无人机活塞航空发动机低温启动性能提升

引言

随着无人机应用范围不断拓展，在寒冷地区的作业需求日益增多，活塞航空发动机的低温启动性能对于任务可靠性有着非常关键的影响，低温状况会使得发动机多个系统的性能出现下降，启动失败的概率升高，对其环境适应性造成限制，深入剖析低温启动的影响机制并提出相应的提升策略，对于突破无人机在寒冷环境下的应用瓶颈、保障任务高效运行有着重大意义。

一、无人机活塞航空发动机低温启动性能影响因素分析

（一）燃油系统的影响

燃油系统于低温环境之中对发动机启动性能有着较大影响，低温状况下燃油黏度会增加，其流动性会变差，如此一来燃油在油管内输送时阻力就会增大，供油速率也会降低，燃油雾化效果变差，油滴粒径增大，难以跟空气充分混合形成可燃混合气，致使燃烧不完全甚至出现启动失败的情况。低温有可能让燃油里的轻质成分挥发变得困难，加重积碳现象，对喷油嘴的正常工作产生影响，造成供油不均匀，降低启动可靠性，燃油滤清器在低温环境下也容易因为水分凝结结冰而堵塞，切断供油通路[1]。

（二）点火系统的影响

点火系统是低温启动过程中的关键部分，低温环境会让其工作效能降低许多，低温会致使蓄电池容量以及输出功率有所下降，造成点火线圈供电不足，使次级电压降低，火花能量变弱，火花塞电极在低温状况下容易吸附水汽与油污，电极间绝缘性能降低，容易出现漏电情况，难以产生有效的火花。低温下可燃混合气燃烧速度减慢，对点火时机以及火花强度的要求变得更高，要是点火能量不足或者点火时出现偏移，会导致混合气无法及时被点燃，另外点火系统线路在低温环境下容易因为材料收缩而出现接触不良的状况，降低了点火的可靠性。

（三）润滑系统的影响

润滑系统对于发动机在低温环境中的启动性能有着非常关键的影响，当处于低温环境时，润滑油的黏度会急剧增大，其流动性也会大幅降低，这使得润滑油在油道内循环时的阻力增加，导致发动机各个摩擦副，像曲轴、凸轮轴等，难以获得及时的润滑，最终造成启动时的机械阻力增大。润滑油的泵送效率下降，油泵吸油变得困难，有可能出现供油不足的情况，致使金属表面直接接触摩擦，加剧了磨损。在低温条件下，润滑油中的添加剂活性降低，抗氧化以及抗磨损性能也随之下降，长期在低温环境下启动发动机容易造成发动机内部零件过早损坏。

（四）环境温度的影响

环境温度属于影响低温启动性能的关键外部因素，当温度过低时发动机机体以及气缸等部件的温度会出现大幅下降的情况，混合气于压缩过程中散热速度加快，压缩终点的温度与压力降低，导致难以达到燃油着火点，低温会让空气中的水蒸气发生凝结，进入气缸之后容易和燃油混合形成乳化液，对燃烧效果产生影响。低温环境下发动机各个部件热胀冷缩的差异增大，配合间隙产生变化，有可能出现漏气以及漏油等问题，致使气缸密封性与机械效率降低，使得启动难度增加。

（五）材料与结构的影响

发动机所使用的材料以及其结构特性对于低温启动性能而言有着十分关键的影响，不同种类的材料在热膨胀系数以及低温韧性方面存在着差别，在低温环境下材料出现收缩的情况，这有可能致使配合间隙出现不合适的状况，就像活塞与气缸壁之间的间隙增大造成漏气现象，最终对压缩压力产生影响。要是材料的低温脆性比较大，在启动瞬间所承受的冲击载荷作用下很容易出现裂纹或者发生变形 [2]。在结构设计方面，如果冷却系统的结构设计不合理，会导致在低温状态下散热速度过快，而进气系统的结构要是没有对低温气流分布加以考虑，就会造成混合气浓度不均匀的情况。此外，部件进行轻量化设计的时候如果忽略了低温强度要求，那么有可能在启动应力的作用下发生失效，对启动可靠性产生影响。

二、无人机活塞航空发动机低温启动性能提升策略

（一）燃油系统优化

无人机广泛应用于民用和军事领域，采用的推进系统也不同。目前无人机的推进系统主要有电动机和发动机 2 类，发动机主要包括活塞发动机、涡轮发动机、涡桨发动机、涡扇发动机和涡喷发动机等。在众多类型的无人机动力装置中，航空活塞发动机仍占有重要地位。

燃油系统优化要解决低温供油以及雾化方面的问题，可以采用低黏度特种燃油，以此降低低温时的流动性阻力，并且在燃油管路添加电加热装置，保证燃油输送顺利，对喷油嘴结构进行改进，运用多孔式或者高压共轨喷油技术，提高雾化质量，让油滴粒径变小，在燃油箱里设置预热装置，借助恒温控制使燃油温度保持稳定。选用抗结冰燃油滤清器，添加燃油抗凝剂，避免水分结冰堵塞油路，同时优化供油压力调节机制，保证低温环境下供油均匀且稳定。

（二）点火系统优化

点火系统的优化最关键的是着重提高低温点火能量以及可靠性，选用高容量的低温蓄电池，并配备智能电源管理模块，以此保证点火线圈供电的稳定性，将火花塞升级为铱金或者铂金材质，缩小电极间隙，提高火花强度以及耐污性，在点火线路里增添温度补偿装置，可自动调节点火定时，以适应低温燃烧的特性。安装线路加热套来防止材料收缩，优化点火控制算法，实现多段式点火提高混合气的点燃效果。

（三）润滑系统优化

对于润滑系统的优化而言需要着重改善其低温润滑效能，可选用低黏度全合成润滑油以此来降低低温状态下的流动阻力，还可以在油底壳部位加装预热装置，在启动之前可快速提升油温，对机油泵结构进行改进，采用变量泵设计方式，提高低温吸油效率，保证润滑油可快速抵达各个摩擦副。

（四）环境适应性改进

环境适应性的改进需要构建主动温控体系，具体而言在发动机缸体以及进气歧管等关键部位加装电加热片，在启动之前进行预热，以此提升部件的基础温度，还要设计智能保温罩，减少停机之后的热量流失，维持机体的温度，在进气系统中设置空气预热装置，提高进气温度来改善混合气质量。

（五）材料与结构优化

对于材料与结构进行优化时需要着重提升其在低温环境下的力学性能，关键部件应当选用那些有优良低温韧性的合金材料，像钛合金或者高强度铝合金等，以此来减少在低温状态下所产生的收缩变形情况，要对活塞与气缸壁配合间隙的设计加以优化，采用温度补偿结构，抵消低温环境下出现的尺寸变化。

结语：

无人机活塞航空发动机的低温启动会受到多个因素的综合作用，这些因素彼此相互影响，增加了启动的难度，经过对多个系统的优化以及对材料结构的改进，可在一定程度上提升低温启动的可靠性。未来，需要加强多个系统之间的协同控制，借助智能化的算法来动态调整启动参数，以此提高无人机在极端低温环境下的应用能力。

参考文献：

[1] 柏欣. 航空活塞发动机高空起动过程动力学特性研究[D]. 西华大学,2024.

[2]伍赛特. 无人机动力系统技术特点及选型研究 [J]. 科技创新与应用,2024, 14 (15): 1-8.