无人机二冲程航空煤油发动机中喷射增强喷雾扩散燃烧系统的数值模拟研究

《Fuel》：Numerical simulation study of jet enhanced spray diffusion combustion system in a UAV two-stroke aviation kerosene engine

研究提出预燃室射流增强喷雾扩散（JESD）技术用于航空煤油活塞发动机，通过数值模拟分析主燃烧室喷射时机与预燃室点火时机的协同控制策略，优化燃烧过程，降低爆震风险，结果显示燃油消耗降低5.5%，燃烧效率提升至92.94%，功率输出提高。

　　近年来，长续航无人机（UAVs）在多个领域中的应用范围显著扩大，这主要得益于其能够维持长时间运行的能力。作为无人机的主要动力来源，活塞发动机因其出色的燃油经济性、广泛的燃料适应性和强大的负载承载能力，已成为一种受欢迎的选择。然而，传统汽油作为燃料存在一些问题，例如高挥发性、低闪点以及较差的安全性，这些特性限制了发动机在某些操作环境和应用中的使用。因此，寻找一种更安全、低挥发性的燃料成为提升无人机发动机性能的关键需求。

航空煤油因其较高的闪点、较低的挥发性和增强的安全性，被认为是活塞发动机的理想燃料之一。然而，与汽油相比，航空煤油具有更高的运动粘度、较差的雾化能力和较慢的蒸发速率，这会阻碍可燃混合气的快速形成，进而导致热量释放速率降低和燃烧时间延长。此外，作为火花点火（SI）活塞发动机的燃料，航空煤油可能会带来诸如冷启动困难、热效率和燃烧效率下降、燃烧稳定性差以及更容易发生爆震等问题。因此，引入先进的燃烧技术对于优化燃烧过程、提高热效率、改善燃烧稳定性以及减少爆震风险至关重要。

预燃室（PC）喷射点火技术因其在提升点火稳定性、加速燃烧速度、提高热效率以及扩展稀燃极限方面的显著效果而受到广泛关注。该技术不仅能增强燃烧稳定性，还能有效抑制爆震现象，为航空煤油燃料的活塞发动机提供了一种可行的技术解决方案。目前，预燃室点火技术已在多个研究中得到应用，例如Yontar等人发现，在空燃比（λ）值范围为0.8–1.2时，预燃室技术可以将制动比油耗（BSFC）降低约8.67%。Hua等人基于单缸发动机，研究了不同点火方式下的燃烧过程，发现湍流喷射点火能够显著降低循环间的压力波动系数，从而提高燃烧稳定性。Gentz等人在快速压缩机中对预混丙烷/空气混合气进行了燃烧可视化和特性分析，结果表明预燃室湍流喷射点火系统启动的燃烧时间通常比传统火花点火发动机更短，特别是在预燃室喷嘴尺寸较小时。Bunce等人甚至在总指示平均有效压力（IMEP）为12.5 bar的条件下，实现了约50%的峰值指示热效率。Costa等人指出，预燃室的使用能够改善燃烧阶段并减少泵气损失，从而提升燃油经济性。Wang等人分析了氢燃料在主燃烧室中的喷射过程，发现喷射的热效应在燃烧过程中起主导作用，而喷射成分的影响相对较小。Biswas和Li等人将喷射孔改造为拉斐尔喷嘴，产生超音速喷射，形成冲击波结构，从而提高喷射出口的温度，并进一步扩展稀燃燃烧极限。

Tian等人研究发现，增加预燃室的体积会延迟喷射的形成，但更多的混合气参与反应，使得喷射更强、更稳定，从而加速主燃烧室的燃烧过程。Attard等人对一个0.6L排量的单缸端口燃油喷射（PFI）发动机进行了实验研究，主燃烧室使用汽油，而预燃室填充丙烷。研究结果表明，与传统火花点火方法相比，预燃室喷射点火系统在相同爆震强度条件下，可以提高发动机的压缩比。Liu等人研究了使用被动预燃室点火技术的航空煤油发动机的爆震特性，结果表明湍流喷射点火能够加速航空煤油的热量释放，提高燃烧稳定性，并减少爆震现象。Hu等人研究了在航空煤油火花点火发动机中使用不对称被动喷射预燃室的设计与应用，结果表明不对称预燃室能够提高燃烧反应速率约7%，从而显著提升发动机的燃烧效率和性能。Cui等人研究了被动预燃室体积对航空煤油活塞发动机燃烧特性的影响，结果表明在高负荷条件下，预燃室体积为2.5ml时能够显著改善缸内燃烧效果。

总体来看，预燃室点火系统能够有效加速燃烧并提高燃烧稳定性。然而，当前的研究主要集中在高挥发性液体燃料如汽油和异辛烷，以及气体燃料如氢气和天然气。对于航空煤油活塞发动机的有限研究大多使用被动预燃室。尽管这些技术在一定程度上缓解了发动机爆震问题，但未能充分解决航空煤油喷雾的雾化、蒸发和混合问题。因此，本研究创新性地提出使用预燃室喷射增强喷雾扩散（JESD）燃烧技术，以应对上述挑战。JESD系统基于湍流喷射点火（TJI）原理，预燃室燃烧产生高温喷射以点燃主燃烧室。然而，JESD技术的独特之处在于，它不仅利用这些喷射进行点火，还通过主动喷雾雾化增强来改善航空煤油的高粘度和较差的汽化性能。这种双重功能的模式使JESD区别于传统的TJI技术，后者假设燃料已经充分混合。该方法旨在通过利用预燃室喷射的独特优势，解决航空煤油活塞发动机在燃烧过程中遇到的喷雾雾化、蒸发和混合问题，从而提升喷雾扩散效果和燃烧特性。

本研究的创新点在于其可能为现有的问题提供新的解决方案，从而推动发动机技术的发展和性能优化。本研究首先对JESD的基本概念进行了详细阐述，随后利用数值模拟方法，研究了影响该技术的关键参数，包括主燃烧室的燃料喷射时刻、预燃室的点火时刻及其协同控制策略。这些参数的精确协调对于优化燃烧过程和提高发动机性能至关重要。基于这些研究结果，提出了一种针对长续航无人机所用航空煤油发动机的JESD方案。该研究对于航空煤油活塞发动机在长续航无人机领域的开发具有重要意义。

在本研究中，采用了CONVERGE CFD软件，该软件基于密度型求解器，结合了流量混合对流流量机制。软件使用有限体积法求解可压缩Navier-Stokes方程，将守恒量作为单元中心的原始变量。这种方法确保了数值在时间上的一致性，使当前时间的数值与任何先前时间的数值保持一致。该方法利用二阶空间离散化技术，能够更精确地捕捉燃烧过程中的复杂流动和化学反应。通过该软件，对JESD系统的燃烧过程进行了数值模拟，验证了其在不同工况下的性能表现。

本研究对主燃烧室喷射时刻对发动机燃烧过程的影响进行了深入分析。喷射时刻是影响燃料雾化、蒸发和混合的关键因素。喷射时刻的选择对于燃烧室内混合气的分布至关重要，这直接影响燃烧效率和发动机的整体性能。此外，不同的喷射时刻条件会导致燃烧室内流体的动特性产生显著差异，从而对燃烧过程产生不同的影响。通过模拟不同喷射时刻条件下的燃烧过程，研究了喷射时刻对燃烧效率和爆震现象的具体影响。

研究结果表明，喷射时刻的优化能够有效提高燃烧效率，减少爆震现象，并改善发动机的整体性能。同时，喷射时刻的调整对于提高发动机的热效率和减少燃料消耗也具有重要作用。通过精确控制喷射时刻，能够确保燃料在燃烧室内均匀分布，从而实现更高效的燃烧过程。此外，喷射时刻的调整还能影响燃烧室内混合气的形成和燃烧反应的速率，这对于提升发动机的性能具有重要意义。

在本研究中，还对预燃室点火时刻对发动机燃烧过程的影响进行了分析。点火时刻是影响燃烧过程的重要参数，其选择对于燃烧室内混合气的点燃时机至关重要。通过调整预燃室点火时刻，可以影响燃烧反应的起始时间和燃烧速率，从而对发动机的整体性能产生影响。研究结果表明，预燃室点火时刻的优化能够有效提高燃烧效率，减少爆震现象，并改善发动机的热效率。此外，点火时刻的调整还能影响燃烧室内混合气的形成和燃烧反应的速率，这对于提升发动机的性能具有重要意义。

通过数值模拟，研究了主燃烧室喷射时刻和预燃室点火时刻之间的协同控制策略对发动机燃烧过程和性能的影响。协同控制策略的优化能够有效提高燃烧效率，减少爆震现象，并改善发动机的整体性能。研究结果表明，通过精确协调喷射时刻和点火时刻，能够实现更高效的燃烧过程，从而提高发动机的性能。同时，协同控制策略的优化还能影响燃烧室内混合气的形成和燃烧反应的速率，这对于提升发动机的性能具有重要意义。

本研究还对JESD系统的实际应用进行了探讨。通过优化喷射时刻和点火时刻，能够有效提高航空煤油活塞发动机的燃烧效率和性能。同时，JESD系统还能改善喷雾雾化和混合效果，从而减少爆震现象。研究结果表明，JESD系统能够显著提高航空煤油活塞发动机的燃烧效率和功率输出，与传统火花点火发动机相比，指示燃料消耗（IFC）降低了5.5%，燃烧效率从83.87%提升至92.94%，指示热效率（ITE）从27.2%提高至31.72%。这些改进不仅提高了发动机的燃油经济性，还增强了其在长续航无人机应用中的可靠性和性能。

此外，本研究还对JESD系统在不同工况下的性能表现进行了分析。研究结果表明，JESD系统在高负荷条件下能够显著改善缸内燃烧效果，而在低负荷条件下也能保持良好的燃烧性能。通过调整预燃室喷嘴尺寸和预燃室体积，能够进一步优化JESD系统的性能表现。研究还发现，预燃室喷嘴尺寸的调整对燃烧过程和爆震现象的影响较大，而预燃室体积的调整对燃烧效率和热效率的影响也较为显著。

综上所述，JESD系统通过利用预燃室喷射的独特优势，有效改善了航空煤油喷雾的雾化、蒸发和混合效果，从而提升了燃烧效率和热效率。该系统不仅能够减少爆震现象，还能提高发动机的可靠性和性能。研究结果表明，JESD系统在提升航空煤油活塞发动机的性能方面具有显著优势，为长续航无人机的能源供应提供了新的解决方案。通过数值模拟，本研究为JESD系统的优化和应用提供了理论依据，为未来的发动机技术发展和性能优化奠定了基础。