带补燃增压的航空活塞发动机复合型起动策略研究

刘 畅 徐 征 周 煜

（1-中国直升机设计研究所 江西 景德镇 333001 2-北京航空航天大学）

引言

在航空领域，活塞式发动机在无人机和直升机等轻型飞机上的应用越来越广泛，与此类轻型飞机相匹配的发动机需要具有功重比高，体积小，油耗低等优势[1]。为进一步提升发动机的功重比和升限，大多数活塞发动机都会使用增压系统[2]，根据增压方式与驱动压气机方式的不同，增压系统分为机械增压、废气涡轮增压与旁通补燃增压3 种[3]。

旁通补燃增压技术是增压技术的一个跨越式发展[4]，一般形式是将活塞发动机排出的尾气与一部分新鲜空气在进入涡轮之前再次喷油燃烧，使尾气的温度和做功能力进一步提升，从而推动涡轮发出更高的涡轮功并驱动压气机工作[5]。补燃增压发动机可以在不提升发动机机械负荷与热负荷的前提下，使发动机功率大幅度提升。

起动系统是指发动机曲轴在外力下开始转动，使发动机由静止状态加速到慢车以上工作状态的系统[6]。起动系统应满足以下要求：在规定的环境温度下，均能可靠起动；起动迅速，并能按规定次数连续起动；操作便利，维修简便；结构简单，体积小，重量轻[7]。起动系统能够成功起动发动机所需要的条件：起动系统所提供的功率和转矩不小于起动所需要的最小功率和转矩，并且曲轴转速达到发动机起动最低转速[8]。起动方式根据起动时外部能量来源的不同，可分为人力起动、压缩空气起动和电起动3 种类型[9]。

目前国内外对于起动系统的研究主要集中在起动系统结构与控制研究、发动机冷起动性能研究与起动过程排放等方面。如王铁军[10]介绍了4160 超压比补燃柴油机的基本结构以及性能特点，研究并针对起动系统重量进行分析，起动系统需要额外辅助气源，质量大不适用于航空活塞发动机。Liu，H.Q.[11]开发了一种基于Simulink 软件的非线性动力学模型，模拟自然吸气、单缸四冲程直喷式柴油发动机在冷起动和完全预热条件下的整体性能。Rakopoulos C.D.[12]对于涡轮增压柴油机起动过程中的污染物排放情况进行研究，对于补燃增压发动机，尾气会在补燃室内二次燃烧，有效减少污染物排放。杨军[13]介绍了某型16 缸柴油机的气压控制式压缩空气起动系统，分析了该系统的结构、原理及起动流程。该起动系统适用于地面或者轮船所用柴油机的起动系统，重量较大不适用于航空活塞发动机。Yeon W.L.等人[14]介绍了船用空气起动电动机的结构组成与工作方式。Liu H.等人[15]研究了用于降低铅酸蓄电池容量的超级电容器，利用其可以在低温下提供起动所需的瞬时功率，降低铅酸蓄电池系统的成本、体积和重量。Jain A.K.等人[16]介绍了一种适配于42 V 电源的集成式起动发电机，验证了该系统在起动和发电过程中的性能。唐良才等人[17]介绍了直流起动机与中小功率柴油机科学、合理的匹配方法，介绍了起动机特性曲线的选择范围。牛刚学等人[18]针对大压缩比柴油机起动倒拖转矩大造成起动困难的问题，提出了自动减压起动柴油机的方案。该方案可有效减小起动过程压缩阻力，借鉴至本文所设计的起动策略中。Michelotti，A.C.[19]针对内燃机与起动电机之间提供机械连接的动力联轴器，提出了一种可以降低排放的新型方案。顾珂韬等人[20]介绍了全可变气门技术，该技术对于发动机经济性、动力性与排放性能均有改善。

国内外研究中，面向带补燃增压的航空重油发动机起动系统设计的相关研究较少，并且涉及电机/高压空气的复合型起动系统的相关研究更少。对于带补燃增压的航空重油发动机，一般包括燃机与活塞机2 个循环，起动过程需要有先后顺序，并且发动机输出功率与整体重量均较大，导致起动阻力较大，对于起动策略的设计是很大的挑战。对于航空用发动机，整体质量受到限制，因此发动机起动策略需要进行详细设计与研究。

本文针对带补燃增压的航空重油发动机，设计了电机起动与高压空气起动相结合的复合型起动策略，其中高压空气起动所用的气体是由燃机循环的涡轮前部引出，而非正常空气起动的由携带的高压气瓶引出，该措施充分利用补燃增压发动机的特殊结构形式，可以有效减少起动系统质量。本文从理论与数值仿真方面验证起动策略的可行性，对带补燃增压的重油航空发动机起动系统设计具有重要意义。

1 发动机起动能量理论分析

1.1 发动机基本参数

以某型200 kW 带补燃增压的重油活塞发动机作为验证，发动机基本参数如下：

两冲程补燃增压式发动机，功重比为2，额定功率为200 kW，共有4 个气缸，气缸直径为100 mm，行程为110 mm，发动机排量为3.46 L，理论压缩比为16。

1.2 起动能量理论计算

1.2.1 功率理论计算

发动机成功起动的条件为提供的起动功率与力矩大于起动所需的功率与力矩，并且达到发动机最低起动转速，一般柴油机的最低起动转速为150～200 r/min。

起动阻力由压缩空气阻力与摩擦阻力两部分组成，压缩功率公式如式（1）所示：

其中：Pc为压缩功率，n 为多变指数，n0为压缩空气量，Tc为压缩空气温度，π为压缩比，tc为起动所用时间。

摩擦功率公式如式（2）所示：

其中：Pf为摩擦功率，K 为安全系数，pr为起动阻力，V 为发动机排量，Nmin为发动机最低起动转速，τ 为发动机冲程数，η 为起动机与曲轴传动效率，υn为机油粘度。

经计算得到发动机起动所需压缩功率为5.58 kW，摩擦功率为2.27 kW，合计起动总功率为7.84 kW。

考虑使用空气起动方式，对于补燃增压航空活塞发动机，一般的起动方式为先起动燃机循环，待燃机循环稳定工作后起动活塞机循环，考虑使用燃机循环的高压空气起动活塞发动机，即从燃机循环引一股高压空气用于空气起动系统。空气起动提供功率公式如式（4）所示：

其中：P1为空气起动提供功率，Pa为高压空气压力，P0为大气环境压力，s 为活塞面积，la为高压空气推动活塞移动距离，τa为起动用气缸数，ta为空气起动所用时间。

在0.25 MPa 高压空气作用，并使用两个气缸作为空气起动气缸的情况下，可以提供2.1 kW 的功率，考虑到压缩阻力较大，可以使用减压放气技术，在气缸压缩过程中进行放气处理，使此时的压缩阻力为零，仅需克服摩擦阻力即可。使用电起动与空气起动相结合的起动方式，利用空气起动提供的功率，减少起动电机的功率，从而减轻起动系统的质量。

1.2.2 起动力矩理论计算

发动机起动阻力矩由压缩阻力矩、摩擦阻力矩以及曲轴飞轮惯性阻力矩3 部分组成。

其中：Ts为起动阻力矩，Tc为压缩阻力矩，Tf为摩擦阻力矩，Tq为曲轴飞轮惯性阻力矩，τmax为未燃烧时换算到单位活塞面积的最大切向力，s 为活塞面积，l为活塞行程，τ 为发动机冲程数，pr为起动阻力，V 为发动机排量，Iq为曲轴飞轮转动惯量，a 为发动机曲轴加速度。

计算得发动机起动压缩阻力矩为56 N·m，惯性阻力矩为34 N·m，摩擦阻力矩为80 N·m，起动总阻力矩为170 N·m。

对于空气起动系统提供力矩示意如图1 所示。

图1 空气起动系统提供力矩示意图

其中：pa为高压空气压力，Fa为活塞所受压力，F1与F2为活塞力沿连杆方向分力与活塞侧压力，Fr与Ft为连杆力在曲柄销中心产生的径向力与切向力，α为曲轴转角，β 为连杆与竖直方向夹角。

则空气起动瞬时力矩为：

空气起动当量力矩为：

其中：α1与α2为空气起动过程中高压空气进入气缸的起始与结束曲轴转角。

计算得到0.25 MPa 高压空气起动可提供的当量力矩约为52 N·m。

查阅资料QD142A 型号起动机额定功率为3 kW，全制动特性力矩＞25 N·m，正常工作状态转速为3 000 r/min，转矩约为15 N·m，在减速比为10 的情况下可以提供约150 N·m 的力矩。

空气起动与电起动可以提供力矩约为202 N·m，高于起动所需转矩，并且起动阻力矩中的摩擦阻力矩与惯性阻力矩会随着曲轴转速的上升而减少，更有助于起动过程的顺利进行。

因此，采用空气起动与电起动相结合的起动策略在能量匹配上是可行的。

2 发动机起动策略

2.1 发动机正常工作状态

发动机整体正常工作状态如图2 所示，包括两级压气机、一级涡轮、4 个气缸、1 个补燃室以及进排气管路和数个阀门。

图2 发动机整体正常工作状态示意图

发动机正常工作状态包含2 个循环，活塞机循环和燃机循环。

活塞机循环空气流动顺序为：外界空气-第1 级压气机-第2 级压气机-进气管路-气缸组-排气管路-补燃室-涡轮-外界空气。

燃机循环空气流动顺序为：外界空气-第1 级压气机-补燃室-涡轮-外界空气。

2.2 发动机起动过程

根据带补燃增压的航空活塞发动机基本结构与缸内放气方案，设计发动机起动策略：

起动过程分为2 步，第1 步如图3 所示，首先起动燃机循环，利用电机1 驱动增压器轴，通过阀门的控制使得空气无法到达活塞循环流路，空气流动顺序为：外界空气-第1 级压气机-第2 级压气机-补燃室-涡轮-外界空气。在补燃室中喷油点火燃烧，高温燃气通过涡轮做功，驱动压气机转动，电机带动至一定转速后，涡轮功足以负担2 级压气机的耗功，此时撤去电机，燃机循环达到自给自足状态，通过控制补燃室中喷油量来控制增压器转速。

图3 起动燃机循环示意图

当第2 级压气机后的压力达到0.25 MPa 时，进行起动过程第2 步，如图4 所示，通过阀门开启活塞机循环，使第2 级压气机后高压气通过进气管路进入气缸；电机2 带动曲轴转动；由补燃室后引高温燃气用于空气起动，在#4 和#2 气缸的活塞运行至上止点时，通过机械装置打开气缸排气门，高温燃气进入气缸，推动活塞下行并带动曲轴转动。

图4 起动活塞循环示意图

在电机带动和高温燃气的共同驱动下，曲轴加速转动至发动机起动最低转速，随后撤去电机2，并关闭相应的起动相关管路，气缸内正常喷油燃烧，并可以通过控制气缸喷油量来控制曲轴转速，发动机进入正常工作状态，起动过程完成。

3 发动机起动过程一维模型仿真计算

3.1 发动机起动过程瞬态一维模型

使用GT-POWER 软件并根据发动机参数建立发动机稳态模型，并在稳态模型的基础上建立起动模型，加入空气起动模块、电起动模块与相应控制系统。模型主要模块如图5 所示，包括涡轮增压器系统、活塞机系统、补燃室模块、高压空气起动系统以及4 处阀门，其中阀门1 与阀门2 用于控制起动过程中燃机流路的切换，阀门3 的两处阀门用于控制活塞机循环流路的开启与关闭，阀门4 用于高压空气起动流路的开启与关闭。

图5 瞬态模型主要模块示意图

3.2 发动机起动过程瞬态一维计算结果及分析

3.2.1 发动机加速过程结果分析

发动机起动过程，曲轴在高压空气与电机的共同作用下加速，前两个循环曲轴转速与时间的关系曲线如图6 所示，可以看到在0～0.1 s 的时间内转速为零，此阶段为燃机循环增压器建立压力与流量的过程，在0.1 s 时燃机循环已达到稳定状态，起动活塞机循环。第1 个循环时间为0.1～0.34 s，第2 个循环时间为0.34～0.39 s，两个循环内，发动机转速达到最低起动转速并能迅速增长，起动过程在两个循环内顺利完成，最终达到1 400 r/min。

图6 曲轴转速-时间曲线

第1 个循环曲轴转速与曲轴转角的关系如图7所示，配图下部为空气起动过程随曲轴转角的关系，包括高压空气驱动与放气机构两部分，两个图需要进行配合分析。

图7 曲轴转速-曲轴转角曲线

由于横坐标为曲轴转角，因此0～0.1 s 这个时间段曲轴没有转动，因此计算起点为0.1 s 时刻，即图7最左端的-180°CA，具体分析如下：

-180°CA～-90°CA，#4 气缸通入高压空气，#2气缸缸内放气，基本没有压缩阻力，仅需克服摩擦阻力，转速持续上升至约300 r/min。

-90°CA～-60°CA，#4 气缸与#2 气缸持续通入高压空气，#1 气缸压缩阻力持续增大，转速上升趋势变缓，最大转速为306 r/min。

-60 °CA～0 °CA，#4 气缸不再通入高压空气，#2气缸持续通入高压空气，由于接近#1 气缸上止点，压缩阻力快速增加，转速持续下降，并在-7°CA时转速达到最低点43 r/min。此时一方面由于转速的降低，电机恒功率状态下提供转矩增加，另一方面#1气缸在上止点前16°CA 处喷油并部分燃烧，曲轴在二者的作用下转速逐渐上升。

0 °CA～30 °CA，#4 气缸不再通入高压空气，#2气缸持续通入高压空气，由于#1 气缸部分燃料燃烧，缸内压力较大，推动活塞迅速下行，此阶段转速快速上升。

30°CA～90°CA，#2 气缸不再通入高压空气，高压空气驱动结束，在#1 气缸内高压的作用下转速持续上升，并在58 °CA 时转速达到极大值548 r/min，由于接近#3 气缸上止点压缩阻力增大，转速逐渐下降。

90°CA～180°CA，#3 气缸喷油燃烧，产生高压推动活塞迅速下行，转速上升并于150°CA 达到极大值775 r/min，之后接近#4 气缸上止点，压缩阻力增大，转速下降。

由第1 个循环的曲轴转速曲线可以得出，在前半个循环中，曲轴在2 kW 电机与高压空气的共同作用下加速，并在#1 气缸上止点前转速减至最低，随后度过最低点后#1 气缸实现燃烧，曲轴转速迅速上升，随后转速持续上升。若起动能量稍小，则在无法顺利度过转速最低点处，会导致起动失败，因此此处的最低转速是一个判断起动能量能否使起动过程成功顺利进行的一个参考指标。

发动机在2 kW 起动电机和高压空气起动系统的作用下，一个循环内即可实现燃烧，两个循环达到起动最低转速。

3.2.2 发动机空气起动缸内分析

空气起动系统，以#2 气缸为例，高压空气通过#2 气缸连接孔口进入气缸流量随曲轴转角变化曲线如图8 所示，在-90°CA～30°CA，高压空气持续流入#2 气缸。总计流入#2 气缸1.16 g 气体，平均流量为3.41 g/s。

#2 气缸缸内压力随曲轴转角变化曲线如图9 所示，在#2 气缸放气阶段，缸内压力较低，约为0.12 MPa，高压空气进入期间，缸内压力由0.23 MPa 缓慢下降到0.19 MPa，高压空气停止通入后，随着进排气门的开启，缸内压力基本维持在0.17 MPa。

图8 #2 气缸高压空气流量-曲轴转角

图9 #2 气缸缸内压力-曲轴转角

缸内压力会产生对于活塞、活塞销部件的推力，#2 气缸活塞销受力随曲轴转角变化曲线如图10 所示，在#2 气缸放气阶段，缸内压力较低，活塞销轴向受力为160 N，高压空气进入期间，活塞销轴向受力由1 000 N 缓慢降低到706 N，高压空气停止通入后，随着进排气门的开启，缸内压力下降，活塞销轴向受力下降至444 N。

图10 #2 气缸活塞销受力-曲轴转角

3.2.3 发动机电机起动分析

对于电机起动系统，电机PID 控制器运行结果如图11 所示，输入信号为发动机曲轴转速，输出信号为电机功率。图中三角图例线为输入信号的目标值500 r/min，圆形图例线为输入信号的实际值，方形图例线为输出值，在0～0.1 s 的时间内，燃机循环起动并逐渐稳定，电机输出功率为0，在0.1 s 时，电机起动，输出功率变为2 kW 并保持最大功率不变；0.3 s 时，曲轴转速超过设定目标值，输出功率迅速下降至0 kW 并保持不变，此时电机不再作用于曲轴。

图11 电机PID 控制器运行结果

电机输出转矩与曲轴转角的关系如图12 所示，-180°CA 时，由于转速接近0 r/min，输出转矩很大，随着转速上升转矩下降至70 N·m，在-7°CA 时由于转速下降，转矩增大到极大值438 N·m，39°CA 时转矩降为0 N·m 并保持不变。

图12 电机输出转矩-曲轴转角

综上，高压空气起动阶段，高温高压气体进入气缸，缸内压力升高至0.28 MPa，在压差的作用下，在活塞上施加1 000 N 的轴向推力，推动活塞下行；驱动曲轴的电机2 输出最大功率2 kW，输出最大转矩438 N·m，驱动曲轴到500 r/min 后不再作用。在高压空气与电机的共同作用下，两个循环发动机转速达到1 400 r/min，发动机成功起动。起动过程第1 个循环#1 气缸上止点位置附近，为发动机起动过程最低转速，对能否成功起动有很大影响。

4 结论

针对带补燃增压的航空重油发动机，设计了电机起动与高压空气起动相结合的复合型起动策略，以某型200 kW 补燃增压航空重油发动机作为验证，根据发动机基本参数，进行起动能量匹配计算与理论分析，制定发动机起动策略，并利用GT-POWER软件进行发动机起动过程瞬态一维仿真分析，得到如下结论：

1）某型200 kW 补燃增压航空重油发动机起动所需功率7.84 kW，高压空气起动提供功率2.1 kW，在采用减压放气技术的情况下可减小部分压缩阻力，计算得起动电机功率需要约3 kW；发动机起动所需总阻力矩170 N·m，高压空气起动提供力矩52 N·m，电机可提供力矩150 N·m。

2）结合带补燃增压的发动机结构特点并加入缸内放气方案，设计发动机起动策略：第1 步起动燃机循环，待循环稳定后，第2 步起动活塞机循环，由涡轮前引高温高压燃气，通入气缸推动活塞下行，同时起动电机驱动曲轴，在二者的共同作用下将发动机加速至最低起动转速，起动过程完成。其中高压空气起动所用的气体是由燃机循环的涡轮前部引出，而非正常空气起动的由携带的高压气瓶引出，该措施充分利用补燃增压发动机的特殊结构形式，可以有效减少起动系统质量。

3）利用GT-POWER 软件设计的根据起动策略，在稳态一维仿真计算的基础上进行发动机起动过程瞬态一维仿真分析，发动机在2 kW 起动电机和高压空气起动系统的作用下，一个循环内即可实现部分气缸燃烧，两个循环达到起动最低转速，验证起动策略可行性。

4）结合起动策略，对于起动阶段的加速过程、缸内空气起动、电机起动的数值仿真结果进行分析，表明起动过程按照起动策略正常进行，其中第1 个循环的发动机最低转速，对能否成功起动有很大影响。