專利名稱：混合式內(nèi)燃機的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及內(nèi)燃機，特別是為產(chǎn)生持續(xù)大流量高壓射流而混合柴油引擎、氣輪機和噴射引擎這三種內(nèi)燃機的結(jié)構(gòu)特性所設(shè)計的混合式內(nèi)燃機。
柴油引擎是一種大功率、高效率的活塞式內(nèi)燃機。由于活塞是線性運動，須經(jīng)過曲輪軸轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)運動，故不適于作持續(xù)大流量壓縮氣流之用?；钊孢€有活塞與管壁之間的摩擦和熱膨脹問題，以及各沖程之間活塞反轉(zhuǎn)所造成的死點和不連續(xù)性的問題，這些都是活塞引擎的固有缺點。渦輪壓氣機或渦輪泵(泵是針對液體情況，為簡明起見，不論針對氣體或液體，皆統(tǒng)稱渦輪泵)適于滿足持續(xù)壓氣的目的，故一般噴射引擎均采用此種方式進行對空氣的預(yù)壓縮。但若要滿足本發(fā)明的持續(xù)大流量高壓射流的目的，由一般氣輪機或噴射引擎方式驅(qū)轉(zhuǎn)的渦輪泵不是很理想，因為它們沒有柴油引擎那么高的燃燒效率。柴油引擎失之在重量大，這是因為高壓爆燃需要強固的機體來承受，造成機體重量大。本發(fā)明的用途既是要產(chǎn)生高壓射流，所以耐高壓已是先決條件，故采用柴油引擎方式的高壓爆燃也就順理成章。
除了燃燒效率不同外，這兩種燃燒方式在驅(qū)轉(zhuǎn)氣輪機的原理上也不同。一般氣輪機或噴射引擎是燃燒空氣以增其熱能，然后轉(zhuǎn)為氣流的動能，氣流沖擊在輪葉上后將動能轉(zhuǎn)化為渦輪的旋轉(zhuǎn)能。對本發(fā)明所用高壓爆燃方式來說，推動渦輪輪葉旋轉(zhuǎn)的是燃燒室內(nèi)高壓氣體直接作用在輪葉上的面壓力。為本發(fā)明所要達到的持續(xù)大流量高壓射流的目的，本發(fā)明采取了柴油引擎的高壓爆燃優(yōu)點，但用氣輪機取代活塞，解決其線性運動的缺點，壓氣機則采取氣壓驅(qū)動的渦輪泵方式，取其持續(xù)加壓的特點。
以下結(jié)合附圖用實例對本發(fā)明進一步詳細說明。


圖1為本發(fā)明混合式內(nèi)燃機的單燃燒室基本結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為多個燃燒室的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2A為圖2所示燃燒室沿A-A線的剖視圖。
圖3為圖2所示燃燒室加氣輪機與渦輪泵的相對位置對調(diào)的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3A為圖3所示沿B-B線的剖視圖。
本發(fā)明的第一個實施例為單燃燒室基本結(jié)構(gòu)，如圖1所示。整個機體11采用圓筒形，開口端12定義為前端，封閉端13定義為后端，其上裝置有燃料供應(yīng)口14、助燃用空氣供應(yīng)口15和工質(zhì)用空氣供應(yīng)口16。聯(lián)接這些供應(yīng)口的輸送機械，如燃料泵、壓氣泵等，均未在圖中示出，因為它們均屬于現(xiàn)有工藝，識者都知道怎么裝置。本發(fā)明將助燃用空氣與工質(zhì)用空氣分開，這是有別于一般氣輪機或噴射引擎的一個特征，下文會詳加討論。
機體11內(nèi)裝置內(nèi)燃體17，在本基本結(jié)構(gòu)實施例，只含有一個燃燒室22。但在實用時，一般都會用多個燃燒室來組成，這是因為能耐高壓爆燃的材料做不成太大體積的燃燒室，所以當(dāng)需要大功率時，就要用多個燃燒室來實現(xiàn)，這與活塞引擎的情況是一樣的。
燃燒室22一般采用圓筒形室身21及后端半球形室頭，這是耐高壓結(jié)構(gòu)。燃燒室22內(nèi)的燃料進口23，助燃空氣進口24，燃料噴頭25，以及未示出的部件如打火裝置等，這些均屬于現(xiàn)有工藝，尤其是柴油引擎工藝。內(nèi)燃體17及其燃燒室22是與機體11同軸裝置，排氣端朝向前端12。一個氣輪機18緊密地裝置在內(nèi)燃體17前端，從而其最接近的輪葉構(gòu)成燃燒室22的前端室壁。一個渦輪泵19與氣輪機18共用主軸20而受氣輪機18之驅(qū)轉(zhuǎn)，從而對由供應(yīng)口16輸入的工質(zhì)進行加壓。
工質(zhì)可以是氣體或液體。本發(fā)明基本上針對氣體情況，故19應(yīng)稱為渦輪壓氣機，不過本說明書中一概統(tǒng)稱渦輪泵。所以稱其為工質(zhì)，首先是其即使為空氣時也不參與燃燒，故與助燃用的空氣有別。其次，其用途除可兼作降溫介質(zhì)外，主要是作為輸出工務(wù)的介質(zhì)。當(dāng)工質(zhì)為空氣時，本發(fā)明將其與助燃用空氣分開，不僅是因為兩個的用途不同，更重要的是因為高壓爆燃所需空氣量遠比工質(zhì)用空氣量為小，若不分開，就達不到高壓爆燃的效率。分開后，工質(zhì)用空氣因不參與燃燒，故化學(xué)成分未變而可循環(huán)使用。這種回收使用的可行性很重要，因為工質(zhì)作為高壓射流的輸出氣體時，其所需流量是很大的，若不用回收辦法，其供應(yīng)源是很難滿足。所以工質(zhì)與助燃用空氣分開是本發(fā)明的一個主要特征。分開后還有一個好處，即助燃用氣體不必一定用空氣，用純氧都可，這也是本發(fā)明的一個特征。
本發(fā)明混合式內(nèi)燃機在運轉(zhuǎn)時，燃料與高壓空氣不斷泵入燃燒室22，通過噴頭25在后端形成霧狀微粒26，以與也是從后端泵入的空氣作最好的混合，然后，在高壓高熱下自行爆燃，使燃燒室22內(nèi)充滿高壓氣體，其作用于作為前端室壁的氣輪機18的輪葉上時即將其推轉(zhuǎn)，從而驅(qū)動渦輪泵19而對由供應(yīng)口16輸入的工質(zhì)進行加壓。燃料和空氣在后端泵入爆燃，然后廢氣經(jīng)過渦輪葉排出。其與一般氣輪機的差別為，首先，燃燒壓力在本發(fā)明高出很多，甚至盡量達到現(xiàn)有材料能設(shè)計出的上限。其次，本發(fā)明推動氣輪機用的是氣體壓力，不是氣流沖力。換句話說，本發(fā)明中廢氣雖然經(jīng)過輪葉排出，但開始接觸輪葉時的初速盡量接近于0。一般氣輪機則不然，沖擊輪葉的速度要越大越好。第三，一般氣輪機為取得對輪葉的最大沖力，除速度外，也要盡量增大流量，故燃燒的空氣越多越好。本發(fā)明則是以盡量取得最高燃燒效率和達到設(shè)計最大氣壓為目的。第四，從前述可得出，本發(fā)明的燃燒室小而多，一般氣輪機則是大而少(一般為單個)。本發(fā)明的引擎的設(shè)計功率通常由燃燒室大小、正常工作時的爆燃最大氣壓和輸油率來決定。由于燃燒室的大小在設(shè)計時已確定，故在工作時，輸出功率由輸油率和燃燒室內(nèi)氣壓來決定，當(dāng)氣壓達到設(shè)計最大氣壓后，則由輸油率來控制。
本發(fā)明的輸出雖然也是射流，但與噴射引擎的射流輸出有截然不同處。首先，本發(fā)明的輸出噴管在裝置成拉瓦爾噴管(即收縮擴張噴管)后，其高壓射流即變?yōu)槌羲偕淞?。這是本發(fā)明的主要目的，以用于另一項已于2000年6月13日取得美國6,073,881號專利權(quán)的產(chǎn)生垂直升力的機械裝置；而噴射引擎的射流是為產(chǎn)生推力，取的是其動能，動能的增加是靠增加熱能來實現(xiàn)的，故高壓對其無益，反而會因增加機體結(jié)構(gòu)負擔(dān)而有害。其次，本發(fā)明的高壓射流(即超音速射流)是靠渦輪泵對工質(zhì)加壓產(chǎn)生的，工質(zhì)未參加燃燒，而噴射引擎的推力射流則是空氣工質(zhì)直接參加燃燒后的氣流，其渦輪泵的作用只作為對空氣在燃燒前進行預(yù)壓。第三，前已表述過，本發(fā)明的高壓射流是由與助燃用空氣分開的工質(zhì)用空氣構(gòu)成的，故沒有燃燒增加熱能的情況(加壓會增加熱能是另一回事)。第四，噴射引擎的推力射流帶有大量熱能和動能，射出后就沒用而浪費了，這是噴射引擎效率低的固有因素。本發(fā)明的射流本已沒有這么大的熱能和動能的浪費，若進行回收，則就沒有浪費了。關(guān)于回收的實例可參看前述專利。第五，噴射引擎的射流是燃燒后的廢氣，由于用于推力，根本不能考慮進行污染控制。本發(fā)明將燃料與射流分開，燃燒后廢氣是很容易進行污染控制的。
本發(fā)明的主要輸出目的是高壓射流，但氣輪機的轉(zhuǎn)動軸還是可用作軸轉(zhuǎn)動輸出，尤其是用于作為燃油和助燃用空氣的供應(yīng)泵的驅(qū)動源。至于將軸轉(zhuǎn)動輸出作為主要輸出，將工質(zhì)作為降溫劑(此時宜用液體)的設(shè)計，則就需與現(xiàn)行氣輪機競爭，看孰優(yōu)孰劣。對本發(fā)明而言，其最大的缺點是重量，若材料上的進步能大大降低重量，則本發(fā)明在用于軸轉(zhuǎn)動輸出上也是大有前途。
圖2、2A及圖3、3A示出本發(fā)明的另二個實施例，是圖1基本結(jié)構(gòu)的多燃燒室實用例。圖3所示為圖2所示結(jié)構(gòu)的反裝，即內(nèi)燃體加氣輪機相對于渦輪泵的位置對換。另外，圖2和圖3所示結(jié)構(gòu)的內(nèi)燃體加氣輪機相對于渦輪泵的前后位置也與圖1所示結(jié)構(gòu)的相對前后位置對換。從而，這三個實施例表達了本發(fā)明的結(jié)構(gòu)中所含三個主要成份——內(nèi)燃體、氣輪機和渦輪泵——的所有可能組合情況。另外，軸轉(zhuǎn)動輸出也有前后伸出兩種情況，圖2和圖3都示出了。圖1的基本結(jié)構(gòu)實施例只有一個燃燒室，故主軸20只從前端伸出，后端雖也可伸出，但要穿過燃燒室頭，會增加結(jié)構(gòu)上的復(fù)雜性。從此處可看出多燃燒室的設(shè)計會多出這一個好處。圖2、3中還可看出氣輪機18的輪葉作為各燃燒室的前端室壁的情況。關(guān)于輪葉與室壁的密合問題，在這方面，本發(fā)明要比活塞引擎的情況較為靈活，譬如，輪葉直徑可略大于各燃燒室環(huán)形布置的總直徑，用這個方式來消除邊緣的外逸情況。另外，圖中均未畫出渦輪的定子部分，因這方面的技術(shù)很成熟，就略去，使圖簡潔。
關(guān)于耦合裝置，這三個實施例均采用共同主軸的方式，這也是結(jié)構(gòu)最簡便的方法。另外還有其他耦合裝置，例如用齒輪耦合，其好處是可調(diào)節(jié)渦輪泵轉(zhuǎn)速，壞處是機件較復(fù)雜，成本增加，重量也增加。齒輪的位置可在軸上，也可在輪葉邊緣上。有一種最簡單的耦合辦法，那就是氣輪機和渦輪泵共用輪葉，即每一輪葉分成兩段，一段作成氣輪機曲面，另一段作成渦輪泵曲面，這樣可得出極緊湊的結(jié)構(gòu)設(shè)計。
權(quán)利要求
1.混合式內(nèi)燃機，其特征在于機體內(nèi)裝置內(nèi)燃體、氣輪機和渦輪泵；內(nèi)燃體由一個或多個燃燒室組成，開口一端稱前端，其中的燃燒類同柴油引擎，在泵入燃油、空氣后進行高壓爆燃；氣輪機與內(nèi)燃體緊密結(jié)合，其最接近的輪葉構(gòu)成各燃燒室的前端室壁，從而使氣輪機受各燃燒室內(nèi)氣壓直接作用在輪葉上而驅(qū)動；渦輪泵以耦合裝置受氣輪機驅(qū)動，從而對氣體工質(zhì)加壓或?qū)σ后w工質(zhì)進行泵送；工質(zhì)還可以通過管道、夾層方式兼任對燃燒室降溫的作用。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的混合式內(nèi)燃機，其特征在于所述的工質(zhì)主要為空氣，所述氣輪機的主要工作是驅(qū)轉(zhuǎn)所述渦輪泵，所述空氣工質(zhì)經(jīng)渦輪泵加壓成高壓氣體輸出，從而所述混合式內(nèi)燃機的用途是高壓射流。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的混合式內(nèi)燃機，其特征在于所述機體呈圓筒形，沿其長軸裝置一根主軸；所述內(nèi)燃體的一個或多個燃燒室均為圓筒形室身和后端半球形室頭，彼此平行對稱環(huán)繞所述主軸裝置；所述氣輪機以所述主軸為軸，裝置在所述內(nèi)燃體前端，其最接近輪葉構(gòu)成各燃燒室的前端室壁；所述渦輪泵亦以所述主軸為軸，從而所述耦合裝置即所述主軸。
全文摘要
本發(fā)明涉及內(nèi)燃機,特別是為產(chǎn)生持續(xù)大流量高壓射流而混合柴油引擎、氣輪機和噴射引擎這三種內(nèi)燃機的結(jié)構(gòu)特性所設(shè)計的混合式內(nèi)燃機。機體內(nèi)裝置內(nèi)燃體、氣輪機和渦輪泵;內(nèi)燃體由一個或多個燃燒室組成,開口一端稱前端,其中的燃燒類同柴油引擎,在泵入燃油、空氣后進行高壓爆燃;氣輪機與內(nèi)燃體緊密結(jié)合,其最接近的輪葉構(gòu)成各燃燒室的前端室壁;渦輪泵以耦合裝置受氣輪機驅(qū)動,對氣體工質(zhì)加壓或?qū)σ后w工質(zhì)進行泵送;工質(zhì)還可兼任對燃燒室降溫的作用。
文檔編號F02C3/14GK1342831SQ00124490
公開日2002年4月3日 申請日期2000年9月11日 優(yōu)先權(quán)日2000年9月11日
發(fā)明者陳重慶 申請人:陳重慶