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小型航空活塞式發(fā)動機的研制方向

2023-04-04 12:21 作者:海上翼  | 我要投稿

微小型的現(xiàn)在全面被電動方案所驅(qū)動,基本沒有必要。
只有在一些微小型而且還要求長航時的場合有這種需求。但這種飛行器本身存在的價值就很迷惑。另外,用燃料電池來滿足這個要求似乎也更為可行。

整體起飛重量不超過20Kg的較大的無人機(也就是單人可攜帶的上限)用燃油發(fā)動機也是有的。這類飛行器有一點頂?shù)诫妱拥纳舷蘖恕?br>
單人超輕型飛機或者類似重量載荷的無人機,也就是50~100Kg載荷。這類飛行器大概要20~30Kw的動力需求。
更大一些的可以通過雙發(fā)或者簡單增加缸數(shù)量來實現(xiàn)。

對于一次性發(fā)動機,可以考慮二沖程和轉(zhuǎn)子發(fā)動機,結(jié)構(gòu)相對簡單而且重量輕。對于有長航時要求的,顯然,只能選擇四沖程發(fā)動機,甚至可以考慮柴油機。

摩托車發(fā)動機很適合這個類別
對于單缸發(fā)動機來說,天生振動大,即使安裝了平衡軸也依然振動大。直列雙缸雖然有一些航空發(fā)動機使用,但振動大是無法改良的缺陷。

最簡單最直接的方法是改成雙缸對置。用單缸發(fā)動機的缸頭套缸組合成雙缸對置。這樣只需要重新做一個機匣和曲軸。甚至如果不過分重視功重比,能接受一點重量略微增加,采用雙曲軸方案,那連曲軸也不用改了。
最普通的250單缸雙氣門發(fā)動機,組成雙缸對置500cc的大概可以到20KW以上的功率,單缸4氣門雙凸輪軸的組合起來可以上到30KW以上。

另外一種方式是雙缸并列(不是直列雙缸),這個顯然要用到雙曲軸。使用兩個曲軸看起來似乎更貴,但從市場采購上講,因為這曲軸是已經(jīng)存在的商品而不是需要特殊定制的單件,所以實際更便宜。唯一的缺點是重量略有增加。

雙缸對置其實并不能完全消除振動。一個無法消除的是軸向扭矩脈動,發(fā)動機必然會沿著曲軸方向上產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)的振動,這個只能通過更多缸(6缸)來削峰填谷平緩扭矩脈動。這是所有活塞發(fā)動機都存在的問題。
另外一個是理論上沒有但實際有的。因為實際的雙缸對置并不是完全對置,而是因為連桿位置的限定,兩個氣缸是略有錯開的,這會導致發(fā)動機產(chǎn)生橫向的左右扭振。當然這個比較微小,取決于錯開的程度。歷史上有克服這個問題的機型,就是其中一個連桿做成雙軸套的,裝在另外一個連桿的左右兩側(cè),這樣兩個氣缸就絕對對中了。但這種構(gòu)造結(jié)構(gòu)復雜,基本沒使用了。

另外一種方式是四缸并列,可以說把兩個直列雙缸并列起來用兩個曲軸。這個方案消除了所有振動(扭矩脈動除外)。這種方式發(fā)動機外廓尺寸比較緊湊,但風冷顯然不合適,必須水冷。
250~350cc的摩托車發(fā)動機中雙缸的很多,可以用這個辦法組成一臺500~700cc的大概會有60KW。當然也可以用更大排量的比如500cc雙缸來組合。

現(xiàn)在國內(nèi)直列4缸的也有(400cc以上),看起來組合成8缸也行。但這種構(gòu)造缸數(shù)太多,氣門都會有32個之多,維修保養(yǎng)困難。航空發(fā)動機的可靠性很大程度上取決于規(guī)范嚴密的維護體系,維護太麻煩就不好用。在雙缸就能接受的前提下,四缸已經(jīng)是比較麻煩了,8缸就完全不可取。



再大一些的可以直接使用汽車發(fā)動機來改造。
現(xiàn)代汽車發(fā)動機的性能經(jīng)過多年激烈的競爭和市場考驗,已經(jīng)發(fā)展到比沉寂多年原地踏步的航空活塞發(fā)動機的各方面性能都要強的地步,用成熟的汽車發(fā)動機替代老舊的航發(fā)是完全可行的。撇開這些性能不說,最大的優(yōu)勢在于價格極其低廉。


現(xiàn)代直列四缸汽車發(fā)動機基本指標為:
排量1.5~2.0升,重量120Kg左右,功率150Kw上下。

可以看到,因為現(xiàn)在的航空世界中,低功率的發(fā)動機完全被ROTAX壟斷,導致絕大多數(shù)輕型飛機都是按ROTAX912系列的發(fā)動機來設(shè)計的。也就是這些飛機使用的發(fā)動機無論在重量上還是功率上都比普通的車用發(fā)動機要低。只有一些微型汽車使用這類較低功率的發(fā)動機(也就是1.4L以下的汽車發(fā)動機,而這類發(fā)動機往往沒有功重比優(yōu)勢)。

要使用更大功率的汽車發(fā)動機,就意味著要重新設(shè)計飛機來適應更重的發(fā)動機。

航空發(fā)動機和車用發(fā)動機工作參數(shù)上有一個很大不同在于:
航發(fā)主要運行在高轉(zhuǎn)速范圍,比如同樣用車用發(fā)動機改,雖然這個汽車發(fā)動機可以在6500轉(zhuǎn)運轉(zhuǎn),但裝汽車上這個發(fā)動機基本在3000轉(zhuǎn)以下運轉(zhuǎn),而改成航發(fā)后飛行中絕大部分時間在4000轉(zhuǎn)以上工作(高轉(zhuǎn)速但低負荷)。
這有兩個辦法克服,一個是降低功率使用,另外一個是加強潤滑。
降低功率使用實際是通過調(diào)整減速比,讓發(fā)動機長時間工作轉(zhuǎn)速降低到3000轉(zhuǎn),不進入5000轉(zhuǎn)以上的高轉(zhuǎn)速范圍也就是放棄掉高轉(zhuǎn)速功率。一般的汽車發(fā)動機在5000轉(zhuǎn)以上的區(qū)間功率提升很小,所以實際放棄的功率并不多。

航發(fā)的螺旋吸收扭矩完全是個拋物線。也就是它需求的扭矩曲線應該是尖峰型的,不需要民用車上那種平臺型扭矩曲線。也就是不需要低扭。不過這個并不是問題,車載發(fā)動機只是扭矩擴展范圍更大而已(也就是說本來發(fā)動機就是尖峰型,只不過為了改善車用,通過技術(shù)手段比如增大飛輪慣性來增高低轉(zhuǎn)速扭矩)。

還有一個傾斜導致油底殼潤滑油無法吸到問題。其實飛機正常飛行傾斜量都很小,無論飛什么姿態(tài),加速度矢量都豎直指向頭頂??梢哉f比汽車上的傾斜變化都小。普通的航空發(fā)動機上通常是做一個非常高而窄的油底殼,這樣即使大幅度傾斜(指飛機加速度矢量傾斜,而不是姿態(tài)傾斜),高而窄的油底殼中的油也依然可以在底部吸到。賽車上因為加速度矢量變化極大,而使用干式油底殼,滑油主要存儲在專設(shè)的滑油箱而不是油底殼內(nèi),這樣就不會產(chǎn)生吸不到油的問題。當然很多航發(fā)中也使用這個技術(shù)。顯然普通車載發(fā)動機改航發(fā)這個改造是必須做的,除非你直接用了賽車發(fā)動機。

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