山西中北大學(xué) 武澤宇 許俊峰 任海濤

1 引言

章動發(fā)動機是一種在小功率范圍內(nèi)相較于傳統(tǒng)活塞式內(nèi)燃機和燃?xì)廨啓C具有明顯優(yōu)勢的新型內(nèi)燃機，其使用一種新結(jié)構(gòu)的擺盤Z軸結(jié)構(gòu)替代曲柄連桿機構(gòu)，擺盤繞盤中心做章動，因而沒有往復(fù)慣性力，具有自平衡的特性。

在小功率范圍內(nèi)，對小型機有降低油耗、降低機體振動噪聲、提高效率的要求，以滿足軍用動力（如無人機或小型水下艦艇）和民用小型動力（如小型發(fā)電機）的動力需求。傳統(tǒng)的燃?xì)廨啓C和活塞發(fā)動機不能滿足這個市場，這對新型發(fā)動機是一個機會。在2～500KW功率范圍內(nèi)，本文所提出的章動發(fā)動機即高功率密度發(fā)動機概念,結(jié)合了活塞發(fā)動機和燃?xì)廨啓C的優(yōu)點，而且不需犧牲效率，不以油耗為代價，兼具低噪聲、低振動、高體積功率等特點，具有很大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

2 整機配置方案設(shè)計

2.1 單擺盤發(fā)動機整機配置

由于章動發(fā)動機獨特的結(jié)構(gòu)特點，使其配置有很大的靈活性。針對單擺盤章動發(fā)動機來說，其進氣壓縮側(cè)容積與做功排氣側(cè)容積可以相同也可以不同。在一種進氣容積大于做功排氣容積的方案設(shè)計中，自增壓設(shè)計使其可以應(yīng)用于高空領(lǐng)域。與之相反，在另一種進氣容積小于做功排氣容積的衍生方案中，使其比活塞發(fā)動機能更有效地膨脹，如圖1所示。

圖1 單擺盤章動發(fā)動機工作容積三種布置方案

2.2 多擺盤發(fā)動機整機配置

對于多擺盤章動發(fā)動機，不同的擺盤可以串聯(lián)但有著180度相位差，從而消除軸向推力，本文中所討論的章動發(fā)動機采用雙擺盤串聯(lián)設(shè)計，即一個擺盤專門用于進氣壓縮，另一個擺盤用于做功膨脹和排氣，從而降低擺盤與機體上的熱應(yīng)力。其機體結(jié)構(gòu)布置方案如圖2所示。

圖2 多擺盤章動發(fā)動機結(jié)構(gòu)布置方案簡圖

在圖2中左側(cè)為做功盤，其擺盤與缸體共同圍成四個工作容積，相當(dāng)于往復(fù)活塞式發(fā)動機的四個氣缸。在做功一側(cè)的機體上布置有一個外部燃燒室，燃料在這里噴入，并與新鮮空氣充分混合后開始預(yù)燃，隨后被送入做功容積內(nèi)膨脹并完成剩余的燃燒過程。做功一側(cè)的四個工作容積交替發(fā)火，以確保其擺盤做章動運動。圖2中右側(cè)為進氣壓縮側(cè)，該側(cè)擺盤與缸體同樣圍成四個工作容積?？諝膺M入后由擺盤對其進行機械壓縮，然后被送入進氣壓縮側(cè)機體上設(shè)置的外部蓄壓室內(nèi)。蓄壓室出口處設(shè)有限壓閥，用來保證進氣壓力恒定和進氣過程的穩(wěn)定。當(dāng)做功側(cè)擺盤進入膨脹做功沖程時，空氣充量經(jīng)蓄壓室與外置燃燒室的連接管道進入外置燃燒室。這些由外部蓄壓室和預(yù)燃室分隔出的區(qū)域控制著發(fā)動機進氣側(cè)與膨脹做功側(cè)間的充量流動。

值得注意的是，由于左右兩側(cè)的擺盤有著不同的作用，工作環(huán)境也不盡相同，導(dǎo)致了兩側(cè)的擺盤、Z軸和缸體結(jié)構(gòu)會略有差異（如擺盤的大小、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、材料等），但其運動機構(gòu)的原理是相同的。因此，在具體設(shè)計時可以應(yīng)用相似的手段和方法。

3 潤滑系方案設(shè)計

章動發(fā)動機需要潤滑的主要部位是擺盤外緣與機體內(nèi)壁之間、軸與軸承之間、其他運動件之間。本文給出的主要運動機構(gòu)的潤滑方案是在擺盤內(nèi)部設(shè)有機油腔，并與外部以及Z軸上的油孔連通，主要應(yīng)用壓力潤滑方式，以一定壓力將潤滑油注入摩擦副表面來潤滑，在滿足各軸承以及擺盤外緣和機體內(nèi)腔間的潤滑要求的同時，潤滑液還具有一定的散熱冷卻作用。

圖3 擺盤油路布置方案

擺盤作為擺盤式發(fā)動機高速運動的零件，與高溫燃?xì)庵苯咏佑|。合理的冷卻油道布置能夠有效延長擺盤和發(fā)動機整機壽命。擺盤與Z軸通過Z軸與缸體接口使冷卻油進入Z軸，經(jīng)過中心軸流入擺盤，通過定位銷流出，完成整個油路的循環(huán)。圖3為擺盤內(nèi)油路布置方案。

在此種油路布置方案中，由于冷卻油是采用的高壓油，自發(fā)選擇最短路徑流出，擺盤邊緣沒有或者有很少的冷卻油經(jīng)過，在擺盤邊緣達不到預(yù)期的冷卻效果。擺盤邊緣恰好是與氣門接觸的地方，受高溫高壓燃?xì)獾某掷m(xù)作用，顯然這種方式會使擺盤的表面在短時間內(nèi)就出現(xiàn)破損和裂紋，影響擺盤使用壽命，造成發(fā)動機的運轉(zhuǎn)受阻甚至不能使用。因此，此種油路布置方案對擺盤的尺寸要求較為嚴(yán)格。

4 結(jié)論

本文介紹了章動發(fā)動機的工作過程，并分別從單擺盤和多擺盤兩個方面討論了擺盤發(fā)動機配置方案。對多擺盤發(fā)動機膨脹和壓縮兩擺盤在結(jié)構(gòu)與尺寸的不同做出設(shè)想。

潤滑系統(tǒng)作為章動發(fā)動機中的設(shè)計難點，文中介紹了被較為廣泛認(rèn)可的一種擺盤油路布置方案，并提出了此種方案的不足及其對擺盤設(shè)計的影響。

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