航空活塞发动机预燃室体积对RP3燃料燃烧特性的影响研究

作者及机构
本研究的通讯作者为北京理工大学的Zhenfeng Zhao（赵振峰），合作作者包括Huasheng Cui（崔华胜）、Fujun Zhang（张付军）、Chuncun Yu（于春存）和Lei Wang（王磊）。该研究发表于燃料领域知名期刊《Fuel》第286卷（2021年），文章编号119238，于2020年10月14日在线发表。

学术背景
四冲程火花点火（SI）航空活塞发动机因其功率输出适配性（<100 kW）在小型航空器中具有应用潜力，但传统汽油燃料的高运行成本和安全风险限制了其发展。航空煤油（如RP3）因闪点高、挥发性低、成本低等优势成为替代燃料，但其低辛烷值（ON=44）易引发爆震（knocking combustion），成为技术瓶颈。预燃室（pre-chamber）技术通过增强湍流和加速火焰传播可改善燃烧效率并抑制爆震，但预燃室体积对航空煤油燃烧特性的影响尚未明确。本研究旨在探索不同预燃室体积对Rotax914发动机燃用RP3时的燃烧性能、爆震抑制及工况适应性的影响。

研究流程与方法
1. 实验系统改造
- 发动机改装：选用Rotax914四缸四冲程汽油机，将原化油器系统改为空气辅助直喷（AADI, Air-Assisted Direct Injection）系统以改善RP3雾化效果。
- 预燃室设计：设计两种体积的被动预燃室（1.5 mL和2.5 mL），通过轴向尺寸调整体积，并相应调整压缩比（CR）至8.7和8.4。预燃室结构包含多孔道（orifices）以促进湍流（见图2）。
- 控制系统：采用Motec800 ECU精确控制喷油定时、火花定时（固定MFB50为15°CA ATDC）及双火花塞点火间隔。

1. 测试条件与参数

   • 工况设置：覆盖典型巡航（30%节气门开度，5000 rpm）和着陆（15%节气门开度，4000 rpm）工况，对比基线（无预燃室）、1.5 mL和2.5 mL预燃室的性能。
     
   • 数据采集：使用Kistler 6115压力传感器监测缸压，计算指示平均有效压力（IMEP）、燃烧循环变异系数（COVIMEP）、表观放热率（AHRR）及爆震强度（MAPO）。
     

2. 爆震评估方法

   • 通过6-25 kHz带通滤波提取缸压振荡信号，以最大压力振荡幅值（MAPO>2 bar）判定爆震，限制安全阈值为10 bar。
     

主要结果
1. 高负荷工况（30%节气门开度）
- 燃烧加速：2.5 mL预燃室显著提升火焰传播速度，IMEP提高至7.8 bar（较基线提升38.3-43.9%），COVIMEP降低至3%以下（见图9）。
- 爆震抑制：预燃室通过增强湍流动能（TKE）缩短燃烧持续期（1.5 mL: 39.4°CA → 2.5 mL: 18.5°CA），MAPO从14.4 bar（基线）降至7 bar（图6-7）。
- 热损失权衡：2.5 mL预燃室因更大容积导致更多热量散失，但高速喷射流（jet penetration）补偿了效率损失。

1. 低负荷工况（15%节气门开度）

   • 性能下降：预燃室因内部EGR（废气再循环）比例升高和点火延迟（1.5 mL: 52.1°CA）导致IMEP降低（图14），但2.5 mL预燃室仍优于1.5 mL设计。
     

2. 转速影响

   • 在5500 rpm时，2.5 mL预燃室使最大节气门开度提升94%，IMEP达7.23 bar，满足巡航功率需求（>6 bar）。
     

结论与价值
1. 科学意义：首次量化了预燃室体积对航空煤油SI发动机的燃烧调控机制，证实2.5 mL为最优体积，平衡了爆震抑制与热损失。
2. 应用价值：被动预燃室技术无需复杂改造即可扩展航空煤油发动机的工况范围，尤其适用于小型无人机（UAV）动力系统。
3. 局限性：2.5 mL预燃室在实验中曾因高温爆燃损毁，提示需优化材料与壁厚设计。

研究亮点
- 创新方法：结合AADI与预燃室技术，解决RP3蒸发难题；提出基于双拐点的射流点火时刻判定法（图6）。
- 关键发现：预燃室体积与工况的交互效应（高负荷受益，低负荷受限）为后续设计提供理论依据。
- 工程启示：被动预燃室在重量和可靠性上的优势使其优于主动预燃室系统。

其他价值
研究得到深圳市科技计划项目（JCYJ20170817114345260）支持，数据公开性高，可为后续研究提供基准。