美国液体活塞公司研制新型转子重油活塞发动机

作者：常小榕 来源：航空活塞发动机设计制造网

航空重油发动机指燃用馏分在航空煤油到重柴油之间的任意混合物的航空活塞发动机，其低油耗、高功重比以及燃料易获得性和运输安全性，得到世界上发达国家的关注，是下一代通航活塞动力的解决方案之一。目前，世界发达国家的重油发动机已经投入使用，正在进行下一代重油发动机的研制，进一步提高安全性、经济性水平。

一、美国液体活塞公司开发新型转子重油活塞发动机——“X发动机”

在DARPA的支持下，美国创业公司液体活塞公司（LiquidPiston）正在测试一种新型转子发动机——“X发动机”，该公司表示该发动机将比传统柴油机发动机轻小10倍，而燃油效率是燃气涡轮发动机的两倍。

液体活塞公司自2004年以来一直致力于该发动机的研制，现正在进行其第五代发动机的研制工作。“X发动机”已经验证了在转子活塞发动机中的最高压比，这家位于康涅狄格州布龙菲尔德的公司已经获得了DARPA提供的资金，建造和测试一个30千瓦(40马力)压燃发动机的核心——“X4”，该发动机具有应用于飞机的潜力。

DARPA项目经理马克·古斯塔夫森（Mark Gustafson）表示：“DARPA认为，这里存在发展出一个高效，紧凑，轻重量重油发动机系列的可能性。如果这个项目完全成功，将提供概念证明，证明我们具有挑战性的目标是可实现的，并为可用于地面、空中和海上的潜在新能力铺平道路。”

最初瞄准无人机，以及地面动力，液体活塞公司的X4是一个40马力（30千瓦）、四冲程重油'逆转子'引擎。

二、“X发动机”的主要创新点

液体活塞公司发展了一个新的热力循环，称为高效混合循环，设计了“X发动机”，类似内外对调的万克尔（Wankel）转子发动机，不是一个三角形的内部转子加椭圆形的外壳，它有一个椭圆形的转子，外壳则为三角形，发动机只有两个活动部件。高效混合循环（HEHC）是一个四冲程循环。燃料/空气混合气通过转子进入X发动机，被压缩和点燃，利用定容燃烧提高效率，燃烧后的气体过膨胀后通过转子排出。

“X发动机”采用了液体活塞公司专利的高效混合热力循环。

在万克尔发动机中，进气口和排气口都在外壳上，当转子旋转时就会打开。压缩和膨胀容积是相同的。在HEHC循环中，膨胀容积更大，过膨胀可以从发动机中获得更多的能量。

在万克尔发动机中，三角形转子顶端的密封片在转子旋转过程中，在设置于转子顶端的密封槽中高速进出，不易润滑，润滑油被混合到发动机的进气中，但其中90%被烧掉。液体活塞公司CEO和共同创始人亚历山大·施科尼克（Alexander Shkolnik）表示：在“X发动机”中，顶部和转子活塞侧面的密封都安装在固定外壳上，并直接润滑。

在DARPA项目的第一阶段，目标是演示0.75升X4发动机的结构完整性。重油运转比液体活塞公司的首个发动机——“X-Mini”——需要更高的压力，“X-Mini”发动机为70cc火花塞点火发动机，其压比为9:1，燃烧室压力达30-35bar（1bar=100000Pa）。

最初的“X–Mini”发动机是一个70cc转子燃烧发动机，重4磅、产生3-5马力。

“高效率的重油发动机需要高压比。我们建造了40马力的X4的核心，并验证了高达26:1的压比，”施科尼克还说:“目标是证明我们可以在约110bar的压力下运行。我们已经在自然吸气，没有增压器的情况下达到在150bar下运行。”

液体活塞公司的X发动机(右)有一个椭圆形转子，在三角形的外壳内旋转，像内外对调的万克尔转子发动机(左)。

第二阶段投资250万美元，将DARPA用于此项目的总资金提升至600万美元。第二阶段计划将重点放在验证发动机核心的功率和效率上。施科尼克表示:“目标是在一个有代表性的基础发动机而不是一个完整的发动机上，达到30千瓦功率和40-45%的制动效率（brake efficiency），只是发动机核心。”

施科尼克表示：常规等效30千瓦柴油发动机在峰值功率情况下，一般其制动效率为33-34%。液体活塞公司的终极目标是在峰值功率下达到45%的效率。同时X发动机相对于柴油机，在部分功率状态下具备更大的优势，传统柴油机在部分功率时效率一般会大幅下降。在传统的狄塞尔循环中，注入一半的燃料会产生一半的能量，但在较低的压力下效率较低。他说，X发动机提供了一种替代的控制策略，称为跳跃点火。随着转子、轴和配重作为一个大的飞轮，燃料只在一半的时间内喷入。注入的燃料仍然在压缩峰值燃烧，在跳过的循环中，未燃烧的空气用来冷却燃烧室壁，提取这些废热做有用的功。这可以带来一个较为平坦的效率曲线，伴随在部分功率状态下较少的效率降低，同时对冷却的要求更低，从而也可以使用更小的散热片。

“我们将在DARPA项目的这个阶段中考察跳越点火，但这不是一个严格要求的交付物。重点是证明功率和效率，”施科尼克表示。“在第1阶段，我们生产了一个不带冷却的核心发动机，没有要求很完善的设计，主要是为了验证发动机的基本运转。在第2阶段，我们增加了冷却器，使其在一个稳定的状态下运转。我们才刚刚开始功率和效率的测试。”

在40马力下，“X4”可以适用于第2/3类战术无人机，可以提高无人机的续航能力和有效载荷能力。

由于只有一个核心发动机正在测试，虽然液体活塞公司不会在这一阶段证明，但其目标是发动机功重比达到约1.62到2.43千瓦/公斤（1到1.5马力/磅）级别，制动额定耗油率186克/千瓦/小时(0.3磅/马力/小时)。这与相应柴油发动机的0.1-0.2马力/磅（约合0.162到0.324千瓦/公斤）相比，将减少5-10倍的大小和重量。而燃油效率优于重型柴油卡车发动机，是汽油发动机在典型工况下的两倍。

三、美国液体活塞公司的下一步计划

小型高效重油发动机可以赋予小型无人机更大的潜力，使其携带更重的载荷执行时间更长的任务；还可以通过降低混合动力电推进系统的重量，克服电池的局限性，加速新兴电动飞机市场的发展。因此，新型转子重油活塞发动机具备在无人机和混合动力飞机市场广阔的应用前景。

液体活塞公司正在继续发展“X-Mini”发动机，根据与美国陆军合作的一项计划，陆军正在开发一种混合电力的牵引式加农榴弹炮，其中使用70cc，火花塞点火的发动机驱动发电机，发动机可产生3马力功率，在项目完成时，可能会达到产生5马力功率。“X-Mini”的一个演示发动机已经在一辆卡丁车上进行测试了，以其1.8公斤的重量代替原有的18公斤（40磅）重的6马力活塞发动机。X-mini是在X4之前发展的，技术成熟度已达6级，目标是达到技术成熟度7级，并准备在2019年3月之前转入生产。该公司的业务战略是与制造商合作，将其技术授权给发动机制造商，自己不会装备加工机械生产发动机，然后为特定的用途提供设计不同版本发动机的服务。

液体活塞发动机公司也正在推进X4重油发动机的研发，用于电动垂直起降（eVTOL）空中出租车的混合动力电推进系统。引用优步对更高能量密度电池可用性的“非常积极”的假设，施科尼克表示:“你可以使用电池飞行20分钟，或者你可以减少一些电池，并用我们的40马力发动机替换它们，使用一个完整的发电系统加上36磅的燃料共100到150磅，将可以替代2000磅电池”他说。“一个小的电池加上一个紧凑的发动机将会带来巨大的优势。施科尼克认为城市空中出租车快速周转所需的充电也是一个问题,“使用4C充电，比为iphone充电速度快5到6倍,将会很快使电池报废。在垂直起降机场为这些空中出租车充电将需要兆瓦级的电力,而我们的发动机是更加方便实用的动力装置。

液体活塞公司也在考虑其X发动机的潜力，在200马力级别，做为飞机上的辅助动力装置(APU)。施科尼克表示：与涡轮基的辅助动力装置相比，使用我们的发动机，占用更小的空间，重量基本相同，可带来四倍的燃油效率提高。”