燃油喷射脉冲宽度与燃油-空气喷射间隔对空气辅助直喷式二冲程航空煤油发动机燃烧过程和排放物的联合作用

《Applied Thermal Engineering》：Coupled effects of fuel injection pulse width and fuel–air injection interval on combustion and emissions in an air-assisted direct injection two-stroke aviation kerosene engine

　　•研究了Tf和ΔT对煤油AAI燃烧和排放的耦合效应。•最优的Tf = 6 ms和ΔT = 2 ms可达到338.8 g/kWh的指示燃油消耗率（ISFC）和25.23%的热效率。•过长的Tf会导致混合气过浓，降低燃料利用效率。•增加ΔT可以改善混合均匀性并稳定火焰传播。•为高效空气辅助煤油二冲程发动机提供了设计指南。

引言
近年来，无人机、轻型航空平台和专用动力设备在公共安全、应急救援、农业植物保护、环境监测、边境巡逻和物流运输等领域的应用日益增多。这些应用要求更高的功率密度、续航能力、燃料适应性和在复杂环境条件下的运行可靠性[1]。对于中小型无人机和轻型航空动力装置，当前主流的动力系统大致可以分为纯电动推进和活塞发动机两种类型[2]。纯电动系统受到能量密度瓶颈的限制[3]，而活塞发动机凭借其固有的续航能力和载荷能力，非常适合这些应用[4]、[5]。在两种主要的活塞发动机中，二冲程发动机在紧凑性、减重、单位功率输出、制造成本和维护便捷性方面优于四冲程发动机[6]、[7]、[8]。这些特性直接满足了轻型航空平台的轻量化和高功率重量比要求[9]。

大多数传统的二冲程航空动力装置使用汽油作为燃料[10]。汽油以其良好的挥发性和较高的火焰传播速度而受到认可[11]、[12]，但其较低的闪点和强烈的蒸发倾向在储存、运输和高温运行过程中也会带来安全隐患[13]。相比之下，航空煤油具有较高的闪点，安全存储和运输性能良好，燃料兼容性广，能量密度相对较高，因此在无人机和通用航空领域具有广泛的应用前景[14]、[15]。然而，航空煤油的粘度较高，饱和蒸气压较低，这限制了其挥发性及低温下的蒸发性能。结果，它容易形成较大的液滴并沉积成壁膜，从而减缓了缸内可燃混合气的形成，导致局部的燃料-空气浓度分布不均匀。这些因素可能导致点火困难、火焰传播不稳定、峰值热释放率降低以及运行稳定性下降[16]、[17]、[18]。高压共轨喷射和空气辅助雾化技术可以提高煤油的雾化质量。特别是空气辅助系统，可以利用高速气流的剪切力实现与共轨喷射相当的雾化细度，但工作在低压条件下。这降低了对燃油泵的要求，简化了系统架构，并降低了维护成本[19]、[20]；此外，空气辅助系统对燃料粘度的变化不敏感，即使在低温或使用替代燃料的情况下也能保持良好的雾化效果，特别适合高粘度的航空煤油[21]、[22]。高喷雾均匀性还有助于提高燃烧稳定性并减少排放[23]，进一步支持了空气辅助喷射技术适用于二冲程重型燃油航空活塞发动机。

空气辅助喷射技术提供了强大的燃料破碎和雾化能力。然而，这种雾化效果是否能进一步提高燃烧效率，不仅取决于喷雾破碎质量本身，还与喷射策略、缸内流场对混合气形成的影响以及喷嘴结构有关。因此，喷射策略参数是空气辅助直喷发动机燃烧优化的关键因素。吴等人[20]发现，燃油喷射脉冲宽度显著影响空气辅助喷雾特性。较短的脉冲宽度有利于形成均匀的气液两相流动和高速细小液滴的产生。然而，当脉冲宽度超过4 ms时，燃料容易在混合室底部积聚并形成壁膜，导致喷雾前端液滴富集、液滴尺寸增大以及液滴分布不均匀。结果，混合气形成和燃烧稳定性受到影响。加里波夫等人[25]针对航空煤油的高压空气辅助喷射系统进行了喷雾实验，指出气液 Mass 比是控制雾化特性的关键参数。增加气液 Mass 比可以有效减小液滴尺寸并提高雾化过程的稳定性。廖等人[26]发现，提高空气辅助喷射压力可以增强二冲程发动机内的气体运动，从而促进燃料蒸发和混合。辉等人[27]报告称，当空气辅助雾化系统中的燃料-空气喷射间隔超过某个临界值时，燃料会在喷嘴内部积聚，导致喷雾液滴速度呈现双峰分布。不过，其对整体雾化液滴尺寸的影响相对有限。总体而言，现有研究主要集中在单个喷射参数对喷雾雾化特性的影响上，对于燃油喷射脉冲宽度与燃料-空气喷射间隔之间的时间匹配机制的系统分析仍然有限，尚不清楚这种匹配关系如何进一步影响二冲程航空煤油发动机的混合气形成、燃烧热释放、燃油经济性和排放。

除了燃烧稳定性外，排放控制也是二冲程航空煤油发动机面临的关键挑战。由于这些发动机的扫气时间短且进气-排气事件耦合，混合气形成和燃烧阶段的变化容易导致燃烧不完全、局部高温区和后燃现象。这些现象直接影响CO、NOx等排放物的水平。为了解决内燃机的排放问题，研究人员提出了多种技术手段，包括废气再循环（EGR）、进气成分调节、替代燃料和多喷射策略。拉普托塔西斯等人[28]使用多区燃烧模型表明，EGR可以通过降低缸内氧浓度和燃烧峰值温度来抑制NOx的生成。何等人[29]发现，调节进气温度和氧浓度可以显著改善海上二冲程柴油发动机的排放性能。朱等人的数值研究表明，优化预喷柴油喷射时机可以在保持燃烧效率的同时平衡NOx和N2O排放之间的权衡。贝纳赫斯等人[31]证明，优化的多喷射策略可以实现二冲程高速直喷压缩点火发动机中的部分预混汽油燃烧，显著减少NOx和烟尘排放，但会增加CO和HC的排放。

先前的研究表明，排放物的形成与缸内温度场、当量比分布和燃烧阶段密切相关。因此，对于采用空气辅助雾化的二冲程航空煤油发动机，仅基于喷雾雾化或单一性能指标优化喷射策略是不够的。需要一个集成混合气形成、燃烧、燃油经济性和排放的统一框架。为此，本研究采用空气辅助直喷二冲程航空煤油发动机，探讨了燃油喷射脉冲宽度（Tf）和燃料-空气喷射间隔（ΔT）对混合气形成、热释放率、功率输出、燃油经济性和排放的影响。开发并验证了一个包括空气辅助喷嘴和发动机的三维耦合CFD模型，并通过恒容燃烧室中的喷雾可视化实验和发动机台架测试进行了验证。在不同Tf和ΔT组合下，分析了喷嘴混合室内的燃料-空气耦合过程，以及点火时刻的缸内当量比分布、火焰发展和燃烧阶段。然后根据指示工作量、指示燃油消耗、指示热效率和关键排放指标综合评估了不同的喷射策略。本研究旨在明确空气辅助喷射时机参数如何影响二冲程航空煤油发动机的燃烧和排放，并为喷射策略优化提供指导。

喷雾建模
基于实际几何形状构建了一个全尺寸的三维空气辅助喷嘴模型。计量喷嘴以9巴的压力供给燃料，而压缩空气以7巴的压力进入混合室。燃料和空气的初始温度均为300 K。使用RP-3航空煤油作为燃料。图1（a）显示了空气辅助雾化喷嘴的三维模型。喷雾过程分为两个阶段：燃料-空气混合和混合气喷射。

结果与讨论
燃料量对混合气形成、燃烧和能量转换效率有显著影响。在固定计量燃料压力的情况下，改变燃油喷射脉冲宽度Tf也会改变每循环提供的燃料质量。研究了五个不同的Tf值（分别为2、4、5、6和8 ms）和三个不同的燃料-空气喷射间隔ΔT值（分别为-2、0和2 ms），点火时刻固定在-30°CA ATDC。对于每个Tf-ΔT组合，缸内燃料质量定义为...

结论
本研究通过三维模拟数值研究了采用空气辅助喷射系统的二冲程航空煤油活塞发动机。首先开发并验证了空气辅助喷雾模型和发动机燃烧模型。然后利用这些验证模型研究了燃油喷射脉冲宽度Tf和燃料-空气喷射间隔ΔT对燃料混合气形成、燃烧、功率输出和指示热效率的影响。主要结论如下：
1.)...

作者贡献声明
陈若凡：撰写——原始草稿、软件开发、方法学、数据管理、概念构思。
钟文军：监督、项目管理、研究实施、资金获取、数据管理。
Sunday B. Ogunjide：撰写——审阅与编辑、软件开发、研究实施、数据分析。
邹世曼：撰写——审阅与编辑、软件开发、数据分析。
何志霞：撰写——审阅与编辑。
王倩：撰写——审阅与编辑。

关于写作过程中使用的生成式AI和AI辅助技术
在准备本工作时，作者使用了Deepseek和ChatGPT工具来改进语言表达和可读性。使用这些工具/服务后，作者根据需要对内容进行了审查和编辑，并对出版物的内容负全责。

关于利益冲突的声明
作者声明没有任何已知的财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢
本研究得到了中国江苏省碳峰碳中和技术创新专项项目（BT2025023）的支持。
陈若凡 | 钟文军 | Sunday B. Ogunjide | 邹世曼 | 何志霞 | 王倩