重油活塞式航空发动机（小功率航空活塞发动机重油技术进展）

摘 要：小功率航空活塞发动机是微型无人机系统的主要动力型式，单一燃料的重油使用是未来无人机动力系统发展的必然趋势。结合国内外无人机发展趋势和动力系统型式选择，分析了小功率航空重油活塞发动机的应用需求特点；根据航空燃料发展的单一化趋势，指出了小功率航空活塞发动机采用重油的发展趋势和面临的技术瓶颈；整理了现阶段国内外在小功率航空重油技术方面的不同创新思路和和实现型式，分析评估了不同技术路线的应用特点和技术难度。

引言

20 世纪80年代以来，无人机发展非常迅速。早期无人机动力装置几乎全部采用航空活塞式发动机，随着无人机用途扩大，重量增加，升限提高，速度增大以及续航时间的增长，涡喷、涡桨、涡轴和涡扇发动机也开始在无人机上使用；但由于活塞发动机具有体积小，重量轻，升功率高，结构简单，操作维护方便等诸多优点，因而整体上仍然占有绝对优势。

小功率航空活塞发动机是其中重要的一部分。航空重油是指馏分在航空煤油与柴油之间的航空油料。1994 年美国NASA 开始实施一项通用航空推进计划，为未来安全舒适，操作简便和价格低廉的通用轻型飞机提供动力技术。在该报告中对于2010 年后的GAP（通用航空推进）、UAV动力规划中首次提出开发重油航空发动机HFE（Heavy fuel engine)，此概念的提出是基于满足美国新的适航安全标准（FAA规范）要求，以及使用成本和军用后勤保障简化的需要。由于重油发动机相比现有发动机具有多方面优势，同时可以简化部队后勤保障，提高保障效率，因此重油是未来航空活塞发动机燃料使用的必然趋势。

本文针对小功率航空活塞发动机采用重油的发展趋势，整理分析了国内外在重油技术的创新思路和不同实现型式；结合我国无人机发展现状和技术水平，提出了我国小功率航空活塞发动机重油技术发展的技术切入点和思路。

1 小功率航空活塞发动机重油技术难点

现阶段的小功率航空活塞发动机基本上不是全新设计的，都是从航模发动机、通机上改进过来的，因此结构型式上基本是两冲程方式，供油方式基本上是化油器方式。其中采用两冲程方式的原因是为了满足航空发动机的高功重比要求，采用化油器供油方式则是直接采用现有技术方案，或者根据无人机动力系统需求进行微小改进。小功率航空活塞发动机采用两冲程型式本身是非常合理的，两冲程发动机本身结构简单，运动部件少，升功率密度大，重量也较小，符合无人机动力系统的轻质高功重比要求，但是供油方式采用化油器则带来很大问题。两冲程发动机采用化油器供油方式，由于避免不了扫气过程的短路损失，必然导致油耗高，经济性差，必然不能满足长航时需求。除此之外，航空重油的应用则对化油器供油方式提出了更大挑战，航空重油粘度大，雾化效果比汽油差，直接采用现有化油器基本上很难保证燃油可靠雾化和合理燃烧。

因此，两冲程工作型式，配合良好扫气系统以及新型燃油喷射系统是小功率航空活塞发动机发展的趋势，其中新型燃油喷射系统实现最为困难，是小功率航空重油活塞发动机的技术瓶颈。

2 新型小功率航空活塞发动机重油技术型式

国内外为解决重油雾化问题，针对小功率活塞发动机进行创新的方案有两种，一种是在现有化油器上改进，一种是采用新型供油方式。其中现有化油器改进方式仍然采用化油器供油，但根据重油燃料特点对进气系统、化油器、点火系统设计更改，同时增加辅助起动的预热系统。典型的系统为德国3W公司的重油发动机方案。图1 为28mL航模汽油发动机，图2 为28mL 航空重油发动机，为了实现重油的可靠雾化及燃烧组织，重油发动机采用了多项改进措施，具体如下：进气系统采用加速管；泵膜式化油器进行改进，工作方式接近于机械喷射系统；曲轴箱预热；压缩比降低；起动加入预热塞；点火系统更改，能量增加。

图1 3W公司28mL航模汽油发动机

图2 3W公司28mL重油发动机

从两者对比可以看出，采用重油后，发动机的设计更改非常大，更改的地方也比较多，因此仍然采用

化油器供油方式更改的重油活塞发动机更改因素较多，增加附件多，设计比较复杂，改进实现比较困难。除了对化油器和发动机进行更改设计实现重油雾化和燃烧之外，采用新型供油方式也是解决重油直接雾化问题的重要方案，也是未来的发展趋势。一般来讲，发动机供油方式按照驱动方式不同，分为机械喷射系统和电控燃油喷射系统。其中，机械喷射系统直接由发动机附属机械机构驱动完成燃油喷射和调节功能，所有控制调节通过机械来实现。典型的系统为XRDI 公司的重油解决方案。该方案的最大特点是采用了自行设计的高效MCDI 机械燃油直喷系统，燃油直接喷到发动机缸内。同时，该方案着火方式仍然采用点燃方式，和燃油直喷系统配合，可以实现可靠的起动性能，在原-30度条件下可靠起动而不需要辅助预热装置。图3为XRDI重油发动机外形图。

图3 XRDI 12.5kW重油航空活塞发动机

采用机械喷射系统的发动机，由于需要单独的机械喷射调节和驱动装置，而且这些功能全部由机械结构实现，故整体设计比较复杂，基本上需要全新的发动机设计，投入较大，而且机械调节系统调节范围有限，自由度和灵活性差，适应范围不广。电控燃油喷射系统本身在汽车大排量发动机上应用比较成熟，有比较多的可以借鉴的经验，同时由于电控燃油喷射系统控制灵活，调节方便，因此电控燃油喷射系统方面的创新较多。基本的思路是根据航空活塞发动机要求对传统大排量发动机电控燃油喷射系统进行改进或者进行全新的创新型设计，典型的系统有澳大利亚Orbital 公司的AADI（AirAssistant Direct Injection）空气辅助喷射系统、美国NWUAV 公司的基于MEMS 微机电技术的喷射系统、美国JM Harwood公司的DFI 微型高压直喷系统和北航提出的MFVI（MultipleFixed-VolumeInjection）小尺度微量多次喷射系统。澳大利亚Orbital 公司的AADI 空气辅助喷射系统被德国Hirth 公司采用进行重油航空发动机的开发工作。空气辅助喷射系统采用一体化喷嘴，由高压空气对燃油颗粒的冲击实现燃油的良好雾化；通过调整辅助空气压力和夹入空气时间，可以得到不同雾束形状，适应不同的燃烧室形状和火花塞位置。Hirth 公司通过空气辅助喷射系统实现了两冲程重油发动机的缸内直喷，减少了扫气过程中的短路燃油损失，经济性大大提高；结合分层进气导流组织、火花塞和喷嘴布置，改善了燃烧条件，燃烧效率大大提高。AADI空气辅助喷射系统喷射柴油和汽油的雾化效果如图4所示。

柴油 汽油 10mg/ 喷射 10mg/喷射 6.8μSMD 5.7μ SMD 图4 Orbital AADI 空气辅助喷射雾化效果

美国NWUAV 公司和Oregon 州立大学微纳米研究中心（ONAMI）共同合作，进行有关基于MEMS微机电系统的燃油喷射系统开发。NWUAV 公司购买了HP公司有关喷墨打印机的5 项专利，这些专利集中在微通道加工、喷墨雾化、流量控制等方面。NWUAV 公司基于上述专利，开发出了基于MEMS的电控燃油喷射系统，其喷射效果和微通道结构如图5，图6 所示。

14μm宽微通道喷油器显微结构 图5 MEMS 喷射系统微通道结构

NWUAV JP5/JP8 10μm粒径喷射 图6 MEMS 喷射系统喷射雾化效果

该系统由于是基于MEMS 微机电系统，喷射雾化效果非常好，而且可以适用于汽油、柴油、航空煤油以及重油等多种燃料，适用范围很广。由于采用微通道喷射结构，可以直接控制喷射液滴数目实现喷油量的精确控制，燃油经济性很好。除此之外，该系统功耗非常低，最大不超过10W，特别适用于无人机动力轻质高效的应用要求。但是，该系统采用MEMS加工工艺，流程复杂，加工难度大，研发投资大，同时由于专利保护，进行相关研究工作比较困难。美国JM Harwood 公司针对小功率航空活塞发动机缸内直喷系统的困难，结合压电晶体的高压高速驱动方式，设计出了适合小功率活塞发动机的缸内直喷系统，可以直接适用于航空重油。该公司已经实现了原型机的设计开发，可以实现3000psi（20MPa）的喷射压力以及喷射雾化直径8μm的技术指标，但现在该项技术仍处于研发阶段，正在进行发动机适配方面的研究工作。其喷射雾化效果和雾化粒径效果如图7，8 所示。

图 7 DFI 缸内直喷系统雾化效果

图 8 DFI 缸内直喷系统粒径分布

北航微小型发动机与分布式能源试验室根据小功率航空重油活塞发动机实际工作特点和前期燃油喷射系统开发经历，提出了一种小尺度微量多次喷射系统结构。该系统是低压定容多次喷射，喷油器每次吸入的燃油体积是一定的，燃油量调节通过喷射次数的多少来实现。该系统的喷油器为微型定容柱塞泵，该柱塞泵只有一个进油口和一个出油口，进油口为一单向阀，出油口为普通针阀结构，没有回油路。其基本原理结构如图9 所示。

图9 小尺度微量多次喷射系统结构

该系统的特点是结构非常简单，属于微型电磁柱塞泵，元件数目非常少，只有一个；而且系统连接布置简单，不需要回油路；驱动方式和控制调节非常简单，不需要传统燃油喷射系统的复杂压力调节控制；系统功耗低，属于脉冲驱动工作方式而不是持续工作方式；体积重量小，容易集成，可以实现发动机控制系统的更高集成度；可直接实现重油雾化，实现无辅助预热装置的可靠起动。

3 结论

1）两冲程小功率航空活塞发动机在无人机动力系统中占有重要地位。

2）航空重油是未来活塞发动机燃料发展的趋势，小功率航空活塞发动机采用重油需要技术突破。

3）小功率航空活塞发动机采用重油需要燃油供给系统的技术突破，创新型的电控重油喷射系统是核心关键。