航空重油在航空活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)的應(yīng)用

郭凌崧 王 昊 黃克菲

（1-天津大學(xué)內(nèi)燃機(jī)研究所 天津 300072 2-天津摩托車質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)所）

引言

航空活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)的制造簡單，使用經(jīng)濟(jì)，技術(shù)成熟，是250 kW以下輕小型航空器的主要?jiǎng)恿ρb置。航空活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)性均較好，是目前航空活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)的主要燃料。但航空汽油的閃點(diǎn)低，飽和蒸氣壓高，易揮發(fā)，遇明火及其它意外情況時(shí)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(yīng)用特別是在軍用領(lǐng)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(diǎn)和揮發(fā)溫度，安全性高易于存儲(chǔ)并便于油料統(tǒng)一管理等優(yōu)點(diǎn)，在輕小型航空器，特別是無人機(jī)領(lǐng)域的應(yīng)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(diǎn)

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(biāo)準(zhǔn)燃油指標(biāo)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(dāng)；輕柴油的凈熱值最低而密度最高，能量密度最低。

2）流動(dòng)性方面。以海平面（海拔高度為0）的氣溫為288.15K（15℃）時(shí)為例，當(dāng)海拔高度升至5 000 m時(shí)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(diǎn)及運(yùn)動(dòng)粘度相對接近且非常低；輕柴油的低溫流動(dòng)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(diǎn)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(lǐng)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(yīng)的傳統(tǒng)燃料（包括專業(yè)領(lǐng)域燃料）相比，主要性能基本相當(dāng)，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(dòng)性、密度和能量密度等項(xiàng)指標(biāo)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(shí)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(yīng)用研究進(jìn)展

航空活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)燃用重油的研究主要集中在二沖程點(diǎn)燃式活塞發(fā)動(dòng)機(jī)和四沖程壓燃式活塞發(fā)動(dòng)機(jī)。國外的研究工作開展較早且已有一定的產(chǎn)品應(yīng)用；國內(nèi)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(xué)、西北工業(yè)大學(xué)、中南大學(xué)、清華大學(xué)、天津內(nèi)燃機(jī)研究所及南京航空航天大學(xué)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(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)燃用重油的研究進(jìn)展

點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)燃用重油的優(yōu)點(diǎn)是：

具有較高的功重比，結(jié)構(gòu)簡單，易于油料換裝。

點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)燃用重油的缺點(diǎn)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(dòng)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(jìn)展主要有：

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

點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)燃用輕柴油時(shí)，適當(dāng)提前噴油定時(shí)，推遲點(diǎn)火以及引入EGR都能使爆燃傾向減??；當(dāng)點(diǎn)火能量過小或噴油定時(shí)過早都會(huì)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(diǎn)火延遲角、點(diǎn)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(qiáng)度對加速航空重油燃燒時(shí)的火焰發(fā)展，提高缸內(nèi)平均壓力有明顯的促進(jìn)作用[10]。

3）航空重油燃燒時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)平均壓力低于燃用航空汽油，且最高燃燒壓力出現(xiàn)時(shí)間比航空汽油晚[11]。

因此，點(diǎn)燃式活塞發(fā)動(dòng)機(jī)燃用航空重油時(shí)，需要提高點(diǎn)火能量，適度增大點(diǎn)火提前角，并適當(dāng)提高初始湍流強(qiáng)度。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)在溫度較低時(shí)燃用航空重油還需要對燃油以及燃燒室進(jìn)行預(yù)熱。

二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)在點(diǎn)燃式航空活塞發(fā)動(dòng)機(jī)占主導(dǎo)地位。二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)主要采用化油器和缸內(nèi)直噴的工作方式。在缸內(nèi)直噴方式中以空氣輔助噴射技術(shù)（AADI）應(yīng)用最為廣泛（如圖1所示）。空氣輔助噴射系統(tǒng)的燃油與空氣通過二次混合后噴入氣缸內(nèi)，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(dá)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(dá)到良好的霧化效果，改善發(fā)動(dòng)機(jī)冷起動(dòng)性能，提升燃油經(jīng)濟(jì)性和排放性能。

圖1 空氣輔助噴射噴油器結(jié)構(gòu)示意圖

但空氣輔助燃油噴射系統(tǒng)使發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)變復(fù)雜，從而在一定程度上限制了該技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展及應(yīng)用。

四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)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(nèi)（如圖2所示）。利用高壓力的作用，使得燃油在離開噴嘴時(shí)，油束進(jìn)行分裂、霧化，加快燃油蒸發(fā)速度。優(yōu)點(diǎn)是噴油速率較高，可以在更短的時(shí)間內(nèi)將燃油量噴射完畢，有利于高速大負(fù)荷工況下推遲缸內(nèi)噴油開始時(shí)刻，提高爆震極限條件的恢復(fù)功率，同時(shí)改善發(fā)動(dòng)機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性能。高壓燃油噴射系統(tǒng)的缺點(diǎn)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(dòng)和低速小負(fù)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(diǎn)燃式活塞發(fā)動(dòng)機(jī)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(diǎn)燃式活塞發(fā)動(dòng)機(jī)主要參數(shù)

3.2 壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)燃用重油的研究進(jìn)展

壓燃式航空活塞發(fā)動(dòng)機(jī)燃用重油的優(yōu)點(diǎn)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(qiáng)。

2）零件數(shù)量少，電磁兼容性較好，可靠性高。

3）轉(zhuǎn)速低，轉(zhuǎn)矩大，功率覆蓋范圍大，減速器質(zhì)量輕，甚至可直接驅(qū)動(dòng)螺旋槳。

壓燃式重油航空活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的缺點(diǎn)是：

1）功重比低。

2）振動(dòng)噪聲大，尤其在低轉(zhuǎn)速段的振動(dòng)噪聲明顯高于點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)。

3）冷起動(dòng)困難。

當(dāng)前車用柴油發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)相當(dāng)成熟，但車用柴油發(fā)動(dòng)機(jī)并不能直接用于航空器，主要是航空器的設(shè)計(jì)對動(dòng)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(shè)計(jì)，輕量化前提下的高可靠性等。國內(nèi)對壓燃式活塞發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒航空重油所進(jìn)行的研究和相關(guān)報(bào)道相對較少。

相關(guān)研究表明，壓燃式重油航空活塞發(fā)動(dòng)機(jī)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(diǎn)燃式方案；較成熟產(chǎn)品以四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)為主。圖3是國外重油航空點(diǎn)燃式與壓燃式活塞發(fā)動(dòng)機(jī)功率覆蓋范圍與功重比的對比統(tǒng)計(jì)[12]。表6是國外典型重油壓燃式活塞發(fā)動(dòng)機(jī)主要性能參數(shù)。

圖3 國外重油航空活塞發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)使用航空重油后具有如下特點(diǎn)：

1）較大的噴油提前角

航空壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒相對于普通發(fā)動(dòng)機(jī)更靠近上止點(diǎn)，燃燒熱效率較高。在一定的變化范圍內(nèi)，航空壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)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(huì)使噴油延遲，燃燒滯后，加重后燃；航空發(fā)動(dòng)機(jī)多采用風(fēng)冷，散熱效率普遍低于液冷，因此會(huì)增加發(fā)動(dòng)機(jī)的熱負(fù)荷。但過大的噴油提前角會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)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(shí)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(zhuǎn)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(jī)強(qiáng)烈得多，撞壁燃油的蒸發(fā)以及壁面堆積燃油的擴(kuò)展霧化在整個(gè)燃油蒸發(fā)過程中占很大比例，對燃燒質(zhì)量有重要的影響[14]。

3）較強(qiáng)的缸內(nèi)空氣擾動(dòng)

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

圖4 TKDI600發(fā)動(dòng)機(jī)螺旋進(jìn)氣道仿真模型

壓燃式航空活塞發(fā)動(dòng)機(jī)燃用重油需要掌握的關(guān)鍵技術(shù)包括：

1）通過優(yōu)化設(shè)計(jì)提高功重比。

2）對燃油或缸體進(jìn)行高效穩(wěn)定的預(yù)熱。

3）應(yīng)用電控技術(shù)、高壓噴射技術(shù)以及可調(diào)壓比的增壓技術(shù)等。

3.3 其它形式活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的研究進(jìn)展

燃燒航空重油的其它形式活塞發(fā)動(dòng)機(jī)還包括轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)和對置活塞發(fā)動(dòng)機(jī)。

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(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)。中國科學(xué)院力學(xué)研究所、中國機(jī)械科學(xué)研究院、天津內(nèi)燃機(jī)研究所等國內(nèi)研究院所也先后提出了低壓縮比火花點(diǎn)火柴油轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)、多種燃料轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)以及采用高壓共軌電控燃油噴射（如圖5所示）、兩級(jí)點(diǎn)火、分層燃燒等多項(xiàng)新技術(shù)的柴油轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)。

圖5 高壓共軌噴油器結(jié)構(gòu)示意圖

使用航空重油的轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)的主要技術(shù)優(yōu)勢是功重比高，振動(dòng)小，但燃料消耗率相對大，機(jī)件易磨損，加工難度大，壽命較短。

對置活塞發(fā)動(dòng)機(jī)（OPOC）本身近似于二沖程柴油機(jī)，設(shè)計(jì)使用燃料就是柴油。對置活塞發(fā)動(dòng)機(jī)相比傳統(tǒng)壓燃重油發(fā)動(dòng)機(jī)，其功重比得到有效提髙，且結(jié)構(gòu)簡單，質(zhì)量輕，設(shè)計(jì)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(dòng)機(jī)的典型機(jī)型如表7所示。

表7 典型其他形式重油活塞發(fā)動(dòng)機(jī)主要參數(shù)

4 結(jié)束語

1）航空重油具有閃點(diǎn)高，飽和蒸氣壓低的特點(diǎn)，不易揮發(fā)，安全性好，適于軍、民用領(lǐng)域，特別適于艦船上的輕小型航空器應(yīng)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(dòng)性和霧化蒸發(fā)性。既可用于點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)也可用于壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)，而且是多種航空渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)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(biāo)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(dòng)性和油氣混合質(zhì)量，在普及應(yīng)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(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)仍將是輕小型航空器最基本的動(dòng)力裝置；使用航空重油的壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)、轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)等其他形式發(fā)動(dòng)機(jī)將是重要組成部分；使用航空重油的水平對置活塞發(fā)動(dòng)機(jī)以其功重比高，經(jīng)濟(jì)性好，結(jié)構(gòu)簡單，安全可靠等突出優(yōu)點(diǎn)，將成為今后輕小型航空動(dòng)力發(fā)展的重要方向。

1 中國石油化工集團(tuán)公司.GB 1787-2008航空活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)燃料[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2008

2 中國石油化工集團(tuán)公司.GB 6537-2006 3號(hào)噴氣燃料[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2007

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

4 全國能源基礎(chǔ)與管理標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì).GB/T 2589-2008綜合能耗計(jì)算通則[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2008

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

6 中國石油化工集團(tuán)公司.GB 253-2008煤油[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2008

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

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12馮光爍，周明.重油航空活塞發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)路線分析[J].清華大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2016，56（10）：1114-1121

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