淺談航空重油活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)

■ 胡強(qiáng) / 海軍裝備部裝備項(xiàng)目管理中心 余雙 史開源 / 中國(guó)人民解放軍92728部隊(duì) 王士奇 / 中國(guó)航發(fā)研究院

在通用航空領(lǐng)域，特別是低（空）、慢（速）、?。ㄐ停┑娘w行器，活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)依然占據(jù)主導(dǎo)地位，其中的絕大部分（>95%）是以航空汽油為燃料的火花塞點(diǎn)燃活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)。但從2000年左右開始，航空界又重新掀起了以航空重油為燃料的活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)的研發(fā)和生產(chǎn)的熱潮。

顧名思義，航空重油活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)是指采用航空重油作為燃料的活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)，其中重油專指煤油和柴油燃料，與重油相對(duì)應(yīng)的是汽油燃料。與汽油相比，重油的閃點(diǎn)更高、更不易蒸發(fā)，因此安全性更高且易于存儲(chǔ)和油料統(tǒng)一管理，并且其單位體積熱值更高，更易于節(jié)省飛機(jī)油箱的空間。同時(shí)，重油更高的黏度使其在汽缸中能起到潤(rùn)滑的作用，大大降低潤(rùn)滑油的損耗。

航空重油活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)

與使用航空汽油燃料的傳統(tǒng)活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)、使用航空煤油燃料的燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)相比，航空重油發(fā)動(dòng)機(jī)的基本特點(diǎn)可以通過(guò)分析其理想熱力學(xué)循環(huán)參數(shù)來(lái)做出基本的判斷。理論上，不同的燃油類型和熱力學(xué)循環(huán)可以任意組合。

現(xiàn)代燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)，特別是輸出軸功率的渦軸/渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)，采用的是布雷頓循環(huán)（Brayton Cycle），其顯著特點(diǎn)就是單次點(diǎn)火后連續(xù)做功，壓縮部件與燃燒、做功部件分離，因此其單體功率質(zhì)量比高，燃料適應(yīng)性強(qiáng)，且高空高速性能好。同時(shí)，提高燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的壓比可以增加其循環(huán)效率。但對(duì)于輸出功率500kW以下的小型渦軸/渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)，由于尺寸效應(yīng)的存在，以及產(chǎn)品成本的限制，其壓比普遍在8∶1以下，要求的尺寸越小，輸出功率越小、轉(zhuǎn)速越高（>30000r/min），并且壓比越低，其熱效率也就越低，普遍在20%以下。同時(shí)，為了保證輸出軸轉(zhuǎn)速，所需的變速箱結(jié)構(gòu)就越復(fù)雜，逐漸抵消燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)本體功率質(zhì)量比高的優(yōu)勢(shì)。因此，在輸出功率200 kW以下的航空發(fā)動(dòng)機(jī)市場(chǎng)，活塞式依然占絕對(duì)主導(dǎo)地位。

活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)的近似理想熱力學(xué)循環(huán)主要有奧托循環(huán)（Otto Cycle）和狄塞爾循環(huán)（Diesel Cycle）。在奧托循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣過(guò)程中，同時(shí)噴入燃料，形成油氣混合物，接著再進(jìn)入壓縮過(guò)程。壓縮過(guò)程中的溫度升高容易在汽缸內(nèi)引起早燃和爆震現(xiàn)象，因此需要在燃料中加入添加劑以提高燃料的抗爆性，即提高燃料的辛烷值。由于等熵壓縮過(guò)程結(jié)束后的氣體溫度并沒(méi)有達(dá)到燃油混合氣的著火點(diǎn)，因此需要專門的點(diǎn)火裝置來(lái)輔助點(diǎn)燃汽缸中的混合油氣，一般由火花塞產(chǎn)生的高強(qiáng)度電火花來(lái)完成。以上的過(guò)程就需要燃料的自燃點(diǎn)較高，在壓縮過(guò)程中不易產(chǎn)生爆震，同時(shí)還要求燃料的燃點(diǎn)較低，易于實(shí)現(xiàn)成功點(diǎn)火。正是由于這個(gè)原因，奧托循環(huán)一般采用汽油作為燃料，奧托循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)也被等同于汽油活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)。奧托循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮比一般在6 ～12∶1，有效熱效率25%～30%。雖然增大壓縮比可以提高奧托循環(huán)的熱效率，但是點(diǎn)燃過(guò)程引起的爆震問(wèn)題又限制了其壓縮比不能太高，因此其效率提升的空間有限。

與奧托循環(huán)不同，狄塞爾循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)是在空氣壓縮過(guò)程結(jié)束后，利用高壓噴油嘴將高壓燃油直接噴入汽缸中，形成油霧。由于高壓比使得空氣溫度超過(guò)了油霧的自燃點(diǎn)，因此不需要點(diǎn)火裝置，油霧就會(huì)和熱空氣邊混合邊燃燒，同時(shí)也不易產(chǎn)生早燃和爆震現(xiàn)象。此過(guò)程需要燃料的自燃溫度越低越好，因此適于采用柴油等重油燃料，一般狄塞爾循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)也被等同于重油活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)。重油活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮比一般在15 ～24∶1之間，最高爆發(fā)壓力可達(dá)25MPa，有效熱效率可達(dá)36%～46%。與奧托循環(huán)相比，狄塞爾循環(huán)具有更高的壓縮壓力、更高的燃燒壓力，以及更高的燃?xì)鈮毫?，但為了?yīng)對(duì)一些更高的壓力，包括缸體、曲軸系統(tǒng)、活塞系統(tǒng)在內(nèi)的所有發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)都要進(jìn)行加強(qiáng)，這就導(dǎo)致了狄塞爾循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)比奧托循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)更重，這也是效率和輸出功率提升的代價(jià)。表1列出并對(duì)比了幾種循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)各自的優(yōu)缺點(diǎn)。

航空重油活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)的早期發(fā)展和復(fù)興

在航空活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展的早期，重油活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)就是指采用狄塞爾循環(huán)的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)。

在20世紀(jì)20和30年代，許多制造商制造了航空柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，但只有德國(guó)容克斯公司的Jumo 205系列獲得了成功，并成為了半個(gè)世紀(jì)以來(lái)唯一成功的航空柴油發(fā)動(dòng)機(jī)。Jumo 205曾作為早期的容克斯Ju-86轟炸機(jī)的動(dòng)力裝置，但在戰(zhàn)斗機(jī)常見的最大功率狀態(tài)下，發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)常失效，因此不適合作為戰(zhàn)斗機(jī)的動(dòng)力。其最成功的應(yīng)用還是作為客機(jī)和飛艇等非戰(zhàn)斗應(yīng)用場(chǎng)景的動(dòng)力裝置，如布洛姆-福斯（Blohm & Voss ）公司的Ha 139客機(jī)和BV-138/BV-222海上巡邏飛艇。在同一時(shí)期，德國(guó)的其他公司，如戴姆勒-奔馳公司，以及英國(guó)、法國(guó)、蘇聯(lián)也都進(jìn)行了航空柴油機(jī)產(chǎn)品的研發(fā)和實(shí)驗(yàn)，但在這一階段，作為主要用戶的各國(guó)軍方對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的主要要求是高功率、輕質(zhì)量，而在當(dāng)時(shí)技術(shù)水平條件下，采用汽油燃料的奧托循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)無(wú)疑是最佳的選擇，因此各國(guó)發(fā)展的重點(diǎn)都放在了汽油活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)上。

二戰(zhàn)結(jié)束后，燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)吸引了世界各國(guó)的關(guān)注，由于功率質(zhì)量比極高，且燃料的價(jià)格便宜，因此世界各國(guó)的研究重點(diǎn)都集中在高速客機(jī)的渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)和渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)，航空柴油動(dòng)力更加無(wú)人問(wèn)津。到了20世紀(jì)90年代，由于通用航空市場(chǎng)不景氣，更沒(méi)有任何新型柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的開發(fā)計(jì)劃。

進(jìn)入21世紀(jì)后，以上的情況發(fā)生了重大改變：通用航空市場(chǎng)開始復(fù)蘇，出現(xiàn)了許多開發(fā)新型通用航空飛機(jī)的制造商；航空汽油的價(jià)格不斷上漲，且歐美國(guó)家相繼出臺(tái)禁止使用含鉛燃料的法規(guī)；在很多地方（特別是偏遠(yuǎn)地區(qū)），航空汽油比柴油更難獲得；汽車柴油發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)得到了極大的改進(jìn)，提供了更高的功率質(zhì)量比，更適合飛機(jī)應(yīng)用。

表1 幾種航空發(fā)動(dòng)機(jī)典型熱力學(xué)循環(huán)的特點(diǎn)比較

隨著時(shí)代的發(fā)展，消費(fèi)者對(duì)燃料安全性、環(huán)境友好性、使用成本、燃料易得性的要求越來(lái)越高，同時(shí)小型無(wú)人機(jī)以及運(yùn)動(dòng)型飛行器市場(chǎng)的快速發(fā)展，使得人們重新考慮克服傳統(tǒng)航空汽油發(fā)動(dòng)機(jī)缺點(diǎn)的替代方案，包括研發(fā)無(wú)鉛航空汽油添加劑、研發(fā)小型燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)、點(diǎn)燃式和壓燃式航空重油發(fā)動(dòng)機(jī)等。但是，無(wú)鉛航空汽油的研發(fā)遲遲沒(méi)有進(jìn)展，而小型燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的效率問(wèn)題短期內(nèi)也無(wú)法解決，因此行業(yè)內(nèi)又把重點(diǎn)放在了采用奧托循環(huán)的點(diǎn)燃式重油活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)，以及采用狄塞爾循環(huán)的壓燃式重油活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)的研發(fā)上。

航空重油活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀

點(diǎn)燃式與壓燃式航空重油發(fā)動(dòng)機(jī)的比較

點(diǎn)燃式與壓燃式重油活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)基本與其對(duì)應(yīng)的熱力學(xué)循環(huán)（奧托循環(huán)和狄塞爾循環(huán)）的優(yōu)缺點(diǎn)一致。與壓燃式相比，點(diǎn)燃式重油航空活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的顯著優(yōu)點(diǎn)在于其較高的功率質(zhì)量比，以及緊湊的結(jié)構(gòu)和較小的體積。同時(shí)，二者的功率覆蓋范圍也有較大差異，點(diǎn)燃式的功率一般在100 kW以下，而壓燃式的功率一般在100 kW及以上。同時(shí)，點(diǎn)燃式重油發(fā)動(dòng)機(jī)易于在傳統(tǒng)航空汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)研發(fā)，主要技術(shù)難點(diǎn)在于如何使閃點(diǎn)高、黏度大的重油實(shí)現(xiàn)良好的霧化混合，以保證火花塞能夠在低溫等惡劣條件下將重油點(diǎn)燃，并且解決壓縮混合氣過(guò)程中的爆震問(wèn)題。然而，點(diǎn)燃式重油活塞發(fā)動(dòng)機(jī)與傳統(tǒng)航空汽油活塞發(fā)動(dòng)機(jī)相比，只解決了使用油料問(wèn)題的同時(shí)還帶來(lái)了效率下降等其他問(wèn)題，所以在航空汽油沒(méi)有被完全禁止使用之前，其應(yīng)用場(chǎng)景被局限在對(duì)油料使用有特殊要求的場(chǎng)景，比如安全消防、艦艇環(huán)境等。而壓燃式重油活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率高、耗油率低、可靠性高、高度特性好、轉(zhuǎn)速低/扭矩大、減速器質(zhì)量輕，雖然依然存在功率質(zhì)量比低、振動(dòng)/噪聲較大等問(wèn)題，但是與傳統(tǒng)航空汽油活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)相比，同時(shí)解決了使用油料、提升效率及可靠性的問(wèn)題，因此在通用航空的應(yīng)用場(chǎng)景更為廣闊。

通過(guò)適航認(rèn)證的壓燃式航空重油發(fā)動(dòng)機(jī)

鑒于壓燃式航空重油活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的多重優(yōu)勢(shì)，目前國(guó)際范圍內(nèi)已有多款發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)成功并通過(guò)適航認(rèn)證，其中比較典型的是大陸發(fā)動(dòng)機(jī)公司旗下Technify Motors公司的Centurion系列發(fā)動(dòng)機(jī)、鉆石飛機(jī)公司旗下Austro Engine公司的AE300系列發(fā)動(dòng)機(jī)、賽峰集團(tuán)旗下SMA公司的SR305系列發(fā)動(dòng)機(jī)等。除目前已經(jīng)獲得歐洲航空安全局（EASA）或美國(guó)聯(lián)邦航空局（FAA）適航認(rèn)證的壓燃式重油活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)（主要參數(shù)見表2）外，還有多款產(chǎn)品正處于研發(fā)或取證階段。

表2 目前已經(jīng)獲得適航認(rèn)證的壓燃式重油活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)

以上幾款通過(guò)認(rèn)證的發(fā)動(dòng)機(jī)，除了RED A03之外，均是在現(xiàn)有車用發(fā)動(dòng)機(jī)的基礎(chǔ)上改進(jìn)，或者是與車用發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)商合作研發(fā)的產(chǎn)品。如Centurion 2.0和AE 300/330發(fā)動(dòng)機(jī)均是在梅賽德斯-奔馳OME640車用柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的基礎(chǔ)上研發(fā)的直列四缸四沖程液冷壓燃式活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)。SMA公司的前身是由法國(guó)雷諾汽車賽車部（Renault Sport）與法國(guó)DAHER集團(tuán)飛機(jī)部SOCATA公司成立的一個(gè)合資公司。DieselJet公司的產(chǎn)品也是在菲亞特汽車公司研發(fā)中心、意大利博洛尼大學(xué)的合作下研發(fā)出來(lái)的。無(wú)一例外，目前通過(guò)適航認(rèn)證的壓燃式活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)都來(lái)自歐洲大陸。相比之下，美國(guó)的三角鷹（DeltaHawk）公司研發(fā)的DH系列壓燃式重油活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)歷時(shí)近20年，依然尚未通過(guò)適航認(rèn)證。這與歐洲普遍使用的車用柴油發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)高度發(fā)達(dá)關(guān)系重大，相比之下，美國(guó)汽車普遍使用汽油發(fā)動(dòng)機(jī)。這導(dǎo)致歐洲廠商在車用柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的基礎(chǔ)上研發(fā)航空重油發(fā)動(dòng)機(jī)上具有天然優(yōu)勢(shì)：利用車用發(fā)動(dòng)機(jī)的大規(guī)模生產(chǎn)線，能夠有效降低設(shè)計(jì)開發(fā)的初始成本；利用已有車用發(fā)動(dòng)機(jī)的大量可靠性數(shù)據(jù)，可以有效評(píng)估衍生發(fā)動(dòng)機(jī)的安全性；將高壓共軌直噴等新技術(shù)轉(zhuǎn)移到航空發(fā)動(dòng)機(jī)上，可以從汽車工業(yè)快速持續(xù)的技術(shù)發(fā)展中不斷獲得改進(jìn)。

與傳統(tǒng)航空汽油、渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)的參數(shù)比較

圖1 幾種典型發(fā)動(dòng)機(jī)功率質(zhì)量比的比較

圖2 幾種典型發(fā)動(dòng)機(jī)的功率和耗油率的分布

通過(guò)統(tǒng)計(jì)40余款已認(rèn)證或正在研發(fā)的壓燃式活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)的功率質(zhì)量比、耗油率、壓縮比、汽缸布置形式、汽缸數(shù)量和排量、汽缸行程/缸徑等參數(shù)，并與奧地利Rotax公司的系列航空汽油活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)，以及捷克PBS公司TP-100渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行比較（如圖1和圖2所示），可以看出各類發(fā)動(dòng)機(jī)的優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)基本與前文分析一致，壓燃式重油活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)的耗油率基本都在0.25 kg/（kW·h）以下，顯著優(yōu)于汽油活塞發(fā)動(dòng)機(jī)和渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)，而其功率質(zhì)量比普遍在1以下，與另外兩類發(fā)動(dòng)機(jī)差距明顯。

結(jié)束語(yǔ)

通用航空動(dòng)力一直向著更安全、更高效、更清潔的方向持續(xù)發(fā)展，重油活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)無(wú)疑是這一發(fā)展方向的典型代表。點(diǎn)燃式重油活塞發(fā)動(dòng)機(jī)由于其高功率質(zhì)量比、結(jié)構(gòu)緊湊、與傳統(tǒng)航空汽油機(jī)技術(shù)繼承性強(qiáng)的特點(diǎn)，在微小型無(wú)人機(jī)市場(chǎng)迅猛發(fā)展的背景下得到了快速的發(fā)展；壓燃式重油活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)在車用柴油發(fā)動(dòng)機(jī)高壓共軌等技術(shù)的轉(zhuǎn)移，以及輕量化材料的加持下，逐漸擺脫了笨重的枷鎖，其高效、可靠的天然優(yōu)勢(shì)凸顯，在長(zhǎng)航時(shí)飛行任務(wù)下具有無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)，在通航飛機(jī)中的應(yīng)用逐漸擴(kuò)大。然而，面對(duì)這一巨大的新生市場(chǎng)，國(guó)內(nèi)重油活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展卻面臨諸多的困難：目前國(guó)內(nèi)的通航動(dòng)力基本上被國(guó)外傳統(tǒng)航空汽油發(fā)動(dòng)機(jī)所壟斷；短期內(nèi)不太可能出臺(tái)禁用航空汽油的法令；傳統(tǒng)航空汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)積累有限；輕量化車用柴油發(fā)動(dòng)機(jī)并未廣泛應(yīng)用。如何突破如此困境，值得國(guó)內(nèi)從業(yè)者和政策制定者深思。