小型航空二冲程煤油发动机小负荷试验研究

贝太学 魏民祥 刘 锐 杨 光 杨白凡

1.南京航空航天大学能源与动力学院，南京,2100162.北京航天无人机系统工程研究所，北京,100094



小型航空二冲程煤油发动机小负荷试验研究

贝太学1魏民祥1刘 锐1杨 光2杨白凡1

1.南京航空航天大学能源与动力学院，南京,2100162.北京航天无人机系统工程研究所，北京,100094

将1台点燃式二冲程气道喷射汽油机改造为缸内直喷煤油发动机，在3000 r/min小负荷工况下进行了点火提前角、喷气结束角、过量空气系数对性能影响的试验研究。结果表明，喷气结束角为50°和80°(上止点前)时，适当增大点火提前角，能使功率增加、油耗降低，但点火提前角不宜过大，否则会造成HC和CO排放量的增加；点火提前角为15°和30°(上止点前)时，适度提前喷气结束时刻，可以使功率增加、油耗和排放降低；另外，偏浓混合气有利于提高功率输出，偏稀混合气有利于降低排放。

点燃式发动机；缸内直喷；航空煤油；小负荷；发动机性能

0 引言

传统二冲程点燃式发动机存在燃油短路损失及过后排气损失等缺点，并且重油黏度大、雾化困难，导致点燃式重油发动机的发展受到了一定的限制[1-2]。二冲程点燃式重油发动机应用空气辅助燃油喷射技术，可以解决重油雾化问题，消除燃油短路损失和过后排气损失，提升二冲程发动机的燃油经济性和排放性能[3-4]。

近年来，国内二冲程点燃式直喷发动机的研究主要针对汽油机[5]，重油发动机的研究相对较少。文献[6-7]通过仿真完成了点燃式二冲程重油发动机混合气形成的模拟研究，分析了喷油、结构和进气参数等对缸内气流与混合气质量的影响规律，以及不同当量比、初始温度和湍流强度下重油混合气的火花点火及火焰传播特性。盛敬[8]对二冲程重油发动机的爆震性能做了仿真分析，计算了点火参数对均匀混合气温度、燃烧放热量、爆震强度的影响。

本文以某型二冲程气道喷射式汽油机为原型机，采用低压空气辅助缸内直喷(air-assisted direct injection，AADI)技术，将其改造为点燃式重油直喷发动机，开发了缸内直喷重油发动机的电控系统，并在试验过程中燃用航空煤油，对发动机在中等转速、小负荷工况的性能进行了试验研究。

1 试验设备及方案

1.1 试验设备及仪器

本文所采用的二冲程点燃式缸内直喷重油发动机是在某二冲程进气道喷射汽油机的基础上，采用AADI技术进行直喷化改造而来的。表1给出了该发动机的参数。

表1 试验发动机参数Tab.1 Parameters of the test engine

由于重油相对于汽油雾化困难，冷启动性能差，所以在对原型机直喷改造过程中，采用了AADI技术，燃油雾化颗粒小，喷雾特性好，其索特平均直径约为5～8 μm[4]。表2所示为试验用3号航空煤油和汽油的理化特性。

图1为空气辅助燃油直喷喷嘴的结构示意图。图2为二冲程点燃式缸内直喷重油发动机ECU的结构框图。

表2 汽油和3号航空煤油的理化特性Tab.2 Characteristics of gasoline and 3# aviation kerosene

图1 空气辅助燃油直喷喷嘴Fig.1 Injector of air assisted direct injection

将空气辅助燃油喷射系统应用于试验样机，并设计制造了相应的直喷缸盖、燃烧室、油气共轨、油气供给系统以及油气压力调节系统，实现了试验样机直喷化改造。图3、图4分别为点燃式重油发动机试验台架的示意图和实物图。

图3 试验台架示意图Fig.3 Schematic diagram of experimental system

图4 试验台架实物图Fig.4 Photograph of experimental system

图5 喷油及点火参数时序图Fig.5 Sequential diagram of injection and ignition parameters

1.2 试验方案

选择转速为3000 r/min、节气门开度为20%，进行小负荷工况的试验研究。图5为燃油喷射及点火参数时序图，主要关键参数包括：喷油脉宽(fuel pulse width，FPW)、喷气脉宽(air pulse width，APW)、喷气开始时刻(start of air injection，SOAI)、喷气结束时刻(end of air injection，EOAI)、喷油开始时刻(start of fuel injection，SOFI)、喷油结束时刻(end of fuel injection，EOFI)、充磁脉宽(charge pulse width，CPW)以及点火提前角θig。本试验主要围绕点火提前角、喷气结束角和过量空气系数来进行研究，整个试验过程中将油气间隔固定为1 ms，喷气脉宽固定为3 ms，充磁脉宽固定为5 ms(本文中出现的点火提前角和喷气结束角均指的是上止点前(before top dead center,BTDC)的角度)，具体工况参数数值如表3所示。

表3 发动机试验工况Tab.3 Conditions of engine test

2 试验结果及分析

首先，记录试验环境：室内温度25 ℃,相对湿度47%,大气压力101 kPa,冷却水温度85～100 ℃。然后，通过标定软件对发动机点火及燃油喷射参数进行在线修改：过量空气系数α通过调整喷油脉宽来确定，范围为0.90～1.10，点火提前角的调整范围为10°～30°BTDC，喷气结束角的调整范围为50°～80°BTDC。

2.1 点火提前角和过量空气系数对性能的影响

2.1.1 工况1试验结果及分析

将喷气结束角固定为50°BTDC，调整点火提前角和过量空气系数，观察发动机功率、油耗以及HC和CO排放的变化规律。

图6 点火提前角对功率的影响(工况1)Fig.6 Effect of ignition advance angle on power (condition 1)

图7 点火提前角对油耗的影响(工况1)Fig.7 Effect of ignition advance angle on fuel consumption(condition 1)

图6、图7所示为功率和燃油消耗率的数据。在相同过量空气系数条件下，适当增大点火提前角，发动机功率逐渐增加，油耗下降。这主要是由于点火提前角较小，点火时刻相对延后，混合气开始燃烧时，活塞已向下运动，使气缸容积增大，燃烧压力降低；若点火时刻适当提前，则较早完成点火过程，缸内温度升高，加快火焰传播，有利于燃烧过程释放出更多的热量。另外，随着过量空气系数的增大，功率呈现出了逐渐下降的趋势。这可能是由于喷油量相对较少时，缸内混合气过稀，燃烧效果不好造成的。

图8、图9分别为HC和CO排放的数据。适当地减小点火提前角，可以减少HC和CO的排放。这说明，若点火提前角过大，则完成点火动作时，缸内的燃油可能还未与空气充分混合，火花塞附近形成的混合气质量较差，影响了点火和燃烧的稳定性；当点火提前角设定在15°～20°BTDC时，油气混合相对充分，不完全燃烧产物HC和CO的排放量达到了最低；继续减小点火提前角，加重了发动机的后燃，排放会略有增加。另外，适当减少喷油，将过量空气系数从0.9逐渐调整到1.1，HC和CO的排放会有减少。

图8 点火提前角对HC排放的影响(工况1)Fig.8 Effect of ignition advance angle on HC emission (condition 1)

图9 点火提前角对CO排放的影响(工况1)Fig.9 Effect of ignition advance angle on CO emission (condition 1)

2.1.2 工况2试验结果及分析

将喷气结束角固定为80°BTDC，调整点火提前角和过量空气系数，观察发动机功率、油耗以及HC和CO排放的变化规律。

如图10、图11所示，在点火提前角逐渐增大的过程中，发动机整体上呈现出功率增大、油耗减小的趋势。另外，随过量空气系数的增加，功率下降；过量空气系数为1时，油耗最小。

图10 点火提前角对功率的影响(工况2)Fig.10 Effect of ignition advance angle on power (condition 2)

图11 点火提前角对油耗的影响(工况2)Fig.11 Effect of ignition advance angle on fuel consumption(condition 2)

结合图6、图7可以看出，工况1和工况2的结论基本一致：适当增大点火提前角，提前点火，能够使发动机的功率增加、油耗降低；偏浓混合气有利于提高功率输出；过量空气系数为1(理论混合气)时，油耗最小。

图12、图13所示分别为HC和CO排放的数据。随点火提前角的增大，HC和CO的排放呈现出先减小、后增大的趋势，当点火提前角设定在15°～25°BTDC时，会达到排放的最小值；过量空气系数处于1.1左右时，HC和CO排放最少。

图12 点火提前角对HC排放的影响(工况2)Fig.12 Effect of ignition advance angle on HC emission(condition 2)

图13 点火提前角对CO排放的影响(工况2)Fig.13 Effect of ignition advance angle on CO emission(condition 2)

结合图8、图9可以得出结论：较大的点火提前角会造成HC和CO的排放量增加，在点火提前角增大的过程中，存在保证油气混合充分且不加重后燃的点火提前角，使排放最小；另外，偏稀混合气更有利于充分燃烧，降低排放。

2.2 喷气结束角和过量空气系数对性能的影响

2.2.1 工况3试验结果及分析

将点火提前角固定为15°BTDC，调整喷气结束角和过量空气系数，观察发动机功率、油耗以及HC和CO排放的变化规律。

图14、图15所示分别为功率和油耗的数据。随着喷气结束角的增大，过量空气系数为1、1.1时，发动机功率呈现出先增大、后减小的趋势；过量空气系数为0.9时，发动机功率先略微减小、后逐渐增大。油耗则整体上呈现出先略微增大、后减小的趋势。

图14 喷气结束角对功率的影响(工况3)Fig.14 Effect of injection end angle on power (condition 3)

图15 喷气结束角对油耗的影响(工况3)Fig.15 Effect of injection end angle on fuel consumption(condition 3)

图16、图17所示分别为HC和CO排放的数据。随喷气结束角的增大，HC排放逐渐减小，CO排放先减小、后略有增大。

图16 喷气结束角对HC排放的影响(工况3)Fig.16 Effect of injection end angle on HC emission(condition 3)

图17 喷气结束角对CO排放的影响(工况3)Fig.17 Effect of injection end angle on CO emission(condition 3)

2.2.2 工况4试验结果及分析

将点火提前角固定为30°BTDC，调整喷气结束角和过量空气系数，观察发动机功率、油耗以及HC和CO排放的变化规律。

图18、图19所示分别为功率和油耗数据。随着喷气结束角的增大，过量空气系数为1、0.9时，发动机功率逐渐增大；过量空气系数为1.1时，功率先略微减小、后逐渐增大。

图18 喷气结束角对动力性的影响(工况4)Fig.18 Effect of injection end angle on power (condition 4)

图19 喷气结束角对燃油消耗率的影响(工况4)Fig.19 Effect of injection end angle on fuel consumption(condition 4)

结合图14、图15，可以看出，空燃比对大发动机性能的影响较大，偏浓混合气有利于提高功率输出；另外，喷气结束时刻适度提前，能够在点火时刻之前油气充分混合，保证点火与燃烧过程的可靠性和稳定性，有利于提高功率输出，减小燃油消耗率。

图20、图21所示分别为HC和CO排放的数据。随着喷气结束角的增大，HC和CO的排放量整体上呈现出逐渐减小的趋势。过量空气系数处于1.1左右时，HC和CO排放最少。

图20 喷气结束角对HC排放的影响(工况4)Fig.20 Effect of injection end angle on HC emission(condition 4)

图21 喷气结束角对CO排放的影响(工况4)Fig.21 Effect of injection end angle on CO emission(condition 4)

结合图18、图19可以看出，喷气结束时刻适度提前也有利于降低排放；另外，空燃比对HC和CO排放的影响也比较大，采用偏稀混合气时，有利于充分燃烧，降低排放。

3 结论

(1)喷气结束角设定为50°和80°BTDC时，随点火提前角增大，整体上呈现出功率增大、油耗减小、HC和CO排放先减小后增大的趋势。适当的增大点火提前角，能够使功率增加、油耗降低，但点火提前角不宜过大，较大的点火提前角会造成HC和CO的排放量增加。

(2)点火提前角设定为15°BTDC时，随喷气结束角增大，油耗先略微增大、后逐渐减小，HC和CO排放先减小、后略微增大；点火提前角为30°BTDC时，随喷气结束角增大，功率逐渐增大，HC和CO排放逐渐减少。适度地提前喷气结束时刻可以改善发动机功率、油耗及排放。

(3)空燃比对发动机的性能影响很大，混合气加浓有利于提高功率输出，偏稀混合气有利于降低排放，理论混合气时的发动机油耗最小。

[1] PICKETT B M, BURNETTE P F, WELLS S P, et al. Fire Safety Tests Comparing Synthetic Jet and Diesel Fuels with JP-8[J]. Fire Safety Journal, 2011, 46(3): 89-95.

[2] LI X, HUAI X, CAI J, et al. Convective Heat Transfer Characteristics of China RP-3 Aviation Kerosene at Supercritical Pressure[J]. Applied

Thermal Engineering, 2011, 31(14): 2360-2366.

[3] REGNER G, HEROLD R E, WAHL M H, et al. The Achates Power Opposed-piston Two-stroke Engine: Performance and Emissions Results in a Medium-Duty Application[J]. SAE International Journal of Engines, 2011, 4(3): 2726-2735.

[4] 王永伟, 魏民祥, 杨海青，等. 空气辅助缸内直喷发动机正时控制策略[J]. 航空动力学报，2014，29(12)：2942-2947. WANG Yongwei, WEI Mingxiang, Yang Haiqing, et al. Timing Control Strategies of Air-assisted Direct Injection Engine[J]. Journal of Aerospace Power, 2014, 29(3): 2942-2947.

[5] 蔡晓林. FAI二冲程缸内直喷汽油机的研究[D]. 天津：天津大学，2005. CAI Xiaolin. Study on FAI Two-stroke DISI Engine [D].Tianjin：Tianjin University，2005.

[6] 石允. 小型点燃式二冲程活塞重油发动机混合气形成的模拟研究[D]. 北京：北京交通大学，2012. SHI Yun. Study on Heavy-fuel Mixture Formation of Light-weight Spark-ignition Two-stroke Engine [D]. Beijing: Beijing Jiaotong University, 2012.

[7] 莫胜钧. 小型航空点燃式重油活塞发动机点火及火焰传播特性的模拟研究[D]. 北京：北京交通大学，2012. MO Shengjun. Study on the Ignition and Flame Propagation Property of Light-weight Spark Ignition Heavy Oil Aeroengine [D]. Beijing: Beijing Jiaotong University, 2012.

[8] 盛敬. 二冲程煤油发动机爆震燃烧数值模拟与试验研究[D]. 南京：南京航空航天大学, 2014. SHENG Jing. Simulation and Experimental Study on Knock Combustion in Two-stroke Kerosene Engine [D]. Nanjing: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, 2014.

(编辑 张 洋)

Study on Spark-ignited Two-stroke Direct Injection Heavy-oil Engines at Low Loads

BEI Taixue1WEI Minxiang1LIU Rui1YANG Guang2YANG Baifan1

1.College of Energy and Power Engineering,Nanjing University of Aeronautics andAstronautics,Nanjing，2100162.Beijing Aerospace UAV System Engineering Research Institute,Beijing,100094

An experimental study on the performances was carried out on a two-stroke engine with low pressure air assisted injection technology by aviation kerosene. The influences of ignition angle advance, end angle of air injection and excess air coefficient on the performance of the engine was studied under the conditions of 3000 r/min low loads. Test results show that: when end time of air injection is set to 50° and 80° before top dead center(BTDC), the increases of ignition advance angles may make the engine power increase and the fuel economy reduce. But, the increases may not be too much, or it will cause the increases of CO and HC. When the ignition advance angles are set to 15° and 30° BTDC, the engine powers, fuel consumptions and emission performances may be improved by the advances of the end time of the air injection. And, the rich mixture is beneficial to improve the power outputs, and the lean mixture is beneficial to reduce the emission.

spark ignition engine； direct injection； aviation kerosene； low load； engine performance

2016-09-29

国防预研项目(513250203)；江苏省普通高校博士研究生科研创新计划资助项目(KYLX_0244)

V234；TK46

10.3969/j.issn.1004-132X.2017.14.002

贝太学，男，1985年生。南京航空航天大学能源与动力学院博士研究生。主要研究方向为活塞式发动机燃烧及性能分析。E-mail: beitaixue@126.com。魏民祥，男，1963年生。南京航空航天大学能源与动力学院教授、博士研究生导师。刘 锐，男，1988年生。南京航空航天大学能源与动力学院博士研究生。杨 光，男，1989年生。北京航天无人机系统工程研究所工程师。杨白凡，男，1992年生。南京航空航天大学能源与动力学院硕士研究生。