燃用负碳燃料的水平对置二冲程航空发动机油泵驱动机构

技术领域

本发明涉及航空发动机技术领域，尤其涉及一种水平对置的航空活塞发动机燃油供给系统，具体为一种燃用负碳燃料的水平对置二冲程航空活塞发动机的燃油供给系统驱动机构。

背景技术

近年来，航空活塞发动机在小型航空器和无人机中占据越来越重要的地位。随着传统燃油资源的持续短缺，以及全球碳排放问题的日益严峻，选用传统航空煤油的替代品作为航空活塞发动机的燃料供给成为了新的趋势。如CN103890146所提到的，是指在制造时从大气除去的二氧化碳多于从燃烧排放的二氧化碳以及因用以制造所述燃料的工艺而添加的二氧化碳的燃料(J.A.Mathews,“Carbon-negative biofuels”,Energy Policy36(2008)第940-945页)。区别于传统化石燃料，负碳生物燃料源自藻类等植物，是一种清洁的、可持续替代柴油的燃料，且比起传统燃料具有密度低、热值高、十六烷值高、粘度低的特点，来源广泛且可再生，从生物燃料的生产加工到燃烧排放整个生命周期的碳排放总量为负。随着负碳燃料技术的成熟，将负碳燃料应用于通航活塞发动机替代传统的煤油或者柴油是解决航空运输业污染的重要途径。

目前现有的缸内直喷发动机都需要安装高压燃油泵，为发动机提供高压力的燃油。由于负碳燃料与柴油、煤油等化石燃料相比粘度较大，并且航空活塞发动机燃料的的使用环境温度较低，负碳生物燃料容易受冻产生析蜡现象，燃油在高压油泵、油管内沿程压力损失较大，采用现有的机械式单体泵燃油供给系统泵送负碳生物燃料，发动机缸内燃油喷射压力下降，缸内雾化效果差，不利于与汽缸中的高温、高压的空气混合燃烧，降低了航空活塞发动机的性能。

在现有技术中，水平对置的航空活塞发动机高压燃油泵一般安装在两个位置，一个位置是安装在发动机前端的轮系周围，依靠皮带轮或链轮的转动来带动高压燃油泵工作，另一个位置是发动机气缸盖处，布置在气缸盖上的凸轮轴的中部，依靠凸轮轴的转动来带动高压燃油泵工作。为了克服泵送负碳生物燃料导致的喷油器端喷油压力下降的问题，让活塞发动机在低温环境中能够正常工作，通常采用改变凸轮型线增加柱塞速度以提高泵端供油压力或者缩短高压油管长度降低沿程压力损失等措施。但是现有上述方法存在有如下缺陷：

1.当高压燃油泵安装在发动机前端的轮系周围时，所需的油管长度很长，在工作过程中，高压油管中压力波的叠加容易引起喷油器的二次喷射。

2.当高压燃油泵安装在气缸盖附近时，需要在缸盖处安装凸轮轴，并在凸轮轴中部安装驱动挺柱的凸轮，由于挺柱的体积较大，导致气缸盖的内部结构出现很多限制，影响其它部件的安装。将凸轮轴安装在航空活塞发动机的气缸盖上，气缸盖与动力输出轴之间传动距离过长，采用带传动降低了航空活塞发动机的可靠性，采用齿轮、链轮传动增加了航空活塞发动机的重量，因此将凸轮轴安装在水平对置的航空活塞发动机上不适用于航空活塞发动机对重量方面的需求。

公开号为CN113006993A的发明专利“一种高压燃油泵驱动结构”提出一种提高泵端压力的高压燃油泵驱动结构。该发明既能够满足350Bar以下高压燃油泵的驱动及润滑需求，又能够适应500Bar以上的高压燃油泵的驱动及润滑需求，并降低功耗，提升可靠性，延长使用寿命，然而该技术方案容易导致油泵柱塞所受的侧向力较大，柱塞偏磨的问题。且该发动机为汽车发动机，其凸轮轴采用链轮的连接方式，不适用于航空活塞发动机。

公开号为CN202325947U的实用新型专利“缸内直喷发动机用高压燃油泵驱动机构”提出了一种缸内直喷发动机用高压燃油泵驱动机构。该发明将燃油凸轮轴安装在气缸盖上，高压燃油泵的挺柱端面与凸轮结构接触。虽然该专利将高压燃油泵驱动结构布置在缸内直喷发动机的后端，不受凸轮轴的长短及气缸盖结构的限制，但是从曲轴动力输出端到凸轮轴的传动距离过长，若采用带传动，则降低了航空活塞发动机的可靠性；若采用齿轮传动，则增加了航空活塞发动机燃油供给系统的重量。

因此，现有高压燃油泵的驱动机构不能够完全适应负碳燃料在水平对置二冲程航空活塞发动机上的应用，难以同时保证航空活塞发动机的喷油器压力、以及航空活塞发动机的功重比等方面的问题。

发明内容

为解决以上技术问题，本发明公开了一种燃用负碳燃料的水平对置二冲程航空活塞发动机油泵驱动机构。能够弥补由于负碳燃料粘度的增加导致的高压油管内沿程压力损失增加，提升负碳燃料在喷油器端的喷射压力，并且不会增加燃油供给系统的重量。

本发明完整的技术方案包括：

一种燃用负碳燃料的水平对置二冲程航空活塞发动机油泵驱动机构，

包括油泵安装座1、凸轮轴组件、摆臂机构、单体泵组件、高压油管、喷油器，

所述油泵安装座1为长方形，设置在水平对置航空活塞发动机曲轴箱上，单体泵组件配合连接在油泵安装座上；

所述油泵安装座垂直曲轴的两个端面，分别设有两个轴承安装孔，所述二冲程航空活塞发动机不采用单独的凸轮轴，由于二冲程航空活塞发动机凸轮轴转速与曲轴转速相同，因此将航空活塞发动机的曲轴延长，作为燃油供给系统的凸轮轴，曲轴延长轴22从轴承安装孔中间穿过；

所述凸轮轴组件包括曲轴延长轴22、安装在曲轴延长轴22上面的凸轮21，曲轴延长轴22上安装有凸轮周向限位键4和限位卡簧2，所述凸轮周向限位键4限制凸轮21绕曲轴延长轴22周向转动，限位卡簧2限制凸轮21轴向移动；

油泵安装座上安装有摆臂支架9，摆臂机构套在摆臂支架上，所述摆臂机构包括套在摆臂销轴8上的摆臂20，摆臂20绕摆臂销轴8周向摆动，还包括设于摆臂上的凸轮滚轮销5和凸轮滚轮6组件，以及挺柱滚轮18和挺柱滚轮销19组件，所述凸轮滚轮6与凸轮接触；

所述单体泵组件包括挺柱17、出油阀压紧螺母13、出油阀37、柱塞35和柱塞套36，所述挺柱17与挺柱滚轮18接触；油泵柱塞采用平面挺柱，摆臂一个滚轮被压紧在油泵挺柱上，一个滚轮被压紧在油泵凸轮上，滚轮能够绕摆臂上面的销轴旋转。

发动机工作时，曲轴延长轴22将动力通过凸轮周向限位键4传递到凸轮滚轮6，凸轮滚轮6通过凸轮滚轮销5传递给摆臂20，摆臂将力传递给挺柱滚轮销5，挺柱滚轮销5将力传递给挺柱滚轮8，挺柱滚轮8推动挺柱17平端面做往复运动，挺柱17推动柱塞35在柱塞套36内将燃油加压，实现单体泵的泵油功能，然后高压燃油通过出油阀37并从出油阀压紧螺母13中心孔流向高压油管，从高压油管输送到喷油器，从喷油器喷孔喷入缸内雾化燃烧。

所述油泵安装座内端面上有与航空活塞发动机曲轴箱连通的光孔3，曲轴箱的油雾通过光孔3进入油泵安装座，对燃油供给系统的运动副进行润滑。

二冲程航空活塞发动机工作时，机油从连通曲轴箱的光孔3流入油泵安装座1内，油泵驱动机构搅动油雾，使机油对凸轮滚轮6与凸轮滚轮销5、摆臂20与摆臂支架销轴8、挺柱滚轮18与挺柱滚轮销19、单体凸轮21与凸轮滚轮6、挺柱端面17与挺柱滚轮18之间的配合面进行润滑，再从连通曲轴箱的光孔3流回曲轴箱。

所述油泵安装座为轴对称结构，安装座内部安装两个摆臂。油泵安装座上有安装摆臂支架的螺纹孔，摆臂支架通过螺栓安装在安装座上，摆臂能够绕摆臂支架销轴左右旋转，摆臂支架模仿牛头刨床的结构，摆臂结构具有很强的刚度和稳定性。

所述单体泵组件还包括挺柱周向限位销10、泵体放气孔11、进油孔12、单体泵壳14、调节步进电机15和出油阀座38；

所述摆臂支架9通过摆臂支架安装螺栓7安装在油泵安装座上，摆臂机构在轴向上采用卡簧限位。

所述摆臂20绕摆臂销轴8周向摆动的摆动角度由单体泵的升程决定。

发动机曲轴延长形成的曲轴延长轴22，作为燃油供给系统的凸轮轴。

摆滚轮穿过摆臂销安装在摆臂上，摆臂销与摆臂焊接到一起，摆臂与摆臂销之间是滑动轴承，摆臂集成度高，结构重量轻。

油泵安装座1上有安装单体泵的双头螺柱，单体泵采用螺母被紧固在油泵安装座1上。

摆臂机构的长度尺寸与负碳燃料的属性有关。当燃烧不同的负碳燃料或者负碳燃料与柴油的混合物时，可以改变凸轮滚轮销5与摆臂支架销轴8之间的凸轮滚轮力臂23和摆臂支架销轴8与挺柱滚轮销19之间的挺柱滚轮力臂25的夹角来进行不同的负碳燃料粘度补偿和压力补偿。

油泵安装座与发动机曲轴箱紧密贴合，发动机的正常运行时，通过传热将油泵安装座的温度控制在70℃到90℃之间，对输送到燃油泵的低温燃油进行预热。

凸轮的基圆直径为φ27mm。

挺柱滚轮与挺柱之间最大的接触应力为40MPa。

本发明相对于现有技术的优点在于：

1.水平对置二冲程航空活塞发动机油泵驱动机构与传统的泵-管-嘴燃油供给系统燃油泵驱动机构相比，本发明的燃油供给系统驱动机构缩短了喷油泵出油阀螺母与喷油器之间的距离，缩短了高压油管的长度，增加了燃油在燃油供给系统的液力刚度，减小了高压油管长度带来的沿程压力损失，从结构的角度补偿了由于负碳燃料粘度大带来的沿程压力损失，减小了由于压力波在高压油管内的纵波效应导致的二次喷射的可能，减小了燃油供给系统整体的重量。

2.与传统的泵-管-嘴燃油供给系统凸轮直接驱动机构相比，本发明采用了与牛头刨床类似的增力增速机构，增加了油泵柱塞的泵油速度，采用了以增加柱塞速度提高泵油压力的原理，没有额外增加燃油供给系统的重量，适用于燃用负碳燃料的二冲程航空活塞发动机，能够增加航空器的续航时间。

3.与相同性能的泵-管-嘴燃油供给系统相比，在得到相同的供油速度下，本发明可以使用更小基圆直径的燃油凸轮，减小燃油凸轮的重量。

4.油泵安装座与发动机的曲轴箱用光孔连通，凸轮与滚轮间、滚轮与挺柱间、滚轮与滚轮销间、摆臂与摆臂销间的润滑均采用来自曲轴箱内的油雾进行润滑，与传统的泵-管-嘴燃油供给系统相比，取消了油泵安装座内单独的润滑系统，减小了燃油供给系统的重量，降低了结构复杂性。

5.与传统的高压油泵相比，油泵柱塞采用平面挺柱，挺柱滚轮时刻给油泵只有沿柱塞方向的轴向力，没有侧向力，减小了柱塞与柱塞套之间的侧向力，减小油泵由于采用负碳燃料后带来的磨损问题。安装在摆臂上的挺柱滚轮由于不用随着凸轮高速旋转，与传统的安装在挺柱上的滚轮相比，磨损小，提高了高压油泵的可靠性。

6.与传统的泵-管-嘴燃油供给系统相比，摆臂机构的长度尺寸与负碳燃料的属性有关。当燃烧不同的负碳燃料或者负碳燃料与柴油的混合物时，可以改变凸轮滚轮销与摆臂销和摆臂销与挺柱滚轮销之间的夹角来进行不同的压力补偿。

7.油泵安装座与发动机曲轴箱紧密贴合，发动机的正常运行时，通过传热能够时刻将油泵安装座的温度控制在70℃到90℃之间，能够对输送到燃油泵的低温燃油进行预热。

8.由于单体凸轮优化设计后,在同样高压燃油泵使用边界下,凸轮的基圆直径由φ42mm减小至φ27mm。

9.由于设置的润滑油路布置十分简洁，加工工艺性好，使发动机机油泵功率不作大幅额外增加。

10.由于采用摆臂机构，挺柱滚轮几乎只有轴向运动，挺柱滚轮与挺柱之间最大的接触应力由75Mpa减小至40MPa。

附图说明

图1为一种燃用负碳燃料的水平对置二冲程航空活塞发动机油泵驱动机构示意图；

图2为燃油供给系统的摆臂机构；

图3为摆臂机构的侧视图；

图4为高压油泵的的柱塞耦件；

图5为高压油泵的安装座；

图6为油泵安装座的剖视图；

图7为柱塞和柱塞套组件示意图。

图中，1-油泵安装座，2-限位卡簧，3-连通曲轴箱的光孔，4-凸轮周向限位键，5-凸轮滚轮销，6-凸轮滚轮，7-摆臂支架安装螺栓，8-摆臂支架销轴，9-摆臂支架，10-挺柱限位销，11-泵体放气孔，12-进油孔，13-出油阀压紧螺母，14-泵体，15-调节步进电机，16-油泵安装螺柱，17-挺柱，18-挺柱滚轮，19-挺柱滚轮销，20-摆臂，21-单体凸轮，22-曲轴延长轴，23-凸轮滚轮力臂，24-两滚轮销轴距，25-挺柱滚轮力臂，26-泵座前端盖螺柱，27-泵座后端盖轴承安装孔，28-泵体安装孔，29-油泵安装座前端盖，30-前端盖油封，31-前端盖轴承，32-前端盖连接螺栓，33-后端盖润滑油封，34-后端盖安装螺栓，35-柱塞，36-柱塞套，37-出油阀，38-出油阀座。

具体实施方式

下面对照附图，通过对附图进行描述，对本发明的具体实施方式如所设计的各部分之间的相互位置及连接关系、各部分的作用及工作原理、制造工艺及操作使用方法等，作进一步详细的说明，以帮助本领域技术人员对本发明的发明构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解。

本发明公开的一种燃用负碳燃料的水平对置二冲程航空活塞发动机油泵驱动机构，由凸轮轴组件、摆臂机构、单体泵组件、高压油管、喷油器及部分安装螺栓组成；单体泵组件安装在长方体油泵安装座上。具体如图1-7所示，包括油泵安装座1，凸轮限位卡簧2、连通曲轴箱的光孔3、凸轮周向限位键4、凸轮滚轮销5、凸轮滚轮6、摆臂支架安装螺栓7、摆臂支架销轴8、摆臂支架9、挺柱限位销10、透视孔11、油泵进油孔12、油泵出油阀压紧螺母13、泵体14、调节步进电机15、油泵安装螺柱16、挺柱17、挺柱滚轮18、挺柱滚轮销19、摆臂20、单体凸轮21、曲轴延长轴22。

油泵安装座1为长方形，通过后端盖安装螺栓34安装在发动机曲轴箱上，油泵安装座1与曲轴箱之间靠后端盖润滑油封33进行密封。曲轴延长轴22通过后端盖上的轴承安装孔27进入油泵安装座1，并通过前端盖轴承31伸出发动机，油泵安装座前端盖29通过泵座前端盖螺柱26安装在油泵安装座1上。

凸轮轴组件包括曲轴延长轴22、安装在上面的凸轮21、凸轮靠安装在曲轴延长轴上的凸轮周向限位键4限制凸轮21绕曲轴延长轴22周向转动，凸轮靠限位卡簧2限制凸轮21轴向移动。

摆臂支架9通过摆臂支架安装螺栓7安装在油泵安装座上，摆臂机构套在摆臂支架销轴8上，轴向采用卡簧限位。摆臂机构包括摆臂20，凸轮滚轮销5、凸轮滚轮6，挺柱滚轮18、挺柱滚轮销19、摆臂销轴8，摆臂20绕摆臂销轴8周向摆动，摆动角度由凸轮滚轮力臂23，两滚轮销轴距24，挺柱滚轮力臂25及单体泵的升程决定。

单体泵组件包括挺柱17、挺柱周向限位销10、泵体放气孔11、进油孔12、出油阀压紧螺母13、泵体14、调节步进电机15、出油阀37和出油阀座38以及柱塞35和柱塞套36，单体泵挺柱17通过泵体安装孔28进入油泵安装座1，泵体14通过油泵安装螺柱16安装在油泵安装座1上。

如附图6所示，油泵安装座前端盖29上面有前端盖油封30、前端盖轴承31、前端盖连接螺栓32。曲轴延长轴从前端盖轴承31中穿出，并采用前端盖油封对油泵安装座1内的油雾进行密封。油泵安装座前端盖通过前端盖连接螺栓32与油泵安装座相连。油泵安装座1为对称结构，完全适用于水平对置的二冲程航空活塞发动机。

二冲程航空活塞发动机工作时，机油从连通曲轴箱的光孔3流入油泵安装座1内，油泵驱动机构搅动油雾，使机油对凸轮滚轮6与凸轮滚轮销5、摆臂20与摆臂支架销轴8、挺柱滚轮18与挺柱滚轮销19、单体凸轮21与凸轮滚轮6、挺柱端面17与挺柱滚轮18之间的配合面进行润滑，再从连通曲轴箱的光孔3流回曲轴箱，该润滑油路结构十分简单，加工工艺性好，油压损失小，确保了润滑油的充分利用，使发动机机油泵功率不作大幅额外增加。

二冲程航空活塞发动机工作时，曲轴延长轴22将动力通过凸轮周向限位键4传递到凸轮滚轮6，凸轮滚轮6通过凸轮滚轮销5传递给摆臂20，摆臂将力传递给挺柱滚轮销5，挺柱滚轮销5将力传递给挺柱滚轮8，挺柱滚轮8推动挺柱17平端面做往复运动，挺柱17推动柱塞35在柱塞套36内将燃油加压，实现单体泵的泵油功能，然后高压燃油通过37出油阀并从出油阀压紧螺母13中心孔流向高压油管，从高压油管输送到喷油器，从喷油器喷孔喷入缸内雾化燃烧。

摆臂20与凸轮滚轮销5及挺柱滚轮销19采用焊接的连接方式，凸轮滚轮6与凸轮21是线接触，挺柱滚轮18与挺柱17端面是线接触，挺柱17靠泵体14上的挺柱限位销10限制挺柱的圆周转动，整个油泵安装座内零部件的润滑方式均采用来自连通曲轴箱的光孔3的机油油雾来进行润滑。

由于二冲程航空活塞发动机的转速与凸轮轴的转速一致，因此使用曲轴的延长轴作为凸轮轴，设计了单体凸轮并过盈安装在曲轴延长轴上，以驱动摆臂机构进而驱动高压燃油泵；通过合适的凸轮型线可使凸轮与高压油泵挺柱之间的接触应力大幅度降低，采用摆臂机构降低了挺柱滚轮18的线速度，降低了挺柱滚轮18与挺柱17的磨损程度，使喷油计量更加准确，燃油供给系统寿命更长。

如附图2所示，摆臂机构的长度尺寸与负碳燃料的属性有关。当燃烧不同的负碳燃料或者负碳燃料与柴油的混合物时，可以改变凸轮滚轮销5与摆臂支架销轴8之间的凸轮滚轮力臂23和摆臂支架销轴8与挺柱滚轮销19之间的挺柱滚轮力臂25的夹角a，即改变两滚轮销轴距24来进行不同的负碳燃料粘度补偿和压力补偿。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。