無人機(jī)用航空活塞發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵技術(shù)的研究進(jìn)展*

孔祥恩 劉海峰

（天津大學(xué)內(nèi)燃機(jī)燃燒學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 天津 300072）

引言

無人機(jī)廣泛應(yīng)用于民用和軍事領(lǐng)域，采用的推進(jìn)系統(tǒng)也不同。目前無人機(jī)的推進(jìn)系統(tǒng)主要有電動(dòng)機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)2 類[1]，發(fā)動(dòng)機(jī)主要包括活塞發(fā)動(dòng)機(jī)、渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)、渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)、渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)和渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)等[2]。在眾多類型的無人機(jī)動(dòng)力裝置中，航空活塞發(fā)動(dòng)機(jī)仍占有重要地位[3]。本文從對無人機(jī)各種動(dòng)力裝置的比較、分析航空活塞發(fā)動(dòng)機(jī)研究進(jìn)展等方面進(jìn)行了綜述，對航空活塞發(fā)動(dòng)機(jī)未來的發(fā)展方向進(jìn)行了展望。

1 無人機(jī)動(dòng)力裝置

1.1 無人機(jī)動(dòng)力裝置種類及特點(diǎn)

動(dòng)力裝置作為無人機(jī)的“心臟”，其性能在很大程度上決定了無人機(jī)的整體性能。動(dòng)力裝置的選擇取決于無人機(jī)的飛行高度、航時(shí)、工作任務(wù)等因素。當(dāng)前，活塞發(fā)動(dòng)機(jī)適用于低速、中低空偵察，飛機(jī)起飛質(zhì)量約為幾百千克，主要有靶機(jī)、偵察無人機(jī)、長航時(shí)無人機(jī)等；渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)適用于中低空、低速飛行的無人機(jī)，飛機(jī)起飛質(zhì)量達(dá)到1 000 kg，如無人直升機(jī)和傾轉(zhuǎn)旋翼無人機(jī)等；渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)適用于長航時(shí)、中高空飛行的無人機(jī)，飛機(jī)起飛質(zhì)量達(dá)到3 000 kg；渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)適用于長航時(shí)、高空飛行的無人機(jī)，起飛重量可達(dá)十多噸重；渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)適用于航時(shí)短、中高空飛行的無人機(jī)，飛機(jī)起飛質(zhì)量達(dá)到2 500 kg，主要有靶機(jī)、高空高速無人偵察機(jī)、攻擊無人機(jī)等；微型電動(dòng)機(jī)[4-6]適用于微型無人機(jī)，起飛質(zhì)量可小于100 g[7]，用于民用、航拍、監(jiān)視、搜索等用途。表1 為各種動(dòng)力裝置的優(yōu)缺點(diǎn)。

表1 無人機(jī)各種動(dòng)力裝置類型特點(diǎn)

1.2 現(xiàn)有活塞發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品及性能

目前，國外主要有羅泰克斯公司（Rotax）、利姆巴赫公司（Limbach）、RCV 無人機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)公司、猛禽渦輪增壓柴油機(jī)公司等企業(yè)生產(chǎn)無人機(jī)用活塞發(fā)動(dòng)機(jī)[9-10]。表2 列出了主要公司部分產(chǎn)品的主要技術(shù)參數(shù)。圖1 為Rotax 系列發(fā)動(dòng)機(jī)，圖2 為Limbach 系列發(fā)動(dòng)機(jī)。

圖2 Limbach 系列水平對置式往復(fù)活塞發(fā)動(dòng)機(jī)[12]

表2 部分發(fā)動(dòng)機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

圖1 Rotax 系列水平對置式往復(fù)活塞發(fā)動(dòng)機(jī)[11]

2 無人機(jī)活塞發(fā)動(dòng)機(jī)噴霧燃燒發(fā)展分析

無人機(jī)用活塞發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵包含以下幾個(gè)方面：重油發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)、發(fā)動(dòng)機(jī)可靠性、高效冷卻技術(shù)、增壓技術(shù)、數(shù)字電子控制系統(tǒng)、燃油噴射系統(tǒng)、輕量化設(shè)計(jì)等[9]。本文主要針對噴霧燃燒發(fā)展進(jìn)行闡述。

2.1 無人機(jī)往復(fù)式活塞發(fā)動(dòng)機(jī)噴霧燃燒進(jìn)展

單一燃料的重油使用是未來無人機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢。航空活塞發(fā)動(dòng)機(jī)用重油區(qū)別于傳統(tǒng)石化行業(yè)的重油，它專指煤油型和柴油型燃料[13]。由于重油相較于汽油具有更高的密度、閃點(diǎn)和更低的揮發(fā)性，所以將重油作為航空活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料可以使運(yùn)輸和儲(chǔ)存更安全，降低發(fā)生爆炸和引燃的風(fēng)險(xiǎn)，這對無人機(jī)用于軍事作戰(zhàn)尤為重要[14-15]。此外采用重油還有以下幾點(diǎn)優(yōu)勢：后勤保障更簡易[16-19]；燃料通用性更強(qiáng)[20]；高度特性（高度特性是指在給定的飛行速度或飛行馬赫數(shù)、發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)和控制規(guī)律下，發(fā)動(dòng)機(jī)的推力和耗油率隨飛行高度的變化關(guān)系。）更好[21]等。然而重油也有以下不足：重油較汽油具有更高的運(yùn)動(dòng)粘度、更低的飽和蒸氣壓，會(huì)導(dǎo)致燃油霧化變差，發(fā)動(dòng)機(jī)冷啟動(dòng)困難，燃燒質(zhì)量惡化；重油辛烷值比汽油低很多，抗爆性較差，容易發(fā)生爆燃，動(dòng)力性降低；重油的閃點(diǎn)和燃點(diǎn)較高、揮發(fā)性差，導(dǎo)致點(diǎn)火較為困難[22]。為了解決以上問題，科研人員做了大量相關(guān)研究工作。

2.1.1 重油活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的霧化研究

噴霧效果的好壞在很大程度上影響發(fā)動(dòng)機(jī)的整體性能，對發(fā)動(dòng)機(jī)的排放、熱效率等都有很大限制。由于重油閃點(diǎn)高、粘度大、低溫流動(dòng)性差，加之機(jī)體溫度和天氣的影響，導(dǎo)致霧化效果變差，影響發(fā)動(dòng)機(jī)性能，需要采取措施改善重油活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的霧化問題[23]。

Sonex 公司[24]開發(fā)了Sonex 燃燒系統(tǒng)（Sonex Combustion System，SCS），用于缸內(nèi)點(diǎn)火和燃燒控制，使汽油機(jī)能夠直接燃燒重油，可維持汽油機(jī)的燃油氣化或噴射系統(tǒng)、進(jìn)排氣系統(tǒng)、點(diǎn)火系統(tǒng)和壓縮比等。該系統(tǒng)由燃燒室插片和含預(yù)熱塞的氣缸蓋組成，如圖3 所示，圖4 為SCS 的軸向爆炸圖。燃燒室插片與含預(yù)熱塞的氣缸蓋能夠提高缸內(nèi)溫度，促進(jìn)形成易點(diǎn)燃的混合氣。

圖4 SCS 軸向爆炸圖[24]

澳大利亞Orbital 公司為了解決重油霧化問題，研發(fā)了空氣輔助噴射系統(tǒng)（air assist direct injection system），結(jié)構(gòu)如圖5 所示。圖6 所示為軌道空氣輔助直接燃料噴射器的截面圖?？諝廨o助噴射系統(tǒng)的原理是利用附在原有噴嘴上的額外氣源對燃油進(jìn)行沖擊，然后一起噴入燃燒室，這樣可以使油滴粒徑明顯降低，從而優(yōu)化燃油霧化；產(chǎn)生的較短燃油貫穿距能夠減輕燃油濕壁現(xiàn)象[24-25]。

圖5 空氣輔助噴射系統(tǒng)原理圖[25]

圖6 軌道空氣輔助直接燃料噴射器的截面圖[25]

Wu 等人[26]采用背光成像和陰影技術(shù)，研究了定容燃燒彈內(nèi)不同壓力、溫度和燃料量下，空氣輔助系統(tǒng)煤油噴霧特性。研究發(fā)現(xiàn)，隨著燃燒彈環(huán)境壓力從0.05 MPa 增加到0.35 MPa，液相貫穿距、噴霧貫穿距增量率和噴霧體積均減小，這主要是由于噴油壓力與燃燒彈環(huán)境壓力之間的壓力差減小和穿透阻力增大所致；當(dāng)燃燒彈環(huán)境壓力在0.1 MPa 和0.3 MPa下、環(huán)境溫度從400 K 升高到500 K 時(shí)，液相貫穿距增大，這是由于缸內(nèi)氣體密度降低所致，然而在0.35 MPa 時(shí)，液相貫穿距的增加趨勢更加顯著，這是因?yàn)樵谳^高的缸壓下缸內(nèi)氣體的密度對缸內(nèi)溫度更為敏感，使得液相穿透距的變化更為明顯；當(dāng)缸內(nèi)溫度從400 K 升至500 K 時(shí)，煤油的噴霧貫穿距沒有明顯變化，因此當(dāng)GDI 發(fā)動(dòng)機(jī)燃用煤油時(shí)，通過EGR 來提高缸內(nèi)溫度并不能減少燃油撞壁。

點(diǎn)燃式重油航空活塞發(fā)動(dòng)機(jī)存在啟動(dòng)困難、爆燃等問題，因此可采用以上的加熱輔助、空氣輔助噴射、高壓噴射等措施來解決。

2.1.2 重油活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的爆燃控制研究

爆燃嚴(yán)重影響發(fā)動(dòng)機(jī)的性能，一直以來學(xué)者們提出并研究了許多抑制爆燃的解決方案，如優(yōu)化冷卻系統(tǒng)、提前點(diǎn)火、廢氣再循環(huán)、在燃料中添加抗爆劑、噴水燃燒等等[27]。

李兆樂[28]利用AVL Fire 軟件針對Rotax 914 發(fā)動(dòng)機(jī)開展模擬計(jì)算，分析了均質(zhì)混合氣和非均質(zhì)混合氣條件下重油混合氣的點(diǎn)火特性和爆燃特性，然后利用GT-POWER 建立整機(jī)模型，分析了多種爆燃抑制方法及其對發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)，在均質(zhì)混合氣條件下，在當(dāng)量比為1 時(shí)爆燃因子遠(yuǎn)大于其他濃度條件，適當(dāng)增大或降低濃度時(shí)，爆燃因子顯著下降。當(dāng)量比為0.6 時(shí)，各個(gè)曲軸轉(zhuǎn)角條件下爆燃因子均為0，當(dāng)量比為1.4 時(shí)，爆燃因子稍有增大，可知過濃或過稀的條件可以有效防止爆燃發(fā)生；在非均質(zhì)混合氣條件下，較早噴油時(shí)點(diǎn)火越早發(fā)生爆燃的幾率急劇增加，在點(diǎn)火時(shí)刻為318°CA 和328°CA時(shí)，最大爆燃因子數(shù)值很大，適當(dāng)推遲點(diǎn)火后，最大爆燃因子顯著下降，發(fā)生爆燃的幾率大大減小。

王在良[29]通過一維GT-Power 整機(jī)仿真計(jì)算分析，對煤油發(fā)動(dòng)機(jī)爆燃規(guī)律進(jìn)行了預(yù)測。研究表明推遲點(diǎn)火能夠有效抑制爆燃，但會(huì)造成排氣溫度升高；在較小的空燃比附近容易發(fā)生爆燃，因此過濃或過稀的混合氣能夠抑制爆燃。通過加濃混合氣可以使火焰?zhèn)鞑ニ俣燃涌?，改善排氣溫度，同時(shí)能夠抑制爆燃發(fā)生。

Anderson 等人[30]也在Rotax 914 上進(jìn)行了若干關(guān)于重油發(fā)動(dòng)機(jī)爆燃試驗(yàn)。2011 年，他們在該發(fā)動(dòng)機(jī)上進(jìn)行了低辛烷值燃料對發(fā)動(dòng)機(jī)爆燃的影響，研究發(fā)現(xiàn)若將原機(jī)的雙火花塞的其中一個(gè)替換為缸內(nèi)直噴噴油器，發(fā)動(dòng)機(jī)的爆燃極限可提高5%～10%，研究還發(fā)現(xiàn)降低進(jìn)氣溫度和優(yōu)化點(diǎn)火正時(shí)等措施也可以降低重油活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的爆燃傾向。2013 年，Anderson等人[31]又在該發(fā)動(dòng)機(jī)上研究了開發(fā)的預(yù)燃室噴射點(diǎn)火燃燒系統(tǒng)對重油發(fā)動(dòng)機(jī)爆燃性能的影響。結(jié)果表明這種特殊的噴射點(diǎn)火系統(tǒng)可以使燃油在99.5 MON 的基礎(chǔ)上降低大于10 MON 的情況下而不發(fā)生爆燃，說明改進(jìn)的預(yù)燃室噴射點(diǎn)火技術(shù)是消除航空工業(yè)對高辛烷值含鉛燃料需求的一種有效方法。

David 等人[32]在一臺(tái)二沖程點(diǎn)燃式汽油發(fā)動(dòng)機(jī)上研究了JP-5 煤油的爆燃特性。結(jié)果表明在低轉(zhuǎn)速小負(fù)荷時(shí)，JP-5 煤油的燃燒性能與汽油相似，但是在高轉(zhuǎn)速大負(fù)荷時(shí)，JP-5 煤油更容易發(fā)生爆燃。爆燃通過延遲火花正時(shí)在60%的燃油供給和2 000 r/min 時(shí)消失，通過降低燃油噴射錐角、推遲噴油等措施也可以降低爆燃。

Attard 等人[33]在一臺(tái)壓縮比為10.4、缸徑88 mm、自然吸氣單缸四沖程現(xiàn)代PFI 發(fā)動(dòng)機(jī)平臺(tái)上通過燃用7 種辛烷值在93～60 范圍內(nèi)的PRF 燃料，比較了傳統(tǒng)火花點(diǎn)火和預(yù)燃室噴射點(diǎn)火燃燒的爆燃極限。結(jié)果發(fā)現(xiàn)在MBT（Maximum Brake Torque）燃燒階段，由于燃燒速率提高，未加燃料的預(yù)燃室比傳統(tǒng)的火花點(diǎn)火燃燒有了10 辛烷值的改進(jìn)。當(dāng)PRF 燃料直接噴入預(yù)燃室腔（氣化形式）和主燃室內(nèi)，結(jié)果表明，在獨(dú)立于主燃室的情況下，使用60 辛烷值燃料成功地運(yùn)行節(jié)氣門全開的發(fā)動(dòng)機(jī)，使預(yù)燃燒室的燃燒率進(jìn)一步提高。圖7 所示為湍流點(diǎn)火器的設(shè)計(jì)圖，圖8 所示為湍流噴射點(diǎn)火器安裝剖面圖。

圖7 湍流噴射點(diǎn)火器的設(shè)計(jì)圖[33]

圖8 湍流噴射點(diǎn)火器安裝剖面圖[33]

Wang 等人[34]將噴水作為一種擴(kuò)展四沖程SI 發(fā)動(dòng)機(jī)的爆燃限制和改進(jìn)IMEP（Indicated Mean Effective Pressure）的方法。試驗(yàn)在一臺(tái)改裝的Rotax 914 上進(jìn)行，分析了噴水對煤油發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒的影響，結(jié)果表明噴水可以顯著提高四沖程汽油機(jī)燃用煤油放熱爆燃極限，在不同的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下，測量的IMEP 提高了25%～28%。

2.1.3 重油活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒性能研究

重油活塞發(fā)動(dòng)機(jī)通過向重油中添加水、醇類等添加劑可以在一定程度上優(yōu)化燃燒性能；噴油參數(shù)、壓縮比等因素也能夠?qū)χ赜桶l(fā)動(dòng)機(jī)燃燒性能產(chǎn)生顯著的影響。

Wang 等人[34]研究了噴水對一種擴(kuò)展四沖程點(diǎn)火發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響。結(jié)果表明，隨著注水量的增加，IMEP 降低，注水引起的溫度下降導(dǎo)致缸內(nèi)壓力降低，對做功輸出有負(fù)面影響，如圖9 所示。圖10 給出了噴水對缸壓升高率的影響，在沒有注水的情況下，接近18°CA ATDC 時(shí)，缸內(nèi)壓力急劇增大和減小，這表明末端混合氣發(fā)生自燃。在注水2 ms 的情況下，壓力增長率的相位向上止點(diǎn)移動(dòng)，峰值由于噴射點(diǎn)火器的作用而略有增加。在注水4 ms 的情況下，增壓率的相位再次向后移動(dòng)，其幅度明顯減小，說明過量注水對缸內(nèi)燃燒過程有不利影響。

圖9 噴水持續(xù)期對IMEP 的影響[34]

圖10 噴水對缸壓升高率的影響[34]

Qiu 等人[35]建立了一個(gè)壓燃式重油發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程的三維模擬模型，對噴油壓力、提前噴射角和噴嘴直徑3 個(gè)重要參數(shù)進(jìn)行了標(biāo)定。結(jié)果表明，通過適當(dāng)匹配進(jìn)氣渦流強(qiáng)度、燃燒室形狀和噴射壓力，可以利用氣缸內(nèi)的氣流促進(jìn)燃料和空氣的混合，更有效地組織燃燒。

Cheng 等人[36]比較了柴油、RP-3、RP-3-正戊醇3 種燃料在航空活塞發(fā)動(dòng)機(jī)上的燃燒特性，結(jié)果表明，與柴油相比，RP-3 的指示熱效率提高了1.4%～12.4%，然而正戊醇的加入會(huì)使其降低1%～6.5%；較高比例的正戊醇含量會(huì)降低燃燒的穩(wěn)定性，需要改變噴射時(shí)間來保持燃燒的穩(wěn)定性；在所有試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷下，正戊醇的加入延長了點(diǎn)火延遲，同時(shí)縮短了燃燒持續(xù)時(shí)間。Chen 的研究[37]還發(fā)現(xiàn)RP-3-正戊醇（K60P40）的指示熱效率要高于所有其他試驗(yàn)燃料（柴油、其他不同比例的RP-3-正戊醇混合燃料）。

Ning 等人[38]研究了噴射正時(shí)和壓縮比對燃用RP-3 的二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒特性的影響。結(jié)果表明，隨著噴油正時(shí)的提前，發(fā)動(dòng)機(jī)有效功率增大，指示平均有效壓力循環(huán)變動(dòng)系數(shù)減小，在150°CA BTDC 的直噴正時(shí)獲得了最佳有效熱效率。壓縮比由7.2 下降到5.2，在壓縮比為6.2 時(shí)，有效功率和有效熱效率達(dá)到最大值。

2.2 無人機(jī)旋轉(zhuǎn)活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)噴霧燃燒進(jìn)展

由于轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)（旋轉(zhuǎn)活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)）具有結(jié)構(gòu)緊湊、簡單，具有功重比高、振動(dòng)與噪聲小等優(yōu)點(diǎn)，已成為航天、軍事等領(lǐng)域應(yīng)用研究的熱點(diǎn)。目前，轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)采用單一或混合燃料，如汽油、柴油、航空煤油、天然氣、乙醇/氫、汽油/氫和汽油/正丁醇等。只要采用合理的燃料供應(yīng)模式，各種燃料就可以在轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)中有效地使用[39]。國內(nèi)外人員主要從轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒過程及控制策略、關(guān)鍵零部件的制造和密封及磨損性能等方面開展研究[40]，本文僅從轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)的噴霧燃燒過程方面進(jìn)行討論。

2.2.1 轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)的霧化研究

轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊、轉(zhuǎn)速高以及獨(dú)特的缸內(nèi)環(huán)境使得其對油束的蒸發(fā)以及霧化速度要求更高。

Lu 等人[39]研究了航空煤油在直噴式轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行條件下的基本噴霧特性。結(jié)果表明，環(huán)境溫度與壓力對噴霧過程有不同的影響。環(huán)境溫度600 K 為分水嶺，低于600 K 時(shí)，穿透長度隨溫度升高而增大；當(dāng)溫度達(dá)到600 K 時(shí)，霧化質(zhì)量顯著提高。不同的噴射策略對缸內(nèi)的燃油分布有重要影響，較大的噴射角會(huì)促進(jìn)燃油在噴霧和空氣流場中的碰撞霧化。圖11 說明了在相同的環(huán)境溫度和不同的環(huán)境壓力下噴霧的發(fā)展過程。

圖11 不同條件下液相的發(fā)展[39]

Yang 等人[41]對直噴式加氫汽油轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)在3個(gè)噴射位置的混合氣形成過程和燃燒過程進(jìn)行了數(shù)值研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室內(nèi)的特殊流場與氫射流有很強(qiáng)的相互作用，氫的分布對充量燃燒有進(jìn)一步的影響。

劉洪俊等人[42]研究了柴油轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)的噴霧過程，重點(diǎn)分析了噴霧環(huán)境背壓和噴射壓力對噴霧特性的影響。結(jié)果表明，噴霧過程中噴霧擴(kuò)散速度先快速增大后逐漸減小。噴霧錐角在初次霧化階段內(nèi)急劇減小，在二次霧化作用下保持相對穩(wěn)定。增大噴霧環(huán)境背壓可以有效減小噴霧貫穿距、增大噴霧錐角。增大噴油壓力可以增大噴油貫穿距和噴油錐角，同時(shí)加強(qiáng)了燃油的初次霧化和二次霧化。

2.2.2 轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒性能研究

轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程較為特殊，燃料種類、燃燒室形狀、噴油策略與點(diǎn)火位置等因素對轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒均有較大影響。

Lu 等人[43]在具有光學(xué)診斷技術(shù)的可見光定容燃燒彈的研究結(jié)果表明，環(huán)境溫度800 K，環(huán)境壓力2.0 MPa 是航空煤油的著火極限。隨著環(huán)境條件的增加，點(diǎn)火延遲時(shí)間和火焰升程長度不斷縮短。在850 K環(huán)境溫度下，當(dāng)環(huán)境壓力達(dá)到2.5 MPa 時(shí)升程長度不再縮短，保持在6 mm 左右。同時(shí)還建立了直噴式旋轉(zhuǎn)活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的三維動(dòng)態(tài)仿真模型，研究了航空煤油在優(yōu)化噴射策略下的燃燒過程。結(jié)果表明，在噴射位置A3（如圖12 所示），由于點(diǎn)火時(shí)刻燃料的分布、濃度和霧化質(zhì)量更為合理，可獲得較高的上止點(diǎn)前的燃燒效率。缸內(nèi)壓力峰值達(dá)到3.889 MPa，這意味著發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)性能更好。

圖12 AR741 旋轉(zhuǎn)活塞發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)圖[43]

Fan 等人[44]通過數(shù)值模擬研究了側(cè)門式天然氣旋轉(zhuǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)在不同氣室形狀和點(diǎn)火槽位置下的性能、燃燒和排放特性。結(jié)果表明較大的滾流強(qiáng)度、較大的高速斜流面積和較高的燃燒室中部平均流速可以使火焰?zhèn)鞑ニ俣仍龃?。?dāng)燃燒室結(jié)構(gòu)中有一個(gè)中間的凹槽與位于轉(zhuǎn)子表面寬度方向中間的點(diǎn)火槽耦合時(shí)，燃燒速率最高。

Ji 等人[45]研究了摻氫汽油轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒和排放，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，摻氫后的燃燒壓力、制動(dòng)平均有效壓力、缸內(nèi)溫度和熱效率同時(shí)提高；富氫處理能有效縮短火焰的發(fā)展和傳播周期，這與Amrouche 等人的研究結(jié)果相同；當(dāng)進(jìn)氣中氫的體積分?jǐn)?shù)從0%提高到5.2%時(shí)，HC 排放降低了44.8%，CO 和CO2排放也降低了。

潘劍鋒等人[46-51]模擬研究了LPG 轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)燃燒影響因素。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)給定轉(zhuǎn)速、噴射方向、噴射持續(xù)期和噴霧錐角時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)存在一個(gè)最佳噴射提前角，使燃燒效果最佳；缸內(nèi)最高壓力與溫度隨當(dāng)量比的增大而增大，著火期和急燃期受當(dāng)量比影響較小，NO 質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨當(dāng)量比先增后減；可以通過適當(dāng)增大點(diǎn)火提前角的方式來充分利用渦流的作用時(shí)間，加速火焰?zhèn)鞑ィ划?dāng)點(diǎn)火位置位于湍流到單向流的過渡區(qū)域時(shí)，壓力峰值增大，與此同時(shí)缸內(nèi)平均溫度增大，NO 排放量也會(huì)增加；保持進(jìn)氣持續(xù)期不變，隨著進(jìn)氣開啟角度的提前，缸內(nèi)渦團(tuán)、旋流的強(qiáng)度和充量系數(shù)都在不斷增加，點(diǎn)火位置處的流場湍流度不斷增加；將燃燒室凹坑布置于轉(zhuǎn)子曲面長度方向的前段和轉(zhuǎn)子曲面寬度方向的中心，在燃燒過程中可以同時(shí)利用燃燒室后部的滾流以及燃燒室中部高速流區(qū)對火焰的加速作用，缸內(nèi)整體燃燒速率最大。

Amrouche 等人[52]對單轉(zhuǎn)子汪克爾發(fā)動(dòng)機(jī)在大開度和超稀工況下加氫乙醇的效果進(jìn)行了試驗(yàn)研究。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在富氫狀態(tài)下可以縮短火焰發(fā)展和火焰?zhèn)鞑ブ芷冢瑴p少循環(huán)變化，改善燃燒過程；隨著氫含量的增加，燃燒持續(xù)期縮短，提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率，降低了制動(dòng)比能耗，降低了發(fā)動(dòng)機(jī)未燃碳?xì)涞呐欧拧?/p>

Su 等人[53]研究了點(diǎn)火提前角對富氫正丁醇轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響。結(jié)果表明，隨著點(diǎn)火提前角的增加，燃燒室峰值壓力和溫度均升高，制動(dòng)熱效率先升后降。隨著點(diǎn)火提前角的增加，火焰發(fā)展期延長，火焰?zhèn)鞑テ诳s短。循環(huán)變動(dòng)最初減弱，然后隨著點(diǎn)火提前而惡化。推遲點(diǎn)火正時(shí)后，HC 和NOx排放降低。點(diǎn)火正時(shí)對CO 排放影響不大。

Chen 等人[54]研究了噴油正時(shí)（IT）和噴射角（IA）對直噴式點(diǎn)燃柴油轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響。結(jié)果表明，增大噴射角會(huì)改變?nèi)剂显谌紵仪昂蟛课坏姆植迹七t噴油正時(shí)也會(huì)使燃料分配區(qū)域變得更加狹窄而集中。在燃燒過程中，燃料集中在靠近燃燒室后部的中心位置有利于著火。在兩個(gè)火花塞之間分布更連續(xù)的混合氣以及在尾隨火花塞（TSP）附近燃油濃度高，有利于提高燃燒速率和排放性能。在80°CA BTDC和90°IA 時(shí)，獲得較好的燃燒速率和排放性能。

整體來看，與往復(fù)活塞發(fā)動(dòng)機(jī)相比，對轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)（旋轉(zhuǎn)活塞發(fā)動(dòng)機(jī)）的噴霧燃燒，以及不同燃料，如煤油，重油的研究相對較少，有待進(jìn)一步加強(qiáng)。

3 結(jié)論

當(dāng)前航空活塞發(fā)動(dòng)機(jī)在無人機(jī)動(dòng)力裝置中仍占有重要地位。航空重油活塞發(fā)動(dòng)機(jī)將會(huì)有巨大的發(fā)展機(jī)遇，本文通過總結(jié)歸納航空活塞發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵技術(shù)的研究進(jìn)展，得到以下主要研究進(jìn)展和趨勢：

1）通過優(yōu)化的燃燒室結(jié)構(gòu)、利用空氣輔助噴油系統(tǒng)、缸體預(yù)熱系統(tǒng)和電熱塞加熱等措施可以優(yōu)化重油的霧化。

2）可以借助預(yù)燃室、缸內(nèi)直噴、較低的進(jìn)氣溫度、優(yōu)化點(diǎn)火正時(shí)等方式改善航空重油發(fā)動(dòng)機(jī)的爆燃性能。

3）通過向重油中添加水、醇類等添加劑可以在一定程度上優(yōu)化燃燒性能；噴油參數(shù)、壓縮比等因素也能夠?qū)χ赜桶l(fā)動(dòng)機(jī)燃燒性能產(chǎn)生顯著影響。

4）轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)功重比更高，意味著續(xù)航更長，更適合空用。由于轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程較為特殊，燃料種類、燃燒室形狀、噴油與點(diǎn)火位置等因素對轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒均有較大影響。此外，為了響應(yīng)軍方統(tǒng)一燃料的要求，轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)的重油化意義重大，轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)的重油化將成為重要研究方向之一。