郭凌崧 王 昊 黃克菲

（1-天津大學內燃機研究所 天津 300072 2-天津摩托車質量監(jiān)督檢驗所）

引言

航空活塞式發(fā)動機的制造簡單，使用經濟，技術成熟，是250 kW以下輕小型航空器的主要動力裝置。航空活塞式發(fā)動機目前使用的傳統(tǒng)航空燃料包括航空汽油和航空重油。航空汽油的燃燒性、霧化混合性以及低溫流動性均較好，是目前航空活塞式發(fā)動機的主要燃料。但航空汽油的閃點低，飽和蒸氣壓高，易揮發(fā)，遇明火及其它意外情況時很容易發(fā)生爆炸和燃燒，安全性較差，油料管理難度大，使其應用特別是在軍用領域受到限制。

航空重油專指煤油型和柴油型燃油。航空重油具有較高的閃點和揮發(fā)溫度，安全性高易于存儲并便于油料統(tǒng)一管理等優(yōu)點，在輕小型航空器，特別是無人機領域的應用受到越來越高的重視，呈現(xiàn)快速發(fā)展的趨勢。

1 航空燃料的基本特點

典型航空汽油、航空煤油和輕柴油的理化特性比較如表1所示。

通過對標準燃油指標的比較可得出：

1）燃燒性能方面。航空煤油與航空汽油的凈熱值、密度及能量密度基本相當；輕柴油的凈熱值最低而密度最高，能量密度最低。

2）流動性方面。以海平面（海拔高度為0）的氣溫為288.15K（15℃）時為例，當海拔高度升至5 000 m時環(huán)境氣溫即降至255.68 K（-17.47℃），航空煤油與航空汽油的冰點及運動粘度相對接近且非常低；輕柴油的低溫流動性相對于航空汽油則明顯變差。

3）揮發(fā)性方面。由閉口閃點和蒸發(fā)溫度來看，航空汽油的揮發(fā)性最好，航空煤油適中，輕柴油最差。

表1 航空汽油、航空煤油和輕柴油的理化特性比較（注）

表2 航空汽油與車用汽油的特性比較

2 航空燃料與相近燃料的特性對比

與目前常用航空燃料較為接近的傳統(tǒng)燃料包括：車用汽油、車用柴油（輕柴油）、普通煤油，以及專業(yè)領域中的軍用柴油和艦用柴油。

2.1 航空汽油與車用汽油

航空汽油與車用汽油的理化特性比較如表2所示。

2.2 航空煤油與普通煤油

航空煤油與普通煤油的理化特性比較見表3。

2.3 軍用柴油及艦用柴油

輕柴油、軍用柴油和艦用柴油的理化特性比較如表4所示。

從表3、表4對比來看，航空燃料與其對應的傳統(tǒng)燃料（包括專業(yè)領域燃料）相比，主要性能基本相當，且具有更高的品度和更好的抗爆性與環(huán)保性；在柴油方面則輕柴油在流動性、密度和能量密度等項指標方面更具有優(yōu)勢。因此，普通的傳統(tǒng)燃料僅能作為對航空燃料的臨時性有限替代。

表3 航空煤油與普通煤油的特性比較

表4 輕柴油、軍用柴油和艦用柴油的特性比較（注）

3 航空重油的應用研究進展

航空活塞式發(fā)動機燃用重油的研究主要集中在二沖程點燃式活塞發(fā)動機和四沖程壓燃式活塞發(fā)動機。國外的研究工作開展較早且已有一定的產品應用；國內目前主要還集中在理論研究與可行性分析方面，包括北京交通大學、西北工業(yè)大學、中南大學、清華大學、天津內燃機研究所及南京航空航天大學等研究單位與山河智能等企業(yè)都做了大量的探討和研究。

3.1 點燃式發(fā)動機燃用重油的研究進展

點燃式發(fā)動機燃用重油的優(yōu)點是：

具有較高的功重比，結構簡單，易于油料換裝。

點燃式發(fā)動機燃用重油的缺點是：

1）熱效率低，燃油消耗率和溫室氣體排放量高。

2）理論空燃比的控制難度較大。

3）起動困難，可靠性較差，存在爆震傾向。

4）存在電磁兼容問題。

目前的研究進展主要有：

1）同等初始進氣壓力下，航空汽油的最小點火能量最低，輕柴油所需的最小點火能量最高；最小點火能量隨初始進氣壓力的增加而增大；混合氣較稀時，輕柴油比航空煤油容易點燃；混合氣較濃時，航空煤油比輕柴油容易點燃。

點燃式發(fā)動機燃用輕柴油時，適當提前噴油定時，推遲點火以及引入EGR都能使爆燃傾向減小；當點火能量過小或噴油定時過早都會出現(xiàn)失火現(xiàn)象[9]。

2）同等初始條件下，航空重油混合氣的點火延遲角、點火持續(xù)期、火焰發(fā)展期和快速燃燒期均大于航空汽油；加大初始湍流強度對加速航空重油燃燒時的火焰發(fā)展，提高缸內平均壓力有明顯的促進作用[10]。

3）航空重油燃燒時發(fā)動機缸內平均壓力低于燃用航空汽油，且最高燃燒壓力出現(xiàn)時間比航空汽油晚[11]。

因此，點燃式活塞發(fā)動機燃用航空重油時，需要提高點火能量，適度增大點火提前角，并適當提高初始湍流強度。當發(fā)動機在溫度較低時燃用航空重油還需要對燃油以及燃燒室進行預熱。

二沖程發(fā)動機在點燃式航空活塞發(fā)動機占主導地位。二沖程發(fā)動機主要采用化油器和缸內直噴的工作方式。在缸內直噴方式中以空氣輔助噴射技術（AADI）應用最為廣泛（如圖1所示）?？諝廨o助噴射系統(tǒng)的燃油與空氣通過二次混合后噴入氣缸內，借助空氣輔助噴嘴的高壓使油束充分分裂并霧化，燃油的索特平均直徑（SMD）可達5～8μm，即使對蒸發(fā)性較差的重油燃料也能獲得極小的重油燃料顆粒，使重油燃料也能快速蒸發(fā)，達到良好的霧化效果，改善發(fā)動機冷起動性能，提升燃油經濟性和排放性能。

圖1 空氣輔助噴射噴油器結構示意圖

但空氣輔助燃油噴射系統(tǒng)使發(fā)動機結構變復雜，從而在一定程度上限制了該技術的進一步發(fā)展及應用。

四沖程發(fā)動機則是以高壓共軌燃油噴射為主要措施。高壓燃油噴射系統(tǒng)（HPDI）直接將高壓燃油噴入氣缸內（如圖2所示）。利用高壓力的作用，使得燃油在離開噴嘴時，油束進行分裂、霧化，加快燃油蒸發(fā)速度。優(yōu)點是噴油速率較高，可以在更短的時間內將燃油量噴射完畢，有利于高速大負荷工況下推遲缸內噴油開始時刻，提高爆震極限條件的恢復功率，同時改善發(fā)動機燃油經濟性能。高壓燃油噴射系統(tǒng)的缺點是重油燃料噴射霧化的粒徑較粗，油束貫穿距離大，油束貫穿速率高，容易造成活塞頂面油膜堆積，使火花塞電極沾濕，不利于冷起動和低速小負荷工況下的穩(wěn)定燃燒。表5列出了國外燃用航空重油的典型點燃式活塞發(fā)動機的主要參數(shù)。

圖2 Bosch公司共軌系統(tǒng)（CRS）

表5 國外典型重油點燃式活塞發(fā)動機主要參數(shù)

3.2 壓燃式發(fā)動機燃用重油的研究進展

壓燃式航空活塞發(fā)動機燃用重油的優(yōu)點是：

1）過量空氣系數(shù)大，熱效率高，燃油消耗率低，爆震傾向小，續(xù)航能力強。

2）零件數(shù)量少，電磁兼容性較好，可靠性高。

3）轉速低，轉矩大，功率覆蓋范圍大，減速器質量輕，甚至可直接驅動螺旋槳。

壓燃式重油航空活塞發(fā)動機的缺點是：

1）功重比低。

2）振動噪聲大，尤其在低轉速段的振動噪聲明顯高于點燃式發(fā)動機。

3）冷起動困難。

當前車用柴油發(fā)動機技術相當成熟，但車用柴油發(fā)動機并不能直接用于航空器，主要是航空器的設計對動力裝置有著苛刻的要求，如必須具有較高的功重比，最優(yōu)布局下的外形設計，輕量化前提下的高可靠性等。國內對壓燃式活塞發(fā)動機燃燒航空重油所進行的研究和相關報道相對較少。

相關研究表明，壓燃式重油航空活塞發(fā)動機的功率覆蓋范圍較寬，功重比多數(shù)分布于1 kW/kg左右，整體水平低于點燃式方案；較成熟產品以四沖程發(fā)動機為主。圖3是國外重油航空點燃式與壓燃式活塞發(fā)動機功率覆蓋范圍與功重比的對比統(tǒng)計[12]。表6是國外典型重油壓燃式活塞發(fā)動機主要性能參數(shù)。

圖3 國外重油航空活塞發(fā)動機功率覆蓋范圍和功重比

表6 國外典型重油壓燃式活塞發(fā)動機主要性能參數(shù)

目前的研究表明，輕小型航空壓燃式發(fā)動機使用航空重油后具有如下特點：

1）較大的噴油提前角

航空壓燃式發(fā)動機的燃燒相對于普通發(fā)動機更靠近上止點，燃燒熱效率較高。在一定的變化范圍內，航空壓燃式發(fā)動機具有功率隨著噴油提前角的增大而增大，燃油消耗率隨著噴油提前角的增大而減小的趨勢。

噴油提前角過小會使噴油延遲，燃燒滯后，加重后燃；航空發(fā)動機多采用風冷，散熱效率普遍低于液冷，因此會增加發(fā)動機的熱負荷。但過大的噴油提前角會導致發(fā)動機的功率隨著噴油提前角的增大反而減小，燃油消耗率隨著噴油提前角的增大也隨之增大的趨勢，同時NOx排放量也明顯增加[13]。

2）較高的燃油噴射壓力

由于缸徑小，轉速高，因此需要更高的燃油噴射壓力。燃油噴射壓力高，油束貫穿度大，燃油與燃燒室壁面碰撞的現(xiàn)象比普通柴油機強烈得多，撞壁燃油的蒸發(fā)以及壁面堆積燃油的擴展霧化在整個燃油蒸發(fā)過程中占很大比例，對燃燒質量有重要的影響[14]。

3）較強的缸內空氣擾動

由于結構限制無法進一步提高壓縮壓力和壓縮比，因此依靠較強的缸內氣體流動（進氣渦流、擠流和滾流，如圖4所示）以及提高進氣壓力來促進油氣混合，加速均勻混合氣在燃燒室內的形成和燃燒[14]。

圖4 TKDI600發(fā)動機螺旋進氣道仿真模型

壓燃式航空活塞發(fā)動機燃用重油需要掌握的關鍵技術包括：

1）通過優(yōu)化設計提高功重比。

2）對燃油或缸體進行高效穩(wěn)定的預熱。

3）應用電控技術、高壓噴射技術以及可調壓比的增壓技術等。

3.3 其它形式活塞發(fā)動機的研究進展

燃燒航空重油的其它形式活塞發(fā)動機還包括轉子發(fā)動機和對置活塞發(fā)動機。

出于對高功重比的無限追求，美國、德國和英國都投入了很大力量研究燃用重油，特別是燃用柴油的航空轉子發(fā)動機。中國科學院力學研究所、中國機械科學研究院、天津內燃機研究所等國內研究院所也先后提出了低壓縮比火花點火柴油轉子發(fā)動機、多種燃料轉子發(fā)動機以及采用高壓共軌電控燃油噴射（如圖5所示）、兩級點火、分層燃燒等多項新技術的柴油轉子發(fā)動機。

圖5 高壓共軌噴油器結構示意圖

使用航空重油的轉子發(fā)動機的主要技術優(yōu)勢是功重比高，振動小，但燃料消耗率相對大，機件易磨損，加工難度大，壽命較短。

對置活塞發(fā)動機（OPOC）本身近似于二沖程柴油機，設計使用燃料就是柴油。對置活塞發(fā)動機相比傳統(tǒng)壓燃重油發(fā)動機，其功重比得到有效提髙，且結構簡單，質量輕，設計制造成本低，使用耐久性大大提高。其他形式重油活塞發(fā)動機的典型機型如表7所示。

表7 典型其他形式重油活塞發(fā)動機主要參數(shù)

4 結束語

1）航空重油具有閃點高，飽和蒸氣壓低的特點，不易揮發(fā)，安全性好，適于軍、民用領域，特別適于艦船上的輕小型航空器應用。

2）航空煤油具有與航空汽油相近的凈熱值與能量密度，相對適中的低溫流動性和霧化蒸發(fā)性。既可用于點燃式發(fā)動機也可用于壓燃式發(fā)動機，而且是多種航空渦輪發(fā)動機的通用燃料，具有良好的適用性、安全性和通用性，是目前綜合指標最好的航空燃料。

3）輕柴油的安全性和管理方便性非常好，但較高的著火能量、相對較差的低溫流動性和油氣混合質量，在普及應用以及對航空汽油的替代方面需慎重考慮。

4）在可見未來，使用航空重油的點燃式發(fā)動機仍將是輕小型航空器最基本的動力裝置；使用航空重油的壓燃式發(fā)動機、轉子發(fā)動機等其他形式發(fā)動機將是重要組成部分；使用航空重油的水平對置活塞發(fā)動機以其功重比高，經濟性好，結構簡單，安全可靠等突出優(yōu)點，將成為今后輕小型航空動力發(fā)展的重要方向。

1 中國石油化工集團公司.GB 1787-2008航空活塞式發(fā)動機燃料[S].北京：中國標準出版社，2008

2 中國石油化工集團公司.GB 6537-2006 3號噴氣燃料[S].北京：中國標準出版社，2007

3 國家能源局.GB 19147-2016車用柴油（VI）[S].北京：中國標準出版社，2016

4 全國能源基礎與管理標準化委員會.GB/T 2589-2008綜合能耗計算通則[S].北京：中國標準出版社，2008

5 國家能源局.GB 17930-2016車用汽油（VI）[S].北京：中國標準出版社，2016

6 中國石油化工集團公司.GB 253-2008煤油[S].北京：中國標準出版社，2008

7 石油化工科學研究院.GJB 3075-1997軍用柴油規(guī)范[S].北京：總裝備部軍標出版發(fā)行部，1997

8 北京石油化工科學研究院.GJB 2913A-2004軍艦用燃料油規(guī)范[S].北京：總裝備部軍標出版發(fā)行部，2005

9 李蘇琪.點燃式重油發(fā)動機混合氣形成與燃燒過程的研究[D].北京：北京交通大學，2015

10莫勝鈞.小型航空點燃式重油活塞發(fā)動機點火及火焰?zhèn)鞑ヌ匦缘哪M研究[D].北京：北京交通大學，2012

11石允.小型點燃式二沖程重油發(fā)動機混合氣形成的模擬研究[D].北京：北京交通大學，2012

12馮光爍，周明.重油航空活塞發(fā)動機技術路線分析[J].清華大學學報（自然科學版），2016，56（10）：1114-1121

13李長勝.小型高速航空重油活塞發(fā)動機混合氣形成及燃燒特性的研究[D].北京：北京交通大學，2014

14雒先.小型高速航空柴油機混合氣形成的仿真分析[D].北京：北京交通大學，2011