小型風冷無人航模發動機散熱研究

陳銀龍 李 紅

（沈陽理工大學，遼寧 沈陽110159）

0 引言

隨著國家的低空領域的開放， 無人機在許多領域得到了擴展，而航模發動機作為無人直升機的核心部件，其冷卻性能好壞將直接影響無人直升機的性能，發動機設計得不好，散熱量不夠，會導致發動機充量系數下降，燃燒不正常，機油變質和油膜損壞，零件的摩擦和磨損加劇，引起發動機的動力性、經濟性、可靠性全面變壞，甚至造成拉缸和活塞燒頂，因此就需要對無人機的發動機進行進一步的研究。

3W 發動機用于固定翼無人直升機，為了進一步研究發動機性能指標， 做了發動機轉數標定的試驗。 實驗過程中發動機在4500r/min時突然產生高溫報警，在火花塞墊片處的最大溫度300°，發動機的功率曲線和扭矩曲線急劇下降，然后發動機熄滅。

1 3W 航模發動機散熱研究

研究發動機散熱的主要任務是保證發動機在合適的溫度狀態下工作,但是發動機的散熱狀況又是很復雜的，要對其做出精確計算是相當困難的，甚至也可以說是不可能的，只能通過理論計算和試驗驗證相結合的原則，再參考一些經驗數據和實驗數據對發動機冷卻系統進行設計。

針對3W 航模發動機出現的高溫報警和熄火的現象，展開了對其冷卻系統散熱的計算。因為缸體散熱的影響因素很多，為了便于計算，我們通過一些假定，建立數學模型進行計算，而后通過試驗驗證。 假定：①氣缸與空氣間的傳熱狀態是穩定的，實際運轉表明其正常工作時溫度場趨于穩定；②冷空氣流的速度均勻；③放熱率與溫度差成正比；④氣缸壁散熱且散熱面積是均勻的；⑤平均傳熱系數不變。

發動機氣缸周壁由氣缸蓋底面、活塞頂面和氣缸套的濕周表面所組成。 氣缸內的熾熱氣體通過氣缸周壁進行熱量傳遞[3-4]，經分析外部空氣與氣缸壁的傳熱方式為對流換熱，氣缸壁與氣缸內部高溫氣體傳熱方式為輻射換熱和對流換熱。

高溫氣體通過氣缸壁與大氣換熱量為：

發動機散熱所需冷空氣流量為:

其中：Cp——空氣定壓比熱，300K 時， 空氣的定壓比熱容Cp=1.005kJ/(kg·℃)；ta1——流向氣缸體的冷空氣溫度，實驗中大氣溫度為30°；ta2——離開氣缸體的冷空氣溫度，實驗中氣缸體周圍溫度為60°；γa——冷空氣密度； 我們一般采用的空氣密度是指在標準狀態下，密度為1.29 千克每立方米。

計算出發動機散熱所需冷空氣流量

通過計算知道渦輪風機帶走的熱量遠遠小于發動機所散發的熱量，發動機散出的熱量不能得到及時的冷卻，導致積累的熱量越來越多，當熱量到達數控臺所允許的極限值時，數控臺產生高溫報警，并對測功機發出指令迫使發動機停止運轉。 為了解決在試驗中出現的問題，提出增加輔助冷卻，即在發動機的后側曲軸輸出端各加了一個北京樽祥科技型號為KA238 的軸流式冷卻風扇。 風扇通過齒輪與曲軸輸出端嚙合連接。

2 實驗驗證及結果對比

增加了冷卻風扇后用QTS 品牌MFS-002 型溫度傳感器對火花塞墊片處的溫度重新進行測量，并與未增加冷卻風扇時發動機火花塞墊片處的溫度進行了對比，如圖1 所示。

圖1 增加冷卻風扇前后火花塞墊片處溫度對比

圖2 所示為油針高位5/4，低位11/8，混合比為1:35 的功率轉速對比圖，左圖為添加輔助冷卻前測得結果，右圖為增加輔助冷卻設備之后所測結果。

圖2 油針：高位5/4，低位11/8；機油燃油混合比：1：35 功率轉速對比圖

增加輔助冷卻后發現有如下特點：①如溫度對比圖所示增加冷卻風扇后發動機火花塞墊片處的溫度降低了83°，火花塞墊片處的最高溫度在210°左右，溫度下降了28%；②如功率轉速對比圖可知， 增加輔助風扇后發動機最高轉速達到7200rpm 時，發動機功率也不再下降；③未增加輔助風扇時發動機最大功率為14.2kW，增加輔助風扇發動機最大功率為16kW，功率上升了6.3%；④發動機即使在最高轉速下也不再產生高溫報警，在實驗過程中也沒有產生停機熄火現象。

3 結論

本文針對某小型航模發動機在實驗室內做性能測試實驗中出現的高溫現象進行研究，通過建立數學模型，確定發動機的散熱量以及保證發動機正常工作所需的冷卻風量， 對實驗設備做出改進之后，通過實驗所測的結果改進前的結果進行對比，驗證了建立數學模型的合理性。重新進行試驗得到未加冷卻風扇前造成發動機高溫現象的原因是因為渦輪風機不能及時有效的將熱量散去，使得缸體過熱，可燃氣體在氣缸內燃燒不正常，從而消耗了發動機大量的功率，使發動機轉數達到4000r/min 后急劇下降。 增加了機械冷卻風扇后發動機功率升高且高溫現象消失。

［1］吳兆漢.內燃機設計[M].北京理工大學出版社，1989.

［2］A.Caldeira -Pires，M.V.Heitor.Characteris -tics of TurbulentHeat Transport inNonpre-mixed Jet Flames[J].Combustion and Flame，2001.

［3］楊連生.內燃機設計[M].2 版.西安交通大學，1980.

［4］江玥欣，王顯會.基于CFD 風冷摩托車發動機汽缸體的傳熱仿真研究[J].2012.