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最近，彩虹4配備國產重油發動機完成了自主起降、航點飛行、滿載運輸、最高升限、航程航時等一系列試驗，這就意味著彩虹4即將正式服役。無人機使用重油發動機，是國際流行的大趨勢，國外也有大量類似的產品。那么，什么是重油發動機呢？它有哪些特點和應用前景呢？今天，我們和大家一起聊聊重油發動機。

01重油及重油發動機

重油與輕油相對，是按照碳（C）的個數劃分的。分子內含20個碳以下的叫輕油，含20個碳以上的叫重油。汽油的主要成份是辛烷、壬烷，就是碳8、碳9，辛烷含量越高，就是辛烷值高，汽油的“號”就是辛烷值。從石油中蒸餾出來的分子內含15個碳到18個碳的叫柴油。按分子中碳原子數遞增的順序排列是液化石油氣→汽油→柴油→煤油→瀝青。

用作燃料的重油，除要求有高發熱量外，還要求：

(1)黏度低。以便于管道輸送，有利于噴吹霧化改善燃燒效率;重油因含石蠟量多而黏度大，使用時需進行預熱，使達到100℃或100℃以上，以降低黏度。

(2)凝固點要低。一般重油凝固溫度為22—36℃;對石蠟量多，凝固點高的重油，應采取適當的加熱措施，以便于運輸和裝卸。

(3)閃點溫度高。可采用較高的預熱溫度，便于輸送和霧化，一般重油的閃點在180—330℃，都高于需要預熱的溫度。

(4)油中的機械雜質和含水量要少。雜質多和含水量高，不僅降低了重油的發熱量，而且使用時會引起燒嘴堵塞和火焰波動，故需進行過濾，如將油和水形成乳狀液，則可以改善燃燒效果。

(5)含硫要低。一般含硫量為0.15%—0.30%。

重油其實分航空領域的，和陸上與海上領域的。先說陸上與海上領域的重油，即火車或船舶大型二沖程柴油機用的重油，叫做可持久性油類，是原油提取汽油、柴油后的剩余重質油，意思是該蒸的都蒸差不多了，最后剩下的比重超過0.91的粘稠油，黏度大，基本不流動，含有大量的氮、硫、蠟質以及金屬，因為沒法噴射，加熱后才能進行管道輸送，直接充氧點著，操作起來需要大量的管道附件，在號稱一克多余重量也不能有的飛機上簡直就是災難，所以一般是燒鍋爐的燃料。然后推動蒸汽輪機工作。

重質油結合了汽油和柴油的很多優點，其特點是分子量大、粘度高，最重要的是便宜，火車、船舶燒油都是按噸計算的。往往是以原油加工過程中的常壓油，減壓渣油、裂化渣油、裂化柴油和催化柴油等為原料調合而成。其成分主要是碳氫化合物，另外含有約0.1—4%的硫黃及微量的無機化合物。所以說遼寧號航母也在用的這種粘度高、分子量大、價格便宜（僅為柴油價格的三分之一）、更適合于蒸汽輪機燃燒的重油，一次加滿油需要經費一千多萬元，百公里耗油約為50噸。

而航空領域的重油概念，是原油經過蒸餾后，分子內含碳原子個數大于20個的重煤油或者輕柴油，比如RP-3/RP-5航空煤油。顏色黃澄澄透明，看起來像醫院化驗科的樣品，本質上是重煤油或輕柴油。因為比航空輕油（汽油）要重，所以叫航空重油。據說航空重油可以讓彩虹5無人機的航程由原先的6500km提升到10000km，續航時間由原先的60h提升到120h，相當于從周一早上上班，一直飛到周五晚上下班，中間不歇一口氣。

重油發動機之所以有如此神奇的“療效”，其實是被逼的，因為航空重油和普通的重油一樣，分子量大、黏度高、流動性差，所以發動機需要用噴嘴，將燃料霧化得更細，而這一霧化混合，反而提高了對重油的利用效率，也就是說發動機更省油了。所以你知道了，航空重油活塞發動機，實際上就是一臺航空柴油機，或者說壓燃式活塞發動機。

重油發動機帶來的好處，遠不止續航時間和航程的增加。航空重油發動機的優勢主要有以下三點：

1、由于航空重油比重大，更易于節省飛機油箱的空間，同樣大小的油箱可以裝更多的燃油。并非航空重油的熱值比較高（其實航空重油的熱值一般在10000至11000 kcal/kg，低于汽油5%左右），并非航空重油發動機的動力更強勁。重油更高的黏度使其在汽缸中能起到潤滑的作用，能大大降低潤滑油的損耗。

2、航空重油發動機實質就相當于一個壓燃式的柴油機，壓縮比達到二十幾，相當于一般汽油機的兩倍，氣缸熱效率高，超過汽油機的20%-50%，因此，雖然航空重油的熱值低于汽油，但是，航空重油發動機的耗油量低、功率大，航空重油沸點高，采用重油發動機的無人機航程遠，飛得高，比使用汽油發動機的無人機能提高20-30%。

3、由于航空重油的閃點更高，更不易蒸發、不易爆炸，因此安全性更高且易于存儲和油料統一管理，這是航空重油發動機最重要的優勢。一方面航空重油的后勤輸送比汽油簡單易行的多，這一點對于軍用物資尤其重要；另一方面航空重油無人機可以上艦作為艦載機使用。

這些優點決定了航空重油發動機幾乎成為無人機發動機的不二選擇，成為了無人機技術提升的一個關鍵點。對于中國來說，這里還有一點，那就是這個重油發動機是100%國產的。

在通用航空領域，特別是低（空）、慢（速）、小（型）的飛行器，活塞式發動機依然占據主導地位，其中的95%是以航空汽油為燃料的火花塞點燃活塞式發動機。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動機的研發和生產的熱潮。航空重油活塞式發動機是指采用航空重油作為燃料的活塞式發動機，
為啥要開發重油發動機呢？跟商用車大多使用柴油機的理由一樣，比汽油機省油、扭矩大、高空性好。比如“云雀”、“金鷹”發動機的對置四缸、四沖程和渦輪增壓、整機液冷設計，還可以讓發動機在稀薄的空氣中工作，并使零部件能夠承受更高的工作溫度，增加發動機的使用壽命，并在更廣泛的工作環境和更苛刻的工況中工作。

0202重油活塞發動機的技術難點

重油活塞發動機的技術難點，某種程度上也來源于其自身的優點。

第一，重油的可靠霧化及高效的燃燒組織。

發動機做功，需要將燃料經噴嘴噴成顆粒度非常細的霧狀，才能與空氣充分混合燃燒。動力性、經濟性和排放性的至關重要一環，取決于霧化燃料與空氣混合氣的質量。由于重油的黏度高，低溫流動性差，必然霧化效果要比汽油差，燃燒效果受阻，甚至發動機啟動困難。實現重油的可靠霧化及高效的燃燒組織，成為航空重油活塞發動機的核心技術之一。

現實條件下的活塞發動機的重油霧化燃燒改進方式，大致有以下幾種。

化油器漸改+輔助預熱。兩沖程活塞發動機大多采用化油器供油方式，而直接采用現有化油器很難保證重油的可靠霧化和合理燃燒。需對進氣系統、化油器、點火系統設計更改，同時增加輔助起動的預熱系統，改善燃料的流動性。具有代表性的是德國3W公司的重油發動機方案，對進氣系統采用加速管；泵膜式化油器進行改進，工作方式接近于機械噴射系統；曲軸箱預熱；壓縮比降低；起動加入預熱塞；點火系統更改，能量增加。這種方法的缺點是，增加的附件多，修改設計復雜，實現上比較困難、成本略高。

機械噴射系統，即放棄化油器方式，供油方式直接改由發動機附屬機械機構驅動，完成燃油的缸內直接噴射和流量調節功能。比如美國XRDi公司的重油解決方案，采用了MCDI機械燃油直噴系統和點燃方式，燃油直接噴到發動機缸內，實現-30℃條件下無輔助預熱裝置的可靠起動。這種方法的缺點是，需要單獨的機械噴射調節和驅動裝置，整體設計比較復雜，成本較高。而且機械調節系統調節范圍有限，自由度和靈活性差，適應范圍受限。

電控燃油噴射系統。借鑒汽車工業的電噴技術，對航空活塞發動機進行改進設計。電噴的調節范圍大，控制自由度和靈活度均高于機械噴射。比如澳大利亞Orbital公司的AADI（Air Assistant Direct Injection）空氣輔助噴射系統，采用一體化噴嘴，使用高壓空氣對燃油顆粒進行沖擊，實現燃油的充分霧化。并通過調整輔助空氣壓力和攝入空氣時間，得到不同霧束形狀，適應不同的燃燒室形狀和火花塞位置。再如美國NWUAV 公司，在進行重油霧化電噴設計的過程中，想到了噴墨打印機，就購買了HP 公司有關噴墨技術的5 項專利，并在此基礎上開發了微機電MEMS的電控燃油噴射系統。該系統有類似噴墨打印機的微通道噴射結構，其噴射霧化效果出奇的好，而且提高了燃料的經濟性，可以適用于汽油、柴油、航空煤油以及重油等多種燃料，同時系統功耗非常低，最大不超過10W，對于小型無人機動力裝置是非常不錯的選擇。

新型燃燒室結構。美國Deltahawk公司設計出了一種新型燃燒室，活塞頂部與氣缸蓋之間設計成上下近似對稱的結構，同時采用180°噴射角，大大提高了重油的霧化效果和發動機的整體性能，減少了碳煙顆粒的排放。這種新型燃燒室基本上是發動機的重新設計了。

第二、活塞發動機的渦輪增壓技術。

航空活塞發動機，可分為：

二沖程和四沖程兩類，其中小功率的兩沖程發動機占大多數。二沖程航空活塞發動機，即活塞從上到下、從下到上兩個行程的發動機，采用化油器、風冷、自然式吸氣。其做功原理，難以避免掃氣過程（進、排氣重疊期稱為掃氣期）的廢氣排出損失，導致油耗高、潤滑油消耗量大，即燃油/潤滑油經濟性差。另外，由于缸數和冷卻的限制，進一步提高功率很難，廢氣渦輪增壓的難度也較大。這就對無人機的長航時構成不利影響，這是一方面的缺點。由于高空環境下空氣稀薄，密度和溫度下降，導致進入缸內的空氣量減小，使得燃燒過程惡化，需要對其進行增壓。而二沖程發動機無法有效增壓，就難以提高發動機的巡航高度和實用升限，無人機的高原高空性能就會受到制約。這是另一方面的缺點。這兩個缺點，造成了二沖程發動機難以滿足中空長航時無人機需求，僅能達到低空短航時無人機的需求。

相比之下，四沖程航空活塞發動機，分為進氣行程、壓縮行程、做功行程和排氣行程，燃油經濟性比二沖程要好，功率也可以比二沖程航空活塞發動機功率更高。特別是得益于汽車工業技術的發展，小型高轉速的廢氣渦輪增壓器大量涌現，渦輪增壓技術（和機械增壓技術）也已經在四沖程航空活塞發動機得到應用，單級增壓技術已經比較成熟。渦輪增壓技術的使用，提高了發動機的輸出功率，實現了高海拔發動機的功率恢復，從而使無人機的飛行速度和實用升限得以明顯提高。

研究表明，帶一級增壓的活塞發動機在5000米空中可以保持其最大功率持續工作，而二級增壓則可以將這一高度提高到11000m，美國國家航空航天局（NASA）研究的三級增壓可以將飛行高度提高到24000m。但汽油機在增壓壓縮終了，易發生爆燃，同時汽油機轉速范圍寬，與增壓器的匹配困難，因此高效率增壓仍有一定困難。目前國外的主流航空四沖程活塞發動機，比如以色列的蒼鷺無人機，采用的就是74.6kW的4沖程渦輪增壓發動機，巡航高度7620m。捕食者A采用的78.3kW的Rotax914型4缸4沖程渦輪一級增壓活塞發動機，升限7925m。

第三，高能點火技術。

活塞發動機的點火方式有點燃式（火花塞跳火）和壓燃式（靠壓縮行程將混合氣壓縮到燃點，使其自動著火）。汽油機采用火花塞方式的比較多。至于重油機，由于燃點高，火花塞點火需要很高的能量，更適合采用壓燃式，這就需要較高的壓縮比才能壓燃重油。目前航空發動機采用的先進點火技術主要有高能點火和雙火花塞快速燃燒技術。高能點火系統的工作可靠性以及成本問題沒有得到有效解決，應用較少。而雙火花塞點火系統已有將近四十年的應用歷史，其中最成功的典范的是ROTAX系列高空汽油機的雙火花塞點火技術。

第四、輕量化航空重油活塞發動機的可靠性。

航空活塞發動機體積小，對氣動設計有利；重量輕，對提高功重比有利，這是它成為通用航空領域小型飛行器動力的優勢。但是航空活塞發動機的燃料從航空汽油換成重油之后，再經過上述優化設計，各種部件附件增加，發動機的體積和重量有所增加，反過來弱化了活塞機的優勢。既要降低重量和體積，又要保證在重油工作方式下發動機的正常運行，對于長航時無人機還要有充分的可靠性和耐久性。這些看似互掐的需求，也正是航空重油活塞發動機的技術難點所在。

從實際產品上看，國內國外的一些相關產品，在輕量化和耐久性的均衡性上也遇到了一些問題。比如，德國著名活塞發動機廠商蒂勒特的名牌產品Centurion 1.7發動機，生產量達到1500臺，但在耐久性和可靠性上就存在一些問題。到了Centurion 2.0的發展型AE300，2009年獲得EASA/FAA認證，可靠性雖然有改善，但是輕量化做的不好——最大輸出功率125kW，質量185KG，功重比下降到0.6756。

法國SMA公司生產的SR305-230E，4沖程渦輪增壓壓燃式重油發動機，也獲得EASA和FAA認證，2013年7月在美國進行了飛行表演，功率171.3kW，質量208.6KG，功重比0.8212，不失功率最大爬升高度提升到3048m。但在體積輕量化方面做的不好，作為一款輕型飛機的動力具有820mm、930mm、750mm的尺寸，影響了機身的整體流線型設計，市場反饋不理想。

體積重量的輕量化+使用的可靠耐久性+運營的環保經濟性，說起來容易，做起來確實難啊！

030203重油發動機的前景

發動機性能關乎飛機的整體性能。第二次世界大戰前飛機動力無一不是活塞發動機，但主要是點燃式汽油機。航空汽油的燃燒性、霧化混合性以及低溫流動性均較好，一度是航空活塞式發動機的主要燃料。但航空汽油的閃點低，飽和蒸氣壓高，易揮發，安全性較差。而航空重油具有較高的閃點和揮發溫度，安全性較高且易于存儲和管理，因而航空重油的應用越來越受重視，呈現快速發展的趨勢。

與傳統的航空汽油活塞發動機相比，重油航空活塞發動機具有明顯的優勢：安全性高；燃料易得性好、后勤保障簡易；高度特性好；通用性強、應用前景廣闊。

1994年美國NASA就開始實施一項通用航空推進計劃，為未來的安全舒適，操作簡便和性價比高的通用輕型飛機提供動力技術，在該報告中指出提出開發重油航空發動機HFE(Heavy fuel engine)。此概念的提出是基于滿足美國新的適航安全標準（FAA規范）要求，以及使用成本和軍用后勤簡化的需要。

重油發動機具有多方面優勢，同時可以簡化軍隊后勤保障，提高保障效率。盡管還有體積重量的輕量化、使用的可靠耐久性、運營的環保經濟性等亟待解決的難題，但不得不說，重油必須也必然是未來航空活塞發動機燃料使用的大趨勢。