第一：重油的燃料霧化技術(shù)

　　

發(fā)動(dòng)機(jī)做功，需要將燃料通過(guò)噴嘴噴成顆粒度非常細(xì)的霧狀，才能與空氣充分混合，達(dá)到良好的燃燒效果。霧化燃料與空氣混合氣的形成質(zhì)量，對(duì)于動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和排放性都有至關(guān)重要的作用。

而重油，特別是柴油，比汽油的黏度高，低溫流動(dòng)性差。這造成重油的霧化效果要比汽油差，影響了燃燒效果，甚至導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)困難。實(shí)現(xiàn)重油的可靠霧化及高效的燃燒組織，成為航空重油活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的核心技術(shù)之一。

　　

活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的重油霧化燃燒改進(jìn)方式，大致有以下幾種。

　　

化油器漸改+輔助預(yù)熱：兩沖程活塞發(fā)動(dòng)機(jī)大多采用化油器供油方式，而直接采用現(xiàn)有化油器很難保證重油的可靠霧化和合理燃燒。因此可以對(duì)進(jìn)氣系統(tǒng)、化油器、點(diǎn)火系統(tǒng)設(shè)計(jì)更改，同時(shí)增加輔助起動(dòng)的預(yù)熱系統(tǒng)，改善燃料的流動(dòng)性。

這種改進(jìn)方式中，具有代表性的是德國(guó)3W公司的重油發(fā)動(dòng)機(jī)方案，對(duì)進(jìn)氣系統(tǒng)采用加速管;泵膜式化油器進(jìn)行改進(jìn)，工作方式接近于機(jī)械噴射系統(tǒng);曲軸箱預(yù)熱;壓縮比降低;起動(dòng)加入預(yù)熱塞;點(diǎn)火系統(tǒng)更改，能量增加。

這種方法的缺點(diǎn)是，增加的附件多，修改設(shè)計(jì)復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)上比較困難。

　　

機(jī)械噴射系統(tǒng)：即放棄化油器方式，供油方式直接改由發(fā)動(dòng)機(jī)附屬機(jī)械機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)，完成燃油的缸內(nèi)直接噴射和流量調(diào)節(jié)功能。

比如美國(guó)XRDi公司的重油解決方案，采用了MCDI 機(jī)械燃油直噴系統(tǒng)和點(diǎn)燃方式，燃油直接噴到發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)，實(shí)現(xiàn)-30℃條件下無(wú)輔助預(yù)熱裝置的可靠起動(dòng)。

這種方法的缺點(diǎn)是：需要單獨(dú)的機(jī)械噴射調(diào)節(jié)和驅(qū)動(dòng)裝置，整體設(shè)計(jì)比較復(fù)雜，成本較高。而且機(jī)械調(diào)節(jié)系統(tǒng)調(diào)節(jié)范圍有限，自由度和靈活性差，適應(yīng)范圍受限。

　　

電控燃油噴射系統(tǒng)：熟悉汽車的同學(xué)對(duì)這個(gè)詞不陌生。對(duì)的，就是借鑒汽車工業(yè)的電噴技術(shù)，對(duì)航空活塞發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)。電噴的調(diào)節(jié)范圍大，控制自由度和靈活度高于機(jī)械噴射。

比如澳大利亞Orbital 公司的AADI(Air Assistant Direct Injection) 空氣輔助噴射系統(tǒng)，采用一體化噴嘴，使用高壓空氣對(duì)燃油顆粒進(jìn)行沖擊，實(shí)現(xiàn)燃油的充分霧化。并通過(guò)調(diào)整輔助空氣壓力和夾入空氣時(shí)間，可以得到不同霧束形狀，適應(yīng)不同的燃燒室形狀和火花塞位置。

　　

說(shuō)到這種方案，還有一個(gè)有趣的例子。

　　

這是美國(guó)NWUAV 公司，其在進(jìn)行重油霧化電噴設(shè)計(jì)的過(guò)程中，碰到了諸多困難。最后的解決辦法，說(shuō)起來(lái)讓人叫絕——他們想到了噴墨打印機(jī)，它就連很小的形狀古怪的標(biāo)點(diǎn)符號(hào)都能打印清楚。這噴墨控制噴流的絕活，能否用到噴油控制上呢?

　　

腦洞大開(kāi)的NWUAV，果真買(mǎi)了噴墨打印機(jī)的首席大牛HP 公司有關(guān)噴墨技術(shù)的5 項(xiàng)專利，并在此基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)了微機(jī)電MEMS的電控燃油噴射系統(tǒng)。

該系統(tǒng)有類似噴墨打印機(jī)的微通道噴射結(jié)構(gòu)，直接控制噴射液滴數(shù)目，實(shí)現(xiàn)了噴油量的精確控制，其噴射霧化效果出奇的好，而且提高了燃料的經(jīng)濟(jì)性，同時(shí)還可以適用于汽油、柴油、航空煤油以及重油等多種燃料，同時(shí)功耗非常低，最大不超過(guò)10W，對(duì)于小型無(wú)人機(jī)動(dòng)是非常不錯(cuò)的選擇。

　　

什么是跨界創(chuàng)新，什么叫他山之石可以攻玉? 這個(gè)案例就是一個(gè)挺好的說(shuō)明。

　　

新型燃燒室結(jié)構(gòu)

　　

美國(guó)Deltahawk公司設(shè)計(jì)出了一種新型燃燒室，活塞頂部與氣缸蓋之間設(shè)計(jì)成上下近似對(duì)稱的結(jié)構(gòu)，同時(shí)采用180°噴射角，大大提高了重油的霧化效果，減少了碳煙顆粒的排放，提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的整體性能。

相比新型燃料噴射系統(tǒng)，這種新型燃燒室基本上是發(fā)動(dòng)機(jī)的重新設(shè)計(jì)了。

　　

第二、活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪增壓技術(shù)

二沖程航空活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的優(yōu)劣勢(shì)

　　

航空活塞發(fā)動(dòng)機(jī)，可分為二沖程和四沖程兩類，其中小功率的兩沖程發(fā)動(dòng)機(jī)占大多數(shù)。

　　

二沖程航空活塞發(fā)動(dòng)機(jī)，即活塞從上到下、從下到上兩個(gè)行程的發(fā)動(dòng)機(jī)，采用化油器、風(fēng)冷、自然式吸氣，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，重量較輕，運(yùn)動(dòng)部件少維護(hù)方便，升功率密度大的優(yōu)點(diǎn)，能夠達(dá)到低空短航時(shí)無(wú)人機(jī)的需求。

　　

二沖程活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的做功原理，導(dǎo)致難以避免掃氣過(guò)程(進(jìn)、排氣重疊期稱為掃氣期)的廢氣排出損失，導(dǎo)致油耗高，潤(rùn)滑油消耗量也大，經(jīng)濟(jì)性差。另外由于缸數(shù)和冷卻的限制，進(jìn)一步提高功率很難。廢氣渦輪增壓的難度也較大。

　　

燃油/潤(rùn)滑油經(jīng)濟(jì)性差，就對(duì)無(wú)人機(jī)的長(zhǎng)航時(shí)構(gòu)成不利影響，這是一方面的缺點(diǎn)。

　　

由于高空環(huán)境下空氣稀薄，密度和溫度下降，導(dǎo)致進(jìn)入缸內(nèi)的空氣量減小，發(fā)動(dòng)機(jī)充量系數(shù)下降，熱負(fù)荷增加，排溫升高，使得燃燒過(guò)程惡化，需要對(duì)其進(jìn)行增壓。

而二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)無(wú)法有效增壓，發(fā)動(dòng)機(jī)的功率也不能有效提高，就難以提高發(fā)動(dòng)機(jī)的巡航高度和實(shí)用升限，無(wú)人機(jī)的高原高空性能就會(huì)受到制約。這是另一方面的缺點(diǎn)。

　　

這兩個(gè)缺點(diǎn)，造成了二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)難以滿足中空長(zhǎng)航時(shí)無(wú)人機(jī)需求。

四沖程航空活塞發(fā)動(dòng)機(jī)　

　

相比之下，四沖程航空活塞發(fā)動(dòng)機(jī)，分為進(jìn)氣行程、壓縮行程、作功行程和排氣行程，燃油經(jīng)濟(jì)性比二沖程要好，功率也可以比二沖程航空活塞發(fā)動(dòng)機(jī)功率更高。

特別是得益于汽車工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，小型高轉(zhuǎn)速的廢氣渦輪增壓器大量涌現(xiàn)，渦輪增壓技術(shù)(和機(jī)械增壓技術(shù))也已經(jīng)在四沖程航空活塞發(fā)動(dòng)機(jī)得到應(yīng)用，單級(jí)增壓技術(shù)已經(jīng)比較成熟。

渦輪增壓技術(shù)的使用，提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率，實(shí)現(xiàn)了高海拔發(fā)動(dòng)機(jī)的功率恢復(fù)，從而使無(wú)人機(jī)的飛行速度和實(shí)用升限得以明顯提高。

　　

研究表明，帶一級(jí)增壓的活塞發(fā)動(dòng)機(jī)在5000米空中可以保持其最大功率持續(xù)工作，但超過(guò)8000米以上的高空運(yùn)行仍無(wú)法滿足進(jìn)氣需求量，造成動(dòng)力輸出不足甚至引發(fā)熄火。而二級(jí)增壓則可以將這一高度提高到11000米(NASA研究的三級(jí)增壓，甚至可以將航空活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的飛行高度提高到24000米)。

但汽油機(jī)在增壓壓縮終了，混合氣濃度和溫度上升明顯，易發(fā)生爆燃，同時(shí)汽油機(jī)轉(zhuǎn)速范圍寬，與增壓器的匹配困難，因此高效率增壓仍有一定困難。

目前國(guó)外的主流航空四沖程活塞發(fā)動(dòng)機(jī)，比如德國(guó)的LIMBACH-L2400ET，德國(guó)的TKDI600，奧地利的ROTAX91 4等，普遍具有渦輪增壓功能，因此具備較高的可靠性和良好的高空性能，標(biāo)定轉(zhuǎn)速大約在3000r/min到6000r/min，標(biāo)定功率34Kw-99kW之間。

比如以色列的蒼鷺無(wú)人機(jī)，采用的就是74.6kW的4沖程渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)，巡航高度7620米。

　　

更加典型的，是捕食者A采用的78.3kW的Rotax914型4缸4沖程渦輪一級(jí)增壓活塞發(fā)動(dòng)機(jī)，升限7925米。該發(fā)動(dòng)機(jī)采用自然吸氣時(shí)，在海拔3000m 時(shí)，其功率下降30%，4500米時(shí)下降40%，9000米時(shí)下降65%。而采用一級(jí)增壓之后在海拔4500m 時(shí)，功率依然能達(dá)到平原的90%左右。

　　

第三：高能點(diǎn)火技術(shù)

　　

活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的點(diǎn)火方式有點(diǎn)燃式(火花塞跳火)和壓燃式(靠壓縮行程將混合氣壓縮到燃點(diǎn)，使其自動(dòng)著火)。汽油機(jī)采用火花塞方式的比較多。至于重油機(jī)，重油燃點(diǎn)比汽油高，因此火花塞點(diǎn)火需要很高的能量，某型號(hào)研究燃油消耗率要高于壓燃式20%左右。

因此重油機(jī)的點(diǎn)火方式更適合采用壓燃式，這就需要較高的壓縮比才能壓燃重油。

　　

對(duì)于點(diǎn)燃式的汽油機(jī)，為了保證發(fā)動(dòng)機(jī)在各種工況和條件下可靠安全的點(diǎn)火，點(diǎn)火系統(tǒng)必須在發(fā)動(dòng)機(jī)不同海拔不同工況下都能提供可靠而準(zhǔn)確的點(diǎn)火花，目前航空發(fā)動(dòng)機(jī)采用的先進(jìn)點(diǎn)火技術(shù)主要有高能點(diǎn)火和雙火花塞快速燃燒技術(shù)。

高能點(diǎn)火系統(tǒng)的工作可靠性以及成本問(wèn)題沒(méi)有得到有效解決，航空發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)用較少。而航空發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)用雙火花塞點(diǎn)火系統(tǒng)已有將近四十年的歷史，其中，ROTAX 系列高空汽油機(jī)是應(yīng)用雙火花塞點(diǎn)火技術(shù)成功的典范。

　　

第四、輕量化航空重油活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性

　　

航空活塞發(fā)動(dòng)機(jī)體積小，對(duì)氣動(dòng)設(shè)計(jì)有利;重量輕，對(duì)提高功重比有利，這是它成為通用航空領(lǐng)域小型飛行器動(dòng)力的重要優(yōu)勢(shì)因素。但是航空活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料從航空汽油換成重油之后，再經(jīng)過(guò)上述一、二亮點(diǎn)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，各種部件、附件增加，發(fā)動(dòng)機(jī)的體積和重量有所增加，反過(guò)來(lái)弱化了活塞機(jī)的優(yōu)勢(shì)。

既要降低重量和體積，又要保證在重油粗暴工作方式下發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行正常，對(duì)于長(zhǎng)航時(shí)無(wú)人機(jī)還要有充分的可靠性和耐久性。

這些看似相互矛盾的需求，也正是航空重油活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)難點(diǎn)所在。在前面的燃料霧化和動(dòng)力增壓這些技術(shù)路線比較清晰的情況下，反而是可靠性這一點(diǎn)，有時(shí)倒成了航空重油活塞發(fā)動(dòng)機(jī)最讓人頭痛的地方。

　　

從實(shí)際產(chǎn)品上看，國(guó)內(nèi)國(guó)外的一些相關(guān)產(chǎn)品，在輕量化和耐久性的均衡性上也遇到了一些問(wèn)題。

　　

比如，資料表明，德國(guó)著名活塞發(fā)動(dòng)機(jī)廠商蒂勒特的名牌產(chǎn)品Centurion 1.7發(fā)動(dòng)機(jī)，生產(chǎn)量達(dá)到1500臺(tái)，但在耐久性和可靠性上就存在一些問(wèn)題。

　　

Centurion 1.7的數(shù)控和傳動(dòng)系統(tǒng)改進(jìn)型Centurion 2.0于2006年開(kāi)始生產(chǎn)。這是一款4缸渦輪增壓柴油機(jī)，重油(航煤和航柴均)可作為其燃料。排量1.9升，最大輸出功率100kW/135hp，質(zhì)量134公斤，功重比0.7463，不失功率的最大爬升高度1828m。

該型發(fā)動(dòng)機(jī)是第一款取得FAA、EASA等60個(gè)適航認(rèn)證的新型航空煤油發(fā)動(dòng)機(jī)。但是生產(chǎn)初期依然存在價(jià)格昂貴，維修保養(yǎng)復(fù)雜和可靠性的問(wèn)題——雖然大修間隔為1500小時(shí)，但300飛行小時(shí)就要更換齒輪箱(CD數(shù)據(jù))。

　　

到了Centurion 2.0的發(fā)展型AE300，2009年獲得EASA/FAA認(rèn)證，航煤、航柴和生物重油都可以作為燃料。這一次可靠性雖然有改善，但是輕量化做的不好——最大輸出功率125kW，質(zhì)量185公斤，功重比下降到0.6756。

　　

法國(guó)SMA公司生產(chǎn)的SR305-230E，4沖程渦輪增壓壓燃式重油發(fā)動(dòng)機(jī)，也獲得EASA和FAA認(rèn)證，2013年7月在美國(guó)進(jìn)行了飛行表演，功率171.3kW，質(zhì)量208.6公斤，功重比0.8212，不失功率最大爬升高度提升到3048m。

在體積輕量化的方面做的不好，作為一款輕型飛機(jī)的動(dòng)力具有820mmX930mmX750mm的較大尺寸，影響了機(jī)身的整體流線型設(shè)計(jì)，市場(chǎng)反饋不理想。

　　

美國(guó)Deltahawk公司的DH4發(fā)動(dòng)機(jī)，尺寸重量都不大，結(jié)構(gòu)緊湊，功率123.5kW，質(zhì)量148公斤，功重比0.8345，不失功率最大爬升高度提升高度5486m，大修間隔2000小時(shí)。看著數(shù)據(jù)是不是更加亮眼?問(wèn)題這是一款2沖程發(fā)動(dòng)機(jī)，排放問(wèn)題又是最大的麻煩。

　　

體積重量的輕量化+使用的可靠耐久性+運(yùn)營(yíng)的環(huán)保經(jīng)濟(jì)性，一舉而眾善備，說(shuō)得容易，做到難。

文章來(lái)源：濤聲依舊