二冲程重油航空发动机技术发展分析

杜春媛 田梦园 胡春明

（1-天津大学内燃机研究所 天津 300072 2-天津大学机械工程学院）

引言

迄今为止在发动机领域中，往复式四冲程发动机已经占据了主导地位，相比之下，二冲程发动机除了在高性价比的摩托车市场中运用外，在其他领域一直处于被忽略的地位。Sher 在回顾二冲程扫气运动中指出，在奥托循环应用于四冲程发动机之前所有的发动机都是二冲程[1]。二冲程发动机具有较高的功重比、结构简单等优点，满足无人机对动力装置的要求，使其在无人机活塞式发动机中占到77%的份额，并且运用范围主要集中在低速、低空以及起飞重量较小的靶机、以及侦查无人机领域[2]。

1 二冲程重油航空发动机简介

2019 年，世界无人机大会上给出了中国无人机民用与军用市场规模预测，如图1 所示，并对2022年全球商业无人机总值预测将达到150 亿美元，为2016 年的12 倍。中国无人机从军用扩展到民用，从工业级无人机到消费级无人机，未来国内的无人机市场将持续稳定增长，可见二冲程航空发动机在无人机领域的应用前景非常广阔。

在实际应用领域，航空重油一般指的是航空煤油或轻质航空柴油，重油与汽油的理化特性对比如表1 所示，可以看出汽油比重油的闪点低，更易挥发，即便在高空低温环境下仍容易遇明火发生爆炸，安全隐患较大，同时在燃油一体化要求下，重油发动机是无人机技术的重要发展目标之一。

图1 中国无人机民用与军用市场规模预测

二冲程航空重油发动机虽然有着广阔的发展前景，但也存在着一些研究难点，主要包括二冲程发动机存在的扫气损失以及进气时间短引起的进气不足，重油燃料粘度较大，蒸发性差，导致燃油雾化效果不理想等。本文结合国内外二冲程重油航空发动机的研究现状和技术特点，对难点和创新点进行分析总结，希望对我国二冲程重油发动机的发展起到参考借鉴的作用。

表1 燃油属性对比

2 二冲程重油航空发动机研究现状

2.1 二冲程重油航空发动机国外研究现状

为了满足燃料一体化要求，美国在20 世纪90年代就已经开始对重油航空活塞发动机的研究，并从1989 年开始陆续开展了三个小型重油活塞发动机的研究项目。在1994 年，美国NASA 开始实施一项通用航空推进计划，该报告中对2010 年后无人机动力规划中首次提出了开发重油航空发动机的概念[3]。之后其他各国也对重油航空活塞发动机做出了多方面研究，主要包括燃油的雾化技术、缸内直喷技术、换气过程、电子控制等方面。

实现重油的高雾化质量并优化燃烧效果，已经成为重油活塞发动机的核心技术之一。有研究者采用加热进气道和曲轴箱的方法来实现，美国3W 公司利用排气预热曲轴箱的方法，提高进气温度来加快重油的蒸发，使航空煤油在低速小负荷工况下能够稳定燃烧，但这种方法结构复杂，而且发动机高速运转时进气和蒸发时间不足，导致充气效率下降、排气逸出损失大等问题[4]。

也有学者提出直喷技术，通过对喷射系统的改进来提高雾化质量。在上世纪七十年代就出现了对二冲程缸内直喷汽油机的研究，但由于当时的喷射系统达不到要求，对二冲程发动机在低速小负荷下的失火问题没有改善，限制了直喷技术在二冲程发动机上的应用。直到九十年代二冲程直喷技术的研究进入一个高峰期，澳大利亚Orbital 公司的ASDI（Air-assisted Synerject Direct Injection）系统和SCIP（Simplified Cam-less IAPAC）、法国石油研究所的IAPAC（Injection Assisted Par Air Compressed）系统和美国福特汽车研究所的AFI（Air-forced Injection）系统[5]的相继问世，使得二冲程缸内直喷发动机的研究有了突破性的进展。J.M.Maclnnes 在90 年代对空气辅助喷油器瞬态喷雾的计算和测量进行了讨论[6]，到目前低压空气辅助喷射系统的应用更为广泛。

Chi La 等对二冲程重油空气辅助直喷发动机进行了标定试验，从标定结果可以看出AADI 有助于燃油的分层，降低爆震倾向并提高热效率，在改善燃油消耗方面的潜力巨大，燃油消耗率可以降至300 g/（kW·h）。另外使用动态压力和先进的排放采集技术建立了一套可以准确计算发动机扫气效率、燃烧特性的试验方法，并将其与测试结果相结合同时调整多个发动机参数，例如扫气口几何形状、进气口正时和喷油正时等，以得到性能最佳的二冲程重油发动机设计方案[7]。

除了采用低压缸内直喷的喷射系统，还可以使用高压共轨缸内直喷系统，其在四冲程发动机中应用广泛，由于燃油压力较高使其结构更加复杂，价格也更高，所以在小型二冲程重油航空发动机上难以广泛应用。可见，国外二冲程重油发动机的研究主要是以空气辅助喷射为主的缸内直接喷射技术，其主要优点是能够雾化粘度相对较高的燃油，且雾化质量好，喷雾SMD 能够达到7～8 μm[8]，实现重油的高效雾化以及燃烧组织是重油航空发动机的核心技术和研究热点。

在换气过程研究中，Brynych，P 等在一维模型中应用三维仿真结果表示二冲程发动机的扫气，为了限制费时的三维CFD 仿真的工作量，并同时从一维仿真中获得尽量多的精确结果。通过改变进气口高度、排气门正时、进排气压力和发动机压降的12 个组合，用一维与三维仿真结合的方法，得出排气门开启时刻越晚，进气回流就越多，且一维仿真结果与三维CFD 结果相差不大，而且扫气曲线的变化对气门正时和发动机压降的优化极限有很小的依赖性，如图2 所示为进气管高16 mm、排气门开启时刻为121°时通过发动机进气管质量流量的一维与三维计算结果对比[9]。

图2 发动机进气道的质量流率一维与三维计算结果对比

对于电子控制方面，国外在二冲程发动机电控系统领域已形成产业化，并进一步对控制策略和控制效果优化。Liu R 等为了解决双缸二冲程发动机的火花塞点火不一致问题，并基于影响气缸间一致性的问题，将空燃比用于控制气缸一致性，提出一种基于空燃比偏差并包括前馈和反馈控制的单缸燃油补偿控制策略。图3 为燃油喷射量补偿的前馈和反馈控制策略，并在双缸二冲程发动机上进行了怠速和小负荷工况下的台架试验，测试结果表明，2 个气缸的压差小于10%，且2 个气缸的空燃比与目标值相似，表明该控制策略具有较好的控制效果[10-12]。

图3 燃油喷射量补偿的前馈和反馈控制策略

2.2 二冲程重油航空发动机国内研究现状

近年来，我国对于二冲程重油航空发动机进行了多方面的研究，但研究的内容不够深入，仍处于初期发展阶段，国内高校也开展了众多的试验项目及数值模拟仿真计算，主要的研究方向有：进气道喷射二冲程发动机仿真与试验研究以及二冲程直喷重油航空发动机的相关研究[13]。

北京航空航天大学利用Fluent 对进气道喷射二冲程重油发动机的扫气过程进行三维流体仿真计算，通过研究气口参数对发动机容积效率和扫气损失的影响，确定发动机性能最优的气口参数，为发动机的整机设计提供理论参考[14]。

天津大学采用试验和仿真的相结合的方法对二冲程发动机的扫气系统进行了系统的研究，自主建立了光学扫气试验系统，其与国外同类的测试系统相比能够更接近实机，且实现更高的压差，如图4 为扫气试验台的三维模型示意图。另外还进行了扫气过程中缸内流动特性的稳态试验，采用POD 流场分解方法及涡心涡团统计方法研究了扫气气流的均匀性，结果表明，扫气涡流进动现象主要对应缸内拟序结构，而高强度大尺度涡流是维持缸内流动稳定性的重要因素。最后针对稳态扫气过程开展了LES 模拟研究，分析了均匀进气状态下不同扫气口径向角下缸内涡流形态的变化规律[15]。

南京航空航天大学对H3203 二冲程发动机进行直喷化改造，使其能够燃烧重油燃料。黄丽萍在改造发动机的台架标定试验中发现，发动机从怠速工况到4 000 rpm 小负荷工况采用晚喷的控制策略时，发动机在4 000 rpm 之前都能够稳定运行，但到达4 000 rpm 时却出现失火现象这一问题。采用CFD 仿真方法，分析发动机在台架试验中发生失火现象的原因，通过调整喷油时刻的范围以及提出相应的控制策略，来解决这一问题并拓宽发动机转速与工况范围如图5 所示，为喷油时刻的标定提供指导[16]。王思奇在对H4201 发动机进行直喷化改造后，为了使改造方案的产品化，还进行了高压旋流喷嘴的小型化改造设计，以发动机真实油耗为目标参数，用AME Sim 软件分析确定最佳的电磁阀组件模型[5]。

在二冲程重油直喷发动机的研究中，国内对混合气形成、燃烧特性以及电控平台的开发都有涉及。吉林大学采用CFD 与台架试验相结合的方法，探究了重油发动机的混合气形成与燃烧特性，重点研究了喷油提前角与喷油持续期对喷雾动态特性、燃油碰壁、混合气形成质量与分布、燃烧特性，以及对发动机的动力性、经济性和工作效率的影响[17]。

图4 扫气试验台三维模型示意图

图5 发动机喷油结束角与转矩

对二冲程重油航空发动机电控系统的开发，国内仍处于初期发展阶段，缺乏较为全面的研究，多数只考虑到功能的实现，对于控制策略的合理完善、ECU 的耐久性、信号完整性、电磁兼容性以及软件功能的安全标准等未做深入的研究，这也是二冲程重油航空发动机研究的一个热点问题。浙江大学设计开发小型二冲程航空重油发动机燃烧系统、燃油喷射系统、点火及润滑系统、点火一体化系统，重点是开发了一套发动机电控管理系统及传感器、执行器的选型和设计，采用磁电式曲轴位置传感器，并用线性节气门位置传感器检测负荷、电子节气门调节进气，编写发动机电子控制程序，进行样机试验证明所设计的电子控制系统的功能和工作稳定性，满足发动机的性能需求且抗电磁干扰能力强[4]。

3 二冲程重油航空发动机发展前景

3.1 二冲程重油航空发动机换气过程研究

二冲程重油航空发动机通常使用盘状阀、簧片阀来保证气口相位与缸内或曲轴箱内压力状况匹配得更加准确，通过活塞的运动来控制配气过程，没有复杂的配气机构，质量会较轻，自然成本也比较低。这种扫气方式一般为横流扫气或回流扫气，但其并不能将燃烧废气完全排除，还可能出现扫气“短路”现象，这也是引起二冲程重油航空发动机换气效果较差的根本原因，可以从配气方式上来改善。而从扫气性能来看，直流扫气被认为是最有效的扫气方法，气门结构的设计能避免新鲜充量与废气的过多掺混，加速推出废气，与回流扫气和横流扫气相比能最大限度地利用气缸内的空间进行扫气。通过合适的配气相位以达到补充进气的效果，还能使活塞的冷却均匀，受力均衡，因此直流扫气对于二冲程重油航空发动机换气过程的研究具有重要意义。

国内外对于二冲程重油航空发动机扫气过程的试验研究相对比较少，多数停留在仿真模拟阶段。在试验研究中需要测得缸内三维流场的变化，并使用粒子图像测速技术，而且在实际的发动机工作过程中受到很多环境等因素的影响，采用试验方法研究扫气过程不仅代价大，测量精度也难以保证，所以有学者选择模型发动机的手段来研究，还在难以测量气体的条件下，选择用液体代替气体进行研究，更多的研究还是采用数值模拟的方法。

采用数值模拟方法借助CFD 计算工具进行的换气过程研究，可以对不同的模型结构和参数的温度场、压力场、质量场、速度场进行模拟计算并分析预测，从而实现对扫气过程的优化，这是目前对扫气过程研究的基本手段，也是国内外学者目前普遍使用的方法，但这些研究集中在扫气模型的标定优化以及一些标量场的定性分析上，并没有从微观的角度去详细定量分析，无法有效地捕捉到缸内流场中的细致变化和多尺度特征。在换气过程中缸内气体流动对扫气效率的影响无法进行量化计算，需要对扫气流场的微观结构进行研究，并对扫气性能和涡流强度的评价进行定量计算，这可以作为一个研究的方向。

3.2 二冲程重油航空发动机直喷技术研究

国内小型航空飞行器大多使用传统的二冲程化油器式和进气道喷射汽油发动机，其能够满足一定的巡航动力性，但仍存在扫气损失以及过后排气的问题，使燃烧性能变差，还会增加未燃碳氢化合物的排放量，导致排放增加，所以要真正实现重油燃料在二冲程发动机上的应用，必须采用直喷技术[18]。

在进行直喷设计时，必须考虑到影响缸内混合气形成的直喷燃烧系统，重视燃烧室形状的设计，以及缸内气体流动的影响。还要考虑到海拔高度变化所引起的外界环境参数变化的影响。进气温度和压力随着海拔高度的增加而发生变化，导致缸内进气量的改变，进而影响气缸中的流场强度和扫气效率。在采用直喷技术后，通过调整喷油和点火参数来保证可燃混合气的形成质量，对发动机在不同海拔高度下动力性能优化的研究具有重要意义，也是二冲程重油直喷发动机研究的一个重要切入点。

4 结论

二冲程重油航空发动机是无人机技术的重要发展目标之一，其主要研究方向包括：

1）针对雾化技术来研究空气辅助直喷燃油对混合气形成的影响是目前的研究热点。

2）利用直流扫气结构的优势来研究二冲程重油航空发动机的配气系统具有重要意义。

3）对换气过程的仿真研究中详细定量分析缸内流场的细致变化，并将其变化对换气效率的影响进行量化计算是扫气过程研究的一个方向。

4）电子控制方面需要对控制策略的合理完善、信号完整性以及电磁兼容性等方面做更深入的研究。