本發(fā)明涉及航空活塞發(fā)動機(jī)領(lǐng)域，具體涉及到一種輕量化的兩沖程高功重比航空重油活塞發(fā)動機(jī)的組合式燃燒室。

背景技術(shù)：

發(fā)動機(jī)是航空飛行器的動力輸出裝置，而小型活塞式航空發(fā)動機(jī)是軍用及民用低速飛行器所采用的主要動力裝置。近年來，隨著小型航空器和無人機(jī)的發(fā)展，航空重油活塞4發(fā)動機(jī)必將成為低速飛行器動力裝置的首選。航空重油是指原油在提取汽油、柴油后所剩余的重質(zhì)油，重油活塞發(fā)動機(jī)以其低油耗、高功重比以及易獲得性，得到世界發(fā)達(dá)國家的關(guān)注，是未來航空活塞發(fā)動機(jī)的必然趨勢。

目前，主流的航空重油活塞發(fā)動機(jī)燃燒室主要有分隔式和直噴式兩種形式，分隔式燃燒室由主燃燒室和副燃燒室組成，混合氣形成主要在副燃燒室內(nèi)完成，其高速性能好、噪聲小、易維護(hù)、對燃油系統(tǒng)要求低，但因燃料消耗率高、冷起動困難，沒有得到廣泛的應(yīng)用。直噴式燃燒室大多為深坑燃燒室，活塞上端面、氣缸壁及缸蓋下端面構(gòu)成燃燒室，活塞4頂部多采用u形或w形深坑，缸蓋下端面多為平面，深坑直噴式燃燒室結(jié)構(gòu)簡單、易于制造、動力性好，多用于四沖程活塞發(fā)動機(jī)。

結(jié)構(gòu)連接方面，主流重油活塞發(fā)動機(jī)氣缸蓋和氣缸體之間多采用螺栓連接，兩者之間通過氣缸蓋襯墊來密封，雖然這種連接形式保證氣缸蓋擁有足夠的強(qiáng)度和剛度，但是其本身受熱不均勻，各部分溫差大，在熱應(yīng)力高的地方容易出現(xiàn)裂紋損壞，而由于機(jī)械負(fù)荷和熱負(fù)荷作用下產(chǎn)生的變形可能會導(dǎo)致密封不嚴(yán)，影響發(fā)動機(jī)的動力性、經(jīng)濟(jì)型和工作可靠性。

綜上所述，現(xiàn)有的航空重油活塞發(fā)動機(jī)燃燒室形式及結(jié)構(gòu)連接形式，導(dǎo)致其存在以下不足：

(1)功重比小，結(jié)構(gòu)不夠緊湊。四沖程的航空活塞發(fā)動機(jī)由于工作循環(huán)行程較多，結(jié)構(gòu)重量高，升功率低，功重比??；而傳統(tǒng)的二沖程發(fā)動機(jī)因缸蓋采用螺栓連接，結(jié)構(gòu)不夠緊湊，缸蓋質(zhì)量大，功重比小。

(2)燃燒速率低。傳統(tǒng)的重油活塞式發(fā)動機(jī)的燃燒室為深坑造型，燃油噴射霧化效果較差，可燃混合氣不夠均勻，因而燃燒速率低下。

(3)最高爆發(fā)壓力大。傳統(tǒng)的重油活塞發(fā)動機(jī)的燃燒室內(nèi)可燃混合氣的渦流強(qiáng)度和擴(kuò)散強(qiáng)度較大，燃燒劇烈，爆發(fā)壓力大。

(4)排放品質(zhì)較差。傳統(tǒng)的重油活塞發(fā)動機(jī)可燃混合氣在燃燒過程中的溫度較高，工作粗暴，因而產(chǎn)生較多的nox。且燃燒不徹底，部分燃油未經(jīng)燃燒便排出，所以排氣品質(zhì)較差。

(5)掃氣易產(chǎn)生短路，造成損失。對于兩沖程活塞發(fā)動機(jī)，掃氣過程中易發(fā)生短路，導(dǎo)致油耗高，經(jīng)濟(jì)性差，不能滿足長期續(xù)航的需求。

世界上的很多國家都在積極研制新型的航空重油活塞發(fā)動機(jī)燃燒室來克服以上的諸多缺點(diǎn)，并作為未來無人機(jī)和輕型飛行器的動力源，而兩沖程的工作形式，再配合新型的燃油噴射系統(tǒng)，合理的燃燒室結(jié)構(gòu)和良好的掃氣形式，便是小功率航空活塞重油發(fā)動機(jī)的發(fā)展趨勢。

本發(fā)明針對以上幾點(diǎn)，發(fā)明了一種低油耗、高功重比的航空重油活塞發(fā)動機(jī)的組合型燃燒室。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供了一種兩沖程高功重比的航空重油活塞發(fā)動機(jī)的燃燒室，具備結(jié)構(gòu)緊湊，燃燒速率高，最高燃燒壓力小，排放品質(zhì)好，掃氣完全的特點(diǎn)，以滿足低油耗、高功重比、輕質(zhì)量的航空重油活塞發(fā)動機(jī)的使用要求。

本發(fā)明用于兩沖程航空重油活塞發(fā)動機(jī)的組合式燃燒室，包括氣缸體、氣缸套、氣缸頭、活塞、單體泵。

所述氣缸頭為柱狀結(jié)構(gòu)，采用旋入式設(shè)計(jì)，固定于氣缸體頂部；且相對氣缸體具有任意角度轉(zhuǎn)動功能。氣缸套固定于氣缸體內(nèi)，氣缸套與氣缸頭下端面間設(shè)置有氣缸密封墊?；钊O(shè)置于氣缸套內(nèi)部，活塞頂面中部設(shè)計(jì)有凹坑a，同時在氣缸頭底面中部設(shè)計(jì)有凹坑b。其中，凹坑a與凹坑b均為淺坑；凹坑a、凹坑b與氣缸套共同構(gòu)成組合式燃燒室。

氣缸體下部還設(shè)計(jì)有2條進(jìn)氣道和1條排氣道；兩條進(jìn)氣道的出氣端分別與氣缸套中段壁面上設(shè)計(jì)的兩個進(jìn)氣口連通；排氣道的進(jìn)氣端與氣缸套中段壁面上設(shè)計(jì)的排氣口連通；且兩個進(jìn)氣口位置與出氣口位置相對于氣缸體軸線180度對置。上述2條進(jìn)氣道為自由曲面造型，采用切向大仰角的進(jìn)氣方式。

所述單體泵固定于氣缸頭上，單體泵的噴嘴伸入到組合式燃燒室內(nèi)，且使噴嘴的噴孔位于凹坑b內(nèi)。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：

1、本發(fā)明組合式燃燒室，結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕；與傳統(tǒng)的通過螺栓連接的氣缸體和氣缸頭相比，旋入式氣缸頭“嵌入”氣缸體內(nèi)孔中，氣缸體和氣缸體之間可布置冷卻水套，對于具有相同缸徑的活塞發(fā)動機(jī)，旋入式的缸體和缸頭重量可降低10％—20％，有效提高了功重比，滿足了航空輕量化的要求。

2、本發(fā)明組合式燃燒室與燃燒室密封程度高；與傳統(tǒng)的依靠螺栓預(yù)緊力壓緊氣缸密封墊來保證燃燒室密封性能的發(fā)動機(jī)相比，旋入式缸頭通過細(xì)牙螺紋與氣缸體內(nèi)孔連接，有效提高了密封性能；另外，缸頭密封墊置于缸體內(nèi)孔中，未與外界連接，缸頭的擰緊力矩進(jìn)一步確保了燃燒室的密封性能。

3、本發(fā)明組合式燃燒室與傳統(tǒng)的深坑造型燃燒室相比，淺坑ω造型燃燒室促使空氣在燃燒室內(nèi)發(fā)生旋轉(zhuǎn)，對油束的吹散作用增大，空氣渦流加速火焰的傳播，使燃燒速率提高。

4、本發(fā)明組合式燃燒室，由三部分燃燒室共同構(gòu)成，其中兩個燃燒室的淺坑造型使缸內(nèi)的渦流強(qiáng)度和擴(kuò)散強(qiáng)度較小，混合氣的形成主要依靠噴油裝置的噴霧場，缸內(nèi)的燃料燃燒較為柔和，最高爆發(fā)壓力小。

5、本發(fā)明組合式燃燒室，面容比小，渦流強(qiáng)度小，燃燒柔和，且燃燒室掃氣完全沒有死區(qū)，發(fā)動機(jī)的過量空氣系數(shù)較大，因此在燃燒過程中最高燃燒壓力較小，并且燃燒溫度較低，降低了nox的排放量，排氣品質(zhì)較好。

6、本發(fā)明組合式燃燒室，掃氣完全，沒有死區(qū)；與傳統(tǒng)的兩沖程活塞發(fā)動機(jī)的直流掃氣或橫流掃氣相比，所述燃燒室的掃氣方式為旋流掃氣，掃氣口和排氣口分別對置在氣缸的兩側(cè)，采用切向大仰角的進(jìn)氣方式，進(jìn)氣沿著氣缸壁螺旋向氣缸頂流動，迫使廢氣沿著氣缸壁向下螺旋排出，實(shí)現(xiàn)分層掃氣燃燒組織，因此能夠降低掃氣充量損失，提高了二沖程發(fā)動機(jī)的容積效率。

附圖說明

圖1為本發(fā)明組合式燃燒室結(jié)構(gòu)剖視圖；

圖2為本發(fā)明組合式燃燒室中活塞上的凹坑示意圖；

圖3為本發(fā)明組合式燃燒室中氣缸頭上的凹坑示意圖；

圖4為本發(fā)明組合式燃燒室中進(jìn)氣道與排氣道結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5為本發(fā)明組合式燃燒室內(nèi)部旋流掃氣方式示意圖；

圖中：

1-氣缸體2-氣缸套3-氣缸頭

4-活塞5-單體泵6-氣缸密封墊

7-缸頭壓板8-凹坑a9-凹坑b

10-階梯孔11-進(jìn)氣道12-排氣道

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。

本發(fā)明用于兩沖程航空重油活塞發(fā)動機(jī)的組合式燃燒室，包括氣缸體1、氣缸套2、氣缸頭3、活塞4、單體泵5，如圖1所示。

氣缸體1為筒狀結(jié)構(gòu)，頂端內(nèi)壁設(shè)計(jì)有內(nèi)螺紋；筒狀氣缸套2同軸安裝于氣缸體1內(nèi)部，外壁與氣缸體1內(nèi)壁間小過盈配合裝配成一體。氣缸套2頂端設(shè)計(jì)有環(huán)形臺肩，與氣缸體1內(nèi)壁頂部設(shè)計(jì)的環(huán)形定位臺配合，實(shí)現(xiàn)氣缸套2與氣缸體1間的軸向定位；為了保證裝配精度，使裝配接合面的面積盡可能小，氣缸套2的外壁中間具有一縮進(jìn)段，縮進(jìn)長度為1mm，由此降低了氣缸體1與氣缸套2的裝配難度，提高了裝配精度。

氣缸頭3為柱狀結(jié)構(gòu)，采用旋入式設(shè)計(jì)，可根據(jù)總布置的需要相對氣缸體1做任意角度轉(zhuǎn)動。氣缸頭3外柱面設(shè)計(jì)有外螺紋，與氣缸體1頂端內(nèi)壁內(nèi)螺紋配合，螺紋旋入氣缸體1頂端內(nèi)，與氣缸體1同軸固定，并壓緊氣缸套2，實(shí)現(xiàn)氣缸套2的軸向固定；且氣缸套2上端面與氣缸頭3下端面間設(shè)置有氣缸密封墊6，實(shí)現(xiàn)密封，避免水和空氣進(jìn)入氣缸體1內(nèi)。氣缸密封墊6設(shè)置于氣缸套頂端環(huán)形凹槽內(nèi)，且在氣缸頭3裝配前，氣缸密封墊6上端面需稍微高出氣缸套2上端面；由于氣缸密封墊6是軟材料，進(jìn)而使得在氣缸頭3裝配后，氣缸密封墊6被氣缸頭3壓緊，可以保證良好的密封效果；經(jīng)計(jì)算和優(yōu)化設(shè)計(jì)，氣缸密封墊6上端面需高出氣缸套2上端面端約0.05～0.15mm最為合適，如若上述高度差小于0.05mm，活塞發(fā)動機(jī)氣缸會出現(xiàn)漏氣、反水等故障，若高度差大于0.15mm時，則活塞發(fā)動機(jī)氣缸會出現(xiàn)機(jī)油與冷卻水混合、氣缸頭3變形甚至出現(xiàn)裂紋等故障。氣缸頭3頂面上安裝的缸頭壓板7，通過缸頭螺柱和缸頭螺母配合，將氣缸壓板7壓緊定位，通過氣缸壓板7壓緊氣缸頭3，確保氣缸頭3與氣缸體1間的固定，使氣缸頭3不松動。

所述活塞4同軸設(shè)置于氣缸套2內(nèi)部，周向上與氣缸套2內(nèi)壁間隙配合；且在活塞4的裙部設(shè)有三道密封環(huán)，保證燃燒室下端的密封?；钊?沿氣缸體1軸線做往復(fù)直線運(yùn)動，當(dāng)活塞4運(yùn)動到上止點(diǎn)時，活塞4頂面、氣缸套2內(nèi)壁和氣缸頭3下端面所組成的三維幾何空間形成了組合式燃燒室。如圖2、圖3所示，上述活塞4頂面中部設(shè)計(jì)有凹坑a8，同時在氣缸頭3底面中部設(shè)計(jì)有凹坑b9，凹坑a8與凹坑b9分別作為燃燒室a與燃燒室b；其中，凹坑a8為回轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)淺坑，徑深比為12～14，使凹坑整體截面呈ω形；由此，在壓縮和膨脹行程初期，淺坑促使空氣在燃燒室a內(nèi)發(fā)生旋轉(zhuǎn)，對油束的吹散作用增大，空氣渦流加速火焰的傳播，使燃燒速率提高。凹坑b9為u型淺坑結(jié)構(gòu)，側(cè)壁向外傾斜，底面為平面；u型淺坑的徑深比為12～14。令氣缸套2內(nèi)部作為燃燒室c，則燃燒室a、燃燒室b、燃燒室c，共同形成了組合式燃燒室；組合式燃燒室內(nèi)燃油與空氣以空間霧化的方式混合，霧狀油滴從高溫空氣中吸熱蒸發(fā)擴(kuò)散與空氣混合；上述燃燒室a的結(jié)構(gòu)與噴油油束配合良好，使進(jìn)氣分布在燃燒室油束密集位置，促進(jìn)了燃燒室中氣流運(yùn)動，形成均勻混合氣。上述氣缸頭3中心設(shè)有階梯孔10，階梯孔內(nèi)壁設(shè)有螺紋，單體泵5通過該螺紋旋入階梯孔，且使單體泵5的噴嘴伸入到組合式燃燒室內(nèi)，且使噴嘴的噴孔位于凹坑b9內(nèi)，超出凹坑b9底面2mm；同時保證燃燒室a、燃燒室b、單體泵5、氣缸體1和氣缸頭3在同一軸線上，此種設(shè)計(jì)便于油束貫穿度與噴孔到組合式燃燒室壁面之間的距離優(yōu)化匹配，使熱流和氣流均勻。

氣缸體1下部還設(shè)計(jì)有2條進(jìn)氣道11和1條排氣道12，如圖4所示；兩條進(jìn)氣道11的出氣端分別與氣缸套2中段壁面上設(shè)計(jì)的兩個進(jìn)氣口連通；排氣道12的進(jìn)氣端與氣缸套2中段壁面上設(shè)計(jì)的排氣口連通；且兩個進(jìn)氣口位置與出氣口位置相對于氣缸體1軸線180度對置設(shè)計(jì)。上述2條進(jìn)氣道11為自由曲面造型，采用切向大仰角的設(shè)計(jì)形式，相對于氣缸體1軸線的法線偏轉(zhuǎn)一定的角度，優(yōu)選角度為17°左右，整體向上傾斜一定的角度；而排氣道12采用直紋曲面造型，為直聯(lián)式，與低轉(zhuǎn)速的旋翼相匹配，通過氣缸體1與氣缸套2間采用的干式小過盈配合，保證進(jìn)氣道11和排氣道12的水密性。由此，空氣從由兩條進(jìn)氣道11進(jìn)入組合式燃燒室，通過本發(fā)明中進(jìn)氣道11和排氣道12的結(jié)構(gòu)形式，使進(jìn)氣沿著氣缸套2內(nèi)壁螺旋向氣缸頭3流動，迫使廢氣沿著氣缸套2內(nèi)壁向下螺旋從排氣道12排出，實(shí)現(xiàn)旋流掃氣；且通過兩條進(jìn)氣道11實(shí)現(xiàn)多氣口匹配進(jìn)氣，保證進(jìn)氣會沿著氣缸套2內(nèi)壁螺旋上升，從而有效的避免了掃氣短路，使掃氣完全沒有死區(qū)，實(shí)現(xiàn)分層掃氣，實(shí)現(xiàn)分層燃燒組織，提高了進(jìn)氣效率，如圖5所示。

根據(jù)上述結(jié)構(gòu)的組合式燃燒室，其工作流程為：當(dāng)活塞4從下止點(diǎn)位置時向上止點(diǎn)位置移動時，活塞4壓縮氣缸體1內(nèi)的氣體使氣體壓力升高，當(dāng)活塞4到達(dá)上止點(diǎn)位置，單體泵5噴射燃油，燃油受熱迅速的蒸發(fā)擴(kuò)散并與燃燒室a的形狀相配合形成均勻的可燃混合氣，混合氣因高壓而點(diǎn)火自燃，在燃燒室a的作用下快速燃燒傳播，此時，組合式燃燒室內(nèi)氣體壓力升高，推動活塞4向下運(yùn)動做功，當(dāng)功率將要消耗殆盡，活塞4將要到達(dá)下止點(diǎn)時，進(jìn)氣口和排氣口打開，新鮮空氣由進(jìn)氣道進(jìn)入燃燒室，沿著氣缸套內(nèi)壁螺旋向上，并推動廢氣沿著氣缸壁螺旋向下從排氣道排出，直至新鮮空氣完全充滿氣缸，此時，活塞4到達(dá)下止點(diǎn)，完成一個工作循環(huán)。