多喷油参数协同控制对煤油发动机性能影响试验

胡春明，张振东，刘 娜，宋玺娟

多喷油参数协同控制对煤油发动机性能影响试验

胡春明1, 2，张振东1, 2，刘 娜1，宋玺娟1

(1. 天津大学内燃机研究所，天津 300072；2. 天津大学机械工程学院，天津 300350)

针对航空煤油发动机在中低负荷工况动力特性差以及燃烧稳定性差难以满足起飞要求这两个突出问题，以自主研发的低压空气辅助直喷航空煤油发动机及其试验系统为平台，采用试验设计(design of experiment，DOE)方法，对喷气脉宽、喷气压力、油气间隔、二次喷射等多个喷油控制参数进行了主效应及交互作用分析，并根据主效应及交互作用顺序进行了多喷油参数协同控制，开展了对航空煤油发动机动力性及燃烧特性影响的试验探究．结果表明：随着喷气脉宽增加，燃烧速度逐渐加快，排温持续下降，动力性及燃烧稳定性逐渐提升．喷气压力与喷气脉宽协同控制能够有效提升发动机整体性能，在喷气压力550kPa、喷气脉宽5ms时，平均有效压力(indicated mean effective pressure，IMEP)达到当前最大值529kPa，燃烧质量最佳．随着油气间隔逐渐增大，各喷气压力条件下发动机动力性及燃烧稳定性均呈先提升后减小趋势，油气间隔与喷气压力协同控制能够在最佳喷气脉宽条件下进一步提升发动机整体性能，且存在最佳油气间隔为1.5ms．在最佳油气间隔与喷气脉宽条件下，二次喷射与喷气压力协同控制能够进一步使发动机动力特性最大提升11.3%、燃烧稳定性最大增强23%，排温降至最低702℃，使航空煤油发动机动力特性以及燃烧稳定性得到有效提升．

航空煤油发动机；空气辅助喷射；试验设计；喷油参数；协同控制；动力及燃烧特性

点燃式航空活塞发动机凭借其体积小、功率高、成本低等诸多优势，在军民两用领域受到高度重视[1].航空煤油由于其具有闪点高、不易挥发、安全性能 高[2]、通用性强等优点，在活塞式航空发动机领域中的应用备受关注[3]．但航空煤油也具有饱和蒸气压低、黏度较大等特性，导致其雾化困难，混合气形成质量差，进而造成发动机出现燃烧不稳定、爆震倾向加剧、功率难以提升等问题[4]．因此需要良好的燃油喷射控制技术．

杨海青等[5]通过CFD仿真探究了不同环境背压以及不同喷射压力条件下夹气喷嘴的燃油喷雾特性．Groenewegen等[6]研究了低压空气辅助气道喷射点燃式发动机分别燃用煤油、柴油的动力及排放特性．Wu等[7]在定容弹中采用阴影法研究了环境压力、温度和燃料喷射量对空气辅助喷射条件下煤油喷雾的影响．目前针对低压空气辅助喷射技术相关研究大多都停留在仿真阶段，缺少针对该技术对煤油发动机性能影响的试验研究，多个喷油参数之间协同、优化控制进行试验探究也更为鲜有，同时由于低压空气辅助直喷技术所需控制喷油参数较多，参数之间组合较为灵活，且低压空气辅助喷射技术受发动机缸内气流扰动影响较大，与定容弹试验截然不同．因此研究多喷油参数对航空煤油发动机性能影响，多喷油参数协同、优化控制，进而充分发挥低压空气辅助喷射技术优势，实现高效燃烧组织，使发动机工作在最佳状况，以满足起飞要求，具有重要意义．

DOE方法是研究与处理多因素试验的一种科学方法，通过设计试验方案及结果分析，可以从诸多影响因素中快速找到对过程输出指标影响显著的因素以及各因素之间相互作用效果[8]．

本文以一台单缸四冲程航空煤油发动机为平台，针对四冲程煤油发动机中低负荷工况燃烧稳定性差以及动力输出不足问题，采用DOE方法，以IMEP为指标，对喷气脉宽、喷气压力、油气间隔、二次喷射等不同喷油参数进行了主效应及交互作用分析，确定显著影响因子，进而对不同喷油参数进行寻优组合、协同控制，对发动机燃烧及动力特性进行探究，使发动机整体性能得到大幅提升，为航空煤油发动机燃烧开发及动力提升提供了重要参考价值．

1 试验装置及试验方案

1.1 试验发动机

本文试验发动机为一台自主研发的单缸四冲程航空煤油发动机，其基本参数如表1所示．

表1 发动机基本参数

Tab.1 Basic parameters of the engine

1.2 试验台架系统

试验台架系统主要包括单缸试验机、测功机控制系统、燃烧分析系统以及上位机标定系统等几部分，如图1所示．

燃烧分析系统主要由DEWTRON燃烧分析仪和6125CU20压电晶体型缸压传感器等组成．燃烧分析仪将采集到的缸压信号进行分析计算，实时记录并反映缸内燃烧情况．

上位机标定系统主要由基于Labview平台编写的上位机控制软件组成[9]，上位机软件通过CCP(CAN calibration protocol)协议下的CAN(controller area network)总线与ECU(electronic control unit)之间进行实时通讯[10]，进而实现对多喷油参数的协同控制．

燃油喷射系统主要由低压空气辅助直喷组件、油耗仪、压差阀、空气压缩机、压力传感器等组成，如图2所示．

图2 低压空气辅助喷射系统组成

组合喷嘴由燃油喷嘴、混合腔和压缩空气喷嘴组成．燃油首先由燃油喷嘴喷入混合腔内与压缩空气进行预混，实现初次雾化，经过一段时间后(油气间隔)，压缩空气喷嘴开启，混合气通过压缩空气喷嘴出口的拉瓦尔段加速至超声速喷出，在较大的喷射动能及缸内气体反向涡流卷吸双重作用下，气体克服油滴表面张力进行二次雾化最终得到雾化效果较好的燃油喷雾[11]．所以在控制策略上要先后产生喷油和喷气信号，喷射正时示意图如图3所示．

图3 组合喷嘴喷射正时示意

1.3 试验方案

鉴于航空煤油发动机在中低负荷工况燃烧稳定性差、动力输出弱这一问题，本文选取工况为3500r/min、25%节气门开度．针对多个喷油参数，首先采用DOE方法，应用Minitab软件进行计算分析，确定各喷油参数的主影响效应以及交互作用，之后按照主效应以及交互作用影响程度，对喷气脉宽、喷气压力、油气间隔以及二次喷射等不同喷油参数进行更深入的协同控制．每个变量组合对应工况点下采集200个循环取平均值，探究航空煤油发动机在多种喷油参数协同、优化控制作用下燃烧特性及动力特性变化规律．

2 试验结果与分析

2.1 DOE试验方案确定及结果分析

首先以IMEP为输出指标，采用DOE方法，选用喷气脉宽、喷气压力、油气间隔以及二次喷射这4个基本喷油参数作为研究因子，每个因子选取两水平，总共执行24次试验，利用Minitab软件进行试验方案确定及结果分析，可以从诸多喷油参数影响因子中，快速找到对输出指标影响显著的因子，根据经验以及综合各参数可调节范围，正交试验因素及水平设置见表2．

应用Minitab软件自动生成正交试验方案如表3所示，根据试验方案进行试验，将试验IMEP结果输入到Minitab软件进行结果分析．

表2 因素水平设置

Tab.2 Factors and level settings

表3 正交试验方案设计

Tab.3 Design of orthogonal experimental scheme

试验结果影响因素标准化效应Pareto图如图4所示，响应为IMEP3，＝0.05．可以看出，A、B、AB、BC、BD分布在虚线右侧，皆为输出指标的显著影响因子，因此，对发动机性能影响显著因子顺序依次为喷气脉宽、喷气压力、喷气脉宽与压力共同作用、喷气压力与油气间隔共同作用、喷气压力与二次喷射共同作用．

图4 标准化效应Pareto图

图5为各个控制参数之间交互作用图，可以看出，喷气脉宽与喷气压力、喷气压力与油气间隔、喷气压力与二次喷射直线间均存在交叉即存在一定交互作用，同时由于发动机工作过程较为复杂，各参数之间存在着较多非线性关系，参数之间作用效果也较为复杂，因此需要对其中显著作用因子以及交互作用较强的因子进行深入协同控制探究．

图5 各控制参数交互作用

2.2 喷气脉宽与喷气压力协同控制对发动机性能 影响

2.2.1 喷气脉宽对发动机性能影响

当喷气脉宽减小时，意味着在喷雾场中燃油浓度较高而压缩空气量相对较少，压缩空气对燃油液滴的携带、破碎效果有限[13]，同时，由于燃油相对浓度的增加，燃油液滴在喷雾场中重组聚合的可能性增大，以上两点因素限制了燃油雾化效果，大颗粒燃油液滴的存在使燃油燃烧质量变差，燃烧稳定性下降，发动机做功能力大为减弱．

图6 不同喷气脉宽下动力特性及燃烧特性

图7 不同喷气脉宽下关键燃烧特性

图8 IMEP随点火提前角以及喷气脉宽的变化

2.2.2 喷气压力对发动机性能影响

综合喷气脉宽对发动机性能影响，将喷气脉宽保持在5ms，其余参数同上，先改变喷气压力，然后再进行喷气脉宽与喷气压力协同控制探究．

图9与图10分别为不同喷气压力条件下发动机动力及燃烧特性，随着喷气压力增加，IMEP先增大后减小，产生该现象主要原因为随着喷气压力的提高，相同喷气脉宽下参与到燃油雾化的压缩空气量增加，同时，喷气压力的提高也提升了喷气嘴出口处混合气喷射初动能，使燃油液滴表面作用力增大，二者共同作用使燃油液滴破碎与雾化效果提升，且喷气压力的提高使得缸内混合气混合程度更均匀，进而使发动机燃烧质量提高，燃烧稳定性提升，FCP缩短， 进而使得CA50更靠近上止点，排温也降至737℃ 左右.

而当喷气压力继续提升，一方面使得燃油与压缩空气之间压差变小，致使燃油喷入到压缩空气腔内的初动能减小，燃油初次雾化效果变差，另一方面喷气嘴出口处混合气初动能的提高使得燃油喷雾贯穿距与喷雾锥角增大[14-15]，增大到一定程度会出现燃油喷雾撞壁现象，造成燃油液滴重组聚合，不利于混合气形成，使燃烧质量下降，循环波动增加，排温升高．

同时，从图11不同喷气压力结合不同点火提前角条件下动力特性分布可以看出，在喷气压力550kPa附近时，发动机存在着最佳动力输出区域，而当喷气压力继续增大或减小时，由于燃油颗粒撞壁以及雾化质量恶化的影响，点火提前角与喷气压力的高动力输出配合范围进一步减小，动力特性随点火提前角变化敏感度降低，发动机动力特性也呈整体下降趋势．

图9 不同喷气压力下动力特性

图10 不同喷射压力下燃烧特性

图11 不同喷射压力及点火提前角下动力特性分布

2.2.3 喷气脉宽与压力协同控制对发动机性能影响

由DOE结果可知，喷气脉宽与压力之间存在较大交互作用，且为较显著影响因子，同时，虽然提升喷气脉宽在一定程度上可以提升发动机动力特性及优化燃烧特性，但由于发动机有效喷射窗口的限制、喷嘴组件的雾化极限以及考虑到未来航空发动机功率消耗问题，不能一味地提升喷气脉宽来优化发动机性能，因此有必要结合喷射压力进行协同控制探究．

图12与图13为不同喷气脉宽与喷气压力协同控制条件下动力特性分布及COV特性分布，可以看出，较低的喷气脉宽及较低的喷气压力均会导致发动机较大的动力损失及较高的燃烧循环波动，喷气脉宽与喷气压力之间存在着较强的交互作用，最佳动力输出及燃烧质量分布范围较小，且在喷气压力为550kPa、喷气脉宽为5ms时，发动机动力输出特性最好，IMEP达到了当前最高值529kPa，相比于仅从喷气脉宽控制提升7%，此时COV达到了最小值11%，因此，采取喷气脉宽与喷气压力协同控制策略，在各喷油控制参数之间寻优组合，可以有效提升发动机动力输出特性及燃烧稳定性．

图12 喷气脉宽与喷气压力协同控制对动力特性影响

图13 喷气脉宽与喷气压力协同控制对COV影响

2.3 油气间隔与喷气压力协同控制对发动机性能影响

根据DOE结果分析可知，喷气压力与油气间隔存在着较大交互作用且为输出指标的第4显著影响因子，因此，需要对喷气压力与油气间隔进行进一步的协同控制探究．

图14为不同喷气压力与油气间隔协同控制下动力特性图，分析可知，在各个油气间隔下，随着喷气压力的提高，动力特性整体呈先增大后减小趋势，过大或者过低的喷气压力或油气间隔均会导致发动机性能恶化，在低喷气压力条件下，随着油气间隔的增大，IMEP最大值出现在1.0ms附近，而在较高喷气压力(大于550kPa)条件下，IMEP最大值出现在2.0ms附近．喷气压力在550kPa附近时，发动机有着较高动力输出范围，且在喷气压力为550kPa、油气间隔为1.5ms时，IMEP达到了最大值535kPa．

图14 喷气压力与油气间隔协同控制对动力特性影响

喷气压力与油气间隔协同控制作用下COV特性分布如图15所示，可以看出，在低喷气压力条件下，COV在油气间隔为1.0ms时达到了最小值，而在高喷气压力条件下，COV则在2.0ms附近达到了最小值，喷气压力为550kPa附近，存在着较大的稳定燃烧区域，且在油气间隔为1.5ms、喷气压力为550kPa时，COV达到最低值9%．

产生该现象主要原因为低压空气辅助喷射系统中航空煤油是在燃油与压缩空气混合腔中进行初次雾化[16]，油气间隔过小，则会使燃油初次雾化时间过短，进而造成初次雾化不完全，燃油与压缩空气尚未充分混合雾化就被压缩空气带走喷入气缸，缺少了第1次燃油雾化作用，燃油最终雾化效果将大为下降，进而造成燃烧速度下降，IMEP降低等现象．而过大的油气间隔则会造成航空煤油与压缩空气在混合腔内混合时间过长，致使初次雾化后的燃油液滴进行重聚，减弱其初次雾化效果，燃油二次雾化错过了最佳初次雾化时刻，使得最终雾化效果远偏离最佳状态，发动机燃烧稳定性及做功能力也因此大为下降．

同时，喷气压力与油气间隔之间也存在较大交互作用，喷气压力增大，则压缩空气腔内油气压差变小，因此燃油初次雾化所需时间会变长，而喷气压力变小，意味着油气压差变大，燃油达到最佳初次雾化所需时间变短，最佳油气间隔也会随之下降．

因此，对喷气压力与油气间隔进行协同控制，可以使发动机做功能力以及燃烧稳定性都达到当前最高值，进而证明喷气压力与油气间隔协同控制对提升发动机整体性能有关键作用．

图15 喷气压力与油气间隔协同控制对COV影响

2.4 喷气压力与二次喷射协同控制对发动机性能 影响

DOE结果分析显示，喷气压力与二次喷射存在一定交互作用且为输出指标的显著影响因子，同时由上文可知，较高喷气压力会导致燃油喷雾撞壁等问题，从而影响发动机燃烧质量及动力性．为减小喷雾贯穿距，同时保证燃油雾化质量，使混合气形成质量更好，采用二次喷射与喷气压力协同控制方案来提升发动机综合性能．第1次喷射开始时刻为进气行程360°CA BTDC，第2次喷射开始时刻为压缩行程160°CA BTDC，以求在点火时火花塞附近形成浓混合气，燃烧室末端形成较为稀薄混合气，降低发生自燃可能性[17]，进而提升发动机燃烧质量．第1次与第2次燃油喷射量之比为3∶1．且每次喷射过程油气间隔均为1.5ms，结合不同喷气压力探究二次喷射与喷气压力协同控制对发动机性能影响．

图16、图17分别为不同喷射压力与二次喷射协同控制对发动机动力性及燃烧稳定性影响对比，可以看出，在喷气压力为550～700kPa时，采用二次喷射能够进一步提升发动机动力性及燃烧稳定性．当喷气压力小于550kPa时，采用二次喷射反而降低了发动机动力性，COV也随之增大．分析原因为当喷气压力为450kPa时，此时压缩空气压力难以满足较高燃油雾化质量需求，且第2次喷射是在压缩行程，燃油有效蒸发时间变短，雾化质量较差的燃油颗粒聚集在火花塞处，使滞燃期增长，燃烧等容度下降，发动机做功能力下降．

当喷气压力增加至750kPa，此时二次喷射相比于单次喷射使动力性降低了2.6%，排温增加至798℃，主要原因为第2次喷射时活塞在上行，此时较大的第2次喷射压力发生了严重的燃油撞击气缸壁及活塞顶现象，同时，在压缩行程，燃油喷雾缺少了进气气流扰动影响，雾化较差的燃油液滴发生重新聚合的可能性增大，进而使大颗粒燃油增多，致使滞燃期变大，动力性降低，排温升高．

图16 二次喷射与喷气压力协同控制对发动机性能影响

图17 二次喷射与喷气压力协同控制对燃烧特性影响

当喷气压力为550～700kPa时，二次喷射与喷气压力协同控制相较于单喷气脉宽控制使发动机动力性最大提升11.3%，COV降低23%，排温降至最低702℃，且最佳喷气压力由原来的550kPa提升至650kPa．主要原因如下：二次喷射方案每次喷射脉宽较短，有效弥补了较高喷气压力带来的燃油撞壁的弊端，而此时较高的喷气压力又可以满足燃油较高雾化质量的需求[18]，同时活塞上行时缸内温度相对于进气行程略有上升，此时在压缩行程内进行第2次喷射，雾化质量较好的燃油在缸内较高温度作用下得到充分蒸发，且利用发动机较大的滚流特性将油雾卷到火花塞附近，进行局部加浓有利于点火，同时，少量压缩行程喷射进入气缸内的燃油蒸发又降低了缸内温度，抑制了爆震的发生，使燃烧质量提高，燃烧重心CA50更加接近上止点，动力性提升．

因此，采取二次喷射与喷气压力协同控制手段，对于提高混合气质量、加快燃烧速度、提升发动机总体性能方面有着重要作用．

3 结 论

本文基于DOE分析方法，探究了喷气脉宽、喷气压力、油气间隔及二次喷射等多个喷油参数协同控制对航空煤油发动机动力特性及燃烧特性的影响，并得出以下结论．

(1) 由DOE试验结果可知，各喷油参数对发动机性能影响效应大小顺序如下：喷气脉宽、喷气压力、喷气脉宽与喷气压力、喷气压力与油气间隔及喷气压力与二次喷射共同作用，且喷气脉宽与喷气压力、喷气压力与油气间隔、喷气压力与二次喷射之间存在较大交互作用．

(2) 随着喷气脉宽增大，发动机燃烧质量及燃烧稳定性逐渐提升、高动力输出范围逐渐扩大，且脉宽达到4ms以上时，动力特性提升效果逐渐减弱并趋于平稳．在最佳喷气脉宽下，随着喷气压力的提升，发动机FCP、COV、排温均呈先减小后增大趋势，且存在最佳喷气压力为550kPa．喷气脉宽与喷气压力协同控制相较于单喷气脉宽控制能够使发动机动力性提升7%，燃烧稳定性提升15%．

(3) 在低喷气压力条件下，最佳油气间隔为1.0ms左右，而在高喷气压力(大于550kPa)条件下，最佳油气间隔为2.0ms，在喷气压力为550kPa、油气间隔为1.5ms时，发动机有着最佳性能区域，喷气压力与油气间隔协同控制能够在最佳喷气脉宽条件下进一步提升发动机动力特性以及燃烧稳定性．

(4) 二次喷射与喷气压力协同控制作用下，在喷气压力为550～700kPa，二次喷射能够使动力性最大提升10%，燃烧稳定性增强8%，排温降至最低702℃，最佳喷气压力提升至650kPa，过大或过低喷气压力协同二次喷射控制均会使发动机性能恶化．多喷油参数协同控制能够使发动机动力性相较于单喷气脉宽控制提升11.3%，燃烧稳定性提升23%，排温降低33℃．证明多喷油参数协同控制对提升航空煤油发动机整体性能有重要作用．

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Effect of the Cooperative Control of Multi-Injection Parameters on the Performance of a Kerosene Engine

Hu Chunming1, 2，Zhang Zhendong1, 2，Liu Na1，Song Xijuan1

(1. Tianjin Internal Combustion Engine Research Institute，Tianjin University，Tianjin 300072，China；2. School of Mechanical Engineering，Tianjin University，Tianjin 300350，China)

Aviation kerosene engine has poor dynamic characteristics and poor combustion stability under low and medium load conditions，which makes it difficult to meet the takeoff requirements. To address these issues，taking the self-developed low-pressure air-assisted direct-injection aviation kerosene engine and its test system as a platform and adopting the design of experiment method，the main effects and interactions of several injection control parameters，such as jet pulse width，jet pressure，fuel-air interval，and dual injection，were analyzed. According to the order of the main effects and interactions，multiple fuel injection control parameters were collaboratively controlled to test the dynamic and combustion characteristics of the aviation kerosene engine. Results show that，with the increase in jet pulse width，the combustion speed gradually accelerates，the exhaust temperature continuously decreases，and the power and combustion stability gradually increase. The coordinated control of jet pressure and jet pulse width can effectively improve the overall performance of the engine. When the jet pressure is 550 kPa and the jet pulse width is 5ms，the indicated mean effective pressure reaches a maximum of 529kPa and the best combustion quality. With the gradual increase in fuel-air interval，the power and combustion quality of the engine tend to initially increase and subsequently decrease under various jet pressure conditions and the optimal fuel-air interval of 1.5ms. The coordinated control of the fuel-air interval and jet pressure can further improve the overall engine performance under the optimal jet pulse width condition. Under the optimal fuel-air interval and jet pulse width conditions，the cooperative control of dual injection and jet pressure further increases the power of the engine by 11.3% and the combustion stability of the engine by 23% and decreases the exhaust temperature to a minimum of 702 °C，thereby effectively improving the dynamic characteristics and combustion stability of the aviation kerosene engine.

aviation kerosene engine；air-assisted injection；DOE；fuel injection parameters；cooperative control；dynamic and combustion characteristics

TK461

A

0493-2137(2021)09-0962-09

10.11784/tdxbz202006053

2020-06-19；

2020-09-01.

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).

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

(责任编辑：许延芳)