本研究由Lei Wang、Zhenfeng Zhao*、Chuncun Yu和Huasheng Cui共同完成，作者单位均来自北京理工大学机械工程学院（School of Mechanical Engineering, Beijing Institute of Technology）。研究成果发表于能源领域期刊《Energy》第248卷（2022年），文章标题为《Experimental study of aviation kerosene engine with PJI system》，DOI编号10.1016/j.energy.2022.123590。

学术背景

本研究属于内燃机燃烧技术领域，聚焦火花点火（SI, Spark-Ignition）活塞发动机在无人机（UAVs）动力系统中的应用。传统SI发动机多使用航空汽油，但其闪点低、挥发性高，存在安全隐患。航空煤油（如RP-3）因热值与汽油相近且安全性更优，成为潜在替代燃料。然而，煤油的高运动粘度、低饱和蒸气压导致其雾化蒸发性能差，且辛烷值（Octane Number）仅40-50，易引发爆震（Knock），尤其在四冲程发动机中更为显著。为此，研究团队提出采用预燃室射流点火（PJI, Pre-chamber Jet Ignition）技术优化煤油燃烧过程并抑制爆震，旨在拓展煤油在SI发动机中的应用极限。

研究流程

1. 实验平台搭建

   • 发动机与燃料：选用Rotax-914四冲程航空活塞发动机，对比测试95#汽油与RP-3航空煤油（理化性质见表2）。PJI系统（图1）替换原火花塞位置，预燃室通过多孔喷嘴与主燃烧室连通。
     
   • 仪器配置：实验系统（图2）包括电涡流测功机（精度±0.5%）、气缸压力传感器（Kistler 6115）、燃烧分析仪（Kistler 2893A121）等，采集400个连续循环的压力-曲轴转角数据。
     

2. 燃烧特性对比

   • 工况设置：固定转速5500 r/min、节气门开度20%，点火提前角（Ignition Timing）24°CA BTDC。通过缸压曲线计算放热率（HRR）、累积放热率（CHRR）、压力升高率（PRR）等参数。
     
   • 阶段划分：将燃烧过程分为火核形成期（AB阶段）、快速燃烧期（BC阶段）和后燃期（CD阶段）。煤油因蒸发性能差，火核形成期延长至28°CA（汽油为23°CA），且快速燃烧期峰值HRR（17 J/°CA）显著低于汽油（25 J/°CA）。
     

3. PJI系统优化

   • 燃烧加速机制：PJI通过预燃室喷射高温火焰束，在主燃烧室形成多点着火（图6），使HRR呈现双峰特征。实验显示，煤油-PJI的快速燃烧期CHRR提升至80%，后燃期缩短至3°CA（煤油-SI为11°CA），燃烧总时长减少20.8%。
     
   • 爆震抑制：基于最大振幅压力振荡（MAPO）指标分析，PJI将中强度爆震（MAPO 0.5-1 MPa）降至轻微爆震（MAPO <0.5 MPa）。在4000 r/min工况下，指示平均有效压力（IMEP）从0.57 MPa提升至0.6 MPa。
     

4. 性能验证

   • 负载能力：PJI使煤油发动机最大节气门开度提升42%-66%（图12），IMEP在不同转速下提高10%-27%（图11），峰值达0.7 MPa（汽油为1.5 MPa）。
     

主要结果与结论

1. 燃烧优化：PJI通过加速火焰传播速度（火焰面积扩大+湍流动能增强），显著缩短煤油燃烧持续时间，使其接近汽油水平。
   
2. 爆震控制：快速燃烧减少末端混合气自燃时间，MAPO均值从0.61 MPa降至0.2 MPa，爆震极限得以拓宽。
   
3. 工程价值：PJI系统结构简单，可直接改装现有SI发动机，为无人机动力系统实现单一燃料（煤油）化提供技术路径。
   

研究亮点

• 方法创新：首次将PJI技术应用于低辛烷值（<50）航空煤油的爆震抑制，填补了高转速四冲程发动机的研究空白。
  
• 发现意义：揭示了PJI双峰放热特性与爆震抑制的关联机制，为燃烧室设计提供理论依据。
  
• 应用潜力：实验证明PJI可使煤油发动机IMEP提升27%，接近汽油46%的功率差距，具有显著军事与经济效益。
  

其他价值

研究团队开发的PJI预燃室结构（图1）已申请专利，其多孔喷嘴设计可适配不同缸径发动机。此外，基于MAPO的爆震评价方法（式1）为高动态工况下的爆震诊断提供了标准化流程。