1、第 45 卷 第 2 期国防科技大学学报Vol 45 No 22023 年 4 月JOUNAL OF NATIONAL UNIVESITY OF DEFENSE TECHNOLOGYApr 2023doi:10 11887/j cn 202302022http:/journal nudt edu cn环形串联直缸发动机配气系统设计*徐海军，杨聪楠，徐小军，唐源江(国防科技大学 智能科学学院，湖南 长沙410073)摘要:环形串联直缸发动机具有功率密度高、惯性力小等诸多优点，但其运行时气缸转子始终绕输出轴周向转动，使得传统发动机静态的配气方法不再适用。因此，研究设计一种能够满足该型发动机进排气需
2、求的新型配气系统意义重大。针对该型发动机独特的环形串联结构和差速运动特性，研究了各转子气缸的容积变化规律，分析了各转子气缸进排气相位与转子转角之间的关系，创新设计了一种基于气道复用的动态位置配气系统。根据二冲程发动机配气方案设计加工了配气系统零部件，并通过高压气动实验完成了对该型发动机的动态进排气过程。实验结果表明，当给定外加驱动气压 0.25 MPa 时，发动机能够以约 200 r/min听语音聊科研与作者互动的速度稳定运转，有效验证了该配气系统的可行性。关键词:气道复用;动态位置配气;环形串联直缸发动机;配气系统设计中图分类号:TK45文献标志码:A开放科学(资源服务)标识码(OSID):
3、文章编号:1001 2486(2023)02 188 09Gas distribution system design for annularconnecting straight cylinder engineXU Haijun，YANG Congnan，XU Xiaojun，TANG Yuanjiang(College of Intelligence Science and Technology，National University of Defense Technology，Changsha 410073，China)Abstract:The annular connecting st
4、raight cylinder engine has many advantages such as high power density，low inertia force and so onHowever，the cylinder rotors always rotate along the circumferential direction of the output shaft during operation，which makes the traditional staticgas distribution method no longer applicable Therefore
5、，it is of great significance to research and design a new type of gas distribution system thatmeets the intake and exhaust requirements of this type of engine In view of the unique annular connecting structure and differential velocity motioncharacteristic of the engine，the volume change law of each
6、 rotor cylinder was analyzed，and the relationship between the intake and exhaust phasesof each rotor cylinder and the rotor rotation angle was studied On this basis，an innovative dynamic position gas distribution system with airwayreuse feature was designed According to the gas distribution scheme o
7、f two-stroke engine，the parts of the gas distribution system were designed andprocessed，and the dynamic intake and exhaust process was completed through high-pressure pneumatic test The experimental results show that theengine can run stably at 200 r/min when the driving air pressure is 0.25 MPa，whi
8、ch effectively verifies the feasibility of the gas distributionsystemKeywords:airway reuse;dynamic position gas distribution;annular connecting straight cylinder engine;gas distribution system design当前，轻小型无人平台的快速发展对发动机功率密度提出了更高要求1。传统往复式活塞发动机通过增加气缸数量等方法虽然在一定程度上提高了发动机功率输出，但同时使得发动机尺寸重量增大，曲轴结构更加复杂，往复惯性力
9、平衡难度加大，无法大幅提升发动机功率密度。因此，国内外诸多学者致力于研究探索新的发动机构型，进一步提升发动机性能。配气系统设计研究是新构型发动机成功研制不可或缺的重要环节2。不同构型的发动机所需的配气系统差异较大。传统发动机主要采用基于凸轮 气门式配气机构的配气系统，包括常规的气门凸轮配气机构3 和可变的气门凸轮配气机构，典型的有 Honda 开发的 i-VTEC4 等;同时还有利用电磁、电液、电气等直接驱动气门的配气系统，如基于全柔性化的电磁驱动配气机构EMVT5、全可变电液驱动配气机构6 等。德国工程师 Wankel 博士发明了三角转子发动机7，*收稿日期:2021 04 09基金项目:基
10、础加强计划技术领域基金资助项目(2019 JCJQ JJ 224)作者简介:徐海军(1981)，男，湖北武汉人，副教授，博士，硕士生导师，E-mail:13787251384163 com;杨聪楠(通信作者)，男，浙江浦江人，硕士研究生，E-mail:pjzxycn163 com第 2 期徐海军，等:环形串联直缸发动机配气系统设计该发动机利用三角转子自转和周转形成工作腔空间位置和容积的周期性变化，从而实现热力学循环输出动力。根据三角转子的运动特点，设计人员提出了基于静态位置配气方法的配气系统，即在三角转子发动机缸体特殊位置设计固定的开口作为进、排气口。该配气系统无须气门及配气机构，显得更加简洁
11、高效。三角转子发动机的工程化应用证明了这种静态位置配气方法的可行性和实用性。张雷等8 采用类似的静态位置配气方法对旋转活塞式发动机进行了气口设计分析，即根据发动机活塞转子运转特性在缸体的特定位置设计进、排气口，满足了发动机的配气需求。该发动机采用“动态扩容”技术大幅提高了发动机的功率密度，但由于组合式环形气缸的特殊结构，其加工精度要求高，密封难度大。本文主要针对一种新构型的环形串联直缸发动机(annular connecting straight cylinder engine，ACSCE)，研究设计满足其进排气需求的配气系统。该型发动机采用连杆和活塞将两组气缸转子首尾相接，活塞和转子之间形成
12、串联可变容积的直缸容腔，利用行星齿轮连杆机构(planet gearlinkage mechanism，PGLM)约束转子运动，实现了发动机的动态扩容，功率密度成倍提升，同时发动机零部件加工简单，密封效果好，更有利于工程实现。但由于环形串联直缸发动机气缸转子工作时始终绕输出轴周向转动，难以继续采用传统发动机静态的配气方法进行配气。因此，本文在深入研究该型发动机独特的环形串联结构、差速运动特性及转子气缸进排气规律的基础上，创新设计了一种基于气道复用的动态位置配气系统，满足了该型发动机的进排气需求，为环形串联直缸发动机进一步工程化实现提供重要参考。1整机结构及串联直缸容积变化规律如图 1 所示为环
13、形串联直缸发动机结构组成示意图。该型发动机主要由气缸转子组件(动力转换)、行星齿轮连杆机构(功率传输)、配气系统和输出轴部件四大部分组成9。本文所设计的配气系统通过发动机中央轴供气，安装在与输出轴相对一侧的发动机中轴线位置。行星齿轮连杆机构是约束发动机两气缸转子差速运动的重要组件，其结构示意图如图 2 所示。外齿圈与发动机外壳固定，两个行星轮与外齿圈啮合，分别作为一组四杆机构的曲柄，并以一定的相位差安装。输出轴以一定转速转动时带动行星架公转，从而使两行星轮绕各自中心轴自转。由图 1环形串联直缸发动机结构组成Fig 1Structural composition of ACSCE于初始相位差的存
14、在，两摇杆在连杆的带动下将形成特定规律的差速运动。图 2行星齿轮连杆机构结构示意图Fig 2Schematic diagram of PGLM structure张威扬10 对行星齿轮连杆机构的运动学特性做了详细的研究分析。借鉴其研究成果可知各杆件转角与输出轴(行星架)偏转角之间的关系可表达为:l1cos1+l2cos2+l3cos3=l4cos4l1sin1+l2sin2+l3sin3=l4sin4l1cos1+l2cos2+l3cos3=l4cos4l1sin1+l2sin2+l3sin3=l4sin42 20=(1 )(1 10)2 20=(1 )(1 10)10=10+1=1+2=2+
15、(1)式中:li、li分别为四杆机构 OABC 和 OABC中各981国 防 科 技 大 学 学 报第 45 卷构件 i、i的长度，i、i为四杆机构各构件的偏转角(i=1，2，3，4);=z0/z2为外齿圈与行星轮的传动比，z0、z2分别为外齿圈和行星轮的齿数;10、10和 20、20分别为曲柄和连杆初始角度;为两行星齿轮初始安装相位差。如图 3 所示为气缸转子组件结构示意图。转子 1 和转子 2 交错布置，并通过活塞和连杆首尾相接形成串联的做功容腔，其中转子 1 与摇杆固连，转子 2 与摇杆固连。图 3气缸转子组件结构示意图Fig 3Structure of the cylinder rot
16、or assembly为便于描述气缸转子组件各构件之间的位置关系，建立直角坐标系并给出各参数定义如图 4所示，其 中OF=l5，OD=l6，EF=l7，COF=CF，DOC=DC;HD=hc/2，GE=h，其中 hc为气缸高度，h 为活塞高度。图 4气缸转子组件坐标系及各参数定义Fig 4Coordinate system and parameter definition ofthe cylinder rotor assembly由图 4 可知，气缸转子组件角度关系为:6=4 4 CF DC6=2 62CF(2)根据闭环矢量关系OF=OD+DE+EF，可得:l5sin6=DE+l7cos5l5cos6=l6+l7sin5(3)解得活塞位移矢量HG的表达式为:DE=l5sin6l27(l5cos6 l6)2HG=HD+DE GE(4)定义转子气缸内径大小为 D，由此可求得气缸做功容积大小为:V=4D2HG(5)根据现有研究成果，在优化发动机布局11 及传动特性12 的基础上，给定该型发动机结构参数如表 1 所示。表 1发动机结构参数Tab 1Structure parameter of