章動發動機整機配置與擺盤的油路布置分析

山西中北大學 武澤宇 許俊峰 任海濤

1 引言

章動發動機是一種在小功率范圍內相較于傳統活塞式內燃機和燃氣輪機具有明顯優勢的新型內燃機，其使用一種新結構的擺盤Z軸結構替代曲柄連桿機構，擺盤繞盤中心做章動，因而沒有往復慣性力，具有自平衡的特性。

在小功率范圍內，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（如小型發電機）的動力需求。傳統的燃氣輪機和活塞發動機不能滿足這個市場，這對新型發動機是一個機會。在2～500KW功率范圍內，本文所提出的章動發動機即高功率密度發動機概念,結合了活塞發動機和燃氣輪機的優點，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，具有很大的發展潛力。

2 整機配置方案設計

2.1 單擺盤發動機整機配置

由于章動發動機獨特的結構特點，使其配置有很大的靈活性。針對單擺盤章動發動機來說，其進氣壓縮側容積與做功排氣側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計中，自增壓設計使其可以應用于高空領域。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，使其比活塞發動機能更有效地膨脹，如圖1所示。

圖1 單擺盤章動發動機工作容積三種布置方案

2.2 多擺盤發動機整機配置

對于多擺盤章動發動機，不同的擺盤可以串聯但有著180度相位差，從而消除軸向推力，本文中所討論的章動發動機采用雙擺盤串聯設計，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力。其機體結構布置方案如圖2所示。

圖2 多擺盤章動發動機結構布置方案簡圖

在圖2中左側為做功盤，其擺盤與缸體共同圍成四個工作容積，相當于往復活塞式發動機的四個氣缸。在做功一側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燃，隨后被送入做功容積內膨脹并完成剩余的燃燒過程。做功一側的四個工作容積交替發火，以確保其擺盤做章動運動。圖2中右側為進氣壓縮側，該側擺盤與缸體同樣圍成四個工作容積。空氣進入后由擺盤對其進行機械壓縮，然后被送入進氣壓縮側機體上設置的外部蓄壓室內。蓄壓室出口處設有限壓閥，用來保證進氣壓力恒定和進氣過程的穩定。當做功側擺盤進入膨脹做功沖程時，空氣充量經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燃室分隔出的區域控制著發動機進氣側與膨脹做功側間的充量流動。

值得注意的是，由于左右兩側的擺盤有著不同的作用，工作環境也不盡相同，導致了兩側的擺盤、Z軸和缸體結構會略有差異（如擺盤的大小、內部結構、材料等），但其運動機構的原理是相同的。因此，在具體設計時可以應用相似的手段和方法。

3 潤滑系方案設計

章動發動機需要潤滑的主要部位是擺盤外緣與機體內壁之間、軸與軸承之間、其他運動件之間。本文給出的主要運動機構的潤滑方案是在擺盤內部設有機油腔，并與外部以及Z軸上的油孔連通，主要應用壓力潤滑方式，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

擺盤作為擺盤式發動機高速運動的零件，與高溫燃氣直接接觸。合理的冷卻油道布置能夠有效延長擺盤和發動機整機壽命。擺盤與Z軸通過Z軸與缸體接口使冷卻油進入Z軸，經過中心軸流入擺盤，通過定位銷流出，完成整個油路的循環。圖3為擺盤內油路布置方案。

在此種油路布置方案中，由于冷卻油是采用的高壓油，自發選擇最短路徑流出，擺盤邊緣沒有或者有很少的冷卻油經過，在擺盤邊緣達不到預期的冷卻效果。擺盤邊緣恰好是與氣門接觸的地方，受高溫高壓燃氣的持續作用，顯然這種方式會使擺盤的表面在短時間內就出現破損和裂紋，影響擺盤使用壽命，造成發動機的運轉受阻甚至不能使用。因此，此種油路布置方案對擺盤的尺寸要求較為嚴格。

4 結論

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

潤滑系統作為章動發動機中的設計難點，文中介紹了被較為廣泛認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計的影響。

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