紧凑、高效的重油活塞发动机在小型无人机市场有着巨大的发展潜力，可使无人机携带更重的载荷飞行更长的时间。利用重油活塞发动机发展的混合电推进系统质量更轻，可以克服电池因为能量密度不足而导致质量偏大的限制。

液体活塞（Liquid Piston）公司是美国康涅狄格州布卢姆菲尔德市的一家初创公司。在美国国防预先研究计划局（DARPA）的支持下，该公司正在开发一种新型重油转子发动机——X发动机。X发动机的体积和质量只是传统柴油发动机的1/10，而燃油效率是燃气涡轮发动机的2倍。

X发动机的技术创新

以煤油为代表的重油比航空汽油更容易处理和获取，因而是运营商的首选。但传统的重油发动机质量大、效率低，要发展轻质、高效、紧凑型的重油活塞发动机极具挑战性。液体活塞公司提出了一种新的热力循环方式，称作“高效混合循环”（HEHC），在此基础上设计的X发动机类似内外对调的汪克尔（Wankel）转子发动机。汪克尔转子发动机是目前主流的转子发动机结构形式，由一个椭圆形的外壳包裹着一个三角形的内部转子。而X发动机则刚好相反，由一个三角形的外壳包裹着一个椭圆形的转子，发动机只有两个活动部件。

X发动机采用的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，燃烧后的气体膨胀后通过转子排出。在汪克尔发动机中，进气口和排气口都在外壳上，当转子旋转时会打开，压缩和膨胀容积是相同的；而在HEHC中，膨胀容积更大，过膨胀的方式可以从发动机中获得更多的能量。

在汪克尔转子发动机中，三角形转子顶端的密封片，在转子旋转过程中始终与缸体进行高速的摩擦，润滑困难，润滑油被混合到发动机的进气中，其中90%被烧掉。而X发动机的顶部和转子活塞侧面的密封都安装在固定外壳上，可直接润滑，其润滑要比汪克尔转子发动机容易得多。

相比于柴油机，X发动机在部分功率状态下具有更大的优势，传统柴油机在部分功率时效率通常会大幅下降，而X发动机的效率则下降较少，原因是在传统的狄塞尔循环中，注入一半的燃料会产生一半的功率，但这时压力较低，使得效率也较低。X发动机则采用了一种新的控制策略——跳跃点火，转子、轴和配重形成一个大的飞轮，每隔一个循环，注入一次燃料。X发动机采用压燃点火方式，注入的燃料仍然是在压缩峰值燃烧，在跳过的循环中，未燃烧的空气用来冷却燃烧室壁，提取废热做有用功。这可以带来一个较为平坦的效率曲线，效率降低较少；同时对发动机冷却的要求也更低，进而可以使用更小的散热片。

X4发动机

自2015年以来，液体活塞公司便在DARPA的支持下开始研制X4发动机，作为研制30kW柴油X发动机的试验平台，X4发动机拥有极高的功重比，其目标是2.43kW/kg，同等质量下功率超过标准柴油发动机10倍。公司的目标是创建一个可靠的试验平台，以支持其X发动机架构优化和高效混合循环，目前该项目已经进行了第一阶段和第二阶段。

第一阶段，液体活塞公司于2015年获得了DARPA的350万美元投资，目标是演示验证0.75L X4重油转子发动机的结构完整性。公司制造了X4发动机的核心模块，压比达到26∶1，其目标是证明X4发动机可以在约11MPa的燃烧室压力下运行，在不带增压器的自然吸气情况下，燃烧室压力可以达到15MPa。而公司正在开发的其首型发动机X-mini——0.07L 70cc的火花塞发动机压比只有9∶1，燃烧室压力为3～3.5MPa。

第二阶段，液体活塞公司于2016年获得了DARPA价值250万美元的合同，重点是验证发动机核心模块的功率和效率。一台等效功率为30kW的传统柴油发动机达到峰值功率时的制动效率为33%～34%，而液体活塞公司的最终目标是将这一数值提升到45%。这一阶段虽然只测试X4发动机的核心模块，但目标是使发动机功率质量比达到1.62～2.43kW/kg，相对于相似发动机0.162～0.3243kW/kg的功率质量比，X4尺寸和质量将降到只有类似发动机的1/10～1/5。

X发动机的应用

液体活塞公司正加紧X发动机的研制，用于eVTOL飞行器的混合电推进系统。一台29.8kW发动机加上发电系统共计45～67.5kg，再加上16.2kg的燃油，将可以替代900kg电池所提供的动力。同时，还可以解决在垂直起降机场为eVTOL飞行器的电池快速充电的棘手问题。

除了eVTOL飞行器， X发动机还可用作飞机辅助动力装置(APU)。X发动机的燃油效率4倍于常规涡轮基APU，而且在质量基本相同的情况下，X发动机的体积更小。                                  

(廖忠权，中国航发研究院，高级工程师，主要从事航空发动机前沿技术探索和产业发展研究)