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

在通用航空領域，特別是低（空）、慢（速）、?。ㄐ停┑娘w行器，活塞式發(fā)動機依然占據主導地位，其中的絕大部分（>95%）是以航空汽油為燃料的火花塞點燃活塞式發(fā)動機。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)動機的研發(fā)和生產的熱潮。

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

航空重油活塞式發(fā)動機的特點

與使用航空汽油燃料的傳統(tǒng)活塞式發(fā)動機、使用航空煤油燃料的燃氣渦輪發(fā)動機相比，航空重油發(fā)動機的基本特點可以通過分析其理想熱力學循環(huán)參數來做出基本的判斷。理論上，不同的燃油類型和熱力學循環(huán)可以任意組合。

現代燃氣渦輪發(fā)動機，特別是輸出軸功率的渦軸/渦槳發(fā)動機，采用的是布雷頓循環(huán)（Brayton Cycle），其顯著特點就是單次點火后連續(xù)做功，壓縮部件與燃燒、做功部件分離，因此其單體功率質量比高，燃料適應性強，且高空高速性能好。同時，提高燃氣渦輪發(fā)動機的壓比可以增加其循環(huán)效率。但對于輸出功率500kW以下的小型渦軸/渦槳發(fā)動機，由于尺寸效應的存在，以及產品成本的限制，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，為了保證輸出軸轉速，所需的變速箱結構就越復雜，逐漸抵消燃氣渦輪發(fā)動機本體功率質量比高的優(yōu)勢。因此，在輸出功率200 kW以下的航空發(fā)動機市場，活塞式依然占絕對主導地位。

活塞式發(fā)動機的近似理想熱力學循環(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)動機的進氣過程中，同時噴入燃料，形成油氣混合物，接著再進入壓縮過程。壓縮過程中的溫度升高容易在汽缸內引起早燃和爆震現象，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。由于等熵壓縮過程結束后的氣體溫度并沒有達到燃油混合氣的著火點，因此需要專門的點火裝置來輔助點燃汽缸中的混合油氣，一般由火花塞產生的高強度電火花來完成。以上的過程就需要燃料的自燃點較高，在壓縮過程中不易產生爆震，同時還要求燃料的燃點較低，易于實現成功點火。正是由于這個原因，奧托循環(huán)一般采用汽油作為燃料，奧托循環(huán)發(fā)動機也被等同于汽油活塞式發(fā)動機。奧托循環(huán)發(fā)動機的壓縮比一般在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，但是點燃過程引起的爆震問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)動機是在空氣壓縮過程結束后，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了油霧的自燃點，因此不需要點火裝置，油霧就會和熱空氣邊混合邊燃燒，同時也不易產生早燃和爆震現象。此過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)動機也被等同于重油活塞式發(fā)動機。重油活塞式發(fā)動機的壓縮比一般在15 ～24∶1之間，最高爆發(fā)壓力可達25MPa，有效熱效率可達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，以及更高的燃氣壓力，但為了應對一些更高的壓力，包括缸體、曲軸系統(tǒng)、活塞系統(tǒng)在內的所有發(fā)動機結構都要進行加強，這就導致了狄塞爾循環(huán)發(fā)動機比奧托循環(huán)發(fā)動機更重，這也是效率和輸出功率提升的代價。表1列出并對比了幾種循環(huán)發(fā)動機各自的優(yōu)缺點。

航空重油活塞式發(fā)動機的早期發(fā)展和復興

在航空活塞式發(fā)動機發(fā)展的早期，重油活塞式發(fā)動機就是指采用狄塞爾循環(huán)的柴油發(fā)動機。

在20世紀20和30年代，許多制造商制造了航空柴油發(fā)動機，但只有德國容克斯公司的Jumo 205系列獲得了成功，并成為了半個世紀以來唯一成功的航空柴油發(fā)動機。Jumo 205曾作為早期的容克斯Ju-86轟炸機的動力裝置，但在戰(zhàn)斗機常見的最大功率狀態(tài)下，發(fā)動機經常失效，因此不適合作為戰(zhàn)斗機的動力。其最成功的應用還是作為客機和飛艇等非戰(zhàn)斗應用場景的動力裝置，如布洛姆-福斯（Blohm & Voss ）公司的Ha 139客機和BV-138/BV-222海上巡邏飛艇。在同一時期，德國的其他公司，如戴姆勒-奔馳公司，以及英國、法國、蘇聯也都進行了航空柴油機產品的研發(fā)和實驗，但在這一階段，作為主要用戶的各國軍方對發(fā)動機的主要要求是高功率、輕質量，而在當時技術水平條件下，采用汽油燃料的奧托循環(huán)發(fā)動機無疑是最佳的選擇，因此各國發(fā)展的重點都放在了汽油活塞式發(fā)動機上。

二戰(zhàn)結束后，燃氣渦輪發(fā)動機吸引了世界各國的關注，由于功率質量比極高，且燃料的價格便宜，因此世界各國的研究重點都集中在高速客機的渦槳發(fā)動機和渦噴發(fā)動機，航空柴油動力更加無人問津。到了20世紀90年代，由于通用航空市場不景氣，更沒有任何新型柴油發(fā)動機的開發(fā)計劃。

進入21世紀后，以上的情況發(fā)生了重大改變：通用航空市場開始復蘇，出現了許多開發(fā)新型通用航空飛機的制造商；航空汽油的價格不斷上漲，且歐美國家相繼出臺禁止使用含鉛燃料的法規(guī)；在很多地方（特別是偏遠地區(qū)），航空汽油比柴油更難獲得；汽車柴油發(fā)動機技術得到了極大的改進，提供了更高的功率質量比，更適合飛機應用。

表1 幾種航空發(fā)動機典型熱力學循環(huán)的特點比較

隨著時代的發(fā)展，消費者對燃料安全性、環(huán)境友好性、使用成本、燃料易得性的要求越來越高，同時小型無人機以及運動型飛行器市場的快速發(fā)展，使得人們重新考慮克服傳統(tǒng)航空汽油發(fā)動機缺點的替代方案，包括研發(fā)無鉛航空汽油添加劑、研發(fā)小型燃氣渦輪發(fā)動機、點燃式和壓燃式航空重油發(fā)動機等。但是，無鉛航空汽油的研發(fā)遲遲沒有進展，而小型燃氣渦輪發(fā)動機的效率問題短期內也無法解決，因此行業(yè)內又把重點放在了采用奧托循環(huán)的點燃式重油活塞式發(fā)動機，以及采用狄塞爾循環(huán)的壓燃式重油活塞式發(fā)動機的研發(fā)上。

航空重油活塞式發(fā)動機的發(fā)展現狀

點燃式與壓燃式航空重油發(fā)動機的比較

點燃式與壓燃式重油活塞式發(fā)動機的優(yōu)缺點基本與其對應的熱力學循環(huán)（奧托循環(huán)和狄塞爾循環(huán)）的優(yōu)缺點一致。與壓燃式相比，點燃式重油航空活塞發(fā)動機的顯著優(yōu)點在于其較高的功率質量比，以及緊湊的結構和較小的體積。同時，二者的功率覆蓋范圍也有較大差異，點燃式的功率一般在100 kW以下，而壓燃式的功率一般在100 kW及以上。同時，點燃式重油發(fā)動機易于在傳統(tǒng)航空汽油發(fā)動機的基礎上進行改進研發(fā)，主要技術難點在于如何使閃點高、黏度大的重油實現良好的霧化混合，以保證火花塞能夠在低溫等惡劣條件下將重油點燃，并且解決壓縮混合氣過程中的爆震問題。然而，點燃式重油活塞發(fā)動機與傳統(tǒng)航空汽油活塞發(fā)動機相比，只解決了使用油料問題的同時還帶來了效率下降等其他問題，所以在航空汽油沒有被完全禁止使用之前，其應用場景被局限在對油料使用有特殊要求的場景，比如安全消防、艦艇環(huán)境等。而壓燃式重油活塞式發(fā)動機的熱效率高、耗油率低、可靠性高、高度特性好、轉速低/扭矩大、減速器質量輕，雖然依然存在功率質量比低、振動/噪聲較大等問題，但是與傳統(tǒng)航空汽油活塞式發(fā)動機相比，同時解決了使用油料、提升效率及可靠性的問題，因此在通用航空的應用場景更為廣闊。

通過適航認證的壓燃式航空重油發(fā)動機

鑒于壓燃式航空重油活塞發(fā)動機的多重優(yōu)勢，目前國際范圍內已有多款發(fā)動機研發(fā)成功并通過適航認證，其中比較典型的是大陸發(fā)動機公司旗下Technify Motors公司的Centurion系列發(fā)動機、鉆石飛機公司旗下Austro Engine公司的AE300系列發(fā)動機、賽峰集團旗下SMA公司的SR305系列發(fā)動機等。除目前已經獲得歐洲航空安全局（EASA）或美國聯邦航空局（FAA）適航認證的壓燃式重油活塞式發(fā)動機（主要參數見表2）外，還有多款產品正處于研發(fā)或取證階段。

表2 目前已經獲得適航認證的壓燃式重油活塞式發(fā)動機

以上幾款通過認證的發(fā)動機，除了RED A03之外，均是在現有車用發(fā)動機的基礎上改進，或者是與車用發(fā)動機生產商合作研發(fā)的產品。如Centurion 2.0和AE 300/330發(fā)動機均是在梅賽德斯-奔馳OME640車用柴油發(fā)動機的基礎上研發(fā)的直列四缸四沖程液冷壓燃式活塞式發(fā)動機。SMA公司的前身是由法國雷諾汽車賽車部（Renault Sport）與法國DAHER集團飛機部SOCATA公司成立的一個合資公司。DieselJet公司的產品也是在菲亞特汽車公司研發(fā)中心、意大利博洛尼大學的合作下研發(fā)出來的。無一例外，目前通過適航認證的壓燃式活塞式發(fā)動機都來自歐洲大陸。相比之下，美國的三角鷹（DeltaHawk）公司研發(fā)的DH系列壓燃式重油活塞式發(fā)動機歷時近20年，依然尚未通過適航認證。這與歐洲普遍使用的車用柴油發(fā)動機技術高度發(fā)達關系重大，相比之下，美國汽車普遍使用汽油發(fā)動機。這導致歐洲廠商在車用柴油發(fā)動機的基礎上研發(fā)航空重油發(fā)動機上具有天然優(yōu)勢：利用車用發(fā)動機的大規(guī)模生產線，能夠有效降低設計開發(fā)的初始成本；利用已有車用發(fā)動機的大量可靠性數據，可以有效評估衍生發(fā)動機的安全性；將高壓共軌直噴等新技術轉移到航空發(fā)動機上，可以從汽車工業(yè)快速持續(xù)的技術發(fā)展中不斷獲得改進。

與傳統(tǒng)航空汽油、渦軸發(fā)動機的參數比較

圖1 幾種典型發(fā)動機功率質量比的比較

圖2 幾種典型發(fā)動機的功率和耗油率的分布

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

結束語

通用航空動力一直向著更安全、更高效、更清潔的方向持續(xù)發(fā)展，重油活塞式發(fā)動機無疑是這一發(fā)展方向的典型代表。點燃式重油活塞發(fā)動機由于其高功率質量比、結構緊湊、與傳統(tǒng)航空汽油機技術繼承性強的特點，在微小型無人機市場迅猛發(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)動機在車用柴油發(fā)動機高壓共軌等技術的轉移，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)勢凸顯，在長航時飛行任務下具有無可比擬的優(yōu)勢，在通航飛機中的應用逐漸擴大。然而，面對這一巨大的新生市場，國內重油活塞式發(fā)動機的發(fā)展卻面臨諸多的困難：目前國內的通航動力基本上被國外傳統(tǒng)航空汽油發(fā)動機所壟斷；短期內不太可能出臺禁用航空汽油的法令；傳統(tǒng)航空汽油發(fā)動機的技術積累有限；輕量化車用柴油發(fā)動機并未廣泛應用。如何突破如此困境，值得國內從業(yè)者和政策制定者深思。