浅析航空与车用活塞式发动机差异

从原理来看，航空活塞发动机与地面广泛使用活塞式内燃机并无本质上的区别，其发展也依赖于地面内燃机的技术。但由于使用的场合与环境的不同，所以航空与车用活塞式发动机有明显区别。

1、航空活塞发动机的常见型式：

1)直列式（液）气冷发动机

1903年美国莱特兄弟把一台4缸直列水冷发动机改装之后，成功地用到他们的"飞行者一号"飞机上进行飞行试验。这台发动机只发出8.95kW的功率，重量却有81kg。

2)V型发动机

就是将所有汽缸分两组、相邻汽缸以一定夹角布置，从侧面看汽缸呈V字形的发动机。其特点是重量轻、长度和高度尺寸小，随着技术的日趋进步功率提升明显，被汽车领域大量使用。

3)星型发动机

一般星型发动机的汽缸组数是奇数个，有5缸，7缸，9缸，为了增加功率还可以将其多排叠加，将多个汽缸组排成好几排，最多已到4排×7缸（28个汽缸），目前很少使用。

4)水平对置发动机

其特点是结构紧凑、功重高、可靠性高、功率提升潜力大、维修性和生存性也很好，同时能够减小飞机的迎风面积和阻力，是目前航空活塞发动机主流型式。

目前大部分航空活塞发动机均采用直列式和水平对置发动机。

2、航空活塞发动机的主要技术特点（与车用主要差异）：

1）航空活塞发动机具有很高可靠性和安全性要求

①基于航空活塞发动机使用环境和工况，采用低温可靠起动技术。其关键技术包括：

冷起动预热技术；

冷起动电喷控制技术；

起动机高转速拖动技术。

主要是通过提高发动机压缩后空气温度、提高燃油温度、优化起动阶段燃油喷射参数和提高发动机拖动转速实现，保证高空高寒环境下发动机能可靠起动。

②按照法规适航认证要求，采用冗余安全性设计。举几个例子：

航汽发动机通常采用独立的双点火系统（双火花塞），双磁电机；这点与车用发动机采用双点火的目的不太一样；

航空重油发动机采用双喷油器设计；

电控系统采用双传感器和冗余设计；（如：燃油系统高压油泵燃油计量阀和油轨泄压阀组合使用，保证燃油系统失效后飞机依然有一定的动力返航着陆）

发动机FADEC系统也采用冗余设计；

双发以及多发也是冗余设计原则在飞机上的体现。

2）航空活塞发动机对重量的要求是“斤斤计较”

设计方面一般采用轻量化设计，在保证零部件强度、刚度的需求条件下，去除不必要的零部件，开展新材料、新工艺、新结构方面的创新和应用。比如：

很多小型无人机发动机不带启动系统，部分无人机因用途和机型实际情况而选型低转速发动机（无减速系统）

对传统钢制零部件（如：曲轴、连杆、螺栓、螺母等），采用比强度更高的钛合金材料；

通过对无缸套的缸孔采用喷涂耐磨图层的新工艺，替代传统铁缸套，达到降摩减重目的；

采用减重孔、空心曲轴、空心凸轮轴等轻量化结构设计，并利用CAE工具确保减重优化后的零部件强度和刚度需求；

发动机的重量对于无人机是关键的考量因素之一

3）航空活塞发动机十分注重发动机的高空性能

这主要是发动机的使用环境的特殊性所决定的。

如：发动机主要动力指标随飞行高度增加的变化情况（依据飞机的飞行包线）；发动机油耗指标随高度增加的变化情况（贫油状态和富油状态）

有时为保证高空及超高空的发动机性能衰减小，设计上还会采用多级增压中冷技术。

4）航空活塞发动机必须与螺旋桨进行匹配

螺旋桨是航空活塞发动机运行中的负载，所以发动机必须与螺旋桨的特性匹配选型。

常见螺旋桨有两种：

固定浆矩螺旋桨（定矩桨，结构简单、轻）

浆矩可调螺旋桨（变矩桨，适应性好、重）

5）航空活塞发动机有不少试验必须在带浆状态下进行，也就是要建立桨发试验台架，如果是直升机用发动机，最好能旋翼试验台。

主要是验证出最优桨发匹配、以及测试发动机在实际负载下的主要性能以及。

6）独特的润滑系统

由于飞机飞行千姿百态，正常飞行有爬升、俯冲、翻滚、左倾、右倾，在特殊情况下还会出现尾旋非正常姿态，所以航空活塞发动机一般采用干式润滑系统设计保证润滑功能。部分产品还采用燃油润滑技术、自润滑轴承技术、降摩阻与耐磨技术。

今天小编为大家简要介绍一下：

燃油润滑技术是利用共轨系应用的高压力、分支路将雾化的燃油喷入曲轴箱，利用扫气对运动部件辅助润滑。该润滑方式一般在二冲程发动机应用较多，但是曲轴箱喷入的少量润滑会通过扫气道进入缸内，会增加油耗及影响燃烧的稳定性。因此该技术应用是必须结合电控可调节的特点，精准控制润滑支路剂量和供给时刻；

自润滑轴承技术是利用耐磨、耐高温的自润滑轴承，保证运动部件高速高温下的润滑可靠，最终保证主轴承、凸轮轴承、连杆大头轴承等运动部件具有良好的润滑性能；

降摩阻与耐磨技术一般在活塞环、曲轴颈位置应用较多，通过低弹力、曲轴小轴颈设计、低摩擦系数涂层应用以及润滑系统优化达到降低整体摩擦阻力的目的，系统的提高机械效率，降低燃油消耗率。

7）具有较高的工程可维修性

为考虑客户使用过程中的便携性、低成本和低耗时，关键技术上选择快插时起动模块设计、整机模块化快换技术、以及可维修性的优化技术。

8）实时健康诊断技术

航空活塞发动机电子控制系统在与飞机航电系统通讯基础之上，还要具有实时的健康自诊断技术以及与北斗系统的通讯功能。其目的是：

通过健康自诊断技术让飞行员以及地面客户端最大程度掌握发动机运行参数信息，当参数出现异常或偏离目标时，电控系统通过相关信号和相关控制模型实现参数纠偏，形成发动机异常点的闭环控制，保证发动机运行与环境相适应；

通过北斗卫星实时将发动机诊断数据和运行状态数据和运行状态数据传输给地面客户端。

总结：航空活塞发动机在产品设计、模拟计算、试验开发等研发过程中，要多关注地面与空中使用的差异、要熟悉航空基础知识以及适航认证过程和要求、相关行业技术发展及特点、以及客户痛点，才可能研发出品质优良、客户满意的产品。