冲压发动机技术讲解
冲压发动机的工作原理及应用
冲压发动机的工作原理及应用1.压缩阶段：在压缩冲程过程中，活塞向上移动，将气缸中的混合气体通过压缩使其进一步升温。
冲压发动机采用了特殊的冲压设计，通过改变气缸孔的形状和尺寸等参数，实现更高的压缩比。
这种设计可以提高燃烧效率，减少能量的损失。
2.点火阶段：在活塞到达最高点的时候，点火系统将点火器激活，产生一个电火花，引燃压缩的混合气体。
这将导致混合气体的燃烧，产生高温和高压力的燃烧产物。
3.推动阶段：在燃烧产物的推动下，活塞向下移动，将压缩产生的能量转化为机械功。
同时，排气门打开，将燃烧产物排出气缸。
4.冲程重复：活塞再次向上移动，排气门关闭，重新开始压缩阶段。
1.汽车发动机：冲压发动机在汽车领域有着广泛的应用。
其高效率和低排放的特性使得冲压发动机成为汽车制造企业的首选。
并且，冲压发动机还可以实现多燃料的使用，包括传统的汽油和柴油，以及生物燃料等，具有更多的选择余地。
2.船舶引擎：船舶的长时间运行对发动机的耐久性和经济性有着很高的要求。
冲压发动机由于其高效率和低排放的特点，逐渐在船舶引擎中被应用。
由于其较小的尺寸和重量，冲压发动机还可以用于小型的快艇和游艇等。
3.飞机发动机：航空业对发动机的要求非常苛刻，需要具备高比功率、低油耗、低噪音和低排放等特点。
冲压发动机因其高效率和低排放被认为是一种具有潜力的飞机发动机。
它可以提供更高的推力和速度，同时可以减少油耗和碳排放。
4.工业应用：冲压发动机除了在交通工具中的应用，还可以在工业领域中使用。
例如，冲压发动机可以用于柴油发电机组，提供高效率和低排放的电力输出。
此外，冲压发动机还可以应用于农业机械、建筑设备和发电设备等领域。
综上所述，冲压发动机通过特殊的冲压技术，提供了更高的效率和更低的排放，广泛应用于汽车、船舶、飞机和工业等领域。
随着科技的不断进步，冲压发动机的性能将继续提高，为人类交通运输和能源利用带来更多的便利和效益。
工程热力学冲压发动机工作循环的组成及特点
工程热力学冲压发动机工作循环的组成及特点工程热力学冲压发动机是一种高效的内燃机，它利用冲压运动产生的能量来驱动汽车等机械设备。
冲压发动机的工作循环由四个基本过程组成，包括吸气、压缩、燃烧和排气过程。
本文将介绍冲压发动机工作循环的具体组成，并分析其特点。
一、吸气过程冲压发动机的吸气过程是指气缸内活塞从上死点运动到下死点，以扩大气缸容积，形成负压，吸入新鲜空气的过程。
在吸气过程中，进气阀打开，活塞向下移动，气缸内的压力降低，气缸容积增大。
此时，大气压力推动空气进入气缸，形成吸气过程。
特点：1. 吸气过程是冲压发动机的运行基础，气缸内形成的负压有利于进气效率的提高。
2. 吸气阀的开启和关闭时机决定了进气气体的进入量和进气效率。
二、压缩过程压缩过程是指活塞从下死点开始向上运动，压缩吸入的空气，使其压力和温度升高的过程。
在压缩过程中，进气阀和排气阀都是关闭状态，活塞运动使气缸容积减小，造成气体压力的增加。
特点：1. 压缩过程是冲压发动机工作循环的关键步骤，直接影响到燃烧效率和动力输出。
2. 压缩比是冲压发动机的重要参数，决定了压缩过程中气体的压力增幅。
三、燃烧过程燃烧过程是指压缩气体达到一定温度时，喷入燃油并着火燃烧的过程。
燃烧过程是冲压发动机能量转化的关键环节，通过燃烧释放的热能推动活塞运动。
特点：1. 冲压发动机燃烧过程通常采用内燃式燃烧，即通过点火使燃油和空气混合物燃烧，产生高温高压气体。
2. 燃烧过程中，燃烧室内的压力和温度迅速升高，推动活塞向下运动，产生工作功。
四、排气过程排气过程是指活塞从下死点开始向上运动，将燃烧产生的废气排出燃烧室的过程。
在排气过程中，排气阀打开，活塞向上移动，气缸内的压力下降，将废气排入排气管。
特点：1. 排气过程是将燃烧产生的废气有效排出的过程，对冲压发动机的后续工作循环起到重要影响。
2. 排气阀的开启和关闭时机决定了排气效率和发动机性能。
综上所述，工程热力学冲压发动机的工作循环由吸气、压缩、燃烧和排气四个过程组成。
《冲压发动机技术》课件
技术展望与发展趋势
高效燃烧技术
未来冲压发动机将采用 更高效的燃烧技术，提 高燃烧效率，降低排放
。
新材料应用
新材料的应用将进一步 提高发动机的性能和可
靠性。
智能化控制
智能化控制技术将进一 步应用于冲压发动机，
实现更精确的控制。
多学科优化设计
多学科优化设计方法将 进一步应用于冲压发动 机设计，提高设计效率
。
THANKS.
通过优化进气道设计、提高涡轮 增压器性能等方法，可以改善冲 压发动机的加速特性。
经济特性
经济特性的定义
经济特性是指冲压发动机在运行过程中的燃油消耗率 ，是衡量发动机经济性能的重要指标。
经济特性的影响因素
经济特性受到多种因素的影响，包括发动机效率、进 气流量、飞行速度等。
经济特性的优化
通过提高发动机效率、优化进气道设计等方法，可以 降低冲压发动机的燃油消耗率，提高经济性能。
冲压发动机应用案
05
例
军用飞机应用
军用飞机是冲压发动机的主要应用领 域之一。
军用飞机对冲压发动机的性能要求较 高，需要具备高推重比、高燃烧效率 和大范围工作速度等特点。
冲压发动机在军用飞机上主要用于高 空高速侦察、远程高速打击和反舰作 战等任务。
典型案例包括美国的SR-71战略侦察 机和F-15战斗机等。
采用先进的控制系统
通过采用先进的控制系统，实现对发 动机的精确控制，从而提高发动机的 性能。
冲压发动机试验与
04
验证
试验设备与测试方法
试验设备
介绍用于冲压发动机试验的设备和测 试系统，包括燃烧室试验台、进气道 试验台、喷管试验台等。
测试方法
详细说明各种试验的测试方法、步骤 和注意事项，包括稳态和瞬态测试。
冲压发动机
冲压发动机简介冲压发动机是一种高效且可靠的发动机系统，广泛应用于汽车、航空和航天等领域。
它通过冲击和挤压的方式将燃烧室中的燃料与氧气混合，从而产生高压气体，驱动发动机的转子运转，实现能量的转换。
优势1.高效能: 冲压发动机利用冲击和挤压的方式将燃料和氧气混合，可实现更高的燃烧效率，相较于传统发动机可提高燃料利用率，降低能量损耗。
2.低排放: 冲压发动机在燃料和空气的混合过程中，能够更好地控制燃烧速度和温度，减少燃料中的有害物质产生，降低尾气排放。
3.减少噪音: 冲压发动机相较于传统发动机具有更平滑和连续的燃烧过程，减少了机械运动中的震动和噪音，提升了乘坐舒适性。
工作原理冲压发动机通过一系列冲击波和挤压波的相互作用，将燃料和氧气混合并升温至可燃点。
其工作原理如下：1.进气阶段: 发动机通过进气道引入大量新鲜空气，同时将燃料喷入燃烧室。
2.冲击波阶段: 燃料和空气在燃烧室内迅速混合，并被点火引燃。
由于燃烧过程中燃气的膨胀，产生的高温和高压燃气会形成冲击波。
3.挤压波阶段: 冲击波传播至发动机进气道末端时，会产生挤压波。
挤压波起到将剩余燃气重新压缩至燃烧区域的作用，从而增强燃烧效率。
4.排气阶段: 发动机将燃烧产生的高温低压气体通过排气阀门排出，同时开始新的循环。
应用领域冲压发动机的高效能和环保特性使其在多个领域得到广泛应用，其中主要包括：1.汽车行业: 冲压发动机可以降低燃料消耗和废气排放，提高汽车的性能和经济性，逐渐成为主流的动力系统。
2.航空航天: 冲压发动机在航空航天领域中具有较高的推力和效率，被广泛应用于喷气式飞机、火箭等。
3.可再生能源: 冲压发动机可以利用氢气等可再生能源进行高效燃烧转化，对于推动环保能源的发展具有重要意义。
发展趋势冲压发动机作为一种重要的动力系统，随着科技的不断进步，其发展趋势主要集中在以下几个方面：1.高压比: 随着材料科学和工艺技术的发展，冲压发动机的工作压力将进一步提高，以获得更高的效率和推力。
冲压发动机原理及技术(7-9)
具有高密度、高体积热值的液体高密度烃类燃料，与普通的喷气燃料相比，能有效提高 燃料单位体积的热值，在燃料箱容积一定时，能有效地增加导弹所携燃料的能量，降低发动 机的油耗比，从而满足导弹高速和远射程的要求；或在导弹航速和射程不变的情况下，减小 发动机燃料箱容积，使导弹小型化，从而提高导弹的机动性和突防能力。 从 20 世纪 50 年年代起，高密度燃料就一直是喷气燃料发展的重点，它的发展经历了从 宽泛的石油蒸馏筛选品到特定的高密度化合物， 从单纯烃类到混合了金属的凝胶燃料， 从天 然物质到人工合成物的复杂过程。1金刚烷 的发现和人工合成高密度燃料的发展。 金刚烷是迄今发现最好的天然存在的高密度喷气燃料 原料，但储量十分有限。人为设计、合成的高密度燃料有诸多优点，是今后发展的方向。
7.1.6. 高密度吸热型碳氢燃料
随着冲压发动机动力导弹的飞行速度越来越快， 特别是高超声速飞行器成为当今及未来 航空航天领域发展的热点， 传统的隔热防热方式已经不能满足要求， 而利用燃料进入燃烧室 燃烧之前先流经发热部件表面带走热量的工艺是最佳方案， 即燃料本身就是最经济、 最高效 的可燃冷却剂。 从单位质量的冷却能力和燃烧热值角度考虑，液氢无疑是最理想的冷却剂和推进剂。由 于液氢的定压比热和汽化潜热比碳氢燃料大， 因此液氢的总吸热能力较碳氢燃料大得多。 当 6 -1 液氢从液态温度（20K）吸热升温至 1000K 时，其热沉可达 14.082×10 J·kg 。液氢除了 具有高冷却能力外，还具有高的热值。液氢单位质量的燃烧热值为 123.187×106J·kg-1，在 飞行马赫数 Ma>8 的飞行器上， 液氢被公认是目前首选的同时满足冷却和燃烧要求的低温燃 料。但液氢燃料的使用也存在一些无法回避的问题。 （1）液氢是一种深冷的低温液体，它的液化温度很低（20K） ，要使氢液化并保持于液 化状态需要消耗能量。从理论上讲，使 H2 液化需要消耗的能量为 11.8×106J·kg-1 左右， 而实际上所需消耗的能量远高于上述理论值，因此液氢燃料的制备成本很高。 ，单位 （2）液氢燃料单位质量的燃烧热值很大，但由于其密度很小（ ρ = 0.071g.cm −3 ）
冲压发动机工作原理
冲压发动机工作原理
冲压发动机是一种利用重力和气压的原理进行工作的发动机，其工作原理如下：
首先，在冲压发动机中，燃油和空气混合物通过一个燃烧室进入发动机内部。
燃烧室通常由柱状的气缸和一个活塞组成。
当活塞向下移动时，燃油和空气混合物进入气缸内。
然后，活塞上方的气门关闭，从而使燃油和空气混合物被压缩。
当活塞向上移动时，混合物被进一步压缩，同时燃烧室内的压力也随之增加。
接下来，发动机点火系统引发一个火花，点燃燃油和空气混合物。
这引起了一个爆炸，产生了高压气体。
高压气体推动活塞向下移动，同时驱动曲轴转动。
最后，曲轴转动将活塞的线性运动转化为旋转运动，并通过连杆将动力传递给发动机的其他部件。
这样，冲压发动机就能够产生动力，并驱动机械装置的运行。
需要注意的是，冲压发动机工作的关键在于内部气体的压力差异。
通过周期性的压缩和释放气体，冲压发动机能够产生连续的动力输出。
同时，冲压发动机还具有高效率、高功率和低噪音的特点，因此在许多应用领域得到广泛使用。
火箭冲压发动机原理
火箭冲压发动机原理一、引言火箭冲压发动机是现代航空航天领域中应用广泛的发动机类型。
本文将深入探讨火箭冲压发动机的原理及其工作过程。
二、火箭冲压发动机概述火箭冲压发动机是一种将燃料和氧化剂混合燃烧后产生高温高压气体，通过喷射高速气流来产生推力的发动机。
该发动机结构简单，推进效率高，适用于航天飞行器、导弹、火箭等领域。
三、工作原理火箭冲压发动机的工作原理可以分为三个主要步骤：供氧、燃烧和喷射。
1. 供氧火箭冲压发动机需要同时供给燃料和氧化剂以产生燃烧所需的氧气。
氧化剂通常采用液氧，而燃料可以是液态或者固态。
2. 燃烧在火箭冲压发动机的燃烧室中，燃料和氧化剂混合并点燃。
通过燃烧，产生大量的高温高压气体。
这些气体通过喷嘴形成高速气流。
3. 喷射喷嘴的设计使得高速气流从喷口中喷出，产生推力。
根据牛顿第三定律，由于火箭喷出的气体流动速度非常高，反作用力将推动火箭向前运动。
四、优缺点分析火箭冲压发动机具有以下优点：1. 高推力：相较于传统的火箭发动机，火箭冲压发动机能够产生更高的推力。
2. 高效率：火箭冲压发动机在燃烧过程中能够更充分地利用燃料和氧化剂，提高推进效率。
3. 灵活性：由于其结构相对简单，火箭冲压发动机在设计和制造上较为灵活，适应不同的应用需求。
然而，火箭冲压发动机也存在以下缺点：1. 复杂的工艺：制造火箭冲压发动机需要较高的工艺要求，需要精密加工和装配，增加了工程成本。
2. 耐久性问题：由于火箭冲压发动机在燃烧过程中承受极高的温度和压力，对发动机的材料和冷却系统提出了更高的要求，耐久性是一个重要的挑战。
五、应用领域火箭冲压发动机广泛应用于以下领域：1. 航天飞行器：作为航天器的主要推进系统，火箭冲压发动机被用于将航天器送入太空轨道。
2. 导弹武器：火箭冲压发动机具有快速响应和高度可控的特点，被广泛应用于导弹系统。
3. 火箭发射器：火箭冲压发动机被用于火箭发射器的推进系统，实现飞行器的瞬间加速。
4. 航空领域：火箭冲压发动机在航空领域的垂直起降飞机和无人机等领域也有应用。
冲压发动机工作原理
冲压发动机工作原理
冲压发动机是一种利用气体动力传动的内燃机，其工作原理可以分为以下几个步骤：
1. 进气：冲压发动机通过进气道将空气吸入，并经过空气滤清器进行过滤，保证吸入的空气干净。
2. 压缩：进入发动机的空气经过压缩机进行压缩，增加其密度和压力。
3. 燃烧：在压缩后的空气中加入燃油，形成可燃混合物。
混合物通过点火装置引燃，产生爆发力推动活塞向下运动。
4. 排气：当活塞向下运动时，压缩燃气推动活塞推向曲轴。
废气通过排气阀门排出到排气系统中。
5. 冷却：发动机在工作过程中会产生大量热量，需要通过冷却系统降低温度，以保证发动机正常运转。
6. 传动：发动机通过曲轴将活塞线性运动转换为旋转运动，并通过传动系统将动力传递给车辆的驱动轮。
冲压发动机工作原理简单而高效，具有较高的动力输出和燃油利用率。
这种类型的发动机广泛应用于汽车、飞机和其他使用内燃机驱动的设备中。
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练习：试计算比冲的大小。
第六章 冲压推进技术
现代推进原理与进展
I sp
F 1259 .7 9841 .4 (N s/kg) fu m 0.128
第六章 冲压推进技术
现代推进原理与进展
6.2 火箭冲压发动机
火箭冲压发动机是火箭与冲压相对独立的一种冲压发动机。
空气 p0 空气
p1 火箭燃气 混合燃气
Q12 ( 1) h01
第六章 冲压推进技术
现代推进原理与进展
练习：某冲压发动机燃烧室入口总温 T01=350 K ，燃烧加入的热量达到 Q12=1306 kJ/kg，求发动机的加热比。已知燃气的气体常数Rg=287.04 J/kg.K，比热比g =1.3。
第六章 冲压推进技术
现代推进原理与进展
F peAe
Aa Ae
结合上述两式，得
Ve m aVa pe Ae pa Aa e pdA F m
Aa A
(b) x
冲压发动机控制体示意图
第六章 冲压推进技术
Ve m aVa pe Ae pa Aa pdA F m
Aa Ae
现代推进原理与进展
例：某冲压发动机燃烧室入口总温T01=350 K，燃烧加入的热量达到Q12=1306 kJ/kg，求发动机的加热比。已知燃气的气体常数Rg=287.04 J/kg.K，比 热比g =1.3。 解： c p
gRg g 1
1243 .8 (J/kg.K)
T02 Q12 1306 103 1 1 4.0 T01 c pT01 1243 .8 350
空气 空气
二次进气固体燃料冲压发动机示意图
第六章 冲压推进技术
现代推进原理与进展
下面分析突扩燃烧室的流动规律。取控制体如图所示。
连续方ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ：
引入流量比
m 4 1 2 m
Q24 A3 As
A2
A4
流量比与空燃比的关系
m fu 4 m m m 1 2 1 fu 1 2 2 2 m m m r
冲压发动机的输入动量与输出动量
回忆：火箭发动机的推力公式？
第六章 冲压推进技术
现代推进原理与进展
. maVa
R
. mVe
取整个冲压发动机为控制 体，满足动量定律
Ve m aVa Rm
pa p paAa
(a)
合力R包括四部分力，为
R pe Ae pa Aa pdA F
Ve m aVa ，只要分别计算各个参数即可。 解：由推力公式，完全膨胀时 F m
第六章 冲压推进技术
现代推进原理与进展
a) b) c)
Va Ma a 2.5 300 750.0 (m/s)
a r aVa Aa 1.0 750.0 0.002 1.5 (kg/s) m
突扩燃烧室流动控制体
动量方程：
4V4 m 2V2 p2 A2 p3 ( A3 A2 ) p4 A4 m
能量方程：
h0 4 h0 2 Q24
04 同样引入加热比表示能量的加入，即 T 02
T
第六章 冲压推进技术
s
0.96
现代推进原理与进展
s
1.0
突扩总压恢复系数
第六章 冲压推进技术
现代推进原理与进展
空气进气道
固体火箭推进剂 可爆破进气口 可抛掉的 火箭喷管 内衬 冲压发动机 喷管
弹头
冲压发动机燃料
整体式冲压发动机结构原理图
整体式火箭冲压发动机集 成了火箭和火箭冲压发动 机，由火箭提供助推加速 到超声速2马赫数以上，然 后冲压发动机工作，其典 型部件为可爆破进气口、 可抛掉的火箭喷管和共用 燃烧室。
Ve m aVa Ae ( pe pa ) pa ( Ae Aa ) pdA m
Aa
Ae
Ve m aVa Ae ( pe pa ) e pa dA e pdA m
Aa Aa
A
A
Ve m aVa e ( pe pa ) ( pa p )dA m
FA F Amax
F fu m
b) 比冲——单位时间燃烧单位质量推进剂所产生的推力，即
I sp
c) 推重比——单位重量所产生的推力，即
R F W
d) 推力系数——定义为单位迎风面积的推力与迎面气流动压的比值，即
CF F qa A
第六章 冲压推进技术
现代推进原理与进展
例：已知某冲压发动机固体燃料密度rp=1600 kg/m3，燃烧面积Ab=0.1m2， =0.8mm/s。飞行马赫数Ma=2.5，进口流束面积Aa=0.002m2。设 燃速 r 喷管扩张比为1.5，燃烧室燃烧温度T0=1800K，燃气的气体常数 Rg=320 J/(kg.K)，比热比g =1.3，试计算发动机的推力和比冲。（已知高空空气 ra=1.0 kg/m3，a=300m/s，完全膨胀）
fu rp Ab r 1600 m .0 0.1 0.8 103 0.128 (kg/s)
m a m fu 1.628 (kg/s) ∴ m
.8 (m/s) d) Ve RgT0 FV 32018001.93 1464
Ve m aVa 1.6281464 .8 1.5 750.0 1259 .7 (N) ∴ F m
第六章 冲压推进技术
现代推进原理与进展
6.1 推力 6.2 火箭冲压发动机 6.3 固体燃料冲压发动机 6.4 进气道
第六章 冲压推进技术
现代推进原理与进展
6.1 推力
与前述发动机相比，结构上吸气式发动机（如冲压发动机）的 显著不同是存在进气道，从动力学分析，它对推力存在影响。
. maVa
. mVe
第六章 冲压推进技术
现代推进原理与进展
连续方程：
rVA Const m
Q12 1 2
rV Const （等通道A不变）
h01
h02
动量方程：
p rV 2 Const
燃烧室加热流动示意图
能量方程：
h0 2 h01 Q12
第六章 冲压推进技术
现代推进原理与进展
冲压发动机中常用加热比来表示加热量的多少，即
第六章 冲压推进技术
现代推进原理与进展
6.3 固体燃料冲压发动机
固体燃料冲压发动机是一种固体燃料与空气冲压过程浑然 一体的发动机。因此，结构上简单紧凑，效率高。
A3 空气 A2
再附着点
突扩燃烧室
补燃室
固体燃料冲压发动机示意图
第六章 冲压推进技术
现代推进原理与进展
a) 与火箭冲发动机相比，结构简单，比冲高，一般工作压强更低（一般 1MPa以下），故喉部直径更大。 b) 固体燃料冲压发动机的燃烧稳定性主要由突扩燃烧室的突扩比决定。 突扩比eA定义为突扩燃烧室内截面面积与空气进口截面面积之比，
第六章 冲压推进技术
现代推进原理与进展
总压恢复系数
s
p02 p0a
1 自由流 pa p0a Va
2 进气道出口 p2 p02 V2a
动能效率
V22a / 2 Va2 / 2
冲压发动机进气道参数变化
第六章 冲压推进技术
现代推进原理与进展
6.4.1 进气道分类 6.4.2 亚声速进气道 6.4.3 超声速进气道
fu m a ，因此，初步设计时，可取 一般冲压发动机中，燃料流量很小，即 m
m a m (Ve Va ) Ae ( pe pa ) F m
完全膨胀
(Ve Va ) F m
第六章 冲压推进技术
现代推进原理与进展
与推力有关的几个性能参数： a) 单位迎面推力——发动机推力与最大横截面积之比，即
s
p 03 p 02
0.7
0
2.0
4.0
6.0
8.0
eA
0.7 0
0.2
0.4
0.6
0.8
l2
0.8
0.3
l4 ls
0.2 0.4 0.6 0.8
l4 ls
0 2.0 4.0 6.0 8.0
0.2 0.1
eA
0
l2
突扩燃烧室典型参数变化规律
第六章 冲压推进技术
现代推进原理与进展
6.4 进气道
冲压发动机依靠空气提供的 氧与燃料燃烧才能进行有效的工 作。因此，如何让空气高效率的 进入发动机是冲压发动机首先要 解决的问题——这就是进气道设 计。
第六章 冲压推进技术
现代推进原理与进展
整流罩/唇罩 进气道 中心锥
燃烧室
外罩
喷管
唇口/进气口
典型冲压发动机结构示意图
因此，冲压发动机是一种吸气式发动机（air-breathing engines ）。
第六章 冲压推进技术
现代推进原理与进展
Isp(N.s/kg)
冲压发动机 10000 固体火箭发动机 2000 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 Ma
火箭冲压发动机示意图
第六章 冲压推进技术
现代推进原理与进展
a) 这里的火箭又称为燃气发生器（gas generator），根据喷出燃气是否达到 临界状态， 火箭冲压发动机由分为临界火箭冲压发动机和非临界火箭冲 压发动机两种；其设计必须考虑外压的影响，即 p0和 p1的关系；火箭冲 压发动机的工作压强 p1常较低，一般4~6 MPa以下，故喷喉较大。 b) 火箭燃气与空气要充分混合，以提高燃烧效率——故一般燃烧室较长。 c) 燃烧室中的流动可以近似为加热流动。