小型风冷无人航模发动机散热研究

陈银龙 李 红

（沈阳理工大学，辽宁 沈阳110159）

0 引言

随着国家的低空领域的开放， 无人机在许多领域得到了扩展，而航模发动机作为无人直升机的核心部件，其冷却性能好坏将直接影响无人直升机的性能，发动机设计得不好，散热量不够，会导致发动机充量系数下降，燃烧不正常，机油变质和油膜损坏，零件的摩擦和磨损加剧，引起发动机的动力性、经济性、可靠性全面变坏，甚至造成拉缸和活塞烧顶，因此就需要对无人机的发动机进行进一步的研究。

3W 发动机用于固定翼无人直升机，为了进一步研究发动机性能指标， 做了发动机转数标定的试验。 实验过程中发动机在4500r/min时突然产生高温报警，在火花塞垫片处的最大温度300°，发动机的功率曲线和扭矩曲线急剧下降，然后发动机熄灭。

1 3W 航模发动机散热研究

研究发动机散热的主要任务是保证发动机在合适的温度状态下工作,但是发动机的散热状况又是很复杂的，要对其做出精确计算是相当困难的，甚至也可以说是不可能的，只能通过理论计算和试验验证相结合的原则，再参考一些经验数据和实验数据对发动机冷却系统进行设计。

针对3W 航模发动机出现的高温报警和熄火的现象，展开了对其冷却系统散热的计算。因为缸体散热的影响因素很多，为了便于计算，我们通过一些假定，建立数学模型进行计算，而后通过试验验证。 假定：①气缸与空气间的传热状态是稳定的，实际运转表明其正常工作时温度场趋于稳定；②冷空气流的速度均匀；③放热率与温度差成正比；④气缸壁散热且散热面积是均匀的；⑤平均传热系数不变。

发动机气缸周壁由气缸盖底面、活塞顶面和气缸套的湿周表面所组成。 气缸内的炽热气体通过气缸周壁进行热量传递[3-4]，经分析外部空气与气缸壁的传热方式为对流换热，气缸壁与气缸内部高温气体传热方式为辐射换热和对流换热。

高温气体通过气缸壁与大气换热量为：

发动机散热所需冷空气流量为:

其中：Cp——空气定压比热，300K 时， 空气的定压比热容Cp=1.005kJ/(kg·℃)；ta1——流向气缸体的冷空气温度，实验中大气温度为30°；ta2——离开气缸体的冷空气温度，实验中气缸体周围温度为60°；γa——冷空气密度； 我们一般采用的空气密度是指在标准状态下，密度为1.29 千克每立方米。

计算出发动机散热所需冷空气流量

通过计算知道涡轮风机带走的热量远远小于发动机所散发的热量，发动机散出的热量不能得到及时的冷却，导致积累的热量越来越多，当热量到达数控台所允许的极限值时，数控台产生高温报警，并对测功机发出指令迫使发动机停止运转。 为了解决在试验中出现的问题，提出增加辅助冷却，即在发动机的后侧曲轴输出端各加了一个北京樽祥科技型号为KA238 的轴流式冷却风扇。 风扇通过齿轮与曲轴输出端啮合连接。

2 实验验证及结果对比

增加了冷却风扇后用QTS 品牌MFS-002 型温度传感器对火花塞垫片处的温度重新进行测量，并与未增加冷却风扇时发动机火花塞垫片处的温度进行了对比，如图1 所示。

图1 增加冷却风扇前后火花塞垫片处温度对比

图2 所示为油针高位5/4，低位11/8，混合比为1:35 的功率转速对比图，左图为添加辅助冷却前测得结果，右图为增加辅助冷却设备之后所测结果。

图2 油针：高位5/4，低位11/8；机油燃油混合比：1：35 功率转速对比图

增加辅助冷却后发现有如下特点：①如温度对比图所示增加冷却风扇后发动机火花塞垫片处的温度降低了83°，火花塞垫片处的最高温度在210°左右，温度下降了28%；②如功率转速对比图可知， 增加辅助风扇后发动机最高转速达到7200rpm 时，发动机功率也不再下降；③未增加辅助风扇时发动机最大功率为14.2kW，增加辅助风扇发动机最大功率为16kW，功率上升了6.3%；④发动机即使在最高转速下也不再产生高温报警，在实验过程中也没有产生停机熄火现象。

3 结论

本文针对某小型航模发动机在实验室内做性能测试实验中出现的高温现象进行研究，通过建立数学模型，确定发动机的散热量以及保证发动机正常工作所需的冷却风量， 对实验设备做出改进之后，通过实验所测的结果改进前的结果进行对比，验证了建立数学模型的合理性。重新进行试验得到未加冷却风扇前造成发动机高温现象的原因是因为涡轮风机不能及时有效的将热量散去，使得缸体过热，可燃气体在气缸内燃烧不正常，从而消耗了发动机大量的功率，使发动机转数达到4000r/min 后急剧下降。 增加了机械冷却风扇后发动机功率升高且高温现象消失。

［1］吴兆汉.内燃机设计[M].北京理工大学出版社，1989.

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

［3］杨连生.内燃机设计[M].2 版.西安交通大学，1980.

［4］江玥欣，王显会.基于CFD 风冷摩托车发动机汽缸体的传热仿真研究[J].2012.