能源与动力工程学院 “海陆空复杂环境高效低碳动力装置”团队 2025年在内燃动力领域取得新进展

     “海陆空复杂环境高效低碳动力装置”团队，由能源与动力工程学院低碳动力系韩志强教授发起组建，成员主要有田维教授、方嘉教授、吴学舜高级实验师、左子农副教授、闫妍副教授、吴怡副教授、田云龙博士和廖健雄博士。团队致力于海陆空复杂环境的动力系统关键技术开发，涉及动力装置的燃烧、流体、传热、工热、化学、电控等相关基础领域研究，团队同时也致力于动力装置的产-学-研-用。2025年团队成员相互配合默契，在小型活塞式航空发动机、动力装置高效清洁燃烧、柴油机颗粒物催化特性、二氧化碳吸附材料等基础研究领域均有重大研究突破，相关研究成果在国际期刊发表论文13篇，其中Top期刊7篇，ESI热点论文1篇，授权发明专利5项。

1、小型活塞式航空发动机研究领域

为满足小型无人机高空、长航时、高可靠性的发展需求，团队围绕小型活塞式航空发动机在复杂环境下的核心技术难题开展了系统性研究，代表性成果如下：

1）基于缸间差异的小型活塞式航空发动机稳定燃烧边界量化方法研究。提出了一种适用于高空复杂环境的航空发动机稳定燃烧边界量化方法。研究发现，在混合气温度为280℃至320℃的条件下，两缸稳定燃烧边界围合的区域面积比为13.1:9.1。研究成果可为实现复杂高空环境下多缸小型活塞式航空发动机的精确控制提供数据支撑与理论依据。

2）环境状态对小型活塞式航空发动机能量转换效率的多维度热力循环分析。研究发现，指示热效率直接由循环指示功和缸内燃料能量共同决定，其中扫气效率是影响缸内燃料能量的主导因素。循环指示功主要受燃烧过程指示功的影响，而燃烧过程指示功则由热功转换效率与燃烧效率共同决定，循环指示功的变化服从二冲程发动机的热力循环规律。在不同环境状态下，燃烧过程指示功在循环指示功中的占比始终稳定在60%-70%。当环境压力发生变化时，燃烧效率、扫气效率和热功转换效率对指示热效率的影响权重分别为44%、47%和9%。当环境温度发生变化时，燃烧效率和扫气效率对指示热效率的平均影响权重则分别为60%和40%。

此外，团队还开展了低温低压环境下航空起动机瞬态特性、进气温度对小型活塞式航空煤油发动机怠速燃烧循环变动影响等研究。该系列研究形成的论文成果：《Research on the determination method of stable combustion boundaries for aviation two-stroke engines based on inter-cylinder differences》、《Ambient state effects on energy conversion efficiency: Multilevel analysis of thermodynamic cycle performance in two-stroke aviation engines》发表于IF=9.4的顶级国际期刊《Energy》；同期发表的还有《Research on Transient Characteristics of an Aviation Starter Motor Under Low Temperature and Pressure》、《The Effect of Intake Temperature on the Idle Combustion Cycle Variation of Two-Stroke Aviation Kerosene Piston Engines》。

 图1 基于缸间差异的小型活塞式航空发动机稳定燃烧边界判定方法研究

 图2 二冲程热力过程受环境影响的规律及核心因素分析

2、动力装置高效清洁燃烧基础研究领域

基础研究是实现动力装置高效清洁燃烧技术升级与替代燃料应用拓展的核心支撑，团队聚焦废气再循环（EGR）技术优化与醇类燃料燃烧特性两大方向，开展系统性研究，代表性成果如下：

1）EGR率下柴油机能量利用与热效率耦合机制研究。本研究以一台配备EGR系统和可调二级涡轮增压系统的柴油机为研究对象，表征了EGR率影响指示热效率的核心参数及其作用的中间机制。研究发现，在EGR率0%-18%和18%-51%两个区间内，缸内能量输出占比的变化规律存在差异。缸内能量输出占比的变化对指示功提升的贡献率为36.20%，而总输入能量的变化贡献率则达到63.80%。进气焓占比始终稳定在23%左右。总输入能量的变化与缸内能量输出占比的变化均受到进气焓的显著影响。因此，影响指示热效率的关键参数为进气焓与总输入能量，且二者均属于能量参数范畴。

2）正丁醇预混压燃失火边界双参数定量评估方法研究。本研究提出了一种发动机失火边界判定的新方法，该方法通过建立缸外性能与缸内燃烧状态参数之间的非线性映射关系，使用边界精度约束和曲线的突变点检测方法，提高了失火边界判定的准确性。研究发现，该方法能够精准识别不同工况下正丁醇预混压燃的完全失火边界与正常燃烧边界。与传统单参数法相比，该方法将边界判定的不确定性降低了三分之二以上。

该系列研究形成的论文成果：《Analysis of energy utilization and thermal efficiency in diesel engines under varying EGR rates》发表于IF=9.4的顶级国际期刊《Energy》；《Quantitative evaluation method for determining the misfire boundary of n-butanol premixed charge compression ignition》发表于IF=7.7的顶级国际期刊《Fuel Processing Technology》。

 图3 两级涡轮增压柴油机EGR率对能量利用效率影响内因分析

 图4 正丁醇预混压燃燃烧稳定性研究

3、柴油机颗粒物催化特性领域

团队使用水热法合成了一系列不同水热温度和时间的CeO₂催化剂。通过实验考察了不同水热条件对CeO₂催化剂活性的影响，并它们在碳烟燃烧中的氧化特性。研究表明，140min和6h的水热条件对碳烟的催化氧化效果最好，具有最低的燃烧特征温度、还原温度以及最高的综合燃烧指数和燃烧稳定系数。催化剂与柴油机颗粒物的最佳质量比为1：3。该系列形成的研究论文成果发表在《Molecules》（中科院二区TOP, IF=4.6）和《Journal of Environmental Chemical Engineering》（中科院二区TOP, IF=7.2）等顶级国际期刊上。

 图5 CeO2催化剂不同水热条件下的的性能对比

4、二氧化碳吸附材料领域

团队利用水热法制备了一系列不同质量比的氧化钙基二氧化碳吸附剂。研究表明，吸附剂在750℃、CO2浓度和流速为20%和20mL/min的条件下吸附性能最佳，为吸附剂的开发和应用提供了一定的理论基础。同时探究不同钙前驱体改性对吸附性能的影响发现氧化铝可以提升吸附剂吸附容量和动力学，氧化镁掺杂实现了卓越的循环稳定性，并针对实验结果提出了氧化铝和氧化镁共掺杂的动力学-稳定性解耦策略，为吸附剂优化提供了解决方案。该系列研究形成的论文成果在国际知名期刊iScience（中科院二区TOP, IF=4.1）和《ANNALS OF THE NEW YORK ACADEMY OF SCIENCES》（中科院二区TOP，IF=4.8）等顶级国际期刊上。

图6氧化钙基吸附剂制备改性及性能

此外，2025年团队授权5项发明专利 “一种测量气门行程差异与阀桥形变的测量装置及测量方法”（ZL 202411494735.4）， “一种判别火焰流态的定容燃烧装置及方法”（ZL 20221 1110066.7）、“一种层流火焰圆心与火焰传播半径的计算方法”（ZL 202210280757.5）和“一种层流火焰图片轮廓缺失点的补偿方法”（ZL 202210280760.7），“一种确定火焰不可信半径范围的方法”（ZL202111534354.0）。团队在学校领导支持和帮助下获包括航空重大科技专项揭榜挂帅项目、四川省国防科技领域关键核心技术自主可控攻关遴选项目、“天府良机”薄弱环节关键技术装备攻关项目等4个项目资助，到账经费超过1100万，为团队科研工作提供了良好的经济支持。“海陆空复杂环境高效低碳动力装置”团队的研究成果对于支撑学校动力工程优势特色学科建设起到了重要作用。