一种航空活塞发动机

技术领域

本发明涉及发动机技术领域，尤其涉及一种航空重油活塞发动机。

背景技术

目前航空活塞发动机主要使用航空汽油，目前使用的压燃式航空重油活塞发动机基本都是四冲程，采用了配气相位机构，发动机总体重量增加，且零部件组成复杂，曲轴转动两圈做功一次，功重比较低；此外，四冲程发动机冷却采用风冷居多，以减少发动机内部型腔的复杂设计。传统的二冲程发动机机采用曲轴箱进气，并且采用润滑油掺入到燃油中对发动机进行润换，扫气、润滑、冷却等结构复杂，功重比较高，但仅限于小功率汽油航空发动机，在对进气压力和润滑方式要求更高、需要增压的高功率航空重油发动机上，该二冲程的结构形式不适用。因此，目前的四冲程发动机和二冲程发动机机均不适合作为航空煤油活塞发动机使用。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种结构紧凑，功重比高，可靠性好，运行成本低的航空重油活塞发动机。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种航空活塞发动机，包括发动机壳体、曲柄连杆机构、机械增压器、涡轮增压器、皮带传动机构、燃油泵、发电机和启动电机；

所述曲柄连杆机构包括水平布置的曲轴，所述曲轴上固定有两个曲柄，所述曲柄包括与曲轴平行的曲轴颈，以及连接于曲轴和曲轴颈之间的两个曲柄臂，两个曲柄臂分设于曲轴颈的两端；两根曲轴颈的轴向中心线分设于曲轴轴向中心面的两侧，所述曲轴和两根曲轴颈的轴向中心线在同一平面上；每根曲轴颈上可转动安装有两根连杆，每根曲轴颈上的两根连杆的延伸方向相反，四根连杆沿曲轴的轴向方向依次布置，每根连杆远离曲轴的一端安装有活塞；

所述发动机壳体包括与曲轴抱轴安装的箱体，以及安装于箱体上并与箱体连通的四个缸体，四个缸体均水平布置，四个缸体与四根连杆一一对应，所述活塞滑设于相应的缸体中；所述缸体上开设有第一扫气口、排气口；

所述机械增压器安装于箱体的上端，所述涡轮增压器设于箱体沿曲轴轴向方向的一侧，所述发电机和启动电机均安装于箱体远离涡轮增压器的一端；

四个缸体的第一扫气口均通过进气歧管与所述机械增压器的出气端连通，所述涡轮增压器的出气端和机械增压器的进气端通过软管连通，四个缸体的排气口均通过软管与涡轮增压器的进气端连通；

所述燃油泵设于箱体和涡轮增压器之间，所述燃油泵输入轴与曲轴传动连接，四个缸体均通过燃油管与所述燃油泵连通；

所述皮带传动机构包括固定于机械增压器输入轴上的第一带轮，固定于发电机输入轴上的第二带轮，以及与曲轴传动连接的第三带轮，以及绕第一带轮、第二带轮和第三带轮运行的皮带；

所述第三带轮设于箱体远离涡轮增压器的一侧，所述第三带轮远离箱体的一端固定有一飞轮，所述启动电机具有可伸缩的齿轮轴，所述齿轮轴伸出时可与飞轮啮合传动。

机械增压器与第三带轮之间通过一定的传动比增速，使得机械增压器在发动机低速时具有一定的增压扫气能力，将压缩后的空气通过进气歧管输送到汽缸体的扫气口上。当发动机达到一定转速时，涡轮增压器压缩后的空气压力够大，直接打通机械增压器内部的旁通阀门，此时机械增压器空转，不产生增压效果，发动机完全由涡轮增压器提供进气压力。同时发动机在空中飞行时，涡轮增压器发生损坏时，机械增压器仍能维持一定的功率让飞行器返航。由此，采用机械增压器和涡轮增压器串联，在高低速下均能扫气，同时冗余备份，自身的机械增压器由发动机驱动，可靠性好，且在涡轮增压器失效时仍能正常工作，安装方便，定期维护即可。

本发明的二冲程航空重油活塞发动机，结构紧凑，功重比高，具体地：

1)每个汽缸体均通过进气歧管直接和机械增压器连通，汽缸体上有扫气孔，利用活塞往复运行扫气，从而无需配气相位结构。

2)采用皮带传动机构，即可通过曲轴的旋转带动机械增压器、发电机、冷却水泵运行，并且，通过在带轮一端增加飞轮与启动电机啮合传动，即可启动发动机工作；且使用曲轴输出动力驱动燃油泵组件工作，燃油泵组件安装在发动机另一端；从而可使得上述部件结构布置紧凑，提高功重比，并且可靠性高。

3)采用双曲柄结构，每个曲柄上安装两个连杆，从而使得曲轴的长度变得更短，重量更轻，并且四个缸体为水平对置布局，从而大大缩小了发动机的尺寸，有效提高了功重比。

由此，只要功率匹配足够，本发明的活塞发动机可以适应绝大多数飞行器以及对功重比要求高的场合。还可以采用更小的扫气泵来替代现有的机械增压器，发动机的功重比将会更高，且尺寸更加紧凑。且该发动机使用航空煤油做燃料，经济性好，运行成本低。

作为上述技术方案的进一步改进：

所述箱体远离涡轮增压器的一端还安装有冷却水泵，冷却水泵位于发电机的上方，所述冷却水泵的输入轴上安装有第四带轮，所述第四带轮的外圆周与皮带抵接并向皮带施加径向推力；所述缸体轴向方向的两端均设有冷却通道，所述冷却通道通过管道与冷却水泵循环连通。

水泵安装时带轮压紧皮带，即可依靠皮带驱动运行，不仅结构紧凑，而且运行可靠。发动机整体采用水冷，较常规的风冷冷却效率更高，且汽缸体和汽缸头均有冷却液进入通道，以便于冷却液快速到达。

所述曲轴靠近第三带轮的一端设有螺旋桨安装法兰，允许使用液压油驱动桨距。所述螺旋桨安装法兰设于飞轮的外侧。

所述箱体靠近涡轮增压器一端的端面上安装有附件箱，所述附件箱内设有主动齿轮和两个均与主动齿轮啮合传动的从动齿轮，所述主动齿轮与曲轴传动连接，所述燃油泵固定于附件箱背向箱体的壁面上，所述燃油泵的输入轴与曲轴键连；所述箱体中设有低压燃油泵和机油泵，所述低压燃油泵与其中一个从动齿轮传动连接，所述机油泵与另一从动齿轮传动连接。

本发明通过使用曲轴带动主动齿轮旋转，进而带动从动齿轮转动，从动齿轮两端均有连接端口，确保安装不同的发动机配件，从而进一步提高了适用性。

低压燃油泵和机油泵均由曲轴带动，可靠性高。低压燃油泵将燃油吸入后提供给高压燃油泵。

所述附件箱背向箱体的壁面上设有供从动齿轮与外部设备传动连接的附件接口，所述附件接口设有两个，两个附件接口与两个从动齿轮一一对应。

所述曲柄连杆机构上开设有润滑通道，所述润滑通道通过管道与机油泵循环连通，从而形成干式压力润滑系统。机体内部有单独的润滑油道，对发动机关键部位和活塞进行油冷，冷却系统冗余备份。

所述曲轴、曲柄、连杆以及连接活塞和连杆的活塞销上均开设有油道，所述曲轴、曲柄、连杆和活塞销上的油道均连通以形成所述润滑油道。

所述箱体的内壁上安装有用于冷却活塞的喷油嘴，所述喷油嘴通过管道与燃油泵连通，所述喷油嘴设有四个，四个喷油嘴与四个活塞一一对应。

机体内部安装有喷油嘴，在发动机运行时对活塞进行喷油冷却，提高活塞的使用寿命。喷嘴固定在机油管路上，确保发动机工作时有足够的机油进入喷油嘴。

所述曲轴上固连有与曲柄臂一一对应的配重块，所述曲柄臂和相应的配重块分设于曲轴径向方向的两端。

所述发电机通过发电机安装支架组件可拆卸安装于发动机壳体上，所述发电机可相对发动机壳体旋转以张紧所述皮带。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、本发明的航空活塞发动机，结构紧凑，缩小了发动机的安装尺寸，功重比高。只要功率匹配足够，可以适应绝大多数飞行器以及对功重比要求高的场合。

2、本发明的航空活塞发动机，自带水冷和润滑，独立的润滑系统和冷却系统提升了发动机的寿命，且工作可靠，对环境要求不高。

3、本发明的航空活塞发动机，采用机械增压器和涡轮增压器串联，在高低速下均能扫气，同时冗余备份。且自身的机械增压器由发动机驱动，可靠性好，在涡轮增压器失效时仍能正常工作，安装方便，定期维护即可。

4、本发明的航空活塞发动机，使用航空煤油做燃料，经济性好，运行成本低。

附图说明

图1为本实施例的航空活塞发动机的立体结构示意图。

图2为本实施例的航空活塞发动机另一视角的立体结构示意图。

图3为本实施例的航空活塞发动机的立体结构示意图(省略附件箱和燃油泵)。

图4为本实施例的航空活塞发动机另一视角的立体结构示意图(省略附件箱和燃油泵)。

图5为发动机壳体的立体结构示意图。

图6为发动机壳体(省略机械增压器安装座)的立体结构示意图。

图7为发动机壳体(省略机械增压器安装座)另一视角的立体结构示意图。

图8为发动机半壳体的立体结构示意图。

图9为发动机半壳体另一视角的立体结构示意图。

图10为曲柄连杆机构的结构示意图。

图11为发动机半壳体和曲柄连杆机构装配后的结构示意图。

图12为附件箱的立体结构示意图。

图13为附件箱另一视角的立体结构示意图。

图例说明：1、发动机壳体；11、箱体；111、隔板；1111、第一通孔；112、发电机安装座；113、启动电机安装座；114、冷却水泵安装座；115、附件箱接口；1151、凹槽；1152、第二通孔；1153、第三通孔；116、安装接口；117、机械增压器安装座；118、腔室；119、半箱体；12、缸体；13、进气歧管；14、喷油嘴；15、定位部；151、第四通孔；152、环槽。2、曲柄连杆机构；21、曲轴；211、螺旋桨安装法兰；212、花键连接孔；213、油道孔；22、曲轴颈；23、曲柄臂；24、连杆；25、活塞；26、配重块；27、端盖；3、机械增压器；4、涡轮增压器；5、皮带传动机构；51、第一带轮；52、第二带轮；53、第三带轮；54、皮带；55、飞轮；6、燃油泵；7、发电机；8、启动电机；81、齿轮轴；9、冷却水泵；91、第四带轮；10、附件箱；101、主动齿轮；102、从动齿轮；103、第五通孔；104、第六通孔；105、附件接口。

具体实施方式

以下结合具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。

实施例1：

如图1-图4所示，本实施例的航空活塞发动机，包括发动机壳体1、曲柄连杆机构2、机械增压器3、涡轮增压器4、皮带传动机构5、燃油泵6、发电机7、启动电机8、冷却水泵9和附件箱10。

如图10所示，曲柄连杆机构2包括水平布置的曲轴21，曲轴21上固定有两个曲柄，曲柄包括与曲轴21平行的曲轴颈22，以及连接于曲轴21和曲轴颈22之间的两个曲柄臂23，两个曲柄臂23分设于曲轴颈22的两端；曲轴21上固连有与曲柄臂23一一对应的配重块26，曲柄臂23和相应的配重块26分设于曲轴21径向方向的两端。两根曲轴颈22的轴向中心线分设于曲轴21轴向中心面的两侧，曲轴21和两根曲轴颈22的轴向中心线在同一平面上；每根曲轴颈22上可转动安装有两根连杆24，每根曲轴颈22上的两根连杆24的延伸方向相反，四根连杆24沿曲轴21的轴向方向依次布置，每根连杆24远离曲轴21的一端安装有活塞25。

曲轴21为双曲柄曲轴，四个气缸共用两个曲柄，每个曲轴颈上安装2个连杆24，连杆24通过端盖27和螺栓固定在曲柄上。曲轴21上装有配重块26，对高速旋转的曲轴21进行配重确保平衡。连杆小端通过活塞销轴将活塞25与连杆24连接在一起。曲轴21上有油道孔213，确保曲轴轴瓦、连杆轴瓦之间的油道相互连同，能将润滑油输送到需要润滑的部位。曲轴21一端设有花键连接孔212，以驱动燃油泵组件内的凸轮轴，另一端上直接配有螺旋桨连接法兰211。曲轴21和曲柄中间都是空的，在不影响强度的情况下最大可能减轻重量。

如图5-9、图11所示，发动机壳体1包括与曲轴21抱轴安装的箱体11，以及安装于箱体11上的四个缸体12。其中，箱体11由分设于曲轴轴向中心线两侧的两个半箱体119通过多个螺栓装配而成，确保两侧机体之间不发生密封泄露。

箱体11中设有隔板111，隔板111上开设有可供曲轴穿过的第一通孔1111，隔板111将箱体11内腔分为与曲轴21的两个曲柄一一对应的两个腔室118，腔室118用于容纳相应的曲柄，四个缸体12分为两组，每组包括两个分设于曲轴轴向中心面两侧的缸体12，缸体12与对应的腔室118连通，缸体12水平布置，缸体12的轴向方向与曲轴的轴向方向垂直，缸体12上开设有第一扫气口、排气口和燃油入口，第一扫气口开设于缸体12的上端，排气口开设于缸体12的下端并与第一扫气口沿缸体12的径向方向对置，排气口直接与排气软管41连接。四个缸体12与四根连杆24一一对应，连杆24伸入相应的缸体12中，活塞25滑设于相应的缸体12中。

腔室118的内壁上安装有两个用于冷却活塞的喷油嘴14，两个喷油嘴14分设于两个半箱体119上。，喷油嘴14设有四个，四个喷油嘴14与四个活塞25一一对应。喷油嘴14固定在机油管路上，确保发动机工作时有足够的机油进入喷油嘴14。

箱体11安装皮带传动机构5的一端端面的中部朝外延伸形成定位部15，定位部15上开设有供曲轴贯穿的第四通孔151，第四通孔151的内壁上开设有定位曲轴的环槽152。

涡轮增压器4、燃油泵6和附件箱10设于箱体11沿曲轴21轴向方向的一侧，皮带传动机构5、发电机7、启动电机8、冷却水泵9设于箱体11沿曲轴21轴向方向的另一侧。

箱体11的上端设有具有内腔的机械增压器安装座117，机械增压器3通过该机械增压器安装座117安装于箱体11的上端。缸体12的上部设有用于安装进气歧管13的安装法兰121，安装法兰121上开设有与第一扫气口连通的第二扫气口。机械增压器安装座117的内腔通过进气歧管13与缸体12的扫气口连通。

涡轮增压器4通过支架连接于箱体11沿曲轴21轴向方向的一侧。

四个缸体12的第一扫气口均通过进气歧管13与机械增压器3的出气端连通，涡轮增压器4的出气端和机械增压器3的进气端通过进气软管31连通，四个缸体12的排气口均通过排气软管41与涡轮增压器4的进气端连通。

箱体11沿曲轴轴向方向的一端(与涡轮增压器4相对的一端)端面下部设有发电机安装座112和启动电机安装座113，启动电机安装座113设于发电机安装座112的下方。箱体11安装发电机安装座112的端面上部设有冷却水泵安装座114。箱体11的另一端面上部设有用于将发动机机体安装至航空器上的安装接口116，通过减震垫与发动机安装架连接到一起。

发电机7通过发电机安装座112与箱体11可拆卸相连，发电机7可相对发动机壳体1旋转以张紧皮带54。启动电机8通过启动电机安装座113与箱体11可拆卸相连。冷却水泵9通过冷却水泵安装座114与箱体11可拆卸相连。

皮带传动机构5包括固定于机械增压器3输入轴上的第一带轮51，固定于发电机7输入轴上的第二带轮52，以及与曲轴21传动连接的第三带轮53，以及绕第一带轮51、第二带轮52和第三带轮53运行的皮带54。

第三带轮53设于曲轴21的一端，第三带轮53的一端固定有一飞轮55，启动电机8具有可伸缩的齿轮轴81，齿轮轴81伸出时可与飞轮55啮合传动。

冷却水泵9位于发电机7的上方，冷却水泵9的输入轴上安装有第四带轮91，第四带轮91的外圆周与皮带54抵接并向皮带54施加径向推力；缸体12轴向方向的两端均设有冷却通道，冷却通道通过管道与冷却水泵9循环连通。

本实施例中，曲轴21靠近第三带轮53的一端设有螺旋桨安装法兰211，螺旋桨安装法兰211设于飞轮55的外侧。

箱体11沿曲轴轴向方向的另一端端面上设有附件箱接口115，附件箱10通过附件箱接口115与箱体11可拆卸相连。如图12和13所示，附件箱10内设有主动齿轮101和两个均与主动齿轮101啮合传动的从动齿轮102，附件箱10朝向箱体11的一端开口以露出主动齿轮101和从动齿轮102。箱体11安装附件箱的端面朝向箱体11内凹陷形成与附件箱内腔配合的凹槽1151，用于附件箱10的安装密封。附件箱10的腔壁和凹槽1151的槽壁围合形成主动齿轮101和从动齿轮102的工作空间。

凹槽1151的底壁上开设有与曲轴配合的第二通孔1152，以及与附件箱中从动齿轮输出轴配合的第三通孔1153。附件箱10内腔的底壁上开设有与曲轴21配合的第五通孔103，以及与从动齿轮输出轴配合的第六通孔104。

主动齿轮101与曲轴21传动连接，燃油泵6固定于附件箱10背向箱体11的壁面上，燃油泵6的输入轴与曲轴21通过花键固连，由曲轴21带动燃油泵组件运转。四个缸体12的燃油入口均通过燃油管与燃油泵6连通。箱体11中设有低压燃油泵和机油泵，低压燃油泵与其中一个从动齿轮102输出轴伸入箱体11中的一端传动连接，机油泵与另一从动齿轮102输出轴伸入箱体11中的一端传动连接。

附件箱10背向箱体11的壁面上设有供从动齿轮102与外部设备传动连接的附件接口105，附件接口设有两个，两个附件接口与两个从动齿轮102一一对应。

主动齿轮101随着曲轴21一起旋转，同时带动两个从动齿轮102转动，进而给附件输出动力。附件接口105，可以与外界部件进行连接，对附件输出动力。其中一个附件接口105可作为调桨器接口，可以安装液压桨距控制器。另一个作为备用接口，根据零部件常用接口已经设计好安装尺寸，在没有附件需要安装时，可以用盖板封住该接口，需要时可以打开。两个从动齿轮102带动的输出端，通过平键进行连接传输动力。

曲轴21、曲柄、连杆24以及连接活塞25和连杆24的活塞销上均开设有油道，曲轴21、曲柄、连杆24和活塞销上的油道均连通以形成润滑油道。润滑通道通过管道与机油泵循环连通。

参见图1，启动电机8在接电瓶的作用下，电机齿轮轴伸出与飞轮55啮合，带动飞轮55旋转，进而带动曲轴21旋转，曲轴21上的连杆24推动活塞25做往复运动，克服气缸体12内的气体压缩，直到气缸内压缩空气温度达到燃料的着火点燃烧做功，启动电机8齿轮轴缩回，退出与飞轮55的啮合。

曲轴21转动时带动第三带轮53旋转，第三带轮53上的皮带54带动机械增压器3、发电机7、冷却水泵9开始旋转。机械增压器3位于发动机上方，与涡轮增压器4串联，中间采用橡胶软管连接。安装时，可以将橡胶软管拆除，增加中冷器对压缩后的空气进行冷却。机械增压器3与第三带轮53之间通过一定的传动比增速，使得机械增压器3在发动机低速时具有一定的增压扫气能力，将压缩后的空气通过进气歧管13输送到汽缸体的扫气口上。当发动机达到一定转速时，涡轮增压器4压缩后的空气压力够大，直接打通机械增压器3内部的旁通阀门，此时机械增压器3空转，不产生增压效果，发动机完全由涡轮增压器4提供进气压力。同时发动机在空中飞行时，涡轮增压器4发生损坏时，机械增压器3仍能维持一定的功率让飞行器返航。

发电机7在皮带54的带动下工作，第三带轮53与发电机7的带轮之间有一定的传动比，从曲轴21转动开始，发电机7开始源源不断的发电，保证航空器上的设备正常工作。发电机7的安装支架可调，以适时张紧皮带54。

冷却水泵9依靠皮带54驱动，安装时压紧皮带。冷却水泵9上的带轮与第三带轮53存在一定的传动比，曲轴5一旦转动，冷却水泵9开始工作，不断的将外部水箱中的冷却液抽到发动机内部，循环后排出。

本实施例的航空活塞发动机，机械增压器底座上有4个进气歧管，将流经机械增压器的空气输送到汽缸体上的扫气口中。汽缸体水平对置，无配气相位结构，汽缸体上有扫气孔，利用活塞往复运行扫气。机械增压器和涡轮增压器串联连接，发动机匹配机械增压器和涡轮增压器，机械增压器在低速段由发动机直接驱动，由增压后的气体进行扫气，高速段由涡轮增压器压缩后的气体进行驱动。冗余设计保证飞行安全。

曲柄连杆机构：使用双曲柄结构，每个曲柄上安装两个连杆，曲柄共有3个支撑点。曲柄和连杆之间有相同的油道，曲轴前端有螺旋桨法兰连接面,允许使用液压油驱动桨距。

附件箱：使用曲轴带动主动齿轮旋转，进而带动从动齿轮转动，从动齿轮两端均有连接端口，确保安装不同的发动机配件。

燃油系统：其特征在于使用曲轴输出动力驱动燃油泵组件工作，燃油泵组件安装在发动机一端，直接利用曲轴花键连接。燃油泵组件上装有低压油泵和高压油泵，低压油泵将燃油吸入后提供给高压油泵。

冷却系统：发动机整体采用水冷，机体内部有单独的润滑油道，冷却系统冗余备份。由发动机通过带传动驱动水泵，进而对汽缸体及汽缸头进行冷却，汽缸体和汽缸头均有冷却液进入通道，以便于冷却液快速到达。机体内部有单独的润滑油道，一方面通过压力输送到曲轴内部，进而通过连杆内部的油道输送到活塞销，以对发动机关键部位和活塞进行油冷。其中，机体内部安装喷油嘴，对活塞内部进行强制冷却。

以上所述，仅是本申请的较佳实施例，并非对本申请做任何形式的限制，虽然本申请以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限制本申请，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本申请技术方案的范围内，利用上述揭示的技术内容做出些许的变动或修饰均等同于等效实施案例，均属于技术方案范围内。