重油发动机燃油供给系统的关键问题

杨学锋

摘 要：分析了无人机用重油发动机的发展趋势和实现难点，整理归纳了现有重油供给系统的不同实现型式和特点，提出了重油发动机燃油供给系统的研究开发建议。

关键词：无人机，重油，航空发动机，电控燃油喷射

引言

二十世纪八十年代以来，越来越多的国家和地区开始重视并谋求发展和部署无人机，大多数国家把无人机置于优先发展的地位。活塞发动机具备结构简单、功重比大、操作维护方便、成本低等诸多优点，因而在无人机动力系统中占有较大比重。

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，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），因此重油燃料的使用是未来无人机动力系统的必然发展趋势。

一、重油技术关键问题

重油的雾化：由于无人机必须具备高功重比，高可靠性和长航时的基本要求，因此对于重油的雾化必须和地面发动机有所不同。高功重比必然要求附件精简，重量轻，效率高，因此这也是现阶段很多无人机动力仍然采用化油器供油雾化方式的原因，同时采用化油器雾化方式也具有较高的成熟度和可靠性。长航时对于发动机带来的要求肯定是燃料供给系统经济性好，燃烧效率高，这个要求最适合的方式肯定是电控燃油喷射系统。电控燃油喷射系统最大的突出优点即是燃油经济性好、控制灵活，但是电控燃油喷射系统比较复杂，重量较大，必须结合发动机功率范围进行合理选择。微型或者小型无人机发动机功率需求较小，整体重量轻，电控燃油喷射系统占比例较大，因此不具备优势；只有发动机功率增大到一定范围，电控燃油喷射系统重量在整体系统中所占比例较小时，电控燃油喷射系统才比较适用。

重油的燃烧：重油的燃烧关键是气流组织和着火方式，其中气流组织方式必须有助重油雾化，改善燃烧，这方面可以借鉴地面发动机相关技术。着火方式一般在活塞发动机上就是两种方式，压缩着火和火花塞点燃。压缩着火主要适用在燃点低的发动机燃料如柴油。火花塞点燃适用于燃点高的发动机燃料如汽油。按照重油的雾化特性，重油燃点介于汽油和柴油之间，比较接近于汽油，因此最合适的着火方式是点燃着火，但是由于压缩着火需要压缩比大，发动机结构强度要求高，发动机设计困难，功重比很难提高，因此在中小功率阶段，重油发动机不适合压缩着火，火花塞点火具有一定的优势。

发动机型式选择：发动机型式基本上由两冲程和四冲程两种，其中两冲程发动机结构简单，功率密度高，非常适合无人机发动机使用，但是两冲程发动机最大的问题就是由于存在换气过程的短路损失，经济性差，油耗高，因此不适合长航时的无人机需要。四冲程发动机结构复杂，压缩比大，效率高，燃油经济性好，在功率达到一定范围后，相比两冲程发动机具有一定的优势。

因此，航空活塞发动机需要实现重油技术，喷射雾化是其中瓶颈，轻质高效是航空重油喷射雾化系统的关键评价目标。重油供给系统在小功率活塞发动机实现起来更为困难，大功率活塞发动机实现则相对容易，可以采用地面汽车发动机电控燃油喷射系统方案进行改进。

二、现有重油技术解决方案

为解决重油喷射雾化问题，小功率活塞发动机思路主要集中在化油器方式，机械喷射方式或者传统电控喷射系统微型化等；大功率活塞发动机可以直接采用地面动力发动机广为应用的进气道喷射、缸内直喷系统或者共轨系统实现，但需要根据航空要求进行修改设计。

（一）小功率航空活塞发动机重油系统

1.化油器改进方式

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相关部件进行改进设计，典型系统为德国3W公司重油发动机方案。汽油和重油发动机外观对比，3W公司针对重油燃料采取了进气系统采用加速管、泵膜式化油器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、点火系统更改等措施。

2.机械喷射系统

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調节功能，所有控制调节通过机械来实现，典型系统为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-30℃条件下可靠起动而不需要辅助预热装置。。

3.传统电控燃油喷射系统微型化

Currawong Engineering公司电控燃油喷射系统完全采用传统大排量电控燃油喷射系统原理，在传感器、执行器和控制器上进行微型化，ECU、高压油泵以及调压器微型化到一体结构，油泵和调压器为小排量发动机进行了优化设计。初始使用目标为28cc以上的航空汽油活塞发动机，经过改进现在已经可以采用重油燃料。系统整体功耗小于8W，重量165克，全球使用数量超过700套。

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。

（二）大功率航空活塞发动机重油系统

大功率航空活活塞发动机采用重油系统方式比较容易实现，一般借鉴地面动力的汽车发动机电控燃油喷射系统的发展方式。地面动力的电控燃油喷射系统，在汽油机方面采用的是进气道喷射或者缸内直喷方式，其中进气道喷射方式由于简单可靠，在航空上应用更为合适；在柴油机方面采用的基本上是共轨方式，但现在阶段仍不是很成熟。除了电控燃油喷射系统方式外，由于航空使用的严格要求，在大功率航空活塞发动机上还可以采用机械喷射方式，这在燃料为柴油时最方便，因为地面上柴油机仍然大量采用机械缸内直喷方式。

大功率航空活塞发动机基本上以柴油机为主，压缩比大，功率密度大，同时重油供给系统以机械喷射方式居多，这和航空的严格使用要求是相符的。

三、研究建议

中小功率发动机，燃油供给系统可采用化油器、机械直喷和电控燃油喷射系统，其中化油器必须更改设计；机械直喷系统必须进行创新型设计，保证轻质高效；电控燃油喷射系统更需要新颖设计，基本上不能采用传统汽油电控喷射系统。根据燃油雾化和气流组织效果选择是否增加预热塞等辅助起动装置。

大功率发动机，电控燃油喷射系统可以得到广泛应用，传统汽油喷射和柴油喷射系统均可应用，但必须对于航空使用进行结构改进，保证轻质高效。根据着火方式不同确定是否采用辅助起动装置。