CN106285832B - 一种用于航空重油活塞发动机的曲轴箱压力自平衡系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种用于航空重油活塞发动机的曲轴箱压力自平衡系统，能够实现其内部气压自平衡。曲轴箱内压力是脉动的，随着活塞上行、下行而相应减小、增大。自平衡是指曲轴箱能够根据内部压力的变化，在压力减小时通过前置进气机械合件、曲轴箱进气口合件进行补气，使曲轴箱能够根据腔内外压差的变化自动补气或排气，即在内腔压力减小时自动补气，内腔压力增大时自动排气，以此达到曲轴箱内压力自平衡的目的。本发明的优点为：曲轴箱可根据其腔内外压力差自动调节进、排气量，无需设置传感器且不需要人工干预，自动实现曲轴箱内外腔压力的平衡，保证发动机运动件平稳工作。

Description

一种用于航空重油活塞发动机的曲轴箱压力自平衡系统
技术领域
本发明涉及航空重油活塞发动机技术领域，特别涉及到一种用于航空重油活塞发动机的曲轴箱压力自平衡系统。
背景技术
近年来，随着发动机产业的不断发展，市场对低油耗、高输出功率的涡轮增压发动机的需求越来越大。而增压发动机在低速、小负荷工作状态时进气道内的真空度很大，造成曲轴箱内外腔的压力不平衡，曲轴箱内机油会被吸入进气歧管稳压腔沉积，从而导致机油的无效损耗。同时，进入曲轴箱的废气会使机油变质、机体腐蚀。如果将废气直接排入大气，必然导致高油耗、高污染排放。显然，现有增压发动机在低速、小负荷(或增压器未工作)工作状态时存在着曲轴箱内机油会被吸入进气歧管稳压腔沉积，废气进入曲轴箱等问题。
此外，活塞由下止点运动到上止点过程中，曲轴箱内腔压力逐渐降低，活塞由下止点运动到上止点过程中，曲轴箱内腔压力逐渐升高，曲轴箱内腔压力过低或者过高会对活塞产生反作用力，使发动机损失有效功。因此，有必要降低曲轴箱内外腔压差，保证发动机运动件平稳工作。
综上所述，需要为重油活塞发动机曲轴箱设计一种压力自平衡系统，使曲轴箱能够根据腔内外压差的变化自动补气或排气，即在内腔压力减小时自动补气，内腔压力增大时自动排气，以此达到曲轴箱内压力自平衡的目的。
现有的曲轴箱虽然达不到压力自平衡的程度，但均设有通气装置，目前基本采用两种方式：直接从曲轴箱通气和通过气缸头通气。这两种方式的通气孔的关闭基本采用薄片结构，即在通气孔的顶端设置薄片结构覆盖在通气孔上，不管曲轴箱压力变化多大，薄片的开启面积基本一样，其开启面积不随曲轴箱的压力变化而变化。发动机高速运转时会产生大量雾状机油，雾状机油会随着气流经过薄片处流出曲轴箱，增加机油的消耗量；如果排出的含油气体直接进入大气，势必污染了环境，使发动机排放超出了相关标准；如果排出的含油气体进入气缸燃烧，由于机油不能完全燃烧，大量的机油或者机油不完全燃烧的产物仍然进入大气中，同样污染了环境。此外，很多汽油发动机采用软管直接将曲轴箱内腔和大气连通，虽然在一定程度上可以降低曲轴箱内外腔压差，但对进排气量、进排气速度均无法控制，且无法实现油气的分离。
另外，曲轴箱的密封性、进排气口气体流向的单一性以及排气口的油气分离均为曲轴箱压力自平衡系统的关键要素。
发明内容
针对上述需求，发明了提出一种用于航空重油活塞发动机的曲轴箱压力自平衡系统，可使曲轴箱根据腔内外压力差自动补气或排气，无需设置传感器，不需要人工干预，实现曲轴箱内外腔压力的自平衡，且对排出的油气混合气实现油气自动分离，机油可自动返回曲轴箱内腔；具有结构紧凑、工作稳定可靠、环保等优点。
本发明用于航空重油活塞发动机的曲轴箱压力自平衡系统，在装有机械增压器与涡轮增压器的传统发动机气体循环路径基础上，增加了曲轴箱进气系统和曲轴箱排气系统；曲轴箱进气系统与曲轴箱排气系统，以曲轴箱为装配基体。
所述曲轴箱进气系统与曲轴箱排气系统分别安装于曲轴箱上的进气口与出气口处，根据曲轴箱内外压力差自动调节进、排气量，实现曲轴箱内外腔压力的平衡；且曲轴箱排气系统在排气前，还利用油、气密度的不同对油气混合气进行油气分离，使分离后的油液经回油孔流回曲轴箱。
上述曲轴箱进气系统具有曲轴箱进气口合件，通过曲轴箱进行口合件在曲轴箱进气口处固定滤网，过滤进入曲轴箱内腔的气体。曲轴箱进气系统与曲轴箱排气系统对进排、气量的自动调节，通过阀片与阀片限位板实现；阀片通过安装板设置于曲轴箱进气口与出气口处，通过打开和闭合阀片，实现安装板上的开口的打开与封闭；阀片的打开程度由安装板上安装的阀片限位板限制。
上述曲轴箱排气系统对油气混合气进行油气分离通过油气分离合件实现。油气分离合件安装于曲轴箱排气座孔内，包括油气分离器叶轮轴、油气分离盖板、油气分离外罩与叶片。其中，油气分离器叶轮轴为空心轴，与曲轴箱内部连通；油气分离器叶轮轴顶端端部周向安装有叶片，叶片的顶边与油气分离器盖板固定；并由油气分离外罩罩住叶片；通过叶片将油液甩出。油气分离外罩侧壁周向上设计有槽孔，用于油液流出；且顶端开有六角形孔，用于排出气体。
本发明的优点在于：
1、本发明曲轴箱压力自平衡系统，使曲轴箱可根据曲轴箱内外压力差自动调节进、排气量，无需设置传感器且不需要人工干预，自动实现曲轴箱内外腔压力的平衡，保证发动机运动件平稳工作。
2、本发明曲轴箱压力自平衡系统中，曲轴箱进、出气系统均采用了阀片及阀片限位板，阀片限位板截面曲线的设计充分考虑了进排气量、进排气速度和曲轴箱腔内外压力差变化之间的关系，分别与前置进气板、出气接头配合实现了气体的单向流动并对阀片的最大开度进行了限位；
3、本发明曲轴箱压力自平衡系统中，曲轴箱进气系统中加入了进气滤网，可过滤掉吸入曲轴箱内空气中的微粒杂质，提高进气质量，增加发动机使用寿命。
4、本发明曲轴箱压力自平衡系统中，曲轴箱出气系统中设计有油气分离合件，在将气体排出曲轴箱之前利用油、气密度的不同对油气混合气进行油气分离，油沿着油气分离器叶轮轴导叶的间隙被甩出，依次经过油气分离器外罩周向槽孔和曲轴箱油孔流回曲轴箱；气沿着油气分离器叶轮轴导叶的间隙被甩出后经油气分离器外罩上部的六角形孔排出，进入曲轴箱出气口合件直至排出曲轴箱。
5、本发明曲轴箱压力自平衡系统中，从曲轴箱排出的高压气体可通过三通管与涡轮增压后的高压空气一并引入机械增压器进行二次增压后进人发动机燃烧室，有效提高了高压空气的利用率。
附图说明
图1为本发明曲轴箱压力自平衡系统的气体循环示意图；
图2为本发明曲轴箱压力自平衡系统中曲轴箱进气系统结构示意图；
图3为本发明曲轴箱压力自平衡系统中曲轴箱排气系统结构示意图；
图4为曲轴箱进气系统中曲轴箱进气口合件结构示意图；
图5为曲轴箱进气系统中前置进气机械合件结构示意图；
图6为曲轴箱排气系统中油气分离合件结构示意图；
图7为曲轴箱排气系统中回油孔开设位置示意；
图8为曲轴箱进气系统中气体走向示意图；
图9为曲轴箱排气系统中气体走向示意图。
图中：
1-曲轴箱进气系统 2-曲轴箱排气系统 3-曲轴箱
4-机械增压器 5-涡轮增压器 101-曲轴箱进气口合件
102-前置进气机械合件 201-油气分离合件 202-曲轴箱出气口合件
101a-曲轴箱进气口接头 101b-曲轴箱进气盖板 101c-进气滤网
101d-六角头螺栓 102a-前置进气板 102b-进气阀片
102c-进气阀片限位板 102d-定位圆柱销 102e-定位弹簧
102f-进气口 201a-油气分离器叶轮轴 201b-油气分离盖板
201c-油气分离外罩 201d-叶片 201e-槽孔
201f-回油孔 201g-六角形孔 201h-O型橡胶密封圈
301-曲轴箱进气凸台 302-曲轴箱座孔 303-进气通道
304-曲轴箱排气端座孔 305-曲轴箱出气口凸台 306-排气通道
具体实施方式
下面将结合附图对本发明作进一步的详细说明。
本发明用于航空重油活塞发动机的曲轴箱压力自平衡系统，在装有机械增压器4与涡轮增压器5的传统发动机气体循环路径基础上，增加了曲轴箱进气系统1和曲轴箱排气系统2,如图1所示。曲轴箱进气系统1与曲轴箱排气系统2，以曲轴箱3为装配基体，其中，曲轴箱进气系统1包括曲轴箱进气口合件101与前置进气机械合件102,如图2所示；曲轴箱排气系统2包括油气分离合件201、曲轴箱出气口合件202,如图3所示。
曲轴箱进气系统1中，曲轴箱进气口合件101包括曲轴箱进气口接头101a、曲轴箱进气盖板101b与进气滤网101c,如图4所示；其中，曲轴箱进气口接头101a为圆角矩形环结构，内外两侧设计有矩形内止口与外止口，曲轴箱进气口接头101a通过内止口与曲轴箱3进气端处设计的曲轴箱进气凸台301配合定位；通过外止口与曲轴箱进气盖板101b配合定位，且外止口端面与曲轴箱进气盖板101b之间夹有进气滤网101c；上述曲轴箱进气口接头101a、曲轴箱进气盖板101b的对侧对应位置设计有通孔，通过六角头螺栓101d穿过通孔后，将曲轴箱进气口接头101a、曲轴箱进气盖板101b与曲轴箱3三者间固定，如图2所示。由此通过进气滤网101c可滤掉吸入曲轴箱内空气中的微粒杂质，提高进气质量，增加发动机使用寿命。
前置进气机械合件102包括前置进气板102a、进气阀片102b、进气阀片限位板102c、定位圆柱销102d与定位弹簧102e,如图5所示。其中，前置进气板102a为矩形结构，表面上开有两列左右对称的进气口102f，每列进气口102f为两个。前置进气板102a的下表面，位于每列进气口102f处，设置有1个进气阀片102b与1个进气阀片限位板102c；且保证进气阀片102b可覆盖每列两个进气口102f。上述进气阀片102b位于进气阀片限位板102c与进气口102f之间，同时，设计进气阀片限位板102c为前后两端翘起的弧形板。上述进气阀片102b与进气阀片限位板102c通过螺钉螺母固定在前置进气板102a上，且固定位置位于每列两个进气口102f之间。前置进气板102a上表面周向均设有4个沉头孔，分别用来安装4个定位圆柱销102d，每个定位圆柱销102d上套有定位弹簧102e，定位弹簧102e的轴向尺寸大于定位圆柱销102d略长。
上述前置进气机械合件102安装在曲轴箱3进气端处设计的曲轴箱进气端座孔302内，如图2所示，该曲轴箱进气端座孔302与曲轴箱3内腔间通过3行5列总计15个通孔连通，且通过在曲轴箱3上设计的进气通道303与曲轴箱进气口合件101的进气滤网101c连通。前置进气板102a周向上与曲轴箱进气端孔座302内壁周向上设计的环形台肩配合定位，使定位圆柱销102d朝向曲轴箱3外侧，并通过曲轴箱3进气端平台上固定安装的机械增压器4下端面压住定位弹簧102e，使定位弹簧102e产生预紧力，进而将前置进气板102a压紧定位于曲轴箱进气端座孔302内，保证前置进气板102a不松动，提高了曲轴箱3内腔的密封性，如图8所示。
上述前置进气机械合件102中，进气阀片102b可根据曲轴箱3内外气压的压差而变形，实现进气功能；且保证了气体在前置进气机械合件102处的单向流动，即保证气体只进不出，同时避免曲轴箱3向外漏气。前置进气板102a与进气阀片限位板102c限定了进气阀片102b的两个极限位置；且通过对前置进气机械合件102中的进气阀片限位板102c的曲面设计充分考虑进气量、进气速度与曲轴箱3内腔压力变化之间的关系，当外界压力大于曲轴箱3内腔压力时，进气阀片102b处于张开状态，打开进气口102f；此时外部空气可通过前置进气板102a与进气阀片102b之间的间隙，进一步由进气口102f进入曲轴箱3内腔，使曲轴箱3内腔压力迅速升高；且当进气阀片102b与进气阀片限位板102c贴合时，进气阀片102b开度最大；当曲轴箱3内腔压力不小于外界压力时，进气阀片102b与前置进气板102a贴合，进气阀片102b处于闭合状态，进气口102f封闭。由此，当曲轴箱3内的活塞由下止点向上止点运动过程中，曲轴箱3内腔容积增大压力逐渐降低，当曲轴箱3内腔压力小于外界大气压时，进气阀片102b张开，新鲜空气通过曲轴箱进气口合件101中的进气滤网101c过滤后，经进气通道303进入曲轴箱进气端座孔302内，如图8所示，随后经进气阀片102b上的进气口102f进入曲轴箱3内腔，使曲轴箱3内腔压力升高，曲轴箱3内外压差降低，保证发动机运动件工作平稳，最大程度降低做功损失。
如图6所示，曲轴箱排气系统2中，油气分离合件201包括油气分离器叶轮轴201a、油气分离盖板201b、油气分离外罩201c与叶片201d，如图6所示。其中，油气分离器叶轮轴201a为空心轴，顶端端部周向等间隔安装有叶片201d，叶片201d的顶边与油气分离器盖板201b固定焊接。油气分离外罩201c安装在油气分离器叶轮轴201a顶端，罩住叶片201d，通过油气分离器叶轮轴201a中部外壁的止口定位并焊接成一体。油气分离外罩201c侧壁周向上设计有槽孔201e；且顶端开有六角形孔201g，用于油气分离合件201的安装操作，以及用于气体的排出。上述油气分离合件201通过油气分离器叶轮轴201a底端设计的外螺纹结构旋入曲轴箱3排气端处设计的曲轴箱排气端座孔304底面开设的螺纹孔内，使油气分离叶轮轴201a内部空心部分与曲轴箱3内腔连通，并通过油气分离器叶轮轴201a下部侧壁上设计的环槽内安装的O型橡胶密封圈201g实现密封，如图3所示。同时在曲轴箱排气座孔304底面周向均匀开设有回油孔201f，用于于分离后的油回到曲轴箱3内腔，如图7所示。由此，曲轴箱3内腔排出的油气混合气进入油气分离叶轮轴201a内，根据油、气密度的不同对油气混合气实施油气分离，油气分离过程中，油液沿着油气分离器叶轮轴201a顶部叶片201d导叶的间隙被甩出，依次经过油气分离器外罩201c周向槽孔排出，并沿油气分离外罩201c外壁滑落至曲轴箱排气端座孔304底面上，通过将曲轴箱排气端座孔304底面设计为具有朝向各个回油孔201f倾斜的坡度，因此使油液流向各个回油孔201f，最终经各个回油孔201f流回曲轴箱3内腔。油气分离过程中，气体沿着201d的间隙被甩出后经油气分离器外罩201c顶部的六角形孔201g排出；由于曲轴箱出气口合件201上部安装有机械增压器4，使曲轴箱排气端座孔304内形成一个封闭的空间；因此气体最终经曲轴箱3上开设的排气通道306，进入曲轴箱出气口合件202，如图9所示。
所述曲轴箱出气口合件202与前置进气机械合件102类似，包括曲轴箱出气口接头202a、出气阀片202b、出气阀片限位板202c与曲轴箱出气管202d，如图3所示。其中，曲轴箱出气口接头202a为圆角矩形环结构，内外两侧设计有矩形内止口与外止口。曲轴箱出气口接头202a通过内止口与曲轴箱3出气口处设计的曲轴箱出气口凸台305配合定位；通过外止口与曲轴箱出气管202d定位并固定。上述曲轴箱出气口接头202a表面开有三个出气口，则采用三个出气阀片202b，分别对应一个出气口；同时通过出气阀片限位板202c对三个出气阀片202b进行限位。上述出气阀片限位板202c为弧形板，与三个出气阀片202b共同设置于曲轴箱出气口接头202a与曲轴箱出气口法兰202d之间，通过3组内六角圆柱头螺栓和六角螺母锁紧在曲轴箱出气口接头202a上。曲轴箱出气口接头202a和曲轴箱出气口法兰202d通过2个六角头螺栓锁紧在曲轴箱出气口凸台305上。由此，三个出气阀片202b可根据曲轴箱内外气压的压差而变形(打开或闭合)，实现三个出气口的开启与封闭，保证了气体在曲轴箱出气口合件202处的单向流动，即保证气体只出不进，同时避免外部空气进入曲轴箱3。通过曲轴箱出气口接头202a与出气阀片限位板202c限定了三个出气阀片202b的两个极限位置。当外界压力小于曲轴箱3内腔压力时，三个出气阀片202b处于张开状态，且三个出气阀片202b与出气阀片限位板202c贴合时，三个出气阀片202b开度最大；当外界压力不小于曲轴箱3内腔压力时，三个出气阀片202b与曲轴箱出气口接头202a贴合，三个出气阀片202b处于闭合状态。由此，当曲轴箱3内的活塞由上止点向下止点运动过程中，曲轴箱3内腔容积减小，压力逐渐升高，当曲轴箱3内腔压力大于外界大气压时，三个出气阀片202b被顶开，新鲜空气通过油气分离合件201进行油气分离后，由曲轴箱出气口合件202排出曲轴箱3内腔，使曲轴箱3内腔压力降低，曲轴箱3内外腔压差降低，保证发动机运动件工作平稳，最大程度降低做功损失。从曲轴箱3排出的高压气体可通过三通管与涡轮增压后的高压空气一并引入机械增压器进行二次增压后进人发动机燃烧室，有效提高了高压空气的利用率。
在曲轴箱3上安装本发明曲轴箱压力自平衡系统后，须对整个机体(整进行气密性检查，确保整个机体的其他位置无漏气现象。
与传统的曲轴箱通气系统不同，本发明曲轴箱压力自平衡系统，根据曲轴箱内外压力差自动调节进、排气量，无需设置传感器且不需要人工干预，自动实现曲轴箱内外腔压力的平衡，保证发动机运动件平稳工作，并及时向曲轴箱补充过滤后的新鲜空气，排出多余气体的同时滤出油气混合物中的机油，避免烧机油、高油耗及环境污染，最大限度的保证了航空活塞发动机工作的可靠性。

Claims (6)

1.一种用于航空重油活塞发动机的曲轴箱压力自平衡系统，其特征在于：在装有机械增压器与涡轮增压器的传统发动机气体循环路径基础上，增加了曲轴箱进气系统和曲轴箱排气系统；曲轴箱进气系统与曲轴箱排气系统，以曲轴箱为装配基体，曲轴箱进气系统与曲轴箱排气系统分别安装于曲轴箱上的进气口与出气口处，根据曲轴箱内外压力差自动调节进、排气量，实现曲轴箱内外腔压力的平衡；且曲轴箱排气系统在排气前，还利用油、气密度的不同对油气混合气进行油气分离，使分离后的油液经回油孔流回曲轴箱；
曲轴箱进气系统还具有前置进气机械合件，前置进气口合件安装于曲轴箱进气端处设计的曲轴箱进气端座孔内；曲轴箱进气端座结构为：曲轴箱进气端座孔与曲轴箱内腔连通，且通过在曲轴箱上设计的进气通道与曲轴箱进气口合件连通；
前置进气机械合件包括前置进气板、进气阀片、进气阀片限位板、定位圆柱销与定位弹簧；其中，前置进气板为矩形结构，表面上开有进气口；前置进气板的下表面，位于进气口处，设置有进气阀片与进气阀片限位板；进气阀片位于进气阀片限位板与进气口之间，同时，设计进气阀片限位板为前后两端翘起的弧形板；前置进气板上表面周向均设有定位圆柱销，定位圆柱销上套有定位弹簧；
上述前置进气板周向上与曲轴箱进气端孔座内壁周向上设计的环形台肩配合定位，使定位圆柱销朝向曲轴箱外侧，并通过曲轴箱进气端上固定安装的机械增压器下端面压住定位弹簧，使定位弹簧产生预紧力，进而将前置进气板压紧定位于曲轴箱进气端座孔内。
2.如权利要求1所述一种用于航空重油活塞发动机的曲轴箱压力自平衡系统，其特征在于：所述曲轴箱进气系统具有曲轴箱进气口合件，通过曲轴箱进行口合件在曲轴箱进气口处固定滤网，过滤进入曲轴箱内的气体。
3.如权利要求1所述一种用于航空重油活塞发动机的曲轴箱压力自平衡系统，其特征在于：曲轴箱进气系统与曲轴箱排气系统对进排、气量的自动调节，通过阀片与阀片限位板实现；阀片通过安装板设置于曲轴箱进气口与出气口处，通过打开和闭合阀片，实现安装板上的开口的打开与封闭；阀片的打开程度由安装板上安装的阀片限位板限制。
4.如权利要求1所述一种用于航空重油活塞发动机的曲轴箱压力自平衡系统，其特征在于：曲轴箱排气系统对油气混合气进行油气分离通过油气分离合件实现；油气分离合件安装于曲轴箱排气座孔内，包括油气分离器叶轮轴、油气分离盖板、油气分离外罩与叶片；其中，油气分离器叶轮轴为空心轴，与曲轴箱内部连通；油气分离器叶轮轴顶端端部周向安装有叶片，叶片的顶边与油气分离器盖板固定；并由油气分离外罩罩住叶片；通过叶片将油液甩出；油气分离外罩侧壁周向上设计有槽孔，用于油液流出；且顶端开有六角形孔，用于排出气体。
5.如权利要求4所述一种用于航空重油活塞发动机的曲轴箱压力自平衡系统，其特征在于：曲轴箱排气座孔底面周向均匀开设有回油孔，内将曲轴箱排气端座孔底面设计为具有朝向各个回油孔倾斜的坡度。
6.如权利要求1所述一种用于航空重油活塞发动机的曲轴箱压力自平衡系统，其特征在于：曲轴箱排气系统排出的气体与涡轮增压后的高压空气一并引入机械增压器进行二次增压后进人发动机燃烧室。
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