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        重油發(fā)動機燃油供給系統(tǒng)的關(guān)鍵問題

        2017-11-14 11:05:26楊學(xué)鋒
        西部論叢 2017年6期
        關(guān)鍵詞:無人機

        楊學(xué)鋒

        摘 要:分析了無人機用重油發(fā)動機的發(fā)展趨勢和實現(xiàn)難點,整理歸納了現(xiàn)有重油供給系統(tǒng)的不同實現(xiàn)型式和特點,提出了重油發(fā)動機燃油供給系統(tǒng)的研究開發(fā)建議。

        關(guān)鍵詞:無人機,重油,航空發(fā)動機,電控燃油噴射

        引言

        二十世紀(jì)八十年代以來,越來越多的國家和地區(qū)開始重視并謀求發(fā)展和部署無人機,大多數(shù)國家把無人機置于優(yōu)先發(fā)展的地位?;钊l(fā)動機具備結(jié)構(gòu)簡單、功重比大、操作維護(hù)方便、成本低等諸多優(yōu)點,因而在無人機動力系統(tǒng)中占有較大比重。

        航空重油是指餾分在航空煤油與柴油之間的航空油料。1994年美國NASA開始實施一項通用航空推進(jìn)計劃,在該報告中對于2010年后的GAP(通用航空推進(jìn))、UAV動力規(guī)劃中首次提出開發(fā)重油航空發(fā)動機HFE(Heavy fuel engine),因此重油燃料的使用是未來無人機動力系統(tǒng)的必然發(fā)展趨勢。

        一、重油技術(shù)關(guān)鍵問題

        重油的霧化:由于無人機必須具備高功重比,高可靠性和長航時的基本要求,因此對于重油的霧化必須和地面發(fā)動機有所不同。高功重比必然要求附件精簡,重量輕,效率高,因此這也是現(xiàn)階段很多無人機動力仍然采用化油器供油霧化方式的原因,同時采用化油器霧化方式也具有較高的成熟度和可靠性。長航時對于發(fā)動機帶來的要求肯定是燃料供給系統(tǒng)經(jīng)濟性好,燃燒效率高,這個要求最適合的方式肯定是電控燃油噴射系統(tǒng)。電控燃油噴射系統(tǒng)最大的突出優(yōu)點即是燃油經(jīng)濟性好、控制靈活,但是電控燃油噴射系統(tǒng)比較復(fù)雜,重量較大,必須結(jié)合發(fā)動機功率范圍進(jìn)行合理選擇。微型或者小型無人機發(fā)動機功率需求較小,整體重量輕,電控燃油噴射系統(tǒng)占比例較大,因此不具備優(yōu)勢;只有發(fā)動機功率增大到一定范圍,電控燃油噴射系統(tǒng)重量在整體系統(tǒng)中所占比例較小時,電控燃油噴射系統(tǒng)才比較適用。

        重油的燃燒:重油的燃燒關(guān)鍵是氣流組織和著火方式,其中氣流組織方式必須有助重油霧化,改善燃燒,這方面可以借鑒地面發(fā)動機相關(guān)技術(shù)。著火方式一般在活塞發(fā)動機上就是兩種方式,壓縮著火和火花塞點燃。壓縮著火主要適用在燃點低的發(fā)動機燃料如柴油?;鸹ㄈc燃適用于燃點高的發(fā)動機燃料如汽油。按照重油的霧化特性,重油燃點介于汽油和柴油之間,比較接近于汽油,因此最合適的著火方式是點燃著火,但是由于壓縮著火需要壓縮比大,發(fā)動機結(jié)構(gòu)強度要求高,發(fā)動機設(shè)計困難,功重比很難提高,因此在中小功率階段,重油發(fā)動機不適合壓縮著火,火花塞點火具有一定的優(yōu)勢。

        發(fā)動機型式選擇:發(fā)動機型式基本上由兩沖程和四沖程兩種,其中兩沖程發(fā)動機結(jié)構(gòu)簡單,功率密度高,非常適合無人機發(fā)動機使用,但是兩沖程發(fā)動機最大的問題就是由于存在換氣過程的短路損失,經(jīng)濟性差,油耗高,因此不適合長航時的無人機需要。四沖程發(fā)動機結(jié)構(gòu)復(fù)雜,壓縮比大,效率高,燃油經(jīng)濟性好,在功率達(dá)到一定范圍后,相比兩沖程發(fā)動機具有一定的優(yōu)勢。

        因此,航空活塞發(fā)動機需要實現(xiàn)重油技術(shù),噴射霧化是其中瓶頸,輕質(zhì)高效是航空重油噴射霧化系統(tǒng)的關(guān)鍵評價目標(biāo)。重油供給系統(tǒng)在小功率活塞發(fā)動機實現(xiàn)起來更為困難,大功率活塞發(fā)動機實現(xiàn)則相對容易,可以采用地面汽車發(fā)動機電控燃油噴射系統(tǒng)方案進(jìn)行改進(jìn)。

        二、現(xiàn)有重油技術(shù)解決方案

        為解決重油噴射霧化問題,小功率活塞發(fā)動機思路主要集中在化油器方式,機械噴射方式或者傳統(tǒng)電控噴射系統(tǒng)微型化等;大功率活塞發(fā)動機可以直接采用地面動力發(fā)動機廣為應(yīng)用的進(jìn)氣道噴射、缸內(nèi)直噴系統(tǒng)或者共軌系統(tǒng)實現(xiàn),但需要根據(jù)航空要求進(jìn)行修改設(shè)計。

        (一)小功率航空活塞發(fā)動機重油系統(tǒng)

        1.化油器改進(jìn)方式

        化油器改進(jìn)方式仍然采用化油器供油,但根據(jù)重油燃料特點對相關(guān)部件進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計,典型系統(tǒng)為德國3W公司重油發(fā)動機方案。汽油和重油發(fā)動機外觀對比,3W公司針對重油燃料采取了進(jìn)氣系統(tǒng)采用加速管、泵膜式化油器接近于機械噴射系統(tǒng)、曲軸箱預(yù)熱、壓縮比降低、起動加入預(yù)熱塞、點火系統(tǒng)更改等措施。

        2.機械噴射系統(tǒng)

        機械噴射系統(tǒng)直接由發(fā)動機附屬機械機構(gòu)驅(qū)動完成燃油噴射和調(diào)節(jié)功能,所有控制調(diào)節(jié)通過機械來實現(xiàn),典型系統(tǒng)為XRDI公司的重油解決方案。該方案的最大特點是采用了自行設(shè)計的高效MCDI機械燃油直噴系統(tǒng),燃油直接噴到發(fā)動機缸內(nèi)。同時,該方案著火方式仍然采用點燃方式,和燃油直噴系統(tǒng)配合,可以實現(xiàn)可靠的起動性能,在-30℃條件下可靠起動而不需要輔助預(yù)熱裝置。。

        3.傳統(tǒng)電控燃油噴射系統(tǒng)微型化

        Currawong Engineering公司電控燃油噴射系統(tǒng)完全采用傳統(tǒng)大排量電控燃油噴射系統(tǒng)原理,在傳感器、執(zhí)行器和控制器上進(jìn)行微型化,ECU、高壓油泵以及調(diào)壓器微型化到一體結(jié)構(gòu),油泵和調(diào)壓器為小排量發(fā)動機進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計。初始使用目標(biāo)為28cc以上的航空汽油活塞發(fā)動機,經(jīng)過改進(jìn)現(xiàn)在已經(jīng)可以采用重油燃料。系統(tǒng)整體功耗小于8W,重量165克,全球使用數(shù)量超過700套。

        電控燃油噴射系統(tǒng)本身在汽車大排量發(fā)動機上應(yīng)用比較成熟,有比較多的可以借鑒的經(jīng)驗,同時由于電控燃油噴射系統(tǒng)控制靈活、調(diào)節(jié)方便,因此電控燃油噴射系統(tǒng)方面的創(chuàng)新較多。

        (二)大功率航空活塞發(fā)動機重油系統(tǒng)

        大功率航空活活塞發(fā)動機采用重油系統(tǒng)方式比較容易實現(xiàn),一般借鑒地面動力的汽車發(fā)動機電控燃油噴射系統(tǒng)的發(fā)展方式。地面動力的電控燃油噴射系統(tǒng),在汽油機方面采用的是進(jìn)氣道噴射或者缸內(nèi)直噴方式,其中進(jìn)氣道噴射方式由于簡單可靠,在航空上應(yīng)用更為合適;在柴油機方面采用的基本上是共軌方式,但現(xiàn)在階段仍不是很成熟。除了電控燃油噴射系統(tǒng)方式外,由于航空使用的嚴(yán)格要求,在大功率航空活塞發(fā)動機上還可以采用機械噴射方式,這在燃料為柴油時最方便,因為地面上柴油機仍然大量采用機械缸內(nèi)直噴方式。

        大功率航空活塞發(fā)動機基本上以柴油機為主,壓縮比大,功率密度大,同時重油供給系統(tǒng)以機械噴射方式居多,這和航空的嚴(yán)格使用要求是相符的。

        三、研究建議

        中小功率發(fā)動機,燃油供給系統(tǒng)可采用化油器、機械直噴和電控燃油噴射系統(tǒng),其中化油器必須更改設(shè)計;機械直噴系統(tǒng)必須進(jìn)行創(chuàng)新型設(shè)計,保證輕質(zhì)高效;電控燃油噴射系統(tǒng)更需要新穎設(shè)計,基本上不能采用傳統(tǒng)汽油電控噴射系統(tǒng)。根據(jù)燃油霧化和氣流組織效果選擇是否增加預(yù)熱塞等輔助起動裝置。

        大功率發(fā)動機,電控燃油噴射系統(tǒng)可以得到廣泛應(yīng)用,傳統(tǒng)汽油噴射和柴油噴射系統(tǒng)均可應(yīng)用,但必須對于航空使用進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn),保證輕質(zhì)高效。根據(jù)著火方式不同確定是否采用輔助起動裝置。

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