重油發(fā)動(dòng)機(jī)燃油供給系統(tǒng)的關(guān)鍵問(wèn)題

楊學(xué)鋒

摘 要：分析了無(wú)人機(jī)用重油發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)和實(shí)現(xiàn)難點(diǎn)，整理歸納了現(xiàn)有重油供給系統(tǒng)的不同實(shí)現(xiàn)型式和特點(diǎn)，提出了重油發(fā)動(dòng)機(jī)燃油供給系統(tǒng)的研究開(kāi)發(fā)建議。

關(guān)鍵詞：無(wú)人機(jī)，重油，航空發(fā)動(dòng)機(jī)，電控燃油噴射

引言

二十世紀(jì)八十年代以來(lái)，越來(lái)越多的國(guó)家和地區(qū)開(kāi)始重視并謀求發(fā)展和部署無(wú)人機(jī)，大多數(shù)國(guó)家把無(wú)人機(jī)置于優(yōu)先發(fā)展的地位。活塞發(fā)動(dòng)機(jī)具備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功重比大、操作維護(hù)方便、成本低等諸多優(yōu)點(diǎn)，因而在無(wú)人機(jī)動(dòng)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(guó)NASA開(kāi)始實(shí)施一項(xiàng)通用航空推進(jìn)計(jì)劃，在該報(bào)告中對(duì)于2010年后的GAP（通用航空推進(jìn)）、UAV動(dòng)力規(guī)劃中首次提出開(kāi)發(fā)重油航空發(fā)動(dòng)機(jī)HFE（Heavy fuel engine），因此重油燃料的使用是未來(lái)無(wú)人機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)的必然發(fā)展趨勢(shì)。

一、重油技術(shù)關(guān)鍵問(wèn)題

重油的霧化：由于無(wú)人機(jī)必須具備高功重比，高可靠性和長(zhǎng)航時(shí)的基本要求，因此對(duì)于重油的霧化必須和地面發(fā)動(dòng)機(jī)有所不同。高功重比必然要求附件精簡(jiǎn)，重量輕，效率高，因此這也是現(xiàn)階段很多無(wú)人機(jī)動(dòng)力仍然采用化油器供油霧化方式的原因，同時(shí)采用化油器霧化方式也具有較高的成熟度和可靠性。長(zhǎng)航時(shí)對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)帶來(lái)的要求肯定是燃料供給系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性好，燃燒效率高，這個(gè)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(diǎn)即是燃油經(jīng)濟(jì)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(dòng)機(jī)功率范圍進(jìn)行合理選擇。微型或者小型無(wú)人機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)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(shì)；只有發(fā)動(dòng)機(jī)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(shí)，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(dòng)機(jī)相關(guān)技術(shù)。著火方式一般在活塞發(fā)動(dòng)機(jī)上就是兩種方式，壓縮著火和火花塞點(diǎn)燃。壓縮著火主要適用在燃點(diǎn)低的發(fā)動(dòng)機(jī)燃料如柴油。火花塞點(diǎn)燃適用于燃點(diǎn)高的發(fā)動(dòng)機(jī)燃料如汽油。按照重油的霧化特性，重油燃點(diǎn)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(diǎn)燃著火，但是由于壓縮著火需要壓縮比大，發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求高，發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)困難，功重比很難提高，因此在中小功率階段，重油發(fā)動(dòng)機(jī)不適合壓縮著火，火花塞點(diǎn)火具有一定的優(yōu)勢(shì)。

發(fā)動(dòng)機(jī)型式選擇：發(fā)動(dòng)機(jī)型式基本上由兩沖程和四沖程兩種，其中兩沖程發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，功率密度高，非常適合無(wú)人機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)使用，但是兩沖程發(fā)動(dòng)機(jī)最大的問(wèn)題就是由于存在換氣過(guò)程的短路損失，經(jīng)濟(jì)性差，油耗高，因此不適合長(zhǎng)航時(shí)的無(wú)人機(jī)需要。四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，壓縮比大，效率高，燃油經(jīng)濟(jì)性好，在功率達(dá)到一定范圍后，相比兩沖程發(fā)動(dòng)機(jī)具有一定的優(yōu)勢(shì)。

因此，航空活塞發(fā)動(dòng)機(jī)需要實(shí)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(píng)價(jià)目標(biāo)。重油供給系統(tǒng)在小功率活塞發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)起來(lái)更為困難，大功率活塞發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)則相對(duì)容易，可以采用地面汽車發(fā)動(dòng)機(jī)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(wèn)題，小功率活塞發(fā)動(dòng)機(jī)思路主要集中在化油器方式，機(jī)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(dòng)機(jī)可以直接采用地面動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)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(shí)現(xiàn)，但需要根據(jù)航空要求進(jìn)行修改設(shè)計(jì)。

（一）小功率航空活塞發(fā)動(dòng)機(jī)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(diǎn)對(duì)相關(guān)部件進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，典型系統(tǒng)為德國(guó)3W公司重油發(fā)動(dòng)機(jī)方案。汽油和重油發(fā)動(dòng)機(jī)外觀對(duì)比，3W公司針對(duì)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(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)更改等措施。

2.機(jī)械噴射系統(tǒng)

機(jī)械噴射系統(tǒng)直接由發(fā)動(dòng)機(jī)附屬機(jī)械機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)完成燃油噴射和調(diào)節(jié)功能，所有控制調(diào)節(jié)通過(guò)機(jī)械來(lái)實(shí)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(diǎn)是采用了自行設(shè)計(jì)的高效MCDI機(jī)械燃油直噴系統(tǒng)，燃油直接噴到發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)。同時(shí)，該方案著火方式仍然采用點(diǎn)燃方式，和燃油直噴系統(tǒng)配合，可以實(shí)現(xiàn)可靠的起動(dòng)性能，在-30℃條件下可靠起動(dòng)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(dòng)機(jī)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。初始使用目標(biāo)為28cc以上的航空汽油活塞發(fā)動(dòng)機(jī)，經(jīng)過(guò)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(guò)700套。

電控燃油噴射系統(tǒng)本身在汽車大排量發(fā)動(dòng)機(jī)上應(yīng)用比較成熟，有比較多的可以借鑒的經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)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(dòng)機(jī)重油系統(tǒng)

大功率航空活活塞發(fā)動(dòng)機(jī)采用重油系統(tǒng)方式比較容易實(shí)現(xiàn)，一般借鑒地面動(dòng)力的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)電控燃油噴射系統(tǒng)的發(fā)展方式。地面動(dòng)力的電控燃油噴射系統(tǒng)，在汽油機(jī)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(jiǎn)單可靠，在航空上應(yīng)用更為合適；在柴油機(jī)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(dòng)機(jī)上還可以采用機(jī)械噴射方式，這在燃料為柴油時(shí)最方便，因?yàn)榈孛嫔喜裼蜋C(jī)仍然大量采用機(jī)械缸內(nèi)直噴方式。

大功率航空活塞發(fā)動(dòng)機(jī)基本上以柴油機(jī)為主，壓縮比大，功率密度大，同時(shí)重油供給系統(tǒng)以機(jī)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(dòng)機(jī)，燃油供給系統(tǒng)可采用化油器、機(jī)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(jì)；機(jī)械直噴系統(tǒng)必須進(jìn)行創(chuàng)新型設(shè)計(jì)，保證輕質(zhì)高效；電控燃油噴射系統(tǒng)更需要新穎設(shè)計(jì)，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(dòng)裝置。

大功率發(fā)動(dòng)機(jī)，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(duì)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(dòng)裝置。