二冲程重油发动机技术现状及发展方向*

马 帅刘 娜胡春明

（1-天津大学机械学院 天津 3 0 0 0 7 2 2-天津内燃机研究所）

引言

活塞式航空发动机指的是为飞行器提供飞行动力的往复式内燃机。从首架飞机问世伊始到二战结束，期间所有飞机的动力装置都采用活塞式发动机。虽然从上世纪四十年代开始活塞式航空发动机逐渐为燃气轮机所替代，但由于其显著的经济性优势至今仍广泛应用于无人机、教练机等低速轻型飞行器上。随着燃料运输、储备的安全性要求日益严苛，重油在活塞式航空发动机中的应用成为必然趋势。这里的重油主要是指馏分在航空煤油与柴油之间的航空燃料。与汽油相比，重油具有分子量大、粘度高、闪点高、挥发性差等特点，在意外发生时被引燃的几率相对较低，储运安全性得以保障。此外，重油能够适应燃料一体化的要求，并有效缓解航空汽油等轻质燃油紧缺问题，推动我国的通用航空事业发展。二冲程航空重油发动机结构紧凑、体积较小，直喷技术的发展有效克服了传统二冲程发动机油气短路的问题。较之于四冲程发动机而言更大的升功率和功重比，使其在航空领域具有得天独厚的优势。本文概述了航空燃料单一化趋势下二冲程航空重油发动机的技术特点及应用前景，总结并回顾了国内外小型二冲程发动机重油技术的革新历程。结合我国目前该领域的技术研发现状，提出未来二冲程航空重油发动机的总体发展方向以及具有潜力的研究切入点。

1 二冲程重油发动机研究现状

1.1 国外现状

欧美地区对于二冲程航空重油发动机的研究起步早，技术较为完善。研制的二冲程机型与四冲程重油发动机共同组成输出功率呈梯度化的庞大活塞式航空发动机家族，可满足多种飞行用途需求。国外对于重油发动机燃油雾化、缸内流动等核心技术研究广泛而深入，喷油器等关键零部件技术处于垄断地位。

对点燃式二冲程内燃机进行缸内直喷改造的研究始于上世纪70年代。Sato将改造后的缸内直喷二冲程汽油机与原型机进行对比试验，发现采用缸内直喷技术后二冲程汽油机的油气短路损失量显著降低，致使未燃碳氢的排放减少了80%，燃油消耗率也相应下降了21%。该项研究显示了直喷技术为二冲程发动机排放性及燃油经济性的提高带来的无限可能。但是由于直喷技术在起步阶段主要应用于柴油机，选用的燃油喷射系统并不适于汽油喷射，导致直喷二冲程内燃机在低速小负荷下的失火问题依旧严重[1]。

二冲程缸内直喷发动机燃油喷射系统采用的技术路线主要分为两种。一种是以高压旋流喷射为代表的高压直喷技术，另一种是以空气辅助喷射为代表的低压直喷技术。

在高压旋流喷射系统中（见图1），燃油受到高压作用从切向入口进入喷嘴内部旋流腔产生涡流，涡流使得空气与喷雾的相互作用增强，燃油的雾化蒸发速率加快。燃油由于离心力作用积聚在旋流腔的壁面上而产生气液分离。气体在喷孔中心形成空气卷吸现象，液体则紧贴喷孔壁面以液膜形式喷出。切向旋转动量限制了喷雾的贯穿距离，减少了湿壁现象的发生。

受到结构的限制，高压共轨系统布置在结构紧凑的二冲程发动机中较为困难，为此Heimberg于1993年提出了不需要高压油泵的压力冲击喷射系统FICHT（Pressure Surge Injection System）[2]。该系统利用低压油泵产生流体动能，通过控制喷油器内撞针使燃油在喷嘴处突然被减速，此时动能将转化成瞬时压力升高，将燃油喷出。2003年，加拿大Bombardier公司的Sebastian Strauss又对压力冲击喷射系统进行进一步优化，提出了喷射压力更高的ETEC喷油系统[3]。E-TEC采用了外开式旋流喷嘴，旋流设计使燃油粒径分布更加均匀，针阀升程进一步减小，实现对喷油量的精准控制。该系统喷雾的索特平均直径SMD及DV90与FICHT喷油器喷雾相比分别减小了38%和50%。

图1 旋流式喷油器结构示意图

上世纪90年代，以澳大利亚Orbital公司为代表的多家研究机构先后提出了低压空气辅助喷射系统，为二冲程缸内直喷技术带来了革命性的变革[4～6]。如图2所示，喷油器上部的燃油喷嘴以一定压力将燃油输送到下部的充满压缩空气的储气腔中，充分利用燃油与压缩空气的相互作用进行预混，随后将油气混合物直接喷入燃烧室中。燃油计量由燃油喷嘴实现，喷油正时由混合气喷嘴执行，二者相互独立。因此可通过适当的燃油喷嘴和混合气喷嘴开启时间差控制燃油与压缩空气混合作用时长，延长雾化时间，提高混合气质量。喷雾特性对缸内压力敏感，贯穿距随气缸内压力升高而减小，有利于实现混合气分层。空气辅助喷射技术对燃油适应性较强，对于粘度较大的重油燃料仍可以保证良好的雾化效果，试验中煤油雾化粒径可达到5～12 μm。

图2 空气辅助喷射喷油器结构示意图

奥地利AVL公司Laimbock等人提出了一种将喷油器布置在扫气口的半直接喷射的方案，该方案简便易行，可选用低成本的低压喷油器[7，8]。AVL根据喷油器不同的位置及指向提出了四种子方案，在不同子方案中需要对扫气口布置高度进行调整，使喷油器所在扫气口先于其他扫气口开启。将喷油器布置在扫气道可利用扫气气流加速喷油嘴的冷却，防止积碳产生。实验表明，半直接喷射系统通过合理优化喷油正时，可有效地减少二冲程发动机的扫气损失，提高燃油经济性。

意大利摩德纳大学Wilksch对某款高速二冲程缸内直喷柴油机进行了仿真研究[9]，利用GT-Power和KIVA分别模拟了该直列三缸柴油机在两种不同扫气模式下（活塞控制进气气阀控制排气的单流扫气模式与进排气均由活塞控制的环流扫气模式）的性能表现。结果表明机构复杂、成本更高的单流式发动机相较于环流式而言性能优势并不明显。

1.2 国内现状

国内对于二冲程航空重油发动机的研究处于起步阶段，研究内容以吸收借鉴国外成熟技术为主，自主研发能力较为薄弱。早期开发大多以数值模拟为主要手段，各机构研究方向相对集中、广泛性差。重油发动机技术开发路线主要有两种，一是专门研发重油发动机，二是将汽油机转化为重油发动机。目前，国内研究人员大多采用后者。对于汽油机的转化研究，基本保留了其原有的工作过程，主要技术难点在于如何使闪点高、粘度大的重油实现良好的雾化混合，以保证火花塞能够在低温等恶劣条件下将重油点燃。

国内外小型二冲程航空发动机技术参数对比如表1所示。

表1 国内外小型二冲程航空发动机技术参数对比[10]

西北工业大学研发的HS系列二冲程活塞式航空发动机是我国自主研制的小型航空发动机的代表。表1中所示为HS系列二冲程活塞式航空发动机与德国LIMBACH生产的L系列部分机型性能对比。HS系列输出功率为11～41 kW，只能满足低速轻型飞行器的需求。与同为自然吸气化油器供油且排量相近的国外机型相比，HS系列的动力性存在显著差距，搭载飞行器的载重量及航时也相应受到影响。

重庆大学与中国科学院合作开展了3号航空煤油点火特性研究，该研究分别利用3种不同的化学反应动力学模型对煤油点火过程进行数值模拟。结论认为Honnet模型与3号煤油点火实验的结果最为吻合。通过灵敏度分析得出了对煤油点火产生最大正面影响和最大负面影响的反应步骤。中国空气动力研究与发展中心提出了针对国产航空煤油的详细和简化的燃烧反应动力学模型，采用简化机理可提高计算效率，但对部分燃烧中间产物模拟精度降低。由于缺乏详尽的实验数据，模型准确性有待提高[11]。

南京航空航天大学以某公司的空气辅助喷嘴为研究对象，利用数值模拟结合实验研究对该喷油器喷射3号煤油的雾化特性进行了分析。该研究充分考虑到了喷嘴内部的气液两相作用，研究成果可为重油直喷发动机设计提供理论支持。在此基础上对Thielert公司的二冲程汽油机进行煤油缸内直喷改装，设计了基于DSP的缸内直喷电控硬件平台[12]，基于该平台进行了喷油油膜补偿研究及点火策略优化。针对不同放电方式的3种点火系统开展了点火能量对活塞式煤油发动机冷起动性能影响的实验研究，给出了冷启动工况下点火能量的推荐值[13]。

北京航空航天大学围绕二冲程航空重油发动机机械效率提升及性能优化开展数值模拟研究[14]。结合航空发动机的特殊性要求，对该发动机机械效率随气口参数、飞行高度、转速及压缩比等的变化规律进行了分析；利用Boost建立了小型活塞式航空发动机动力性和经济性的多目标优化模型。

北京交通大学采用仿真分析方法对定容燃烧弹中柴油和煤油混合气预混层流点火特性进行了研究，得出了柴油和煤油的点火特性。开展了HS-700二冲程发动机燃用重油的研究，模拟了重油混合气分别在缸内直接喷射和半直接喷射两种燃油喷射方式下的形成过程，确定了影响重油的雾化特性的因素及规律[15]。

清华大学对压燃式活塞重油发动机的电控单元进行研究[16]，以Centurion 1.7型号发动机为研究对象，通过电流反馈对喷射电磁阀进行喷油控制，控制精度高，但可靠性较差。模拟研究方面，对某款双对置二冲程柴油机额定工况下的扫气过程进行了仿真研究[17]，结果发现，直流扫气方式对于避免新鲜充量与废气的相互掺混效果良好，二冲程发动机扫气质量得以提高。

2 二冲程重油发动机的发展方向

2.1 航空重油燃烧机理研究

国内对于重油发动机的研究偏重于应用层面，基础理论研究匮乏。无论是对喷油点火进行优化，或是提高混合气质量，其最终落脚点是实现高效的燃烧。目前国内对于重油的燃烧反应机理的研究很少涉猎，究其原因主要是受重油燃料自身性质所限。以航空煤油为例，其通常是由环烷烃、链烷烃、芳香烃等数百种化学物质构成的混合物，具体组分常随产地、厂家、年份等因素有所变化。燃料自身复杂多变的理化性质使重油燃烧机理研究进展缓慢。由于国内外航空燃料存在一定差别，国外的重油化学反应动力学模型只能在一定程度上模拟我国燃料的某些化学性质。并且出于技术封锁等原因，文献中构建细节模糊致使模型难以改进。燃烧机理研究的滞后制约了我国活塞式重油发动机的发展。

借助于交叉学科或跨学科合作研究对于解决这一难题至关重要。具体研究目标主要有两项：一是对某一常用航空重油燃料进行基本理化参数测量及组分测定；二是通过单一组分替代、多组分替代等方法逐步构建起重油的详细燃烧机理。准确的燃料物性参数将提高重油燃烧数值模拟研究的精确度和可信度。通过对于燃烧机理的研究，获得重油燃烧过程中各级化学反应的规则及相应反应条件。明确对燃烧速率起决定性的反应步骤，根据该反应对应的条件要求，有针对性地对缸内温度场、压力场、浓度场的分布做出调整，或在发动机前端设置活化反应腔对燃油进行活化处理等。

2.2 二冲程直喷发动机配气系统研究

二冲程缸内直喷发动机利用新鲜空气进行扫气，理论上可以完全避免油气短路损失，并且可以通过灵活可控的喷油策略使发动机在多种工况下达到燃油经济性及排放性能的综合提升，使二冲程发动机突破自身桎梏，焕发新的生机。因此，缸内直喷技术的应用将是二冲程重油发动机的主流趋势。

对于缸内直喷二冲程发动机的研究最早可追溯至上世纪七十年代，然而直喷技术至今没有大规模应用于二冲程发动机与二冲程的工作特点直接相关。对于缸内直喷发动机而言，混合气的形成质量是燃油喷射过程与缸内气流组织综合作用的结果。而二冲程发动机的配气相位是由扫气道位置所决定的。区别于四冲程机的气道加工工艺，二冲程发动机的扫气道通常是铸造而成。受到工艺精度所限，大规模量产时产品性能一致性较差。由于形位公差、表面粗糙度等因素的影响，发动机实际配气相位及进气量与设计值偏差较大，使得缸内气流不能与燃油雾化形成良性配合。因此，扫气道铸造精度对于直喷二冲程内燃机缸内混合气质量影响的定量研究是一个值得关注的研究切入点。

缸内直喷系统对缸内气流组织的高效性和精确性提出了更加严苛的要求。由于二冲程发动机的性能受换气质量影响较大，因而在变工况运行时，换气过程的状况易偏离设计工况，使换气质量变差。在提高铸造工艺精度和气道结构优化不能进一步改善油气混合效果时，需要开发适应直喷的新型配气系统。例如，可以将四冲程配气系统中的气门结构引入二冲程发动机。以适当的气道结构结合增压技术在缸内形成强流场，加速燃烧过程。利用可变配气机构灵活控制气门升程及气门启闭时间，以适应过渡工况转速和转矩大范围变化的特点，使得各种工况下都能达到比较大的充气效率，实现动力性的飞跃。

3 结论

1）活塞式航空发动机燃用重油研究意义重大、时间紧迫；二冲程发动机在小型航空重油发动机领域因功重比优势而具有良好的应用前景。

2）国内与国外二冲程重油发动机研究水平相比差距大，燃油喷射技术是焦点。

3）针对国产重油的燃烧机理研究是盲点；在直喷技术引入二冲程发动机的大趋势下，发动机新型配气系统研究是突破口。

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