线上培训第五期—解密“小金星”的心脏，电热式发动机

前面我们介绍了“小金星”航空模型飞机的神经系统——电气系统，这一期我们则来介绍一下“小金星”模型飞机上另一个重要的系统——动力系统。我们将从理论和操作两个方面来为大家介绍“小金星”模型飞机上的油动发动机。

前期回顾：

让我们先来学学油动发动机的理论知识——

1 发展历程与特点

活塞式发动机是第一种用于航空模型的动力装置，距今有近100年的发展史。在从其他用途发动机的改型到专业化制造的过程中，活塞式航模发动机发展出二冲程、四冲程；普及型、专用型；压燃式、电热式、电火花式等多种类型，其中电热式发动机是目前应用最广泛的发动机，也是“小金星”教练机使用的发动机。

电热式发动机

电热式发动机是使用甲醇燃料的二冲程发动机。同四冲程发动机一样，电热式发动机利用气缸内的燃料混合气爆燃产生的能量推动活塞对外做功。

其优点有：在排气量相同的条件下二冲程发动机的功率较四冲程发动机更大；体积小，重量轻，结构简单，造价低；但同时又有：燃油和润滑油消耗大，润滑不充分致使发动机寿命较短，废气不能完全排出导致燃烧质量差，等缺点。

2 结构

如图所示，电热式发动机由气缸、缸套、活塞、连杆、曲轴、机匣、汽化器和热火头等部件组成。

气缸缸套活塞组成了燃烧室，燃料混合气在其中爆燃推动活塞，活塞的往复运动通过曲轴连杆机构转变为主轴的旋转运动。主轴通过前后轴承固定在密闭机匣内，前端连接螺旋桨。

位于主轴上方的汽化器是调整油气混合比、控制发动机输出功率的重要部件，由风门阀、喷油嘴、油针等组成。

位于气缸顶部的热火头相当于汽油机的火花塞，用于点燃混合气。而进排气道位于气缸滑套侧壁，活塞上下移动即可实现开闭。

3 简明工作原理

发动机的工作过程

根据发挥的作用，可将电热式发动机分为四个模块：内燃核心模块，排气模块，油气控制模块，外部供油模块。（颜色对应下图方框颜色）

内燃核心模块

内燃核心模块是燃料能量转化的场所，主体包括活塞、缸套、连杆、曲轴、主传动轴、热火头。二冲程甲醇活塞发动机在活塞上行程中完成压缩冲程，下行程中依次完成做功、排气、进气冲程。

下面是折叠说明：

具体说明请翻阅

活塞自下止点向上运动，依次将气缸进、排气口封闭，压缩气缸内的混合气，混合气的温度、压力上升。

活塞运动到上止点附近，混合气被压缩到压力最大、温度最高的状态。在气缸顶部热火头的作用下混合气爆燃。活塞依靠惯性越过上止点后，爆燃产生的高温高压气体膨胀做功，推动活塞向下运动，通过连杆曲轴将动力传递给输出轴带动螺旋桨。

燃料甲醇的特性决定了电热式发动机的点火方式。它利用气缸顶部热火头内炽热的螺旋合金丝引燃燃料混合气，与此同时，混合气爆燃产生的热量使合金丝保持在红热状态，为下一次点火提供能量。火头在发动机启动时需通电加热。

活塞向下运动到顶部与右侧排气口相切时，开始排气。

活塞继续向下运动到顶端与进气口相切时，开始进气。进气排气同时进行，这是二冲程发动机的显著特点。由于吸气阀被封闭，活塞向下运动时会将曲轴箱内新鲜混合气从进气口压入燃烧室。强劲新鲜混合气涌入燃烧室并将废气挤出的过程叫做扫气。扫气时，部分新鲜混合气也会从排气管跑掉。这也是二冲程发动机油耗高的主要原因。

活塞触底后在曲轴的带动下靠惯性向上运动，进气口先被关闭。燃烧室内，排气口仍未关闭。由于排气模块的谐振作用（见后文），排气管内局部压强反而比燃烧室高。这样一来，燃烧室内新鲜混合气不但不会被向上运动的活塞挤出，扫气时排出的新鲜混合气还会再次被挤入燃烧室，达到增压的效果。

活塞继续向上运动，排气口关闭。曲轴箱内压强减小，此时吸气阀被打开，新鲜混合气被吸入曲轴箱。

小金星发动机的吸气阀在主轴上。主轴中空，并在汽化器口下留有“键槽口”。当主轴转到合适位置时，键槽口与化油器口重合，混合气从汽化器经主轴进入曲轴箱。

活塞继续向上运动，进行下一次循环。

排气模块

功能：接在燃烧室排气口，具有排气谐振、消声与油箱增压的作用。

谐振管工作过程示意图

燃烧室开始一轮排气后，废气进入排气管，经过扩散段流速变慢。进入收缩段后与侧壁碰撞产生的回波与新一轮排气波发生干涉，在排气口附近形成干涉加强，将扫出的部分混合气顶回燃烧室，从而增大气缸内压力。这一过程称为排气谐振，可将发动机最大功率提高约30%。整个过程中排气管内部压强始终略大于大气压，故尾部的排气口可顺利排气。

油气控制模块

油气控制模块的主体是汽化器，也称化油器，由风门阀、喷油嘴、油针等组成。风门调节进气进油量，改变总功率；油针调节油气混合比。

发动机工作时，空气从略带锥度的进气口流入汽化器，气流速度增加形成低压区。在气压差的作用下燃油在喷油嘴处被吸出，与高速流动的空气充分混合形成雾状的油气混合物进入机匣。

汽化器的进气口安装有风门旋鼓，其开口大小受风门连杆旋转的角度控制，风门旋鼓的开度决定了进入发动机的空气量。燃油从燃油嘴进入汽化器，对置安装在进气口两侧的两个油针通过改变油针锥端与喷油嘴间环状缝隙的大小控制着流入发动机的燃油量，进而影响燃油与空气的混合比。

值得注意的是，风门旋鼓与怠速油针阀联接，当风门旋鼓逐渐关闭时，怠速油针会向喷嘴方向移动限制供油量，从而避免混合气过浓的问题。

外部供油系统

外部供油系统由油箱、供油管和增压管组成。“小金星”训练机使用压力油箱向发动机供油，其原理是从发动机的消声器引出压力较大的废气充入油箱，保持油箱内较高的气压。吸油管尾端安装的重锤在重力作用下浸没在油液中，保障发动机燃油供应稳定。

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关于燃油

“要想马儿跑得好，先把马儿喂得饱”，同样道理，燃油的成分和供给是影响航模发动机运行可靠性的关键因素。电热式发动机没有封闭的润滑系统，使用时需将燃料与润滑油按合适的比例混合。

混合油的成分与作用：

1、甲醇：燃烧做功的主要成分

2、蓖麻油：润滑剂，减少发动机部件的摩擦；

3、硝基甲烷：作为添加剂，可改善启动性能，增大功率

市售燃油通常标注硝基甲烷的含量，以体积百分比表示。硝基甲烷的含量越多，发动机越容易启动，输出功率越大，但过高的硝基甲烷含量对发动机结构的强度要求提高，同时会导致热火头的烧损率上升，故需依照发动机的工况选择合适硝基甲烷比例的燃油。

补充：

何为“发动机的级数”？

发动机的级数用发动机气缸的英制容积的整数值来表示，容积单位为立方英寸，例如15级发动机的气缸容积为0.15立方英寸，21级发动机的气缸容积为0.21立方英寸

换算关系：1立方英寸=16.3871立方厘米，

常见的21级=0.21立方英寸=3.44129立方厘米

平时我们可用级数÷6=气缸容积（立方厘米）来大致计算发动机的气缸容积

说完理论的知识，下面我们以“小金星”发动机为例，具体介绍使用发动机的操作细节。

一启动与调整

启动前准备

首先，准备器材，如启动器及电池，火头电、燃油等，然后安装发动机与螺旋桨，必须保证螺旋桨完好无损；再安装燃油管与充压管，向油箱注入燃油；检查热火头合金丝。调整风门阀开度，启动时开口宽度约为2毫米。最后还需确认发动机周围环境安全。

启动发动机

发动机的启动方式有手拨桨启动法与启动器启动法。相比于手拨桨启动，使用启动器启动发动机可以避免螺旋桨打手的情况发生，更为安全。

“小金星”发动机的电动启动器由电动机、减速齿轮组、摩擦套筒和外壳组成，可使用3s或4s电池供电。摩擦套筒外壳为金属，内部嵌有橡胶衬套，以增大与螺旋桨整流罩的摩擦力。

电动启动器

二启动发动机的步骤

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固定：将发动机固定在试车台上或让他人抓稳飞机

吸油：逆时针旋转主油针约3圈，打开风门，用手指堵住进气口，盘动螺旋桨使燃油管中充满燃油，注意不要让过多的燃油进入发动机引起“富油”；

雾化：关闭风门再次拨动螺旋桨，使气缸内的燃油雾化易被引燃；

接电：将火头电插入发动机缸头；

启动：手握启动器，保持摩擦套筒与螺旋桨轴成一条直线，向前用力让摩擦套筒与螺旋桨整流罩贴紧无滑动，按下启动器电源让启动器带着螺旋桨旋转；

调整：当听到发动机气缸内传来连续的爆燃声后撤回启动器，待发动机能连续运转后取下火头电，再调节发动机油针阀使发动机运转更为稳定。

启动发动机

注意：视频中手拨桨启动方式须在专业人士指导下操作！

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若连续启动发动机多次均无爆燃声出现，则需要排查其他部件是否存在故障，常见故障为热火头烧损，油针阀或风门未调整到合适位置以及火头电亏电。找到原因并作出调整后，须排出发动机内多余的燃料再启动，以免气缸内“富油”造成启动困难甚至部件损坏。

三调整汽化器

汽化器（也称化油器）控制着发动机的功率输出，调整汽化器包括调整汽化器上的主油针阀和怠速油针阀，怠速油针控制着怠速和怠速向中速的过渡，到了中速后，主油针逐渐接替控制。高速工作时，怠速油针的控制作用极小。调整顺序为先主油针阀，后怠速油针阀。

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调整主油针阀

发动机刚启动时为富油状态，运转声音发闷，工作转速偏低，因此需要适当关闭主油针阀来减少燃油的进入量，操作方法是将发动机的风门调至全开状态，顺时针缓缓旋转主油针阀，此时发动机的声音变得清脆，转速明显上升。

当主油针阀顺时针旋转过某个位置时，发动机又进入贫油状态，声音变得尖锐，转速下降，这时应逆时针旋转主油针阀。如此反复几次，油针的调整量越来越小直至主油针阀调整好，注意为保证发动机稳定运行，发动机应工作在稍微富油的状态。

调整怠速油针阀

怠速油针阀的调整是在调整好主油针阀的基础上进行，调整工具为一字螺丝刀。

首先通过急加速的方法判断发动机的工作状态：

加速时发动机反应迟钝或熄火，表明怠速油针富油，需要顺时针旋转怠速油针阀。

怠速转速偏高，加速时声音尖锐表明怠速油针贫油，需要逆时针旋转怠速油针阀。

若不明确发动机的工作状态，可采用视频介绍的“试调”方法进行尝试！

注意：怠速油针阀较灵敏，每次调整时调整角度要控制在45度以下，逐渐减小调整量直至怠速油针阀调整好。

发动机两个油针的调整

四测量螺旋桨转速

地面调试发动机时需要知道螺旋桨的转速，测量螺旋桨转速的工具是非接触光电式转速表。使用这种转速表能便捷地测出螺旋桨的瞬时转速和最高转速。

非接触光电式转速表的原理是当光电头对着旋转的螺旋桨叶时，桨叶每遮住进入光电头的光线一次，光电头附近的光频率就发生一次变化，这种频率变化在光电头内引发电脉冲信号，转速表的电路接收到脉冲信号后按设定好的螺旋桨叶片数计算出螺旋桨的瞬时转速并显示在屏幕上。

转速表

五拆解与维护

拆解与组装

发动机的拆装与组装

用后维护

使用后的发动机机体内残余燃油和燃烧产物，若不及时清理，残余物质被氧化生成的酸性物质会腐蚀部件，缩短发动机的寿命。通常采用灌洗法清除机体内的残余物质，延长发动机的使用寿命。

1 将发动机从飞机或试车台拆下

2 将无水乙醇从发动机的进气口，排气口灌入机体内，转动曲轴一段时间后将清洗液倒出，如此操作3至4次

3 将发动机晾干，从进气口滴入数滴发动机保养油，再转动曲轴数圈

4 用卫生纸封堵发动机的进气口与排气口，以免灰尘进入发动机

5 包装发动机并妥善存放，以备下次使用！

特别鸣谢微信公众号“航模情报局”对本文的资源支持：航模情报局，发展航模运动，普及航空知识，传播航模文化。

部分图片与视频源自网络

排版：吴紫燕、庄俊杰

图文：小金星动力组

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