火花点火航空煤油活塞式发动机缸内混合气形成及燃烧控制的基础研究

Spark ignited (SI) aviation piston engine is widely applied in light civil airplane and military unmanned aerial vehicle (UAV) because of its high power-weight ratio, low cost and high fuel economy. The application of kerosene instead of gasoline on aviation piston engine is expected to significantly improve safety. However, the disadvantages of kerosene such as poor volatility, low flame speed and low octane number lead to the cold start problems and combustion knock. Aimed at above problems, the mixture formation mechanism, combustion rate control and knock suppression of kerosene in SI engine are taken as basic scientific issues in this project. First, the effects of short chain alcohol combing with fuel injection temperature control on kerosene evaporation and mixing characteristics will be studied. Then, the effects of octane number additives and their proportions on kerosene knock resistance will be researched. Based on partial oxidation reforming technology, the components and their proportions of reforming gas on kerosene flame speed will be analyzed. Finally, based on an experimental platform of SI aviation piston engine, kerosene SI combustion will be optimized from the aspects of fuel physical and chemical properties, fuel injection, kerosene reforming, exhaust gas recycling, engine control parameters. The technical route of load expansion for SI engine fueled with kerosene will be developed. The implementation of this project is of great significance to the kerosene combustion theory in SI engines, and has a positive impact on the development of heavy oil piston engine technology.

火花点火航空活塞式发动机具有功重比高、成本低、燃油经济性好等优点，广泛用作民用轻型飞机、军用无人机动力装置。航空活塞式发动机使用煤油替代汽油将大幅提高飞行器安全性。由于煤油挥发性差、火焰传播速度慢、辛烷值低，导致发动机冷起动困难、易爆震、功率范围窄。针对上述难题，本项目将煤油在点燃式发动机中混合气形成规律、燃烧速率控制、爆震抑制作为基础科学问题，开展短链醇协同燃油喷射温度对煤油蒸发、混合特性影响规律的研究；同时研究辛烷值添加剂种类及比例对煤油抗爆性的影响规律；剖析煤油部分氧化重整气成分及比例对煤油火焰传播速度的影响；最后，基于火花点火航空活塞式发动机实验平台，从油品理化性质调制、燃油喷射、煤油重整、进气成分、发动机控制参数等多角度优化煤油火花点火燃烧，得出负荷拓展技术路线。本项目的实施对丰富和完善煤油在点燃式发动机中燃烧理论具有重要意义，并对航空重油活塞式发动机技术发展产生积极的影响。

点燃式航空活塞发动机具备功重比高、成本低、燃油经济性好等特点，广泛用作小型飞机、无人机动力。在点燃式航空活塞发动机上应用煤油有望大幅提高飞行器安全性，但煤油存在蒸发困难、火焰传播速度低、辛烷值低等问题，导致发动机冷起动困难、易发生爆震。.首先为解决煤油喷射蒸发、雾化、混合困难这一问题，本项目针对性开展了乙醇/煤油二元混合燃料喷射雾化特性研究。在定容弹中利用多孔喷油器研究了不同比例乙醇/航空煤油二元混合燃料在喷射压力分别为6、8和10MPa时喷雾特性。研究表明，随乙醇比例增加，喷雾锥角和喷雾面积均先增加后下降；随喷油压力升高，乙醇/煤油混合燃料的贯穿距和喷雾面积均增加，但喷雾锥角基本一致。.进一步将乙醇、正丙醇和正丁醇按30%、50%和70%的体积分数添加到煤油中，基于一台水平对置点燃式航空活塞发动机，探究了添加短链醇种类及比例对发动机运行边界、燃烧以及排放特性的影响。研究发现，添加的醇类的碳数越小、添加比例越高，发动机运行负荷范围更宽。随着发动机负荷的增加，不同燃料燃烧存在共性规律：火焰发展期和快速燃烧期缩短，缸内温度和压力、有效热效率、NOx和HC排放升高，燃油消耗率和CO排放降低。考察了发动机运行控制参数对发动机运行负荷范围的影响，发动机的输出功率随着过量空气系数的增大而降低，但是有效热效率随着过量空气系数的增大而减小。为保证发动机的动力性以及使缸内燃烧更充分，过量空气系数应略低于1。研究表明，过量空气系数为λ=0.95时发动机的动力性以及效率均能达到较高值。.考虑到辛烷值低是点燃式发动机燃用煤油运行负荷范围拓展的主要制约因素，尽管添加短链醇部分改善了发动机负荷运行范围，但由于醇/煤油整体辛烷值仍较低，发动机负荷依然受限。为此，提出低比例复合添加剂提高煤油辛烷值的技术路线，通过对比两种自主开发的复合添加剂，以5%体积分数添加到柴油中，混合燃料辛烷值突破88，发动机峰值功率达到76kW，初步实现了点燃式航空煤油发动机开发。