秦德 馬紅玉

（天津大學(xué)內(nèi)燃機(jī)研究所天津300072）

ROTAX航空發(fā)動(dòng)機(jī)914UL/F概述*

秦德 馬紅玉

（天津大學(xué)內(nèi)燃機(jī)研究所天津300072）

主要介紹ROTAX航空發(fā)動(dòng)機(jī)914UL/F基本參數(shù)、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、性能和應(yīng)用的領(lǐng)域，并對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)和強(qiáng)化指標(biāo)進(jìn)行了分析，從而將有助于這款活塞式航空發(fā)動(dòng)機(jī)在國(guó)內(nèi)輕型飛機(jī)上的應(yīng)用。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)ROTAX914UL/F

引言

ROTAX航空發(fā)動(dòng)機(jī)914UL/F是由BRP（Bombardier Recreational Products Inc.）旗下的BRPPowertrain生產(chǎn)的活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)，包括未經(jīng)認(rèn)證的發(fā)動(dòng)機(jī)ROTAX 914UL及通過FAR 33和JAR-E認(rèn)證的發(fā)動(dòng)機(jī)ROTAX 914F。全世界超過80%以上的輕型飛行器選用ROTAX航空發(fā)動(dòng)機(jī)。

1 ROTAX航空發(fā)動(dòng)機(jī)914 F/UL基本參數(shù)[1]

圖1為ROTAX航空發(fā)動(dòng)機(jī)914UL/F外觀圖。

主要性能參數(shù)為：

型式：四缸、四沖程、水平對(duì)置發(fā)動(dòng)機(jī)

排量：1211.2 mL

缸徑×沖程：79.5 mm×61.0 mm

壓縮比：9：1

最大功率：73.5kW/5500r/min

最大扭矩：144N·m/4900 r/min

潤(rùn)滑方式：干式油底殼、壓力潤(rùn)滑，配有獨(dú)立潤(rùn)滑油箱

燃油系統(tǒng)：雙燃油泵、雙化油器

點(diǎn)火系統(tǒng)：雙點(diǎn)火系統(tǒng)DCDI

啟動(dòng)方式：電啟動(dòng)

圖1 ROTAX航空發(fā)動(dòng)機(jī)914 F/UL

發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量：75.5kg（安裝全部附件）

2 ROTAX航空發(fā)動(dòng)機(jī)914F/UL特點(diǎn)

2.1 變速箱結(jié)構(gòu)緊湊

發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸通過齒輪一級(jí)減速驅(qū)動(dòng)螺旋槳軸（輸出軸），齒輪傳動(dòng)比i=2.43。螺旋槳軸上裝有過載離合器，用于飛機(jī)起降時(shí)避免因曲軸過載造成發(fā)動(dòng)機(jī)損壞。

2.2 雙點(diǎn)火系統(tǒng)

發(fā)動(dòng)機(jī)采用具有RFI噪聲抑制功能的雙火花塞無觸點(diǎn)電容器放電點(diǎn)火。怠速時(shí)，兩個(gè)火花塞同時(shí)點(diǎn)火，正常運(yùn)行時(shí)兩個(gè)火花塞點(diǎn)火時(shí)間相差4°CA點(diǎn)火，這樣做的目的是加速火焰?zhèn)鞑ニ俣取?14UL/F發(fā)動(dòng)機(jī)的點(diǎn)火順序是1-4-2-3。

2.3 組合式曲軸

發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸為組合式曲軸，由前曲柄、兩個(gè)曲柄臂、中曲柄和后曲柄組成，如圖2所示，五個(gè)零件通過過盈配合壓裝而成，曲拐呈180度分布。組合曲軸的優(yōu)點(diǎn)是質(zhì)量輕，結(jié)構(gòu)緊湊，對(duì)鍛壓設(shè)備要求不高，但對(duì)裝配工藝要求較高。

圖2 組合式曲軸

2.4 干式油底殼

發(fā)動(dòng)機(jī)采用干式油底殼，降低了曲軸箱高度；氣缸體采用水平對(duì)置布置，降低了發(fā)動(dòng)機(jī)的高度，有利于發(fā)動(dòng)機(jī)的總體布置。如渦輪增壓器和消聲器布置在發(fā)動(dòng)機(jī)的下部，供油系統(tǒng)和電氣元件在發(fā)動(dòng)機(jī)的上部，發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)布置非常緊湊。

2.5 冷卻系統(tǒng)

發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)采用混合冷卻方式。其中，氣缸蓋采用強(qiáng)制水冷；氣缸體采用自然風(fēng)冷。

這種布置方式主要考慮氣缸蓋與高溫、高壓燃?xì)庀嘟佑|，面積大，承受較大的熱負(fù)荷，同時(shí)，采用進(jìn)氣增壓，使得氣缸蓋的熱負(fù)荷進(jìn)一步提高。水冷系統(tǒng)冷卻均勻、穩(wěn)定可靠，效果優(yōu)于風(fēng)冷，所以，氣缸蓋采用強(qiáng)制水冷。氣缸體承受的熱負(fù)荷相對(duì)小一些，采用自然風(fēng)冷，氣缸體的結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，而且其布置的散熱片可以充分利用飛行的風(fēng)速，可達(dá)到預(yù)想的冷卻效果。

2.6 渦輪增壓器

配有渦輪增壓器的914UL/F發(fā)動(dòng)機(jī)能在高空提供更強(qiáng)的動(dòng)力，同時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的質(zhì)量更輕。渦輪增壓的主要作用就是提高發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣量，從而提高發(fā)動(dòng)機(jī)的功率和扭矩。圖3說明了渦輪增壓器對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)功率的影響。對(duì)于自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)，隨著飛行器高度的增加，發(fā)動(dòng)機(jī)功率下降很大。在距地面4500 m時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)功率只有地面時(shí)的60%；距地面9000 m時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)功率只有地面時(shí)的35%。而帶有渦輪增壓器的914UL/F發(fā)動(dòng)機(jī)，在距地面4500 m時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)功率可達(dá)到地面時(shí)的90%，增壓效果非常明顯；但距地面超過4500 m后，發(fā)動(dòng)機(jī)功率下降很快，由此我們也可以得出結(jié)論：如果飛行器選用914UL/F作為動(dòng)力，飛行器的設(shè)計(jì)飛行高度大約在5000 m，如果飛行器的設(shè)計(jì)飛行高度超過5000 m，發(fā)動(dòng)機(jī)最好選用二級(jí)渦輪增壓器，以便為飛行器提供更強(qiáng)的動(dòng)力。如ROTAX914UL/F航空發(fā)動(dòng)機(jī)所配套的“捕食者A”無人機(jī)，其最大升限高度7925 m[2]。

圖3 發(fā)動(dòng)機(jī)功率與飛行高度的關(guān)系

3 ROTAX航空發(fā)動(dòng)機(jī)914 F/UL性能

發(fā)動(dòng)機(jī)主要性能曲線如圖4～6所示。

其中：

A為飛行器起飛時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)

B為飛行器持續(xù)飛行時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)

圖4 發(fā)動(dòng)機(jī)功率

4 ROTAX航空發(fā)動(dòng)機(jī)914F/UL結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)和強(qiáng)化指標(biāo)分析

圖5 發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩

圖6 發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗

4.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)

1）沖程與缸徑比S/D

發(fā)動(dòng)機(jī)活塞行程S是設(shè)計(jì)中的重要結(jié)構(gòu)參數(shù)，通常用S/D表示。摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)的S/D在0.75～1.06范圍內(nèi)。914UL/F的S/D值是0.767，屬于短行程發(fā)動(dòng)機(jī)。

2）曲柄半徑與連桿長(zhǎng)度比λ

914UL/F的連桿長(zhǎng)度106 mm，曲柄半徑30.5 mm，所以，曲柄半徑與連桿長(zhǎng)度之比λ為0.287，發(fā)動(dòng)機(jī)的λ通常在0.25～0.312范圍內(nèi)。

4.2 強(qiáng)化指標(biāo)

1）升功率PL

升功率表征發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程的完善性能，也可用來評(píng)定發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)緊湊和外形尺寸大小。914UL/F發(fā)動(dòng)機(jī)的PL為60.68 kW/L，發(fā)動(dòng)機(jī)的PL通常在50～150 kW/L范圍內(nèi)[3]。

2）活塞的平均速度Cm

發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)械負(fù)荷可用最高爆發(fā)壓力和運(yùn)動(dòng)件的慣性力表示，最高爆發(fā)壓力隨著平均有效壓力Pme的提高而提高，慣性力則與Cm成正比，因此Pme和Cm是影響發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械負(fù)荷的主要因素。914UL/F發(fā)動(dòng)機(jī)的Cm為11.18m/s，發(fā)動(dòng)機(jī)的Cm通常在10～20m/s范圍內(nèi)。

3）平均有效壓力Pme

914UL/F發(fā)動(dòng)機(jī)的Pme為1.323 MPa，發(fā)動(dòng)機(jī)的Pme通常在0.6～1.5MPa范圍內(nèi)。由于采用了廢氣渦輪增壓技術(shù)，914UL/F發(fā)動(dòng)機(jī)的Pme接近上限。

4）單位面積的熱流量q

發(fā)動(dòng)機(jī)受熱零件上單位面積的熱流量是表示發(fā)動(dòng)機(jī)熱負(fù)荷的參數(shù)之一，受熱零件的熱流量與Pme和Cm值的乘積成正比。914UL/F的單位面積的熱流量為1.21×107kJ/m2·h。

5 ROTAX航空發(fā)動(dòng)機(jī)912/914配套的飛行器

從1989年起至2011年，已生產(chǎn)40000臺(tái)912/ 914系列發(fā)動(dòng)機(jī)。914系列發(fā)動(dòng)機(jī)大修時(shí)間間隔（TBO）已達(dá)2000h。914UL發(fā)動(dòng)機(jī)在歐洲的零售價(jià)大約2.1萬歐元，在中國(guó)的代理商零售價(jià)大約27萬人民幣。圖7到圖9為912/914系列發(fā)動(dòng)機(jī)配套的飛行器，這些飛行器既包括民用領(lǐng)域，也包括軍用領(lǐng)域，所以這款發(fā)動(dòng)機(jī)的應(yīng)用前景非常好。

圖7 搭載912/914系列發(fā)動(dòng)機(jī)的滑翔機(jī)

圖8 搭載912/914系列發(fā)動(dòng)機(jī)的輕型飛機(jī)

圖9 搭載912/914系列發(fā)動(dòng)機(jī)的無人機(jī)

6 結(jié)論

1）ROTAX914UL/F航空發(fā)動(dòng)機(jī)既可作為無人機(jī)動(dòng)力，也可作為輕型飛機(jī)動(dòng)力。

2）一般認(rèn)為，如果飛行器選用914UL/F作為動(dòng)力，飛行器的設(shè)計(jì)飛行高度大約在8000 m以下。如果飛行器的設(shè)計(jì)飛行高度超過8000 m，發(fā)動(dòng)機(jī)最好選用二級(jí)渦輪增壓器，以便為飛行器提供更強(qiáng)的動(dòng)力。

3）ROTAX914UL/F航空發(fā)動(dòng)機(jī)目前選用化油器供油?？梢詫⑵涓臑槿加蛧娚?，實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)各個(gè)工況下所需的最佳供油量，節(jié)省燃油，增加其配套機(jī)型的續(xù)航能力。

1BRP-Rotax GmbH&Co.KG.Operators Manual for ROTAX Engine Type 914 Series 2008[EB/OL].www.rotaxaircraft-engines.com

2王興海，馬震，鄭勇.無人機(jī)用小型航空活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展[C].2006無人機(jī)大會(huì)論文集，北京，2006

3葉盛焱.摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)[M].北京：人民郵電出版社，1997

General Overviews of ROTAX Aircraft Engines 914UL/F

Qin De，Ma Hongyu
Tianjin Internal Combustion Engine Research Institute（Tianjin，300072，China）

This paper mainly introduces the basic parameters，characteristics of structure，performance and application fields of aircraft engine ROTAX 914UL/F.The structure design parameters and intensifying indexes are analyzed.It will be helpful to the application of this aircraft piston engine in the domestic light aircraft.

Aircraft engine，ROTAX，914UL/F

V19

A

2095-8234（2014）05-0088-04

2014-05-29）

天津市重大科技專項(xiàng)（13ZCZDGX04400）。

秦德（1963-），男，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)總體設(shè)計(jì)。