航空重油在航空活塞式发动机的应用

2018-04-25郭凌崧黄克菲

小型内燃机与车辆技术 2018年1期

郭凌崧王昊黄克菲

（1-天津大学内燃机研究所天津 300072 2-天津摩托车质量监督检验所）

引言

航空活塞式发动机的制造简单，使用经济，技术成熟，是250 kW以下轻小型航空器的主要动力装置。航空活塞式发动机目前使用的传统航空燃料包括航空汽油和航空重油。航空汽油的燃烧性、雾化混合性以及低温流动性均较好，是目前航空活塞式发动机的主要燃料。但航空汽油的闪点低，饱和蒸气压高，易挥发，遇明火及其它意外情况时很容易发生爆炸和燃烧，安全性较差，油料管理难度大，使其应用特别是在军用领域受到限制。

航空重油专指煤油型和柴油型燃油。航空重油具有较高的闪点和挥发温度，安全性高易于存储并便于油料统一管理等优点，在轻小型航空器，特别是无人机领域的应用受到越来越高的重视，呈现快速发展的趋势。

1 航空燃料的基本特点

典型航空汽油、航空煤油和轻柴油的理化特性比较如表1所示。

通过对标准燃油指标的比较可得出：

1）燃烧性能方面。航空煤油与航空汽油的净热值、密度及能量密度基本相当；轻柴油的净热值最低而密度最高，能量密度最低。

2）流动性方面。以海平面（海拔高度为0）的气温为288.15K（15℃）时为例，当海拔高度升至5 000 m时环境气温即降至255.68 K（-17.47℃），航空煤油与航空汽油的冰点及运动粘度相对接近且非常低；轻柴油的低温流动性相对于航空汽油则明显变差。

3）挥发性方面。由闭口闪点和蒸发温度来看，航空汽油的挥发性最好，航空煤油适中，轻柴油最差。

表1 航空汽油、航空煤油和轻柴油的理化特性比较（注）

表2 航空汽油与车用汽油的特性比较

2 航空燃料与相近燃料的特性对比

与目前常用航空燃料较为接近的传统燃料包括：车用汽油、车用柴油（轻柴油）、普通煤油，以及专业领域中的军用柴油和舰用柴油。

2.1 航空汽油与车用汽油

航空汽油与车用汽油的理化特性比较如表2所示。

2.2 航空煤油与普通煤油

航空煤油与普通煤油的理化特性比较见表3。

2.3 军用柴油及舰用柴油

轻柴油、军用柴油和舰用柴油的理化特性比较如表4所示。

从表3、表4对比来看，航空燃料与其对应的传统燃料（包括专业领域燃料）相比，主要性能基本相当，且具有更高的品度和更好的抗爆性与环保性；在柴油方面则轻柴油在流动性、密度和能量密度等项指标方面更具有优势。因此，普通的传统燃料仅能作为对航空燃料的临时性有限替代。

表3 航空煤油与普通煤油的特性比较

表4 轻柴油、军用柴油和舰用柴油的特性比较（注）

3 航空重油的应用研究进展

航空活塞式发动机燃用重油的研究主要集中在二冲程点燃式活塞发动机和四冲程压燃式活塞发动机。国外的研究工作开展较早且已有一定的产品应用；国内目前主要还集中在理论研究与可行性分析方面，包括北京交通大学、西北工业大学、中南大学、清华大学、天津内燃机研究所及南京航空航天大学等研究单位与山河智能等企业都做了大量的探讨和研究。

3.1 点燃式发动机燃用重油的研究进展

点燃式发动机燃用重油的优点是：

具有较高的功重比，结构简单，易于油料换装。

点燃式发动机燃用重油的缺点是：

1）热效率低，燃油消耗率和温室气体排放量高。

2）理论空燃比的控制难度较大。

3）起动困难，可靠性较差，存在爆震倾向。

4）存在电磁兼容问题。

目前的研究进展主要有：

1）同等初始进气压力下，航空汽油的最小点火能量最低，轻柴油所需的最小点火能量最高；最小点火能量随初始进气压力的增加而增大；混合气较稀时，轻柴油比航空煤油容易点燃；混合气较浓时，航空煤油比轻柴油容易点燃。

点燃式发动机燃用轻柴油时，适当提前喷油定时，推迟点火以及引入EGR都能使爆燃倾向减小；当点火能量过小或喷油定时过早都会出现失火现象[9]。

2）同等初始条件下，航空重油混合气的点火延迟角、点火持续期、火焰发展期和快速燃烧期均大于航空汽油；加大初始湍流强度对加速航空重油燃烧时的火焰发展，提高缸内平均压力有明显的促进作用[10]。

3）航空重油燃烧时发动机缸内平均压力低于燃用航空汽油，且最高燃烧压力出现时间比航空汽油晚[11]。

因此，点燃式活塞发动机燃用航空重油时，需要提高点火能量，适度增大点火提前角，并适当提高初始湍流强度。当发动机在温度较低时燃用航空重油还需要对燃油以及燃烧室进行预热。

二冲程发动机在点燃式航空活塞发动机占主导地位。二冲程发动机主要采用化油器和缸内直喷的工作方式。在缸内直喷方式中以空气辅助喷射技术（AADI）应用最为广泛（如图1所示）。空气辅助喷射系统的燃油与空气通过二次混合后喷入气缸内，借助空气辅助喷嘴的高压使油束充分分裂并雾化，燃油的索特平均直径（SMD）可达5～8μm，即使对蒸发性较差的重油燃料也能获得极小的重油燃料颗粒，使重油燃料也能快速蒸发，达到良好的雾化效果，改善发动机冷起动性能，提升燃油经济性和排放性能。

图1 空气辅助喷射喷油器结构示意图

但空气辅助燃油喷射系统使发动机结构变复杂，从而在一定程度上限制了该技术的进一步发展及应用。

四冲程发动机则是以高压共轨燃油喷射为主要措施。高压燃油喷射系统（HPDI）直接将高压燃油喷入气缸内（如图2所示）。利用高压力的作用，使得燃油在离开喷嘴时，油束进行分裂、雾化，加快燃油蒸发速度。优点是喷油速率较高，可以在更短的时间内将燃油量喷射完毕，有利于高速大负荷工况下推迟缸内喷油开始时刻，提高爆震极限条件的恢复功率，同时改善发动机燃油经济性能。高压燃油喷射系统的缺点是重油燃料喷射雾化的粒径较粗，油束贯穿距离大，油束贯穿速率高，容易造成活塞顶面油膜堆积，使火花塞电极沾湿，不利于冷起动和低速小负荷工况下的稳定燃烧。表5列出了国外燃用航空重油的典型点燃式活塞发动机的主要参数。

图2 Bosch公司共轨系统（CRS）

表5 国外典型重油点燃式活塞发动机主要参数

3.2 压燃式发动机燃用重油的研究进展

压燃式航空活塞发动机燃用重油的优点是：

1）过量空气系数大，热效率高，燃油消耗率低，爆震倾向小，续航能力强。

2）零件数量少，电磁兼容性较好，可靠性高。

3）转速低，转矩大，功率覆盖范围大，减速器质量轻，甚至可直接驱动螺旋桨。

压燃式重油航空活塞发动机的缺点是：

1）功重比低。

2）振动噪声大，尤其在低转速段的振动噪声明显高于点燃式发动机。

3）冷起动困难。

当前车用柴油发动机技术相当成熟，但车用柴油发动机并不能直接用于航空器，主要是航空器的设计对动力装置有着苛刻的要求，如必须具有较高的功重比，最优布局下的外形设计，轻量化前提下的高可靠性等。国内对压燃式活塞发动机燃烧航空重油所进行的研究和相关报道相对较少。

相关研究表明，压燃式重油航空活塞发动机的功率覆盖范围较宽，功重比多数分布于1 kW/kg左右，整体水平低于点燃式方案；较成熟产品以四冲程发动机为主。图3是国外重油航空点燃式与压燃式活塞发动机功率覆盖范围与功重比的对比统计[12]。表6是国外典型重油压燃式活塞发动机主要性能参数。

图3 国外重油航空活塞发动机功率覆盖范围和功重比

表6 国外典型重油压燃式活塞发动机主要性能参数

目前的研究表明，轻小型航空压燃式发动机使用航空重油后具有如下特点：

1）较大的喷油提前角

航空压燃式发动机的燃烧相对于普通发动机更靠近上止点，燃烧热效率较高。在一定的变化范围内，航空压燃式发动机具有功率随着喷油提前角的增大而增大，燃油消耗率随着喷油提前角的增大而减小的趋势。

喷油提前角过小会使喷油延迟，燃烧滞后，加重后燃；航空发动机多采用风冷，散热效率普遍低于液冷，因此会增加发动机的热负荷。但过大的喷油提前角会导致发动机的功率随着喷油提前角的增大反而减小，燃油消耗率随着喷油提前角的增大也随之增大的趋势，同时NOx排放量也明显增加[13]。

2）较高的燃油喷射压力

由于缸径小，转速高，因此需要更高的燃油喷射压力。燃油喷射压力高，油束贯穿度大，燃油与燃烧室壁面碰撞的现象比普通柴油机强烈得多，撞壁燃油的蒸发以及壁面堆积燃油的扩展雾化在整个燃油蒸发过程中占很大比例，对燃烧质量有重要的影响[14]。

3）较强的缸内空气扰动

由于结构限制无法进一步提高压缩压力和压缩比，因此依靠较强的缸内气体流动（进气涡流、挤流和滚流，如图4所示）以及提高进气压力来促进油气混合，加速均匀混合气在燃烧室内的形成和燃烧[14]。

图4 TKDI600发动机螺旋进气道仿真模型

压燃式航空活塞发动机燃用重油需要掌握的关键技术包括：

1）通过优化设计提高功重比。

2）对燃油或缸体进行高效稳定的预热。

3）应用电控技术、高压喷射技术以及可调压比的增压技术等。

3.3 其它形式活塞发动机的研究进展

燃烧航空重油的其它形式活塞发动机还包括转子发动机和对置活塞发动机。

出于对高功重比的无限追求，美国、德国和英国都投入了很大力量研究燃用重油，特别是燃用柴油的航空转子发动机。中国科学院力学研究所、中国机械科学研究院、天津内燃机研究所等国内研究院所也先后提出了低压缩比火花点火柴油转子发动机、多种燃料转子发动机以及采用高压共轨电控燃油喷射（如图5所示）、两级点火、分层燃烧等多项新技术的柴油转子发动机。