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多循环脉冲爆震发动机工作过程中的
延迟时间研究
摘 要：为了提高两相脉冲爆震发动机(PDE)3-_作的协调性，运用离子传感器、动态压力传感器，对爆震
燃烧的几个延迟时间以及供油电磁阀工作性能进行研究．研究表明：以汽油为燃料、空气为氧化剂的气动阀式
PDE，点火延迟时间为3．O～4．5ms，气动阀关闭滞后点火信号发出4．9～6．4ms，供油电磁阀开、关延迟分别
为2．4rns和3．4ms左右．缓燃向爆震转捩时间为3．O～3．8ms．PDE工作频率大于20 Hz时，电磁阀不能按设
定时间工作．研究成果对PDE工作过程的协调及有效控制具有参考价值．
脉冲爆震发动机(Pulse Detonation Engine，
Abr．PDE)是利用周期性的爆震燃烧来产生推力
的新概念发动机 引．与传统发动机相比PDE是
间歇周期工作的，为了保证PDE各个周期工作协
基金项目：国防基础预研项目(K1600060704)
第2期 张义宁等：多循环脉冲爆震发动机工作过程中的延迟时间研究 229
调，需要控制器来协调工作过程，控制器必须满足
所设定的点火周期与PDE实际工作周期相等或
相近，并保证在可爆混气形成过程中供油与供气
的同步．为了提高PDE工作的协调性，达到精确
控制的要求，必须定量的掌握PDE工作过程时间
分配．
关于气动阀式PDE协调工作，国外做了大量
研究 ，主要针对一个周期内各工作过程时间分
配进行研究，对于两相多循环的爆震燃烧存在的
一些延迟时间，还没有深入细致的研究，对两相多
循环PDE缓燃向爆震转捩过程(Deflagration-to-
Detonation transition即DDT过程)所需时间，还
没有进行试验测量，文献E83较系统的研究了气动
阀式PDE的协调工作和控制．限于当时条件，有
些参数(如DDT时间)是假设的．在两相多循环
爆震燃烧过程中，一些重要的时间参数的定量测
量，对于更好的协调PDE工作具有重要的意义．
试验在获得稳定的间歇工作的PDE原型机
上进行，以液态汽油／空气为推进剂，PDE可以在
频率50Hz以内稳定的以间歇方式工作[9]，通过
离子传感器及PCB动态压力传感器，研究了汽
油／空气两相混气爆震燃烧的点火延迟时间，气动
阀关闭延迟时间，DDT时间，并对高频供油电磁
阀工作特性进行试验研究．
1 PDE协调工作及控制机理
PDE的工作周期是由点火周期控制的，点火
周期由开环控制器设定，控制器可以同时设定3
个参数，分别为点火周期T设，一个周期内供油电
磁阀的关闭时间Ar。，气动阀和供油电磁阀的关
闭时间差Ar1．
1．1 PDE周期的确定
PDE的一个工作周期包括爆震燃烧室内混
气充填时间tt；防止发生连续燃烧的纯空气隔离
段充填时间ti；缓燃向爆震转变所需要的时间
tDDT；爆震波触发到排出爆震管所需时间t。；膨胀
波向上游传播至推力壁并反射出爆震燃烧室所用
时间tR；记tDn—to+tR，根据气动阀式PDE的试
r
验结果经验公式[1叼tDn一10 ，PDE工作周期T
OD
T ^ T T
一 + ti+ tDrrr+ tDn— L_Z+ 竺 + t
D町+10 ，其
Of Of OD
中Lt为混气充填长度， 为混气充填速度、△L’
为隔离段长度，uo为爆震波传播速度(汽油／空气
的爆震波传播速度在1 300 m／s左右 )，tf、ti、
tDn可以确定，tDD 则需由试验确定，试验前可以对
￡。DT预设．根据试验结果不断调整T设，使得T设
逐渐的逼近PDE的实际工作周期．
1．2 对Af。。A 的控制。实现供油与供气的同步
为了保证PDE正常工作，一个周期内进气过
程与进油过程必须同步，气动阀式PDE的间歇进
气是通过爆震管内自身反压控制的．当爆震管内
压力小于进气压力P。时，开始进气；当反压大于
P。时，进气停止，气动阀关闭．定义点火器通电至
爆震管内压力上升到P。所需时间为气动阀关闭
延迟时间，记为△r气．
PDE低频工作时可以通过控制电磁阀开关
来实现间歇供油．供油电磁阀属于常开型的，通电
则关闭，但由于阻塞流通截面的顶杆机械运动惯
性的存在，预先设定点火器和电磁阀同时通电，电
磁阀通电到完全关闭需要一定的时间，记为Ar ．
为了保证停止供油与停止进气的同步，通过控制
器Ar 来调节，若测得Ar >Ar气，说明电磁阀比
气动阀后关，就需要设定Ar 一Ar 一Ar气，使电磁
阀提前Ar 时间通电；反之，则设定Ar 一一I Ar
一Ar气I．为了准确设定两者时间差Ar ，必须设法
测定△r气及△rc．
当PDE一个循环结束后，电磁阀在停止Ar。
的时间后继续供油，Ar。一ti+￡吣+tDn，停止供油
的时间Ar。通过控制器设定的，如果设定值
△r2设定<△r2实际，会出现提前供油现象，容易发生
连续燃烧；如果Ar2设定>Ar2实际，则会增加隔离段
充填长度，缩短了混气充填长度．因此，为了协调
PDE的工作，必须通过逐步逼近的方法对进行定
量的测定，这样才能为的设置提供试验依据．
2 试验设备、测试仪器、试验件及
工况
2．1 点火延迟时间研究试验设备、测试仪器、
试验件及工况
2．1．1 点火延迟时间研究试验设备及测试仪器
试验在悬挂式PDE试车台上进行，如图1所
示，气源为压头7×10 Pa，流量1．25 m。／s的罗
茨风机，燃油泵为涡喷6加力泵改装，油压最高达
5．0 MPa，最大流量为200 g／s．自主开发计算机数
据采集系统，采集卡为NI公司的6135型高频数
据卡，有四个采样通道，每个通道的采样频率为
2．5 MHz．高频可调点火器来控制高能电嘴，点火
能量0．5～1J．爆震管内燃气压力由PCB动态
力传感器(M113A26，频响500kHz)测量，压力信
号通过放大后经转换器输入计算机并显示．不同
压头对应的混气充填速度在冷态下用皮托管在
PDE出口处测量，燃油流量由浮子流量计测量．
2．1．2 试验件
PDE试验件包括：旋流与锥形体相结合的气
动阀，在高速气流下的点火装置，促进均匀混气形
成的掺混器，起强化燃烧作用的扰流片．
测量点火延迟时间的离子探针由两根直径为
1 mrn的硬质合金丝穿过双孔陶瓷管制成，离子感
应端伸出陶瓷管约3 mm，两丝间距小于0．5 mm．
输出端通过屏蔽线接到信号放大器．
2．1．3 试验工况
常温，常压，燃料为汽油，空气为氧化剂，油气
比为1左右，地面冲压进气，根据工作频率调节风
机出口总压，为了测得不同工况下的点火延迟时
间，取PDE工作频率 一10~50 Hz进行试验．
2．2 电磁阀性能研究试验设备、测试仪器、试验
件及工况
供油电磁阀工作性能研究试验设备及测试仪
器如图2所示．
试验选用高频电磁阀，型号HSV-305055，最
大的工作频率为100 Hz．通过控制器设定参数
Ar 控制一个周期停止供油的时间．电磁阀前安
装压力表，以保证给定的供油压力．靠近电磁阀的
下游安装PCB动态压力传感器．试验通过供油压
力特征曲线对不同频率下电磁阀的工作特性进行
研究．
以频率 =40 Hz为例，爆震管内压力信号与
离子传感器导通信号同步测得，典型点火延迟时
间及爆震波压力特性如图3所示：
图3为PDE多循环工作测得的压力曲线和
离子探针信号曲线．可以看出，在PDE每一次工
作循环过程中，点火器通电后，都有一个脉冲信号
被传感器捕捉到，如图4中点1处所示，对应的时
刻记为t。，点2处表示电嘴附近混气着火，产生大
量离子，离子探针导通，曲线斜率最大，信号输出
电压随着离子浓度的增加而迅速下降，点2对应
的t 时刻混气经过感应期后着火，点3为爆震管
内压力迅速升高，形成爆震波对应的时刻，记为
t。．混气的点火延迟时间为t 一t。，记为△r点；缓燃
向爆震转变，所需进间为t。一t。记为tDDT．气动阀
关闭过程所需时间如图4中Ar气所示，tDDT的测
定对PDE一定周期内的时间分配提供了一定的
依据．
3．1．2 不同工作频率下Ar点，tDDT，△r气的测定
试验在不同的工作频率下，对Ar点，tDDT，Ar气
进行测量，所有结果都是在PDE稳定的间歇工作
时测得，且对于一定的频率进行多次重复试验，测
得数据为多次测量的平均值．见表1：
表1 不同工作频率下A 。tn 。A
Table 1 Data of experiment at different frequency
由于高频工作时，供油电磁阀工作规律紊乱，
因此上表中频率20 Hz以上的数值为采用自适应
供油[10]测得的结果．从上表我们可以看出，不同
工作频率下，PDE的点火延迟时间值在3．O～4．5
ms之间．缓燃向爆震转捩时间在3．O～3．8 ms之
间．随着PDE工作频率的提高，Ar点和tDDT都呈
下降趋势，气动阀关闭所需要的时间可以从爆震
管内压力曲线得到，关闭在点火器通电后的4．9
～ 6．4 ms，关闭过程所需时间随着PDE工作频率
的提高逐渐缩短．
两相混气爆震燃烧是一个复杂的物理化学过
程，可爆混气形成包括燃油雾化、蒸发和掺混．试
验测得的△r点、tDDT、△r气随着PDE工作频率提高，
逐渐减小是因为：PDE频率提高是以混气充填速度
提高为前提的，气动阀和气动雾化喷嘴的一体化设
计 在进气速度提高后可以改善了燃油的雾化，合
理的在爆震管内设置掺混及扰流装置在气流速度
提高后可以促进均匀混气的形成．而且随着PDE
工作频率的提高，爆震管及其内部试验件的壁温升
高，带有燃料液滴的混气可以借助上循环的热量强
化蒸发．随着进气速度的提高，电嘴附近局部速度
和紊流强度提高，对点火不利，但可以通过半“V”
型改善点火装置提高点火的可靠性．
3．2 电磁阀特性研究
3．2．1 典型电磁阀工作特性分析
周期T一200 ms典型电磁阀工作特性分析
如下：
电磁阀在PDE的每个工作周期内都要经历
一个开和关的过程，下游的油压随着电磁阀的动
作而周期性的变化，在电磁阀影响下，供油压力随
时间的变化距离为：关延迟时间△ ；点2、点3在T轴上投影
的距离为：全关时间At2实际；点3、点4在T轴上投
影的距离为：开延迟时间△r0；点4、点5在T轴上
投影的距离为：全开时间．由图5可知，电磁阀通电
或断电后立刻开始动作，但关闭和开启都存在延迟
时间；从电磁阀通电到断电的At2时间内，油压从
P 下降到0，又从0上升到P ．一个周期内△r2的
设定，使得电磁阀存在全开时间和全关时间．
3．2．2 电磁阀工作特性试验结果
PDE工作周期改变条件下，设定停止供油时
间Ar ，电磁阀关、开延迟时间Ar ／△r 实际全开
时间、实际全关△ 实际时间见表2：
表2 电磁阀不同工况下相关参数测量
实际的电磁阀关闭时间比
设定的关闭时间长，通过公式(Arz实际一Ar 设定)／
△ 设定×100 可以得到：电磁阀关闭误差随着周
期的缩短以及设定关闭时间的缩短呈增加趋势，
当T一200 mS时，误差为8．7 ，T一100 ms时，
误差为11．3 ，在这两种情况下，PDE可以正常
工作，当周期缩短到50 ms以后，随着误差的增
大，PDE不能正常工作，需要采用自适应供油．
4 结 论
(1)利用离子传感器成功测得以液态汽油为
燃料的两相PDE点火延迟时间约为3．0～4．5
ms，DTT时间约为3．0～3．8 ms，气动阀关闭滞
后点火信号发出4．9～6．4 ms；
(2)通过动态压力传感器测得供油电磁阀开、
关延迟分别为2．4ms和3．4ms，发现当PDE频
率大于20 Hz时，电磁阀不能按设定的时间参数
工作，PDE需采用自适应控制供油；
(3)几个重要的延迟时间测定，对PDE工作
过程中的时间控制及协调工作提供了参考依据． |
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发表于 2007-10-25 20:46
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