作者：常小榕 來源：航空活塞發(fā)動機(jī)設(shè)計制造網(wǎng)

航空重油發(fā)動機(jī)指燃用餾分在航空煤油到重柴油之間的任意混合物的航空活塞發(fā)動機(jī)，其低油耗、高功重比以及燃料易獲得性和運輸安全性，得到世界上發(fā)達(dá)國家的關(guān)注，是下一代通航活塞動力的解決方案之一。目前，世界發(fā)達(dá)國家的重油發(fā)動機(jī)已經(jīng)投入使用，正在進(jìn)行下一代重油發(fā)動機(jī)的研制，進(jìn)一步提高安全性、經(jīng)濟(jì)性水平。

一、美國液體活塞公司開發(fā)新型轉(zhuǎn)子重油活塞發(fā)動機(jī)——“X發(fā)動機(jī)”

在DARPA的支持下，美國創(chuàng)業(yè)公司液體活塞公司（LiquidPiston）正在測試一種新型轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)——“X發(fā)動機(jī)”，該公司表示該發(fā)動機(jī)將比傳統(tǒng)柴油機(jī)發(fā)動機(jī)輕小10倍，而燃油效率是燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)的兩倍。

液體活塞公司自2004年以來一直致力于該發(fā)動機(jī)的研制，現(xiàn)正在進(jìn)行其第五代發(fā)動機(jī)的研制工作。“X發(fā)動機(jī)”已經(jīng)驗證了在轉(zhuǎn)子活塞發(fā)動機(jī)中的最高壓比，這家位于康涅狄格州布龍菲爾德的公司已經(jīng)獲得了DARPA提供的資金，建造和測試一個30千瓦(40馬力)壓燃發(fā)動機(jī)的核心——“X4”，該發(fā)動機(jī)具有應(yīng)用于飛機(jī)的潛力。

DARPA項目經(jīng)理馬克·古斯塔夫森（Mark Gustafson）表示：“DARPA認(rèn)為，這里存在發(fā)展出一個高效，緊湊，輕重量重油發(fā)動機(jī)系列的可能性。如果這個項目完全成功，將提供概念證明，證明我們具有挑戰(zhàn)性的目標(biāo)是可實現(xiàn)的，并為可用于地面、空中和海上的潛在新能力鋪平道路?！?/span>

最初瞄準(zhǔn)無人機(jī)，以及地面動力，液體活塞公司的X4是一個40馬力（30千瓦）、四沖程重油'逆轉(zhuǎn)子'引擎。

二、“X發(fā)動機(jī)”的主要創(chuàng)新點

液體活塞公司發(fā)展了一個新的熱力循環(huán)，稱為高效混合循環(huán)，設(shè)計了“X發(fā)動機(jī)”，類似內(nèi)外對調(diào)的萬克爾（Wankel）轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)，不是一個三角形的內(nèi)部轉(zhuǎn)子加橢圓形的外殼，它有一個橢圓形的轉(zhuǎn)子，外殼則為三角形，發(fā)動機(jī)只有兩個活動部件。高效混合循環(huán)（HEHC）是一個四沖程循環(huán)。燃料/空氣混合氣通過轉(zhuǎn)子進(jìn)入X發(fā)動機(jī)，被壓縮和點燃，利用定容燃燒提高效率，燃燒后的氣體過膨脹后通過轉(zhuǎn)子排出。

“X發(fā)動機(jī)”采用了液體活塞公司專利的高效混合熱力循環(huán)。

在萬克爾發(fā)動機(jī)中，進(jìn)氣口和排氣口都在外殼上，當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時就會打開。壓縮和膨脹容積是相同的。在HEHC循環(huán)中，膨脹容積更大，過膨脹可以從發(fā)動機(jī)中獲得更多的能量。

在萬克爾發(fā)動機(jī)中，三角形轉(zhuǎn)子頂端的密封片在轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)過程中，在設(shè)置于轉(zhuǎn)子頂端的密封槽中高速進(jìn)出，不易潤滑，潤滑油被混合到發(fā)動機(jī)的進(jìn)氣中，但其中90%被燒掉。液體活塞公司CEO和共同創(chuàng)始人亞歷山大·施科尼克（Alexander Shkolnik）表示：在“X發(fā)動機(jī)”中，頂部和轉(zhuǎn)子活塞側(cè)面的密封都安裝在固定外殼上，并直接潤滑。

在DARPA項目的第一階段，目標(biāo)是演示0.75升X4發(fā)動機(jī)的結(jié)構(gòu)完整性。重油運轉(zhuǎn)比液體活塞公司的首個發(fā)動機(jī)——“X-Mini”——需要更高的壓力，“X-Mini”發(fā)動機(jī)為70cc火花塞點火發(fā)動機(jī)，其壓比為9:1，燃燒室壓力達(dá)30-35bar（1bar=100000Pa）。

最初的“X–Mini”發(fā)動機(jī)是一個70cc轉(zhuǎn)子燃燒發(fā)動機(jī)，重4磅、產(chǎn)生3-5馬力。

“高效率的重油發(fā)動機(jī)需要高壓比。我們建造了40馬力的X4的核心，并驗證了高達(dá)26:1的壓比，”施科尼克還說:“目標(biāo)是證明我們可以在約110bar的壓力下運行。我們已經(jīng)在自然吸氣，沒有增壓器的情況下達(dá)到在150bar下運行?！?/span>

液體活塞公司的X發(fā)動機(jī)(右)有一個橢圓形轉(zhuǎn)子，在三角形的外殼內(nèi)旋轉(zhuǎn)，像內(nèi)外對調(diào)的萬克爾轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)(左)。

第二階段投資250萬美元，將DARPA用于此項目的總資金提升至600萬美元。第二階段計劃將重點放在驗證發(fā)動機(jī)核心的功率和效率上。施科尼克表示:“目標(biāo)是在一個有代表性的基礎(chǔ)發(fā)動機(jī)而不是一個完整的發(fā)動機(jī)上，達(dá)到30千瓦功率和40-45%的制動效率（brake efficiency），只是發(fā)動機(jī)核心?！?/span>

施科尼克表示：常規(guī)等效30千瓦柴油發(fā)動機(jī)在峰值功率情況下，一般其制動效率為33-34%。液體活塞公司的終極目標(biāo)是在峰值功率下達(dá)到45%的效率。同時X發(fā)動機(jī)相對于柴油機(jī)，在部分功率狀態(tài)下具備更大的優(yōu)勢，傳統(tǒng)柴油機(jī)在部分功率時效率一般會大幅下降。在傳統(tǒng)的狄塞爾循環(huán)中，注入一半的燃料會產(chǎn)生一半的能量，但在較低的壓力下效率較低。他說，X發(fā)動機(jī)提供了一種替代的控制策略，稱為跳躍點火。隨著轉(zhuǎn)子、軸和配重作為一個大的飛輪，燃料只在一半的時間內(nèi)噴入。注入的燃料仍然在壓縮峰值燃燒，在跳過的循環(huán)中，未燃燒的空氣用來冷卻燃燒室壁，提取這些廢熱做有用的功。這可以帶來一個較為平坦的效率曲線，伴隨在部分功率狀態(tài)下較少的效率降低，同時對冷卻的要求更低，從而也可以使用更小的散熱片。

“我們將在DARPA項目的這個階段中考察跳越點火，但這不是一個嚴(yán)格要求的交付物。重點是證明功率和效率，”施科尼克表示?！霸诘?階段，我們生產(chǎn)了一個不帶冷卻的核心發(fā)動機(jī)，沒有要求很完善的設(shè)計，主要是為了驗證發(fā)動機(jī)的基本運轉(zhuǎn)。在第2階段，我們增加了冷卻器，使其在一個穩(wěn)定的狀態(tài)下運轉(zhuǎn)。我們才剛剛開始功率和效率的測試?！?/span>

在40馬力下，“X4”可以適用于第2/3類戰(zhàn)術(shù)無人機(jī)，可以提高無人機(jī)的續(xù)航能力和有效載荷能力。

由于只有一個核心發(fā)動機(jī)正在測試，雖然液體活塞公司不會在這一階段證明，但其目標(biāo)是發(fā)動機(jī)功重比達(dá)到約1.62到2.43千瓦/公斤（1到1.5馬力/磅）級別，制動額定耗油率186克/千瓦/小時(0.3磅/馬力/小時)。這與相應(yīng)柴油發(fā)動機(jī)的0.1-0.2馬力/磅（約合0.162到0.324千瓦/公斤）相比，將減少5-10倍的大小和重量。而燃油效率優(yōu)于重型柴油卡車發(fā)動機(jī)，是汽油發(fā)動機(jī)在典型工況下的兩倍。

三、美國液體活塞公司的下一步計劃

小型高效重油發(fā)動機(jī)可以賦予小型無人機(jī)更大的潛力，使其攜帶更重的載荷執(zhí)行時間更長的任務(wù)；還可以通過降低混合動力電推進(jìn)系統(tǒng)的重量，克服電池的局限性，加速新興電動飛機(jī)市場的發(fā)展。因此，新型轉(zhuǎn)子重油活塞發(fā)動機(jī)具備在無人機(jī)和混合動力飛機(jī)市場廣闊的應(yīng)用前景。

液體活塞公司正在繼續(xù)發(fā)展“X-Mini”發(fā)動機(jī)，根據(jù)與美國陸軍合作的一項計劃，陸軍正在開發(fā)一種混合電力的牽引式加農(nóng)榴彈炮，其中使用70cc，火花塞點火的發(fā)動機(jī)驅(qū)動發(fā)電機(jī)，發(fā)動機(jī)可產(chǎn)生3馬力功率，在項目完成時，可能會達(dá)到產(chǎn)生5馬力功率。“X-Mini”的一個演示發(fā)動機(jī)已經(jīng)在一輛卡丁車上進(jìn)行測試了，以其1.8公斤的重量代替原有的18公斤（40磅）重的6馬力活塞發(fā)動機(jī)。X-mini是在X4之前發(fā)展的，技術(shù)成熟度已達(dá)6級，目標(biāo)是達(dá)到技術(shù)成熟度7級，并準(zhǔn)備在2019年3月之前轉(zhuǎn)入生產(chǎn)。該公司的業(yè)務(wù)戰(zhàn)略是與制造商合作，將其技術(shù)授權(quán)給發(fā)動機(jī)制造商，自己不會裝備加工機(jī)械生產(chǎn)發(fā)動機(jī)，然后為特定的用途提供設(shè)計不同版本發(fā)動機(jī)的服務(wù)。

液體活塞發(fā)動機(jī)公司也正在推進(jìn)X4重油發(fā)動機(jī)的研發(fā)，用于電動垂直起降（eVTOL）空中出租車的混合動力電推進(jìn)系統(tǒng)。引用優(yōu)步對更高能量密度電池可用性的“非常積極”的假設(shè)，施科尼克表示:“你可以使用電池飛行20分鐘，或者你可以減少一些電池，并用我們的40馬力發(fā)動機(jī)替換它們，使用一個完整的發(fā)電系統(tǒng)加上36磅的燃料共100到150磅，將可以替代2000磅電池”他說?！耙粋€小的電池加上一個緊湊的發(fā)動機(jī)將會帶來巨大的優(yōu)勢。施科尼克認(rèn)為城市空中出租車快速周轉(zhuǎn)所需的充電也是一個問題,“使用4C充電，比為iphone充電速度快5到6倍,將會很快使電池報廢。在垂直起降機(jī)場為這些空中出租車充電將需要兆瓦級的電力,而我們的發(fā)動機(jī)是更加方便實用的動力裝置。

液體活塞公司也在考慮其X發(fā)動機(jī)的潛力，在200馬力級別，做為飛機(jī)上的輔助動力裝置(APU)。施科尼克表示：與渦輪基的輔助動力裝置相比，使用我們的發(fā)動機(jī)，占用更小的空間，重量基本相同，可帶來四倍的燃油效率提高?！?/span>