航空煤油活塞发动机空气辅助喷射系统喷雾特性试验研究

高宏力, 张付军,2, 王苏飞, 武浩, 周磊, 赵振峰, 刘波澜

(1.北京理工大学 机械与车辆学院， 北京 100081； 2.北京理工大学 深圳研究院， 广东 深圳 518057；3.哈尔滨工业大学(深圳) 机电工程与自动化学院， 广东 深圳 518055)

0 引言

最近几十年来，汽油一直作为航空活塞发动机的主要燃料[1]，但由于汽油闪点低、挥发性强，常温下遇明火容易发生爆炸，给燃料存储、运输和使用带来很大的挑战[2]，对燃料安全性要求较高的国防领域，迫切需要安全性更高的替代燃料[3]。相比于汽油，航空煤油作为航空活塞发动机的重要燃料，其闪点高且不易挥发，安全性能好，但由于其黏性大、蒸发性差、火焰传播速度较慢[4]，导致发动机冷启动困难，火花塞容易淹缸和积碳，排放性差。同时航空煤油较难点燃，最低点火能量与燃油雾化粒径的4.5次方呈正比[5]。因此，航空煤油雾化粒径越小，所需点火能量越低，蒸发速率和气缸内混合气的形成速率越快，火焰传播速度越大。此外，航空煤油的辛烷值很低，只有25～46，容易产生爆震燃烧，严重影响发动机的正常工作和使用寿命，并制约发动机的最大输出功，而且由于蒸发性差导致其燃烧后期产生爆震时的混合气数量大、危害更严重。对于点燃式航空活塞发动机，燃油的雾化特性对发动机燃烧和排放有至关重要的影响，航空煤油的喷射雾化是其在点燃式活塞发动机上应用的前提。

空气辅助喷射技术的原理是，利用高压压缩空气离开喷嘴时的超声速气动力克服燃油表面张力来促进液滴破碎，使其在相对较低的喷油压力下获得较小的喷雾粒径[6]。同时空气辅助喷射的雾化质量对燃料种类不敏感，因此可以广泛应用于对燃料存储、使用安全要求高的场所。另外，空气辅助喷射系统功耗小，远低于高压共轨系统。但是，由于空气辅助喷射系统喷油压力低，对实际发动机缸内环境比较敏感，过高的缸内压力将影响喷雾的雾化质量。因此，空气辅助喷射系统多应用于小型二冲程航空发动机。不少学者针对空气辅助喷射系统的喷雾特性、喷射时刻和持续期性进行了研究。白洪林等[7]研究了喷气脉宽对喷雾特性的影响规律，指出增加空气喷射量可以改善燃油的雾化效果，明显降低喷雾的索特平均值(SMD)，对贯穿距的影响很小。Li等[8]和Gaynor等[9]研究了空气辅助喷射正时和喷射持续期对发动机混合气的形成、性能和排放的影响。

本文对空气辅助喷雾特性进行研究，利用高速相机和相位多普勒粒子分析仪(PDPA)[10-14]，在定容弹[15]内研究不同喷射条件下的煤油喷雾特性。分析定容弹弹体(环境)压力、定容弹内(环境)温度和控制参数(喷油脉宽、喷气脉宽)对喷雾宽度、贯穿距、空间扩散面积和SMD的影响规律，以期为空气辅助喷射系统的设计、应用推广提供理论参考依据。

1 空气辅助喷射系统的工作原理

空气辅助喷射系统主要由高压气源、气压调节阀、油箱、油泵、油压表、油气调节阀、油嘴、气嘴和电子控制单元(ECU)等组成，如图1所示。油嘴和气嘴按一定时序独立控制，控制时序如图2所示。由图1和图2可见，在喷油脉宽内，燃油从油嘴喷入预混腔，与高压空气进行混合，完成燃油初次破碎；经过一定时间(油气间隔)，油气初步混合完成；气嘴开启，高压气体的超声速气动力以及燃油表面的拉伸力克服液滴表面张力，促使液滴发生二次破碎，高压空气与破碎的液滴一并喷出。高压空气在膨胀过程中促使液滴加速，从而使燃油充分雾化。

2 试验装置与测试方法

图3所示为基于PDPA和高速摄影的喷雾特性测试试验台，主要由发射器、接收器、PDPA处理器、空气辅助喷油器、定容弹、高速相机、光源、信号发生器和真空泵等组成。

本文的定容弹容腔(环境)压力均采用绝对压力。在定容弹两侧分别布置进气口和排气口，定容弹容腔压力由安装在排气口上的真空泵和进气口上的压力调节阀共同作用实现，同时使用压力表对定容弹内压力实时监测，保持压力恒定。定容弹内的压力用来模拟发动机实际工作过程中的缸内压力，由于空气辅助喷油器的喷油压力较低，发动机实际喷油过程发生在缸内压力0.1～0.3 MPa的扫气过程内。为了模拟喷油时刻缸内实际工作温度，使用工业电阻丝和温度传感器对定容弹进行加热和监测。

PDPA由丹麦Dantec公司生产，所用激光器为美国Coherent公司生产的Innova 70C氩离子激光器。激光发出后经过布拉格单元，分为3种不同波长(476.5 nm、488.0 nm和514.5 nm)共6束激光，交汇为一点、形成测量体，其中波长为514.5 nm的两束激光用于测量液滴直径。喷雾液滴经过测量体时散射的光信号由接收器内光电倍增管接收并转换为电信号，发送至PDPA信号处理器，由此计算出液滴的粒径等信息。PDPA的测量位置位于喷嘴中轴线距离喷嘴30 mm处，如图4(a)所示。为了保证PDPA测试结果的精确度，设定喷油频率保持为1 Hz，每个测试工况捕获100 000个液滴。另外，为了防止多次喷雾产生的大量油滴悬浮于定容弹中干扰测量，使用真空泵将上一次喷雾产生的油滴及时扫出。由于真空泵引起的空气流速(3 m/s)远低于喷雾过程中油滴的运动速度，真空泵的使用不会影响喷雾过程，由此获得液滴粒径场分布。粒径SMD计算公式如(1)式：

(1)

式中：Di为第i个液滴的直径。

试验采用日本Photron公司生产的Fastcam SA4高速相机，拍摄频率选择10 000帧/s，分辨率选择512像素×512像素，LED灯于定容弹一侧视窗射入强光、照亮喷雾，喷雾发展过程由布置在另一侧视窗处的高速相机捕捉。试验中，高速相机、LED灯、PDPA发射与接收器均与定容弹视窗垂直布置。PDPA、相机、喷油器以及供油系统的控制与同步通过ECU和信号发生器实现。

为了定量分析空气辅助喷射时的喷雾形态，引入喷雾宽度、喷雾贯穿距和喷雾扩散面积等参数。其中，喷雾宽度是指喷雾垂直方向最左侧到最右侧的距离，喷雾贯穿距是指从喷嘴到喷雾最远端的距离，喷雾扩散面积是指喷雾在空间总的分布面积(纵截面)，如图4(b)所示。为了保证结果的可重复性，在每个试验条件下进行5次重复测试，并使用平均值，以确定喷雾宽度、贯穿距和扩散面积。

通过MATLAB编程软件对喷雾图像进行二值化处理，灰度阈值为70%，计算喷雾宽度、贯穿距和扩散面积的像素点，利用高速相机预先标定的实际距离与像素数的对应关系，得到喷雾参数对应的实际值。

本文测试条件如表1所示，试验采用RP-3航空煤油，其特性如表2所示。

3 喷雾形态的试验结果分析

3.1 环境压力对喷雾形态的影响

发动机在工作过程中缸内压力不断变化，在曲轴转角为120～-60 °CA之间缸内压力小于0.3 MPa，过高的缸内压力会影响喷雾的发展，因此需要研究环境压力对喷雾形态的影响。保持喷油压力0.8 MPa、喷油脉宽5.5 ms、油气间隔0.5 ms、喷气脉宽2.5 ms和环境温度300 K，获取燃油启喷后0.5 ms、1.5 ms和2.5 ms共3个时刻的喷雾形态图像如表3所示。表3的结果表明：随着环境压力的提高，喷雾纵向延伸能力减弱，横向扩张能力增强；喷雾宽度随着环境压力的升高而变宽(见图5)；喷雾沿喷孔方向贯穿的动量被大幅度削弱，贯穿距变小(见图6)，喷雾的扩散面积也呈现明显减小的趋势(见图7)。这是因为随着背压的升高，喷嘴前后压差变小，压缩空气气动力减小，喷雾发展被限制，贯穿动能减小，速度降低，从而致使喷雾宽度变宽，贯穿距变小，扩散面积也明显减小。

表2 RP-3航空煤油燃料属性

3.2 环境温度对喷雾形态的影响

在航空煤油发动机冷启动过程中需要对发动机进行预热，因此需要研究环境温度对喷雾形态的影响。保持喷油压力0.8 MPa、喷油脉宽5.5 ms、油气间隔0.5 ms、喷气脉宽2.5 ms和定容弹内压力0.1 MPa，获取环境温度分别为300 K、400 K和500 K时燃油启喷后0.5 ms、1.5 ms和2.5 ms共3个时刻的喷雾形态，如表4所示。表4的结果表明：随着环境温度的升高，喷雾宽度减小(见图8)、贯穿距减小(见图9)、扩散面积也随之减小(见图10)。这是因为环境温度增加，使液滴表面张力减小，液滴吸热增加，促进液滴汽化。在距离喷嘴轴向距离小于15 mm处，喷雾的宽度没有明显变化，主要是因为刚喷入定容弹的燃油温度较低，没有来得及吸热；另外，由于喷雾刚喷出时的气体动量较大，使喷雾沿喷孔方向发展。当轴向距离超过15 mm时喷雾开始大量汽化，特别是喷雾两侧边缘区蒸发汽化明显，使喷雾宽度随着环境温度的增加而减小；随着环境温度的提高，喷雾前端和周围空气的接触面积增大，滴液蒸发速度变快，由大液滴转变为小液滴，导致自身动量减弱，喷雾贯穿速度降低，贯穿距也相应减小，进而喷雾整体扩散面积也相应减小。

表3 不同环境压力时的喷雾形态对比

Tab.3 Comparison of spray morphologies at different ambient pressures

表4 不同环境温度时的喷雾形态对比

Tab.4 Comparison of spray morphologies at different ambient temperatures

3.3 喷油脉宽对喷雾形态的影响

发动机的循环油量是由喷油脉宽决定的，节气门的开度越大，要求的循环油量越大，节气门开度分别为25%、50%和100%时对应的喷油脉宽分别为3.5 ms、5.5 ms和7.5 ms. 为了研究循环油量对喷雾形态的影响规律，保持喷油压力0.8 MPa、环境压力0.1 MPa、油气间隔0.5 ms、喷气脉宽2.5 ms和环境温度300 K，获取燃油启喷后0.5 ms、1.5 ms和2.5 ms共3个时刻的喷雾图像，如表5所示。表5的结果表明；喷油压力不变时，循环油量随喷油脉宽的增加而增加，同时喷雾宽度增加(见图11)、喷雾贯穿距减小(见图12)、扩散面积略微增加(见图13)。这是因为在相同喷气脉宽下，高压压缩空气携带的燃油量增加，总体气动力削弱，油束的动能减小，导致油束沿喷孔方向贯穿的能力减弱，喷雾液滴的纵向动量减小，横向动量增加，从而使喷雾宽度增加，喷雾贯穿距减小。3种不同喷油脉宽在扩散面积方面的主要差别出现在喷雾发展的中后期(1.0 ms以后)，喷雾的扩散面积随着喷油脉宽的增加而增加。特别地，在启喷后1.5 ms和2.5 ms时刻喷油脉宽为7.5 ms时，在喷雾前端出现明显的扩张膨胀，主要是因为喷油脉宽增大后喷油量随之增加，意味着喷雾场中燃油的浓度较高、压缩空气量相对较少，压缩空气对液滴表面的携带、破碎作用减弱。同时由于喷雾场中的燃油浓度高、液滴相对更密集，使液滴的运动减缓，尤其是喷雾前端，变宽的喷雾与定容弹内空气的相互作用增强。

表5 不同喷油脉宽下喷雾形态对比

Tab.5 Comparison of spray morphologies under different fuel injection durations

3.4 喷气脉宽对喷雾形态的影响

为保证预混腔内的燃油全部被高压空气携带喷入气缸，喷气脉宽不能过小，同时由于二冲程发动机转速要求较高，需要在一定时间内喷出足够的可燃混合气。另外，发动机在高负荷(喷油脉宽较长)情况下，为了保持良好的雾化效果，需要增加喷气脉宽。当节气门开度低于50%、高于50%且低于75%以及高于75%时所对应的喷气脉宽分别为2.5 ms、3.5 ms和4.5 ms，因此需要研究喷气脉宽对喷雾形态的影响规律。保持喷油压力0.8 MPa、喷油脉宽5.5 ms、油气间隔0.5 ms、定容弹内压力0.1 MPa和定容弹内温度300 K，获取喷气脉宽分别为2.5 ms、3.5 ms和4.5 ms时燃油启喷后0.5 ms、1.5 ms和2.5 ms共3个时刻的喷雾图像，如表6所示。表6的结果表明：随着喷气脉宽的增加，喷雾宽度减小(见图14)、贯穿距增加(见图15)、扩散面积先增加后减小(见图16)。这是因为随着喷气脉宽的增加，喷入气缸的高压空气量增加，高压空气动能增加，液滴与压缩空气的相互作用时间增长，促使液滴加速运动，使喷雾沿喷孔方向发展，致使喷雾宽度减小、贯穿距增加。在喷雾扩散面积方面，在喷雾启喷1.5 ms前的初期阶段，喷气脉宽对喷雾扩散面积的影响甚微，在1.5 ms后，喷气脉宽从2.5 ms增加到3.5 ms，喷雾扩散面积有所下降，主要原因是喷气脉宽的增加导致喷雾膨胀破碎的能力增加，液滴的蒸发速度加快，喷雾边缘区域粒径较小、容易汽化。当喷气脉宽持续增加到4.5 ms时，喷雾扩散面积在喷雾启喷的1.5～2.5 ms大于喷气脉宽为3.5 ms时的工况(见图16)。主要原因是喷气脉宽增加后喷雾的贯穿速度增加，导致喷雾的扩散面积有所增加，有利于喷雾加速运动，并且喷雾场内燃油液滴相对更稀疏，降低了其相互碰撞而融合成大液滴的概率，加强了燃油的雾化效果。

表6 不同喷气脉宽下喷雾形态对比

Tab.6 Comparison of spray morphologies under different air injection durations

由此可见，与传统柴油机缸内直喷相比，空气辅助喷射系统喷油压力较低，喷雾形态容易受到环境压力的影响。另外，航空煤油的黏度、沸点和表面张力明显低于柴油，其蒸发性和混合气的形成优于柴油。但是由于航空煤油的十六烷值较低、自燃点高于柴油，其着火性能较差、燃烧滞燃期较长。通过合理的参数匹配和适当地增加喷气脉宽，保证空气辅助喷射系统在较低的缸内环境下完成喷射，可以有效地缩短燃烧滞燃期。同时采用火花塞点燃式技术可以有效地提高发动机的冷启动性能和续航能力。

4 SMD的试验结果分析

4.1 SMD统计结果分析

SMD能够反映喷雾中液滴群的蒸发速率和化学反应速率[16]，SMD越小表明喷雾油滴越细，雾化质量越好，燃烧越充分，燃油消耗率也越低。在测试过程中，当距喷嘴距离小于10 mm时，由于液滴的破碎过程尚未完全完成，液滴在空间中的分布形状不规则，根据PDPA的测量原理，当被测液滴球形度较低时无法获得有效数据。另外，由于该区域液滴密度较高，可能导致一束激光内同时捕获多个油滴，造成信号重叠、导致测试数据有偏差。因此选取PDPA的测量位置距离喷嘴30 mm处(见图4(a))，保持喷油压力0.8 MPa、喷油脉宽5.5 ms、油气间隔0.5 ms、喷气脉宽2.5 ms、环境压力0.1 MPa和环境温度300 K作为参考测量状态，采用控制单一变量法测试不同状态的SMD. 图17(a)显示了参考状态的液滴分布图，按照液滴分布的时间轴分为3部分，分别为延时区、有效区和悬浮区。从信号触发到液滴进入测量体的时间称为延时时间，从液滴进入测量体后的2.5 ms(喷气脉宽)为有效时间区域，过了有效区后由于还有大量液滴悬浮在定容弹内，这部分液滴也会经过测量体，在数据处理时应该滤掉。图17(b)显示了参考状态下有效区域内统计的液滴数目分布图，其计算方法是将2.5 ms测量时段按0.2 ms时间长度划分，最后1个时段(第2.4～2.5 ms)为1个单独的区间，共13个时间区间。从图17中可以看出，在气嘴刚打开时，前两个时间区间液滴累积数目不断增加，在3～12个时间区间趋于稳定，最后1个时间区间由于仅有0.1 ms，液滴数量也仅有一半左右。图17(c)显示了有效区域内不同粒径下液滴的分布数，液滴粒径在7～10 μm的液滴数目超过了70%，对有效区域每个时间区间(0.2 ms)的液滴直径和液滴数目进行加权，可以计算出该有效区域的SMD.

4.2 不同参数对SMD的影响

对于单一参数变量下的液滴SMD，在其他参数为参考参数(喷油压力0.8 MPa、喷油脉宽5.5 ms、油气间隔0.5 ms、喷气脉宽2.5 ms、环境压力0.1 MPa、环境温度300 K)情况下，研究各参数对SMD的影响规律。

图18(a)所示为环境压力为0.1～0.3 MPa情况下SMD的变化趋势。由图18(a)可见，随着环境压力的提高，喷孔两侧压差变小，导致液滴初始速度减小、喷雾动能减小，削弱了压缩空气辅助破碎液滴的能力，导致SMD逐渐变大，从0.1 MPa的8.57 μm增加到0.3 MPa的13.98 μm. 由此可见，过高的环境压力降低了喷雾雾化质量，因此在发动机工作过程中应该控制好喷油正时，维持空气辅助喷射压力与缸压间的压差。

图18(b)所示为环境温度对液滴SMD的影响规律。从图18(b)中可以看到，随着环境温度的增加，燃油SMD逐渐降低，从300 K的8.57 μm减小到500 K的6.48 μm，减小了24.39%. 由此可见，环境温度对燃油液滴破碎蒸发有重要的影响，主要是因为环境温度的上升增加了液滴的吸热、提高了燃油温度，使液滴表面张力减小，促进液滴膨胀、破碎和汽化，温度越高，喷雾雾化效果越好。

图18(c)所示为不同喷油脉宽对SMD的影响规律。从图8(c)中可以看出，随着喷油脉宽的增加，SMD随之增加，从2 ms的6.55 μm增加到6 ms的9.28 μm. 这是因为随着喷油量的增加，气体雾化介质动能减小，同时减小了燃油液滴与压缩空气之间能量的交换，削弱了压缩空气膨胀破碎液滴的能力。另外，由于喷雾场中燃油浓度高、液滴分布较密集，液滴更容易相互碰撞结合，不利于雾化。

图18(d)所示为不同喷气脉宽对SMD的影响。从图18(d)中可以看到，随着喷气脉宽的增加，SMD逐渐减小，SMD从喷气脉宽2.5 ms的8.57 μm减小到4.5 ms的6.90 μm. 这主要是因为随着喷气脉宽的增加，压缩空气雾化介质动能相应增加，加剧了燃油与压缩空气之间的能量传递；另一方面，压缩空气与燃油液滴的相互作用面积增加，使单个液滴的空气动力学力增加，高压压缩空气对燃油的扰动作用增强，促进了液滴破碎，有利于喷雾雾化。

综上所述，相比于采用压燃技术的柴油机，保证SMD在10 μm左右时，需要高压油泵提供超过100 MPa的供油压力[17]，从而需要消耗发动机本身较大的动力来驱动高压油泵工作。而采用空气辅助喷射技术时喷油压力仅为0.8 MPa，即可获得SMD小于10 μm的液滴。另外，柴油机的质量大，亦极大地制约了航空动力的机动性和载重能力。

5 整机试验验证

为了验证空气辅助喷射系统的可行性，采用某型水平对置二冲程四缸发动机进行整机试验，发动机的排量为1.2 L，发动机台架试验原理如图19所示，包括测功机、空气辅助喷射器、燃烧分析仪、数据采集以及信号处理器等。发动机测试工况为6 000 r/min、节气门开度为70%、发动机功率为64 kW、循环油量为40 mg. 燃烧分析仪用于发动机性能相关数值的采集处理，测试工况下发动机的缸压如图20所示，峰值缸压(3.3 MPa)出现在曲轴转角14°CA；发动机瞬态放热率如图21所示，峰值瞬态放热率为0.04，出现在曲轴转角4.8°CA处。由此可知，在测试工况下发动机运行平稳，从而证明了空气辅助喷射系统的可行性。

6 结论

本文以空气辅助喷射系统为对象，利用高速摄影和PDPA在定容弹内研究了环境压力、环境温度和控制参数对喷雾特性的影响规律。得到主要结论如下：

1) 在喷雾形态方面：随着环境压力的升高，喷雾速度减缓，当环境压力升高到0.3 MPa时喷雾前端出现卷吸现象；减小喷油脉宽或增加喷气脉宽可以促进油束沿喷孔方向贯穿的能力，相同喷射时刻下喷雾贯穿距有增加的趋势；增加环境温度可以促进滴液蒸发，特别是喷雾外缘区域，从而使喷雾的扩散面积减小；由于温度升高使液滴纵向动量减小，导致喷雾的贯穿速度有所减小。

2) 在喷雾SMD方面：随着环境压力的提高，喷雾过程中燃油液滴的初始速度降低，不利于雾化，导致SMD从0.1 MPa的8.57 μm增大到0.3 MPa的13.98 μm，增加了63.1%；升高环境温度可以增加压缩空气对液滴的扰动、促进雾化，SMD从300 K的8.57 μm减小到500 K的6.48 μm，降低了24.39%；对于冷启动困难的航空煤油发动机，增加喷气脉宽和预热可以改善冷启动；增加高压空气喷射量可以促进燃油蒸发，加速液滴破碎，降低液滴相互碰撞融合的可能。对于发动机负荷较大、需求燃油量较高的工况，可以适当增加喷气脉宽提高雾化性能。

3) 发动机整机试验结果表明，本文的空气辅助喷射系统是可行的。