小功率航空活塞發(fā)動機(jī)重油技術(shù)進(jìn)展*

張奇 杜發(fā)榮

（1-北京航空航天大學(xué)交通科學(xué)與工程學(xué)院北京100191 2-北京航空航天大學(xué)能源與動力工程學(xué)院）

小功率航空活塞發(fā)動機(jī)重油技術(shù)進(jìn)展*

張奇1杜發(fā)榮2

（1-北京航空航天大學(xué)交通科學(xué)與工程學(xué)院北京100191 2-北京航空航天大學(xué)能源與動力工程學(xué)院）

小功率航空活塞發(fā)動機(jī)是微型無人機(jī)系統(tǒng)的主要動力型式，單一燃料的重油使用是未來無人機(jī)動力系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢。結(jié)合國內(nèi)外無人機(jī)發(fā)展趨勢和動力系統(tǒng)型式選擇，分析了小功率航空重油活塞發(fā)動機(jī)的應(yīng)用需求特點(diǎn)；根據(jù)航空燃料發(fā)展的單一化趨勢，指出了小功率航空活塞發(fā)動機(jī)采用重油的發(fā)展趨勢和面臨的技術(shù)瓶頸；整理了現(xiàn)階段國內(nèi)外在小功率航空重油技術(shù)方面的不同創(chuàng)新思路和實(shí)現(xiàn)型式，分析評估了不同技術(shù)路線的應(yīng)用特點(diǎn)和技術(shù)難度。

無人機(jī)活塞發(fā)動機(jī)燃油供給發(fā)動機(jī)管理系統(tǒng)

引言

20世紀(jì)80年代以來，無人機(jī)發(fā)展非常迅速。早期無人機(jī)動力裝置幾乎全部采用航空活塞式發(fā)動機(jī)，隨著無人機(jī)用途擴(kuò)大，重量增加，升限提高，速度增大以及續(xù)航時間的增長，渦噴、渦槳、渦軸和渦扇發(fā)動機(jī)也開始在無人機(jī)上使用；但由于活塞發(fā)動機(jī)具有體積小，重量輕，升功率高，結(jié)構(gòu)簡單，操作維護(hù)方便等諸多優(yōu)點(diǎn)，因而整體上仍然占有絕對優(yōu)勢[1-4]。小功率航空活塞發(fā)動機(jī)是其中重要的一部分。航空重油是指餾分在航空煤油與柴油之間的航空油料[5]。1994年美國NASA開始實(shí)施一項(xiàng)通用航空推進(jìn)計(jì)劃，為未來安全舒適，操作簡便和價格低廉的通用輕型飛機(jī)提供動力技術(shù)。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(jī)HFE（Heavy fuel engine)，此概念的提出是基于滿足美國新的適航安全標(biāo)準(zhǔn)（FAA規(guī)范）要求，以及使用成本和軍用后勤保障簡化的需要[6]。由于重油發(fā)動機(jī)相比現(xiàn)有發(fā)動機(jī)具有多方面優(yōu)勢，同時可以簡化部隊(duì)后勤保障，提高保障效率，因此重油是未來航空活塞發(fā)動機(jī)燃料使用的必然趨勢。

本文針對小功率航空活塞發(fā)動機(jī)采用重油的發(fā)展趨勢，整理分析了國內(nèi)外在重油技術(shù)的創(chuàng)新思路和不同實(shí)現(xiàn)型式；結(jié)合我國無人機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀和技術(shù)水平，提出了我國小功率航空活塞發(fā)動機(jī)重油技術(shù)發(fā)展的技術(shù)切入點(diǎn)和思路。

1 小功率航空活塞發(fā)動機(jī)重油技術(shù)難點(diǎn)

現(xiàn)階段的小功率航空活塞發(fā)動機(jī)基本上不是全新設(shè)計(jì)的，都是從航模發(fā)動機(jī)、通機(jī)上改進(jìn)過來的，因此結(jié)構(gòu)型式上基本是兩沖程方式，供油方式基本上是化油器方式。其中采用兩沖程方式的原因是為了滿足航空發(fā)動機(jī)的高功重比要求，采用化油器供油方式則是直接采用現(xiàn)有技術(shù)方案，或者根據(jù)無人機(jī)動力系統(tǒng)需求進(jìn)行微小改進(jìn)。

小功率航空活塞發(fā)動機(jī)采用兩沖程型式本身是非常合理的，兩沖程發(fā)動機(jī)本身結(jié)構(gòu)簡單，運(yùn)動部件少，升功率密度大，重量也較小，符合無人機(jī)動力系統(tǒng)的輕質(zhì)高功重比要求，但是供油方式采用化油器則帶來很大問題。兩沖程發(fā)動機(jī)采用化油器供油方式，由于避免不了掃氣過程的短路損失，必然導(dǎo)致油耗高，經(jīng)濟(jì)性差，必然不能滿足長航時需求。除此之外，航空重油的應(yīng)用則對化油器供油方式提出了更大挑戰(zhàn)，航空重油粘度大，霧化效果比汽油差，直接采用現(xiàn)有化油器基本上很難保證燃油可靠霧化和合理燃燒。

因此，兩沖程工作型式，配合良好掃氣系統(tǒng)以及新型燃油噴射系統(tǒng)是小功率航空活塞發(fā)動機(jī)發(fā)展的趨勢，其中新型燃油噴射系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)最為困難，是小功率航空重油活塞發(fā)動機(jī)的技術(shù)瓶頸[7]。

2 新型小功率航空活塞發(fā)動機(jī)重油技術(shù)型式

國內(nèi)外為解決重油霧化問題，針對小功率活塞發(fā)動機(jī)進(jìn)行創(chuàng)新的方案有兩種，一種是在現(xiàn)有化油器上改進(jìn)，一種是采用新型供油方式。其中現(xiàn)有化油器改進(jìn)方式仍然采用化油器供油，但根據(jù)重油燃料特點(diǎn)對進(jìn)氣系統(tǒng)、化油器、點(diǎn)火系統(tǒng)設(shè)計(jì)更改，同時增加輔助起動的預(yù)熱系統(tǒng)。典型的系統(tǒng)為德國3W公司的重油發(fā)動機(jī)方案。圖1為28mL航模汽油發(fā)動機(jī)，圖2為28mL航空重油發(fā)動機(jī)，為了實(shí)現(xiàn)重油的可靠霧化及燃燒組織，重油發(fā)動機(jī)采用了多項(xiàng)改進(jìn)措施，具體如下[8，9]：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；起動加入預(yù)熱塞；點(diǎn)火系統(tǒng)更改，能量增加。

圖1 3W公司28mL航模汽油發(fā)動機(jī)

圖2 3W公司28mL重油發(fā)動機(jī)

從兩者對比可以看出，采用重油后，發(fā)動機(jī)的設(shè)計(jì)更改非常大，更改的地方也比較多，因此仍然采用化油器供油方式更改的重油活塞發(fā)動機(jī)更改因素較多，增加附件多，設(shè)計(jì)比較復(fù)雜，改進(jìn)實(shí)現(xiàn)比較困難。

除了對化油器和發(fā)動機(jī)進(jìn)行更改設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)重油霧化和燃燒之外，采用新型供油方式也是解決重油直接霧化問題的重要方案，也是未來的發(fā)展趨勢。一般來講，發(fā)動機(jī)供油方式按照驅(qū)動方式不同，分為機(jī)械噴射系統(tǒng)和電控燃油噴射系統(tǒng)。其中，機(jī)械噴射系統(tǒng)直接由發(fā)動機(jī)附屬機(jī)械機(jī)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(jī)械來實(shí)現(xiàn)。典型的系統(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)動機(jī)缸內(nèi)。同時，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)可靠的起動性能，在－30℃條件下可靠起動而不需要輔助預(yù)熱裝置。圖3為XRDI重油發(fā)動機(jī)外形圖[10]。

圖3 XRDI 12.5kW重油航空活塞發(fā)動機(jī)

采用機(jī)械噴射系統(tǒng)的發(fā)動機(jī)，由于需要單獨(dú)的機(jī)械噴射調(diào)節(jié)和驅(qū)動裝置，而且這些功能全部由機(jī)械結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，故整體設(shè)計(jì)比較復(fù)雜，基本上需要全新的發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)，投入較大，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)范圍不廣。

電控燃油噴射系統(tǒng)本身在汽車大排量發(fā)動機(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?；镜乃悸肥歉鶕?jù)航空活塞發(fā)動機(jī)要求對傳統(tǒng)大排量發(fā)動機(jī)電控燃油噴射系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)或者進(jìn)行全新的創(chuàng)新型設(shè)計(jì)，典型的系統(tǒng)有澳大利亞Orbital公司的AADI（Air Assistant Direct Injection）空氣輔助噴射系統(tǒng)、美國NWUAV公司的基于MEMS微機(jī)電技術(shù)的噴射系統(tǒng)、美國JM Harwood公司的DFI微型高壓直噴系統(tǒng)和北航提出的MFVI（MultipleFixed-VolumeInjection）小尺度微量多次噴射系統(tǒng)。

澳大利亞Orbital公司的AADI空氣輔助噴射系統(tǒng)被德國Hirth公司采用進(jìn)行重油航空發(fā)動機(jī)的開發(fā)工作?？諝廨o助噴射系統(tǒng)采用一體化噴嘴，由高壓空氣對燃油顆粒的沖擊實(shí)現(xiàn)燃油的良好霧化；通過調(diào)整輔助空氣壓力和夾入空氣時間，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。Hirth公司通過空氣輔助噴射系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了兩沖程重油發(fā)動機(jī)的缸內(nèi)直噴，減少了掃氣過程中的短路燃油損失，經(jīng)濟(jì)性大大提高；結(jié)合分層進(jìn)氣導(dǎo)流組織、火花塞和噴嘴布置，改善了燃燒條件，燃燒效率大大提高。AADI空氣輔助噴射系統(tǒng)噴射柴油和汽油的霧化效果如圖4所示[11]。

圖4 Orbital AADI空氣輔助噴射霧化效果

美國NWUAV公司和Oregon州立大學(xué)微納米研究中心（ONAMI）共同合作，進(jìn)行有關(guān)基于MEMS微機(jī)電系統(tǒng)的燃油噴射系統(tǒng)開發(fā)。NWUAV公司購買了HP公司有關(guān)噴墨打印機(jī)的5項(xiàng)專利，這些專利集中在微通道加工、噴墨霧化、流量控制等方面。NWUAV公司基于上述專利，開發(fā)出了基于MEMS的電控燃油噴射系統(tǒng)，其噴射效果和微通道結(jié)構(gòu)如圖5，圖6所示[12]。

圖5 MEMS噴射系統(tǒng)微通道結(jié)構(gòu)

圖6 MEMS噴射系統(tǒng)噴射霧化效果

該系統(tǒng)由于是基于MEMS微機(jī)電系統(tǒng)，噴射霧化效果非常好，而且可以適用于汽油、柴油、航空煤油以及重油等多種燃料，適用范圍很廣。由于采用微通道噴射結(jié)構(gòu)，可以直接控制噴射液滴數(shù)目實(shí)現(xiàn)噴油量的精確控制，燃油經(jīng)濟(jì)性很好。除此之外，該系統(tǒng)功耗非常低，最大不超過10W，特別適用于無人機(jī)動力輕質(zhì)高效的應(yīng)用要求。但是，該系統(tǒng)采用MEMS加工工藝，流程復(fù)雜，加工難度大，研發(fā)投資大，同時由于專利保護(hù)，進(jìn)行相關(guān)研究工作比較困難。

美國JM Harwood公司針對小功率航空活塞發(fā)動機(jī)缸內(nèi)直噴系統(tǒng)的困難，結(jié)合壓電晶體的高壓高速驅(qū)動方式，設(shè)計(jì)出了適合小功率活塞發(fā)動機(jī)的缸內(nèi)直噴系統(tǒng)，可以直接適用于航空重油。該公司已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了原型機(jī)的設(shè)計(jì)開發(fā)，可以實(shí)現(xiàn)3000psi（20MPa）的噴射壓力以及噴射霧化直徑8μm的技術(shù)指標(biāo)，但現(xiàn)在該項(xiàng)技術(shù)仍處于研發(fā)階段，正在進(jìn)行發(fā)動機(jī)適配方面的研究工作。其噴射霧化效果和霧化粒徑效果如圖7，8所示[13]。

圖7 DFI缸內(nèi)直噴系統(tǒng)霧化效果

圖8 DFI缸內(nèi)直噴系統(tǒng)粒徑分布

北航微小型發(fā)動機(jī)與分布式能源試驗(yàn)室根據(jù)小功率航空重油活塞發(fā)動機(jī)實(shí)際工作特點(diǎn)和前期燃油噴射系統(tǒng)開發(fā)經(jīng)歷，提出了一種小尺度微量多次噴射系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。該系統(tǒng)是低壓定容多次噴射，噴油器每次吸入的燃油體積是一定的，燃油量調(diào)節(jié)通過噴射次數(shù)的多少來實(shí)現(xiàn)。該系統(tǒng)的噴油器為微型定容柱塞泵，該柱塞泵只有一個進(jìn)油口和一個出油口，進(jìn)油口為一單向閥，出油口為普通針閥結(jié)構(gòu)，沒有回油路。其基本原理結(jié)構(gòu)如圖9所示[14]。

圖9 小尺度微量多次噴射系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)非常簡單，屬于微型電磁柱塞泵，元件數(shù)目非常少，只有一個；而且系統(tǒng)連接布置簡單，不需要回油路；驅(qū)動方式和控制調(diào)節(jié)非常簡單，不需要傳統(tǒng)燃油噴射系統(tǒng)的復(fù)雜壓力調(diào)節(jié)控制；系統(tǒng)功耗低，屬于脈沖驅(qū)動工作方式而不是持續(xù)工作方式；體積重量小，容易集成，可以實(shí)現(xiàn)發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)的更高集成度；可直接實(shí)現(xiàn)重油霧化，實(shí)現(xiàn)無輔助預(yù)熱裝置的可靠起動。

3 結(jié)論

1）兩沖程小功率航空活塞發(fā)動機(jī)在無人機(jī)動力系統(tǒng)中占有重要地位。

2）航空重油是未來活塞發(fā)動機(jī)燃料發(fā)展的趨勢，小功率航空活塞發(fā)動機(jī)采用重油需要技術(shù)突破。

3）小功率航空活塞發(fā)動機(jī)采用重油需要燃油供給系統(tǒng)的技術(shù)突破，創(chuàng)新型的電控重油噴射系統(tǒng)是核心關(guān)鍵。

1胡中華，趙敏.無人機(jī)研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].航空科學(xué)與技術(shù)，2009（4）：3～5

2尹澤勇，李上福，李概奇.無人機(jī)動力裝置的現(xiàn)狀與發(fā)展[J].航空發(fā)動機(jī)，2007，33（1）：10～15

3王興海，馬震，鄭勇,等.無人機(jī)用小型航空活塞發(fā)動機(jī)的發(fā)展[C].2006中國無人機(jī)大會，北京，2006

4Oron H.UAV engines in the next decade-turbine engines，piston Engines and the newly combat proven rotary engine [C].The 6th Symposium on Jet Engines and Gas Turbines，Haifa，Israel，2006

5楊致明，李隆強(qiáng).艦載無人機(jī)的活塞式發(fā)動機(jī)的燃油問題及對策[C].2006中國無人機(jī)大會，北京：2006

6DepartmentofDefense.UnmannedAerialVehiclesRoadmap 2002-2027[R].Washington，2002，12

7莫勝鈞.小型航空點(diǎn)燃式重油活塞發(fā)動機(jī)點(diǎn)火及火焰?zhèn)鞑ヌ匦缘哪M研究[D].北京：北京交通大學(xué)，2012

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12 NW UAV propulsion systems，UAV fuel injection system [DB/OL].[2013-05-07].http：//www.nwuav.com/uav-development/fuel-injection-systems.html

13 JM Harwood，LLC.Miniature direct fuel injection（DFI）-Harwood engines[DB/OL].[2013-05-07].http：//harwoodengines.com/current-activities/miniature-direct-fuel-injection

14張奇，楊凱，徐國強(qiáng)，等.微型定容多次燃油噴射系統(tǒng)高速響應(yīng)特性仿真[J].航空動力學(xué)報，2012，27（10）：2243～2248

Small Aero-Piston Engine Heavy Fuel Technology Development Summary

Zhang Qi1，Du Farong2
1-School of Transportation，Beihang University(Beijing，100191，China) 2-School of Energy and Power Engineering，Beihang University

Small aero-piston engines are the most common power source for micro scale UAV(Unmanned Aerial Vehicle)，and single heavy fuel supply is the future technology development trends.Based on the development of modern small aero-piston engine application in small UAV systems and different power plant options，small aero-piston engine technology requirements are explained;according to the single fuel supply development trends，technology difficulties on heavy fuel application are presented;different innovations and engineering implementations for heavy fuel supply and injection are introduced and analyzed.

UAV，Aero-piston engine，F(xiàn)uel supply and regulation，Engine management system

TK421.8

A

2095-8234（2014）-0081-06

2014-05-07）

本項(xiàng)目獲航空基金（2011ZB51017），北京市自然基金（3133041）資助。

張奇（1979-），男，講師，主要研究方向?yàn)榘l(fā)動機(jī)燃油供給與調(diào)節(jié)，發(fā)動機(jī)機(jī)電系統(tǒng)集成。