CN105781703B - 一种多旋翼飞行器发动机的冷却系统 - Google Patents

Abstract

小型航空活塞发动机在实践中，主要应用于固定翼无人机，利用固定翼飞机平飞产生的高速气流散热，发动机散热设计简单。多旋翼采用小型航空活塞发动机，不具备固定翼高速平飞的散热条件，采用一般的风冷风机进行散热不能满足发动机的散热需求。本发明设计了高效的小型水冷系统，解决小型航空活塞发动机散热问题。其重量小，散热功率高，提升无人机可靠性、稳定性及续航时间。由于采用了包覆发动机气缸的缸套，冷却工作液与气缸直接接触，高效换热。此外，利用旋翼下洗气流强制对流铝排换热器，替代了专用散热风机，提高了整机效率。

Description

一种多旋翼飞行器发动机的冷却系统

技术领域

本发明属于航空技术领域，具体涉及一种飞多旋翼飞行器发动机的冷却系统。

背景技术

小型航空活塞发动机在实践中，主要应用于固定翼无人机，利用固定翼飞机平飞产生的高速气流散热，发动机散热设计简单。近年来，多旋翼无人机迅速发展，以其飞行稳定，结构简单，易于操纵等特点，在航拍航测、侦察、勘探、物流、植保等领域得到了广泛的应用。采用汽油动力的多旋翼无人机突破了电动多旋翼无人机在续航和载重方面的短板，打开了多旋翼无人机更广阔的应用前景。多旋翼采用小型航空活塞发动机，不具备固定翼高速平飞的散热条件，采用一般的风冷风机进行散热不能满足发动机的散热需求，正常工况下，数分钟内发动机即过热，气缸温度超过150℃，若不及时停止工作，则会造成发动机拉缸、爆缸等事故，极大地制约了采用汽油动力的多旋翼无人机的可靠性和稳定性及续航时间。

发明内容

本发明的目的是提供一种多旋翼飞行器发动机的冷却系统，能够有效解决散热不佳的问题。

本发明的技术方案是： 一种多旋翼飞行器发动机的冷却系统，其特征在于，包括：

冷却装置：包括第一进液口和第一出液口；

热交换装置：包括第二进液口和第二出液口；

循环装置：包括第三进液口和第三出液口；

以及连接在上述装置之间的连接通道，所述连接通道内设置有循环冷却液体；

所述连接通道包括干路和至少两个并联支路，每个支路包括一个所述冷却装置，分别用于冷却发动机的不同气缸。

优选地，所述液体冷却装置是设置于发动机气缸外侧的缸套。

所述发动机由风冷发动机去掉至少部分散热片改造而成；所述缸套安装于去掉散热片后的发动机的机体外侧；并且缸套与余下的散热片使用密封手段结合在一起。

所述缸套为环形体，所述发动机的火花塞在环形体中部露出。

另一种可选的方式，是在发动机散热翅片之间设置盘管作为所述液体冷却装置。

优选地，所述热交换装置设置在飞行器的旋翼支臂梁下方，通过旋翼产生的风力对热交换装置进行散热。

在连接通道的干路上设置所述热交换装置；或者，在连接通道的每条支路上各设置一个所述热交换装置。

优选地，所述热交换装置包括第一储液容器、设置在第一储液容器外壳的折叠铝箔散热排，以及第一控制装置；所述第一控制装置包括第一温度传感单元、第二温度传感单元、第一阈值比较单元和第一报警单元；所述第一温度传感单元，设置在所述热交换装置的第二进液口，用于测量热交换装置入口的冷却液温度；所述第二温度传感单元，设置在所述热交换装置的第二出液口，用于测量热交换装置出口的冷却液温度；所述第一阈值比较单元，对第一温度传感单元和第二温度传感单元测量的温度进行比较，当第一温度传感单元采集的温度与第二温度传感单元采集的温度之差小于第一阈值时，发出第一控制信号；所述第一报警单元，在接收到第一阈值比较单元发出的第一控制信号后，发出报警信号。

优选地，所述循环装置包括循环泵和第二储液容器，以及第二控制装置；所述第二控制装置包括第一压力传感单元、第二阈值比较单元和第一开关单元；所述第一压力传感单元，用于测量第二储液容器内的压力； 所述第二阈值比较单元，当第一压力传感单元测量的压力超过第二阈值时，发出第二控制信号；所述第一开关单元，当接收到第二阈值比较单元发出的第二控制信号时，开启开关，使得第二储液容器与大气连通，释放压力。

优选地，所述冷却装置还包括第三控制装置，所述第三控制装置包括第三温度传感单元、第三阈值比较单元和第二报警单元：第三温度传感单元，设置在所述冷却装置的第一出液口，用于测量冷却装置出口的冷却液体温度；第三阈值比较单元，当第三温度传感单元测量的温度值超过第三阈值时，发出第三控制信号；第二报警单元，当接收到第三阈值比较单元发出的第三控制信号后，发出报警信号。

采用本发明的技术方案，可以通过高效的小型水冷系统，解决小型航空活塞发动机散热问题。同时，充分利用旋翼自身的风力取代了专用散热风机强制对流，起到了节约成本的技术效果。

附图说明

图1为本发明发动机冷却系统示意图。

图2为本发明发动机冷却系统中气缸水缸套的装配结构示意图。

图3为本发明发动机冷却系统中热交换器的装配结构示意图。

图4为本发明发动机冷却系统中的控制装置结构图。

具体实施方式

下面结合附图1-4说明本发明的具体实施方式。

实施方式一：

如图1所示，本发明的冷却系统主要包括冷却装置11、12、热交换装置3、循环装置2、以及连接在上述装置之间的连接通道。其中冷却装置包括第一进液口和第一出液口；热交换装置3包括第二进液口和第二出液口，其中第二进液口连接到冷却装置的第一出液口；循环装置2包括第三进液口和第三出液口，其中第三进液口连接到热交换装置的第二出液口，第三出液口连接到冷却装置的第一进液口；以及连接在上述装置之间的连接通道。

所述连接通道内设置有循环冷却液体。所述冷却液体包括水、乙二醇溶液和/或硅酸盐溶液等有机或无机溶液。

对于发动机这类内燃机来说，内燃料燃烧产生的热量，约20%-30%转化为机械能，通过发动机轴输出到机械，70%-80%的能量转化为热能，其中30%-40%的热能随尾气从排气管排出，散热系统的散热负载在燃料总热值的30%左右，发动机工作过程中，气缸是主要热源，也是散热系统的目标散热部位。

为保证发动机多个气缸散热均匀，冷却系统水路的架构必须具有针对性，本发明的冷却系统采用并联式，每个气缸设置一个冷却装置，对应一个支路；冷却工作液由干路流向各支路完成换热后，由支路汇集到干路，再经过热交换器 3，完成对流散热，整个系统由循环泵 2来泵送压力，维持冷却液循环。

作为可选方式，也可以采用多个热交换器，这时，每个热交换器布置在与发动机气缸对应的每个支路上，热交换器的数量与发动机的气缸数相同。

目前市场上销售的小型航空活塞发动机，通常应用于固定翼无人机，其散热结构是针对固定翼平飞工况设计的，其特点是散热片面积小、换热所需风量大。应用于多旋翼无人机时，由于多旋翼无人机风速低，发动机通过风冷进行散热效果不佳，因此，本发明采用的水冷散热手段，需要对市场上的风冷发动机进行必要的改造。将风冷的发动机气缸外侧的散热片替换为气缸缸套。通过加工去除发动机外侧的部分散热片，将缸套与余下的散热片使用密封手段黏合在一起，保证缸套除进出液口外密封完好。

冷却工作液在气缸缸套11、12内与气缸外壁进行充分热交换，通过连接通道引导热流流向热交换装置3，在热交换装置3完成强制对流后经过滤器4回流到气缸缸套11、12进行下一次换热循环。

如图2所示，气缸缸套11与气缸缸套12位于发动机气缸外侧，与发动机气缸散热片连接，接缝采取必要的密封手段，例如黏合、焊接等，使其抗压能力不低于5个大气压。气缸缸套11外侧设有进液口101、出液口102，气缸缸套12外侧设有进液口、出液口分别与通道连接。所述缸套11和12为环形体，所述发动机的火花塞在环形体中部露出。

作为另一可选方式，所述冷却装置也可以是设置于发动机散热翅片之间的盘管。

实施方式二：

在之前实施方式的基础上，本实施方式进一步对热交换装置进行设计。

如图3所示，热交换装置3位于无人机旋翼下方的悬臂梁下方，包括储液容器、管路和折叠铝箔散热排，散热排使用折叠铝箔来增大散热面积，承担系统散热负载，冷却工作液通过管路与铝排进行充分热交换。

热交换器一端分别设有进液口301、出液口302。热交换器利用旋翼旋转产生的下洗气流进行强制对流，要达到理想的散热效果，强制对流风速经过热交换器应不低于8m/s。

所述热交换装置还包括第一控制装置；所述第一控制装置包括第一温度传感单元73、第二温度传感单元74、第一阈值比较单元和第一报警单元，参见图4所示。

所述第一温度传感单元73，设置在所述热交换装置的进液口301，用于测量热交换装置进口的冷却液温度；所述第二温度传感单元74，设置在所述热交换装置的出液口302，用于测量热交换装置出口的冷却液温度。

所述第一阈值比较单元，对第一温度传感单元和第二温度传感单元测量的温度进行比较，当冷却系统正常工作时，出液口302温度应明显低于进液口301温度。因此，当第一温度传感单元采集的温度与第二温度传感单元采集的温度之差小于第一阈值时，发出第一控制信号；所述第一报警单元，在接收到第一阈值比较单元发出的第一控制信号后，发出报警信号。

其中，阈值比较单元可以采用比较电路、差分比较器等电路单元实现；报警单元可以采用不同颜色的LED灯、蜂鸣器等实现报警功能。报警信号可以采用光信号、声信号或电信号等作为报警信号。

实施方式三：

在之前实施方式的基础上，本实施方式进一步对循环装置进行设计。所述循环装置包括循环泵2和储液容器5，以及第二控制装置。所述第二控制装置包括压力传感单元10、第二阈值比较单元和开关单元6，参见图4所示。

所述压力传感单元，用于测量第二储液容器内的压力，可以是例如压力表等压力测量机构； 所述第二阈值比较单元，当第一压力传感单元测量的压力超过第二阈值时，发出第二控制信号；所述开关单元6，可以是例如阀门6，当接收到第二阈值比较单元发出的第二控制信号时，开启阀门，使得第二储液容器与大气连通，释放压力。这就使得系统在压力过大时可触发阀门，向大气释放压力保证系统安全。通过阀门6，还可向储液容器5注入冷却工作液。

优选地，循环泵2与储液容器5可以采用一体式设计，为满足充分换热的需求，循环泵2的流量应不小于发动机散热负载所要求的最小流量，一般来说，对于应用于无人机的小型航空活塞发动机，根据排量不同，其范围在300L/h-2500L/h。

此外，系统具有过热保护的功能，即在冷却工作液耗尽前，可保证发动机气缸不会产生过热；具体而言，所述冷却装置还包括第三控制装置，所述第三控制装置包括第三温度传感单元71和72、第三阈值比较单元和第二报警单元。

温度传感单元71、72，设置在所述冷却装置11、12的第一出液口，用于测量冷却装置11、12出口的冷却液体温度。第三阈值比较单元，当温度传感单元71、72测量的温度值超过第三阈值（例如110℃或者120℃时），发出第三控制信号。第二报警单元，当接收到第三阈值比较单元发出的第三控制信号后，发出报警信号。

此外，冷却系统中还包括过滤器4，调节阀81、82、91、 92等组件。

本发明设计了高效的小型水冷系统，解决小型航空活塞发动机散热问题。其重量小，散热功率高，提升无人机可靠性、稳定性及续航时间。由于采用了包覆发动机气缸的缸套，冷却工作液与气缸直接接触，高效换热。此外，利用旋翼下洗气流强制对流铝排换热器，替代了专用散热风机，提高了整机效率。

以上所述实施例仅仅是本发明的优选实施方式，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。

Claims (9)

1.一种多旋翼飞行器发动机的冷却系统，其特征在于，包括:

冷却装置:包括第一进液口和第一出液口；

热交换装置:包括第二进液口和第二出液口；

循环装置:包括第三进液口和第三出液口；

以及连接在上述装置之间的连接通道，所述连接通道内设置有循环冷却液体；

所述连接通道包括干路和至少两个并联支路，每个支路包括一个所述冷却装置，分别用于冷却发动机的不同气缸；

所述热交换装置包括第一储液容器、折叠铝箔散热排，以及第一控制装置；

所述第一控制装置包括第一温度传感单元、第二温度传感单元、第一阈值比较单元和第一报警单元；

所述第一温度传感单元，设置在所述热交换装置的第二进液口，用于测量热交换装置入口的冷却液温度；

所述第二温度传感单元，设置在所述热交换装置的第二出液口，用于测量热交换装置出口的冷却液温度；

所述第一阈值比较单元，对第一温度传感单元和第二温度传感单元测量的温度进行比较，当第一温度传感单元采集的温度与第二温度传感单元采集的温度之差小于第一阈值时，发出第一控制信号；

所述第一报警单元，在接收到第一阈值比较单元发出的第一控制信号后，发出报警信号。

2.如权利要求1所述的冷却系统，其特征在于:

所述冷却装置包括设置于发动机气缸外侧的缸套。

3.如权利要求2所述的冷却系统，其特征在于:

所述发动机由风冷发动机去掉至少部分散热片改造而成；

所述缸套安装于去掉散热片后的发动机的机体外侧；

并且缸套与余下的散热片使用密封手段结合在一起。

4.如权利要求2所述的冷却系统，其特征在于:

所述缸套为环形体，所述发动机的火花塞在环形体中部露出。

5.如权利要求1所述的冷却系统，其特征在于:

所述冷却装置包括设置于发动机散热翅片之间的盘管。

6.如权利要求1-5任一项所述的冷却系统，其特征在于:

所述热交换装置设置在飞行器的旋翼支臂梁下方，通过旋翼产生的风力对热交换装置进行散热。

7.如权利要求6所述的冷却系统，其特征在于:

在连接通道的干路上设置所述热交换装置；

或者，在连接通道的每条支路上各设置一个所述热交换装置。

8.如权利要求1所述的冷却系统，其特征在于:

所述循环装置包括循环泵和第二储液容器，以及第二控制装置；

所述第二控制装置包括第一压力传感单元、第二阈值比较单元和第一开关单元；

所述第一压力传感单元，用于测量第二储液容器内的压力；

所述第二阈值比较单元，当第一压力传感单元测量的压力超过第二阈值时，发出第二控制信号；

所述第一开关单元，当接收到第二阈值比较单元发出的第二控制信号时，开启开关，使得第二储液容器与大气连通，释放压力。

9.如权利要求1所述的冷却系统，其特征在于:

所述冷却装置还包括第三控制装置，所述第三控制装置包括第三温度传感单元、第三阈值比较单元和第二报警单元:

第三温度传感单元，设置在所述冷却装置的第一出液口，用于测量冷却装置出口的冷却液体温度；

第三阈值比较单元，当第三温度传感单元测量的温度值超过第三阈值时，发出第三控制信号；

第二报警单元，当接收到第三阈值比较单元发出的第三控制信号后，发出报警信号。