摆盘式发动机

山西中北大学机械与动力工程学院 任海涛

1 引言

内燃机作为人类生活中的主要动力源，广泛应用于工业、农业、交通运输等各个领域，在经济发展和人民生活中起到重要作用。近年来，能源短缺和环境恶化等问题严重威胁着人类的生存与发展，因此，人们对内燃机不断提出更新、更高的要求。传统的往复活塞式内燃机体积大、质量大、相对功率小，曲柄连杆机构将活塞直线运动变为旋转运动时固有的不平衡性又引起了发动机的振动和噪声，而高功率密度是通过提高平均有效压力和转速来实现的。高转速带来燃烧时间短、油耗高、热效率低的问题，高的平均有效压力带来高增压、高排温的缺点。为了有效改善这些缺点，人们不断改进内燃机结构，同时不断开发研制新型的内燃机，而摆盘式发动机就是人们在探索过程中寻找到的一种新式发动机。

2 摆盘式发动机的基本构造和工作原理

2.1 摆盘式发动机基本构造

图1 单摆盘发动机横截面图

摆盘式发动机主要部件为摆盘、Z形轴、鼓型的气缸，气缸内有两个隔板。摆盘相当于传统发动机的活塞，Z形轴相当于曲柄连杆机构。最简单的摆盘发动机如图1所示：采用一个单一的摆盘在Z形动力轴上作摆动，该盘的独特运动是将盘的中心安装在Z形轴中间实现的，摆盘与动力轴成一定角度，随着动力轴的旋转，摆盘作章动运动，但它不随着轴的转动而旋转，这个过程通过一个防旋转销实现。图2所示为双摆盘发动机，它将发动机的四个行程分在压气缸和膨胀缸两个缸体内完成。

图2 双摆盘发动机横截面图

摆盘式发动机与往复活塞式发动机结构区别：（1）各个零部件结构形式有所不同。

（2）工作过程中，通过摆盘的摆动，带动Z形轴转动，动力直接传递到输出轴，不同于曲柄连杆机构的复杂连接机构。

（3）摆盘式发动机的进、排气通过鼓形气缸壁上的气口进行换气，没有配气机构。

（4）缸内的工作容积由气缸内壁、摆盘面和隔板围成，并随摆盘的摆动而变化。

（5）摆盘和隔板把鼓形气缸分成四个腔室，这四个腔室是四个工作容积，使该发动机更紧凑。

2.2 摆盘式发动机工作原理

图3 工作原理图

双摆盘式柴油机的压气缸内摆盘单独进行进气/压缩过程，膨胀缸内摆盘单独用于做功/排气过程（如图3所示），按照进气、压缩、做功（燃烧）和排气来完成工作循环。新鲜空气经过进气口进入双摆盘式发动机的压气缸，随着动力轴的旋转，摆盘压缩进入缸内的气体，在一定配气相位，将压缩空气送入蓄压腔，在适当的时间将空气和燃油送往预燃室中，达到混合气的着火温度时，混合气进行燃烧，推动摆盘做功，燃烧后的废气通过排气口排出缸体。在膨胀缸内燃气膨胀做功推动摆盘做章动运动，从而带动Z形轴旋转将摆盘的章动运动转化为定轴转动，并向外输出功。

3 摆盘式发动机性能

摆盘式发动机主要性能如下：

（1）单摆盘旋转一周做两次功，做功行程270°，具有很高的功率密度。

（2）可以进行超快速膨胀做功，从而进一步提高热效率。

（3）爆发压力相对较低，机械负荷与热负荷均较低；

（4）转速相对较低，容易组织燃烧，供油系统较为简单。

（5）转速相对较低，摩擦和磨损处于可控范围。。

（6）无往复惯性力，振动较小，噪声较低。

4 结语

本文介绍了摆盘式发动机构造和工作原理，并列出它与传统往复活塞式发动机的区别，可以看出，摆盘式发动机在某些方面具有传统往复活塞式发动机所不具有的优点，值得我们去研究和开发。

[1]T.Korakianitis,L.Meyer,M.Borua.One-DiskNutating-Engine Performance for Unmanned Aerial Vehicles[J].Journal of Engineering for Gas Turbinesand Power,2004.