活塞式无人机发动机高空性能模拟试验研究

无人机10086

2021年6月22日 10:19

夏南龙 XIA Nan-long；张文建 ZHANG Wen-jian；张众杰 ZHANG Zhong-jie；刘瑞林LIU Rui-lin

（陆军军事交通学院，天津300161）

摘要：在活塞式无人机发动机高空性能模拟试验台上，进行了0-7000m海拔下的发动机性能试验，分析了海拔高度变化对活塞式无人机发动机的动力性、经济性性能影响规律。结果表明：随海拔上升，对置活塞汽油机的动力性下降，输出功率和转矩逐渐减小；汽油机的最大转矩对应转速逐渐右移；对置活塞汽油机的经济性下降，燃油消耗率逐渐增大，热效率逐渐降低，且在高海拔、低转速工况下，这一趋势更加明显。

关键词：无人机；汽油机；高海拔

0 引言

无人机驾驶飞机是指依靠空气动力飞行、无需驾驶人员、采用自主导航或遥控驾驶、携有有效负载的飞行器，简称无人机（Unmanned Aerial Vehicle，缩写 UAV）[1]。其中活塞式发动机无人机因其高空性能较好、能够执行察打一体任务，更是成为当今各国军方企业研究的热点[3]。

我国无人机产业发展迅速，彩虹、翼龙等无人机型已逐步应用并实现对外出口，2015年10月，伊拉克库特空军基地中出现了1架“彩虹-4B”型无人机，据相关报道，“彩虹-4B”型无人机已经投入使用并执行打击ISIS恐怖分子的任务。然而，国产无人机虽然飞行性能不断赶超，但是“无人机心”——活塞式无人机发动机却一直依靠进口，高性能发动机研制问题迟迟得不到解决。目前，活塞式无人机发动机基本以被奥地利Rotax系列发动机所垄断。活塞式无人机发动机高空运行时，缸内进气量减少，燃烧质量恶化，发动机动力性、经济性下降，同时，高空条件下，空气温度下降，密度降低，发动机热负荷上升，高温零部件热应力增大。开展活塞式无人机发动机高空性能研究对无人机发动机性能提升技术的研发具有重要意义[4]。

本文基于内燃机高海拔（低气压）模拟试验台[5-6]，对无人机发动机高空运行时的冷却环境进一步模拟，搭建了活塞式无人机发动机高空性能模拟试验台，进行了0-7000m海拔下的发动机性能试验，分析了海拔高度变化对活塞式无人机发动机的动力性、经济性影响规律。

1 试验系统

性能试验在活塞式无人机发动机高空性能模拟试验台上进行，试验系统组成如图1所示。试验台由进排气低压模拟系统、高空冷却环境模拟系统、发动机状态监测系统以及发动机控制系统等组成，可实现模拟0-7000m海拔下活塞式发动机进排气压力模拟、高空冷却环境模拟，并能够监测发动机动力性、经济性以及热负荷性能参数。

试验用无人机发动机为Rotax-914对置活塞式汽油机，主要技术参数见表1。

表1 Rotax-914汽油机技术参数

活塞式无人机发动机高空性能模拟试验研究的图1

试验中航空发动机的高空进排气模拟采用进排气低气压模拟系统来完成，该系统通过进气节流和排气抽真空的方式，实现汽油机高空条件下的进排气压力模拟。图2为进排气低压模拟系统实物图。

活塞式航空发动机对工作环境，尤其是对冷却液温度、进排气温度等参数具有较为严格的要求，表2为对置活塞汽油机工作状态监测系统实时监控的参数及监控仪器，共有温度参数监测点6个、压力参数监测点3个、流量参数监测点3个。（表2）

2 高空环境对发动机动力性、经济性影响结果分析

随着海拔升高，空气密度降低，活塞式航空发动机缸内进气量减少，缸内燃烧质量恶化，直接影响发动机的动力性和经济性。

由图3、图4可以看出，随着海拔升高，活塞式航空发动机的动力性变化规律呈现以下特点。

活塞式无人机发动机高空性能模拟试验研究的图2

图1 活塞式无人机发动机高空性能模拟试验系统图

活塞式无人机发动机高空性能模拟试验研究的图3

图2 进排气低压模拟系统实物图

活塞式无人机发动机高空性能模拟试验研究的图4

图3 不同海拔输出转矩曲线图

活塞式无人机发动机高空性能模拟试验研究的图5

图4 不同海拔输出功率曲线图

对置活塞汽油机的输出转矩和功率随着海拔升高而减小，且海拔愈高，汽油机转矩和功率减小的幅度愈大。与0m海拔相比，海拔上升1000m，汽油机的输出功率、转矩分别下降11.25%和12.5%。与低海拔条件（0-2000m）相比，在高海拔条件（4000m-7000m）下，发动机输出功率和转矩减小的幅度变大。在0-2000m海拔下，海拔上升1000m，功率下降3.8%，转矩下降5.4%；而在4000m-7000m海拔下，海拔上升1000m，功率下降15.3%，转矩下降16.8%。

表2 对置活塞汽油机状态监测参数及仪器

活塞式无人机发动机高空性能模拟试验研究的图6

与高转速区域相比，汽油机在低转速区域输出功率和转矩随海拔升高下降的幅度更大。在3500r/min的转速下，海拔每升高1000m，汽油机的输出功率和转矩分别平均下降33.9%、33%；在5000r/min下，海拔升高1000m，汽油机的输出功率和转矩分别平均下降6.1%、5.8%。在0-2000m海拔下，汽油机的工况为4500r/min-5500r/min时，汽油机的输出功率和转矩随海拔基本不变。这是因为涡轮增压器在0-2000m海拔下，进气密度虽然降低，但高转速时能够达到增压器的增压阈值，当海拔超过2000m时，由于大气密度下降较大，增压器的增压效果无法完全弥补进气量的减少量。

汽油机的最大转矩点转速随海拔上升而发生右移（往高转速工况移动）。在0-2000m海拔下，最大转矩对应转速为4500r/min，在3000m-4000m海拔下，最大转矩对应转速为4750r/min，在5000-6000m海拔下，最大转矩对应转速为5250r/min。

活塞式无人机发动机高空性能模拟试验研究的图7

图5 不同海拔燃油消耗率曲线图

从图5可以发现，海拔升高，汽油机的燃油消耗率逐渐增大，且在高海拔、低转速工况下，增加幅度明显。在低转速工况（3500r/min-4000r/min）下，海拔升高1000m，燃油消耗率增加14.4%；在高转速工况（4500r/min-5500r/min）下，海拔上升1000m，燃油消耗率增加2.8%。这是因为在高海拔、低转速工况下，缸内进气量严重不足，缸内燃烧质量不佳，增压器因为转速太低造成压比变小、补偿效果不佳，使得汽油机的输出功率在高海拔下下降明显；而在高转速工况下，燃气能量增大，废气膨胀比增大，涡轮机中的焓降比低转速高，导致压比增加，缸内燃烧相对比较充分，燃油消耗率较小。

3 结论

基于自主搭建的对置活塞汽油机高空性能模拟试验台，进行了0-7000m海拔下对置活塞汽油机高空性能模拟试验，分析了汽油机100%节气门工况下动力性、经济性性能的变化规律。得到以下主要结论：

①随海拔上升，对置活塞汽油机的动力性下降，输出功率和转矩逐渐减小。海拔升高1000m，汽油机输出功率和转矩平均下降11.25%和12.5%。与高转速工况相比，汽油机在低转速工况输出功率和转矩随海拔升高下降的幅度更大。在3500r/min的转速下，海拔升高1000m，汽油机的输出功率和转矩分别平均下降33.9%、33%；在5000r/min下，海拔升高1000m，汽油机的输出功率和转矩分别平均下降6.1%、5.8%。

②随着海拔升高，汽油机的最大转矩对应转速逐渐右移，在0-2000m海拔下，最大转矩对应转速为4500r/min，在5000-6000m海拔下，最大转矩对应转速为5250r/min。对置活塞汽油机高海拔下的转矩适应系数、转速适应系数要优于普通车用发动机，克服阻力的能力较高，这与增压器的联合运行线相关。增压器的增压效率随海拔升高先上升后下降，且在2000m海拔下增压效率达到最高为0.73。

③随海拔上升，对置活塞汽油机的经济性下降，燃油消耗率逐渐增大，热效率逐渐降低，且在高海拔、低转速工况下，这一趋势更加明显。海拔每升高1000m，在低转速工况（3500r/min-4500r/min）下，燃油消耗率增加14.4%；在高转速工况（4500r/min-5500r/min）下，燃油消耗率增加约2.8%。

参考文献：

[1]《世界无人机大全》编写组．世界无人机大全[M]．北京：航空工业出版社，2004：1-4．

[2]牛钊文，周斌，展靖华，等.可变压缩比技术的研究与展望[J].内燃机，2010（4）：44-46.

[3]王树源．国外军用无人机发展现状及趋势[J]．硅谷，2014，18（162）：5-7．

[4]朱宝鎏．无人飞机空气动力学[M]．北京：航空工业出版社，2006：1-6．

[5]刘瑞林．柴油机高原环境适应性研究[M]．北京：北京理工大学出版社，2013：1-4．

[6]刘瑞林，周广猛，张众杰，等．电控高压共轨柴油机高海拔性能试验研究[J]．热科学与技术，2014，13（3）：265-269．

High Altitude Performance Simulation Test of Piston UAV Engine

（Military Transportation Institute，Tianjin 300161，China）

Abstract:In the piston-type UAV engine high altitude performance simulation test bench,the engine performance test was performed at an altitude of 0-7000m above sea level.The influence of altitude changes on the dynamic and economic performance of piston UAV engine was analyzed.The results show that as the altitude increases,the power performance of the opposed-piston gasoline engine decreases,and the output power and torque gradually decrease;the maximum torque of the gasoline engine corresponds to the speed gradually shifting to the right;the economy of the piston gasoline engine is decreased,and the fuel consumption rate gradually increases.Thermal efficiency is gradually reduced,and this trend is even more pronounced at high altitudes and low speeds.

Key words:UAV；gasoline engine；high altitude

作者简介：夏南龙（1994-），男，广东揭阳人，硕士研究生，研究方向为军用动力机械环境适应性。

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