燃油温度对化油器燃油流量系数的影响.pdf

西安理工大学学报 J o u r n a l o f X i a n U n iv e r s i t y o f T e c h n o l o g y 2 0 1 1 V o 1 2 7 N o 1 5 1 文章编号 1 0 0 6 4 7 1 0 2 0 1 1 0 1 0 0 5 1 0 5 燃油温度对化油器燃油流量系数的影响 张学平 王小兵 刘晓凌 宁乐 西北 工业 大学 第 3 6 5研究所 陕西 西安 7 1 0 0 6 5 摘要 现代 小型无人机一次飞行过程 中大气温度变化量可以达到 8 0 左右 为追求发动机合理的 空燃比和飞行效费比 测量了燃油粘度一 温度特性 并利用计算及试验法 研 究了小型无人机发动机 使用纯汽油或混合油温度在 一 4 O 一 4 0 条件下 其粘度 温度特性对化 油器各量孔燃油流量 系 数的干扰力度 研 究结果表 明 当燃 油温度 变化量在 8 O 范 围内时 化油器燃油流量 系数 变化量 在 1 0 左右 即燃油温度 粘度 的变化对各量孔流量系数的影响不容忽略 关键词 无人机 汽油发动机 化油器 燃油运动粘度 流量 系数 中图分类号 V 2 3 4 1 文献标志码 A hl f I ue n c e o f Fue l Te mpe r a t ur e o n t h e Fu e l Fl ux Co e ffic ie nt f o r S ma l l UAV Eng in e s Ca r b ur e t o r ZHANG Xue p in g W ANG Xia o bi ng LI U Xia o l in g NI NG Le 3 6 5 I n s t it u t e o f N o r t h w e s t P o l y t e c h n ic a l U n i v e rsi t y X i a n 7 1 0 0 6 5 C h i n a Abs t r a c t Th e v a r ia t io n o f t h e e n v ir o n me n t a l a i r t e mp e r a t u r e d u ri n g a o n e t ime fli g h t o f mo de m s ma l l U A V s c a n b e u p t o 8 0 c c T o a c h ie v e a n o p t ima l a ir t o f u e l A F a n d fl i g h t e ffi c ie n c y t o c o s t F C r a t io s t h e f u e l v is c o s it y t e mp e r a t u r e c ha r a c t e r is t ic s o f UAV e n d n e s a r e s t u di e d W it h r e s o r t t o e a l c u l a t io n a n d e x p e r ime n t al me t h o d o l o g ie s v is c o s i t y t e mp e r a t u r e p r o p e rtie s b e t we e n 一4 0 C 4 0 C o f t h e U A V e n gi n e s u t i l iz in g p u r e g a s o l in e o r b l e n d e d f u e l are e x p l o r e d r e g ard in g t o t h e ir in fl u e n c e s o n t h e f u e l fl u x c o e f fic ie n t a t d if f e r e n t c arb u r e t o r me t e rin g j e t s I t is d e mo n s t r a t e d t h a t i n o u r U A V e n gi n e s t h e e ar b ur e t o r f u e l flu x c o e ffi c ie n t c a n b e a p p rox ima t e l y c h a n g e d b y 1 0 p e r c e n t wh e n t h e f u e l t e mp e r a t u r e v a ri e s w it h 8 0 As a r e s u l t fl u c t u a t io n o f f u e l v is c o s it y s h o u l d b e t a k e n in t o a c c o u n t t o e v alu a t e t h e c a r b u r e t o r f u e l fl u x c o e 伍 c i e n t s Ke y wo r ds UAV g a s o l i ne e n g in e c arb u r e t o r f u e l mo t i o n v i s c o s it ie s flo w c o e ffi c ie n t 现代小型无人机 以下简称 U A V 仍使用化油 器式活塞汽油发动机 极少采用燃油或进气加温措 施 续航时间 巡航 高度不断 的增加 同时作业地 域 时域 空域的大范围变化 使得飞行 中大气环境 温差很大 甚至同一次飞行过程中大气环境温差可 达 8 0 左右 在此条件下 燃油供应系统能否提供 合理空燃 比的混合气 必须 进行 深入 的研究 在 U A V发动机化油器 高度补偿器 的研 究 中 发现很 难实现由于温度变化而引起 的对燃 油流量的补偿 调节 研究发动机燃油粘度一 温度特性 以下称粘温 特性 对化油器燃油流量系数 的影响 是研究空燃 比的重要组成部分之一 1 燃油流量系数计算方法 各种小型 U A V发动机化油器燃油量孔流量系 数 一般可通过常规测试获取 由于流量系数与诸 多因素相关 故测试值仅是近似值 鉴于 U A V作业 的特殊性 其发动机燃油 流量 系数应为三维 曲面 可用公式 1 表示 卸 l p 1 公式 1 表明流量系数 的变化与参数 卸 p 有关 其中 p为飞行高度 不变节气门改变引 起的喉管真空度变化数值 为与温度有关 的燃油 收稿 日期 2 0 1 0 1 0 1 5 基金项目 国家 8 6 3计划基金资助项目 2 0 0 4 A A 7 5 2 2 0 2 2 0 0 8 A A 8 6 0 0 1 5 作者简介 张学平 1 9 5 3 男 河南巩义人 硕士 高工 研究方向为无人机活塞式发动机设计技术 E ma il x p z h a n g 5 3 l iv e c n 5 2 西安理工大学学报 2 0 1 1 第 2 7卷第 1期 粘度 P 为高度 变化而节气 门不变引起的喉管 真空度变化数值 p 的变化与大气压力和温度均 有关 所以测取 卸 时只能在发动机高空试验台进 行 本文仅对因燃油运动粘度 和 卸 变化所引起 的 流量系数 变化进行研究 同时结合某 U A V专用 发动机进行计算和数据分析 由于 U A V使用纯汽油或汽油 润滑油混合燃 油 工程上缺乏该类燃油大温差范围内的粘温特性 参数 所以在专业资质部门 西北航空公司油品研 究所 帮助下测量了燃油粘温特性 特性 在计 算中利用了发动机 台架试验口 测量 了不同节气 门 位置喉管特征点的真空度 jP 为获取燃油 p 特 性对燃油流量系数 的影响程度 本研究采用了芮 氏计算法 其过程如下 1 近似计算 将已知量孔截面积厂 m和真空度 P 一起代入式 2 计算出理论流量 G G f 2 g p f k g s 2 将 由式 2 得出的G 代人式 3 计算出芮氏数 R 砉 吾 G tf 等 3 m u d fl c 4 将由式 3 得出的R 代人式 5 计算出摩擦系 数 A l A 5 将由式 5 得出的A 代入式 6 计算出量孔流 量系数 t l 1 一 弼 式 2 一 6 中 G 为化油器某喷孔燃油理论 流量 为化油器某喷孔上量孔截面积 g为重力加 速度 a p为化油器某喷孔处真空度 y 为燃油密度 l 为燃油运动粘度 为油道 阻力 系数 Z 为量孔 长 度 d为量孔 口径 2 迭代计算 根据计算所得 再进行以下计算 流量 G f 1 G f 7 芮氏数 R l R 8 摩擦系数 1 0 0 1 0 0 1 0 0 Al 一 t6 m l R 1 0 0 9 A1 流量系数 一 一 厩 l z 寺 经试验验证 通过以上二步计算获得流量系 数 在被研究发动机的使用飞行转速范围内已经足 够精确 2 燃 油粘温特性 小型 U A V常用燃油一般均为车用汽油 四冲程 发动机使用纯汽油 二 冲程发动机则使用汽油与润 滑油按比例混合的燃油 多数配 比在 3 0 1 5 0 1之 间 图 1 是纯汽油和两种常用比例燃油在 一 4 0 C一 4 0 C温度范围内 分 9个点通过实测获取的粘温 特性 其 2点间粘温特性还可使用双对数式 躬插 值获取 0 6 O 5 5 O 3 0 l 0 l 0 3 0 5 0 摄 氏温 度 图l 燃油粘温特性 F ig 1 C h a r a c t e ri s t ic s o f t h e f u e l v is c o s it y t e mp e r a t u r e 3实验 为研究燃油粘温特性对流量系数 的干扰力度 现选取一种 U A V专用二冲程四缸风冷水平对置 3 8 k W 汽油发动机进行实例计算 该机配有两只 T I L L O T S O N无浮子膜 片式化油器 引 化油器上设 有怠速油路 主油路以及笔者参与在早期研发的省 油器油路 通过此例计算 可 以获得燃油粘温特性 对流量系数影响的具体数据 计算中所涉及的参 数见表 1 其中文章所涉及的转速均指发动机 以定 距螺旋桨工作时的转速 张学平等 燃油温度对化油器燃油流量系数的影响 5 3 表 1 发动机芮氏计算基本参数表 3 1 流量系数计算点组合 所有计算均未考虑到燃 油密度随温度 的变化 为计算流量系数 表 2组合了通过测试获取的发动 机转速与喉管真空度特性 n 卸 通过公式 2 计 算出的各喷孔理论流量数据 G 表 3 是主量孔 n 卸 与 的组合 文 中省略 了怠速量孔 省 油器量孔 n 一 p 与 的组合 本发动机省油器开启时转速范围 在 6 0 0 0 6 3 0 0 r rain 表 2 各转速下 n 一 卸 与 G 数据表 表3 各转速下主量孔 n 卸 与 l 组合表 3 2 流量系数点组合计算值 表4 是根据公式 2 一 1 O 对表 3 计算所得出 的主量孔流量系数 在设定 的 6种转 速对应的 真空度 燃油 4 0 C 4 0 温度测得的 9点运动 粘度 组合 了5 4个计算点 对应得出了 5 4个不同的 主量孔流量系数 图 2是根据公式 2 1 0 对文 西安理工大学学报 2 0 1 1 第2 7卷第 1 期 中省略的怠速 n 卸 与 组合 仅取 了4组计算所得 出的怠速量孔 口流量系数变化曲线 同理 图 3是省 油器 n p与 组合计算所得 出的省油器量孔流量 系数变化曲线 表 4 主量孔流量系数 T a b 4 T h e f u e l fl u x c o e f fic i e n t m h o f t h e m a in f u e l m e t e r in g j e t 咖 J 嘲1 删 咖 l1 J 咖l1 黯 景 图2 怠速量孔 一 4 0 4 0 流量系数 F ig 2 T h e f u e l fl u x c o e ffi c ie n t f o r t h e id l e m e t e ri n g j e t a t一4 0 一 4 0 C 图 3省油器量孔 一 4 o 4 0 流量系数 F ig 3 T h e f u e l fl u x c oe ffi c ie n t f o r t h e e c o n o miz e r m e t e r i n g j e t a t一 4 0 一 4 0 3 3 数 据分 析 表 4是实例发动机在燃油温度处 于 一4 0 4 0 时对应运动粘度 在 主喷 口不同真空度下 的主量孔流量系数数据组 通过其可以算出在各转 速不变时 其流量系数差值范围为5 2 0 并且 转速越低 差值越大 通过图 2 图 3可以直观看 出 发动机几种转速分别不变 而怠速 省油器量孔 流量系数随温度在发生的变化 图4 6为化油器 节气门同等变化 则转速 喉管真空度相应变化时 各个量孔在燃油不 同温度时的流量系数变化 曲线 它们都反映了燃油粘温特性对流量系数 的影响 力度 巅 皿 圈 j J 删 删 7 9 7 4 6 9 6 4 5 9 一 一 2 0 2 6 3 0 0 r min 4 0 0 0 r min x 一 4 O 6 3 0 0 r min 4 0 0 0 r min O O 2 0 4 0 6 0 8 喉 管 真J mH O 图4 燃油 一 4 0 C一 4 D 怠速量孔真空度 不同时流量系数变化曲线 Fig 4 Th e c ha ng e c u r v e s o f flu x c oe ffic ie nt a t t h e f u e l一4 0 4 0 f o r the id l e me t e ri n g j e t i n d i ff e r e n t v a c u u m s t a t e 圃 氆 l J 8 0 7 5 4 0 4 0 0 0 r min 6 3 0 0 r min 1 5 C 4 0 0 0 r min 6 3 0 0 r min O C 4 0 0 0 r min 6 3 0 0 r r ain 一 2 O 4 0 0 0 r min 6 3 0 0 r min x 一 4 0 4 0 0 0 r min 6 3 0 0 r min O 2 O 3 0 4 0 5 0 6 喉管 真 空度 mH 0 图 5 燃油 一 4 0 C 4 0 主量孔真空度 不同时流量系数变化曲线 F ig 5 T h e c h a n g e C U I v e s o ffl ux c o e ffi c ie n t a t t h e f u e l一4 O 一 4 0 for the ma in me t e ri n g j e t i n d i ff e r e n t v a c u u m s t a t e 张学平等 燃油温度对化 油器燃油 流量 系数 的影 响 5 5 J l 箍 丑 缸 图 6 燃油 一 4 0 2一 4 O 省油器量孑 L 真 空度 不 同时流量 系数变化 曲线 Fig 6 Th e c h a ng e c u r v e s o f flu x c o e ffi c ie n t a t t h e f u e l 一4 0 o C 4 0 f o r t h e e c o n o miz e r m e t e ri n g j e t in d i ff e r e n t v a c u u m s t a t e 本文是基于某 U A V作业特征 对其发动机化油 器进行高度补偿研究提 出的 实际上 即使 不在夏 季 白天机场地面也时常炎热 油箱 中的燃 油经数 小时晒置 当 U A V 白天起 飞 而长时夜 间巡航在 5 k m上下高空 燃 油温度 与起 飞时差值很容 易达 到 8 0 左右 T I L L O T S O N化油器在飞行转速范围内 怠速量孔 主量孔始 终参与喷油 省油器只有功率 达到全功率的 8 5 以上时才喷油 假设 U A V起飞 时燃油温度为 4 0 2 巡航在 5 k m高空时燃油温度 下降到 一 4 0 当发动机 以 6 0 0 0 r mi n巡航 省油 器喷孔流量 系数 降低 7 7 主喷孔 流量系数 h降低 5 6 怠速喷孔流量系数 m i降低 1 6 5 使得两种燃油温度巡航 1 h其燃油 消耗 量可相差 7 3 同样可 以计算出其它转速耗油量差值 并且 差值随巡航转速降低会逐渐加大 4 结论 1 如果进入化油器的燃油温度在发生大幅度 变化 发动机化油器各量孔流量系数则是复杂的曲 线组 因此在研究 中 对各个量孔 流量系数不能按 常数处理 否则会与流量系数真值形成