关键词:
火箭上面级
氢氧内燃机
燃烧特性
喷注策略
燃烧边界
摘要:
航天器流体集成系统(Integrated Vehicle Fluids,IVF)系统在任务设计、重量、费用和可靠性方面都具有很大优势,是未来液氢液氧上面级最佳选择。美国已经研制出用于IVF系统氢氧内燃机,而我国尚没有相关技术储备,因此需要开展氢氧内燃机的相关研究。但目前还未确定进气道喷射与缸内直喷两种喷注方式哪一种更适合于氢氧内燃机的开发。在此研究背景下,本文进行了PFI-H2点火性能实验。接着基于实验样机与数据,采用三维仿真软件CONVERGE和一维软件GT-Power建立了PFI-H2仿真模型,对纯氧环境下对氢氧内燃机燃烧特性进行了分析。最后,利用美国阿贡实验室搭建氢缸内直喷内燃机仿真模型进行了纯氧环境下不同氧气当量比下氢氧内燃机缸内燃烧过程仿真分析。
首先搭建氢内燃机台架,进行PFI-H2氢-空点火性能实验,进行变转速外特性分析。结果表明:随着λ降低,内燃机功率、扭矩、缸压、效率都有所升高。随着转速升高,λ=3且转速高于3000r/min时,扭矩出现大幅降低,导致内燃机输出功率减小,有效热效率也大幅降低。
随后搭建PFI-H2一维和三维仿真模型,并基于点火性能数据对仿真模型进行校核,选取3000r/min、λ=1.5时工况下缸压数据对仿真模型进行了校核,仿真结果与试验结果呈现良好一致性。接着利用校核好的氢内燃机一维和三维仿真模型,分别进行一维性能仿真和缸内燃烧三维仿真分析。通过三维仿真得到了既满足燃烧可控,又满足输出功率要求的氧气当量比边界。
通过一维仿真得到了内燃机输出功率变化规律:进氢质量变化,转速升高对于功率影响在不断增大;进氢质量不变,转速对输出功率影响在不断减小。结合三维分析结论,符合要求工况内燃机输出功率范围在6~8k W左右。在ΦO2=0.5~0.7左右,氢气流量都等于或者明显大于氧气流量,因此,对氢氧内燃机来说,进气道进氢缸内直喷氧的气体供应方式更具优势。而在ΦO2=0.05~0.45左右,氢气流量都小于氧气流量,所以在此氧气当量比范围内进气道进氧缸内直喷氢的方式更适合于氢氧内燃机。越稀薄燃烧,有效热效率随转速变化越明显,符合要求工况有效热效率区间为29.17~30.08%,排气能量占比变化不大,集中在46~48%区间以内。
最后以美国阿贡国家实验室搭建的仿真模型为基础,进行DI下氢氧内燃机缸内燃烧可控性当量比边界探索,分析纯氢纯氧在缸内燃烧行为。在DI-H2模式下,找到了合理氧气当量比应在Φa~Φb之间,Φa在ΦO2=0.15与0.1之间,Φb在ΦO2=0.1与0.08之间。比较PFI和DI策略下的氢氧内燃机燃烧特性发现,在DI-H2喷注策略下,氢氧内燃机能够达到更低的氧气当量比下限,但在PFI-H2喷注策略下,输出功率更高,这可能与缸内混合程度有关。