3、監(jiān)控和性能分析起到積極作用。1余氣系數的計算航空活塞發(fā)動機在設計定型時氣缸的尺寸是固定的有關氣缸 的一些參數是確定的。若已知發(fā)動機的氣缸工作容積為V工、壓 縮比為殘余廢氣系數為P進、T進、進是在飛機某飛行狀態(tài)下活塞 發(fā)動機的進氣壓力、進氣溫度和進氣密度R為空氣常數對吸氣式 發(fā)動機為簡化計算可近似認為進氣溫度就是外界大氣溫度即：由此可知：對于四行程活塞發(fā)動機活塞在氣缸內要依次經歷進氣、壓 縮、膨脹和排氣四個行程才能完成一個工作循環(huán)。所有氣缸每完 成一個工作循環(huán)曲軸每轉兩圈。設發(fā)動機轉速為n單位為轉每分 鐘燃油流量為qf單位為千克每秒m為發(fā)動機氣缸個數則理論空氣 量為：其中L0為1千克燃料剛好完全

4、燃燒所需要的最少空氣量。將式（2）和式（3）代入公式（1）可得到余氣系數的計算公 式為：其中取7%20%之間R為空氣常數P進、TO、qf、n需要通過 儀表讀取數據、V工、m可以通過發(fā)動機設計參數獲得。以某型航空活塞發(fā)動機為例該型發(fā)動機設計壓縮比為8. 5： 1 工作容積V工為360立方英寸、氣缸的數量m是6個燃料為100號無鉛航空汽油故單位質量燃油的理論空氣量L0取15. 1kg空氣 /kg汽油。該型發(fā)動機進氣門和排氣門的早開和晚關技術氣門同開角度 較大掃氣效果好故取0.07。同時該型發(fā)動機使用的汽油密度為 722. 5kg/m3并把進氣壓力P進、大氣溫度T0、燃油流量qf、發(fā)動 機轉速n換算

5、為國際標準單位進氣壓力的單位英寸汞柱換算成帕 斯卡燃油流量的單位加侖每小時換算為千克每秒。大氣溫度的單 位攝氏度轉化為開攝氏度。進氣壓力P進、大氣溫度T0、燃油流量qf、發(fā)動機轉速n等 工作參數由機載設備記錄在飛行記錄儀FDR的存儲器中可以落地 后讀取相關參數。表1是根據部分飛行參數計算得出的該型發(fā)動 機在不同大氣環(huán)境下大功率工作狀態(tài)的余氣系數。該型發(fā)動機工 作狀況良好從計算結果來看該型發(fā)動機在表1所示的4組大功率 狀態(tài)工作時余氣系數都在正常范圍表明該方法具有一定的準確 性。2余氣系數與轉速關系分析航空活塞發(fā)動機的常見工作狀態(tài)有三種分別為大轉速、中轉 速和小轉速狀態(tài)每種狀態(tài)的用途是不同的。當飛

6、機處在起飛、復 飛等狀態(tài)時活塞發(fā)動機應該在大轉速狀態(tài)工作此時要保證發(fā)動機 有足夠大的輸出功率余氣系數應該在0.80.9之間火焰?zhèn)鞑ニ俣?最大發(fā)動機功率最大。當飛機處于巡航狀態(tài)時需要發(fā)動機有良好 的經濟性燃油應該充分完全的燃燒此時余氣系數的最佳范圍應該 在1.051. 1之間發(fā)動機燃油消耗率最低。當飛機在地面滑行或 下降著陸狀態(tài)時活塞發(fā)動機處于小轉速運行狀態(tài)時此時發(fā)動機輸 出的功率是最小的進氣量是較小的為保證發(fā)動機穩(wěn)定可靠工作不 熄火余氣系數應設在0. 70. 8的富油狀態(tài)。余氣系數與轉速的關 系如圖1所示。通過讀取某型號航空活塞發(fā)動機某時段起落飛行訓練的運行 數據計算出對應狀態(tài)的余氣系數并與轉

7、速對比分析如圖2所示。在圖2中某型飛機在所取時段內共進行6次起降訓練分別在 C、D、E、F、G、H區(qū)間位置。其中藍色曲線表示的是轉速RPM淺 紅色曲線表示的是余氣系數a在圖中可以大致地看到轉速和余氣 系數的變化過程。這6次起降轉速和余氣系數的變化特征是類似 的。為了更清晰地看清變化轉速和余氣系數的變化過程選擇把圖2 中C區(qū)間放大處理分別為圖3和圖4所示。圖3是對圖2中第C次起降中的大轉速部分-C1區(qū)間的放大 圖。將C1區(qū)間分成a、b、c、d、e5段。通過圖3可以看出在a 區(qū)間位置時余氣系數在的大小在0. 7560. 769之間處于過富油狀 態(tài)需要適當降低燃油流量將余氣系數往上調至0.85左右。

8、在b區(qū) 間位置時在轉速不變的狀態(tài)下余氣系數在0.81附近在大轉速運行 的富油極限位不在最佳位可以上調一點。在c區(qū)間位置時轉速有 所下降但都處于大轉速而此時的余氣系數都在0. 85的附近所以不 做調整。在d區(qū)間位置時轉速在2400轉每分鐘比最大轉速略小余 氣系數在0.80.85之間也可以適當上調。在e區(qū)間余氣系數都 在0. 85的附近余氣系數可以不做調整。圖4是對圖2中C次起降中的中轉速部分C2區(qū)間放大圖。在 圖4中觀察到該型活塞發(fā)動機在1950rpm2000rpm的中等轉速狀 態(tài)時余氣系數在0.9-0. 93之間理想情況是1.051. 1之間實際 使用中由于余氣系數調整精度等原因也可以處在0.

9、91.0之間所 以該型活塞發(fā)動機在此中等轉速范圍時余氣系數稍微上調最好。3結語從余氣系數定義入手推導分析了航空活塞發(fā)動機余氣系數 的計算方法并通過實際發(fā)動機的運行數據計算了余氣系數驗證了 計算方法的準確性。通過余氣系數與轉速對比分析能夠直觀地反映航空活塞發(fā) 動機油氣混合的情況。以某型航空活塞發(fā)動機為例通過讀取該型 發(fā)動機的運行參數計算了某飛行時段的余氣系數。通過與理想狀 態(tài)航空活塞發(fā)動機轉速和余氣系數的關系進行對比分析得出該型 活塞發(fā)動機不論是在大轉速狀態(tài)還是中等轉速狀態(tài)余氣系數都略 小于最佳值應當適當減小燃油流量增大余氣系數?；痦椖浚罕疚臑橹袊裼煤娇诊w行學院科研基地項目資助 項目編號：F2021KF08。參考文獻：1李衛(wèi)東侯甲棟.航空活塞動力裝置M.