章动发动机整机配置与摆盘的油路布置分析

山西中北大学 武泽宇 许俊峰 任海涛

1 引言

章动发动机是一种在小功率范围内相较于传统活塞式内燃机和燃气轮机具有明显优势的新型内燃机，其使用一种新结构的摆盘Z轴结构替代曲柄连杆机构，摆盘绕盘中心做章动，因而没有往复惯性力，具有自平衡的特性。

在小功率范围内，对小型机有降低油耗、降低机体振动噪声、提高效率的要求，以满足军用动力（如无人机或小型水下舰艇）和民用小型动力（如小型发电机）的动力需求。传统的燃气轮机和活塞发动机不能满足这个市场，这对新型发动机是一个机会。在2～500KW功率范围内，本文所提出的章动发动机即高功率密度发动机概念,结合了活塞发动机和燃气轮机的优点，而且不需牺牲效率，不以油耗为代价，兼具低噪声、低振动、高体积功率等特点，具有很大的发展潜力。

2 整机配置方案设计

2.1 单摆盘发动机整机配置

由于章动发动机独特的结构特点，使其配置有很大的灵活性。针对单摆盘章动发动机来说，其进气压缩侧容积与做功排气侧容积可以相同也可以不同。在一种进气容积大于做功排气容积的方案设计中，自增压设计使其可以应用于高空领域。与之相反，在另一种进气容积小于做功排气容积的衍生方案中，使其比活塞发动机能更有效地膨胀，如图1所示。

图1 单摆盘章动发动机工作容积三种布置方案

2.2 多摆盘发动机整机配置

对于多摆盘章动发动机，不同的摆盘可以串联但有着180度相位差，从而消除轴向推力，本文中所讨论的章动发动机采用双摆盘串联设计，即一个摆盘专门用于进气压缩，另一个摆盘用于做功膨胀和排气，从而降低摆盘与机体上的热应力。其机体结构布置方案如图2所示。

图2 多摆盘章动发动机结构布置方案简图

在图2中左侧为做功盘，其摆盘与缸体共同围成四个工作容积，相当于往复活塞式发动机的四个气缸。在做功一侧的机体上布置有一个外部燃烧室，燃料在这里喷入，并与新鲜空气充分混合后开始预燃，随后被送入做功容积内膨胀并完成剩余的燃烧过程。做功一侧的四个工作容积交替发火，以确保其摆盘做章动运动。图2中右侧为进气压缩侧，该侧摆盘与缸体同样围成四个工作容积。空气进入后由摆盘对其进行机械压缩，然后被送入进气压缩侧机体上设置的外部蓄压室内。蓄压室出口处设有限压阀，用来保证进气压力恒定和进气过程的稳定。当做功侧摆盘进入膨胀做功冲程时，空气充量经蓄压室与外置燃烧室的连接管道进入外置燃烧室。这些由外部蓄压室和预燃室分隔出的区域控制着发动机进气侧与膨胀做功侧间的充量流动。

值得注意的是，由于左右两侧的摆盘有着不同的作用，工作环境也不尽相同，导致了两侧的摆盘、Z轴和缸体结构会略有差异（如摆盘的大小、内部结构、材料等），但其运动机构的原理是相同的。因此，在具体设计时可以应用相似的手段和方法。

3 润滑系方案设计

章动发动机需要润滑的主要部位是摆盘外缘与机体内壁之间、轴与轴承之间、其他运动件之间。本文给出的主要运动机构的润滑方案是在摆盘内部设有机油腔，并与外部以及Z轴上的油孔连通，主要应用压力润滑方式，以一定压力将润滑油注入摩擦副表面来润滑，在满足各轴承以及摆盘外缘和机体内腔间的润滑要求的同时，润滑液还具有一定的散热冷却作用。

图3 摆盘油路布置方案

摆盘作为摆盘式发动机高速运动的零件，与高温燃气直接接触。合理的冷却油道布置能够有效延长摆盘和发动机整机寿命。摆盘与Z轴通过Z轴与缸体接口使冷却油进入Z轴，经过中心轴流入摆盘，通过定位销流出，完成整个油路的循环。图3为摆盘内油路布置方案。

在此种油路布置方案中，由于冷却油是采用的高压油，自发选择最短路径流出，摆盘边缘没有或者有很少的冷却油经过，在摆盘边缘达不到预期的冷却效果。摆盘边缘恰好是与气门接触的地方，受高温高压燃气的持续作用，显然这种方式会使摆盘的表面在短时间内就出现破损和裂纹，影响摆盘使用寿命，造成发动机的运转受阻甚至不能使用。因此，此种油路布置方案对摆盘的尺寸要求较为严格。

4 结论

本文介绍了章动发动机的工作过程，并分别从单摆盘和多摆盘两个方面讨论了摆盘发动机配置方案。对多摆盘发动机膨胀和压缩两摆盘在结构与尺寸的不同做出设想。

润滑系统作为章动发动机中的设计难点，文中介绍了被较为广泛认可的一种摆盘油路布置方案，并提出了此种方案的不足及其对摆盘设计的影响。

[1]Meyer,L.,1993,"Nutating Internal Combustion Engine",U.S.Patent No.5,521,594.

[2]Korakianitis,T.,and Wilson,D.G.,1994,"Modelsfor Predicting the Performance of Brayton-Cycle Engines,"ASME J.Eng.Gas Turbines Power,116,pp.381，388.

[3]Nasvytis,A.L.,1961,Nutating disk motor.USpatent 2,992,635.