CN107816384B - 基于星形活塞发动机的航空混合动力系统及其无人机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于星形活塞发动机的航空混合动力系统及其无人机，该航空混合动力系统包括：星形活塞发动机、同轴布局于星形活塞发动机前方的第一ISG电机、连接于第一ISG电机的主轴前端的定距螺旋桨，第一ISG电机的外转子通过电磁离合器与星形活塞发动机的曲轴接通和断开；航空混合动力系统还包括与电磁离合器、第一ISG电机电性连接的智能电控系统；智能电控系统用于在起动时控制电磁离合器接通，控制第一ISG电机驱动曲轴以起动星形活塞发动机，然后由星形活塞发动机驱动第一ISG电机和定距螺旋桨；智能电控系统还用于控制电磁离合器断开，使得星形活塞发动机停车，并控制第一ISG电机单独驱动定距螺旋桨。

Description

基于星形活塞发动机的航空混合动力系统及其无人机

技术领域

本发明涉及混合动力驱动技术领域，特别地，涉及一种基于星形活塞发动机的航空混合动力系统及其无人机。

背景技术

混合动力的优势已深入人心，汽车、轮船、多旋翼飞行器都在应用混合动力。固定翼飞机也已经有纯电动款式，可以展望混合动力是其发展趋势，但由于飞机要求的性能指标高，航空混合动力设计难度巨大。星形航空活塞发动机是生命期最长的产量最大航空活塞发动机，在发动机性能和生产制造方面有综合优势，价廉物美。某型星形航空活塞发动机(220kw/210kg)基本结构皮实、工作性能温和、使用寿命长、制造成本低，装备于初级教练机，但其振动水平偏高，发电量小，没有空调压缩机使学员和教练的舒适感差，定货量和生产量减少。该型星形航空活塞发动机是上世纪五十年代设计的老发动机，附件系统、起动和点火系统特别复杂。该机持续生产了六十多年而没有重大改进，加上小型涡桨发动机的型号越来越多，所有的星形航空活塞发动机都处于淘汰的边沿。

为了传承星形航空活塞发动机的固有优势，有必要对星形航空活塞发动机进行现代化改进。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于星形活塞发动机的航空混合动力系统及其无人机，以传承星形活塞发动机的固有优势并使之符合现代化航空动力的需求。

本发明采用的技术方案如下：

根据本发明的一方面，提供了一种基于星形活塞发动机的航空混合动力系统，包括：星形活塞发动机、同轴布局于星形活塞发动机前方的第一ISG电机、连接于第一ISG电机的主轴前端的定距螺旋桨，第一ISG电机的外转子通过电磁离合器与星形活塞发动机的曲轴接通和断开；航空混合动力系统还包括与电磁离合器、第一ISG电机电性连接的智能电控系统；智能电控系统用于在起动时控制电磁离合器接通，控制第一ISG电机驱动曲轴以起动星形活塞发动机，然后由星形活塞发动机驱动第一ISG电机和定距螺旋桨；智能电控系统还用于控制电磁离合器断开，使得星形活塞发动机停车，并控制第一ISG电机单独驱动定距螺旋桨。

进一步地，星形活塞发动机包括呈星形排列的九个气缸，每个气缸的头部设置有用于驱动气缸的进气门和排气门的无刷电动配气机，无刷电动配气机与智能电控系统电性连接。

进一步地，无刷电动配气机还用于驱动对应的气缸的燃油单体泵；智能电控系统用于控制无刷电动配气机自转自检、且在对应的气缸故障时控制无刷电动配气机停在排气门打开的状态。

作为其中一种可选的实施方案，星形活塞发动机的后方同轴布置有第一径向增压叶轮和与第一径向增压叶轮连接的无刷电动增压机，第一径向增压叶轮上沿径向布置有两级或者多级动叶片，第一径向增压叶轮上配合安装的整流器也对应设有沿径向布置的两级或者多级静叶片。

作为另一种可选的实施方案，曲轴后端连接有第二径向增压叶轮，第二径向增压叶轮由曲轴直接驱动。进一步地，第二径向增压叶轮包括轮盘和设置于轮盘上沿径向布置的多级压气动叶片，第二径向增压叶轮上还转动配合安装有整流器，整流器上设有与多级压气动叶片间隙配合的多级压气静叶片。

可选地，星形活塞发动机的每个气缸对应设置有无触点CDI点火系统和电控燃油喷射系统。

可选地，航空混合动力系统还包括安装于燃油箱上的油泵和第二ISG电机，第二ISG电机与智能电控系统电性连接并用于在星形活塞发动机停车后直接驱动油泵。进一步可选地，曲轴的后端通过软传动轴连接并驱动油泵和第二ISG电机。

根据本发明的另一方面，还提供了一种无人机，无人机装配有上述的基于星形活塞发动机的航空混合动力系统。

本发明通过对传统的星形活塞发动机进行现代化改造，通过智能电控系统控制电磁离合器的接通与断开，使得起动时由第一ISG电机驱动曲轴启动星形活塞发动机，然后由星形活塞发动机驱动第一ISG电机和定距螺旋桨高速爬升和快速抵达；电磁离合器断开后，活塞发动机停车，由第一ISG电机单独驱动定距螺旋桨进行大迎角低速长航时静默飘飞。这种基于星形活塞发动机的航空混合动力系统能够使无人机既可在大功率经济油耗状态快速抵达战区，又能以电动模式在战区上空隐蔽地飘飞，并且可以多次起动第一ISG电机发电并上升，能够优化发动机载荷谱，可延长续航时间和航程。第一ISG电机同轴布局在圆形轮廓星形活塞发动机前方，特别适合固定翼无人机总体外形，功重比、可靠性、耗油率、大修寿命等适航综合性能优于其他混合动力装置。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照附图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是本发明第一实施例的基于星形活塞发动机的航空混合动力系统的结构及系统框图；

图2是图1中星形活塞发动机及定距螺旋桨结构的左视图；

图3是本发明第一实施例中的第二径向增压叶轮的结构示意图；

图4是本发明第一实施例中的整流器的结构示意图；

图5是本发明第一实施例中的气缸的结构示意图；

图6是本发明第二实施例的基于星形活塞发动机的航空混合动力系统的结构示意图。

附图标号说明：

1、星形活塞发动机；10、曲轴；11、气缸；110、进气门；111、排气门；112、缸筒；113、气缸头部；114、散热片；115、进气管；

12、无刷电动配气机；13、第一径向增压叶轮；14、无刷电动增压机；15、第二径向增压叶轮；150、轮盘；151、第一级动叶片；152、第二级动叶片；153、第三级动叶片；16、整流器；160、静盘；161、静叶片；

2、第一ISG电机；3、定距螺旋桨；4、智能电控系统；40、显示器；41、输入界面；42、锂电池组；5、电磁离合器；6、油泵；7、软传动轴；8、第二ISG电机；9、燃油箱。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

参照图1和图2，本发明一方面提供了一种基于星形活塞发动机的航空混合动力系统，包括：星形活塞发动机1、同轴布局于星形活塞发动机1前方的第一ISG电机2、连接于第一ISG电机2的主轴前端的定距螺旋桨3，第一ISG电机2的外转子通过电磁离合器5与星形活塞发动机1的曲轴10接通和断开。本发明的航空混合动力系统还包括与电磁离合器5、和第一ISG电机2分别通过三相电缆电性连接的智能电控系统4。智能电控系统4用于在起动时控制电磁离合器5接通，控制第一ISG电机2驱动曲轴10以起动星形活塞发动机1，然后由星形活塞发动机1驱动第一ISG电机2和定距螺旋桨3；智能电控系统4还用于控制电磁离合器5断开，使得星形活塞发动机1停车，并控制第一ISG电机2单独驱动定距螺旋桨3。

作为一种混合动力，本发明有两种动力源：1).星形活塞发动机1，由曲轴10输出动力通过电磁离合器5驱动第一ISG电机2和定距螺旋桨3，避免能量多次转换；2).第一ISG电机2，直接驱动定距螺旋桨3，通过电磁离合器5起动星形活塞发动机1，星形活塞发动机1空中停车后可以电动飞行，避免坠机。

优选地，本发明采用具有九个气缸11的星形活塞发动机1，九个气缸11呈星形排列。传统的星形活塞发动机1结构包含减速器和复杂的附件传动以及机械增压配气系统，偶尔发生液压撞击故障使星形活塞发动机1报废。而本发明所采用星形活塞发动机1无减速器、附件传动、机械增压配气系统，直接采用无刷直流电动机驱动各个部位：在每个气缸11的头部设置有一个200W无刷直流电动机作为无刷电动配气机12来减速驱动气缸11的进气门110和排气门111；在星形活塞发动机1的前端用一个150KW无刷直流电机作为第一ISG电机2来驱动定距螺旋桨3；在图6所示的第二实施例中，星形活塞发动机1的后方用一个10KW无刷直流高速电动机作为无刷电动增压机14来驱动第一径向增压叶轮13。本发明采用现代设计技术，优化星形活塞发动机1总体设计，去掉前部减速和后部传动，取消复杂的机械增压配气系统,大量简化去重，实现了轻量化和减小体积。为了进一步减少零件数量，前机匣和主机匣做成整体。

参照图1和图6，本发明中的无刷电动配气机12与智能电控系统4通过配气控制电缆电性连接。无刷电动配气机12安装在气缸11的顶部，负责独立驱动该气缸11的进气门110和排气门111以及可选的燃油单体泵。无刷电动配气机12为常规的减速驱动凸轮和摇臂结构，与曲轴10没有必然的机械联系，两者依靠电子控制同步。通常无刷电动配气机12停在气门都打开状态，每个气缸11都没有压缩，起动和拖动发动机的负载很低，绝不会发生液压撞击故障。曲轴10达到中间转速后智能电控系统4控制无刷电动配气机12加速追赶，达到四冲程同步状态就喷油点火使活塞做功。在额定点气门运动频率约22～23Hz。本发明的智能电控系统4还用于驱动单台无刷电动配气机12进行自转自检，且在对应的气缸11故障时控制无刷电动配气机12停在排气门111打开的状态。当某缸出现故障则使某无刷电动配气机12停在排气门111打开的状态，于是该缸退出工作，其他缸可继续工作，整机可靠性增加。

如图1和图3中所示，本优选实施例中，在曲轴10后端连接有第二径向增压叶轮15，第二径向增压叶轮15由曲轴10直接驱动。

进一步地，参照图3，第二径向增压叶轮15包括轮盘150和设置于轮盘150上沿径向布置的多级压气动叶片。位于中心的一圈第一级动叶片151绕中央的连接轴均匀排列，构成第一级离心叶轮。在第一级动叶片151的外侧环设有一圈第二级动叶片152，第二级动叶片152固设于轮盘150上构成第二级径向叶轮，且第二级动叶片152短于第一级动叶片151。在第二级动叶片152的外侧设有一圈第三级动叶片153，第三极动叶片固设于位于轮盘150的周缘处。第一级动叶片151、第二级动叶片152和第三级动叶片153均布置于轮盘150的同一表面。

参照图1和图4，第二径向增压叶轮15上还转动配合安装有整流器16。整流器16包括静盘160和径向布置在静盘160上的三级静叶片161，三级静叶片161对应与三级压气动叶片151、152、153间隙配合。

传统的多级压气机都是轴向布置。而本发明的优选实施例采用径向布置的多级压气动叶片151、152、153和径向布置的多级压气静叶片161，体积更小，低转速也可获得较高增压比。多级压气动叶片151、152、153共用一个轮盘150也简化了结构和降低了制造成本。

可选地，星形活塞发动机1的每个气缸11对应设置有无触点CDI点火系统和电控燃油喷射系统。传统的星形活塞发动机1采用齿轮传动磁电机和燃油汽化器，可靠性低、维护工作量大。而本发明的星形活塞发动机1的每个气缸11都配有一件无触点CDI点火系统，也呈星形排列安装在主机匣盖上。本发明采用的无触点CDI点火系统和电控燃油喷射系统，高压点火器和电控燃油喷嘴的数量为9，分别对应于九个气缸11。无触点CDI点火系统的可靠性很高，结构简单明了，制造成本也降低了，免维护。本发明设置的电控燃油喷射系统可通过智能电控系统4控制星形活塞发动机1的燃油缸内直喷，提升燃油经济性、冷机和高空起动可靠性。多段燃油喷射可控制缸内气压，避免爆震燃烧，保护星形活塞发动机1的薄弱的气缸11、主/副连杆和曲轴10，延长大修寿命。

如图5所示，本发明的优选实施例中，星形活塞发动机1采用了九件整体气缸11和四气门结构。本优选实施例中，气缸11包括呈深筒形的缸筒112，其顶部为与缸筒112一体形成的气缸头部113，底部为燃烧室顶面和气门座圈，没有单独的气缸头。缸筒112的上端设置有四个气门，其中包括两个进气门110和两个排气门111。缸筒112的外壁设置有一排散热片114。缸筒112外侧还设置有与进气门110连通的进气管115以及与排气门111连通的排气管。整体气缸的结构减少了零件数量，解决了爆缸故障。

可选地，航空混合动力系统还包括安装于燃油箱9上的油泵6和第二ISG电机8，第二ISG电机8与智能电控系统4电性连接，并用于在星形活塞发动机1停车后直接驱动油泵6。本优选实施例中，油泵6具体包括燃油泵和滑油泵。星形活塞发动机1的滑油泵和燃油泵以及油雾分离器不在发动机本体上，而是由单独的第二ISG电机8驱动。燃油泵、滑油泵、油雾分离器等可与燃油箱9安装在一起，便于滑油散热和燃油预热。燃油和滑油伺服系统为燃油泵和滑油泵提供输送动力和控制输送量等。进一步可选地，曲轴10的后端通过软传动轴7连接并驱动油泵6和第二ISG电机8，可提高安全性。第二ISG电机8通过三相电缆与智能电控系统4电性连接。

本发明的燃油滑油系统也采用混合驱动：曲轴10后输出端通过软传动轴7驱动燃油泵、滑油泵、油雾分离器和第二ISG电机8；第二ISG电机8可以直接驱动发动机附件系统(包括燃油泵、滑油泵、油雾分离器等)而不会驱动曲轴10，故可以给星形活塞发动机1提升燃油和滑油压力以便可靠地起动。本发明的智能电控系统4还用于控制第二ISG电机8在星形活塞发动机1停车后继续工作驱动回油泵，以把主机匣底部气缸11和活塞内的积油吸回滑油箱，保持主机匣为干机匣，从根本上解决液压撞击故障。

此外，第一ISG电机2还通过电调和三相桥式整流模块接机载锂电池组42，电调控制第一ISG电机2电动或转为发电整流模式输出直流电。第一ISG电机2可以步进模式旋转，代替人工盘桨，智能电控系统4根据盘桨功率和扭矩波动判断发动机健康程度。

此外，本发明的基于星形活塞发动机的航空混合动力系统，还采用电磁传感器检测转速信号，连同各处(气缸头、进气、排气、滑油)温度、压力、爆震传感器、氧传感器、电流、电压信号都输送到智能电控系统4。智能电控系统4综合分析各种状态信号和操纵信号后，输出喷油脉冲信号，控制星形活塞发动机1的功率。

本发明的基于星形活塞发动机的航空混合动力系统，还包括与智能电控系统4连接的显示器40。智能电控系统4接收曲轴10、无刷电动配气机12的位置和速度信号，控制气门同步相位和喷油量，控制进气和燃烧。用可视化对象编程技术对发动机零部件进行模拟和控制。在程序的虚拟世界里，曲轴10、活塞、气门都是一个个奔跑的可控对象。可将0.04秒的四冲程循环时间放慢1000倍，在4秒的时间里展示其周期运动和做功情景，适应人的视觉暂停效应。显示器40还用于显示发出或输入的电能的量、燃油流量、转数、温度、气压等。

本发明的基于星形活塞发动机的航空混合动力系统，还包括与智能电控系统4连接的输入界面41，用于供操作者输入控制命令，包括功率、工作模式、抽油、起动等命令。

智能电控系统4根据各处采集的数字化状态信号和输入信号进行控制，输出喷油脉冲信号、ISG发电整流PWM信号、风门开度信号，调节总功率、转速、温度。另外GPS信号、WIFI信号、MENS陀螺和加速度信号也输入智能电控系统4。地理位置、高度、时间、运行参数等信息形成数据库文件存入固态硬盘，在显示器40显示部分重要数据和曲线。

如图6所示的第二实施例，其与第一实施例的结构基本相同，不同之处在于：星形活塞发动机1的后方同轴布置有第一径向增压叶轮13和与第一径向增压叶轮13连接的无刷电动增压机14，第一径向增压叶轮13上沿径向布置有两级或者多级动叶片。第一径向增压叶轮13上配合安装的整流器也对应设有沿径向布置的两级或者多级静叶片。无刷电动增压机14同轴布置在星形活塞发动机1后方独立旋转，其宽广的转速和增压比适应变化的飞行高度。电动增压的电能由前方第一ISG电机2提供，由电流控制随飞行高度而变的转速和增压比。本实施例中，无刷电动增压机14的增压叶轮是第一径向增压叶轮13，一个叶轮上有两级动叶径向布置，与第一径向增压叶轮13配合的整流器也对应设置有沿径向布置的两级静叶片。两级增压比和效率高于传统的一级离心增压叶轮。

本发明的基于星形活塞发动机的航空混合动力系统，外形美观，功重比高，燃油效率高，内含智能电控系统4，有高效的飞行总能管理，适于无人机安装，可实现高空长航时静默飞行，可靠性高、大修寿命长。本发明传承星形活塞发动机1的固有优势并结合先进技术成果，对星形航空活塞发动机进行现代化技术改进，优化星形活塞发动机1总体结构，去掉前部减速和后部附件传动，取消复杂的高压空气起动系统,大量简化去重,用电控实现电子点火、喷油、增压、润滑等功能。曲轴10通过电磁离合器5接第一ISG电机2和定距螺旋桨3。采用无刷电动配气机12，从根本上解决液压撞击的故障。自动电起动、大功率发电和混动飞行模式提高任务执行能力和续航里程。本发明新设计的轻量化基于星形活塞发动机的航空混合动力系统可领先应用在高空长航时静默无人机上。

根据本发明的另一方面，还提供了一种无人机，无人机装配有上述的基于星形活塞发动机的航空混合动力系统。第一ISG电机2同轴布局在圆形轮廓星形活塞发动机1前方，特别适合固定翼无人机总体外形。因此，本发明的无人机，尤其是固定翼无人机，专一采用基于星形活塞发动机的航空混合动力系统，通过智能电控系统4控制电磁离合器5的接通与断开，使得起动时由第一ISG电机2驱动曲轴10启动星形活塞发动机1，然后由星形活塞发动机1驱动第一ISG电机2和定距螺旋桨3高速爬升和快速抵达；电磁离合器5断开后，星形活塞发动机1停车，由第一ISG电机2单独驱动定距螺旋桨3进行大迎角低速长航时静默飘飞。星形活塞发动机1空中停车后可以电动飞行，避免坠机，可实现高空长航时静默飞行，可靠性高、大修寿命长。

本发明具有以下有益效果：

1.本发明对传统星形活塞发动机1进行了现代化改进，甩掉了液压撞击、连杆断裂、维护工作量大、大修寿命短等缺点，在大多数性能对比方面比水平对置航空活塞发动机和小型涡桨发动机更好，在机型竞争中处于优势，经济性最好。

2.本发明的基于星形活塞发动机的航空混合动力系统使无人机的机动性能提高，高功重比的星形活塞发动机1可以使无人机长时间大迎角飞行、做各种花式动作、进行缠斗，优于涡扇动力的无人战斗机。

3.本发明的基于星形活塞发动机的航空混合动力系统可输出大功率(100kVA)强大电流，使无人机的任务执行能力提高，可以搭载大功率电子武器装备；装备本发明的基于星形活塞发动机的航空混合动力系统的无人机具有低空低速飞行能力，可以给低速的电动飞机空中充电(类比空中加油机)；具有油电交替飞行模式，隐蔽性好，提高了综合战技指标。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于星形活塞发动机的航空混合动力系统，其特征在于，包括：星形活塞发动机(1)、同轴布局于所述星形活塞发动机(1)前方的第一ISG电机(2)、连接于所述第一ISG电机(2)的主轴前端的定距螺旋桨(3)，所述第一ISG电机(2)的外转子通过电磁离合器(5)与所述星形活塞发动机(1)的曲轴(10)接通和断开；所述航空混合动力系统还包括与所述电磁离合器(5)、所述第一ISG电机(2)电性连接的智能电控系统(4)；

所述智能电控系统(4)用于在起动时控制所述电磁离合器(5)接通，控制所述第一ISG电机(2)驱动所述曲轴(10)以起动所述星形活塞发动机(1)，然后由所述星形活塞发动机(1)驱动所述第一ISG电机(2)和所述定距螺旋桨(3)；

所述智能电控系统(4)还用于控制所述电磁离合器(5)断开，使得所述星形活塞发动机(1)停车，并控制所述第一ISG电机(2)单独驱动所述定距螺旋桨(3)；

所述星形活塞发动机(1)包括呈星形排列的九个气缸(11)，每个气缸(11)的头部设置有用于驱动所述气缸(11)的进气门(110)和排气门(111)和燃油单体泵的无刷电动配气机(12)，所述无刷电动配气机(12)与所述智能电控系统(4)电性连接，所述智能电控系统(4)用于控制单台无刷电动配气机(12)自转自检、且在对应的所述气缸(11)故障时控制所述无刷电动配气机(12)停在所述排气门(111)打开的状态。

2.根据权利要求1所述的基于星形活塞发动机的航空混合动力系统，其特征在于，所述星形活塞发动机(1)的后方同轴布置有第一径向增压叶轮(13)和与所述第一径向增压叶轮(13)连接的无刷电动增压机(14)，所述第一径向增压叶轮(13)上沿径向布置有两级或者多级动叶片，所述第一径向增压叶轮(13)上配合安装的整流器也对应设有沿径向布置的两级或者多级静叶片。

3.根据权利要求1所述的基于星形活塞发动机的航空混合动力系统，其特征在于，所述曲轴(10)后端连接有第二径向增压叶轮(15)，所述第二径向增压叶轮(15)由所述曲轴(10)直接驱动。

4.根据权利要求3所述的基于星形活塞发动机的航空混合动力系统，其特征在于，所述第二径向增压叶轮(15)包括轮盘(150)和设置于所述轮盘(150)上沿径向布置的多级压气动叶片，所述第二径向增压叶轮(15)上还转动配合安装有整流器(16)，所述整流器(16)上设有与所述多级压气动叶片间隙配合的多级压气静叶片。

5.根据权利要求1所述的基于星形活塞发动机的航空混合动力系统，其特征在于，所述星形活塞发动机(1)的每个气缸(11)对应设置有无触点CDI点火系统和电控燃油喷射系统。

6.根据权利要求1所述的基于星形活塞发动机的航空混合动力系统，其特征在于，所述航空混合动力系统还包括安装于燃油箱(9)上的油泵(6)和第二ISG电机(8)，所述第二ISG电机(8)与所述智能电控系统(4)电性连接并用于在所述星形活塞发动机(1)停车后直接驱动所述油泵(6)。

7.根据权利要求6所述的基于星形活塞发动机的航空混合动力系统，其特征在于，所述曲轴(10)的后端通过软传动轴(7)连接并驱动所述油泵(6)和所述第二ISG电机(8)。

8.一种无人机，其特征在于，所述无人机装配有如权利要求1至7任一所述的基于星形活塞发动机的航空混合动力系统。