摘要：無人機(jī)憑借其廣闊的作業(yè)高度區(qū)間、長(zhǎng)時(shí)間的懸停能力、卓越的機(jī)動(dòng)性能以及較低的使用與維護(hù)成本，在軍事偵察監(jiān)視、搜索追蹤以及民用災(zāi)情評(píng)估、氣象研究等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛?；钊l(fā)動(dòng)機(jī)以其成本低廉、技術(shù)成熟、維護(hù)簡(jiǎn)便等優(yōu)勢(shì)，成為無人機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)的優(yōu)選方案。然而，隨著飛行高度的攀升，高空大氣條件的變化導(dǎo)致活塞發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性能出現(xiàn)顯著衰減。增壓技術(shù)作為應(yīng)對(duì)高空功率衰減、提升發(fā)動(dòng)機(jī)性能的核心手段，已成為無人機(jī)活塞發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域的研究重點(diǎn)。本文系統(tǒng)梳理了無人機(jī)活塞發(fā)動(dòng)機(jī)增壓技術(shù)的發(fā)展歷程、理論基礎(chǔ)與技術(shù)分類，重點(diǎn)分析了不同增壓技術(shù)在點(diǎn)燃式活塞發(fā)動(dòng)機(jī)和壓燃式活塞發(fā)動(dòng)機(jī)中的應(yīng)用研究進(jìn)展，并對(duì)未來增壓技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望，以期為相關(guān)領(lǐng)域的研究人員提供參考。

一、無人機(jī)市場(chǎng)趨勢(shì)與活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

無人機(jī)作為一種能夠在7000～20000m高空持續(xù)飛行的無人駕駛航空器，近年來在全球范圍內(nèi)呈現(xiàn)出迅猛的發(fā)展態(tài)勢(shì)。從全球市場(chǎng)規(guī)模來看，根據(jù)QYResearch的統(tǒng)計(jì)與預(yù)測(cè)，2025年全球無人機(jī)引擎市場(chǎng)銷售額達(dá)到了14.69億美元，預(yù)計(jì)2032年將達(dá)到23.43億美元，年復(fù)合增長(zhǎng)率為7.0%。另據(jù)市場(chǎng)研究數(shù)據(jù)，2024年全球無人機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)市場(chǎng)規(guī)模約為63.6億美元，預(yù)計(jì)到2035年將達(dá)到181.5億美元，年復(fù)合增長(zhǎng)率達(dá)到10.00%。中國(guó)在無人機(jī)動(dòng)力裝置市場(chǎng)占據(jù)了重要份額，2024年該市場(chǎng)規(guī)模約為103.08億元人民幣，中國(guó)占比達(dá)44.81%。

在無人機(jī)動(dòng)力裝置的市場(chǎng)格局中，活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)憑借其獨(dú)特的性能優(yōu)勢(shì)占據(jù)了重要地位。活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)（占動(dòng)力市場(chǎng)的27%）具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維護(hù)成本低的特點(diǎn)，在輕型無人機(jī)與通航飛機(jī)領(lǐng)域適配優(yōu)勢(shì)明顯。國(guó)際上，無人機(jī)活塞發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域已涌現(xiàn)出成熟的動(dòng)力解決方案，如Rotax系列發(fā)動(dòng)機(jī)在全球無人機(jī)市場(chǎng)獲得廣泛應(yīng)用。在中國(guó)，民營(yíng)企業(yè)占據(jù)了活塞發(fā)動(dòng)機(jī)市場(chǎng)超過60%的份額，重慶宗申的CA系列活塞發(fā)動(dòng)機(jī)（73.5kW）已成為輕型無人機(jī)市場(chǎng)的主流動(dòng)力選擇。此外，鴻鵬航空展出的E10混合動(dòng)力系統(tǒng)重量?jī)H6.7kg，可作為無人機(jī)電池的輔助增程電源使用，具有馬力足、價(jià)格低的優(yōu)勢(shì)。2025年亞洲通航展期間，鴻鵬航空展出了搭載高壓共軌、雙FADEC控制技術(shù)的發(fā)動(dòng)機(jī)，采用多裕度安全設(shè)計(jì)，可適配多噸位有人機(jī)、無人機(jī)、無人艇等多種裝備，體現(xiàn)了活塞發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的持續(xù)演進(jìn)。

活塞發(fā)動(dòng)機(jī)之所以能夠在多樣化的無人機(jī)動(dòng)力選擇中脫穎而出，成為首選動(dòng)力源，主要?dú)w因于其多重優(yōu)勢(shì)。首先，活塞發(fā)動(dòng)機(jī)成本低廉，相較于渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)、渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)等動(dòng)力形式具有顯著的價(jià)格競(jìng)爭(zhēng)力；其次，活塞發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)成熟度高，經(jīng)過數(shù)十年的持續(xù)優(yōu)化與發(fā)展，其設(shè)計(jì)理論、制造工藝和維護(hù)體系均已相當(dāng)完備；再次，活塞發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗率較低，能夠滿足長(zhǎng)航時(shí)無人機(jī)對(duì)經(jīng)濟(jì)性的嚴(yán)苛要求；最后，活塞發(fā)動(dòng)機(jī)維護(hù)簡(jiǎn)便，降低了全壽命周期的使用成本。憑借上述優(yōu)勢(shì)，活塞發(fā)動(dòng)機(jī)能夠在無人機(jī)起飛、爬升、巡航至著陸的整個(gè)飛行剖面內(nèi)實(shí)現(xiàn)功率與推力的最優(yōu)配置，使其成為無人機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)不可替代的優(yōu)選方案。

二、活塞發(fā)動(dòng)機(jī)增壓技術(shù)的歷史背景與理論基礎(chǔ)

2.1 增壓技術(shù)的發(fā)展歷程

活塞發(fā)動(dòng)機(jī)增壓技術(shù)的發(fā)展可追溯至20世紀(jì)初。1905年，瑞士蘇爾策兄弟研發(fā)公司的總工程師阿爾弗雷德·波西博士發(fā)明了一種集軸向壓縮機(jī)、徑向活塞發(fā)動(dòng)機(jī)和軸向渦輪于一體的“動(dòng)力驅(qū)動(dòng)軸向增壓器”，并申請(qǐng)了專利，這標(biāo)志著世界上第一臺(tái)渦輪增壓器的誕生。然而，早期的增壓器設(shè)計(jì)存在諸多局限。柴油機(jī)背壓過高導(dǎo)致的泵吸損失上升，幾乎抵消了渦輪回收的功，同時(shí)廢氣殘留增多嚴(yán)重削弱了充氣效率，使復(fù)合式發(fā)動(dòng)機(jī)原型未能達(dá)到預(yù)期效果。

1915年，波西提出了改進(jìn)策略，在全負(fù)荷工況下使柴油機(jī)的增壓壓力超越渦輪前的壓力，并調(diào)整排氣門重疊開啟時(shí)段，顯著提升了增壓效果。1923年，德國(guó)交通部采納了波西設(shè)計(jì)的增壓器并將其應(yīng)用于船用發(fā)動(dòng)機(jī)，使船機(jī)功率提高了40%，柴油機(jī)的平均指示壓力提高了1.1MPa。1925年，波西成功獲得了脈沖增壓技術(shù)的專利權(quán)。1937年，法國(guó)工程師牛爾首次將徑流式渦輪引入增壓器設(shè)計(jì)，通過將渦輪葉輪與軸焊接成一體，大幅減小了渦輪增壓器的重量與尺寸，標(biāo)志著廢氣渦輪增壓技術(shù)的一次重大突破。20世紀(jì)50年代初，浮動(dòng)軸承在增壓器上的應(yīng)用使轉(zhuǎn)速高、體積小、重量輕的廢氣渦輪增壓器問世，為活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的大規(guī)模增壓創(chuàng)造了條件。

在航空應(yīng)用領(lǐng)域，渦輪增壓技術(shù)最早在軍事航空中發(fā)揮了關(guān)鍵作用。二戰(zhàn)期間，B-17“空中堡壘”、B-24“解放者”、P-38“閃電”、P-47“雷電”以及德國(guó)的FW-190等著名戰(zhàn)機(jī)均使用了渦輪增壓活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)。由于飛機(jī)飛得越高空氣越稀薄，發(fā)動(dòng)機(jī)壓入的空氣不足導(dǎo)致動(dòng)力下降，渦輪增壓技術(shù)成為解決這一高空功率衰減問題的核心手段。

與柴油機(jī)增壓技術(shù)的快速發(fā)展相比，汽油機(jī)增壓技術(shù)的發(fā)展步伐相對(duì)緩慢。初期研究主要聚焦于機(jī)械增壓領(lǐng)域。第二次世界大戰(zhàn)期間，因急需彌補(bǔ)飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)在高空中的功率損失，渦輪增壓技術(shù)才開始受到重視。1958年，美國(guó)艾里薩奇公司率先開展了汽油機(jī)渦輪增壓技術(shù)研究，并于1963年成功在雷鳥車型上應(yīng)用該技術(shù)。然而，當(dāng)時(shí)汽油機(jī)增壓后呈現(xiàn)的高熱負(fù)荷、爆震傾向加劇、缺乏有效防爆措施等問題一度阻礙了該技術(shù)的發(fā)展。直至20世紀(jì)70年代初，全球能源危機(jī)日益嚴(yán)峻，電子技術(shù)的快速發(fā)展為爆震問題的解決創(chuàng)造了條件，汽油機(jī)增壓技術(shù)才重新受到重視并實(shí)現(xiàn)了較大發(fā)展。

2.2 增壓技術(shù)理論與分類

增壓技術(shù)的基本原理是通過增壓器對(duì)空氣實(shí)施壓縮以提升進(jìn)氣系統(tǒng)壓力，在發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣循環(huán)中強(qiáng)制將高壓空氣送入工作氣缸，從而增大每循環(huán)進(jìn)入氣缸新鮮充量的密度。單位體積內(nèi)含氧分子數(shù)量的增多允許相應(yīng)增加循環(huán)供油量。在不改變發(fā)動(dòng)機(jī)排量的情況下，這一技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)可燃混合物密度與質(zhì)量的提升，通過燃燒過程釋放更多熱能，從而提高活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的升功率和熱效率。

根據(jù)壓氣機(jī)能量來源的不同，增壓系統(tǒng)可分為以下幾種主要類型。

機(jī)械增壓系統(tǒng)通過皮帶將壓氣機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸相連接，由曲軸扭力驅(qū)動(dòng)壓氣機(jī)工作。機(jī)械增壓在低轉(zhuǎn)速工況下可獲得增壓效果，動(dòng)力輸出與曲軸轉(zhuǎn)速成線性正比關(guān)系，系統(tǒng)溫度變化較小。然而，機(jī)械增壓系統(tǒng)的增壓效率較低。由于系統(tǒng)由曲軸驅(qū)動(dòng)，始終在消耗發(fā)動(dòng)機(jī)功率，尤其當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速升高時(shí)，增壓壓力提高使增壓器自身的運(yùn)動(dòng)阻力相應(yīng)增加，加大了發(fā)動(dòng)機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的負(fù)擔(dān)。因此，機(jī)械增壓系統(tǒng)必須在增壓效果與發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷之間取得平衡。

渦輪增壓技術(shù)利用渦輪回收活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣能量做功，帶動(dòng)同軸壓氣機(jī)壓縮發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣，可大幅度提高活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的充量系數(shù)，顯著提升升功率。渦輪增壓與發(fā)動(dòng)機(jī)之間僅有氣體能量傳輸而無機(jī)械剛性傳動(dòng)，有效簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)，提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性與經(jīng)濟(jì)性。渦輪增壓系統(tǒng)的主要局限在于渦輪遲滯現(xiàn)象——當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速較低時(shí)，排氣能量較小，可能無法驅(qū)動(dòng)增壓器工作。對(duì)于無人機(jī)活塞發(fā)動(dòng)機(jī)而言，高空運(yùn)行通常處于高轉(zhuǎn)速工況下，可有效避開低轉(zhuǎn)速下增壓器不工作的區(qū)域。航空活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)采用單級(jí)渦輪增壓后通常能夠勝任8000m的工作高度。為進(jìn)一步提升飛行高度并克服高空動(dòng)力性能衰減問題，兩級(jí)乃至多級(jí)增壓技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。一般認(rèn)為，飛行高度不高于5km時(shí)可采用單級(jí)渦輪增壓；5～10km可采用二級(jí)渦輪增壓或復(fù)合二級(jí)增壓；10～20km至少應(yīng)匹配三級(jí)或復(fù)合三級(jí)渦輪增壓。目前正在研究的三級(jí)增壓技術(shù)有望將航空活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)的飛行高度提升至24000m。

氣波增壓利用發(fā)動(dòng)機(jī)排出熱排氣與進(jìn)氣面之間的波動(dòng)效應(yīng)提高進(jìn)氣壓力，借助氣體的壓縮波及膨脹波效應(yīng)有效傳遞能量。氣波增壓具有以下優(yōu)點(diǎn)：快速響應(yīng)能力強(qiáng)；在低速工況下可提供高增壓壓力，轉(zhuǎn)速為1700rpm時(shí)增壓壓力可達(dá)2bar；在大多數(shù)工況下都能保持正壓差；高海拔下儲(chǔ)備性能良好，無超速現(xiàn)象；高壓下無明顯機(jī)械和熱應(yīng)力問題；對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲具有良好的阻尼效果。

復(fù)合增壓將渦輪增壓與機(jī)械增壓串聯(lián)或并聯(lián)，以兼顧不同轉(zhuǎn)速工況下的增壓需求。在穩(wěn)態(tài)條件下，電動(dòng)壓縮機(jī)系統(tǒng)表現(xiàn)出優(yōu)異性能，但由于電力限制在瞬態(tài)條件下性能不佳。帶有螺桿式增壓器的混合增壓系統(tǒng)在低速和瞬態(tài)條件下表現(xiàn)出更好的性能，但低速至中速工況范圍內(nèi)燃油經(jīng)濟(jì)性較差。與帶有旁通閥的雙級(jí)渦輪增壓系統(tǒng)相比，帶可變氣門機(jī)構(gòu)的雙級(jí)渦輪增壓系統(tǒng)顯示出更好的性能和燃油經(jīng)濟(jì)性。

組合式渦輪增壓將不同類型或工作原理的渦輪增壓系統(tǒng)組合，以實(shí)現(xiàn)更高效的增壓效果和更好的發(fā)動(dòng)機(jī)性能。綜合不同增壓方式的特點(diǎn)以及無人機(jī)活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行工況，渦輪增壓技術(shù)憑借其能夠?qū)崿F(xiàn)更高增壓比、更高效率、更高功率密度以及拓寬工況范圍的綜合優(yōu)勢(shì)，成為無人機(jī)活塞發(fā)動(dòng)機(jī)增壓技術(shù)的首選方案。

三、無人機(jī)點(diǎn)燃式活塞發(fā)動(dòng)機(jī)增壓技術(shù)研究進(jìn)展

點(diǎn)燃式活塞發(fā)動(dòng)機(jī)即汽油機(jī)，屬于當(dāng)量比預(yù)混燃燒。在汽油機(jī)中，通常采用量調(diào)節(jié)方式控制燃油供給。當(dāng)化油器式發(fā)動(dòng)機(jī)增壓時(shí)，流經(jīng)化油器喉口的氣體壓力波動(dòng)使精確提供特定濃度混合氣變得困難。電控汽油噴射技術(shù)的引入為汽油機(jī)增壓技術(shù)的應(yīng)用掃清了這一障礙。汽油機(jī)傾向于較小過量空氣系數(shù)運(yùn)行，其燃燒溫度高、膨脹比小，導(dǎo)致排氣溫度比柴油機(jī)高出約200～300℃。增壓后，汽油機(jī)的整體溫度水平進(jìn)一步提升，使熱負(fù)荷問題更為顯著。為提升扭矩輸出，汽油機(jī)常采用廢氣渦輪增壓技術(shù)增加進(jìn)氣壓力、擴(kuò)大進(jìn)氣量。

3.1 進(jìn)氣道噴射汽油機(jī)增壓技術(shù)

在進(jìn)氣道噴射汽油機(jī)增壓技術(shù)領(lǐng)域，研究主要聚焦于增壓技術(shù)對(duì)循環(huán)變動(dòng)、燃燒穩(wěn)定性和排放性能的影響。Mingzhang Pan等研究了增壓技術(shù)、廢氣再循環(huán)和壓縮比對(duì)進(jìn)氣道噴射汽油機(jī)循環(huán)變動(dòng)的影響。實(shí)驗(yàn)在轉(zhuǎn)速為1000rpm、節(jié)氣門全開的條件下進(jìn)行，進(jìn)氣壓力分別為1bar、1.3bar和1.5bar。研究表明，增大EGR率會(huì)增大循環(huán)變動(dòng)，因?yàn)閷恿骰鹧嫠俣葴p小。當(dāng)EGR率超過20%時(shí)，平均指示有效壓力的變動(dòng)系數(shù)會(huì)超過10%。然而，結(jié)合合理的壓縮比和增壓會(huì)使循環(huán)變動(dòng)減小——增壓使層流火焰速度在點(diǎn)火區(qū)域增大，而高壓縮比使湍流強(qiáng)度增大。增壓有助于減小循環(huán)波動(dòng)并改善汽油機(jī)的燃燒穩(wěn)定性。

J. N. de S. Vianna等在四沖程汽油機(jī)上研究了增壓對(duì)汽油機(jī)性能和排放的影響，采用轉(zhuǎn)速為3000rpm、EGR率4.2%以及渦輪增壓的實(shí)驗(yàn)條件。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，NOx下降20%，HC下降61%，CO下降52%。渦輪增壓使汽油機(jī)的功率提高33%，有效燃油消耗率降低3%。這一趨勢(shì)在部分負(fù)荷和滿負(fù)荷的不同轉(zhuǎn)速工況下均保持一致。

Roussos G. Papagiannakis等利用Two-zone phenomenological模型模擬了增壓和點(diǎn)火時(shí)間對(duì)火花點(diǎn)火發(fā)動(dòng)機(jī)性能和排放的影響。發(fā)動(dòng)機(jī)工況對(duì)應(yīng)節(jié)氣門開度的65%和100%，轉(zhuǎn)速為1500rpm，采用渦輪增壓。模擬結(jié)果表明，當(dāng)節(jié)氣門開度為65%時(shí)，增壓可減少燃料消耗、降低NO和CO排放量；當(dāng)節(jié)氣門開度為100%時(shí)，增壓結(jié)合提前點(diǎn)火角可使發(fā)動(dòng)機(jī)性能和排放特性得到改善。

上述研究表明，進(jìn)氣增壓與EGR、壓縮比優(yōu)化及點(diǎn)火時(shí)刻調(diào)整的協(xié)同作用，能夠顯著改善進(jìn)氣道噴射汽油機(jī)的燃燒穩(wěn)定性和排放性能。

3.2 缸內(nèi)直噴汽油機(jī)增壓技術(shù)

在均值當(dāng)量比直噴汽油機(jī)中引入增壓技術(shù)后，催生了“小型化高增壓”理念。這種增壓直噴發(fā)動(dòng)機(jī)能夠在保持動(dòng)力性能的同時(shí)實(shí)現(xiàn)比非增壓直噴發(fā)動(dòng)機(jī)更小的排量設(shè)計(jì)。在達(dá)到相同扭矩輸出的條件下，增壓發(fā)動(dòng)機(jī)能夠在更高的平均有效壓力下運(yùn)行，有效減少泵氣損失。此外，增壓發(fā)動(dòng)機(jī)展現(xiàn)出出色的低速扭矩表現(xiàn)，在低速運(yùn)行以及排量減小的共同作用下，摩擦損失得以降低。相關(guān)研究表明，在保持相同重量的前提下，采用增壓技術(shù)的小型化汽油發(fā)動(dòng)機(jī)能夠提升燃油經(jīng)濟(jì)性。L. Guzzella等研究了汽油機(jī)小型化和增壓對(duì)燃油經(jīng)濟(jì)性的優(yōu)化作用，結(jié)果表明該技術(shù)對(duì)排放和燃燒性能同樣具有優(yōu)化作用，尤其在部分負(fù)荷工況下更為顯著。

缸內(nèi)直噴技術(shù)在排放和經(jīng)濟(jì)性上相比進(jìn)氣道噴射技術(shù)均有顯著改善，因此汽油機(jī)的研究重點(diǎn)基本集中在缸內(nèi)直噴技術(shù)上開展。Taro Aoyama等對(duì)單缸預(yù)混壓燃汽油機(jī)進(jìn)行了增壓研究，增壓壓力為1.28MPa，相當(dāng)于充量系數(shù)為118%。實(shí)驗(yàn)表明，增壓能夠擴(kuò)寬穩(wěn)定燃燒的范圍，提高指示平均有效壓力，使有效燃油消耗率保持在較低水平。在有增壓的情況下，空燃比為50時(shí)的指示平均有效壓力與空燃比為40時(shí)相同。HC排放隨空燃比降低而降低，隨充量系數(shù)增高而降低。NOx在實(shí)驗(yàn)中一直保持較低水平，僅當(dāng)空燃比較高時(shí)稍有增加。

Sok Ratnak等在單缸汽油機(jī)上研究了增壓技術(shù)對(duì)稀薄燃燒熱效率和輸出功率的影響，實(shí)驗(yàn)工況為高速大負(fù)荷（轉(zhuǎn)速4000rpm），并采用增壓中冷技術(shù)。實(shí)驗(yàn)設(shè)置了五個(gè)案例，過量空氣系數(shù)分別為1、1.2、1.3、1.4和1.5，進(jìn)氣歧管絕對(duì)壓力分別為95kPa、107kPa、117kPa、123kPa和150kPa。結(jié)果表明，案例4具有最高的熱效率（46.7%），缸內(nèi)指示平均有效壓力為1.056MPa，且NOx隨過量空氣系數(shù)增加而逐漸減小。案例5可實(shí)現(xiàn)更高的功率輸出，但指示熱效率有所下降，點(diǎn)火時(shí)刻必須延遲。為避免缸內(nèi)壓力瞬間增高過大造成爆震，采用10%EGR的增壓中冷可使指示熱效率保持在49%，平均指示有效壓力達(dá)到1.367MPa。

針對(duì)增壓直噴汽油機(jī)面臨的爆震問題，相關(guān)研究提出了有效抑制策略。采用VVT技術(shù)結(jié)合LIVC（進(jìn)氣晚關(guān)）或EIVC（進(jìn)氣早關(guān)）技術(shù)均可有效抑制汽油機(jī)爆震傾向，其中LIVC技術(shù)對(duì)爆震傾向的抑制效果最為顯著。

綜合上述研究，采用增壓技術(shù)能夠改善汽油機(jī)的排放和燃油經(jīng)濟(jì)性，提高熱效率并提升功率輸出。再結(jié)合EGR和點(diǎn)火時(shí)刻優(yōu)化，可進(jìn)一步提升汽油機(jī)的經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)力性和排放性能，為無人機(jī)高空長(zhǎng)航時(shí)運(yùn)行提供了可靠的技術(shù)保障。

四、無人機(jī)壓燃式活塞發(fā)動(dòng)機(jī)增壓技術(shù)研究進(jìn)展

壓燃式活塞發(fā)動(dòng)機(jī)即柴油機(jī)，屬于混合擴(kuò)散燃燒。柴油機(jī)在無人機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)中具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，尤其是在燃油經(jīng)濟(jì)性和可靠性方面。為響應(yīng)無人機(jī)高空長(zhǎng)航時(shí)的動(dòng)力需求，柴油機(jī)增壓技術(shù)已成為研究熱點(diǎn)。當(dāng)前，柴油機(jī)普遍采納增壓技術(shù)以及增壓中冷技術(shù)以提升其性能。在增壓方式上，柴油機(jī)主要采用單級(jí)增壓、兩級(jí)增壓和可變幾何增壓等多種技術(shù)路線。

4.1 柴油機(jī)增壓技術(shù)概述

傳統(tǒng)單級(jí)增壓器的工作能力受增壓比和壓縮出口溫度的制約。兩級(jí)增壓技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)較高的增壓比，增加進(jìn)氣流量，擴(kuò)展壓縮比，并顯著提高柴油機(jī)功率密度。研究表明，兩級(jí)增壓技術(shù)的應(yīng)用可顯著提高發(fā)動(dòng)機(jī)的升功率、升扭矩及低速扭矩，但發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒最高爆發(fā)壓力會(huì)明顯上升。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)功率密度較大、EGR率較高時(shí)，過量空氣系數(shù)仍可達(dá)到相對(duì)較高的水平。以國(guó)產(chǎn)6CS21型發(fā)電用柴油機(jī)為對(duì)象的研究表明，與單級(jí)增壓柴油機(jī)相比，兩級(jí)增壓柴油機(jī)功率可提高13.6%，加權(quán)燃油消耗率降低了11.6g/(kW·h)。另一項(xiàng)研究進(jìn)一步顯示，6CS21采用兩級(jí)增壓技術(shù)可使功率密度提升14%，試驗(yàn)加權(quán)燃油消耗率比原機(jī)降低高達(dá)12g/kW·h，試驗(yàn)NOx排放降低幅度為12%，柴油機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、排放特性均得到全面提升，同時(shí)柴油機(jī)熱負(fù)荷也有所降低。

可變幾何截面渦輪增壓器可以在全工況范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)與柴油機(jī)的良好匹配。王天靈等的研究結(jié)果顯示，VNT與EGR的匹配能夠改善渦前與壓后的壓差，提高EGR率，進(jìn)一步減少排放。孫萬臣等試驗(yàn)了可變噴嘴渦輪增壓器對(duì)柴油機(jī)瞬態(tài)工況下排放和燃油消耗量的影響，發(fā)現(xiàn)噴嘴開度的大小直接影響柴油機(jī)的性能惡化程度，主要影響排氣煙度。

Noboru Uchida等在一臺(tái)單缸柴油機(jī)上研究了增壓和噴射參數(shù)對(duì)柴油機(jī)性能的影響。研究表明，增壓能夠改善擴(kuò)散燃燒，使燃油快速燃燒，提高燃油經(jīng)濟(jì)性，減小噴射延遲，減少排放。增壓對(duì)放熱率有顯著影響，可縮短滯燃期，減小預(yù)混燃燒的放熱率，從而減少NOx排放。在結(jié)合EGR的情況下，擴(kuò)散燃燒的早期放熱率稍有下降。由于過量空氣系數(shù)的改變，噴霧液滴蒸發(fā)減少，在擴(kuò)散燃燒早期空氣和燃油混合不夠充分，但增壓能夠改善這一狀況。在高增壓條件下，湍流混合會(huì)加快液滴蒸發(fā)。

Francisco Payri等研究了一臺(tái)重型單缸柴油機(jī)增壓和EGR對(duì)性能的影響。在所有工況下，由于更好的混合以及更快的燃燒，炭煙排放大幅減少，但NOx排放會(huì)略有增加。EGR的應(yīng)用可降低NOx排放，增壓則可降低燃油消耗率以改善燃油經(jīng)濟(jì)性。

I. Al-Hinti等應(yīng)用自適應(yīng)神經(jīng)模糊接口系統(tǒng)預(yù)測(cè)了增壓對(duì)GUNT CT100.23單缸柴油機(jī)性能的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著增壓壓力的提高，柴油機(jī)的功率、效率和平均有效壓力提高，有效燃油消耗率減小。自適應(yīng)神經(jīng)模糊接口系統(tǒng)預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)驗(yàn)基本一致，驗(yàn)證了該方法在預(yù)測(cè)柴油機(jī)性能和排放方面的有效性。

B. Jayashankara等應(yīng)用CFD模型研究了增壓中冷和噴射正時(shí)對(duì)單缸柴油機(jī)性能的影響。當(dāng)進(jìn)氣壓力分別設(shè)置為1.01bar、1.21bar和1.71bar時(shí)，增壓中冷會(huì)減小放熱率峰值、增大累積放熱，NOx排放分別增加15.03%和58.69%，炭煙排放分別減少8.82%和51.47%。當(dāng)噴油正時(shí)在上止點(diǎn)前12°CA且進(jìn)氣壓力為1.21bar時(shí)，柴油機(jī)表現(xiàn)出最佳的性能。

Chandrasekharan Jayakumar等研究了單缸柴油機(jī)增壓對(duì)不同十六烷值燃料的影響，燃料包括十六烷值為45的ULSD、十六烷值為61的FT-SPK、十六烷值為25的JP-8和十六烷值為49的JP-8。研究表明，增壓能夠縮短點(diǎn)火延遲角，改善噴霧蒸發(fā)和混合，增加氧濃度。進(jìn)氣壓力從1.1bar增加到1.5bar時(shí)，JP-8（LCN）的點(diǎn)火延遲角縮短了4.9°CA。具有高揮發(fā)性的燃料對(duì)增壓較為敏感，而高十六烷值燃料對(duì)增壓不敏感。

Tobias Braun等研究了四缸小口徑柴油機(jī)外部高增壓的影響。在中等負(fù)荷條件下，增壓后PM降低80%，NOx排放保持不變。在高EGR條件下，CO降低15%；在低EGR條件下，CO有所增加。當(dāng)結(jié)合高噴射壓力時(shí)，與單級(jí)渦輪增壓相比PM可降低95%。增壓對(duì)HC排放略有不利影響，原因是高充量系數(shù)造成的冷效應(yīng)會(huì)增加HC排放。在低負(fù)荷條件下，增壓會(huì)使PM排放增加65%，但可通過增加噴射壓力進(jìn)行補(bǔ)償。

Inseok Park等研究了2.2L渦輪增壓柴油機(jī)VGT和EGR的綜合影響。VGT能增加進(jìn)氣量，使更多燃油燃燒并增加功率輸出。VGT的快速響應(yīng)改善了柴油機(jī)的穩(wěn)定性能并抑制PM形成。然而，由于EGR和VGT之間存在很高的非線性特征，改善兩者的協(xié)同控制是一個(gè)重要挑戰(zhàn)。

Venkatesh Gopalakrishnan等研究了單缸柴油機(jī)高增壓的潛在價(jià)值。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，在不同轉(zhuǎn)速和平均有效壓力工況下，高增壓對(duì)燃油消耗率、PM、NOx和燃燒噪聲的影響呈現(xiàn)出顯著的工況依賴性，體現(xiàn)了增壓技術(shù)工況匹配的復(fù)雜性。

4.2 柴油機(jī)先進(jìn)燃燒方式增壓技術(shù)

隨著排放法規(guī)的日益嚴(yán)苛和對(duì)燃油經(jīng)濟(jì)性的持續(xù)追求，HCCI（均質(zhì)充量壓燃）和LTC（低溫預(yù)混燃燒）等先進(jìn)燃燒方式與增壓技術(shù)的結(jié)合成為研究熱點(diǎn)。

HCCI增壓技術(shù)主要適用于中小負(fù)荷工況，其主要面臨兩大挑戰(zhàn)：精確控制著火時(shí)刻與燃燒過程的難度，以及運(yùn)行工況范圍相對(duì)狹窄的問題。進(jìn)氣增壓能夠有效拓寬HCCI運(yùn)轉(zhuǎn)工況范圍，提前著火時(shí)刻，提高燃燒效率和指示熱效率，改善排放性能。Magnus Christensen等研究了增壓對(duì)HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響，進(jìn)氣壓力分別設(shè)置為1bar、2bar和3bar。研究表明，增壓能夠提高指示平均有效壓力，2bar增壓壓力和17壓縮比可使指示平均有效壓力達(dá)到14bar。增壓能降低HC排放，CO排放則高度依賴于空燃比和預(yù)混燃燒條件。此外，增壓可提高乙醇燃料的總效率，增加乙醇和天然氣的燃燒效率。Narankhuu Jamsran等利用CHEMKIN中的單區(qū)模型計(jì)算了EGR和增壓對(duì)單缸HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)二甲醚自燃特性的影響。研究表明，增壓會(huì)縮短燃燒持續(xù)時(shí)間并縮小冷焰區(qū)域。O Seok Kwon等的研究進(jìn)一步證實(shí)，增壓會(huì)增加最高溫度，使低溫反應(yīng)和高溫反應(yīng)提前，燃燒期縮短，平均指示壓力增大，有助于提高容積效率并減少CO排放。

LTC增壓技術(shù)通過精心設(shè)計(jì)的溫度和濃度調(diào)控策略，可巧妙避開導(dǎo)致NOx和PM大量生成的混合氣濃度與溫度敏感區(qū)域，具備同時(shí)降低NOx和PM排放的顯著優(yōu)勢(shì)。提升進(jìn)氣壓力不僅能夠有效抑制最大壓升率，進(jìn)一步拓寬LTC燃燒的負(fù)荷上限，還能在低負(fù)荷工況下增強(qiáng)燃燒穩(wěn)定性，顯著降低失火風(fēng)險(xiǎn)。Will F. Colban等研究了單缸輕型柴油機(jī)進(jìn)氣增壓對(duì)低溫燃燒發(fā)動(dòng)機(jī)性能和排放的影響，進(jìn)氣壓力分別設(shè)置為1.0bar、1.5bar和2.0bar，通過早噴高EGR率或晚噴中等EGR率兩種策略實(shí)現(xiàn)低溫燃燒。對(duì)于兩種策略，進(jìn)氣增壓均可降低UHC和CO排放，改善燃燒效率和指示燃油消耗率，提高燃油經(jīng)濟(jì)性。增壓后，在高氧濃度時(shí)炭煙排放減少，在低氧濃度時(shí)炭煙排放量增加，NOx會(huì)在進(jìn)氣壓力增加時(shí)進(jìn)一步降低。增壓還可使缸內(nèi)壓升率降低，減小大負(fù)荷時(shí)的噪聲。

Usman Asad等研究了四缸共軌柴油機(jī)單缸增壓對(duì)低溫燃燒排放和放熱率的影響。低EGR率時(shí)，NOx對(duì)增壓壓力表現(xiàn)出較強(qiáng)敏感性；高EGR率時(shí)，增壓對(duì)NOx幾乎無影響。增壓對(duì)Soot的影響僅在氧濃度較低時(shí)才顯著。Soot-NOx關(guān)系在較高增壓壓力和較低進(jìn)氣氧量條件下顯著改善。在低氧濃度時(shí)，增壓可使CO降低50%，THC也有相同趨勢(shì)。增壓能縮短滯燃期，擴(kuò)大EGR使用范圍，并在進(jìn)入LTC循環(huán)時(shí)降低燃油消耗率。

Wanhua Su等研究了增壓對(duì)低溫燃燒柴油機(jī)性能的影響。增壓使進(jìn)氣密度增大，熱容量增加，燃燒溫度升高率減小，空氣和燃料的混合率及擴(kuò)散燃燒得到改善。進(jìn)氣密度對(duì)NOx排放的影響較為復(fù)雜——高充量熱容抑制溫度升高對(duì)NOx形成有抑制作用，而混合和燃燒的改善促進(jìn)溫度升高則對(duì)NOx形成有促進(jìn)作用，兩者的協(xié)同效應(yīng)決定了最終NOx排放水平。

綜上所述，增壓技術(shù)能夠全面提升無人機(jī)壓燃式活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的各項(xiàng)性能。增壓使氣缸內(nèi)進(jìn)氣量增多，增加燃料噴射量，實(shí)現(xiàn)更充分的燃燒，提升輸出功率。結(jié)合中冷技術(shù)、EGR以及燃油噴射時(shí)刻優(yōu)化，可進(jìn)一步改善柴油機(jī)的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性。

五、增壓技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)與展望

5.1 多級(jí)增壓與寬域適配技術(shù)

隨著無人機(jī)高空長(zhǎng)航時(shí)運(yùn)行需求的日益增長(zhǎng)，多級(jí)增壓技術(shù)將持續(xù)成為研究的核心方向。從單級(jí)渦輪增壓到兩級(jí)、三級(jí)乃至復(fù)合多級(jí)增壓的發(fā)展路徑已漸趨清晰。兩級(jí)增壓系統(tǒng)在性能和燃油經(jīng)濟(jì)性方面顯示出獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，多級(jí)增壓具有高增壓比、寬流量范圍、強(qiáng)調(diào)節(jié)能力及高效率等顯著優(yōu)點(diǎn)，有利于活塞發(fā)動(dòng)機(jī)向高效、強(qiáng)工況適應(yīng)性的方向發(fā)展，可實(shí)現(xiàn)高功率密度、全工況性能和全域機(jī)動(dòng)能力。未來多級(jí)增壓技術(shù)的研究重點(diǎn)將圍繞級(jí)間匹配優(yōu)化、控制策略設(shè)計(jì)以及級(jí)間冷卻系統(tǒng)集成等方面展開，以應(yīng)對(duì)20km以上超高空飛行環(huán)境的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

5.2 電動(dòng)增壓與混合動(dòng)力集成

電輔助渦輪增壓系統(tǒng)通過增設(shè)電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)、電路控制模塊、電池組、高效能逆變器及多種傳感器增強(qiáng)增壓功能。該技術(shù)顯著優(yōu)化了發(fā)動(dòng)機(jī)在低速狀態(tài)下的轉(zhuǎn)矩輸出，減輕了渦輪遲滯現(xiàn)象，有效降低了燃油消耗率，拓寬了發(fā)動(dòng)機(jī)的高效經(jīng)濟(jì)運(yùn)行范圍。電動(dòng)增壓技術(shù)憑借其結(jié)構(gòu)緊湊、響應(yīng)迅速、控制靈活等優(yōu)勢(shì)，成為解決航空活塞發(fā)動(dòng)機(jī)高空功率恢復(fù)問題的有效途徑。同時(shí)，混動(dòng)無人機(jī)引擎市場(chǎng)呈現(xiàn)高速增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，2025年全球混動(dòng)無人機(jī)引擎市場(chǎng)銷售額達(dá)0.48億美元，預(yù)計(jì)2032年將達(dá)1.59億美元，年復(fù)合增長(zhǎng)率高達(dá)18.9%。未來發(fā)展方向包括進(jìn)一步優(yōu)化電機(jī)轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和增壓器軸的強(qiáng)度，提升電輔助增壓系統(tǒng)的集成化水平和響應(yīng)速度，推動(dòng)活塞發(fā)動(dòng)機(jī)向機(jī)電一體化和智能化方向發(fā)展。

5.3 先進(jìn)材料與制造工藝

應(yīng)用滾動(dòng)軸承、氣浮軸承等低摩擦技術(shù)可減小軸承中的摩擦，改善渦輪遲滯問題。使用新工藝與高性能材料——如高溫合金、陶瓷復(fù)合材料等——可以提高增壓器的壓比、流量范圍和效率，全面提升增壓器性能。隨著增材制造等先進(jìn)制造技術(shù)的成熟，增壓器關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)自由度將大幅提升，可推動(dòng)增壓器向更高轉(zhuǎn)速、更緊湊結(jié)構(gòu)、更低轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的方向發(fā)展。

5.4 智能化控制與系統(tǒng)協(xié)同

現(xiàn)代電子技術(shù)的飛速發(fā)展為增壓系統(tǒng)的精準(zhǔn)控制提供了技術(shù)基礎(chǔ)。未來增壓系統(tǒng)將與發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)深度融合，基于多維工況感知實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)、自學(xué)習(xí)的智能控制策略?？勺儙缀卧鰤浩髋c進(jìn)氣門正時(shí)、EGR率、噴油正時(shí)等參數(shù)的多目標(biāo)協(xié)同優(yōu)化將是提升活塞發(fā)動(dòng)機(jī)綜合性能的關(guān)鍵途徑。在高原高海拔及變工況條件下，先進(jìn)控制算法與多系統(tǒng)協(xié)同控制的結(jié)合，將為活塞發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)全工況高效運(yùn)行提供重要保障。

5.5 面向未來的技術(shù)融合

未來增壓技術(shù)的發(fā)展將呈現(xiàn)多元化融合趨勢(shì)。緊湊型增壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、電氣化集成、可再生燃料適配以及先進(jìn)推進(jìn)系統(tǒng)是未來發(fā)展的主要方向。增壓技術(shù)將更多考慮與新型燃燒方式（如HCCI、LTC、RCCI等）的協(xié)同匹配，以及與混合動(dòng)力系統(tǒng)、燃料電池等新能源技術(shù)路線的融合，同時(shí)將注重降低CO?排放和全生命周期環(huán)境影響。這些技術(shù)路徑將持續(xù)推動(dòng)活塞發(fā)動(dòng)機(jī)增壓技術(shù)向著更高效率、更低排放和更強(qiáng)環(huán)境適應(yīng)性的方向演進(jìn)。

無人機(jī)活塞發(fā)動(dòng)機(jī)增壓技術(shù)經(jīng)歷了從機(jī)械增壓到渦輪增壓、從單級(jí)增壓到多級(jí)增壓、從單一增壓到復(fù)合增壓的演進(jìn)歷程。當(dāng)前，以廢氣渦輪增壓為核心的增壓技術(shù)已成為無人機(jī)活塞發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力恢復(fù)和性能提升的關(guān)鍵技術(shù)手段。點(diǎn)燃式活塞發(fā)動(dòng)機(jī)在進(jìn)氣增壓、中冷、EGR及燃油噴射優(yōu)化等技術(shù)的協(xié)同作用下，燃油經(jīng)濟(jì)性和排放性能得到顯著改善。壓燃式活塞發(fā)動(dòng)機(jī)通過兩級(jí)增壓、VGT及先進(jìn)燃燒方式（HCCI、LTC）的結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了更高功率密度和更優(yōu)排放特性的統(tǒng)一。未來，隨著電動(dòng)增壓、智能控制、先進(jìn)材料等新技術(shù)的持續(xù)涌現(xiàn)與交叉融合，無人機(jī)活塞發(fā)動(dòng)機(jī)增壓技術(shù)將朝著更高效率、更寬工況適配和更低環(huán)境影響的綜合目標(biāo)邁進(jìn)，為無人機(jī)產(chǎn)業(yè)的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展提供堅(jiān)實(shí)的技術(shù)支撐。

湖南泰德航空技術(shù)有限公司于2012年成立，多年來持續(xù)學(xué)習(xí)與創(chuàng)新，成長(zhǎng)為行業(yè)內(nèi)有影響力的高新技術(shù)企業(yè)。公司聚焦高品質(zhì)航空航天流體控制元件及系統(tǒng)研發(fā)，深度布局航空航天、船舶兵器、低空經(jīng)濟(jì)等高科技領(lǐng)域，在航空航天燃/滑油泵、閥元件、流體控制系統(tǒng)及航空測(cè)試設(shè)備的研發(fā)上投入大量精力持續(xù)研發(fā)，為提升公司整體競(jìng)爭(zhēng)力提供堅(jiān)實(shí)支撐。

公司總部位于長(zhǎng)沙市雨花區(qū)同升街道匯金路877號(hào)，株洲市天元區(qū)動(dòng)力谷作為現(xiàn)代化生產(chǎn)基地，構(gòu)建起集研發(fā)、生產(chǎn)、檢測(cè)、測(cè)試于一體的全鏈條產(chǎn)業(yè)體系。經(jīng)過十余年穩(wěn)步發(fā)展，成功實(shí)現(xiàn)從貿(mào)易和航空非標(biāo)測(cè)試設(shè)備研制邁向航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)、無人機(jī)、靶機(jī)、eVTOL等飛行器燃油、潤(rùn)滑、冷卻系統(tǒng)的創(chuàng)新研發(fā)轉(zhuǎn)型，不斷提升技術(shù)實(shí)力。

公司已通過 GB/T 19001-2016/ISO 9001:2015質(zhì)量管理體系認(rèn)證，以嚴(yán)苛標(biāo)準(zhǔn)保障產(chǎn)品質(zhì)量。公司注重知識(shí)產(chǎn)權(quán)的保護(hù)和利用，積極申請(qǐng)發(fā)明專利、實(shí)用新型專利和軟著，目前累計(jì)獲得的知識(shí)產(chǎn)權(quán)已經(jīng)有10多項(xiàng)。湖南泰德航空以客戶需求為導(dǎo)向，積極拓展核心業(yè)務(wù)，與國(guó)內(nèi)頂尖科研單位達(dá)成深度戰(zhàn)略合作，整合優(yōu)勢(shì)資源，攻克多項(xiàng)技術(shù)難題，為進(jìn)一步的發(fā)展奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

湖南泰德航空始終堅(jiān)持創(chuàng)新，建立健全供應(yīng)鏈和銷售服務(wù)體系、堅(jiān)持質(zhì)量管理的目標(biāo)，不斷提高自身核心競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，為客戶提供更經(jīng)濟(jì)、更高效的飛行器動(dòng)力、潤(rùn)滑、冷卻系統(tǒng)、測(cè)試系統(tǒng)等解決方案。