新型無連桿二沖程航空活塞發動機結構分析

王小彬，楊海青，陶曉雷

(南京航空航天大學能源與動力學院，南京 210016)

國內外航空活塞發動機普遍采用曲柄連桿機構作為動力輸出結構，氣缸內燃料燃燒釋放的能量通過曲柄連桿機構向外界輸出，能量傳遞機構簡單、易于實現［1］。但由于連桿的存在不可避免地增加了發動機機體的高度和質量，限制了發動機功重比指標的提高［2］，不利于滿足無人機等小型飛機低速長航時的需求［3］。傳統活塞發動機可以通過提高發動機轉速和平均有效壓力來提高發動機功率密度指標，但是要求發動機的制造材料能承受更高的溫度和壓力［4］。當今活塞發動機工作條件已強化到材料溫度和強度的極限，傳統往復活塞式發動機很難通過非常高的發動機轉速和平均有效壓力來大幅度提高發動機功率密度指標，因此迫切需要研究具有新型結構布局與高效率熱力循環工作方式相結合的非傳統新型活塞發動機。

近年來，國外已經開展了若干具有新型結構布局的新概念發動機預先研究［5］，諸如BONNER發動機、NUTATING 發動機［6］、NEVIS發動機等，綜合了燃氣輪機進氣流量大、內燃機熱效率高的設計理念。其中NEVIS發動機缸內活塞運動形式比較接近傳統活塞發動機，結構相比其他新概念發動機更容易實現。

1 國外NEVIS發動機研究進展

意大利工程師Cesare Bortone在20世紀90年代提出 NEVIS(new exhaust valve and intake system)發動機設想，并在2000年首次獲得歐洲專利局專利。其后，Cesare Bortone又對NEVIS發動機進行了改良，建立了 NEVIS功能樣機［7］，如圖1所示。

圖1 NEVIS發動機功能樣機

2006年，意大利卡塔尼亞大學預測該雙缸排量1 000 cm3樣機功率達到187 kW。該樣機具體指標如表1所示。

表1 NEVIS發動機樣機指標

2 NEVIS發動機結構分析

根據NEVIS發動機專利［8］，運用CATIA軟件構建出NEVIS發動機模型，如圖2所示。

圖2 NEVIS發動機模型

2.1 NEVIS發動機特點

傳統活塞發動機采用曲柄連桿機構進行動力輸出，連桿、曲軸及平衡質量大，增加了發動機整體質量，降低了功重比指標。NEVIS發動機取消了曲柄連桿機構，去除了曲軸及平衡重等大質量部件，有利于提高功重比，滿足航空活塞發動機輕量化、長航時的需求。

傳統點燃式活塞汽油機擴大缸徑，將增大火焰傳播距離，增加汽油機爆震傾向［9］，引起發動機工作惡化，致使發動機動力性能、經濟性能急劇下降，所以傳統活塞汽油機缸徑很少超過90 mm。NEVIS發動機采用環形燃燒室結構，燃燒室頂部周向均勻布置3處火花塞，雖然缸徑很大，但是火焰傳播距離并未顯著增加，外徑可達到178 mm。大缸徑的NEVIS發動機可以顯著增大位于外缸壁上的掃氣口面積，提高發動機掃氣流量［10］。

傳統二沖程壓燃式柴油機直流掃氣方式的掃氣效率高，燃燒室上部有凸輪軸驅動的排氣門，有利于干凈掃氣。NEVIS發動機環形排氣口位于燃燒室上部，環形排氣門不通過大質量的凸輪軸驅動，而是通過圓盤凸輪驅動，掃氣口位于燃燒室下部，可以實現直流掃氣，掃氣效率高［11］。

傳統二沖程汽油機沒有排氣門，排氣口位于燃燒室下部，配氣相位固定不變，不利于變工況實現最佳配氣［12］。NEVIS發動機有排氣門，采用可變配氣相位機構，在變工況下可以實現最佳配氣定時方案。

傳統二沖程發動機壓縮比固定，受限于發動機尺寸，極少采用復雜的可變壓縮比機構，造成部分負荷下發動機熱效率低。NEVIS發動機采用了簡單的可變壓縮比機構，滿足不同工況下壓縮比需求，極大地提高了部分負荷下發動機熱效率。

2.2 無連桿機構

氣缸內燃料燃燒的能量不再通過曲柄連桿機構向外界傳遞，而是通過端面凸輪把活塞往復運動轉換為發動機軸的轉動，如圖3所示。

活塞經過上止點后，缸內燃氣產生的壓力推動活塞向下止點運動，活塞通過和端面凸輪相接觸的軸承驅動與端面凸輪相連接的發動機軸進行旋轉，完成動力輸出。活塞經過下止點后，發動機軸的旋轉運動通過和端面凸輪相接觸的軸承驅動與軸承相連接的環形活塞向上止點運動，完成壓縮行程。

圖3 NEVIS發動機軸和活塞裝配圖

由圖3可以看出，球軸承和端面凸輪相接觸，發動機軸的旋轉運動會引起環形活塞旋轉，為了克服環形活塞的轉動，在6個限位面和缸體之間安裝6根滾子，限位面和滾子之間有滾動摩擦，限制了活塞周向轉動，活塞只能沿軸向運動。

環形活塞在高速運動的過程中，為了解決球軸承脫離端面凸輪的型面問題，并沒有使用傳統復位彈簧結構，而是采用雙型面、雙軸承的形式。如圖4所示，當內軸承受到慣性力而脫離型面時，外軸承受到慣性力一定緊密貼合型面，繼續進行運動形式的轉換。

圖4 端面凸輪和球軸承詳圖

端面凸輪在壓縮上止點附近呈現平直段(對應圖3球軸承位于燃燒平直表面)，型線形狀實現完全定容燃燒。燃燒室容積變化規律如圖5所示，相對于傳統發動機的混合燃燒方式，有利于提高循環熱效率［13］。

端面凸輪在掃氣下止點附近呈現平直段(對應圖3球軸承位于掃氣平直表面)，掃氣時間長，掃氣數量多。

圖5 NEVIS發動機燃燒室容積變化規律

NEVIS發動機取消了曲柄連桿機構，活塞不再像傳統發動機一樣承受來自缸壁的側壓力，極大減輕了活塞敲缸現象和機體振動，減少了缸壁磨損，提高了機械效率［13］。

NEVIS發動機取消了連桿、曲拐、平衡重，降低了發動機整體高度、減小了發動機整體質量，發動機更加緊湊，有利于提高功重比指標。

2.3 大缸徑環形燃燒室系統

NEVIS發動機外徑達到178 mm，為了避免缸徑過大引起點燃式汽油機爆震，采用環形燃燒室結構［14］，燃燒室頂部周向均勻布置3個噴油嘴和3個火花塞，燃燒室中心是發動機軸和水套(內缸壁)，外部是缸體(外缸壁)，如圖6所示。燃燒室內徑達到80 mm，燃燒室內壁和外壁之間僅相距49 mm，火焰傳播距離并沒有因為擴大缸徑而顯著提高，致使發動機爆震傾向大幅度提高。位于外缸壁上的環形掃氣口和排氣口的面積得到大幅度增加，有利于提高掃氣流量。

圖6 NEVIS發動機燃燒室

2.4 排氣門可變正時機構

如圖6所示，發動機掃氣口位于燃燒室下部，掃氣口切向掃氣，排氣口位于燃燒室上部。NEVIS發動機有環形排氣門，如圖7所示。在圖8中，搖臂繞著固定在缸蓋上的搖臂座的轉軸轉動，搖臂的一端和氣門推桿相連(嵌入到氣門推桿尾部的槽中)，搖臂的另一端置于球軸承轉軸的下方與之相接觸，3個球軸承的3個轉軸是一個三角架的3個頂點延伸出的樞軸，球軸承套在樞軸上，球軸承的復位是通過三角架復位彈簧(置于三角架和缸蓋之間)實現的，搖臂的復位是通過搖臂復位彈簧(置于搖臂和球軸承接觸點與缸蓋之間)實現的。如圖7所示，圓盤凸輪驅動球軸承上下移動，搖臂將位于一端的軸承的上下位移反向傳遞到另外一端的氣門推桿，實現排氣門開、閉。新鮮空氣從切向掃氣口進入氣缸，從燃燒室底部把燃燒廢氣繞氣缸軸線掃入燃燒室頂部的排氣口，完成掃氣過程，實現了二沖程壓燃式柴油機采用的直流掃氣方式，掃氣效率高。

圖7 配氣機構

圖8 配氣機構的三角架結構

NEVIS發動機環形排氣門位于燃燒室上部，搭配可變正時機構，如圖9所示。從圖10可以看出，外部驅動裝置驅動套在發動機軸上的外調節圓筒轉動一定角度，內調節圓筒固定在發動機機體上不動，內、外調節圓筒上有縫，方向交錯的縫驅動固連在軸承外圈上的外樞軸帶動軸承沿軸向移動。圖9中軸承內圈上的內樞軸經過套筒上的斜縫和直縫圓筒上的直縫插入發動機上的直槽內，內樞軸可以在直槽內軸向移動(原理同圖10)。套筒上的斜向縫隙驅動套筒盤結構轉動一定角度，套筒盤盤槽驅動配氣樞軸徑向移動，帶動圓盤凸輪沿盤徑向移動，引起圓盤凸輪和球軸承接觸型線變化，通過配氣機構，改變排氣門開、閉時刻，能滿足不同工況下排氣門的正時需求。通過排氣門正時，減小發動機膨脹行程，導致壓縮行程大于膨脹行程，適合發動機高空稀薄空氣工況運行;增大發動機膨脹行程，導致膨脹行程大于壓縮行程，可以實現高熱效率的米勒熱力循環，提高發動機燃油經濟性。

圖9 排氣門可變正時機構

圖10 內、外調節圓筒及外樞軸結構

2.5 可變壓縮比機構

NEVIS發動機搭配可變壓縮比結構如圖11所示。通過外部驅動裝置驅動安裝在發動機機體上的壓縮比調節齒輪軸轉動一定角度，壓縮比調節齒輪軸驅動端面齒輪旋轉，端面齒輪筒結構沿著固定在缸蓋上圓筒的螺紋沿軸向移動，帶動通過雙球軸承連接的端面凸輪沿軸向移動，引起環形活塞沿發動機軸軸向移動，從而調節發動機壓縮比。在部分負荷時，增大壓縮比，提高發動機熱效率;在大負荷時，減小壓縮比，降低發動機爆震傾向［15］。

圖11 可變壓縮比結構

3 NEVIS發動機研究展望

NEVIS發動機大缸徑、無連桿的結構雖然滿足航空活塞發動機高功重比、長航時的需求，但為了實現發動機可靠運行，還要解決以下關鍵問題。

1)內活塞環的設計。NEVIS發動機采用環形燃燒室結構，有內外2層活塞環，外活塞環與傳統發動機的類似，張緊力向外;而內活塞環的性能和外活塞環相反，張緊力向內，需要特殊的活塞環結構設計。

2)運動部件在上止點機械負荷大。NEVIS發動機是純粹地定容燃燒，燃料在上止點燃燒完畢后，進入膨脹沖程，燃燒在恒定的極小空間內進行，有別于傳統發動機(邊燃燒、邊膨脹)，其最高爆發壓力勢必比傳統發動機高，運動部件在上止點機械負荷大，有必要認真分析上止點時運動部件的機械負荷。

3)缸內直噴。NEVIS發動機采用缸內直噴的方案，需要解決好氣缸內燃油霧化特性、空氣運動和燃燒室結構的匹配。

4 結束語

NEVIS發動機憑借無曲柄連桿、大缸徑、沖程短、質量輕等一系列結構特點滿足航空活塞發動機高功重比、高熱效率的需求，解決了相關關鍵技術問題之后的NEVIS發動機勢必為航空活塞發動機領域注入新的活力。

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