双作用活塞发动机主要零部件的开发与完善

双作用发动机的研制如同低功率单向工作发动机，采用了同步功率导出轴装置引出驱动曲柄功率的曲柄-等距固接双连杆机构结构方案。

在开发合适的发动机气缸体结构时，研究了3种主轴颈与曲柄销组合的曲轴：双主轴颈-双曲柄销曲轴[图107（a）]，类似于先前测试的低功率发动机的曲轴结构；双主轴颈-四曲柄销曲轴[图107（b）]和三主轴颈-四曲柄销曲轴[图107（c）]。

图107　具有不同主轴颈数目的曲轴组合

（a）双主轴颈-双曲柄销曲轴；（b）双主轴颈-四曲柄销曲轴；（c）三主轴颈-四曲柄销曲轴

比较设计和动力学估计表明，双主轴颈-四曲柄销曲轴机构具有特别紧凑的结构，但是该结构的设计负载在曲轴和机构运动副上分布不好。图108所示是3种类型的曲轴在燃气对活塞的压力、运动质量的惯性力相等的条件下，活塞连接杆滑块作用于导轨上的压力随中央驱动曲柄转角的变化曲线。

图108　各种曲轴发动机的滑块作用在导轨上的压力

1—双主轴颈-双曲柄销曲轴；2—双主轴颈-四曲柄销曲轴；3—三主轴颈-四曲柄销曲轴

由图108可知，在三主轴颈-四曲柄销曲轴和该机构的运动副上的负载最小，如图107（a）和（b）所示。

与四曲柄销曲轴[图107（b）和（c）]相比，双曲柄销曲轴的设计更为复杂，机构更为笨重，而且负载施加在中间过渡位置。

如果曲轴是绝对刚性的，机构部件上的负载将是相同的[图107（a）和（c）]。

鉴于发动机受力构件承受较小负载是获得减少摩擦磨损，提高经济性、可靠性，延长发动机使用寿命的先决条件，对大功率发动机OM-127、OM-127PH、M-127和M-127K采用曲柄-等距固接双连杆机构是一个决定性的条件，代表性的方案如图107（c）所示。

使用曲柄-等距固接双连杆机构单元ACB（见图1），三段式布局的大功率曲柄-等距固接双连杆机构发动机M-127K的曲轴确定为三主轴颈-四曲柄销曲轴，3条曲轴的平面互成120°布置，动力从7个中间驱动曲柄的齿轮输出（图77和图89），OM-127PH发动机的8个气缸为X形布置，发动机M-127K的承力机构是一个由3个部分组成的机构（图60和图87）。

OM-127PH发动机上应用的机构中，导轨反作用力Xi随中央驱动曲柄[曲柄见图107（a）和（b）]旋转角度α的变化关系如图109所示；双作用发动机OM-127PH和M-127K中使用三主轴颈-四曲柄销曲轴[见图107（c）]，发动机导轨反作用力变化见第六章。

图109　双主轴颈曲轴发动机导轨上的反作用力随中心驱动曲柄旋转角度的变化关系

（a）双曲柄曲轴；（b）四曲柄曲轴

曲柄-等距固接双连杆机构要完成的下一个设计任务是创建互相连接的整个曲轴和一体式活塞连接杆。

现有发动机的曲柄连杆机构所采用的，要么是整体曲轴和与可拆卸的连杆，要么是整体连杆与可分解的曲轴。

第一台曲柄-等距固接双连杆机构发动机MБ-4功率低，人们研制中设计曲柄-等距固接双连杆机构的经验不足，只好根据传统曲柄连杆发动机的范例，设计整体的曲轴和可拆装的活塞连接杆。

在后续的研制过程中，人们研制了双作用曲柄-等距固接双连杆机构发动机的整体曲轴和整体的活塞连接杆，可以缩短曲轴主轴颈到连接杆轴颈的距离，这个距离等于活塞行程的1/4。该活塞连接杆轴孔内的轴瓦设计为一对带倾斜面对接的厚壁轴瓦，其轴瓦的对接结合面与轴的夹角为30′±10″，而不是通常的对接面与轴平行。

采用整体曲轴与整体活塞连接杆结构不仅可以简化结构和减少其加工量，而且还可以减小质量，最重要的是可以提高工作的可靠性和耐用性。

随着设计经验的积累，曲柄-等距固接双连杆机构发动机活塞连接杆的设计进化发展过程如图110所示。

图110　曲柄-等距固接双连杆机构发动机活塞连接杆的设计进化发展过程

（a）OMB和MБ-4系列的；（b）OM-127PH的；（c）M-127K的
I—不进入燃烧室的部分；II—进入燃烧室的部分

OMБ和MБ-4发动机活塞连接杆[图110（a）]的设计在很大程度上反映了飞机发动机传统曲柄连杆机构的设计和制造经验。这些连接杆内嵌轴承，具有相对复杂的结构形式，通过铣削和随后的抛光得以实现。

滑块的盖板与活塞连接杆做成一个整体是没有好处的，因为活塞连接杆的位置取决于活塞连接杆轴承在曲轴中的位置，滑块的盖板不总是能够与自己的导轨同轴，因此将导致工作异常。

后来的曲柄-等距固接双连杆机构发动机OM-127和M-127使用了整体式活塞连接杆结构，更简单，更轻巧，受力也更分散[图110（b）和（c）]。

这些活塞连接杆的盖板是分开制造的，在工作位置，它们可以相对于活塞连接杆的轴线自由横向移动和偏斜。这种活塞连接杆轴承安装较宽松，成对安装后能与曲柄销正常工作。滑块的盖板能自动对准其导轨方向，从而保障其工作在正常的状态下。

在图110（b）所示为OM-127PH发动机上使用的活塞连接杆，其缸径为155 mm，活塞行程为146 mm。最初，在该发动机上的活塞连接杆具有凹槽，用于安装传统的可松开的密封环。

该活塞连接杆最严重的设计缺点是采用可往外张开的密封环密封往复运动中的杆身设计，这种设计使活塞连接杆的长度、质量显著增加，因此使发动机的尺寸和质量也增加，而且活塞连接杆中的沟槽降低了活塞连接杆的强度和纵向弯曲强度，特别是在用于放密封环的沟槽处最为危险。因此，在使用这种密封方式期间，人们对活塞连接杆密封连续开展了更合理的设计和技术研究。

后来，带有O形环凹槽的活塞连接杆被替换为杆身光滑且更简单轻巧的活塞连接杆。为了密封光滑钢杆，在密封气缸的衬套内安装了可压缩的密封环。OM-127PH发动机使用的两种密封装置如图111所示。

图111　缸内双作用曲柄-等距固接双连杆机构发动机活塞连接杆的密封件

（a）带可扩张活塞环；（b）带可压缩密封环

两种类型的密封装置在MБ-1型单缸机、OM-127发动机和OM-127PH发动机上长期试验，在压差为150～180 kg/cm2的情况下，不允许燃气从下燃烧室的气缸泄漏，结果表明可压缩密封环可以保证活塞连接杆的可靠密封。在OM-127PH发动机的长期测试中，当气体泄漏到曲轴箱时，没有出现润滑油变质的情况。

带有可压缩密封环的活塞连接杆密封装置大大缩小了发动机的尺寸，允许使用更短、更轻的光杆。然而，为了获得在长期使用甚至拆装过程中都不必更换密封装置的效果，这种密封需要一个漫长的工艺处理过程，必须要试出压力随密封环圆周变化的图线。

在图110（c）所示是用于曲柄-等距固接双连杆机构飞机发动机M-127K的活塞连接杆，其缸径为160 mm，活塞行程为170 mm。

图112所示为改进曲柄-等距固接双连杆机构发动机OM-127曲轴结构设计的主要历程。

图112　改进曲柄-等距固接双连杆机构发动机OM-127曲轴结构设计的主要历程

（a）OM-127发动机的第一段；（b）一段的后续修改；（c）OM-127发动机曲轴的最后方案

按照一定的顺序把装配成整体的活塞连接杆组与整体曲轴装配。图113（a）所示为没有插入活塞连接杆轴瓦时，活塞连接杆装入曲柄销的情况。图113（b）所示为活塞连接杆装入曲柄销后，适合安装一片轴瓦时的曲柄销与活塞连接杆的相对位置。

稍上移活塞连接杆，减小活塞连接杆与曲柄销下边的间隙，将一片轴瓦沿活塞连接杆与曲柄销上部的间隙装入轴瓦，轴瓦推进到轴颈的定位凸沿为止[图113（b）]。

在此之后，活塞连接杆和轴瓦一起沿曲轴曲柄销旋转180°到图113（d）所示的位置。在活塞连接杆和曲轴销的间隙中，装入第二块轴瓦，如图113（e）所示，并与第一块轴瓦对接。

此外，用专用工具将轴瓦压到轴颈上的定位凸边，同时，斜面自动对接设计确保了在轴瓦与曲柄销轴颈的间隙要求。

为了保持轴瓦在轴孔中的位置，并使两块轴瓦贴在一起，在对应的轴颈位置安装了片状的定位销[图113（f）]。

图113　活塞连接杆在OM-127PH发动机曲轴上的组装顺序

活塞连接杆孔可以用活塞连接杆厚壁滚柱轴承代替，机械效率高达0.94，在OM-127PH发动机中用滑动轴承制成。

创建曲柄-等距固接双连杆机构发动机，需要试验调整确定中央驱动曲柄内曲轴主轴颈轴承的形式和间隙尺寸、运动副实际的间隙数据，以及所有元件的弹性变形量。起初，曲柄-等距固接双连杆机构各构件的调试试验在一个专门的OM-127发动机上完成，如图114和图115所示。调试对象还包括气缸排结构、气缸排的工作过程、润滑系统、冷却系统的导热等。

OM-127PH发动机的试验在带有可变螺距螺旋桨的台架上进行。在OM-127PH发动机上，对最大负荷工况下的所有装置和辅助系统进行了最终精确调试（见图55和图56）。

OM-127PH发动机曲轴主轴颈轴承工作表面轮廓及尺寸如图116所示。这是试验测试得出的表面轮廓及尺寸数据。

此外，人们还调试试验了活塞连接杆轴承和滑块盖板的轮廓尺寸和间隙，以及轴承和盖板摩擦表面的铅层厚度。在精调试验之后，经发动机的长期运行，轴承和盖板的整个表面上完整地保留了厚度为0.005 mm的铅层。

表11给出了确保曲柄-等距固接双连杆机构发动机的主要共轭零件正常工作的间隙值。

对于OM-127PH和M-127K发动机，人们开发了双作用紧凑型的缸体设计，其缸径分别为155 mm和160 mm，活塞行程分别为146 mm和170 mm。

图114　气缸自然进气、无减速器的八缸发动机部分（M-127-01）(www.xing528.com)

图115　带有一个外部增压器和一个螺旋桨减速器的八缸发动机部分（OM-127-02）

起初，双作用曲柄-等距固接双连杆机构发动机是用化油器将燃料供到气缸中的。

第一个将燃料用化油器供给到气缸的设计如图117所示。

这些气缸的调试是在OMБ-3型单缸机上完成的，气缸有两个化油器，分别向上部和下部燃烧室供油。化油器的空气由固定式压缩机供应。

图116　OM-127PH发动机主轴颈轴承工作表面轮廓及尺寸

（a）端部中央主轴颈的轴承；（b）中间的中央主轴颈轴承

当调整气缸和化油器燃料供给时，出现了问题。当升功率达到最大的75.6 kW/L时，不能保证获得M-127发动机预定的参数，因此人们研制了新的气缸结构，汽油通过与柴油机类似的喷油器直接喷入燃烧室。

人们在MБ-1型单缸机上开发了一种直接喷射燃料的新型气缸。

人们在OM-127发动机和OM-127PH发动机上进行了两缸排直喷发动机的开发。在研究3种气缸结构方案和双作用直接喷射气缸排的过程中，获得了预定的参数（图118）。上、下两个气缸盖上都有4个气门，设计的配气机构运动方案上、下各不相同。

从图118中可以看出，随着设计经验和试验经验的积累，为OM-127PH和M-127K发动机开发的双作用气缸设计得到了改进。

第一种设计的气缸体[图118（a）]用于八缸OM-127PH发动机，功率为2 352 kW。配气机构的凸轮轴布置在气缸排中部的侧面上，即中置凸轮轴方案。

从凸轮到气门的运动依次通过推杆、挺柱和摇臂传递（见图63）。

图117　化油器供油的双作用气缸

图118　燃油直喷的双作用发动机气缸

（a）OM-127PH；（b）M-127；（c）M-127K

该配气机构运动系统复杂，运动零部件多，挺杆和摇臂之间的距离远。这主要限制了OM-127PH发动机的高速性能，不能在转速2 800 r/min以上强化发动机。

在设计转速n=2 650 r/min、增压压力高达2 100 mmHg的条件下，OM-127PH发动机气缸和气缸缸体工作可靠，并且在所有工况下能够满足OM-127PH发动机要求的参数。

OM-127PH发动机的主要数据在第2章中已给出。

在第二种变型[图118（b）]的气缸中，使用了比第一种方案更简单的配气机构，零部件更少，动力学性能更好。但是这样的设计也有缺点：上、下燃烧室机构不同，上、下凸轮轴不对称，使其气门驱动机构显得复杂。

由于下部凸轮轴安装在气门的外部，下燃烧室组织冷却复杂，增加了气缸排基部的宽度，不便在小外廓尺寸的机壳上布置这样的气缸排。因此，人们在这些气缸的开发过程中，继续寻找新的气缸设计，获得第三个变型结构，如图118（c）所示。

这种设计更紧凑，上、下燃烧室能够实现可靠的液体冷却，不受其他限制；上、下部气缸盖具有相同且对称布置的气门机构，驱动结构简单，动力性好。

该气缸成功通过了调整测试，并用于开发六缸、功率达7 350 kW的曲柄-等距固接双连杆机构航空发动机M-127K。M-127K发动机所采用的气缸体最终设计的横剖面如图119所示。

图119　为M-127K发动机设计的气缸体的横剖面

双作用的气缸采用了新的方法连接固定活塞与活塞连接杆，加工的活塞结构可强制润滑油的流动，冷却活塞及相关零件。在高的热负荷与机械负荷（25～30 t）下保证高的可靠性，而活塞连接杆部分的截面面积不超过8～10 cm2。

用润滑油作介质的冷却系统在发动机所有运行工况下自动保持活塞和活塞连接杆的最佳温度，并允许曲柄-等距固接双连杆机构发动机可进一步强化。

活塞的设计富有远见，结构简单而且工作可靠，自动定量供油系统将润滑油供给到双作用气缸壁和活塞环，保证发动机在所有工况下需要的机油流量，使发动机的工作无烟，磨损最小，活塞环工作可靠。

图120展示了活塞与活塞连接杆安装一体后装在发动机中的情况，与传统曲柄连杆十字头式发动机中的情况作了比较。当高温时，活塞连接杆危险截面F不受初始预紧力及其产生的应力的影响。气体的压力也不会被活塞内特殊的衬套感受到，而是作用在活塞连接杆的末端，这可使活塞连接杆的直径大大减小。

图120　双作用发动机的活塞与活塞连接杆紧固方案：

（a）在曲柄-等距固接双连杆机构发动机中；（b）在采用曲柄连杆机构的蒸汽机和内燃机中

图121显示了铝制活塞的设计，其中冷却油在闭合回路中强制循环，并且自动计量供给活塞环和气缸壁的润滑油。

用于冷却活塞的润滑油通过活塞连接杆的中心管进入活塞，并通过中心管与活塞连接杆壁之间的中间螺杆空腔返回。部分润滑油连续流过计量环凹槽之间的表面间隙以润滑气缸。

计量环由比活塞线性膨胀系数更小的材料制成。当发动机工况改变、转数或循环温度变化时，供给的润滑油量会自动改变。例如，当循环温度升高时，适当增加间隙，循环油流量增加；当转速升高时，机油泵出口的压力升高，活塞连接杆中心输油管中的存油柱的惯性力也增加，计量环的油腔内润滑油压力升高，使润滑油流量增加。当速度或循环温度降低时，润滑油的供油量会相应地减少。

图121　曲柄-等距固接双连杆机构发动机中的铝制活塞

计量装置确保发动机在所有工况下活塞环和气缸壁的可靠润滑。

图122显示了一种设计的钢制活塞，与图121所示的铝活塞相比，它具有更少的零件、更小的质量和更高的可靠性。

图122　OM-127PH发动机的钢制活塞