一种航空活塞汽油发动机预混燃烧强化的方法与流程

本发明属于汽油活塞发动机领域，涉及一种航空活塞汽油发动机预混燃烧强化的方法。

背景技术：

1、作为传统化石能源的汽油，其高能量密度以及燃烧的快速性决定了其本身在飞行器尤其是对动力系统响应特性要求较高的国防、军工类产品中大范围需求的特殊现状在较长一段时间内无法改变。当前，改善航空活塞汽油发动机燃烧效率低以及对环境适应性较差的现状已成为发展高性能无人装备的迫切需要。

2、预混燃烧是将一定量燃料在燃烧室前由喷油器喷入进气道与空气预先混合，继而进入燃烧室中被压缩后点燃。一定条件下，燃料与氧气的化学反应速率决定于混合气体初始温度水平，较低的初始温度不仅增大了燃料的完全燃烧时间，还弱化了燃料与空气的预混程度，使得不完全燃烧损失增大；另外，通过进气道进行预混的燃烧模式决定了汽油机所需的助燃空气不能采用高温烟气进行预热，提高空气的温度会降低混合燃气的爆炸极限，进一步限制功率的提升。对于军用飞行器而言，飞行环境会因昼夜交替、季节变更、空间移动而出现较大的变化，尤其在极度低温条件下，燃烧室的燃烧效率以及燃烧响应时间会严重偏离一般工况，低温条件下点火器表面易发生积碳，系统油耗率会更大，经济性较差。因而，扩大发动机燃烧的适应范围、降低能耗是保障发动机在极端复杂气候环境下进行高效、可靠工作的关键。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明的目的是为解决活塞汽油发动机在低温条件下的快速着火、燃烧稳定性以及燃料的不完全燃烧，提供了一种航空活塞汽油发动机预混燃烧强化的方法。通过对助燃混合气体的热力学特性参数进行调配，在不改变气体的热力学状态参数条件下提高燃料混合气体点火状态下的初始温度水平，强化了燃料的预混程度，加速了火焰传播速度以及降低了预混气的不完全燃烧程度，进而保证了发动机的效率与系统的响应特性。

2、为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、一种航空活塞汽油发动机预混燃烧强化的方法，所述航空活塞汽油发动机包括燃料系统、助燃系统以及动力系统，所述燃料系统用于提供汽油燃料，所述助燃系统用于提供助燃空气，汽油燃料与助燃空气预混后形成预混燃气，预混燃气进入动力系统进行压缩放热燃烧，在所述助燃系统内增加单原子稀有气体供应系统，通过单原子稀有气体供应系统向预混燃气中增加单原子稀有气体来提高预混燃气的平均绝热压缩指数与导热系数，从而提高预混燃气在压缩过程的放热速率以及导热性能，加速点火过程火焰传播速率，降低气流燃烧负荷的波动。

4、进一步，预混过程采用两级预混，一级预混为：将助燃空气与单原子稀有气体预混形成混合助燃空气；二级预混为：混合助燃空气再与汽油燃料进行充分预混后得到预设化学当量比的预混燃气。

5、进一步，通过增加单原子稀有气体使预混燃气的绝热压缩温升不超过20℃，当发动机增压比为6～10时，混燃气的平均绝热压缩指数控制在1.410～1.428之间。

6、进一步，所述单原子稀有气体为纯度不低于99％的氦气。氦气在2000℃～2500℃空气环境中具有较好的化学稳定性。本发明对氦气纯度的敏感性依赖并不强，可不采用纯度99.999％的氦气，在允许范围内可选用纯度相对较低的氦气，成本更低。

7、进一步，通过增大氦气的混合占比缩短燃烧着火响应时间以及完全燃烧程度。

8、进一步，助燃空气与汽油燃料的质量比在14.7:1～15:1之间，助燃空气与氦气混合比根据燃烧过程的燃烧响应时间或工作环境温度高低进行调整，在同一压缩比条件下，氦气的质量占比随环境温度的降低而增大，氦气与空气的质量比值不超过1/97.09。

9、进一步，所述单原子稀有气体供应系统在-30℃～0℃的低温进气环境下以及升负荷过程工作，在-30℃～0℃的低温进气环境下工作用以提升低温环境下预混燃烧点火成功率以及缩短点火时间，在升负荷过程工作用于加速发动机的响应速度。

10、进一步，当空活塞汽油发动机处于高速运转中，单个循环时间小于1.25ms时，氦气与空气的质量比值不小于1/400。

11、进一步，所述单原子稀有气体供应系统采用恒压式供气系统，其内的储气装置采用可重复使用的高压气瓶，高压气瓶的许用安全使用系数不低于1.5。气瓶具备较高的强度与较好的导热性能，能够快速实现气体的充放，具有较高的气体充气效率，保证飞行器返航后快速再次投入备用状态。

12、本发明的有益效果在于：

13、本发明通过采用绝热指数、导热系数较大且化学性质稳定的稀有气体对汽油机所需助燃空气的热力压缩系数、预混燃烧气体导热能力进行调节，具体的，一方面在空气中混合一定量绝热压缩指数较大的气体，相同压缩比条件下绝热压缩指数越大的混合气流压缩过程可获得更多热量；另外，化学性质稳定的高导热系数单原子气体添加可加速预混火焰的传播速度以及燃烧过程热负荷的不均匀程度，汽油预混燃烧的燃烧特性可得到进一步强化。

14、本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

技术特征：

1.一种航空活塞汽油发动机预混燃烧强化的方法，所述航空活塞汽油发动机包括燃料系统、助燃系统以及动力系统，所述燃料系统用于提供汽油燃料，所述助燃系统用于提供助燃空气，汽油燃料与助燃空气预混后形成预混燃气，预混燃气进入动力系统进行压缩放热燃烧，其特征在于：在所述助燃系统内增加单原子稀有气体供应系统，通过单原子稀有气体供应系统向预混燃气中增加单原子稀有气体来提高预混燃气的平均绝热压缩指数与导热系数，从而提高预混燃气在压缩过程的放热速率以及导热性能，加速点火过程火焰传播速率，降低气流燃烧负荷的波动。

2.根据权利要求1所述的航空活塞汽油发动机预混燃烧强化的方法，其特征在于：预混过程采用两级预混，一级预混为：将助燃空气与单原子稀有气体预混形成混合助燃空气；二级预混为：混合助燃空气再与汽油燃料进行充分预混后得到预设化学当量比的预混燃气。

3.根据权利要求1所述的航空活塞汽油发动机预混燃烧强化的方法，其特征在于：通过增加单原子稀有气体使预混燃气的绝热压缩温升不超过20℃，当发动机增压比为6～10时，混燃气的平均绝热压缩指数控制在1.410～1.428之间。

4.根据权利要求2所述的航空活塞汽油发动机预混燃烧强化的方法，其特征在于：所述单原子稀有气体为纯度不低于99％的氦气。

5.根据权利要求4所述的航空活塞汽油发动机预混燃烧强化的方法，其特征在于：通过增大氦气的混合占比缩短燃烧着火响应时间以及完全燃烧程度。

6.根据权利要求5所述的航空活塞汽油发动机预混燃烧强化的方法，其特征在于：助燃空气与汽油燃料的质量比在14.7:1～15:1之间，助燃空气与氦气混合比根据燃烧过程的燃烧响应时间或工作环境温度高低进行调整，在同一压缩比条件下，氦气的质量占比随环境温度的降低而增大。

7.根据权利要求5所述的航空活塞汽油发动机预混燃烧强化的方法，其特征在于：所述单原子稀有气体供应系统在-30℃～0℃的低温进气环境下以及升负荷过程工作，在-30℃～0℃的低温进气环境下工作用以提升低温环境下预混燃烧点火成功率以及缩短点火时间，在升负荷过程工作用于加速发动机的响应速度。

8.根据权利要求7所述的航空活塞汽油发动机预混燃烧强化的方法，其特征在于：当空活塞汽油发动机处于高速运转中，单个循环时间小于1.25ms时，氦气与空气的质量比值不小于1/400。

9.根据权利要求1所述的航空活塞汽油发动机预混燃烧强化的方法，其特征在于：所述单原子稀有气体供应系统采用恒压式供气系统，其内的储气装置采用可重复使用的高压气瓶，高压气瓶的许用安全使用系数不低于1.5。

技术总结
本发明属于汽油活塞发动机技术领域。涉及一种航空活塞汽油发动机预混燃烧强化的方法，所述航空活塞汽油发动机包括燃料系统、助燃系统以及动力系统，所述燃料系统用于提供汽油，所述助燃系统用于提供燃料燃烧所需助燃空气，汽油与助燃空气预混后形成预混燃气，得到的混合燃气进入动力系统后压缩放热燃烧，在所述助燃系统内增加单原子稀有气体供应系统，通过单原子稀有气体供应系统向预混燃气中增加单原子稀有气体来提高预混燃气的平均绝热压缩指数与导热系数，从而提高了预混燃气在压缩过程的放热强度以及燃烧过程气流的导热性能，加速点火过程火焰传播速率，降低气流燃烧负荷的波动。

技术研发人员：刘显伟,杨仲卿,邹辰龙,周晓辉
受保护的技术使用者：重庆航天火箭电子技术有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/14