Проектирование компактных отто-цикловых двигателей для использования в беспилотных и малолитражных транспортных средствах

Термодинамические основы цикла малых отто

Доминирование цикла Отто в небольших беспилотных системах основывается на фундаментальной физике плотности энергии. Жидкое углеводородное топливо хранит примерно 13 000 Втч/кг по сравнению с литий-ионными батареями при 200-300 Втч/кг, фактор 40, который не может быть преодолен постепенными улучшениями только в электрохимическом хранении. Для 12-килограммового беспилотного летательного аппарата с неподвижным крылом, требующего 600 Вт круизной мощности, аккумуляторная батарея, обеспечивающая 12 часов выносливости, будет весить примерно 42 кг - превышая типичные пределы планер. Двигатель Отто 20 куб. см, сжигающий 0,4 кг/ч топлива, напротив, требует только 4,8 кг топлива и 2,5 кг двигателя, общей массой 7,3 кг. Эта арифметика стимулирует дальнейшее развитие миниатюрных систем внутреннего сгорания.

Проблема, однако, заключается в том, что уменьшение отверстия вводит нелинейные отклонения от объемных термодинамических моделей. Толщина фронта пламени примерно равна квадратному корню тепловой диффузивности, но расстояние закалки - разрыв, в котором пламя не может распространяться из-за потери тепла стенки - остается почти постоянным при примерно 0,1-0,5 мм для бензиновых воздушных смесей. В 25-мм отверстии слой закалки, прилегающий к стенке цилиндра, может потреблять от 15 до 20 процентов объема камеры, эффективно уменьшая доступное пространство сгорания. Это явление непосредственно снижает указанное среднее эффективное давление и заставляет дизайнера компенсировать более высокие коэффициенты сжатия, повышенную турбулентность или повышенные скорости высвобождения энергии топлива.

Законы масштабирования и их практические последствия

Коэффициент соотношения поверхности к объему и пути передачи тепла

Четырехцилиндровый автомобильный двигатель объемом 1,0 л с отрывом 75 мм и ходом 75 мм имеет отношение поверхности к объему (S/V) примерно 2,5 см-1 на цилиндр. 20-кубковый одноцилиндровый двигатель с отрывом 30 мм и ходом 28 мм демонстрирует S/V примерно 5,3 см-1 - более чем вдвое. Конвективный коэффициент теплопередачи, регулируемый корреляцией Вошни, шкала обратно с диаметром отверстий и пропорционально средней скорости поршня и давлению цилиндра. В двигателе со средним объемом поршня 20 куб.см при 8000 об/мин мгновенный тепловой поток через стенки камеры сгорания может достигать 10 МВт/м2 по сравнению с 3-5 МВт/м2 в полноразмерном двигателе. За полный цикл 30-40% более низкого значения нагрева топлива исчезает в охлаждающей жидкости и выхлопе, по сравнению с 20-25% в хорошо оптимизированном двигателе 2.0 л.

Эта потеря тепла не распределяется равномерно. Выхлопной клапан, свеча зажигания и сквишные области испытывают локальные тепловые потоки, превышающие 15 МВт/м2. Термомеханический анализ конечного элемента должен учитывать температурные градиенты 300°C по толщине головки цилиндра всего 8 мм. Полученные тепловые напряжения, когда они усугубляются нагрузкой 80 бар пикового давления цилиндра, требуют сплавов с низкими коэффициентами теплового расширения и высокой утомляющей стойкостью. Некоторые производственные небольшие двигатели теперь используют уплотненное графитовое железо для головок цилиндров, которое обеспечивает теплопроводность на 40 процентов выше, чем серое железо, сохраняя при этом сопоставимую прочность.

Масштабирование трения и механическая эффективность

Трение не масштабируется линейно с перемещением. Вклад поршневого кольца в трение означает эффективное давление, растущее по мере того, как взаимный диаметр отверстия уменьшается, поскольку периметр уплотнения уменьшается медленнее, чем площадь пройденного участка. В 30 мм боре кольцевое напряжение, необходимое для поддержания приемлемой скорости удара - обычно менее 2 процентов захваченной массы - создает трение кольца, которое составляет 45 процентов от общих механических потерь, по сравнению с 30 процентами в 90 мм боре. Решение включает ультратонкие кольцевые профили, обычно 0,8-1,2 мм в радиальной толщине, с отрицательной геометрией закручивания, которая обеспечивает контакт края только во время хода сгорания. Молибден или хром-керамические композиционные покрытия, применяемые плазменным распылением, снижают коэффициенты износа до 0,02, выдерживая высокие силы тяги, которые возникают на коротких расстояниях соединительного стержня-центра.

Сама длина соединительного стержня становится конструктивным ограничением. В компактном двигателе соотношение стержня к удару часто ограничивается 1,4-1,6 из-за общих ограничений высоты оболочки трансмиссии. Стержень, который слишком короткий, увеличивает боковую тягу на стенке цилиндра, усиливая трение и износ, в то время как более длинный стержень увеличивает время пребывания поршня вблизи верхнего мертвого центра, улучшая сгорание, но увеличивая высоту двигателя. Многотело динамические симуляции, которые включают упругую деформацию стержня и зажима запястья, показывают, что вторичное движение поршня - его наклон и боковое смещение в пределах забора - может увеличить трение юбки до 25 процентов, если не контролироваться с помощью точного смещения штифта и дизайна профиля юбки.

Архитектура камеры сгорания и развитие пламени

Оптимизация для турбулентной скорости пламени

В миниатюрной камере ламинарная скорость пламени стехиометрической бензиново-воздушной смеси при 10 бар и 600 К составляет примерно 0,5 м/с. Для полного сгорания в пределах доступных 3-5 миллисекунд высокоскоростного цикла двигатель должен генерировать уровни турбулентности, которые повышают турбулентную скорость пламени до 10-15 м/с. Это достигается за счет высоких скоростей сквозняка и головки цилиндра в верхнем мертвом центре, что заставляет заряд радиально внутрь на скоростях, превышающих 50 м/с. Зазор сквозняка обычно составляет 0,4-0,8 мм, обработанный до допусков ±0,02 мм, чтобы обеспечить постоянный поток и избежать контакта, поскольку двигатель термически растет.

Камеры сгорания с крышей в 25-30 градусов с включенным углом являются общими, поскольку они обеспечивают компактный объем, который минимизирует расстояние перемещения пламени при размещении двух клапанов и центральной свечи зажигания. Сама свеча зажигания должна быть компактной конструкции, часто с использованием 10-мм резьбы с проецируемым наконечником, который простирается на 2-3 мм в камеру, чтобы позиционировать искровой зазор в области наибольшей турбулентности и однородности смеси. Электроды тонкопроводного иридия диаметрами 0,4-0,6 мм снижают эффект теплоотвода и снижают напряжение, необходимое для пробоя, обеспечивая стабильное воспламенение при значениях лямбда до 1,3 в постоднородном режиме.

Операция стратифицированной зарядки для легких грузов

В условиях холостого и низкого давления, типичных для шлюпки дрона, камера заполнена бережливой, разбавленной смесью, которая горит медленно и неполно. Распределенный заряд прямого впрыска решает эту проблему путем впрыска топлива, чтобы создать богатое облако вокруг свечи зажигания, в то время как основная часть камеры остается стройной. Окно впрыска узкое - обычно 40-60 градусов угла поворота перед зажиганием - и требует подачи топлива под высоким давлением с точным нацеливанием на распыление. 100 бар соленоидный инжектор с углом конуса 15 градусов и скоростью потока 8-12 мг / выстрел может производить топливный шлейф, который проникает в камеру 8-12 мм, расслояя смесь таким образом, что соотношение местной эквивалентности вблизи штепсельной заслонки составляет 1,0-1,2, в то время как внешняя область составляет 0,5-0,6.

Успех этой стратегии зависит от соответствия события впрыска полю потока в цилиндре. На низких скоростях отношение качения - отношение крупномасштабного вращательного потока в вертикальной плоскости к скорости двигателя - должно поддерживаться выше 1,5, чтобы предотвратить короткое замыкание топлива на стороне выхлопа. Окутанные впускные клапаны или направленные впускные порты используются для сохранения интенсивности падения по мере приближения поршня к верхнему мертвому центру. Вычислительная динамика жидкости с использованием больших вихревых имитационных моделей может решить изменчивость распределения смеси от цикла к циклу и определить сроки впрыска, которые дают стабильное горение с коэффициентом изменения указанного среднего эффективного давления ниже 3 процентов.

Инженерия материалов для экстремальной миниатюризации

Термические барьерные покрытия и их оптимизация

Покрытия из циркония, стабилизированные Yttria, применяемые атмосферным плазменным спреем толщиной 150-250 микрон, уменьшают потери тепла через поршневую коронку на 35-50% при стационарной работе. Низкая теплопроводность покрытия - примерно 1,2 Вт / мК для 8YSZ - создает падение температуры 100-150 ° C по толщине покрытия, повышая температуру поверхности поршня до 400-500 ° C при сохранении алюминиевой подложки ниже 240° C. Этот температурный профиль уменьшает тепловой градиент по поршню и снижает движущую силу для передачи тепла от газа к охлаждающей жидкости.

Однако колоннообразный рост плазменных покрытий создает микротрещины, которые могут распространяться при циклической тепловой нагрузке, что приводит к расслоению через 500-1000 часов. Покрытия из циркония гадолиния (Gd2Zr2O7), применяемые физическим осаждением паров электронного пучка, обеспечивают лучшее сопротивление тепловому циклу, с прочностью на разрыв 1,5 МПаГм против 0,8 МПаГм для YSZ и более низкой теплопроводностью 0,9 Вт/мК. Компромиссом является более высокая стоимость и процесс осаждения, который требует вакуумных камер, достаточно больших для размещения компонентов двигателя. Для производственных двигателей компромисс использует двухслойное покрытие: 50-микронное склеенное покрытие NiCrAlY с последующим 150-микронным верхним покрытием YSZ с наложением гадолиния цирконат на самых высоких участках теплового потока.

Обработка поверхности цилиндрической боры

Стена цилиндра должна противостоять потрескиванию и износу из поршневого кольца при сохранении низкого трения в течение тысяч часов. В 30 мм боре с алюминиевым блоком железный лайнер добавляет 80-120 граммов и создает несоответствие теплового расширения, которое может исказить бор при рабочей температуре. Продвинутые поверхностные обработки полностью устраняют лайнер. Процесс Никасила - электрохимическое осаждение карбида никеля-кремния композита - производит твердость поверхности бора 500-600 HV, которая сопротивляется адгезии с алюминиевыми поршнями. Толщина покрытия контролируется до 20-40 микрон с размером частиц карбида кремния 1-3 микрона, обеспечивая бегущую поверхность, которая износится при 0,5 микрон на 1000 часов в хорошо смазанных условиях.

Альтернативные методы лечения включают термические распылительные покрытия из высокоуглеродистого железа или молибдена, которые могут быть применены к поверхности носа с использованием вращающегося плазменного факела, вставленного через отверстие картерного шкафа. Затем покрытие оттачивается до финиша плато со значениями Rp ниже 3 микрон, создавая нефтяные резервуары в долинах при сохранении гладкой контактной поверхности. Некоторые прототипные двигатели используют лазерную текстурацию поверхности на стенке цилиндра, создавая массивы микро-ямочек глубиной 10-30 микрон, которые действуют как микро-несущие и уменьшают трение на 8-12% в испытаниях на кольцевой линии.

Архитектура топливной системы для миниатюрного прямого впрыска

Высоконапорный насос и железнодорожная интеграция

Упаковка системы прямого впрыска в пределах 20 куб.см оболочки требует, чтобы насос, рельс и инжекторы помещались в пространство, обычно занимаемое впускным коллектором и крышкой клапана. Однопоршневые насосы с приводом от кампы диаметром плунжера 4-6 мм и ходом 3-4 мм могут генерировать 150 бар с приводным крутящим моментом 0,3-0,5 Нм при 5000 об/мин. Насос часто интегрируется в литье головки цилиндра, при этом кулачная доля обрабатывается на впускном или выхлопном распределительном валу. Механический регулятор давления возвращает избыточное топливо в бак, поддерживая давление рельса в пределах ±5 бар по всему рабочему диапазону.

Сама рельсовая труба представляет собой трубу из нержавеющей стали с внутренним объемом 2-3 куб. см, размером с гасить пульсации давления от событий насоса и инжектора. Датчик давления рельса с временем отклика 1 миллисекунда обеспечивает обратную связь с ECU для управления давлением замкнутого цикла. Сиденье инжектора обрабатывается непосредственно в головку цилиндра, с медной стиральной машиной, обеспечивающей уплотнение от газов сгорания. Некоторые конструкции используют инжектор с балансом давления, который использует давление рельса для облегчения открытия, уменьшая требуемую силу соленоида и позволяя длительность впрыска до 0,4 миллисекунды на высокой скорости.

Формирование спрея и приготовление смеси

Для двигателя 20 куб.см при 8000 об/мин продолжительность впрыска при полной нагрузке составляет примерно 2 миллисекунды, доставляя 12-15 мг топлива через шесть-восемь лазерных буровых отверстий диаметром от 0,08 до 0,12 мм. Спрей представляет собой полый конус с углом 60-70 градусов, обеспечивающий равномерное распределение по поршневой чаше. Проникновение наконечника распыления должно быть ограничено 15-18 мм, чтобы избежать смачивания стенок, что увеличит выбросы углеводородов и разбавление масла. Вычислительная динамика жидкости с использованием лагранжиано-эулерианского подхода для моделирования размера капли предсказывает распределение размера капли, при этом средний диаметр Sauter составляет 15-20 микрон при 150 бар, обеспечивая быстрое испарение за 3-4 миллисекунды, доступные до воспламенения.

Корона поршня имеет форму мелкой чаши, обычно глубиной 6-8 мм и диаметром 14-18 мм, которая направляет распылитель к свече зажигания, предотвращая накопление топлива на поверхности поршня. Соотношение чаши к стволу является критическим параметром: слишком глубокая чаша увеличивает расстояние прохождения пламени, в то время как слишком мелкая не содержит распылитель и приводит к смачиванию стенок. Оптические двигатели с кварцевыми окнами позволяют высокоскоростную визуализацию развития распыления и пламени, что позволяет итеративную оптимизацию геометрии чаши и стратегию впрыска.

Проектирование смазочных систем для работы по всей ориентации

Сухой насос для сбора и управления пеной

Для двигателей беспилотников, которые должны работать в перевернутом полете или агрессивных маневрах, обычный влажный отстойник с подшипником с подшипником с брызгами будет голодать критические компоненты в течение нескольких секунд. Система сухого отстойника использует насос для сбора масла из отстойника с низкой точкой в картере и возвращает его в удаленный резервуар. Насос для сбора обычно имеет на 50-100% большую емкость, чем насос давления, чтобы обеспечить положительное удаление даже при аэрации масла. Нефтевоздушные сепараторы с использованием циклонических или коалесцирующих фильтров удаляют воздух из возвращаемого масла, предотвращая попадание пены в резервуар и рециркуляции.

Сам масляный резервуар должен быть спроектирован с внутренними перегородками и антисифоновым клапаном, чтобы предотвратить вытекание масла через вентиляционную линию во время перевернутого полета. Гибкая трубка для пикапа, взвешенная с помощью спеченной металлической сетки, следует за маслом, когда оно сплющивается, поддерживая непрерывный подачу масла к насосу давления. Объем резервуара обычно составляет 150-250 куб.см для двигателя 20 куб.см, обеспечивая запас, который обеспечивает циркуляцию масла - примерно 80 куб.см - остается дополненным в течение нескольких часов без отключения.

Масла низкой вязкости и редукторы трения

Обычные масла SAE 10W-30 имеют вязкость примерно 10 сП при 100°С, что создает потери насоса и гидродинамическое трение, которые могут снизить тепловую эффективность тормозов двигателя на 2-3 процентных пункта в малом двигателе. Синтетические масла в диапазоне от 0W-8 до 0W-16 с вязкостью от 5 до 7 сП при 100°С уменьшают эти потери, при этом обеспечивая достаточную толщину пленки в подшипниках и зоне поршневого кольца. Снижение вязкости также позволяет маслу быстрее достигать подшипников во время холодных запусков, что имеет решающее значение при запуске двигателя при температуре окружающей среды ниже -10°С в высотных операциях.

Масла формулируются с эфирными базовыми запасами, обеспечивающими высокий индекс вязкости и природную полярность, создавая цепкую масляную пленку на металлических поверхностях даже при низкой вязкости. Добавки, такие как дитиокарбамат молибдена и органомолибденовые соединения, снижают коэффициенты трения до 0,04–0,06 в режиме граничной смазки, которая происходит в точках разворота поршневого кольца. Бриллиантовые углеродные покрытия на поршневых юбках толщиной 1–3 микрона и твердостью 15–20 ГПа, дополнительно уменьшают трение и предотвращают микроприступы, когда масляная пленка на мгновение прерывается во время переходов высокой нагрузки.

Управление зажиганием и горением в миниатюрных двигателях

Емкостное разрядное зажигание и ионное зондирование

Системы индуктивного воспламенения, используемые в автомобильных двигателях, производят искру продолжительностью 1-2 миллисекунды, но имеют более медленное время повышения напряжения, что делает их восприимчивыми к отказу воспламенения в среде с высокой турбулентностью, переменной плотностью небольшой камеры сгорания. Емкостные системы воспламенения хранят энергию в конденсаторе, заряженном до 400-500 В, и разряжают его через повышающий трансформатор, производя искру со временем подъема 10-20 микросекунд и пиковым напряжением 30-40 кВ. Короткая, интенсивная искра меньше подвержена воздействию загрязнения электродов и условий бережливой смеси, обеспечивая надежное воспламенение при значениях лямбда 1,3-1,4.

Схема ионного зондирования использует свечу зажигания в качестве зонда, применяя напряжение смещения 80-100 В через зазор после окончания искрового разряда.Ток, который течет через ионизированный газ, пропорционален концентрации ионов, которая напрямую коррелирует с местным отношением эквивалентности и прогрессом фронта пламени. Измеряя время от воспламенения до пикового ионного тока, ECU может вывести время прохождения пламени и обнаружить начальный удар 5-10 градусов, прежде чем он будет слышен. Контроль за замкнутым контуром может затем замедлять время искры на пораженном цилиндре на 1-3 градуса, предотвращая повреждение при сохранении выходного момента. Исследование 2023 SAE продемонстрировало точность обнаружения детонации на 50-кубковом одноцилиндровом двигателе с использованием этого метода .

Адаптивный контроль топлива с помощью широкополосных кислородных датчиков

Соотношение воздух-топливо в малом двигателе может смещаться по мере изменения высоты, нагрузки воздушных фильтров или состава топлива. Широкополосные датчики кислорода (ламбда-датчики) с плоским элементом циркония и интегрированным нагревом обеспечивают точное измерение от лямбда 0,7 до 1,8, с временем отклика 50–100 миллисекунд. Датчик обычно устанавливается в выхлопной трубе 100–150 мм от выхлопного порта, где температура газа выше 500 °C во время нормальной работы. ECU использует лямбда-сигнал для регулирования ширины импульса впрыска топлива с шагом 1,2%, поддерживая целевую лямбду 1,0 при полной нагрузке и 1,2–1,4 при круизе для максимальной тепловой эффективности.

Алгоритм управления должен учитывать задержку транспортировки между событием впрыска и показаниями датчика, которая составляет 200-400 миллисекунд при типичных скоростях потока выхлопных газов. Управление на основе модели с использованием основанного на физике оценщика концентрации кислорода выхлопных газов может уменьшить эту задержку до 50-100 миллисекунд, обеспечивая более быструю переходную реакцию во время изменений дроссельной заслонки. Таблицы адаптивной отделки, которые хранят изученные поправки в зависимости от скорости двигателя и нагрузки, позволяют двигателю поддерживать стехиометрическую работу даже при изменении качества топлива между партиями, что является обычным явлением в полевых операциях.

Методы производства компактных компонентов двигателя

Металлодобавочное производство для сложных геометрий

Лазерный порошковый сплав (LPBF) с алюминиевыми сплавами, такими как AlSi10Mg, может производить головки цилиндров с интегрированными охлаждающими каналами, которые следуют линиям теплового потока, используя конформные охлаждающие пути, которые невозможно создать с помощью обычного сверления или литья. Эти каналы, диаметром 1-2 мм и после кривизны камеры сгорания, снижают температуру на сиденье выпускного клапана на 30-50 ° C по сравнению с традиционными прямоточными охлаждающими проходами. Слое-послойная конструкция также позволяет включать в себя боссы установки датчиков и карманы инжектора без необходимости отдельных операций обработки.

Для соединения стержней, подвергающихся циклической растягивающей нагрузке, электронно-лучевое плавление порошка Ti-6Al-4V вырабатывает компоненты с прочностью на растяжение 1100 МПа и сроком службы усталости, превышающим 10 млн циклов при переменных амплитудах напряжения 400 МПа. Ориентация сборки критическая: стержни, напечатанные вертикально, имеют на 15 % более высокую усталостную прочность, чем напечатанные горизонтально за счет выравнивания зерновой структуры с осью нагрузки. Горячее изостатическое прессование после печати разрушает внутреннюю пористость и увеличивает плотность до 99,9 %, устраняя дефекты, которые в противном случае служили бы местами инициации трещин.

Стоимость аддитивного производства остается барьером для производства больших объемов, но для объемов, типичных для двигателей БПЛА - от сотен до тысяч в год - устранение затрат на оснастку и способность быстро повторять конструкции делают LPBF экономически жизнеспособным. Несколько компаний теперь предлагают услуги LPBF аэрокосмического класса со сборкой объемов 250 × 250 × 300 мм, достаточные для производства полного блока двигателя, головки и крышек в одном цикле сборки.

Продвинутые процессы литья и ковки

Для производства более крупного объема, точное литье песка с 3D-печатными песчаными сердечниками позволяет выполнять сложные внутренние геометрии без затрат на металлические формы. Песчаное ядро может включать в себя проходы для масла, охлаждающей жидкости и даже впускного бегуна, все в пределах одного литья. Поверхностная отделка точного литья песка обычно составляет 6-12 мкм Ра, требуя вторичной обработки только на цилиндровом отверстии, несущих журналах и уплотняющих поверхностях.

Закрытое ковка алюминиевых сплавов производит соединительные стержни с потоком зерна, который следует за контуром компонента, что приводит к усталостной прочности на 20-30% выше, чем утюг из стержня из той же сплава. Ковка также очищает структуру зерна, уменьшая размер зерна от 50 до 100 микрон в литье до 5-20 микрон в ковке, что улучшает как прочность, так и пластичность. Кованый стержень затем обрабатывается до конечных размеров, с большим концом и маленькими концами, удерживаемыми до допусков ± 0,005 мм для обеспечения надлежащего клиренса подшипника.

Интеграция в Airframes и платформы для транспортных средств

Вибрационная изоляция и структурное соединение

Одноцилиндровый двигатель Отто производит первичный дисбаланс, равный поршневой массе, умноженной на радиус коленчатого сустава, умноженной на квадрат угловой скорости. Для 100-граммовой поршневой сборки с 28-мм ходом, работающим при 8000 оборотах в минуту, сила дисбаланса составляет приблизительно 1000 Н - сопоставимая с весом всего двигателя. Эта сила, если ее не отменить, возбуждает конструкцию планера на частоте оборотов двигателя, вызывая вибрации, которые могут утомлять композитные панели кожи и ослаблять крепежи в течение 12-часовой миссии.

Эластомерные крепления двигателя с жесткостью 200-400 Н/мм в вертикальном направлении и 100-200 Н/мм в боковом направлении обеспечивают изоляцию на частотах выше 100 Гц, но система крепления также должна учитывать реакцию крутящего момента двигателя, которая может достигать 5-6 Нм при полном дроссельном затворе. Монтировки обычно предварительно загружены, чтобы предотвратить отскоки двигателя на его креплении во время запуска или приземления. Для двухцилиндровых двигателей система крепления также должна обрабатывать пару качения, которая возникает в результате 180-градусного коленчатого фазирования, которое производит момент 1-2 Нм, который колеблется на частоте оборотов двигателя. Настроенные массовые амортизаторы или активная отмена вибрации с использованием пьезоэлектрических приводов - доступные в пакетах размером 30 × 30 × 10 мм - могут уменьшить передаваемую амплитуду вибрации на 90 процентов в узкополосных приложениях.

Выхлоп и интеграция системы ввода

Система впуска должна подавать чистый, фильтрованный воздух при минимизации падения давления и шума. Для дронов, работающих в пыльных средах, многоступенчатый фильтр с циклоническим предуборочным устройством, удаляющим 90 процентов частиц выше 5 микрон, за которым следует бумажный или пенопластовый элемент, обеспечивает срок службы двигателя 500 часов и более. Длина впускного бегуна настраивается на скорость двигателя для настройки барана: длина бегуна 200-250 мм обеспечивает волну давления, которая увеличивает объемную эффективность при 6000-8000 об/мин, типичный круизный диапазон. Бегун часто интегрируется в конструкцию планера, такую как спар или лонжерон фюзеляжа, чтобы уменьшить общее количество деталей.

Выхлопная система должна подавлять шум при сохранении эффективности потока. Сбитый с толку разгибатель камеры расширения снижает уровни звукового давления до 85-90 дБА на 1 м, соблюдая большинство нормативных стандартов. Для малонаблюдаемых военных применений выхлоп может быть маршрутизирован через теплообменник, который охлаждает газы перед выпуском, уменьшая инфракрасную сигнатуру. Выход выхлопных газов расположен, чтобы избежать повторного попадания горячих газов в впуск охлаждающего воздуха, что ухудшит тепловые характеристики. Вычислительный анализ динамики текучей среды внешнего поля потока транспортного средства идентифицирует области низкого давления, которые могут быть использованы для удаления выхлопа без создания обратного давления, которое снижает мощность двигателя.

Гибридные электрические архитектуры для выносливости и переходных процессов

Параллельный гибрид для мультироторных платформ

В параллельной гибридной конфигурации для многороторных беспилотников двигатель Otto приводит в действие генератор, который подает энергию двигателям через общую шину постоянного тока, с небольшим аккумулятором, обеспечивающим переходную мощность для маневров. Двигатель работает с фиксированной скоростью 6500-7000 об/мин, где он достигает специфичного для тормозов расхода топлива 280-300 г/кВтч и рассчитан на поставку 60-70% пиковой потребности в мощности. Батарея, как правило, 200-300 Втч, поставляет оставшиеся 30-40% для взлета и подъема и заряжается во время круиза со скоростью, соответствующей избыточной мощности двигателя.

Алгоритм управления мощностью определяет заданную точку мощности двигателя на основе состояния заряда батареи и фазы полета. Во время круиза двигатель обеспечивает постоянную 2 кВт, в то время как батарея заряжается при 200–300 Вт, сохраняя заряд батареи выше 50 процентов. Во время подъема или маневра наведения батарея обеспечивает дополнительную 1–2 кВт в течение 30–60 секунд, затем пополняется в течение следующих 5–10 минут круиза. Эта стратегия позволяет 25-килограммовому мультиротору достичь времени полета 4–5 часов с топливным баком 2 л, по сравнению с 30–40 минутами только на батареях.

Гибридные концепты топливных элементов с резервным копированием двигателя Otto

Новые концепции высотных платформенных станций сочетают водородный топливный элемент для маломощного круиза на выносливость с компактным двигателем Otto для подъема на большую мощность и аварийного спуска. На высоте 20 000 м эффективность топливного элемента может превышать 60 процентов, обеспечивая удельную энергию 500-800 Втч / кг при рассмотрении системы хранения водорода. Однако низкая плотность мощности топливного элемента - обычно 500-800 Вт / кг - делает его непрактичным для питания фазы подъема. Двигатель Otto мощностью 5 кВт, весом 3 кг, обеспечивает необходимую плотность мощности 1,7 кВт / кг при использовании того же водородного топлива, хранящегося в планера, упрощая логистику обработки топлива. Исследования передовых энергетических систем NASA включают прототипы этой архитектуры для высотных миссий с длительным сроком службы, которые требуют 24-72 часа полета. время полета.

Двигатель установлен на динамометре в пределах камеры окружающей среды, которая может имитировать высоты от уровня моря до 10 000 м. На больших высотах уменьшенная плотность воздуха снижает объемную эффективность, требуя перекалибровки стратегии впрыска и воспламенения. Последовательность испытаний измеряет выходную мощность, удельный расход топлива и выбросы выхлопных газов на высотах 0, 3000, 6000 и 9000 м и разрабатывает таблицы компенсации высоты, которые загружаются в ECU. Стандарты внедорожных двигателей EPA требуют, чтобы небольшие двигатели поддерживали соответствие выбросов в диапазоне условий окружающей среды, а испытания высоты подтверждают, что температура отключения света катализатора достигается достаточно быстро, чтобы соответствовать порогам сертификации.