CN107091152B - 一种双汽缸双模态航空活塞发动机 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种双汽缸双模态航空活塞发动机，具有左右对称设置的两个汽缸；由发动机的曲轴输出动力，由连杆带动一根活塞杆同时驱动两气缸内活塞运动；两个气缸上下两端安装有气门机构、燃油***与点火***。上述每个汽缸具有双工作室，通过控制气门机构实现双工作室中的有一个或两个供气做功，因此发动机具有两种工作模态：大功率工作模态和小功率工作模态，且在两种工作模态下，发动机均具有较高的燃油效率。

Description

一种双汽缸双模态航空活塞发动机

技术领域

本发明属于发动机领域，涉及一种具备双汽缸双工作模态的航空活塞发动机。

背景技术

近年来，垂直起降飞行器在军用领域和民用领域都得到了广泛的应用。与传统固定翼飞机相比，垂直起降飞行器不受起降条件限制，具有可悬停的优势；与传统直升机相比，垂直起降飞行器水平飞行速度更快。而垂直起降飞行器使用需求的增大对垂直起降飞行器提出了更高的要求：在满足垂直起降和高速平飞的基础上，飞行器可实现长航时飞行。

航空发动机被誉为飞机的心脏，对于垂直起降飞行器而言，其发动机是决定飞行器起降性能和巡航能力的关键因素。除战斗机外，绝大多数垂直起降飞行器在巡航状态下均以亚音速飞行，因此垂直起降飞行器也多将活塞式发动机作为动力装置。因此为了实现垂直起降飞行器的长航时飞行，需要一款能够提供充足动力，并且燃油效率高的活塞发动机。

垂直起降飞行器在不同飞行状态下，对发动机的功率要求也不同。在垂直起降及悬停情况下，飞行器推重比达到甚至超过1，这也就要求发动机能够提供超过飞行器自重的推力。在水平飞行时，飞行器的升力主要由机翼提供，因此仅需要发动机提供用以克服阻力的推力。由于飞行器的升阻比较大，因此在垂直起降和高速平飞两种状态下，需要发动机提供的功率大小差别极大。

现有垂直起降飞行器多采用大功率航空活塞发动机，可满足垂直起降飞行功率要求，但在平飞状态下，发动机处于低功率状态，燃油效率较低，难以实现长航时飞行。活塞发动机在高燃油效率的前提下难以输出差异很大的功率。因此在使用同一台发动机完成不同功率的任务时，要么功率过低无法满足高功率任务要求，要么在低功率状态下，发动机燃油效率很低。

发明内容

针对上述问题，本发明提出一种双汽缸双模态航空活塞发动机，可以使用同一台发动机高效完成不同的功率任务，适用于垂直起降飞行器等特殊需求。

本发明双汽缸双模态航空活塞发动机，具有左右对称设置的两个汽缸，气缸上下两端安装有气门机构、燃油***与点火***。上述两个气缸内活塞两侧均可供气做功，在发动机工作时，两气缸同步工作，通过两气缸的上工作室与下工作室内的燃料燃烧做功推动活塞上下运动，左右两个活塞在受到驱动下，通过铰链带动活塞杆上下运动，活塞杆将动力传递给曲轴，带动曲轴做旋转运动，从而实现发动机功率的输出。与常规活塞式发动机相比，曲轴每旋转两圈有两次膨胀做功冲程，使得发动机推动曲轴旋转的力更为均匀，发动机的工作也更为稳定。

通过控制气门机构实现双工作室中的有一个或两个供气做功，因此发动机具有两种工作模态：大功率工作模态和小功率工作模态，且在两种工作模态下，发动机均具有较高的燃油效率。

本发明的优点在于：

1、本发明双汽缸双模态航空活塞发动机具有双模态，同一台发动机可提供两种高效率的大小功率模式，适用性广，能够节省燃油。

2、本发明双汽缸双模态航空活塞发动机使用双汽缸，并且每个活塞两侧均可供气做功，与常规活塞式发动机相比，曲轴每旋转两圈有两次膨胀做功冲程，使得发动机推动曲轴旋转的力更为均匀，发动机的工作也更为稳定。

3、本发明同等功率下，活塞两侧均可供气做功，发动机可以设计的更加简单紧凑，减少了发动机重量和所占空间。

附图说明

图1为本发明双汽缸双模态航空活塞发动机整体结构示意图；

图2为本发明双汽缸双模态航空活塞发动机中气缸结构示意图；

图3为本发明航空活塞发动机大功率工作模态工作流程示意图；

图4为本发明航空活塞发动机小功率工作模态工作流程示意图；

图中：

1-汽缸 2-活塞杆 3-连杆

4-气门机构 5-燃油*** 6-点火***

7-曲轴 8-开口槽 101-缸体

102-活塞 103-上工作室 104-下工作室

401-上进气机构 402-上排气机构 403-下进气机构

404-下排气机构 405-下通气机构

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细说明。

本发明双汽缸双模态航空活塞发动机，具有左右对称设置的两个汽缸1，活塞杆2、连杆3、气门机构4、燃油***5以及点火***6，如图1所示。

所述汽缸1包括缸体101与活塞102，如图2所示。其中，缸体101由上下对称的两部分组成；两部分的端部安装有气门机构4、燃油***5以及点火***6。气门机构4和燃油***5协同工作，专门用来负责向发动机内输入燃料和空气并排出废气；点火***6用来按照气缸的工作顺序定时地在火花塞两电极间产生足够能量的电火花。缸体101的外壁中部沿缸体101轴向设计有条型开口槽8。活塞102同轴安装于缸体101内部，活塞102上下两侧的缸体101内部作为上工作室103和下工作室104，均可以供气做功；则上工作室103与下工作室104均具有气门机构4、燃油***7以及点火***6；且上工作室103上的气门机构4包括上进气机构401与上排气机构402；下工作室104上的气门机构4包括下进气机构403、下排气机构404与下通气机构405。其中，上进气机构401与下进气机构403分别用来控制上工作室103与下工作室104内的燃料和空气的输入；上排气机构402与下排气机构404分别用来控制上工作室103与下工作室104内的废气的排除；下通气机构405用来控制下工作室是否参与做功。

活塞杆2位于缸体101外部，且垂直于缸体101轴线设置，活塞杆2两端分别安装有铰链，通过铰链穿过两个气缸1上的开口槽8，与缸体101内部活塞102铰接。连杆3与缸体101轴线平行设置，一端铰接于活塞杆2中部，另一端铰接于发动机中输出动力的曲轴7。上述活塞102上装有密封装置，实现活塞102与缸体101间的密封，且在活塞102运动时，密封装置的位置不会到达开口槽8位置，进而实现缸体101内部工作环境的密封。由此在发动机工作时，两气缸1同步工作，通过两气缸1的上工作室103与下工作室104内的燃料燃烧做功推动活塞102上下运动，左右两个活塞102在受到驱动下，通过铰链带动活塞杆2上下运动，活塞杆2将动力传递给曲轴7，带动曲轴7做旋转运动，从而实现发动机功率的输出。

上述结构的双汽缸双模态航空活塞发动机具有大小功率两种工作模态：

1)当发动机处于大功率工作模态时，如图3a所示，两个汽缸1的下通气机构405闭合；此时，上工作室103与下工作室104均处于工作状态。当上工作室103处于压缩冲程，上进气装置和上排气装置均闭合，下工作室104处于进气冲程，下进气装置打开，下排气装置闭合。如图3b所示，当活塞102行至上止点时，上工作室103压缩结束，开始燃烧做功，进入膨胀冲程，上进气装置和上排气装置均闭合，下工作室104则进气结束，进入压缩冲程，下进气装置和下排气装置均闭合。如图3c所示当活塞102行至下止点时，上工作室103燃烧做功结束，进入排气冲程，上进气装置闭合，上排气装置打开，下工作室104则压缩结束，开始燃烧做功，进入膨胀冲程，下进气装置和下排气装置均闭合。如图3d所示，当活塞102上行时，上工作室103排气结束，进入进气行程，上进气装置打开，上排气装置闭合，下工作室104则燃烧做功结束，进入排气行程，下进气装置闭合，下排气装置打开。发动机按照此循环反复进行。

2)当发动机处于小功率工作模态时，如图4a所示，两个汽缸1的下通气机构405、下排气机构404以及下进气机构403均开启，下工作室104与外界空气连通，不参与压缩与做功，下工作室104的燃油***5和点火***6关闭。每个汽缸1内仅上工作室103按照“进气冲程-压缩冲程-膨胀冲程-排气冲程”的循环进行工作。当上工作室103处于压缩冲程，上进气装置和上排气装置均闭合；如图4b所示当活塞102行至上止点时，上工作室103压缩结束，开始燃烧做功，进入膨胀冲程，上进气装置和上排气装置均闭合；如图4c所示，当活塞102行至下止点时，上工作室103燃烧做功结束，进入排气冲程，上进气装置闭合，上排气装置打开；如图4d所示，当活塞102上行时，上工作室103排气结束，进入进气行程，上进气装置打开，上排气装置闭合。发动机按照此循环反复进行。

通过控制下通气机构405、下排气机构404以及下进气机构403的同时打开与否，来控制下工作室104的工作与否，可以使得发动机具备大小功率两种模态。在下通气机构405、下排气机构404以及下进气机构403同时打开后，发动机处于小功率状态，仅上通气机构、上排气机构402按照上述小功率状态的描述参与发动机工作；在下通气机构405、下排气机构404以及下进气机构403并不同时打开时，上排气机构402与下排气机构404按照上述大功率状态的描述参与发动机工作。在两种工作模态下，发动机的喷油量等参数均可使用最优参数，使得发动机在两种模态下，都具备较高的燃油效率，在保证稳定功率输出前提下，可减小燃油的使用。

Claims (4)

1.一种双汽缸双模态航空活塞发动机，其特征在于：具有左右对称设置的两个汽缸；两个气缸上下两端安装有气门机构、燃油***与点火***；两气缸同步工作，通过两气缸内活塞两侧工作室内的燃料燃烧做功推动活塞上下运动，左右两个活塞在受到驱动下，共同带动一根活塞杆运动，由活塞杆将动力通过连杆传递给曲轴，带动曲轴做旋转运动，实现发动机功率的输出；

令气缸的缸体内部，活塞上方空间为上工作室，活塞下方空间为下工作室，则：

1)当发动机处于大功率工作模态时，两个汽缸的下通气机构闭合；此时，上工作室与下工作室均处于工作状态；当上工作室处于压缩冲程，上进气装置和上排气装置均闭合，下工作室处于进气冲程，下进气装置打开，下排气装置闭合；当活塞行至上止点时，上工作室压缩结束，开始燃烧做功，进入膨胀冲程，上进气装置和上排气装置均闭合，下工作室则进气结束，进入压缩冲程，下进气装置和下排气装置均闭合；当活塞行至下止点时，上工作室燃烧做功结束，进入排气冲程，上进气装置闭合，上排气装置打开，下工作室则压缩结束，开始燃烧做功，进入膨胀冲程，下进气装置和下排气装置均闭合；当活塞上行时，上工作室排气结束，进入进气行程，上进气装置打开，上排气装置闭合，下工作室则燃烧做功结束，进入排气行程，下进气装置闭合，下排气装置打开；

2)当发动机处于小功率工作模态时，两个汽缸的下通气机构、下排气机构以及下进气机构均开启，下工作室与外界空气连通，不参与压缩与做功，下工作室的燃油***和点火***关闭；每个汽缸内仅上工作室按照“进气冲程-压缩冲程-膨胀冲程-排气冲程”的循环进行工作；当上工作室处于压缩冲程，上进气装置和上排气装置均闭合；当活塞行至上止点时，上工作室压缩结束，开始燃烧做功，进入膨胀冲程，上进气装置和上排气装置均闭合；当活塞行至下止点时，上工作室燃烧做功结束，进入排气冲程，上进气装置闭合，上排气装置打开；当活塞上行时，上工作室排气结束，进入进气行程，上进气装置打开，上排气装置闭合。

2.如权利要求1所述一种双汽缸双模态航空活塞发动机，其特征在于：两个汽缸的缸体上，沿缸体轴向设计有开口槽；活塞杆位于缸体外部，两端分别通过铰链穿过开口槽与活塞间铰接。

3.如权利要求1所述一种双汽缸双模态航空活塞发动机，其特征在于：气缸上端的气门机构包括上进气机构与上排气机构；气缸下端的气门机构包括下进气机构、下排气机构与下通气机构。

4.如权利要求1所述一种双汽缸双模态航空活塞发动机，其特征在于：活塞上装有密封装置，实现活塞与缸体间的密封，且在活塞运动时，密封装置的位置不会到达开口槽位置，实现缸体内部工作环境的密封。