朱呈祥 楊日炯

（廈門大學航空航天學院 福建 廈門 361005）

引言

隨著我國低空空域的逐步開放，通用航空作為一項極具吸引力與發(fā)展前景的新興產(chǎn)業(yè)，已得到越來越多的企業(yè)和研究機構的關注，質量輕、體積小、功率高、結構簡單且經(jīng)濟性好的活塞發(fā)動機將擁有巨大的市場需求。然而，國內(nèi)的活塞發(fā)動機研發(fā)起步較晚，在可靠性、產(chǎn)品類型、數(shù)控系統(tǒng)等方面仍有不少關鍵技術問題需要攻克。在航空燃料的單一化發(fā)展趨勢下，重油活塞發(fā)動機將是未來活塞發(fā)動機的一個主要發(fā)展方向。本文著重分析了重油活塞發(fā)動機的相關燃燒關鍵技術，包括發(fā)動機點火技術、燃料噴射霧化技術以及燃燒技術等，總結了重油活塞發(fā)動機的技術現(xiàn)狀及未來發(fā)展趨勢。

1 發(fā)動機點火技術

根據(jù)燃料著火方式的不同，活塞發(fā)動機主要分為點燃式與壓燃式兩類。點燃式發(fā)動機的實際工作循環(huán)可等價為等容加熱循環(huán)（Otto循環(huán)），壓燃式發(fā)動機的實際工作循環(huán)則可等價為等壓加熱循環(huán)（Diesel循環(huán)）。壓燃式發(fā)動機雖然也會面臨冷啟動的問題，但利用一般的電熱塞技術就可以很好地解決。所以，活塞發(fā)動機的點火技術問題主要體現(xiàn)在利用火花塞點火的點燃式發(fā)動機上。目前，點燃式發(fā)動機的先進點火技術主要有雙火花塞點火技術和高能點火技術等。

1.1 雙火花塞點火技術

點燃式活塞發(fā)動機由單火花塞技術向雙火花塞技術的發(fā)展升級，不僅很好地保證了點火的可靠性，同時還有效地提升了發(fā)動機的高空性能。目前，國內(nèi)外對雙火花塞技術的研究與應用已相對成熟。

Hillyer等人[1]以福特PROCO車用發(fā)動機為研究對象。研究結果表明，使用分層充氣技術與雙火花塞點火技術可以使發(fā)動機在稀混合氣和高EGR的情況下實現(xiàn)穩(wěn)定燃燒，并且還能在一定程度上減少CO、HC等污染物的排放量。

自2003年開始，德國寶馬公司在新型R110S、R1150GS、R1150R、R1150RS和 R1150RT 等雙缸摩托車上應用雙火花塞點火技術，進一步改善了尾氣排放質量，提高了燃燒穩(wěn)定性，實現(xiàn)了發(fā)動機在較大的轉速范圍內(nèi)有較好的燃燒放熱一致性[2]。

重慶大學的黃琪[3]等人基于車用汽油機雙火花塞點火研究設計了一種能適應多工況的三段式速燃VVT系統(tǒng)，該系統(tǒng)可實現(xiàn)不同工況下的配氣定時優(yōu)化，并且雙火花塞能夠根據(jù)工況條件自動實現(xiàn)單點火、同相點火或異相點火。研究結果表明，雙火花塞點火有助于加速燃燒，在明顯燃燒期（發(fā)動機燃燒室內(nèi)從火焰中心形成到火焰?zhèn)鞑ブ寥紵┒说倪^程）內(nèi)雙火花塞點火燃燒鋒面（預混氣體的反應區(qū)）、燃燒體積等指標均優(yōu)于單火花塞點火；而且雙火花塞點火溫度升高較快、最高溫度也大于單火花塞點火。

裝甲兵技術學院的陳明飛等人[4]在一臺四沖程車用發(fā)動機上進行的單、雙火花塞性能對比試驗表明，采用雙火花塞技術，不但可以通過雙火花塞同時點火來提高發(fā)動機著火概率，保證發(fā)動機著火的可靠性，還提高了循環(huán)的等容度和循環(huán)熱效率，降低了散熱損失，從而提高了發(fā)動機的動力性能。

天津內(nèi)燃機研究所的閻希成等人[5]對一臺采用電控燃油噴射技術的國產(chǎn)摩托車發(fā)動機上的點火系統(tǒng)進行了改造，實現(xiàn)了雙火花塞點火，并研究了摩托車在ECER40排放循環(huán)下的發(fā)動機尾氣排放特征。研究結果表明，雙火花塞點火系統(tǒng)配合點火提前角優(yōu)化，可明顯降低摩托車啟動初期的HC、CO排放，但NOx排放略有上升。

雙火花塞點火技術盡管在車用汽油機和摩托車用汽油機上應用不多，但在航空發(fā)動機上應用已比較成熟。航空發(fā)動機應用雙火花塞點火系統(tǒng)已有將近四十年的歷史，其中，ROTAX系列高空汽油機是應用雙火花塞點火技術成功的典范。該系列發(fā)動機采用具有噪聲抑制功能的雙火花塞無觸點電容式點火系統(tǒng)，怠速時2個火花塞同時點火，目的是加快發(fā)動機在高空運行時的缸內(nèi)火焰?zhèn)鞑ニ俣?，提升高空汽油機的高空動力性和經(jīng)濟性。該系列發(fā)動機已逐步應用到“捕食者”、“猛禽”、“彩虹”等系列無人機上[6]。

1.2 高能點火技術

一般情況下，點火系統(tǒng)的初級儲能級達到100 mJ左右即可定義為高能點火。相對于傳統(tǒng)點火技術，高能點火技術提高了點火能量，從而提高了燃燒的速率與效率，擴大了空燃比，進而可實現(xiàn)超稀混合氣燃燒，達到提高發(fā)動機的動力性、經(jīng)濟性以及降低排氣污染物的目的。車用汽油機的高能點火技術在世界先進國家已應用多年，現(xiàn)已發(fā)展到用微機控制點火,部分已采用直接點火系統(tǒng)。壽命長、工作可靠且不需周期性維護保養(yǎng)的全晶體管高能電子點火系統(tǒng),20世紀70年代即在美國、日本、蘇聯(lián)等國家使用。例如,美國克萊斯勒公司在1971年開始使用全晶體管電子點火系統(tǒng),并在1972年推廣應用于克萊斯勒的許多型號發(fā)動機上，使這一新的科研成果很快轉化為生產(chǎn)力,形成產(chǎn)業(yè)化。但我國的高能點火技術產(chǎn)業(yè)化程度和普及率遠遠低于工業(yè)發(fā)達國家[7]。

雖然國內(nèi)高能點火技術的應用還相對較少，但對高能點火技術的研究已有一定成果。

天津大學內(nèi)燃機研究所的劉建等人[8]針對摩托車單缸汽油機設計開發(fā)了高能點火裝置。試驗證明,大幅度提高點火能量,有利于火核的形成，從而可以拓寬混合氣的燃燒極限。強大的點火能量,可以保證火核生長快,不失火,從而提高發(fā)動機的動力性、經(jīng)濟性和降低排氣污染。

天津大學的劉迎澍等人[9]將高能點火系統(tǒng)應用到CG125汽油機上進行了研究。試驗結果表明，采用高能點火系統(tǒng)以后，不僅降低了油耗，還在一定程度上提高了發(fā)動機的輸出功率和轉矩，而且這種優(yōu)勢在發(fā)動機整個工作轉速范圍內(nèi)都比較明顯，特別是在低速區(qū)油耗降低更加明顯。

南京航空航天大學的吳恩會等人[10]把RCC變換器應用到航空發(fā)動機的直流高能點火系統(tǒng)中，保證了航空發(fā)動機直流高能點火可靠工作。

天津大學的邊靖洲等人[11]針對目前高能點火器主要使用振子式與晶體管式的設計方式存在可靠性和工作壽命受限制的問題，設計了一種基于脈寬調制原理的集成電路式新型穩(wěn)頻直流高能點火器，不僅使航空發(fā)動機點火器實現(xiàn)了從模擬電路到數(shù)字電路的轉變，還解決了航空點火器頻率不穩(wěn)的問題，并開發(fā)出了一種更為安全可靠的放電電路，有效地提高了航空發(fā)動機點火器的可靠性和使用壽命。

2 噴射霧化技術

在汽油機中使用的燃油噴射方式主要有：低壓進氣歧管噴射、低壓半直接噴射、高壓缸內(nèi)直接噴射、壓縮空氣輔助噴射等。其中，低壓半直接噴射、高壓缸內(nèi)直接噴射與壓縮空氣輔助直噴技術目前在國外的應用比較成熟。

2.1 低壓半直接噴射

低壓半直接噴射技術是奧地利AVL公司的Laimbock等人[12-13]提出的一種將噴油器布置在掃氣口的噴射技術。根據(jù)噴油器的不同噴射位置及方向提出4種噴射方案，在各方案中對掃氣口的高度進行調整，使噴油器所在掃氣口先于其他掃氣口開啟。將噴油器布置在掃氣口，可以利用掃氣氣流加速噴油嘴的冷卻，防止積碳的產(chǎn)生。試驗表明，半直接噴射系統(tǒng)通過合理優(yōu)化噴油，可有效減少二沖程發(fā)動機的掃氣損失，提高燃油經(jīng)濟性。

吉林工業(yè)大學的羅滇生等人[14]研制了一套適用于二沖程汽油機的電控半直接噴射系統(tǒng)。試驗表明，噴油時刻對于降低燃油消耗率有很大影響，小負荷時必須對噴油時刻進行精確控制；采用電控低壓半直接噴射系統(tǒng)后，發(fā)動機在全負荷時的燃油消耗率下降明顯，功率與轉矩稍有增加。

2.2 高壓缸內(nèi)直噴技術

活塞發(fā)動機缸內(nèi)直噴技術的工作原理與高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)相類似，但活塞發(fā)動機缸內(nèi)直噴系統(tǒng)的油軌壓力遠低于高壓共軌系統(tǒng)。缸內(nèi)直噴技術可實現(xiàn)對燃油的精確控制，并能通過提升壓力來實現(xiàn)燃油霧化質量的提高，從而提高發(fā)動機的動力性，大幅改善燃油經(jīng)濟性。重油的揮發(fā)性差，缸內(nèi)直接噴射有利于重油燃料的噴射霧化；重油的辛烷值低，使用缸內(nèi)直噴技術，可以通過控制噴油提前角來實現(xiàn)對爆震的控制[15]。

高壓旋流噴射是高壓直噴技術中的典型代表，在高壓旋流噴射系統(tǒng)（如圖1所示）中，受到高壓作用的燃油通過切向入口進入噴嘴內(nèi)部旋流腔，從而產(chǎn)生渦流，渦流使空氣與噴霧的相互作用增強，并且使燃油的霧化蒸發(fā)速率加快。燃油由于離心力的作用積聚在旋流腔的壁面上，從而產(chǎn)生氣液分離，氣體在噴孔中心形成空氣卷吸現(xiàn)象，液體則以液膜形式緊貼噴孔壁面噴出。同時，切向的旋轉動量限制了噴霧的貫穿距離，減少了濕壁現(xiàn)象的發(fā)生[16]。受結構限制，結構緊湊的二沖程發(fā)動機很難布置高壓共軌系統(tǒng)。

Heimberg[17]在1993年提出了一種新型無需高壓油泵的FICHT壓力沖擊噴射系統(tǒng)（FICHT pressure surge injection system）。該系統(tǒng)主要利用低壓油泵產(chǎn)生的流體動能，通過控制噴油器內(nèi)撞針使燃油在噴嘴處突然減速，將其動能轉變?yōu)閴毫⑷加蛧姵觥?/p>

加拿大Bombardier公司的Strauss[18]于2003年對該系統(tǒng)進一步優(yōu)化，開發(fā)出了噴射壓力更高的ETEC噴油系統(tǒng)，采用外開式旋流噴嘴，使燃油粒徑的分布更加均勻，針閥升程進一步減小，最終實現(xiàn)了對噴油量的精確控制。與FICHT噴油器相比，該系統(tǒng)噴霧的索特平均直徑SMD及DV90分別降低了38%和50%。

圖1 高壓直噴系統(tǒng)的旋流式噴油器結構示意圖

2.3 壓縮空氣輔助直噴技術

20世紀90年代，以澳大利亞Orbital公司為代表的多家研究機構先后提出了低壓空氣輔助噴射系統(tǒng)，為二沖程缸內(nèi)直噴技術帶來了革命性的發(fā)展[19-21]。該系統(tǒng)的主要特征是噴油器上部的燃油噴嘴將燃油以一定壓力輸送到下部的儲氣腔中，充分利用燃油與壓縮空氣的相互作用進行預混，然后將油氣混合物直接噴入燃燒室中。由燃油噴嘴實現(xiàn)燃油的計量，由混合氣噴嘴執(zhí)行噴油，二者相互獨立。因此，可以通過調節(jié)燃油噴嘴與混合氣噴嘴開啟的時間差來控制燃油和壓縮空氣的混合時間，從而提高混合氣質量。該類預摻混系統(tǒng)的噴霧特性對缸內(nèi)壓力十分敏感，壓力的高低直接決定最終的噴霧角及燃油液滴直徑。壓縮空氣輔助直噴技術對燃油的適應性較強，粘度較大的重油燃料仍可以保證良好的霧化效果。試驗中，煤油霧化粒徑可達到5～12μm。

2.4 電控燃油噴射技術

按照驅動方式的不同，發(fā)動機的供油方式可以分為機械噴射系統(tǒng)和電控燃油噴射系統(tǒng)。目前，電控燃油噴射系統(tǒng)在大排量汽車發(fā)動機上的應用已比較成熟。其中典型的系統(tǒng)有澳大利亞Orbital公司的AADI（airassistantdirect injection）空氣輔助噴射系統(tǒng)、美國NWUAV公司的基于MEMS微機電技術的噴射系統(tǒng)、美國JM Harwood公司的DFI微型高壓直噴系統(tǒng)以及北京航空航天大學提出的MFVI（multiple fixed-volume injection）小尺度微量多次噴射系統(tǒng)等，小尺度微量多次噴射系統(tǒng)的基本結構如圖2所示[22]。電控燃油噴射技術的創(chuàng)新較多，可以借鑒的經(jīng)驗也相對較多。航空活塞發(fā)動機燃油噴射系統(tǒng)的電控化程度遠遠落后于汽車，可借鑒發(fā)展相對較成熟的汽車發(fā)動機電控高壓共軌技術，開發(fā)出適用于航空重油發(fā)動機的電控高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)，利用高壓共軌系統(tǒng)的高壓噴射及其靈活的控制能力，改善重油燃料的霧化和燃燒。

圖2 小尺度微量多次噴射系統(tǒng)的基本結構示意圖

3 燃燒技術

燃燒技術是決定燃油效率的關鍵因素。

南京航空航天大學的高巖飛等人[23]以某空氣輔助噴嘴進口樣件為研究對象，通過數(shù)值計算與試驗方法對其噴霧特性開展研究。研究結果表明，隨著噴油脈寬的增大以及燃油壓力的提高，燃油的質量流量也相應增加。

北京交通大學的莫勝鈞等人[24]分析了定容燃燒彈中柴油和煤油混合氣預混層流點火特性。結果表明，柴油和煤油的最小點火能量隨初始壓力的增加而增大。在同一初始壓力下，柴油所需的最小點火能量大于煤油。

石允等人[25]以HS-700小型航空二沖程發(fā)動機為基礎建立了發(fā)動機模型，分別從發(fā)動機結構參數(shù)、噴油參數(shù)和進氣參數(shù)等3個方面就不同燃油噴射方式對重油混合氣的影響進行了研究。結果表明，5掃氣口更適合缸內(nèi)半直接噴射，雙掃氣口更適合缸內(nèi)直接噴射，楔形燃燒室更適合缸內(nèi)半直接噴射，球形燃燒室更適合缸內(nèi)直接噴射。

李長勝等人[26]以TKDI600發(fā)動機為原型機，對發(fā)動機的混合氣及燃燒過程進行了分析。結果表明，燃油撞壁主要受燃燒室形狀和燃油噴射角度影響，渦流比的增大有利于混合氣的均勻性，噴油角度為50°時沒有燃油撞壁現(xiàn)象。噴油提前角越大，缸內(nèi)渦流衰弱越早，同一轉角的渦流比越小。

天津內(nèi)燃機研究所的胡春明等人[27]基于一臺4缸對置水冷航空活塞式發(fā)動機的結構特點，自主研制了單缸低壓直噴全透明光學發(fā)動機，并利用高速攝影技術對缸內(nèi)混合氣的形成進行了試驗研究。結果表明，偏心碗型活塞頂面（如圖3所示）能有效引導燃油噴霧向燃燒室頂部卷吸，從而使燃油液滴聚集在雙側火花塞附近。

圖3 平頂淺凹坑活塞結構與偏心碗活塞結構示意圖

胡春明等人[28]在ROTAX914化油器式活塞航空發(fā)動機的結構基礎上，自主研發(fā)了一臺航空低壓空氣輔助直噴單缸試驗機，分析了不同噴射開始時刻、點火提前角、過量空氣系數(shù)對重油活塞發(fā)動機燃燒特性的影響，對比了航空煤油與汽油在混合氣形成、滯燃期、火焰?zhèn)鞑ニ俣?、抗爆性等方面的差異[29]。結果表明，航空煤油比汽油更適合在燃油摩爾分數(shù)較大的混合氣下燃燒，在過量空氣系數(shù)為0.80～0.85的范圍內(nèi)，航空煤油的滯燃期最短，燃燒循環(huán)變動率最小。試驗結果還顯示，存在一個能保證發(fā)動機燃燒效率最高、循環(huán)變動最低的最佳噴射時刻。降低噴射脈寬和噴射壓力均會引起發(fā)動機最大爆發(fā)壓力和壓力升高率降低，快速燃燒期延長，循環(huán)變動增加。

胡春明等人[30]針對航空活塞式直噴發(fā)動機中瞬態(tài)空燃比難以精確控制的問題，采用PID神經(jīng)網(wǎng)絡控制策略對發(fā)動機瞬態(tài)工況的空燃比進行控制。結果表明，相比于PID控制，PID神經(jīng)網(wǎng)絡控制下的過量空氣系數(shù)超調量可減少25%左右，節(jié)氣門開度在5%～30%之間以不同速率變化時，PID神經(jīng)網(wǎng)絡能實現(xiàn)良好的控制效果。

南京航空航天大學的貝太學等人[31]為研究異步點火相位對二沖程航空活塞發(fā)動機燃用煤油時的爆震影響，建立了發(fā)動機燃燒室的計算模型，研究了異步點火相位對火焰面密度分布、爆震強度的影響，并進行了試驗驗證。結果表明，隨著雙火花塞異步點火相位差的增大，缸內(nèi)平均壓力、放熱率及累積放熱量均呈現(xiàn)減小的趨勢，2個火花塞附近的湍動能增大，火焰?zhèn)鞑ニ俣燃涌?，火焰發(fā)展期縮短，爆震強度表征物的濃度逐步減小。

沈陽發(fā)動機研究所的趙明龍等人[32]通過單頭部、扇形和全環(huán)燃燒室試驗件的點火性能試驗，對比了3種試驗件貧油點火邊界的關聯(lián)與差異。結果顯示，在相同的進口條件下，全環(huán)試驗件的貧油點火油氣比明顯低于單頭部和扇形。這主要是因為側壁會影響試驗件氣動熱（高溫氣體與側壁存在相對運動而形成的傳熱）和燃油液滴分布，并且不同類型的試驗件之間存在點火過程差異。

4 結論

本文分析了重油活塞發(fā)動機相關燃燒關鍵技術的發(fā)展現(xiàn)狀及未來趨勢，得出以下結論：

1）高能點火技術由于可靠性及成本問題，目前在航空發(fā)動機上應用較少。雙火花塞點火經(jīng)過不斷的技術升級，在航空發(fā)動機上的應用已較為成熟。

2）以更優(yōu)的燃油霧化效果為目標，燃油噴射技術從高壓直噴到低壓直噴，再到半直噴，在持續(xù)革新，霧化技術的新突破將是未來活塞發(fā)動機重點解決的問題。

3）燃燒效率與燃油經(jīng)濟性由燃燒的有效組織性直接決定，這不僅與點火技術和霧化技術相關，也與進氣量、混合氣形式、氣動型面等有直接關聯(lián)，值得深入研究。

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