1 概述

在低空小载重领域，大多数无人机动力系统为锂电池且机型多为多旋翼。而在低空大载重领域，无人直升机和固定翼的动力大多是二冲程或四冲程的活塞发动机。近年来，随着无人机应用越来越广，探索范围越来越大，活塞发动机在高空领域一直存在功率不足等问题。如何通过先进手段去解决这一问题，是目前亟待攻克的难题。

表1 航空活塞发动机

在低空长航时的航测无人机，普遍采用的是二冲程或四冲程航空活塞发动机，标配为化油器、风冷、自然式吸气。这种方式有结构简单、重量较轻、功重比大等优点。但是由于采用风冷散热形式，想优化改进大幅度提高高空特性比较困难，有三方面改进手段：一是化油器可改成电喷的形式，能略微提高一定的飞行高度，二是风冷改水冷，会增加了不少重量导致功重比降低。三是使用涡轮增压，会增加一部分重量且也只能小幅度提高功率。

2 活塞发动机主要参数

2.1 功率与扭矩

将发动机功率、扭矩与发动机曲轴转速之间的函数关系以曲线表示，此曲线称为发动机转速特性曲线，扭矩输出越大越平稳，发动机动性能越好。功率是决定无人机的飞行性能的综合指标，体现在无人机可以飞多快，同时，也是无人机载重能力的表现。无人机提高飞行速度时，发动机功率一直在不断增加，直到发动机转速到达极限转速，再继续增加油门量，无人机飞行速度也无法提升。但是，无人机最快速度同时也受到旋翼系统的制约。

图1 发动机功率扭矩曲线

2.2 功重比

活塞发动机的功重比是衡量发动机的重要指标，功重比越大，性能越好。

2.3 压缩比

活塞处于下止点时气缸有最大容积，用V1表示；活塞处于上止点时气缸内的容积称为燃烧室容积，用V2表示。压缩比ε=V1/V2，无人机用汽油发动机的压缩比一般为6-10，压缩比的提高会对发动机的强度、热负荷产生影响，适当的提高压缩比，基本都是通过减小燃烧室的容积的方法来提高气缸的最高燃烧压力，也就是提高了对活塞的推力，同时采用高辛烷值的燃料，在不降低发动机转速的情况下来提高发动机功率，但过多的改变压缩比，会产生爆燃现象，对发动机造成较大伤害，缩短发动机的寿命。常用的方法有更换较薄的气缸垫、消磨气缸盖、改装活塞等。对于涡轴发动机，航空小涵道发动机压缩比要小于高涵道，现役先进高涵道比涡扇发动机，其总压缩比达到40-50的水平。

图2 压缩比示意

2.4 热负荷

同等量级发动机进一步优化受到限制的主要因素是发动机热负荷，热负荷直接影响发动机的耐久性、可靠性和经济性。一般情况下，小型活塞发动机稳定工作缸温范围：120℃~250℃，排气管温度范围：550℃~700℃。

热负荷一方面取决于发动机设计时的零件材料的热强度以及缸体的散热设计，另一方面取决于发动机外散热形式，其散热方式有两种风冷和水冷，两者相比，风冷散热效果不如水冷，水冷的重量比风冷大，风冷与水冷的选择必须按照发动机使用要求。在起飞重量50kg以上的无人机一般都考虑水冷的方式，可以选择功率更大的发动机来承担水冷的水箱、冷却液需要的重量的功率。

图3 热负荷示意图

2.5 油耗

发动机耗油率即发动机每1千瓦小时所消耗的燃料量。无人机在巡航时所达到的要求，一般情况下，较为理想的油耗为0.35L/kwh。但发动机实际使用过程中一般油耗范围为0.5-1L/kwh，影响油耗的因素主要有：滑油上升，滑油下降，运转润滑油条件等，滑油上升是需要改变活塞环、活塞、气缸等来实现，相对比较困难；滑油下降是由于进气系统导致的，可以改进发动机进气系统和通过重新标定来实现低油耗；需要保障发动机具有良好的运作条件。

实现高空四冲程活塞发动机燃烧的可以通过是修改化油器与机油预热或电喷与机油预热，需要对对曲轴箱体进气道的改进，加热机油的目的是提高燃烧室内润滑度，可以提高燃油雾化效果和启动性能，从而降低油耗。进气道改进的关键在于要提高节气门阀的进气效率，即改进节气门的直径。结合节气门位置传感器、伺服舵机、喷嘴、油泵、油路等器件综合优化。另外，采取电加热和对机油壶保温的方式保证机油低温能够正常工作。对于二冲程发动机，一般机油与燃油进行按一定配比预先混合，可以减少机油系统的故障，提高燃烧效率。

图4油耗示意图

3 活塞发动机其他关键参数

3.1 振动

为发动机设计相应安装支架，需要正确的按照发动机手册进行安装，根据所选的发动机确定安装孔位。来确定发动机安装支架的安装孔位，对于发动机减震设计，对于小型活塞发动机一般采用现有橡胶减震和阻尼器减震的方式，通过测定振动数据，来判断减震是否合理。一般地，使用活塞发动机的无人机振动较大，需要采取有效的减震手段来减少发动机传递给机体的振动，其振动范围加速度不超过±5m/s2。

图5减震橡胶

3.2 排气管

根据无人机总体布局来放置（设计）排气管。其作用就是排除燃烧的废气和消音。主要性能参数在额定工作状态下，排气系统产生的排气背压不大于该发动机技术参数所规定的值。在一定程度上排气管性能上的优化能略微提高发动机功率，其技术指标应符合国家规定的航空发动机尾排放和噪声指标。

3.3 供电系统

发动机启动可以分为手拉式启动和电启动，电启动需要配置直流启动电机，启动电机由蓄电池供电通过继电器开来控制启动电机开启。然后起动电机的齿轮啮入发动机曲轴齿轮，以带动发动机起动。发动机运转后，可以带动发电机运转，发电机发出的电能再存储到蓄电池内。

发动机蓄电池最好有备份电池，重要机载设备的供电最好有备用电池且与发动机电源分开，避免因发动机故障影响机载设备供电。

4 活塞发动机涡轮增压

涡轮增压可以提高发动机高空性能，即提高发动机的功率和实用升限，在高空，涡轮增压可以恢复到发动机90%功率；在低空，涡轮增压能够提高发动机30%功率。涡轮增压技术普遍运用的四冲程的航空发动机中。例如奥地利的ROTAX914、莱康明O-360发动机等。涡轮增压器一端接在发动机排气管附近，利用发动机排出废气的能量驱动上下同轴的涡轮叶片转动。废气轮转动带动增压轮转动，增压轮转动就能吸入大量新鲜空气，吸入的新鲜空气再从另一端沿管道进入在发动机进气口。

显然地，涡轮增压是一种强制进气系统，使用涡轮增压后，进气量和燃油量需要重新标定，且需要调适当调整压缩比，来防止发动机出现爆震。然而发动机采用涡轮增压后，还会带来发动机热负荷增加的问题。因此，散热和重量是两个相互矛盾且统一的问题。

图6 涡轮增压示意图

5 活塞发动机电喷

电喷能有效的解决燃油雾化，提供比化油器更好的雾化效果，提高燃烧效率，使得发动机的环境适应性更高。主要主组成有：CEU系统、节气门阀体系统、供油系统、传感器系统、点火系统等。

5.1 ECU

ECU是发动机的中央控制单元，在发动机在运行时，ECU通过采集各传感器的信号进行运算，并将运算的结果转变为控制信号输出，通过CAN总线与飞控进行数据交互。发动机改进后需要在模拟发动机实际工的情况下测定，必须做试车架带负载，ECU需要重新调校、数据标定，即给定发动机合适的空燃比、点火提前角（正时）、油温、油压、节气门舵机、各种补偿值等。调校完成后ECU能够按既定各种发动机工况程序计算喷油量，控制喷油执行器调整喷油量和控制点火器调整点火提前角度。

5.2 点火系统

点火系统一般采用CDI点火，它采用电容器和可控硅二极管电路形式代替触点开关等机械形式。无接触点火，降低成本。CDI是一种简单化的磁电机，可以确保具有更好的点火效果，提高点火工作的可靠性。

5.3 传感器

根据发动机需要选择匹配的传感器，和发动机工作相关的传感器主要5大类，压力传感器（进气、大气压力、油压），温度传感器（进气、缸头），位置传感器（节气门、凸轮轴），转速传感器，爆震传感器。各个传感器作用是将采集的数据，发送给ECU。ECU通过数据融合来控制发动机的正常工作，另外还需加氧气传感器。来提高发动机机动性和高海拔性能。

6 活塞发动机总体选型计算

对于固定翼无人机而言，首先通过设计或称重的方式评估最大起飞重量G，然后根据无人机的升阻比查询固定翼翼型表结合现有翼型和面积在多少速度v1可以产生最大起飞重量G，结合螺旋桨效率按70%计算出平飞所需要的的功率w1。其次根据无人机爬升率v2要求，计算出爬升所需功率w2，还要估算发动机自身功率损耗和滑跑等功率损耗20%左右。最后算出无人机的总共需用功率。对于小型垂起固定翼无人机，只需要计算平飞和发动机功率损失即可，起飞所需的功率一般是由锂电池提供。

图8 火力侦察兵直升机

无人直升机的旋翼-传动-发动机扭转系统较为复杂，既关系到旋翼系统的动力学和气动升力，又关系的传动的功率损失，还关系到发动机扭转特性。需要通过大量的设计分析试验来计算出发动机的控制传递函数，进行迭代计算。总体而言，在直升机最大起飞重量100-600kg的量级无人直升机，所需最大起飞重量与发动机的功率比为4.8-8.5kg/kw。

7 结语

虽然改进和优化能够提高活塞发动机的性能，但是活塞发动机仍然具有一定的局限性，活塞发动只适用于低空低速小载重无人机（相比有人机）。在载重能力上、油耗、高空性能上都无法与涡扇发动机相比。目前，活塞发动机成本相对较低，但故障率相对较高，需要定期维护。无人机的动力形式一直是无人机的核心问题，相信在不远的将来，无人机动力具有更清洁、更安全、更简单、效率更高、应用领域更广的能源形式。