美國液體活塞公司開發新型轉子重油活塞發動機

原標題：美國液體活塞公司開發新型轉子重油活塞發動機

X發動機採用了高效混合熱力循環

X4是一台30千瓦、四衝程重油逆轉子發動機

最初的X–Mini發動機

X發動機（右）和萬克爾轉子發動機（左）

在40馬力下，X4可以適用於第2、3類戰術無人機

航空重油發動機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動機，其低油耗、高功重比以及燃料易獲得性和運輸安全性，得到世界上發達國家的關注，是下一代通航活塞動力的解決方案之一。目前，世界發達國家的重油發動機已經投入使用，正在進行下一代重油發動機的研製，進一步提高安全性、經濟性水平。

轉子重油活塞發動機

——X發動機

在DARPA的支持下，美國創業公司液體活塞公司（LiquidPiston）正在測試一種新型轉子發動機——X發動機，該公司表示該發動機只有傳統柴油機發動機重量的十分之一，而燃油效率是燃氣渦輪發動機的兩倍。

液體活塞公司自2004年以來一直致力於該發動機的研製，現正在進行其第五代發動機的研製工作。X發動機已經驗證了在轉子活塞發動機中的最高壓比，這家位於康涅狄格州布龍菲爾德的公司已經獲得了DARPA提供的資金，建造和測試一個30千瓦（40馬力）壓燃發動機的核心——X4，該發動機具有應用于飛機的潛力。

DARPA項目經理馬克·古斯塔夫森表示：「DARPA認為，這裡存在發展出一個高效、緊湊、輕量重油發動機系列的可能性。如果這個項目完全成功，將提供概念證明，證明我們具有挑戰性的目標是可實現的，並為可用於地面、空中和海上的潛在新能力鋪平道路。」

最初瞄準無人機，以及地面動力的X4是一個四衝程重油「逆轉子」發動機。

X發動機的主要創新點

液體活塞公司發展了一個新的熱力循環，稱為高效混合循環，設計了X發動機，類似內外對調的萬克爾（Wankel）轉子發動機，不是一個三角形的內部轉子加橢圓形的外殼，它有一個橢圓形的轉子，外殼則為三角形，發動機只有兩個活動部件。高效混合循環（HEHC）是一個四衝程循環。燃料/空氣混合氣通過轉子進入X發動，被壓縮和點燃，利用定容燃燒提高效率，燃燒後的氣體過膨脹後通過轉子排出。

在萬克爾發動機中，進氣口和排氣口都在外殼上，當轉子旋轉時就會打開。壓縮和膨脹容積是相同的。在HEHC循環中，膨脹容積更大，過膨脹可以從發動機中獲得更多的能量。

在萬克爾發動機中，三角形轉子頂端的密封片在轉子旋轉過程中，在設置於轉子頂端的密封槽中高速進出，不易潤滑，潤滑油被混合到發動機的進氣中，但其中90%被燒掉。液體活塞公司CEO和共同創始人亞歷山大·施科尼克表示：在X發動機中，頂部和轉子活塞側面的密封都安裝在固定外殼上，並直接潤滑。

在DARPA項目的第一階段，目標是演示0.75升X4發動機的結構完整性。重油運轉比液體活塞公司的首個發動機——X-Mini——需要更高的壓力，X-Mini發動機為70毫升火花塞點火發動機，其壓比為9:1，燃燒室壓力達30～35bar（1bar=100000Pa）。

「高效率的重油發動機需要高壓比。我們建造了40馬力的X4的核心，並驗證了高達26:1的壓比，」施科尼克還說：「目標是證明我們可以在約110bar的壓力下運行。我們已經在自然吸氣，沒有增壓器的情況下達到在150bar下運行。」

第二階段投資250萬美元，將DARPA用於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動機核心的功率和效率上。施科尼克表示：「目標是在一個有代表性的基礎發動機而不是一個完整的發動機上，達到30千瓦功率和40%～45%的制動效率，只是發動機核心。」

施科尼克表示：常規等效30千瓦柴油發動機在峰值功率情況下，一般其制動效率為33%～34%。液體活塞公司的終極目標是在峰值功率下達到45%的效率。同時X發動機相對於柴油機，在部分功率狀態下具備更大的優勢，傳統柴油機在部分功率時效率一般會大幅下降。在傳統的狄塞爾循環中，注入一半的燃料會產生一半的能量，但在較低的壓力下效率較低。他說，X發動機提供了一種替代的控制策略，稱為跳躍點火。隨著轉子、軸和配重作為一個大的飛輪，燃料只在一半的時間內噴入。注入的燃料仍然在壓縮峰值燃燒，在跳過的循環中，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，但這不是一個嚴格要求的交付物。重點是證明功率和效率，」施科尼克表示，「在第1階段，我們生產了一個不帶冷卻的核心發動機，沒有要求很完善的設計，主要是為了驗證發動機的基本運轉。在第2階段，我們增加了冷卻器，使其在一個穩定的狀態下運轉。我們才剛剛開始功率和效率的測試。」

由於只有一個核心發動機正在測試，雖然液體活塞公司不會在這一階段證明，但其目標是發動機功重比達到約1.62到2.43千瓦/千克（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）。這與相應柴油發動機的0.1～0.2馬力/磅（約合0.162到0.324千瓦/千克）相比，將減少5～10倍的體積和重量。而燃油效率優於重型柴油卡車發動機，是汽油發動機在典型工況下的兩倍。

下一步計劃

小型高效重油發動機可以賦予小型無人機更大的潛力，使其攜帶更重的載荷執行時間更長的任務；還可以通過降低混合動力電推進系統的重量，克服電池的局限性，加速新興電動飛機市場的發展。因此，新型轉子重油活塞發動機具備在無人機和混合動力飛機市場廣闊的應用前景。

液體活塞公司正在繼續發展X-Mini發動機，根據與美國陸軍合作的一項計劃，陸軍正在開發一種混合電力的牽引式加農榴彈炮，其中使用70毫升、火花塞點火的發動機驅動發電機，發動機可產生3馬力功率，在項目完成時，可能會達到產生5馬力功率。X-Mini的一個演示發動機已經在一輛卡丁車上進行測試了，以其1.8千克的重量代替原有的18千克重的6馬力活塞發動機。X-mini是在X4之前發展的，技術成熟度已達6級，目標是達到技術成熟度7級，並準備在2019年3月之前轉入生產。該公司的業務戰略是與製造商合作，將其技術授權給發動機製造商，自己不會裝備加工機械生產發動機，然後為特定的用途提供設計不同版本發動機的服務。

液體活塞發動機公司也正在推進X4重油發動機的研發，用於電動垂直起降（eVTOL）空中計程車的混合動力電推進系統。引用優步對更高能量密度電池可用性「非常積極」的假設，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，並用我們的40馬力發動機替換它們，使用一個完整的發電系統加上36磅的燃料共100到150磅，將可以替代2000磅電池。一個小的電池加上一個緊湊的發動機將會帶來巨大的優勢。」施科尼克認為城市空中計程車快速周轉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。在垂直起降機場為這些空中計程車充電將需要兆瓦級的電力，而我們的發動機是更加方便實用的動力裝置。」

液體活塞公司也在考慮其X發動機的潛力，在200馬力級別，作為飛機上的輔助動力裝置（APU）。施科尼克表示：「與渦輪基的輔助動力裝置相比，使用我們的發動機，佔用更小的空間，重量基本相同，可帶來4倍的燃油效率提高。」

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