点燃式煤油航空直喷发动机冷起动试验研究

胡春明，王 赫，王 旸，刘 娜



点燃式煤油航空直喷发动机冷起动试验研究

胡春明1, 2，王 赫1，王 旸1，刘 娜1

(1. 天津大学内燃机研究所，天津 300072；2. 天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室，天津 300072)

针对喷射截止时刻、点火提前角以及过量空气系数等影响因素，在一台自主研发的单缸试验机上，开展了煤油航空直喷发动机冷机起动燃烧特性以及相关影响因素的冷机起动敏感度分析研究．结果表明：喷射截止时刻为60°,CA BTDC、点火提前角为27°,CA～30°,CA BTDC时，发动机容易顺利起动；过量空气系数为0.65～0.70时，最大爆发压力循环变动率最低，失火现象消失，煤油航空直喷发动机平稳顺利起动．冷起动敏感度分析表明：敏感性强弱顺序依次是进气行程中的喷射截止时刻、过量空气系数、压缩行程中的喷射截止时刻、点火提前角．

冷起动；敏感度分析；航空煤油；活塞式航空发动机

研究活塞式航空重油发动机对未来军用、民用航空领域具有重要意义[1]．目前活塞式航空发动机主要使用航空汽油作为燃料，相比而言，航空重油(通指航空煤油及轻质柴油，本文研究航空煤油RP-3)的闪点为45～51,℃，常温下遇明火不易发生爆炸．航空煤油饱和蒸汽压低不易挥发，便于存储．航空煤油的劣势在于相同温度下其运动黏度远大于汽油并且饱和蒸汽压低，导致其难以像汽油一样快速形成混合气，造成冷起动困难[2]．

国外学者针对点燃式航空煤油冷起动问题开展了相关研究．Cathcart等[3]在一款V6二冲程发动机上应用Orbital公司空气辅助直喷系统进行了冷起动试验，结果显示在不使用任何加热设备和辅助雾化的设备时，最低－15,℃就可以正常起动．Hooper[4]进行了航空煤油发动机的冷起动试验研究，发现在使用柴油机电热塞预热2,min的情况下，发动机冷起动温度最低可达5,℃，电热塞预热时间越长，可达到的冷起动温度越低；在缸头温度高于50,℃时，不需要电热塞辅助即可起动，在缸头温度低于45,℃时，需要电热塞辅助才能顺利起动．Duddy等[5]通过电热塞预热的方法完成了煤油发动机的冷起动试验．国内关于航空煤油发动机冷起动的研究还处于起步阶段，南京航空航天大学的王春丰等[6]、刘锐等[7]进行了活塞式航空煤油发动机冷起动时油量控制以及冷起动控制策略的研究．天津大学的马帅[8]针对航空煤油发动机冷起动工作过程进行了研究．本文针对如何提高燃用航空煤油的活塞式航空发动机冷起动性能进行了研究．该领域的研究对增加活塞式航空发动机可靠性和实用性有重要价值．

混合气准备及点火策略是影响冷起动性能的关键因素，本文以一台自主研制的单缸航空试验发动机为平台，针对过量空气系数、点火提前角、喷射截止时刻等影响因素，对起动转速下的发动机燃烧特性进行分析，并对相关影响因素进行了敏感度研究．

1 试验装置及方案

1.1 试验发动机

本文试验发动机是以某对置式航空发动机结构参数为参考，自主开发的低压空气辅助直喷活塞式单缸航空发动机．图1所示为发动机样机，其基本参数见表1．

图1 发动机照片

1.2 台架系统

台架系统主要由单缸发动机、测功机、供油系统、冷却系统、数据采集系统和发动机控制系统等组成，如图2所示．

数据采集系统由增量型光电编码器、ART USB2815型数据采集卡、6125CU20压电晶体型缸压传感器和5011型电荷放大器组成．数据采集卡可依据增量型光电编码器提供的时钟信号和触发信号获得电荷放大器处理后的模拟信号．基于Labview编写的数据采集系统上位机可以读取数据采集卡采集的数据，从而对缸内压力进行显示、处理和分析．发动机控制系统上位机是基于Labview开发平台编写，其与ECU之间通过基于CCP协议的CAN总线进行通讯，可以对发动机的电喷参数进行控制．空燃比分析仪为ETAS的LA4型空燃比分析仪．

表1 单缸发动机基本参数

图2 试验系统示意

1.3 试验方案

2 试验结果及其分析

2.1 过量空气系数对起动转速燃烧特性的影响

图3 不同下50个燃烧循环最大爆发压力

图4 最大爆发压力循环变动率和IMEP随变化趋势

图5 不同下缸内压力曲线

2.2 喷射截止时刻对起动转速燃烧特性的影响

图6 平均pmax及其循环变动率随EOIT变化趋势

图7 滞燃期和急燃期随EOIT变化趋势

(2)随着活塞上行，喷雾和偏心碗形活塞顶壁面引导相互作用使火花塞附近形成浓混合气，浓混合气火焰中H、OH等自由基浓度较高，H、O、OH自由基的生成和消耗在煤油点火中起关键作用，有助于缩短煤油滞燃期[14]；

(3)活塞上行导致温度升高，而对多种烃类燃料的试验结果表明，靠近火焰前锋面的未燃混合气温度越高，层流火焰传播速度越快，使急燃期缩短；

(4)活塞上行导致压力增大，航空煤油液滴下行受到的空气阻力增大，由韦伯数破裂准则公式知，液滴内力保持一定的情况下，作用于液滴表面的外力增大会导致液滴破碎的可能性增加，有利于燃油雾化质量的提升，加速混合气制备，使更多的混合气参与燃烧过程，导致max升高．

2.3 点火时刻对起动转速燃烧特性的影响

故点火提前角存在一个最佳范围27°,CA～30°,CA BTDC，使航空煤油直喷发动机起动转速下发动机做功能力较强，此时急燃期变化率小于0.1(点火提前角每变化1°,CA，急燃期所对应曲轴转角相应变化)．此时PCP点为6.38°,CA ATDC，如图9所示，汽油机中一般希望PCP出现在10°～15°,CA ATDC，位置较汽油机相比向上止点有所靠近．

图8 急燃期和IMEP随点火提前角变化

图9 PCP点随点火提前角变化关系

3 冷起动性能影响因素敏感度分析

3.1 敏感度分析指标和敏感度系数

3.2 参数敏感度分析

根据试验结果计算出各工况点对应的IMEP，结果如图10所示．根据图10中的数据以及式(1)计算敏感度系数．敏感度计算结果见图11．

（a）不同过量空气系数对应的IMEP

（b）不同喷射截止时刻对应的IMEP

（c）不同点火提前角对应的IMEP

图11 影响因素的平均敏感度系数

计算结果表明，航空煤油直喷发动机冷起动性能对进气行程内的喷射截止时刻最为敏感，其次为过量空气系数，第三为压缩行程的喷射截止时刻，点火提前角敏感度最小．表明进气行程内的喷射截止时刻以及过量空气系数的改变直接对可燃混合气的制备及其分布有较大影响，而压缩行程内的喷射截止时刻改变对混合气的影响次之，而点火提前角的改变对起动的影响较小．

4 结 论

(3)点火提前角存在最佳的一个范围27°,CA～30°,CA BTDC，IMEP较大，使航空煤油直喷发动机起动转速下做功能力较强．使用航空煤油时的最佳点火提前角对应最大缸内爆发压力位置比使用汽油时提前，原因是航空煤油燃烧速度慢，如果点火和使用汽油时一样，则后燃加剧的能量损耗大于点火提前时压缩负功的增加量．

［1］ Kalghatgi G T. Fuel anti-knock quality—Part I：Engine studies[C]// SAE Technical Paper. Texas，USA，2001：2001-01-3584.

［2］ Li S H，Jin Y，Ni K S. Study on the ignition factor of piston kerosene engine[J]. Advanced Materials Research，2013，779/780：705-710.

［3］ Cathcart G，Dickson G，Ahern S. The application of air-assist direct injection for spark-ignited heavy fuel 2-stroke and 4-stroke engines[C]//SAE Technical Paper. Texas，USA，2005：2005-32-0065.

［4］ Hooper P. Experimental experience of cold starting a spark ignition UAV engine using low volatility fuel[J]. Aircraft Engineering & Aerospace Technology，2015，89(1)：106-111.

［5］ Duddy B J，Lee J，Walluk M，et al. Conversion of a spark-ignited aircraft engine to JP-8 heavy fuel for use in unmanned aerial vehicles[J]. SAE International Journal of Engines，2011，4(1)：82-93.

［6］ 王春丰，魏民祥. 航空活塞发动机燃烧煤油冷起动油量控制研究[J]. 航空动力学报，2012，27(7)：1619-1624. Wang Chunfeng，Wei Minxiang. Research on cold start fuel flow control of aero-piston engine burning kerosene [J]. Journal of Aerospace Power，2012，27(7)：1619-1624(in Chinese).

［7］ 刘 锐，魏民祥，杨海青，等. 二冲程点燃式直喷煤油发动机冷起动控制策略[J]. 航空动力学报，2017，32(1)：213-220. Liu Rui，Wei Minxiang，Yang Haiqing，et al. Cold start control strategy of a two-stroke direct injection spark-ignited kerosene engine[J]. Journal of Aerospace Power，2017，32(1)：213-220(in Chinese).

［8］ 马 帅. 点燃式航空直喷发动机冷起动工作过程的仿真研究[D]. 天津：天津大学机械工程学院，2016. Ma Shuai. The Simulation Study on the Cold Starting Process of Ignition Aviation Direct Injection Engine[D]. Tianjin：School of Mechanical Engineering，Tianjin University，2016(in Chinese).

［9］ 刘志敏，李理光，邓宝清，等. 基于首次着火循环的低温冷起动特性[J]. 燃烧科学与技术，2005，11(4)：554-559. Liu Zhimin，Li Liguang，Deng Baoqing，et al. Combustion characteristics of cold start at low temperature based on the first firing cycle analysis[J]. Journal of Combustion Science and Technology，2005，11(4)：554-559(in Chinese).

［10］ 马凡华，王 宇，汪俊君，等. 过量空气系数对HCNG发动机燃烧排放的影响[J]. 清华大学学报：自然科学版，2008，48(8)：1340-1343.Ma Fanhua，Wang Yu，Wang Junjun，et al. Effects of excess air ratio on the combustion and emission characteristics of HCNG engines[J]. Journal of Tsinghua University：Science and Technology，2008，48(8)：1340-1343(in Chinese).

［11］ 何邦全，张 岩，谢 辉，等. 过量空气系数对HCCI汽油机燃烧特性的影响[J]. 燃烧科学与技术，2007，13(4)：287-292. He Bangquan，Zhang Yan，Xie Hui，et al. Effect of lambda on combustion characteristics of an HCCI gasoline engine[J]. Journal of Combustion Science and Technology，2007，13(4)：287-292(in Chinese).

［12］ 王建昕，帅石金. 汽车发动机原理[M]. 北京：清华大学出版社，2011. Wang Jianxin，Shuai Shijin. Automotive Engine Fundamentals[M]. Beijing：Tsinghua University Press，2011(in Chinese).

［13］ 胡春明，李骥琦，白洪林，等. 航空直喷发动机缸内混合气形成的试验[J]. 航空动力学报，2012，27(9)：1921-1927.Hu Chunming，Li Jiqi，Bai Honglin，et al. Experiment of in-cylinder mixture formation process low-pressure GDI engine[J]. Journal of Aerospace Power，2012，27(9)：1921-1927(in Chinese).

［14］ 梁金虎，王 苏，张 灿，等. RP-3航空煤油点火特性研究[J]. 力学学报，2014，46(3)：352-360. Liang Jinhu，Wang Su，Zhang Can，et al. Studies on the autoignition characteristics of RP-3 aviation kerosene [J]. Chinese Journal of Theoretical & Applied Mechanics，2014，46(3)：352-360(in Chinese).

［15］ 郑大勇，颜 勇，张卫红. 氢氧火箭发动机性能敏感性分析[J]. 火箭推进，2011，37(4)：18-23. Zheng Dayong，Yan Yong，Zhang Weihong. Analysis for performance parameter sensitivity of hydrogen/oxy-gen rocket engine[J]. Journal of Rocket Propulsion，2011，37(4)：18-23(in Chinese).

Study on Cold Start of Spark-Ignition Kerosene Direct Injection Aviation Engines

Hu Chunming1, 2，Wang He1，Wang Yang1，Liu Na1

(1. Internal Combustion Engine Research Institute，Tianjin University，Tianjin 300072，China；2. State Key Laboratory of Engines，Tianjin University，Tianjin 300072，China)

Focusing on some factors including the end of injection，spark advance angle and excess air ratio，the investigations of cold start combustion characteristics of kerosene direct injection aviation engine and the sensitivity analysis of relevant factors were conducted on a self-developed single cylinder engine. The results show that when the end of injection is 60°,CA BTDC and spark advance angle is 27°,CA～30°,CA BTDC，the engine can be started up smoothly；when excess air ratio ranges from 0.65 to 0.70，cyclical variation of peak cylinder pressure descends to the lowest point，misfire disappears and kerosene direct injection aviation engine can be started up smoothly. Cold start sensitivity analysis shows that the strong-to-weak sequence of sensibility is the end of injection in the intake stroke，excess air ratio，the end of injection in the compression stroke and spark advance angle.

cold start；sensitivity analysis；aviation kerosene；piston aviation engine

TK461

A

0493-2137(2019)01-0078-06

2018-03-05；

2018-04-16.

胡春明（1967—  ），男，博士，研究员.

胡春明，cmhu@tju.edu.cn.

国家自然科学基金资助项目(51476112).

the National Natural Science Foundation of China(No.,51476112).

10.11784/tdxbz201803013

(责任编辑：金顺爱)