摘要：航空活塞发动机和螺旋桨组合作为动力装置，具有低速飞行耗油率低、价格便宜等优点，被广泛应用于中空长航时无人机。无人机的可靠运行与发动机稳定的燃烧和热负荷等因素息息相关。其中，发动机冷却系统性能对发动机运行状态有着十分重要的影响。若发动机冷却不足，发动机缸头对进气混合气的增温作用会增加发动机爆震的概率，影响运行安全。若发动机冷却过度，会导致燃烧室内温度及混合气体温度过低，使燃油雾化效果变差，进而降低燃料经济性.

关键词：无人机；动力装置；航空活塞发动机；重油活塞发动机

引言

近几十年来，航空燃料由于其燃烧、雾化和低温机动性的特点，一直是航空活塞的主要发动机，但由于其蒸汽压力高、闪点低和挥发性高的饱和特性，因此容易受到环境温度爆炸的影响 特别是在军事领域，它限制了欧洲和美洲国家禁止使用含铅燃料的期限，并禁止在军舰等军事设备中使用航空燃料。

1系统组成及传热原理

典型的航空活塞发动机冷却系统架构，冷却液在冷却液泵的驱动下进入发动机冷却水套，利用自身热容吸收发动机缸内燃烧产生的热量。随后，冷却液进入节温器，与节温器感温材料对流换热，节温器根据其温度情况调节流经散热器的冷却液流量。在散热器中冷却液与散热器芯体对流换热，同时散热器芯体与冷却空气对流换热。流经散热器的冷却液与通过旁路的冷却液在经过热量交换之后返回冷却液泵。为便于工程应用，对发动机冷却系统传热过程做出以下简化和假设：（1）将冷却液、散热器芯体、来流空气的温度参数视为集总参数;（2）忽略散热器壁面的热传导;（3）忽略冷却液管路与外界的换热。

2无人机动力装置种类及特点

作为无人机的核心，其性能在很大程度上决定了无人机的整体性能。推进装置的选择取决于飞行高度、飞行时间和无人机飞行任务等因素。目前活塞发动机适用于低速、中、低空侦察，飞机起飞质量约为数百公斤，主要有目标飞机、侦察无人机、高速无人机等。摆线发动机适用于低空和中等高度飞行的无人驾驶飞机，飞机起飞质量1000公斤，如无人驾驶飞机和旋转旋翼无人驾驶飞机；涡轮推进发动机适用于长时间中高空飞行的无人驾驶飞机，飞机起飞质量达到3000公斤；风扇电机可用于高空高速飞行的无人机，起降重量可达十吨以上；涡旋发动机适用于中低空飞行的无人机，飞机起飞质量为2500公斤，主要有目标、高速无人侦察机、攻击无人机等。微型发动机适用于微型无人驾驶飞机，起飞质量可低于100克，用于民用、航空摄影、监测、研究等。

3中冷系统对航空活塞发动机性能的影响

由于增压后空气温度在中冷系统内得到显著降级，冷系统结构入气缸的空气质量增加，这对增压系统性能及航空活塞发动机性能产生一系列影响。１）可以增加发动机循环喷油量，使发动机有更多的燃料化学能转换为热能，进而增加了动力性。增压中冷技术使得航空活塞发动机在临界增压高度以下最大输出功率一直恒定不衰减，在临界增压高度以上功率衰减速率下降；２）增加了空气质量，使得燃油喷雾与空气更好得掺混，从而使之燃烧更加充分，改善了发动机的燃油经济性；３）降低发动机进气温度使得发动机缸内最高燃烧温度及排温均明显降低，即中冷系统降低了增压系统及发动机的热负荷，提升了整机的可靠性。

4无人机用航空活塞发动机关键技术

4.1无人机往复式活塞发动机喷雾燃烧进展

单重燃料的使用是无人机推进系统未来发展的必然趋势。航空活塞发动机中重油的使用不同于传统的石油化工行业，后者专门指燃烧煤油和柴油。由于重燃料油的密度、闪点和挥发性低于汽油，将其用作航空活塞发动机的燃料可以提高运输和储存的安全性，减少爆炸和燃烧的风险，这对于军事行动中使用的无人驾驶飞机尤其重要。此外，使用重油有几个好处：物流更加简单；提高燃料的一致性；高度特性（高度特性是指发动机推力与燃料消耗之间的关系，取决于特定飞行速度的飞行高度或赛马数量、发动机工作状态和控制规律）。你最好等一下。但重油也存在以下缺陷：重油的运动学粘度高于汽油，饱和蒸汽压力较低，可能导致油雾化，发动机冷启动困难，燃烧质量下降；重油的辛烷值比汽油低得多，抗爆性低，易爆炸，功率低；重油的闪点和燃烧点高，挥发性低，使燃烧更加困难。为了解决上述问题，研究者们做了很多相关的研究工作。

4.2中冷器安装及管路设计

在中冷器的安装设计中需充分考虑发动机振动环境以及中冷器的受热膨胀变形，因此在中冷安装点处应考虑减震设计，在中冷器与进气道之间也要考虑减震及密封设计。在中冷系统的管路设计中，需在管路内阻、以及耐温耐压和接头安装牢靠等多个方面进行考虑。即所选橡胶管、金属管、卡箍材质需耐受３００℃以上高温以及最大增压压力；管路内壁光滑并且减少转弯，在必须转弯的部位应依据管路尺寸选取合适转弯半径；在管路及接头连接处，应选取防松卡箍，并在金属接头处设置宝塔形贴合面，以防止管路脱落。

4.3高压共轨燃油喷射系统

航空活塞发动机高压共轨燃油喷射系统由电气控制单元（ECU）、传感器和执行器组成，其附件包括油轨、压力传感器和压力控制阀，高压油泵连续将高压燃油送入共管共轨管用于储油罐和保持油压，消除油压波动，各传感器将测量的实时运行参数与计算机上设置的地图进行比较，计算最佳喷油时间和喷油脉冲宽度，控制作为电控高压共轨燃油喷射系统的执行者，电控喷油器主要由喷油器、控制活塞、控制油量孔和控制电磁阀组成。采用压力-时间测量方法控制高速溢油电磁阀或压电晶体执行器的注入过程。

4.4起动工作原理

启动器内部构造模式是将电能转化为机械能，产生转矩驱动电机曲轴转动。当启动器电路连接时，启动器内同时发生两个动作：开关移动铁芯并拉叉，启动接触器关闭，启动器开始转动。叉推动离合器和单向驱动齿轮向右移动，转动的驱动齿轮与发动机的飞轮齿冠啮合，驱动齿轮起动此过程的是驱动齿轮，飞轮齿冠是驱动齿轮发动机成功起动后，飞轮齿冠转速大大高于驱动齿轮，飞轮齿冠成为驱动齿轮，因为存在单向离合器，驱动齿轮对驱动转子没有高速冲击作用电路断开时，启动器停止转动，同时开关的铁芯在复位弹簧的作用下返回其初始位置，叉将驱动齿轮拉出啮合状态。

结束语

目前，航空活塞发动机仍在无人机动力装置中占有重要地位。航空重油活塞发动机将有很大的发展机遇。本文总结了航空活塞发动机关键技术的研究进展，取得了以下主要进展和研究趋势：（1）重油雾化可以通过燃烧室优化结构、使用辅助喷油系统、砌块预热系统等措施进行优化2）航空重油发动机爆炸性能可通过预热室、直接注入缸内、较低进气温度和优化点火时间来提高。（3）可通过在重油中添加水和酒精等添加剂，在一定程度上优化燃烧性能；喷油参数和压缩速率等因素也可能对重油发动机燃烧性能产生重大影响。

参考文献：

[1]楼煌强，魏民祥，刘锐，季昊成，杨海青，常诚.航空活塞发动机用自增压喷嘴喷雾特性试验[J].航空动力学报，2020，35（12）： 2583-2592.

[2]姜楠，卢广超，梁永胜等.二冲程航空活塞发动机低压缸内直喷研究[C]//.中国航天电子技术研究院科学技术委员会2020年学术年会论文集.，2020：61-67.

[3]宋新，包勇，吴直龙.基于飞行数据的航空活塞发动机参数监控[J].中国科技信息，2020（21）：49+51.

[4]郑君.通用航空活塞发动机现状及发展趋势探讨[J].内燃机与配件，2020（19）：196-198.

[5]孙滔，石磊，张哲等.航空活塞发动机两级涡轮增压控制策略研究[C]//.第五届空天动力联合会议暨中国航天第三专业信息网第41届技术交流会论文集（第三册）.，2020：248-255.