胡春明，王?赫，王?旸，劉?娜

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點燃式煤油航空直噴發(fā)動機冷起動試驗研究

胡春明1, 2，王?赫1，王?旸1，劉?娜1

(1. 天津大學內(nèi)燃機研究所，天津 300072；2. 天津大學內(nèi)燃機燃燒學國家重點實驗室，天津 300072)

針對噴射截止時刻、點火提前角以及過量空氣系數(shù)等影響因素，在一臺自主研發(fā)的單缸試驗機上，開展了煤油航空直噴發(fā)動機冷機起動燃燒特性以及相關影響因素的冷機起動敏感度分析研究．結果表明：噴射截止時刻為60°,CA BTDC、點火提前角為27°,CA～30°,CA BTDC時，發(fā)動機容易順利起動；過量空氣系數(shù)為0.65～0.70時，最大爆發(fā)壓力循環(huán)變動率最低，失火現(xiàn)象消失，煤油航空直噴發(fā)動機平穩(wěn)順利起動．冷起動敏感度分析表明：敏感性強弱順序依次是進氣行程中的噴射截止時刻、過量空氣系數(shù)、壓縮行程中的噴射截止時刻、點火提前角．

冷起動；敏感度分析；航空煤油；活塞式航空發(fā)動機

研究活塞式航空重油發(fā)動機對未來軍用、民用航空領域具有重要意義[1]．目前活塞式航空發(fā)動機主要使用航空汽油作為燃料，相比而言，航空重油(通指航空煤油及輕質(zhì)柴油，本文研究航空煤油RP-3)的閃點為45～51,℃，常溫下遇明火不易發(fā)生爆炸．航空煤油飽和蒸汽壓低不易揮發(fā)，便于存儲．航空煤油的劣勢在于相同溫度下其運動黏度遠大于汽油并且飽和蒸汽壓低，導致其難以像汽油一樣快速形成混合氣，造成冷起動困難[2]．

國外學者針對點燃式航空煤油冷起動問題開展了相關研究．Cathcart等[3]在一款V6二沖程發(fā)動機上應用Orbital公司空氣輔助直噴系統(tǒng)進行了冷起動試驗，結果顯示在不使用任何加熱設備和輔助霧化的設備時，最低－15,℃就可以正常起動．Hooper[4]進行了航空煤油發(fā)動機的冷起動試驗研究，發(fā)現(xiàn)在使用柴油機電熱塞預熱2,min的情況下，發(fā)動機冷起動溫度最低可達5,℃，電熱塞預熱時間越長，可達到的冷起動溫度越低；在缸頭溫度高于50,℃時，不需要電熱塞輔助即可起動，在缸頭溫度低于45,℃時，需要電熱塞輔助才能順利起動．Duddy等[5]通過電熱塞預熱的方法完成了煤油發(fā)動機的冷起動試驗．國內(nèi)關于航空煤油發(fā)動機冷起動的研究還處于起步階段，南京航空航天大學的王春豐等[6]、劉銳等[7]進行了活塞式航空煤油發(fā)動機冷起動時油量控制以及冷起動控制策略的研究．天津大學的馬帥[8]針對航空煤油發(fā)動機冷起動工作過程進行了研究．本文針對如何提高燃用航空煤油的活塞式航空發(fā)動機冷起動性能進行了研究．該領域的研究對增加活塞式航空發(fā)動機可靠性和實用性有重要價值．

混合氣準備及點火策略是影響冷起動性能的關鍵因素，本文以一臺自主研制的單缸航空試驗發(fā)動機為平臺，針對過量空氣系數(shù)、點火提前角、噴射截止時刻等影響因素，對起動轉(zhuǎn)速下的發(fā)動機燃燒特性進行分析，并對相關影響因素進行了敏感度研究．

1?試驗裝置及方案

1.1?試驗發(fā)動機

本文試驗發(fā)動機是以某對置式航空發(fā)動機結構參數(shù)為參考，自主開發(fā)的低壓空氣輔助直噴活塞式單缸航空發(fā)動機．圖1所示為發(fā)動機樣機，其基本參數(shù)見表1．

圖1?發(fā)動機照片

1.2?臺架系統(tǒng)

臺架系統(tǒng)主要由單缸發(fā)動機、測功機、供油系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和發(fā)動機控制系統(tǒng)等組成，如圖2所示．

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由增量型光電編碼器、ART USB2815型數(shù)據(jù)采集卡、6125CU20壓電晶體型缸壓傳感器和5011型電荷放大器組成．數(shù)據(jù)采集卡可依據(jù)增量型光電編碼器提供的時鐘信號和觸發(fā)信號獲得電荷放大器處理后的模擬信號．基于Labview編寫的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)上位機可以讀取數(shù)據(jù)采集卡采集的數(shù)據(jù)，從而對缸內(nèi)壓力進行顯示、處理和分析．發(fā)動機控制系統(tǒng)上位機是基于Labview開發(fā)平臺編寫，其與ECU之間通過基于CCP協(xié)議的CAN總線進行通訊，可以對發(fā)動機的電噴參數(shù)進行控制．空燃比分析儀為ETAS的LA4型空燃比分析儀．

表1?單缸發(fā)動機基本參數(shù)

圖2?試驗系統(tǒng)示意

1.3?試驗方案

2?試驗結果及其分析

2.1?過量空氣系數(shù)對起動轉(zhuǎn)速燃燒特性的影響

圖3?不同下50個燃燒循環(huán)最大爆發(fā)壓力

圖4 最大爆發(fā)壓力循環(huán)變動率和IMEP隨變化趨勢

圖5?不同下缸內(nèi)壓力曲線

2.2?噴射截止時刻對起動轉(zhuǎn)速燃燒特性的影響

圖6 平均pmax及其循環(huán)變動率隨EOIT變化趨勢

圖7?滯燃期和急燃期隨EOIT變化趨勢

(2)隨著活塞上行，噴霧和偏心碗形活塞頂壁面引導相互作用使火花塞附近形成濃混合氣，濃混合氣火焰中H、OH等自由基濃度較高，H、O、OH自由基的生成和消耗在煤油點火中起關鍵作用，有助于縮短煤油滯燃期[14]；

(3)活塞上行導致溫度升高，而對多種烴類燃料的試驗結果表明，靠近火焰前鋒面的未燃混合氣溫度越高，層流火焰?zhèn)鞑ニ俣仍娇?，使急燃期縮短；

(4)活塞上行導致壓力增大，航空煤油液滴下行受到的空氣阻力增大，由韋伯數(shù)破裂準則公式知，液滴內(nèi)力保持一定的情況下，作用于液滴表面的外力增大會導致液滴破碎的可能性增加，有利于燃油霧化質(zhì)量的提升，加速混合氣制備，使更多的混合氣參與燃燒過程，導致max升高．

2.3?點火時刻對起動轉(zhuǎn)速燃燒特性的影響

故點火提前角存在一個最佳范圍27°,CA～30°,CA BTDC，使航空煤油直噴發(fā)動機起動轉(zhuǎn)速下發(fā)動機做功能力較強，此時急燃期變化率小于0.1(點火提前角每變化1°,CA，急燃期所對應曲軸轉(zhuǎn)角相應變化)．此時PCP點為6.38°,CA ATDC，如圖9所示，汽油機中一般希望PCP出現(xiàn)在10°～15°,CA ATDC，位置較汽油機相比向上止點有所靠近．

圖8?急燃期和IMEP隨點火提前角變化

圖9?PCP點隨點火提前角變化關系

3?冷起動性能影響因素敏感度分析

3.1?敏感度分析指標和敏感度系數(shù)

3.2?參數(shù)敏感度分析

根據(jù)試驗結果計算出各工況點對應的IMEP，結果如圖10所示．根據(jù)圖10中的數(shù)據(jù)以及式(1)計算敏感度系數(shù)．敏感度計算結果見圖11．

（a）不同過量空氣系數(shù)對應的IMEP

（b）不同噴射截止時刻對應的IMEP

（c）不同點火提前角對應的IMEP

圖11?影響因素的平均敏感度系數(shù)

計算結果表明，航空煤油直噴發(fā)動機冷起動性能對進氣行程內(nèi)的噴射截止時刻最為敏感，其次為過量空氣系數(shù)，第三為壓縮行程的噴射截止時刻，點火提前角敏感度最?。砻鬟M氣行程內(nèi)的噴射截止時刻以及過量空氣系數(shù)的改變直接對可燃混合氣的制備及其分布有較大影響，而壓縮行程內(nèi)的噴射截止時刻改變對混合氣的影響次之，而點火提前角的改變對起動的影響較?。?/p>

4?結?論

(3)點火提前角存在最佳的一個范圍27°,CA～30°,CA BTDC，IMEP較大，使航空煤油直噴發(fā)動機起動轉(zhuǎn)速下做功能力較強．使用航空煤油時的最佳點火提前角對應最大缸內(nèi)爆發(fā)壓力位置比使用汽油時提前，原因是航空煤油燃燒速度慢，如果點火和使用汽油時一樣，則后燃加劇的能量損耗大于點火提前時壓縮負功的增加量．

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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，研究員.

胡春明，cmhu@tju.edu.cn.

國家自然科學基金資助項目(51476112).

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

10.11784/tdxbz201803013

(責任編輯：金順愛)