高原环境航空煤油活塞发动机的燃烧与核心控制机制研究

Aerospace is an important symbol of the national technological and economic strength and the level of industrialization. And the aero-engine is known as the pearl on the crown of industry. It has been clearly proposed to speed up the development of aviation kerosene piston engines by our government. Plateau and high altitude environment has the characteristics of thin air, low temperature and low humidity. With the increasing of altitude and altitude, the environment will be worse. The intake temperature and intake pressure of aviation piston engine will decrease, and its power performance will decrease a lot. However, electronic control can accurately control the air-fuel ratio of the mixture in the cylinder, and the combustion process can be controlled reasonably. It will be studied of the rapid coordination mechanism between air intake and fuel injection in different atmospheric pressure range in plateau environment, the influence of flexible multiple injection combination control on the premixed combustion process, the fuel injection pressure control which determines the degree of fuel atomization, and the transfer mechanism of adaptive control parameter sets. In addition, these experimental research are associated with the different atmospheric pressure in plateau environment and the engine’s transient conditions which consist of the constant pressure variable speed, variable pressure constant speed, constant pressure variable power, constant pressure variable speed, constant pressure variable speed, constant pressure variable power, etc. So, an evaluation index method composed of combustion characteristics and control characteristics will be established to explore the logical relationship between them and to provide a meaningful practical basis for the close combination of control theory and combustion process.

航空航天是国家技术经济实力和工业化水平的重要标志，航空发动机被誉为“工业皇冠上的明珠”，我国政府已明确提出加快发展航空煤油活塞发动机。高原和高海拔环境具有空气稀薄、低温、湿度低的特点，且随着飞行高度和海拔的不断增加，环境会更加恶劣，使得航空发动机的进气温度及进气压力降低，其动力性能会下降很多；但是电子控制能够准确控制气缸内混合气的空燃比，从而合理控制燃烧过程。研究高原环境下不同大气压力变化范围内进气状况的变化与喷油量之间的快速协调机制，灵活可变的多次喷射组合控制对预混燃烧过程的影响程度，决定燃油雾化程度的燃油喷射压力控制，自适应控制参数集的调用机制。通过高原环境不同大气压力和瞬态工况（主要包括恒气压变转速、变气压恒转速、恒气压变功率、变气压恒功率等）的实验研究，建立由燃烧特性和控制特性共同组成的测评指标方法，探索二者之间的逻辑影响关系，为控制理论与燃烧过程的紧密结合提供有意义的实践基础。

航空发动机被称为“工业皇冠上的明珠”，航空活塞发动机是无人机、固定翼螺旋桨飞机等航空飞行器动力装置的“心脏”，电子控制发动机的动力性、经济性、排放性是衡量飞机飞行效果的一个至关重要的因素。本课题研究把原技术路线进一步拓展为仿真与实验相结合的技术路线，即：发动机建模→联合仿真→发动机台架实验。通过深入研究，取得的研究成果主要有：（1）通过研究航空活塞发动机的工作过程，建立了基于AMESim仿真平台的机械物理模型。（2）针对发动机的控制策略，建立了最优空燃比转矩总油量控制、燃油共轨压力控制、燃油喷射控制等控制模型，并梳理了各控制算法中相关控制参数集之间的相互影响关系，为仿真和台架实验的控制参数标定奠定了逻辑标定基础，然后把控制策略模型与发动机AMESim模型进行联合仿真调试。（3）以英飞凌32位MCU单片机为主芯片，研究开发了航空活塞发动机电控硬件模块化的6层PCB控制电路，并自制了能用于发动机台架实验的硬件电路控制系统。（4）把联合仿真初验过的控制模型由Tasking编译器编译后，下载到自制的6层PCB电路板电控硬件系统中，并在带有大气模拟的发动机地面台架实验系统上进行各种工况的实验，获得高原环境不同海拔下，高压共轨航空活塞发动机气缸内的燃油燃烧数据、发动机的过量空气系数、功率、转矩等性能数据，以及各控制子模块的控制数据和发动机尾气的排放数据，并针对这些数据进行了详细的分析，阐明了燃烧与控制、排放之间的相互耦合关系等。这些成果将来可通过与国内相关企业建立合作，进行市场转化，从而打破国外企业的垄断和“卡脖子”技术。