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方案

本发明专利技术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。

Aero hybrid system and unmanned aerial vehicle based on Star piston engine

【技术实现步骤摘要】
基于星形活塞发动机的航空混合动力系统及其无人机
本专利技术涉及混合动力驱动
，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。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术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。本专利技术采用的技术方案如下：根据本专利技术的一方面，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。根据本专利技术的另一方面，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。本专利技术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，本专利技术还有其它的目的、特征和优点。下面将参照附图，对本专利技术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专利技术的进一步理解，本专利技术的示意性实施例及其说明用于解释本专利技术，并不构成对本专利技术的不当限定。在附图中：图1是本专利技术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是本专利技术第一实施例中的第二径向增压叶轮的结构示意图；图4是本专利技术第一实施例中的整流器的结构示意图；图5是本专利技术第一实施例中的气缸的结构示意图；图6是本专利技术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专利技术。参照图1和图2，本专利技术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。本专利技术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，本专利技术有两种动力源：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，本专利技术采用具有九个气缸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。而本专利技术所采用星本文档来自技高网...

【技术保护点】
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)。

【技术特征摘要】
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)。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)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)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。3.根据权利要求2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，所述无刷电动配气机(12)还用于驱动对应的所述气缸(11)的燃油单体泵；所述智能电控系统(4)用于控制所述无刷电动配气机(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。4.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...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘飞亭，唐武杰，周智健，
申请(专利权)人：中国航发南方工业有限公司，
类型：发明
国别省市：湖南,43