專利名稱：一種管道活塞式發(fā)動機及其控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種動力裝置，尤其是一種活塞式發(fā)動機。
背景技術(shù)：
長航時動力裝置是遠程飛行器的重要分系統(tǒng)，必須提供飛行器可靠穩(wěn)定的推力， 而且要求推重比大，耗油率低，噪音低，起動快速和工作包絡(luò)寬廣。因此，長航時飛行器動力裝置的研發(fā)一直以來是世界各國的重要研究領(lǐng)域。目前傳統(tǒng)的飛行器動力裝置主要有渦輪噴氣發(fā)動機、活塞發(fā)動機和脈動噴氣發(fā)動機等。渦輪噴氣發(fā)動機起動慢、工作包絡(luò)小，環(huán)境適應(yīng)性較差，抗過載能力差，成本高；活塞發(fā)動機系統(tǒng)復(fù)雜，不適合高速飛行；脈動噴氣發(fā)動機噪音大、體積大、耗油率高。針對這些問題，現(xiàn)有技術(shù)提出了自由活塞式發(fā)動機，對于自由活塞式發(fā)動機，動力氣缸與壓縮機之間動力的傳遞靠兩個對置的活塞組完成?；钊M運動規(guī)律由作用在它上面的氣體壓力決定，并隨發(fā)動機工況變化?；钊M由同步機構(gòu)保持左、右對稱運動。其工作原理是起動時，假定動力活塞迅速從外止點向內(nèi)運動，壓縮機氣缸內(nèi)的空氣即被壓縮，并通過輸氣閥壓入儲氣箱，供動力氣缸掃氣之用；同時動力氣缸內(nèi)的空氣也被壓縮，空氣壓力和溫度均增高。當(dāng)相對的兩個活塞接近內(nèi)止點時，經(jīng)噴油器將燃料噴入燃燒室而燃燒。高溫高壓燃氣向外推動動力活塞，即膨脹過程?；钊蛲膺\動時使壓縮機氣缸內(nèi)產(chǎn)生真空而從大氣吸入新鮮空氣，同時氣墊缸內(nèi)的空氣被壓縮，儲存的能量用以推動活塞向內(nèi)運動。在膨脹行程終了時，右活塞首先開啟排氣孔，隨后左活塞又打開進氣孔。燃氣經(jīng)排氣孔排入儲氣罐，而新鮮空氣則從掃氣儲氣箱經(jīng)進氣孔送入動力氣缸，并清掃殘留的廢氣。目前，自由活塞式發(fā)動機主要與燃氣輪機組合使用，組成自由活塞-燃氣輪機組。 其缺點是，結(jié)構(gòu)尺寸大，單個動力氣缸，效率低，整個工作循環(huán)中有一半以上的時間是產(chǎn)生并儲存能量。只有在膨脹行程終了時，右活塞首先開啟排氣孔，隨后左活塞又打開進氣孔。 燃氣經(jīng)排氣孔排入儲氣罐供燃氣輪機使用，而新鮮空氣則從掃氣儲氣箱經(jīng)進氣孔送入動力氣缸，并清掃殘留的廢氣。這種工作模式?jīng)Q定了其功率低，效率差的缺點。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有技術(shù)功率低、效率差的不足，本發(fā)明提供一種管道活塞式發(fā)動機，可長時間、低噪音、高效率工作，速度和空域范圍寬廣。本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是包括燃燒室缸體、活塞組件、噴油嘴、控制器、進氣閥門、排氣閥門和點火器。燃燒室缸體為封閉的中空圓柱體，長度方向的中間位置固聯(lián)有缸體隔板，將燃燒室缸體均分為兩缸，活塞組件包括兩個活塞和一個連接軸，兩個活塞分別放置在兩缸中，分別與連接軸的中段和底端同軸剛性連接，即每個缸都被活塞組件分隔成兩個燃燒室，形成兩缸四室結(jié)構(gòu)，連接軸的頂端從燃燒室缸體端面伸出缸體外。每個燃燒室的壁面上均安裝有噴油嘴、進氣閥門、排氣閥門和點火器，由控制器控制噴油嘴、進氣閥門、排氣閥門和點火器的工作。所述連接軸的頂端安裝有速度傳感器，測量活塞組件運行情況，傳輸給控制器，從而由控制器根據(jù)活塞組件運行狀態(tài)判斷吸氣及排氣閥門開關(guān)動作和點火器工作的時刻，控制噴油嘴、進氣閥門、排氣閥門和點火器的工作，完成吸氣、排氣、壓縮、點火的過程。當(dāng)速度傳感器測量活塞組件上行或下行運動到極限位置時，即速度為零的時刻，確定此時刻為點火時刻，其決定了該發(fā)動機的工作頻率，影響發(fā)動機的功率和效率。所述的噴油嘴通過油泵連油箱，由控制器控制油泵和四個噴油嘴的工作狀態(tài)。所述的點火器連接電源。所述的燃燒室缸體外側(cè)包圍有兩端開口的中空圓柱形外艙殼體，外艙殼體末端連接有引射噴管。所述的排氣閥門都與排氣管連通，排氣管末端伸向引射噴管。所述的連接軸頂端安裝有保險彈簧，通過保險彈簧來控制活塞組件的運動極限位置，避免活塞組件與燃燒室發(fā)生碰撞故障。所述的連接軸頂端安裝有發(fā)電裝置，連接軸帶動發(fā)電裝置，通過纏繞線圈切割磁力線發(fā)電，為電源充電，以供控制器、速度傳感器和進氣閥門、排氣閥門使用。本發(fā)明還提供上述管道活塞式發(fā)動機的控制方法，對于從連接軸頂端到末端的A、 B、C、D四個腔室，包括以下步驟步驟1 :B腔室供油、點火、爆燃，此時B腔室膨脹作功，壓縮A腔室，同時打開C腔室的排氣閥和D腔室的進氣閥，其他閥門全部關(guān)閉。在活塞組件上行的帶動下C腔室排氣， D腔室吸氣。速度傳感器測量活塞組件運行情況，當(dāng)速度傳感器測量活塞組件上行運動到極限位置時進入下一步。步驟2 =A腔室供油、點火、爆燃，此時A腔室膨脹作功，壓縮D腔室，同時打開B腔室的排氣閥和C腔室的進氣閥，其他閥門全部關(guān)閉。在活塞組件下行的帶動下B腔室排氣， C腔室吸氣。速度傳感器測量活塞組件運行情況，當(dāng)速度傳感器測量活塞組件下行運動到極限位置時進入下一步。步驟3 =D腔室供油、點火、爆燃，此時D腔室膨脹作功，壓縮C腔室，同時打開A腔室的排氣閥和B腔室的進氣閥，其他閥門全部關(guān)閉。在活塞組件上行的帶動下A腔室排氣， B腔室吸氣。速度傳感器測量活塞組件運行情況，當(dāng)速度傳感器測量活塞組件上行運動到極限位置時進入下一步。步驟4 =C腔室供油、點火、爆燃，此時C腔室膨脹作功，壓縮B腔室，同時打開D腔室的排氣閥和A腔室的進氣閥，其他閥門全部關(guān)閉。在活塞組件下行的帶動下D腔室排氣， A腔室吸氣。速度傳感器測量活塞組件運行情況，當(dāng)速度傳感器測量活塞組件下行運動到極限位置時進入下一循環(huán)。 至此完成一個發(fā)動機工作循環(huán)。 本發(fā)明的有益效果是由于其結(jié)構(gòu)上的創(chuàng)新性和工作原理上的獨特性，任意時刻都進行能量的產(chǎn)生、存儲和釋放。其穩(wěn)定的高壓縮比和掃氣的完整性使得該類型發(fā)動機功率和效率大幅提高，排氣管加引射噴管的排氣結(jié)構(gòu)設(shè)計也使得其效率實現(xiàn)最大化，并且有利于發(fā)動機的冷卻。本發(fā)明采用電控方式，實現(xiàn)兩缸四室管道活塞工作過程。本身有自發(fā)電功能，不需要更多的外部電源供給，且可以給飛行器提供電源。本發(fā)明環(huán)境適應(yīng)性好，工作包絡(luò)寬廣，推力大，效率高，耗能低，噪音小，結(jié)構(gòu)簡單，成本低，可通過螺紋或者法蘭的方式與多種負(fù)載對接，實現(xiàn)多種用途。下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進一步說明。


圖1是管道活塞式發(fā)動機結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是該發(fā)動機可對接負(fù)載類型示意圖，圖2(a)是燃氣儲氣罐，圖2 (b)是收括噴管，圖2(c)是自由渦輪；圖中，1-速度傳感器，2-發(fā)電裝置，3-外艙殼體，4-噴油嘴，5-進氣閥門，6_燃燒室，7-活塞組件，8-引射噴管，9-排氣管，10-點火器，11排氣閥門，12-缸體隔板，13-保險彈簧，14-進氣道。
具體實施例方式本發(fā)明是一種可長時間、低噪音、高效率工作，速度和空域范圍寬廣的動力裝置——管道活塞式發(fā)動機。本發(fā)明主要包括核心機和測量及控制系統(tǒng)、供油系統(tǒng)、進排氣系統(tǒng)、點火系統(tǒng)等附件組成。如圖1所示，核心機主要是由兩缸四室管道活塞主體結(jié)構(gòu)和外艙殼體3組成。圓柱形燃燒室缸體中間位置固聯(lián)有缸體隔板12，將燃燒室缸體均分為兩缸。同時每個缸都被活塞組件7分隔成兩個燃燒室6，形成兩缸四室結(jié)構(gòu)。活塞組件7是由兩個分別放置在兩缸中的活塞及連接軸進行剛性連接而組成。兩個活塞分別安裝在連接軸的中段和底端。連接軸一端從燃燒室缸體端面伸出缸體外。發(fā)動機核心機燃燒室缸體設(shè)計兩個燃燒室缸體內(nèi)部尺寸均為Φ80πιπι*140πιπι，壁厚考慮到結(jié)構(gòu)強度可以選擇較大值，這里燃燒室缸體前后端面壁厚選取10mm，側(cè)面壁厚選取5mm，缸體隔板厚度選取20mm，材料選擇高溫合金鋼?；钊M件中活塞厚度選取20mm，材料選擇高溫合金鋼，密封材料選取碳纖維密封。測量及控制系統(tǒng)包括速度傳感器1和控制器，速度傳感器1安裝在活塞組件7的連接軸頂端。速度傳感器1測量活塞組件7運行情況，根據(jù)活塞組件7運行狀態(tài)判斷吸氣及排氣閥門開關(guān)動作和點火器工作的時刻，從而通過控制器完成吸氣、排氣、壓縮、點火的過程控制。點火時刻決定了該發(fā)動機的工作頻率，影響發(fā)動機的功率和效率。進排氣系統(tǒng)由安裝在四個燃燒室壁面上的進氣閥門5、排氣管9和排氣閥門11，以及引射噴管8組成。其中每個燃燒室6都與排氣管9連通，都安裝有進排氣閥門。引射噴管 8與外艙殼體3連接實現(xiàn)引流的作用。進、排氣閥門閥體是高溫陶瓷材料，閥門通徑Φ 10mm。點火系統(tǒng)主要由電源和點火器10組成，其中每個燃燒室都安裝有一個點火器10。 供油系統(tǒng)包括油箱、油泵、和分別安裝在四個燃燒室6壁面上的噴油嘴4組成。由控制器控制油泵和四個噴油嘴的工作狀態(tài)。其中點火和供油系統(tǒng)模仿汽車活塞發(fā)動機的點火器和噴油嘴設(shè)計。在活塞組件7的連接軸頂端還安裝有發(fā)電裝置2和保險彈簧13，通過保險彈簧來控制活塞組件的運動極限位置，避免活塞組件與燃燒室發(fā)生碰撞故障。發(fā)電裝置通過纏繞線圈切割磁力線發(fā)電，為電源充電以供控制器、速度傳感器和進排氣閥門使用。圖2是該發(fā)動機可對接負(fù)載類型示意圖，圖2(a)是燃氣儲氣罐，圖2 (b)是收括噴管，圖2(c)是自由渦輪；上述三種負(fù)載可以通過螺紋或者法蘭的方式與發(fā)動機排氣管進行對接。下面對本發(fā)明的具體工作原理作進一步的詳述。該管道活塞式發(fā)動機一個正常工作循環(huán)包括四個步驟，如下表所示，步驟1、2、3、4形成了兩次活塞組件的往復(fù)運動。因此該發(fā)動機一個工作循環(huán)，活塞組件往復(fù)運動兩次。具體工作過程如下，其中四個燃燒室命名為 A、B、C、D，步驟定義1上行、2下行、3上行、4下行?！伴_/關(guān)”代表各進、排氣閥門的動作。
權(quán)利要求
1.一種管道活塞式發(fā)動機，包括燃燒室缸體、活塞組件、噴油嘴、控制器、進氣閥門、排氣閥門和點火器，其特征在于燃燒室缸體為封閉的中空圓柱體，長度方向的中間位置固聯(lián)有缸體隔板，將燃燒室缸體均分為兩缸，活塞組件包括兩個活塞和一個連接軸，兩個活塞分別放置在兩缸中，分別與連接軸的中段和底端同軸剛性連接，即每個缸都被活塞組件分隔成兩個燃燒室，形成兩缸四室結(jié)構(gòu)，連接軸的頂端從燃燒室缸體端面伸出缸體外；每個燃燒室的壁面上均安裝有噴油嘴、進氣閥門、排氣閥門和點火器，由控制器控制噴油嘴、進氣閥門、排氣閥門和點火器的工作。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的管道活塞式發(fā)動機，其特征在于所述的連接軸的頂端安裝有速度傳感器，測量活塞組件運行情況，傳輸給控制器，從而由控制器根據(jù)活塞組件運行狀態(tài)判斷吸氣及排氣閥門開關(guān)動作和點火器工作的時刻，控制噴油嘴、進氣閥門、排氣閥門和點火器的工作，完成吸氣、排氣、壓縮、點火的過程；當(dāng)速度傳感器測量活塞組件上行或下行運動到極限位置時，即速度為零的時刻，確定此時刻為點火時刻。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的管道活塞式發(fā)動機，其特征在于所述的噴油嘴通過油泵連油箱，由控制器控制油泵和四個噴油嘴的工作狀態(tài)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的管道活塞式發(fā)動機，其特征在于所述的點火器連接電源。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的管道活塞式發(fā)動機，其特征在于所述的排氣閥門都與排氣管連通，排氣管末端伸向引射噴管。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的管道活塞式發(fā)動機，其特征在于所述的連接軸頂端安裝有保險彈簧，通過保險彈簧來控制活塞組件的運動極限位置，避免活塞組件與燃燒室發(fā)生碰撞故障。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的管道活塞式發(fā)動機，其特征在于所述的連接軸頂端安裝有發(fā)電裝置，連接軸帶動發(fā)電裝置，通過纏繞線圈切割磁力線發(fā)電，為電源充電，以供控制器、 速度傳感器和進氣閥門、排氣閥門使用。
8.—種權(quán)利要求1所述管道活塞式發(fā)動機的控制方法，其特征在于對于從連接軸頂端到末端的A、B、C、D四個腔室，包括以下步驟步驟1 :B腔室供油、點火、爆燃，同時打開C腔室的排氣閥和D腔室的進氣閥，其他閥門全部關(guān)閉；速度傳感器測量活塞組件運行情況，當(dāng)速度傳感器測量活塞組件上行運動到極限位置時進入下一步；步驟2 :A腔室供油、點火、爆燃，同時打開B腔室的排氣閥和C腔室的進氣閥，其他閥門全部關(guān)閉；速度傳感器測量活塞組件運行情況，當(dāng)速度傳感器測量活塞組件下行運動到極限位置時進入下一步；步驟3 :D腔室供油、點火、爆燃，同時打開A腔室的排氣閥和B腔室的進氣閥，其他閥門全部關(guān)閉；速度傳感器測量活塞組件運行情況，當(dāng)速度傳感器測量活塞組件上行運動到極限位置時進入下一步；步驟4 :C腔室供油、點火、爆燃，同時打開D腔室的排氣閥和A腔室的進氣閥，其他閥門全部關(guān)閉；速度傳感器測量活塞組件運行情況，當(dāng)速度傳感器測量活塞組件下行運動到極限位置時進入下一循環(huán)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種管道活塞式發(fā)動機及其控制方法，通過串聯(lián)活塞實現(xiàn)了管道型兩缸四室的工作循環(huán)，工作時不斷產(chǎn)生高壓燃氣，并從噴管高速噴出產(chǎn)生推力，該裝置采用電控方式，通過控制點火和進排氣工作順序來實現(xiàn)整個工作過程。本發(fā)明任意時刻都進行能量的產(chǎn)生、存儲和釋放，功率和效率大幅提高，并且有利于發(fā)動機的冷卻，本發(fā)明環(huán)境適應(yīng)性好，工作包絡(luò)寬廣，推力大，效率高，耗能低，噪音小，結(jié)構(gòu)簡單，成本低，可與多種負(fù)載對接，實現(xiàn)多種用途。
文檔編號F02B75/00GK102425492SQ20111042559
公開日2012年4月25日 申請日期2011年12月15日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月15日
發(fā)明者于同利, 馮玉紅, 劉書杰, 劉建國, 李小柱, 熊慶榮, 陳剛 申請人:中國兵器工業(yè)第二○三研究所