夏南龍 XIA Nan-long；張文建 ZHANG Wen-jian；張眾杰 ZHANG Zhong-jie；劉瑞林LIU Rui-lin

（陸軍軍事交通學院，天津300161）

摘要：在活塞式無人機發動機高空性能模擬試驗臺上，進行了0-7000m海拔下的發動機性能試驗，分析了海拔高度變化對活塞式無人機發動機的動力性、經濟性性能影響規律。結果表明：隨海拔上升，對置活塞汽油機的動力性下降，輸出功率和轉矩逐漸減小；汽油機的最大轉矩對應轉速逐漸右移；對置活塞汽油機的經濟性下降，燃油消耗率逐漸增大，熱效率逐漸降低，且在高海拔、低轉速工況下，這一趨勢更加明顯。

關鍵詞：無人機；汽油機；高海拔

0 引言

無人機駕駛飛機是指依靠空氣動力飛行、無需駕駛人員、采用自主導航或遙控駕駛、攜有有效負載的飛行器，簡稱無人機（Unmanned Aerial Vehicle，縮寫 UAV）[1]。其中活塞式發動機無人機因其高空性能較好、能夠執行察打一體任務，更是成為當今各國軍方企業研究的熱點[3]。

我國無人機產業發展迅速，彩虹、翼龍等無人機型已逐步應用并實現對外出口，2015年10月，伊拉克庫特空軍基地中出現了1架“彩虹-4B”型無人機，據相關報道，“彩虹-4B”型無人機已經投入使用并執行打擊ISIS恐怖分子的任務。然而，國產無人機雖然飛行性能不斷趕超，但是“無人機心”——活塞式無人機發動機卻一直依靠進口，高性能發動機研制問題遲遲得不到解決。目前，活塞式無人機發動機基本以被奧地利Rotax系列發動機所壟斷。活塞式無人機發動機高空運行時，缸內進氣量減少，燃燒質量惡化，發動機動力性、經濟性下降，同時，高空條件下，空氣溫度下降，密度降低，發動機熱負荷上升，高溫零部件熱應力增大。開展活塞式無人機發動機高空性能研究對無人機發動機性能提升技術的研發具有重要意義[4]。

本文基于內燃機高海拔（低氣壓）模擬試驗臺[5-6]，對無人機發動機高空運行時的冷卻環境進一步模擬，搭建了活塞式無人機發動機高空性能模擬試驗臺，進行了0-7000m海拔下的發動機性能試驗，分析了海拔高度變化對活塞式無人機發動機的動力性、經濟性影響規律。

1 試驗系統

性能試驗在活塞式無人機發動機高空性能模擬試驗臺上進行，試驗系統組成如圖1所示。試驗臺由進排氣低壓模擬系統、高空冷卻環境模擬系統、發動機狀態監測系統以及發動機控制系統等組成，可實現模擬0-7000m海拔下活塞式發動機進排氣壓力模擬、高空冷卻環境模擬，并能夠監測發動機動力性、經濟性以及熱負荷性能參數。

試驗用無人機發動機為Rotax-914對置活塞式汽油機，主要技術參數見表1。

表1 Rotax-914汽油機技術參數

試驗中航空發動機的高空進排氣模擬采用進排氣低氣壓模擬系統來完成，該系統通過進氣節流和排氣抽真空的方式，實現汽油機高空條件下的進排氣壓力模擬。圖2為進排氣低壓模擬系統實物圖。

活塞式航空發動機對工作環境，尤其是對冷卻液溫度、進排氣溫度等參數具有較為嚴格的要求，表2為對置活塞汽油機工作狀態監測系統實時監控的參數及監控儀器，共有溫度參數監測點6個、壓力參數監測點3個、流量參數監測點3個。（表2）

2 高空環境對發動機動力性、經濟性影響結果分析

隨著海拔升高，空氣密度降低，活塞式航空發動機缸內進氣量減少，缸內燃燒質量惡化，直接影響發動機的動力性和經濟性。

由圖3、圖4可以看出，隨著海拔升高，活塞式航空發動機的動力性變化規律呈現以下特點。

圖1 活塞式無人機發動機高空性能模擬試驗系統圖

圖2 進排氣低壓模擬系統實物圖

圖3 不同海拔輸出轉矩曲線圖

圖4 不同海拔輸出功率曲線圖

對置活塞汽油機的輸出轉矩和功率隨著海拔升高而減小，且海拔愈高，汽油機轉矩和功率減小的幅度愈大。與0m海拔相比，海拔上升1000m，汽油機的輸出功率、轉矩分別下降11.25%和12.5%。與低海拔條件（0-2000m）相比，在高海拔條件（4000m-7000m）下，發動機輸出功率和轉矩減小的幅度變大。在0-2000m海拔下，海拔上升1000m，功率下降3.8%，轉矩下降5.4%；而在4000m-7000m海拔下，海拔上升1000m，功率下降15.3%，轉矩下降16.8%。

表2 對置活塞汽油機狀態監測參數及儀器

與高轉速區域相比，汽油機在低轉速區域輸出功率和轉矩隨海拔升高下降的幅度更大。在3500r/min的轉速下，海拔每升高1000m，汽油機的輸出功率和轉矩分別平均下降33.9%、33%；在5000r/min下，海拔升高1000m，汽油機的輸出功率和轉矩分別平均下降6.1%、5.8%。在0-2000m海拔下，汽油機的工況為4500r/min-5500r/min時，汽油機的輸出功率和轉矩隨海拔基本不變。這是因為渦輪增壓器在0-2000m海拔下，進氣密度雖然降低，但高轉速時能夠達到增壓器的增壓閾值，當海拔超過2000m時，由于大氣密度下降較大，增壓器的增壓效果無法完全彌補進氣量的減少量。

汽油機的最大轉矩點轉速隨海拔上升而發生右移（往高轉速工況移動）。在0-2000m海拔下，最大轉矩對應轉速為4500r/min，在3000m-4000m海拔下，最大轉矩對應轉速為4750r/min，在5000-6000m海拔下，最大轉矩對應轉速為5250r/min。

圖5 不同海拔燃油消耗率曲線圖

從圖5可以發現，海拔升高，汽油機的燃油消耗率逐漸增大，且在高海拔、低轉速工況下，增加幅度明顯。在低轉速工況（3500r/min-4000r/min）下，海拔升高1000m，燃油消耗率增加14.4%；在高轉速工況（4500r/min-5500r/min）下，海拔上升1000m，燃油消耗率增加2.8%。這是因為在高海拔、低轉速工況下，缸內進氣量嚴重不足，缸內燃燒質量不佳，增壓器因為轉速太低造成壓比變小、補償效果不佳，使得汽油機的輸出功率在高海拔下下降明顯；而在高轉速工況下，燃氣能量增大，廢氣膨脹比增大，渦輪機中的焓降比低轉速高，導致壓比增加，缸內燃燒相對比較充分，燃油消耗率較小。

3 結論

基于自主搭建的對置活塞汽油機高空性能模擬試驗臺，進行了0-7000m海拔下對置活塞汽油機高空性能模擬試驗，分析了汽油機100%節氣門工況下動力性、經濟性性能的變化規律。得到以下主要結論：

①隨海拔上升，對置活塞汽油機的動力性下降，輸出功率和轉矩逐漸減小。海拔升高1000m，汽油機輸出功率和轉矩平均下降11.25%和12.5%。與高轉速工況相比，汽油機在低轉速工況輸出功率和轉矩隨海拔升高下降的幅度更大。在3500r/min的轉速下，海拔升高1000m，汽油機的輸出功率和轉矩分別平均下降33.9%、33%；在5000r/min下，海拔升高1000m，汽油機的輸出功率和轉矩分別平均下降6.1%、5.8%。

②隨著海拔升高，汽油機的最大轉矩對應轉速逐漸右移，在0-2000m海拔下，最大轉矩對應轉速為4500r/min，在5000-6000m海拔下，最大轉矩對應轉速為5250r/min。對置活塞汽油機高海拔下的轉矩適應系數、轉速適應系數要優于普通車用發動機，克服阻力的能力較高，這與增壓器的聯合運行線相關。增壓器的增壓效率隨海拔升高先上升后下降，且在2000m海拔下增壓效率達到最高為0.73。

③隨海拔上升，對置活塞汽油機的經濟性下降，燃油消耗率逐漸增大，熱效率逐漸降低，且在高海拔、低轉速工況下，這一趨勢更加明顯。海拔每升高1000m，在低轉速工況（3500r/min-4500r/min）下，燃油消耗率增加14.4%；在高轉速工況（4500r/min-5500r/min）下，燃油消耗率增加約2.8%。

參考文獻：

[1]《世界無人機大全》編寫組．世界無人機大全[M]．北京：航空工業出版社，2004：1-4．

[2]牛釗文，周斌，展靖華，等.可變壓縮比技術的研究與展望[J].內燃機，2010（4）：44-46.

[3]王樹源．國外軍用無人機發展現狀及趨勢[J]．硅谷，2014，18（162）：5-7．

[4]朱寶鎏．無人飛機空氣動力學[M]．北京：航空工業出版社，2006：1-6．

[5]劉瑞林．柴油機高原環境適應性研究[M]．北京：北京理工大學出版社，2013：1-4．

[6]劉瑞林，周廣猛，張眾杰，等．電控高壓共軌柴油機高海拔性能試驗研究[J]．熱科學與技術，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

作者簡介：夏南龍（1994-），男，廣東揭陽人，碩士研究生，研究方向為軍用動力機械環境適應性。

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