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。