无人机使用重油发动机，已是国际流行大趋势

✎ 导 语 最近，彩虹4配备国产重油发动机完成了自主起降、航点飞行、满载运输、最高升限、航程航时等一系列试验，这就意味着彩虹4即

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最近，彩虹4配备国产重油发动机完成了自主起降、航点飞行、满载运输、最高升限、航程航时等一系列试验，这就意味着彩虹4即将正式服役。无人机使用重油发动机，是国际流行的大趋势，国外也有大量类似的产品。那么，什么是重油发动机呢？它有哪些特点和应用前景呢？今天，我们和大家一起聊聊重油发动机。

01重油及重油发动机

重油与轻油相对，是按照碳（C）的个数划分的。分子内含20个碳以下的叫轻油，含20个碳以上的叫重油。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“号”就是辛烷值。从石油中蒸馏出来的分子内含15个碳到18个碳的叫柴油。按分子中碳原子数递增的顺序排列是液化石油气→汽油→柴油→煤油→沥青。

用作燃料的重油，除要求有高发热量外，还要求：

(1)黏度低。以便于管道输送，有利于喷吹雾化改善燃烧效率;重油因含石蜡量多而黏度大，使用时需进行预热，使达到100℃或100℃以上，以降低黏度。

(2)凝固点要低。一般重油凝固温度为22—36℃;对石蜡量多，凝固点高的重油，应采取适当的加热措施，以便于运输和装卸。

(3)闪点温度高。可采用较高的预热温度，便于输送和雾化，一般重油的闪点在180—330℃，都高于需要预热的温度。

(4)油中的机械杂质和含水量要少。杂质多和含水量高，不仅降低了重油的发热量，而且使用时会引起烧嘴堵塞和火焰波动，故需进行过滤，如将油和水形成乳状液，则可以改善燃烧效果。

(5)含硫要低。一般含硫量为0.15%—0.30%。

重油其实分航空领域的，和陆上与海上领域的。先说陆上与海上领域的重油，即火车或船舶大型二冲程柴油机用的重油，叫做可持久性油类，是原油提取汽油、柴油后的剩余重质油，意思是该蒸的都蒸差不多了，最后剩下的比重超过0.91的粘稠油，黏度大，基本不流动，含有大量的氮、硫、蜡质以及金属，因为没法喷射，加热后才能进行管道输送，直接充氧点着，操作起来需要大量的管道附件，在号称一克多余重量也不能有的飞机上简直就是灾难，所以一般是烧锅炉的燃料。然后推动蒸汽轮机工作。

重质油结合了汽油和柴油的很多优点，其特点是分子量大、粘度高，最重要的是便宜，火车、船舶烧油都是按吨计算的。往往是以原油加工过程中的常压油，减压渣油、裂化渣油、裂化柴油和催化柴油等为原料调合而成。其成分主要是碳氢化合物，另外含有约0.1—4%的硫黄及微量的无机化合物。所以说辽宁号航母也在用的这种粘度高、分子量大、价格便宜（仅为柴油价格的三分之一）、更适合于蒸汽轮机燃烧的重油，一次加满油需要经费一千多万元，百公里耗油约为50吨。

而航空领域的重油概念，是原油经过蒸馏后，分子内含碳原子个数大于20个的重煤油或者轻柴油，比如RP-3/RP-5航空煤油。颜色黄澄澄透明，看起来像医院化验科的样品，本质上是重煤油或轻柴油。因为比航空轻油（汽油）要重，所以叫航空重油。据说航空重油可以让彩虹5无人机的航程由原先的6500km提升到10000km，续航时间由原先的60h提升到120h，相当于从周一早上上班，一直飞到周五晚上下班，中间不歇一口气。

重油发动机之所以有如此神奇的“疗效”，其实是被逼的，因为航空重油和普通的重油一样，分子量大、黏度高、流动性差，所以发动机需要用喷嘴，将燃料雾化得更细，而这一雾化混合，反而提高了对重油的利用效率，也就是说发动机更省油了。所以你知道了，航空重油活塞发动机，实际上就是一台航空柴油机，或者说压燃式活塞发动机。

重油发动机带来的好处，远不止续航时间和航程的增加。航空重油发动机的优势主要有以下三点：

1、由于航空重油比重大，更易于节省飞机油箱的空间，同样大小的油箱可以装更多的燃油。并非航空重油的热值比较高（其实航空重油的热值一般在10000至11000 kcal/kg，低于汽油5%左右），并非航空重油发动机的动力更强劲。重油更高的黏度使其在汽缸中能起到润滑的作用，能大大降低润滑油的损耗。

2、航空重油发动机实质就相当于一个压燃式的柴油机，压缩比达到二十几，相当于一般汽油机的两倍，气缸热效率高，超过汽油机的20%-50%，因此，虽然航空重油的热值低于汽油，但是，航空重油发动机的耗油量低、功率大，航空重油沸点高，采用重油发动机的无人机航程远，飞得高，比使用汽油发动机的无人机能提高20-30%。

3、由于航空重油的闪点更高，更不易蒸发、不易爆炸，因此安全性更高且易于存储和油料统一管理，这是航空重油发动机最重要的优势。一方面航空重油的后勤输送比汽油简单易行的多，这一点对于军用物资尤其重要；另一方面航空重油无人机可以上舰作为舰载机使用。

这些优点决定了航空重油发动机几乎成为无人机发动机的不二选择，成为了无人机技术提升的一个关键点。对于中国来说，这里还有一点，那就是这个重油发动机是100%国产的。

在通用航空领域，特别是低（空）、慢（速）、小（型）的飞行器，活塞式发动机依然占据主导地位，其中的95%是以航空汽油为燃料的火花塞点燃活塞式发动机。但从2000年左右开始，航空界又重新掀起了以航空重油为燃料的活塞式发动机的研发和生产的热潮。航空重油活塞式发动机是指采用航空重油作为燃料的活塞式发动机，
为啥要开发重油发动机呢？跟商用车大多使用柴油机的理由一样，比汽油机省油、扭矩大、高空性好。比如“云雀”、“金鹰”发动机的对置四缸、四冲程和涡轮增压、整机液冷设计，还可以让发动机在稀薄的空气中工作，并使零部件能够承受更高的工作温度，增加发动机的使用寿命，并在更广泛的工作环境和更苛刻的工况中工作。

0202重油活塞发动机的技术难点

重油活塞发动机的技术难点，某种程度上也来源于其自身的优点。

第一，重油的可靠雾化及高效的燃烧组织。

发动机做功，需要将燃料经喷嘴喷成颗粒度非常细的雾状，才能与空气充分混合燃烧。动力性、经济性和排放性的至关重要一环，取决于雾化燃料与空气混合气的质量。由于重油的黏度高，低温流动性差，必然雾化效果要比汽油差，燃烧效果受阻，甚至发动机启动困难。实现重油的可靠雾化及高效的燃烧组织，成为航空重油活塞发动机的核心技术之一。

现实条件下的活塞发动机的重油雾化燃烧改进方式，大致有以下几种。

化油器渐改+辅助预热。两冲程活塞发动机大多采用化油器供油方式，而直接采用现有化油器很难保证重油的可靠雾化和合理燃烧。需对进气系统、化油器、点火系统设计更改，同时增加辅助起动的预热系统，改善燃料的流动性。具有代表性的是德国3W公司的重油发动机方案，对进气系统采用加速管；泵膜式化油器进行改进，工作方式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，能量增加。这种方法的缺点是，增加的附件多，修改设计复杂，实现上比较困难、成本略高。

机械喷射系统，即放弃化油器方式，供油方式直接改由发动机附属机械机构驱动，完成燃油的缸内直接喷射和流量调节功能。比如美国XRDi公司的重油解决方案，采用了MCDI机械燃油直喷系统和点燃方式，燃油直接喷到发动机缸内，实现-30℃条件下无辅助预热装置的可靠起动。这种方法的缺点是，需要单独的机械喷射调节和驱动装置，整体设计比较复杂，成本较高。而且机械调节系统调节范围有限，自由度和灵活性差，适应范围受限。

电控燃油喷射系统。借鉴汽车工业的电喷技术，对航空活塞发动机进行改进设计。电喷的调节范围大，控制自由度和灵活度均高于机械喷射。比如澳大利亚Orbital公司的AADI（Air Assistant Direct Injection）空气辅助喷射系统，采用一体化喷嘴，使用高压空气对燃油颗粒进行冲击，实现燃油的充分雾化。并通过调整辅助空气压力和摄入空气时间，得到不同雾束形状，适应不同的燃烧室形状和火花塞位置。再如美国NWUAV 公司，在进行重油雾化电喷设计的过程中，想到了喷墨打印机，就购买了HP 公司有关喷墨技术的5 项专利，并在此基础上开发了微机电MEMS的电控燃油喷射系统。该系统有类似喷墨打印机的微通道喷射结构，其喷射雾化效果出奇的好，而且提高了燃料的经济性，可以适用于汽油、柴油、航空煤油以及重油等多种燃料，同时系统功耗非常低，最大不超过10W，对于小型无人机动力装置是非常不错的选择。

新型燃烧室结构。美国Deltahawk公司设计出了一种新型燃烧室，活塞顶部与气缸盖之间设计成上下近似对称的结构，同时采用180°喷射角，大大提高了重油的雾化效果和发动机的整体性能，减少了碳烟颗粒的排放。这种新型燃烧室基本上是发动机的重新设计了。

第二、活塞发动机的涡轮增压技术。

航空活塞发动机，可分为：

二冲程和四冲程两类，其中小功率的两冲程发动机占大多数。二冲程航空活塞发动机，即活塞从上到下、从下到上两个行程的发动机，采用化油器、风冷、自然式吸气。其做功原理，难以避免扫气过程（进、排气重叠期称为扫气期）的废气排出损失，导致油耗高、润滑油消耗量大，即燃油/润滑油经济性差。另外，由于缸数和冷却的限制，进一步提高功率很难，废气涡轮增压的难度也较大。这就对无人机的长航时构成不利影响，这是一方面的缺点。由于高空环境下空气稀薄，密度和温度下降，导致进入缸内的空气量减小，使得燃烧过程恶化，需要对其进行增压。而二冲程发动机无法有效增压，就难以提高发动机的巡航高度和实用升限，无人机的高原高空性能就会受到制约。这是另一方面的缺点。这两个缺点，造成了二冲程发动机难以满足中空长航时无人机需求，仅能达到低空短航时无人机的需求。

相比之下，四冲程航空活塞发动机，分为进气行程、压缩行程、做功行程和排气行程，燃油经济性比二冲程要好，功率也可以比二冲程航空活塞发动机功率更高。特别是得益于汽车工业技术的发展，小型高转速的废气涡轮增压器大量涌现，涡轮增压技术（和机械增压技术）也已经在四冲程航空活塞发动机得到应用，单级增压技术已经比较成熟。涡轮增压技术的使用，提高了发动机的输出功率，实现了高海拔发动机的功率恢复，从而使无人机的飞行速度和实用升限得以明显提高。

研究表明，带一级增压的活塞发动机在5000米空中可以保持其最大功率持续工作，而二级增压则可以将这一高度提高到11000m，美国国家航空航天局（NASA）研究的三级增压可以将飞行高度提高到24000m。但汽油机在增压压缩终了，易发生爆燃，同时汽油机转速范围宽，与增压器的匹配困难，因此高效率增压仍有一定困难。目前国外的主流航空四冲程活塞发动机，比如以色列的苍鹭无人机，采用的就是74.6kW的4冲程涡轮增压发动机，巡航高度7620m。捕食者A采用的78.3kW的Rotax914型4缸4冲程涡轮一级增压活塞发动机，升限7925m。

第三，高能点火技术。

活塞发动机的点火方式有点燃式（火花塞跳火）和压燃式（靠压缩行程将混合气压缩到燃点，使其自动着火）。汽油机采用火花塞方式的比较多。至于重油机，由于燃点高，火花塞点火需要很高的能量，更适合采用压燃式，这就需要较高的压缩比才能压燃重油。目前航空发动机采用的先进点火技术主要有高能点火和双火花塞快速燃烧技术。高能点火系统的工作可靠性以及成本问题没有得到有效解决，应用较少。而双火花塞点火系统已有将近四十年的应用历史，其中最成功的典范的是ROTAX系列高空汽油机的双火花塞点火技术。

第四、轻量化航空重油活塞发动机的可靠性。

航空活塞发动机体积小，对气动设计有利；重量轻，对提高功重比有利，这是它成为通用航空领域小型飞行器动力的优势。但是航空活塞发动机的燃料从航空汽油换成重油之后，再经过上述优化设计，各种部件附件增加，发动机的体积和重量有所增加，反过来弱化了活塞机的优势。既要降低重量和体积，又要保证在重油工作方式下发动机的正常运行，对于长航时无人机还要有充分的可靠性和耐久性。这些看似互掐的需求，也正是航空重油活塞发动机的技术难点所在。

从实际产品上看，国内国外的一些相关产品，在轻量化和耐久性的均衡性上也遇到了一些问题。比如，德国著名活塞发动机厂商蒂勒特的名牌产品Centurion 1.7发动机，生产量达到1500台，但在耐久性和可靠性上就存在一些问题。到了Centurion 2.0的发展型AE300，2009年获得EASA/FAA认证，可靠性虽然有改善，但是轻量化做的不好——最大输出功率125kW，质量185KG，功重比下降到0.6756。

法国SMA公司生产的SR305-230E，4冲程涡轮增压压燃式重油发动机，也获得EASA和FAA认证，2013年7月在美国进行了飞行表演，功率171.3kW，质量208.6KG，功重比0.8212，不失功率最大爬升高度提升到3048m。但在体积轻量化方面做的不好，作为一款轻型飞机的动力具有820mm、930mm、750mm的尺寸，影响了机身的整体流线型设计，市场反馈不理想。

体积重量的轻量化+使用的可靠耐久性+运营的环保经济性，说起来容易，做起来确实难啊！

030203重油发动机的前景

发动机性能关乎飞机的整体性能。第二次世界大战前飞机动力无一不是活塞发动机，但主要是点燃式汽油机。航空汽油的燃烧性、雾化混合性以及低温流动性均较好，一度是航空活塞式发动机的主要燃料。但航空汽油的闪点低，饱和蒸气压高，易挥发，安全性较差。而航空重油具有较高的闪点和挥发温度，安全性较高且易于存储和管理，因而航空重油的应用越来越受重视，呈现快速发展的趋势。

与传统的航空汽油活塞发动机相比，重油航空活塞发动机具有明显的优势：安全性高；燃料易得性好、后勤保障简易；高度特性好；通用性强、应用前景广阔。

1994年美国NASA就开始实施一项通用航空推进计划，为未来的安全舒适，操作简便和性价比高的通用轻型飞机提供动力技术，在该报告中指出提出开发重油航空发动机HFE(Heavy fuel engine)。此概念的提出是基于满足美国新的适航安全标准（FAA规范）要求，以及使用成本和军用后勤简化的需要。

重油发动机具有多方面优势，同时可以简化军队后勤保障，提高保障效率。尽管还有体积重量的轻量化、使用的可靠耐久性、运营的环保经济性等亟待解决的难题，但不得不说，重油必须也必然是未来航空活塞发动机燃料使用的大趋势。