活塞式航空煤油发动机性能优化及爆震抑制研究

2021-12-10刘学龙刘正先张雨生刘丰年卫海桥

内燃机工程 2021年6期

刘学龙，刘正先,张雨生,刘丰年，周磊,3，卫海桥,3

(1.天津大学机械工程学院，天津 300072；2.中汽研(天津)汽车工程研究院有限公司，天津 300300;3.天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室，天津 300072)

0 概述

无人机(unmanned aerial vehicl， UAV)因零人员伤亡，具备全天候、全区域侦察打击能力，受到了世界各个国家的重视。点燃式活塞式发动机因具有经济性好、功率质量比高、热效率高等优点，逐渐成为了中小型无人机的主流动力装置[1]。目前大部分的点燃式活塞航空发动机主要采用航空汽油为燃料，但由于其闪点低、挥发性强、遇明火易着火的特性，导致航空汽油在运输、储存和使用上存在很大的危险性，不能适应当前对军用航空发动机的燃料要求[2]。因此，以航空煤油等重油为燃料是点燃式活塞式航空发动机的发展趋势[3-6]。

汽油与航空煤油在燃料物性参数上存在较大差异，虽然航空煤油闪点比汽油高，安全性能好，但其燃烧速率慢，容易发生爆震。这就导致如果将航空煤油直接应用到汽油机上，发动机会出现严重的爆震倾向。为了避免这种现象的出现，避免发动机损坏，点火角要推迟到上止点附近，燃烧相位十分靠后，导致燃烧效率降低。

国内外众多学者对点燃式航空煤油发动机展开了研究。文献[7]中在汽油中按体积比分别掺混10%、20%、30%、40%、50%航空煤油，并分析对动力性及排放的影响。试验结果表明，随着航空煤油掺混比例的提高，发动机动力性下降，在掺混比为50%时发动机起动困难。文献[8]中对JP-5型的航空煤油进行试验研究，试验研究表明，航空煤油容易爆震，采用JP-5航空煤油为燃料时并不能实现全负荷运行，并且随着转速的增加爆震倾向加剧，其主要原因是燃油雾化和混合时间缩短。通过对燃料质量分数曲线进行分析发现，航空煤油较汽油燃烧更为缓慢。在仿真研究方面，文献[9]中采用AVL FIRE仿真软件，研究分析得到了航空重油发动机的缸内气流流动及燃烧特性。文献[10]中对活塞式航空发动机整机性能进行数值模拟，获取了发动机初始点火数据MAP图，提取发动机爆震特征，为燃烧航空煤油的点火提前角控制提供了依据。文献[11]中通过仿真软件建立一维性能仿真模型，针对采用航空煤油后爆震负荷区间窄，恢复功率有限的问题，提出添加抗爆剂、扩大缸径等技术措施恢复发动机功率，但仅仅只是停留在理论层面，未进行试验研究。文献[12]中验证了空气辅助雾化良好的雾化质量，并进行了点燃式活塞航空发动机燃烧特性研究，该试验研究仅在节气门开度为35%下进行，对于发动机动力性恢复作用有限。

目前，国内高校和研究单位对于活塞式航空煤油发动机的研究大部分都是采用仿真分析，少数高校进行了部分负荷工况试验，这主要是由于国内对于活塞式航空煤油发动机的研究尚未成熟，试验研究多采取将原有汽油机更换航空煤油作为燃料的方式，而航空煤油爆震倾向明显的特征直接导致发动机只能运行在中低负荷。

本文中基于一台压缩比可变的单缸热力学发动机，使用自主开发的空气辅助喷雾系统，在全负荷条件下开展了活塞式航空煤油发动机性能优化及爆震抑制的试验研究，探究了双点火、降低压缩比及使用CO2辅助喷射航空煤油对发动机的性能及爆震抑制的影响。

1 试验系统

1.1 发动机台架及测控装置

试验基于一台单缸四冲程试验机，主要参数如表1所示，发动机试验台架示意图如图1所示。试验台架经自主电控设计，可采用空气辅助喷射电控系统精确控制喷射参数。发动机电控单元采用MoTec-M400，可精准控制发动机的喷油时刻及点火时刻，分辨率为0.5°[13]。空气辅助雾化喷嘴位于排气门侧，采用电磁线圈式喷油器自主设计加工而成。

表1 发动机主要参数

图1 发动机台架示意图

试验中主要测试量包括发动机转速、转矩、燃油消耗量、缸内压力、冷却水温度及当量比。发动机由直流电力测功机控制，同时监测发动机转速、转矩，测功机最大功率为20 kW。燃油消耗量由杭州博皓瞬态油耗仪进行测量，量程为0～5 kg/h，相对误差为±0.2%[14-17]。发动机缸内动态压力测量采用安装在燃烧室顶部的KISTLER 6118B水冷式缸压传感器，压力信号由光电编码器采集，经电荷放大器放大信号后，由National Instruments PC-6123数据采集卡将缸压数据保存。发动机冷却水和机油温度采用PT-100铂电阻传感器进行测量，由德国SIEMENS比例积分控制器分别控制，误差范围保持在±3 ℃。过量空气系数通过美国ECM公司Lambda CAN模块进行实时监测。表2给出了主要测试设备的测试精度和误差。

表2 测量设备装置

本文中主要探究基于空气辅助雾化的航空煤油发动机燃烧特性，试验燃料为三号航空煤油(RP3)，其理化特性如表3所示。

表3 试验燃料主要物性参数

1.2 空气辅助雾化系统

图2为空气辅助喷油器内部结构简图，图3为空气辅助喷射控制波形图。如图3所示，空气由进气口进入并充满混合腔。在接收到单片机发出的5 V下降沿触发信号后，经过短暂喷油延时(约1 ms)，在喷油脉宽时间内，燃油经进油口流入喷油器，然后经燃油喷嘴进入混合腔，与压缩空气进行混合，完成初次破碎。经油气间隔时间(约1 ms)后，燃油和空气的混合气经空气喷嘴以高速气流喷入定容弹内，由于空气的膨胀作用促进液滴破碎及燃油雾化。燃油电磁阀和空气电磁阀则分别控制喷油脉宽和喷气脉宽的数值。为了保证燃油可以喷入混合腔内，喷油压力应高于喷气压力。

图2 空气辅助喷射结构图

图3 空气辅助喷射控制信号

2 参数定义及发动机运行工况

为了分析发动机燃烧过程，需要通过分析燃烧分析仪采集到的缸压数据得到发动机缸压的一系列参数，方便进行燃烧分析主要有：平均指示压力(indicated mean effective pressure， IMEP)、指示燃油消耗率(indicated specific fuel consumption， ISFC)、放热率(heat release rate， HRR)、主燃烧相位(CA50)、爆震强度(maximum amplitude pressure oscillations， MAPO)、平均爆震强度、爆震发生概率，具体物理定义及计算方法如下所示。

IMEP指单位气缸容积在一个循环所做的指示功，如式(1)所示。通过计算IMEP可以对不同工作容积的发动机工作循环热工转换有效程度进行比较。

(1)

式中，Wi为发动机一个循环的指示功；p和V分别为缸内压力和燃烧室的容积。Wi可通过p-V图对燃烧循环(曲轴转角-360°到360°)进行积分计算得到。

ISFC指单位指示功的耗油量，通常用每千瓦时指示功所消耗的燃料质量即g/(kW·h)表示。

进行发动机试验，一般都需要分析缸内燃烧过程，进行放热率HRR计算。放热率的计算主要是根据热力学第一定律的标准单区放热模型进行分析[18-19]，计算公式如式(2)所示。

(2)

式中，Q为燃烧放出的热量；γ为热容比；θ为曲轴转角。

主燃烧相位(CA50)指已燃燃料的质量分数为50%时所对应的曲轴转角，能够较好地反映发动机燃烧过程的能量分布。

对于爆震强度的评价，目前应用最为广泛的是压力震荡的最大幅值(maximum amplitude of pressure oscillations, MAPO)，该评价指标直接反映爆震的最大破坏性[20]。MAPO通过滤波后缸压绝对值的最大值计算得到，其数学表达式为：

(3)

式中，pMAPO为压力震荡的最大幅值；v为压力震荡的带通滤波信号；A为发生爆震时曲轴转角；B为压力震荡结束时对应的曲轴转角。

平均爆震强度用来判定一个工况是否发生爆震，通常需要上百个燃烧循环的爆震强度进行综合判定，本文中以200个循环的爆震强度的算术平均值作为爆震评价指标，超过0.1 MPa时判定为爆震工况。

爆震发生概率定义为爆震循环总数占所有燃烧循环(200个循环)的百分比，当爆震超过10%可以明显听到爆震的敲击声，造成发动机的损坏，平均爆震强度设定阈值为0.1 MPa。

试验时，冷却剂和润滑油的温度分别保持在 75 ℃ 和85 ℃。通过调整循环喷油量来保证当量比为 1.00±0.01，待发动机稳定工作后记录发动机的相关参数如功率、燃油消耗率等，每个工况点采集200个循环缸内压力数据。为了使数据更加可靠，每个工况点进行3次试验。文中统一用点火提前角来表示点火时刻，以上止点作为参照点，点火提前角正数表示上止点前，点火提前角负数表示上止点后。点火从正常燃烧扫描到发动机出现爆震为止，通过数据分析找出最大制动转矩(maximum braking torque， MBT)时刻。表4为试验中发动机详细运行参数。

表4 发动机详细运行参数表

3 试验结果及分析

3.1 双点火对航空煤油发动机性能的影响

双点火可以有效提高火焰传播速率，提前燃烧相位，从而提升发动机性能，被广泛应用于发动机上，但双点火对于航空煤油的性能影响仍需进一步验证。压缩比(compression ratio， CR)设置为6。

图4为使用单点火和双点火发动机的缸压放热率对比，可以看出，采用双点火时的最高燃烧压力相较于单点火约增加了0.5 MPa，峰值放热率也高于双点火，CA50提前了约10°。

图4 单点火与双点火缸压及放热率对比

图5为单点火与双点火200个循环IMEP散点图。双点火时循环变动率为3.27，明显小于单点火时的5.03。这说明双点火使缸内平均指示压力分布更为集中，循环变动系数小，使得航空煤油燃烧更加稳定。综上所述，采用双点火的方式可以有效地提高航空煤油的火焰传播速率，有一定的抑制爆震的作用，还可以降低循环波动。

图5 单点火与双点火200个循环IMEP散点图

3.2 降低压缩比对性能及爆震的影响

通过降低压缩比的方式抑制航空煤油爆震，从而拓宽航空煤油燃烧的负荷区间。图6、图7表示不同压缩比条件下空气辅助雾化航空煤油的动力性及经济性。试验结果表明，通过降低压缩比至7以下，可以实现发动机全负荷运行，减轻航空煤油的爆震倾向。

图6 不同压缩比对空气辅助雾化航空煤油动力性的影响

图7 不同压缩比对空气辅助雾化航空煤油经济性的影响

由图6可知，在不同压缩比条件下，IMEP均随点火提前角增大而线性增加。在压缩比为8时负荷区间拓宽有限，最大IMEP仅为0.491 MPa，点火提前角为-4°，点火时刻较晚，此时活塞在下行阶段导致大量的热量无法在上止点附近释放，使得燃烧效率下降，动力性下降。当压缩比为7时，此时发动机可以全负荷工作，最大IMEP为0.791 MPa,点火提前角为-4°、-2°和0°，仍然会使得大量的热量无法在上止点附近释放，造成燃烧效率下降，并且在压缩比为7时出现爆震的概率会增加,后面会详细分析。在压缩比为6时，最大IMEP为0.782 MPa,点火提前角为6°、8°和10°，相较于压缩比7和8时更多的热量会集中活塞下行初期释放，燃烧效率提高。

由图7可知，在不同压缩比条件下，随着点火提前角增大，ISFC均逐渐减小，最低油耗工况为在压缩比为7时MBT点火时刻，为316 g/(kW·h)，因此从动力性及经济性考虑压缩比为7时发动机性能最好。

图8为不同压缩比下平均爆震强度随点火时刻的变化。可以看出，随着点火提前角增大，平均爆震强度不断增加，压缩比由7降为6时，临界爆震工况点由2°提前到-8°曲轴转角，说明降低压缩比起到了抑制爆震的作用。

图8 不同压缩比下平均爆震强度

图9为不同压缩比下200个循环MAPO散点图，图10为不同压缩比MBT点火时刻下爆震概率分布情况。可以看出，压缩比由8降低到7，由于负荷区间从15%负荷拓宽到全负荷，导致了压缩比虽然降低，但爆震循环所占百分比由28.5%增加至62.0%；当压缩比下降到6时，此时发动机由于压缩比的下降，末端混合气不易自燃，平均爆震强度下降，爆震循环只占6.5%，为正常燃烧工况，且点火提前角为10°，发动机燃烧相位更为提前，更多的热量会在活塞下行初期释放。

图9 不同压缩比下200个循环MAPO散点图

图10 不同压缩比MBT点火时刻下爆震概率分布

在压缩比为7时，动力性及经济性综合性能最优，MBT点火时刻下，爆震循环所占百分比达到了62.0%，判定该工况为爆震工况，长期工作在爆震工况可能会影响发动机使用寿命。在压缩比为6时，动力性、经济性仅次于压缩比为7时，但不易发生爆震，对发动机的损害较小。

综上所述，降低压缩比是目前实现航空煤油全负荷运行的必要手段，但会导致热效率降低。研究更高效的爆震抑制手段，提高航空煤油发动机的热效率，是下一步工作的重点。

3.3 CO2辅助喷射对发动机性能及爆震的影响

压缩比设置为6，将辅助喷射的气体换为CO2时，不同CO2喷射脉宽对动力性和经济性的影响见图11、图12。可以看出，MBT点火时刻下，随着CO2喷气脉宽从3 ms增加到9 ms，IMEP提升至0.779 MPa，但始终没有超过5 ms空气辅助喷射的IMEP；ISFC从336 g/(kW·h)逐渐降低到了 327 g/(kW·h)，相较于5 ms空气辅助喷射经济性提高了1.8%，这说明将辅助喷射气体由空气更换为CO2，对提高发动机的动力性没有帮助，但是可以提高经济性。而且随着CO2喷气脉宽的增加，可以实现将MBT点火时刻从-10°提前到-14°曲轴转角，即点火提前角由10°变为14°。

图11 不同CO2喷射脉宽对动力性的影响

图12 不同CO2喷射脉宽对经济性的影响

产生这些现象的主要原因为：CO2是一种高比热容气体，采用CO2辅助航空煤油喷射时，在促进雾化的同时也有效提高了缸内工质比热容，使得发动机缸内燃烧温度降低，因此平均指示压力随着CO2的增加而降低，动力性下降；此外，由于CO2可以降低缸内燃烧温度，有抑制爆震，MBT点火时刻可进一步提前，改善因航空煤油燃烧速度慢导致的燃烧相位靠后的问题，发动机效率提高，从而使经济性提高。

为了进一步深入分析不同CO2喷射脉宽对爆震的影响，如图13所示，分析了不同CO2喷射脉宽对爆震发生概率的影响。可以看出，随着CO2喷射脉宽的增加，在同一点火提前角时爆震发生概率下降，CO2抑制爆震的效果明显，这主要是由于CO2显著降低了缸内燃烧温度。图14为不同CO2喷射脉宽对平均爆震强度的影响，可以看出随着CO2喷射脉宽的增加，平均爆震强度降低，并且平均爆震强度几乎都低于0.1 MPa，为正常燃烧工况,结合图13来看，虽然部分爆震发生概率较高，但发生爆震强度并不高。

图13 不同CO2喷射脉宽下爆震发生概率

图14 不同CO2喷射脉宽下平均爆震强度

图15为MBT点火时刻下，空气与CO2辅助喷射时缸压及放热率对比，可以看出相较于空气，CO2辅助喷射航空煤油的缸内压力及放热率均略微下降。随着CO2喷射脉宽从3 ms增加至9 ms，一方面由于喷射脉宽的增加，抑制爆震的效果明显，缸内压力及放热率呈下降趋势，另一方面由于CO2抑制爆震作用，点火提前角可以进一步提前，使得燃烧相位更为提前，缸内压力有上升的趋势，二者综合使得CO2喷射脉宽9 ms缸内压力略有增加，其他脉宽缸内压力基本一致，峰值放热率随CO2喷射脉宽增加而下降。