專利名稱：變壓縮比絕熱陶瓷燃?xì)夥峙浠钊l(fā)動(dòng)機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種發(fā)動(dòng)機(jī)，具體涉及一種活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)的改進(jìn)。
傳統(tǒng)活塞發(fā)動(dòng)機(jī)中效率較高、得到普遍應(yīng)用的主要有汽油機(jī)和柴油機(jī)。汽油機(jī)和柴油機(jī)的熱循環(huán)都是在同一個(gè)氣缸內(nèi)進(jìn)氣和壓縮，然后進(jìn)行等容燃燒，再進(jìn)行作功和排氣的熱力循環(huán)，它存在四個(gè)行程進(jìn)氣、壓縮、作功和排氣。
汽油機(jī)在壓縮空氣之前先通過(guò)化油器或者燃油噴射器將燃料和空氣進(jìn)行混合，然后在氣缸中進(jìn)行壓縮；在壓縮到接近最小容積時(shí)，火花塞點(diǎn)火，燃料燃燒，以提高氣缸內(nèi)氣體的溫度和壓力；在隨后的作功行程中，高壓燃?xì)馔苿?dòng)活塞向外作功。
汽油機(jī)主要由曲軸、連桿、活塞、氣缸、進(jìn)氣門(mén)機(jī)構(gòu)、排氣門(mén)機(jī)構(gòu)、火花塞、化油器等部件構(gòu)成。
柴油機(jī)先壓縮空氣，壓縮終了時(shí)的氣體溫度由于壓縮比比較高而達(dá)到燃料自燃的溫度；在壓縮終了時(shí)噴油器向氣缸內(nèi)噴射霧狀柴油，柴油迅速燃燒，使氣缸內(nèi)的溫度和壓力迅速上升；在隨后的作功行程中，高壓燃?xì)馔苿?dòng)活塞向外作功。
柴油機(jī)的結(jié)構(gòu)和汽油機(jī)類似，但取消了火花塞和化油器，增加了噴油泵和噴油器。
汽油機(jī)和柴油機(jī)的每個(gè)氣缸需要發(fā)動(dòng)機(jī)主軸旋轉(zhuǎn)兩圈才能完成一次熱力循環(huán)(針對(duì)四行程發(fā)動(dòng)機(jī))。除了作功行程是由燃?xì)馔苿?dòng)活塞作功外，其余三個(gè)行程都需要發(fā)動(dòng)機(jī)主軸提供機(jī)械能來(lái)克服活塞和氣缸之間的摩擦力，壓縮氣體和傳動(dòng)附件。
但傳統(tǒng)活塞內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)有以下不足一、傳統(tǒng)活塞內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)效率低。
1、汽油機(jī)由于汽油和空氣在壓縮前就已經(jīng)混合，為防止在點(diǎn)火前自燃，壓縮比受到限制，最高壓縮比只能達(dá)到10左右。而熱機(jī)的工作效率是由壓縮比決定的，只有盡可能地提高壓縮比才能提高熱機(jī)的效率；柴油機(jī)的壓縮比比較高，可以達(dá)到16～20，相應(yīng)的效率比汽油機(jī)要高。
2、不管汽油機(jī)還是柴油機(jī)，在作功行程結(jié)束時(shí)剩余的氣壓還比較高，直接排放到大氣中時(shí)，這部分能源就白白浪費(fèi)了。一些內(nèi)燃機(jī)采用了渦輪增壓器利用這部分剩余能源，但渦輪增壓器工作轉(zhuǎn)速高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對(duì)轉(zhuǎn)子平衡和潤(rùn)滑要求嚴(yán)格，有的渦輪增壓器用到了一些戰(zhàn)略物資(如鎳)，造價(jià)高，因此不利于推廣應(yīng)用。
3、傳統(tǒng)活塞內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的活塞和氣缸等高溫部件采用金屬材料，不僅需要復(fù)雜的冷卻系統(tǒng)，耗費(fèi)發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)械能，而且使部分熱能通過(guò)傳熱損失掉，降低了發(fā)動(dòng)機(jī)效率和燃料利用率。
4、四行程發(fā)動(dòng)機(jī)的效率比二行程發(fā)動(dòng)機(jī)高，即使這樣，由于發(fā)動(dòng)機(jī)活塞始終處于往復(fù)運(yùn)動(dòng)中，慣性力引起的機(jī)械能損失占機(jī)械能損失的40％到60％；同時(shí)在一次熱力循環(huán)的四個(gè)行程中，活塞和氣缸壁之間都存在側(cè)向力，特別是在壓縮和作功的兩個(gè)行程中，由于活塞與氣缸壁之間的側(cè)向力很大，因此活塞與氣缸之間的摩擦力比較大，不僅加快磨損，而且使發(fā)動(dòng)機(jī)的效率降低(占機(jī)械能損失的20％到30％)，在潤(rùn)滑不良的情況下還易引起燒缸的嚴(yán)重故障。
5、傳統(tǒng)活塞內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)燃料燃燒時(shí)間短，不可能所有燃料在作功行程前都完全燃燒，必然有部分燃料在作功過(guò)程中甚至在作功完成之后才燃燒，因此一部分燃料沒(méi)有得到充分利用，使燃料利用率降低。
6、傳統(tǒng)活塞內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)低速運(yùn)行時(shí)效率低。傳統(tǒng)內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)由于壓縮比固定，和高速運(yùn)行時(shí)相比，低速運(yùn)行時(shí)的壓縮和作功過(guò)程中高壓氣體泄露比較嚴(yán)重，既消耗了較多的機(jī)械能，又導(dǎo)致壓縮完成后氣壓較低；同時(shí)由于每個(gè)循環(huán)中高溫氣體與低溫的活塞和氣缸之間的傳熱損失相對(duì)較大，也導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)效率降低。
二、傳統(tǒng)活塞內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)噪音大。
由于傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)排放廢氣時(shí)還有部分氣壓，直接排放時(shí)氣體的壓力能轉(zhuǎn)化為氣體的動(dòng)能，速度超過(guò)音速，產(chǎn)生超音速激波，存在很強(qiáng)的爆音。這種爆音只在發(fā)動(dòng)機(jī)排氣門(mén)打開(kāi)的一瞬間存在，是脈動(dòng)式的。對(duì)于大多數(shù)采用消音排氣管的車輛，在大油門(mén)工作時(shí)，排放廢氣的噪音仍然很大。同時(shí)傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)由于在一個(gè)氣缸內(nèi)既進(jìn)氣壓縮又作功排氣，這種爆音無(wú)法從原理上消除，只能通過(guò)一些改進(jìn)措施減小爆音的影響。
三、傳統(tǒng)活塞內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)環(huán)境污染大。
1、傳統(tǒng)活塞內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)不完全燃燒產(chǎn)生CO、HC等有害物質(zhì)。由于傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)燃料燃燒的時(shí)間很短，尤其在高轉(zhuǎn)速時(shí)燃燒時(shí)間更短，燃料和空氣的混合不一定充分、均勻，存在不完全燃燒的現(xiàn)象，產(chǎn)生環(huán)境污染，尤其是CO和HC化合生成光氣，對(duì)人類和環(huán)境的危害更大，老、舊發(fā)動(dòng)機(jī)在這方面更明顯。
2、傳統(tǒng)活塞內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)高溫燃燒產(chǎn)生氧氮產(chǎn)物。由于傳統(tǒng)活塞發(fā)動(dòng)機(jī)采用等容燃燒的工作原理，燃料燃燒時(shí)產(chǎn)生高壓高溫，可以達(dá)到1800攝氏度以上，在這樣的高溫下，氧氣和氮?dú)夥磻?yīng)產(chǎn)生有害物質(zhì)，污染環(huán)境，危害健康。
3、傳統(tǒng)活塞內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)不完全燃燒產(chǎn)生黑煙。由于傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)燃料燃燒時(shí)間短，同時(shí)由于燃料和空氣混合不均勻，因此存在燃燒不充分的現(xiàn)象，排放可見(jiàn)的固態(tài)顆粒，污染環(huán)境，使交通道路的可見(jiàn)度降低，有時(shí)導(dǎo)致交通事故。
四、傳統(tǒng)活塞內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)體積和重量大。
傳統(tǒng)四行程發(fā)動(dòng)機(jī)每個(gè)氣缸需要經(jīng)過(guò)四個(gè)行程才有一個(gè)作功行程，氣缸的利用率低(二行程發(fā)動(dòng)機(jī)雖然氣缸利用率高一倍，但燃料利用率低，效率低)，要達(dá)到所需要的功率，需要較多的氣缸和其他部件。
五、傳統(tǒng)活塞內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)壽命不夠長(zhǎng)。
傳統(tǒng)活塞內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的氣缸和活塞由于采用鋼材和鋁合金，耐磨性較差，尤其是在潤(rùn)滑不良的情況下容易加劇磨損，甚至引起燒缸和抱軸等事故，致使發(fā)動(dòng)機(jī)不能運(yùn)轉(zhuǎn)。
六、傳統(tǒng)活塞內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)能量回收困難。
當(dāng)機(jī)動(dòng)車輛急劇減速或者下坡時(shí)，通常采用的措施是收油門(mén)和剎車，車輛高速運(yùn)行的動(dòng)能和下坡時(shí)的勢(shì)能全部轉(zhuǎn)化為剎車裝置的摩擦熱能。不僅沒(méi)有回收這部分能量，而且使剎車裝置壽命縮短，有時(shí)剎車裝置過(guò)熱反而引起機(jī)動(dòng)車輛的故障。
目前，有些國(guó)家和地區(qū)正在研制燃料電池汽車發(fā)動(dòng)機(jī)，雖然燃料電池效率高、無(wú)污染，但由于必須使用稀有金屬材料，致使其成品價(jià)格居高不下。現(xiàn)在燃料電池汽車的價(jià)格是普通汽車的5到10倍，主要原因是燃料電池必須用到一些稀有貴重金屬。同時(shí)由于材料供應(yīng)的限制，要大批量生產(chǎn)很困難。
本實(shí)用新型的目的是克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，提供一種可大幅度提高發(fā)動(dòng)機(jī)效率和使用壽命、降低發(fā)動(dòng)機(jī)噪音、消除環(huán)境污染、節(jié)約能源、降低成本、重量輕、功率大、且可以使用多種能源的變壓縮比絕熱陶瓷燃?xì)夥峙浠钊l(fā)動(dòng)機(jī)。
本實(shí)用新型的目的是通過(guò)下面的技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的。其特征在于它是由發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)系統(tǒng)、增壓風(fēng)扇、壓縮器、渦流燃燒室、作功器、計(jì)算機(jī)所組成。所述發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)系統(tǒng)包括啟動(dòng)高壓氣瓶、啟動(dòng)電磁開(kāi)關(guān)、燃燒室點(diǎn)火組件和燃料噴射控制組件，啟動(dòng)高壓氣瓶通過(guò)啟動(dòng)電磁開(kāi)關(guān)與渦流燃燒室相連，燃燒室點(diǎn)火組件和燃料噴射控制組件亦與渦流燃燒室相通，由計(jì)算機(jī)控制；所述壓縮器包括壓縮器氣缸、壓縮器端蓋、壓縮器活塞、壓縮器進(jìn)氣門(mén)和壓縮器單向活門(mén)，壓縮器活塞將壓縮器氣缸分為A腔和B腔，A腔和B腔皆連通壓縮器進(jìn)氣門(mén)和壓縮器單向活門(mén)；所述渦流燃燒室上設(shè)有燃料噴射口、火花塞，其上開(kāi)設(shè)的燃燒室進(jìn)氣口與壓縮器出氣口相通，啟動(dòng)進(jìn)氣口與啟動(dòng)電磁開(kāi)關(guān)相接，燃燒室出氣口與燃?xì)夥峙錂C(jī)構(gòu)相接；所述作功器包括作功器氣缸、作功器端蓋、作功器活塞、燃?xì)夥峙錂C(jī)構(gòu)和作功器排氣門(mén)，作功器活塞將作功器氣缸分為C腔和D腔，其活塞桿與壓縮器活塞的活塞桿為貫穿于壓縮器氣缸和作功器氣缸之間的同一活塞桿，與發(fā)動(dòng)機(jī)主軸通過(guò)曲柄連桿鉸接，燃?xì)夥峙錂C(jī)構(gòu)和渦流燃燒室相連，并與作功器C腔和D腔相連，作功器排氣門(mén)分別與C腔和D腔相連，并連通發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣出口。
為實(shí)現(xiàn)本實(shí)用新型，壓縮器氣缸、作功器氣缸、壓縮器活塞、作功器活塞、活塞桿、壓縮器端蓋、作功器端蓋、渦流燃燒室、燃?xì)夥峙錂C(jī)構(gòu)、作功器排氣門(mén)均采用外層為結(jié)構(gòu)陶瓷、內(nèi)層為纖維增強(qiáng)多孔性陶瓷的陶瓷復(fù)合材料。


圖1為本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖；圖3為本實(shí)用新型增壓風(fēng)扇結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為本實(shí)用新型活塞桿位于上止點(diǎn)時(shí)兩活塞位置示意圖；圖5為本實(shí)用新型壓縮器A腔和B腔進(jìn)氣角示意圖；圖6為本實(shí)用新型燃?xì)夥峙錂C(jī)構(gòu)關(guān)閉時(shí)兩活塞和曲柄連桿位置示意圖；圖7為本實(shí)用新型作功器C腔和D腔作功器配氣角示意圖；圖8為本實(shí)用新型C腔開(kāi)始排氣時(shí)兩活塞和曲柄連桿位置示意圖；圖9為本實(shí)用新型作功器排氣門(mén)排氣角示意圖；圖10為本實(shí)用新型渦流燃燒室結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖；圖11為本實(shí)用新型陶瓷復(fù)合材料結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖；圖12為本實(shí)用新型啟動(dòng)電磁開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖；圖13為本實(shí)用新型熱力循環(huán)圖。
以下結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步詳述。
如圖1、2所示，本實(shí)用新型不同于傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)在一個(gè)氣缸內(nèi)既進(jìn)氣壓縮又作功排氣的結(jié)構(gòu)特征，而是采用壓縮器2和作功器8將進(jìn)氣、壓縮行程和作功、排氣行程分離，在壓縮器2和作功器8之間設(shè)置獨(dú)立的渦流燃燒室6，在渦流燃燒室6與作功器氣缸53之間設(shè)置有燃?xì)夥峙錂C(jī)構(gòu)7，并由計(jì)算機(jī)21集中控制來(lái)達(dá)到本實(shí)用新型的目的。工作中，外界空氣由增壓風(fēng)扇54注入壓縮器2，在壓縮器氣缸52內(nèi)被由作功器活塞19通過(guò)活塞桿16帶動(dòng)的壓縮器活塞11擠壓進(jìn)壓縮器單向活門(mén)12后的壓縮器出氣口15，到達(dá)渦流燃燒室6內(nèi)，在渦流燃燒室6中產(chǎn)生渦流，和噴射的燃料充分混合后完全燃燒；產(chǎn)生的高溫高壓燃?xì)馔ㄟ^(guò)燃?xì)夥峙錂C(jī)構(gòu)7進(jìn)入作功器8內(nèi)推動(dòng)作功器活塞19作功，帶動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)主軸22向外輸出動(dòng)力；廢氣由發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣出口14排出，完成整個(gè)工作過(guò)程。計(jì)算機(jī)21對(duì)本實(shí)用新型的整個(gè)工作過(guò)程進(jìn)行控制和調(diào)節(jié)，通過(guò)調(diào)節(jié)渦流燃燒室6的燃料噴射量和作功器配氣角27來(lái)改變發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮比和功率。
本實(shí)用新型主要由徑向增壓風(fēng)扇54、發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)系統(tǒng)、壓縮器2、渦流燃燒室6、作功器8、計(jì)算機(jī)21組成。發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)系統(tǒng)包括啟動(dòng)高壓氣瓶1、啟動(dòng)電磁開(kāi)關(guān)3、燃燒室點(diǎn)火組件4和燃料噴射控制組件5。啟動(dòng)高壓氣瓶1上設(shè)有兩條通道，第一條通道通過(guò)氣瓶單向活門(mén)13與壓縮器出氣口15相接；另一條通道通過(guò)啟動(dòng)電磁開(kāi)關(guān)3與渦流燃燒室6相連。啟動(dòng)電磁開(kāi)關(guān)3之結(jié)構(gòu)如圖12所示，電磁開(kāi)關(guān)進(jìn)氣口40與啟動(dòng)高壓氣瓶1相接，由此來(lái)的氣體可分兩路到達(dá)渦流燃燒室6。第一路當(dāng)電磁線圈36通電時(shí)，設(shè)置在線圈內(nèi)的動(dòng)塊39克服置于動(dòng)塊39和定塊37凹槽內(nèi)的回復(fù)彈簧38的彈簧力和氣體壓力向左移動(dòng)，可打開(kāi)設(shè)于電磁開(kāi)關(guān)進(jìn)氣口40和去燃燒室管路44之間的控制活門(mén)43，使啟動(dòng)高壓氣瓶1內(nèi)的高壓空氣進(jìn)入渦流燃燒室6內(nèi)；當(dāng)電磁線圈36斷電時(shí)，在回復(fù)彈簧38的回復(fù)力作用下，控制活門(mén)43自動(dòng)關(guān)閉。第二路當(dāng)啟動(dòng)高壓氣瓶1之氣體壓力大于設(shè)定壓力(高于發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作時(shí)渦流燃燒室6內(nèi)的最高壓力值)時(shí)，高壓氣體可推動(dòng)膜片45克服與其貼合的調(diào)壓彈簧46的預(yù)緊力，膜片45向右移動(dòng)，可打開(kāi)連通活門(mén)41，啟動(dòng)高壓氣瓶1直接和渦流燃燒室6連通，在作功器需要高壓燃?xì)鈺r(shí)首先使用存儲(chǔ)在啟動(dòng)高壓氣瓶1內(nèi)的部分高壓氣體，直到啟動(dòng)高壓氣瓶1內(nèi)的氣體壓力低于設(shè)定壓力時(shí)連通活門(mén)41才在調(diào)壓彈簧46的彈簧力作用下關(guān)閉。其設(shè)定壓力可以通過(guò)與調(diào)壓彈簧46相連的調(diào)整螺釘47來(lái)改變。
本實(shí)用新型燃燒室點(diǎn)火組件4和燃料噴射控制組件5均與渦流燃燒室6相連，燃燒室點(diǎn)火組件4由計(jì)算機(jī)21控制，在壓縮器出氣口15的氣體溫度低于燃料自燃溫度時(shí)使火花塞33點(diǎn)火；燃料噴射控制組件5可將燃料增壓，并根據(jù)計(jì)算機(jī)21所發(fā)出的控制信號(hào)控制燃料的噴射量。
如圖3所示，本實(shí)用新型徑向增壓風(fēng)扇54由一片或一片以上增壓風(fēng)扇葉片25組成，連接在發(fā)動(dòng)機(jī)主軸22上，其上開(kāi)設(shè)有增壓風(fēng)扇進(jìn)氣口24，氣體出口位于葉片末端切線方向，與壓縮器進(jìn)氣口9連通。其作用是對(duì)空氣進(jìn)行初步增壓，以保證壓縮器有足夠的進(jìn)氣量，保證發(fā)動(dòng)機(jī)在高原地區(qū)可以達(dá)到設(shè)計(jì)的功率。
本實(shí)用新型壓縮器2由壓縮器氣缸52、壓縮器端蓋56和57、壓縮器活塞11、壓縮器進(jìn)氣門(mén)10和壓縮器單向活門(mén)12所組成。它取代了傳統(tǒng)的活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的氣缸及其附件，完成進(jìn)氣和壓縮功能。壓縮器活塞11將壓縮器氣缸52分為A腔和B腔，兩腔都設(shè)有壓縮器進(jìn)氣門(mén)10和壓縮器單向活門(mén)12，輪流進(jìn)氣和壓縮。壓縮器進(jìn)氣門(mén)10在進(jìn)氣行程打開(kāi)，壓縮器單向活門(mén)12在壓縮器氣缸52內(nèi)的壓力大于壓縮器出氣口15的壓力時(shí)打開(kāi)。A腔和B腔的進(jìn)氣角和傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)一致，如圖5中所示壓縮器進(jìn)氣角26。
如圖10所示，渦流燃燒室6上開(kāi)設(shè)有燃料噴射口32、火花塞33，其上開(kāi)設(shè)有三路管道，第一路通過(guò)啟動(dòng)進(jìn)氣口34經(jīng)啟動(dòng)電磁開(kāi)關(guān)3與啟動(dòng)高壓氣瓶1相連；第二路通過(guò)燃燒室進(jìn)氣口31與壓縮器出氣口15相通；第三路通過(guò)燃燒室出氣口35通往燃?xì)夥峙錂C(jī)構(gòu)7。啟動(dòng)時(shí)，從啟動(dòng)高壓氣瓶1來(lái)的壓縮空氣經(jīng)過(guò)渦流燃燒室6直接通往燃?xì)夥峙錂C(jī)構(gòu)7；正常工作時(shí)，從壓縮器出氣口15來(lái)的較高溫度壓縮空氣經(jīng)過(guò)截面變小的燃燒室進(jìn)氣口31時(shí)，氣流速度增加，可沿渦流燃燒室6切向旋轉(zhuǎn)，形成渦流；高壓燃料經(jīng)過(guò)燃料噴射口32噴入渦流燃燒室6，和旋轉(zhuǎn)的氣流混合良好，自燃燃燒。當(dāng)壓縮器出氣口15氣體溫度較低，不能達(dá)到燃料自燃的溫度時(shí)，計(jì)算機(jī)21控制燃燒室點(diǎn)火組件4使火花塞33產(chǎn)生電火花，點(diǎn)燃燃料和空氣的混合氣。
本實(shí)用新型作功器8由作功器氣缸53、作功器端蓋58和59、作功器活塞19、燃?xì)夥峙錂C(jī)構(gòu)7、作功器排氣門(mén)17和20組成，作功器活塞19將作功器氣缸53分為C腔和D腔，兩腔輪流作功和排氣，以取代傳統(tǒng)活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的氣缸和活塞等部件；作功器活塞19和壓縮器活塞11用貫穿于壓縮器氣缸52和作功器氣缸53的同一活塞桿16相連，推動(dòng)壓縮器活塞11壓縮氣體，并通過(guò)活塞桿16與曲柄連桿55相鉸接，帶動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)主軸22旋轉(zhuǎn)，完成進(jìn)氣、壓縮、作功、排氣的功能，向外輸出動(dòng)力。兩個(gè)活塞行程相同，但作功器活塞19的直徑比壓縮器活塞11的直徑大，C腔和D腔的容積比A腔和B腔的容積大。在設(shè)計(jì)狀態(tài)下，由A腔和B腔壓縮到壓縮器出氣口15的氣體在渦流燃燒室6中和燃料燃燒生成的燃?xì)?，在C腔和D腔內(nèi)正好完全膨脹，排放時(shí)的壓力和外界大氣壓力接近。如圖4所示，在活塞桿16的上止點(diǎn)，A腔和C腔的容積為零，A腔中所有空氣都被壓縮到壓縮器出氣口15，C腔的廢氣排放完全；在活塞桿16的下止點(diǎn)，B腔和D腔的情形與上述類似。
當(dāng)活塞桿16向左運(yùn)動(dòng)接近上止點(diǎn)時(shí)，A腔由于處于壓縮行程使氣體壓力顯著上升，減慢活塞桿16向左運(yùn)動(dòng)的速度，起到回復(fù)力的作用；當(dāng)活塞桿16經(jīng)過(guò)上止點(diǎn)開(kāi)始向右運(yùn)動(dòng)時(shí)，C腔進(jìn)入高壓燃?xì)?，推?dòng)作功器活塞19加速向右運(yùn)動(dòng)；當(dāng)活塞桿16接近下止點(diǎn)時(shí)，C腔的氣壓已經(jīng)顯著減小，而B(niǎo)腔由于處于壓縮行程使氣壓力迅速上升，減慢活塞桿16向右運(yùn)動(dòng)的速度，起到回復(fù)力的作用；當(dāng)活塞經(jīng)過(guò)下止點(diǎn)開(kāi)始向左運(yùn)動(dòng)時(shí)，D腔進(jìn)入高壓燃?xì)?，推?dòng)作功器活塞19加速向左運(yùn)動(dòng)。上述過(guò)程周而復(fù)始，所以壓縮器活塞11、作功器活塞19和活塞桿16的受力情況與彈簧振子類似，壓縮器A腔、B腔和作功器C腔、D腔中的氣體起到了彈簧的作用，一般不需要發(fā)動(dòng)機(jī)主軸22通過(guò)曲柄連桿55提供回復(fù)力。
燃?xì)夥峙錂C(jī)構(gòu)7和渦流燃燒室6直接相連，另有兩條管路分別與作功器C腔和D腔相連；作功器排氣門(mén)17和20分別與C腔和D腔相連，另有一條管路通往作功器出氣口50，除完成正常的排氣功能外，還可以根據(jù)與設(shè)在作功器出氣管路上的總壓探頭51相連的總壓峰值傳感器18的信號(hào)調(diào)節(jié)開(kāi)啟的時(shí)機(jī)，使高壓燃?xì)獾娜繅毫δ苻D(zhuǎn)換為機(jī)械能。
燃?xì)夥峙錂C(jī)構(gòu)7可以改變從渦流燃燒室6到作功器C腔和D腔氣流通道的關(guān)閉時(shí)機(jī)，調(diào)節(jié)進(jìn)入作功器C腔和D腔的高壓燃?xì)饬?，從而改變發(fā)動(dòng)機(jī)的功率和轉(zhuǎn)速。圖6所示為燃?xì)夥峙錂C(jī)構(gòu)7關(guān)閉時(shí)壓縮器活塞11和作功器活塞19在氣缸內(nèi)所處位置和曲柄連桿55所處位置，進(jìn)入C腔的高溫高壓燃?xì)庠谄鋬?nèi)絕熱膨脹，推動(dòng)作功器活塞19向外作功。圖7為作功器C腔配氣角示意圖，如圖7所示，作功器配氣角27可由燃?xì)夥峙錂C(jī)構(gòu)7根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)所需要的功率和轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)，作功器配氣角27越大，進(jìn)入C腔的高溫高壓燃?xì)庠蕉?，氣體膨脹作功的距離和平均壓力越大，發(fā)動(dòng)機(jī)功率和轉(zhuǎn)速增加。作功器配氣角27可以在一定的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，當(dāng)燃?xì)夥峙錂C(jī)構(gòu)7完全關(guān)閉時(shí)，作功器配氣角27為零度。D腔的工作情形與上述情形類似。
作功器排氣門(mén)17和20的排氣時(shí)機(jī)可以調(diào)節(jié)，使燃?xì)庠贑腔和D腔內(nèi)完全膨脹，同時(shí)防止燃?xì)膺^(guò)度膨脹而導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)效率下降。圖8為C腔開(kāi)始排氣時(shí)作功器活塞19和壓縮器活塞11在其氣缸內(nèi)所處位置及曲柄連桿55位置示意圖。在此位置時(shí)，C腔的燃?xì)馔耆蛎?，壓力和外界大氣壓力相等。若作功器排氣門(mén)17沒(méi)有打開(kāi)，則C腔的氣體壓力繼續(xù)下降，低于外界大氣壓力，燃?xì)鈱?duì)外作負(fù)功；若在作功器排氣門(mén)17打開(kāi)時(shí)燃?xì)膺€沒(méi)有完全膨脹，則燃?xì)獠糠謮毫δ芾速M(fèi)了。在上述兩種情況下，作功器排氣門(mén)17的開(kāi)啟時(shí)機(jī)應(yīng)進(jìn)行調(diào)節(jié)。圖9為C腔排氣角示意圖。對(duì)于C腔，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)最大功率工作時(shí)，排氣角為固定排氣角29；若功率較小，進(jìn)入C腔的高壓燃?xì)廨^少，則提前開(kāi)啟作功器排氣門(mén)17，使C腔和外界大氣相通。提前開(kāi)啟的時(shí)間對(duì)應(yīng)于提前排氣角30，此時(shí)作功器排氣角28為固定排氣角29與提前排氣角30之和。
本實(shí)用新型由計(jì)算機(jī)21根據(jù)外部輸入的啟動(dòng)指令，給定發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速指令和發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部各傳感器的信號(hào)控制發(fā)動(dòng)機(jī)，使發(fā)動(dòng)機(jī)的工作狀態(tài)盡可能和外部輸入的指令一致。計(jì)算機(jī)可為單片機(jī)，如8051單片機(jī)。
如圖11所示，本實(shí)用新型綜合考慮陶瓷材料的機(jī)械性能、熱學(xué)性能和成本，在壓縮器氣缸52、作功器氣缸53、壓縮器活塞11、作功器活塞19、活塞桿16、壓縮器端蓋56和57、作功器端蓋58和59、渦流燃燒室6、燃?xì)夥峙錂C(jī)構(gòu)7、作功器排氣門(mén)17和20等高溫和承力部件采用耐高溫、耐摩擦、絕熱的結(jié)構(gòu)陶瓷復(fù)合材料。陶瓷層的主體采用韌性好、強(qiáng)度高、隔熱性能好、價(jià)格便宜的纖維加強(qiáng)多孔陶瓷層49，既保證了機(jī)械強(qiáng)度和熱學(xué)性能，又保證了材料的成本不高；在纖維加強(qiáng)多孔陶瓷層49的表層采用了耐高溫、耐磨擦、自潤(rùn)滑、氣密性好的結(jié)構(gòu)陶瓷層48，優(yōu)先采用反應(yīng)生成的氮化硅結(jié)構(gòu)陶瓷，保證陶瓷零件的機(jī)械加工性能和零件的精確度。
本實(shí)用新型的啟動(dòng)過(guò)程1、啟動(dòng)時(shí)，啟動(dòng)電機(jī)使發(fā)動(dòng)機(jī)主軸22旋轉(zhuǎn)，同時(shí)啟動(dòng)電磁開(kāi)關(guān)3上的電磁線圈36通電，打開(kāi)控制活門(mén)43，接通啟動(dòng)高壓氣瓶1與渦流燃燒室6，使高壓氣體充滿渦流燃燒室6；當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)主軸旋轉(zhuǎn)到燃?xì)夥峙錂C(jī)構(gòu)7打開(kāi)時(shí)，儲(chǔ)存的高壓氣體進(jìn)入作功器8內(nèi)，推動(dòng)作功器活塞19作功，使發(fā)動(dòng)機(jī)迅速旋轉(zhuǎn)；發(fā)動(dòng)機(jī)主軸22旋轉(zhuǎn)預(yù)定的圈數(shù)后啟動(dòng)電機(jī)退出工作；2、當(dāng)壓縮器2經(jīng)過(guò)幾次壓縮之后，較高溫度壓縮空氣到達(dá)渦流燃燒室6，計(jì)算機(jī)21控制燃料噴射控制組件5向渦流燃燒室6噴射燃料，燃料自燃燃燒；如果經(jīng)過(guò)一定的壓縮次數(shù)之后壓縮器出氣口15的氣體溫度仍然達(dá)不到燃料自燃的溫度，則計(jì)算機(jī)21在開(kāi)始噴射燃料的同時(shí)啟動(dòng)燃燒室點(diǎn)火組件4使火花塞33點(diǎn)火。
3、當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)主軸22旋轉(zhuǎn)預(yù)定圈數(shù)之后，計(jì)算機(jī)21停止向啟動(dòng)電磁開(kāi)關(guān)3的電磁線圈36供電，切斷啟動(dòng)高壓氣瓶1與渦流燃燒室6之間的通路，啟動(dòng)結(jié)束。
本實(shí)用新型的工作過(guò)程1、空氣經(jīng)過(guò)徑向增壓風(fēng)扇54進(jìn)行初步增壓，提高壓縮器進(jìn)氣口9的空氣壓力，保證壓縮器2有充足的進(jìn)氣量，同時(shí)保證在空氣比較稀薄的高原地區(qū)能夠使發(fā)動(dòng)機(jī)達(dá)到設(shè)計(jì)的功率；2、經(jīng)過(guò)初步增壓的空氣經(jīng)過(guò)壓縮器進(jìn)氣門(mén)10進(jìn)入壓縮器氣缸52內(nèi)，在壓縮器活塞11的擠壓作用下通過(guò)壓縮器單向活門(mén)12到達(dá)壓縮器出氣口15，流向渦流燃燒室6(壓縮空氣的溫度可以達(dá)到700攝氏度)。如果啟動(dòng)高壓氣瓶1的氣體壓力比較低，則部分壓縮空氣經(jīng)過(guò)氣瓶單向活門(mén)13進(jìn)入啟動(dòng)高壓氣瓶1，直到啟動(dòng)高壓氣瓶1中的氣體壓力不再升高為止；3、較高溫度的壓縮空氣經(jīng)過(guò)燃燒室進(jìn)氣口31進(jìn)入渦流燃燒室6內(nèi)，在燃燒室中會(huì)產(chǎn)生渦流，和噴射的燃料充分混合，完全燃燒，燃燒后的燃?xì)鉁囟瓤梢赃_(dá)到1500攝氏度，但不會(huì)出現(xiàn)傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)等容燃燒時(shí)產(chǎn)生的局部高溫高壓(1800攝氏度以上，80個(gè)大氣壓以上)；4、高溫燃?xì)饨?jīng)過(guò)燃?xì)夥峙錂C(jī)構(gòu)7進(jìn)入作功器氣缸53，推動(dòng)作功器活塞19運(yùn)動(dòng)，一方面帶動(dòng)壓縮器活塞11壓縮空氣，另一方面通過(guò)曲柄連桿55推動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)主軸22向外作功。燃?xì)夥峙錂C(jī)構(gòu)7可以調(diào)節(jié)高壓燃?xì)獾倪M(jìn)入量，從而使發(fā)動(dòng)機(jī)達(dá)到預(yù)定的功率和轉(zhuǎn)速。根據(jù)廢氣總壓峰值調(diào)節(jié)的排氣系統(tǒng)(包括總壓探頭51、總壓峰值傳感器18、作功器排氣門(mén)17和20等部件)可以根據(jù)廢氣的總壓峰值(反映了作功器排氣門(mén)17和20開(kāi)啟瞬間C腔和D腔的氣體壓力)調(diào)節(jié)作功器排氣門(mén)17和20開(kāi)啟的時(shí)機(jī)，從而使高壓燃?xì)庠谧鞴ζ鳉飧?3內(nèi)完全膨脹作功，同時(shí)防止燃?xì)膺^(guò)度膨脹消耗機(jī)械能，提高了發(fā)動(dòng)機(jī)效率，減小了發(fā)動(dòng)機(jī)排氣噪音。廢氣從發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣出口14排出(廢氣的最高溫度一般不超過(guò)300攝氏度)。
本實(shí)用新型功率和轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)改變?nèi)細(xì)夥峙錂C(jī)構(gòu)7控制的作功器配氣角27可以改變發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和功率。壓縮器2每次從壓縮器出氣口15擠壓出的氣體質(zhì)量保持不變，在渦流燃燒室6氣體壓力基本不變的前提下，每壓縮一次氣體所需的機(jī)械能基本不變。當(dāng)增加作功器配氣角27時(shí)，進(jìn)入作功器氣缸53的高壓燃?xì)饬?體積)增大，燃?xì)庾鞴π谐淘黾?，作功過(guò)程中的平均壓力增大，從而使發(fā)動(dòng)機(jī)向外輸出的機(jī)械能增加，使發(fā)動(dòng)機(jī)功率增加，轉(zhuǎn)速上升；減小作功器配氣角27時(shí)，燃?xì)庾鞴π谐虦p少，作功過(guò)程中的平均壓力減小，發(fā)動(dòng)機(jī)功率減小，轉(zhuǎn)速下降。
本實(shí)用新型壓縮比的調(diào)節(jié)1、在平衡狀態(tài)，本實(shí)用新型渦流燃燒室6的氣體壓力平均值保持不變。在平衡狀態(tài)，啟動(dòng)高壓氣瓶1不參與工作，容納高壓氣體的高壓部件主要包括渦流燃燒室6和與之相連的高壓管路。渦流燃燒室6和與之相連的高壓管路可以容納較多的高壓氣體，能容納的氣體量為壓縮器2每次壓縮量的十倍以上，也是作功器8每次需求氣體量的十倍以上，因此盡管由于壓縮器2向渦流燃燒室6供氣和渦流燃燒室6向作功器8提供高壓燃?xì)舛箿u流燃燒室6的氣體壓力出現(xiàn)波動(dòng)，但渦流燃燒室6的氣體壓力平均值基本不變。
2、在外界大氣壓力和溫度已知的情況下，一定的壓縮比和壓縮后高壓氣體一定的壓力相對(duì)應(yīng)。根據(jù)大氣壓力、大氣溫度和壓縮器出氣口15的氣體壓力可以知道高壓氣體的壓縮比；相反，根據(jù)外界大氣壓力、大氣溫度和所需壓縮比可以得到壓縮器出氣口15所對(duì)應(yīng)的氣體壓力?？紤]到在發(fā)動(dòng)機(jī)低轉(zhuǎn)速時(shí)高壓氣體泄漏損失較大，因此在發(fā)動(dòng)機(jī)低轉(zhuǎn)速時(shí)使用較低的壓縮比，減少壓縮氣體消耗的機(jī)械能和高壓氣體泄漏損失，提高發(fā)動(dòng)機(jī)效率。對(duì)于一種發(fā)動(dòng)機(jī)，最優(yōu)的壓縮比和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速相關(guān)。所以根據(jù)外界大氣壓力、大氣溫度、和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速可以計(jì)算出壓縮器出氣口15的最優(yōu)壓力。
3、單獨(dú)改變作功器配氣角27可以改變渦流燃燒室6的氣體壓力。在發(fā)動(dòng)機(jī)渦流燃燒室6的燃料噴射量保持不變時(shí)，改變?nèi)細(xì)夥峙錂C(jī)構(gòu)7控制的作功器配氣角27，可以改變進(jìn)入作功器氣缸53的燃?xì)饬?，從而?dǎo)致渦流燃燒室6的氣體壓力發(fā)生變化。例如當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)所需要的功率增加時(shí)，燃?xì)夥峙錂C(jī)構(gòu)7調(diào)大作功器配氣角27，因此進(jìn)入作功器氣缸53的高壓燃?xì)獾捏w積增加，導(dǎo)致渦流燃燒室6的壓力平均值比前一時(shí)刻的壓力平均值低。經(jīng)過(guò)多次循環(huán)，渦流燃燒室6的氣體壓力停止下降，穩(wěn)定在一個(gè)較低的壓力值。
4、單獨(dú)改變?nèi)剂蠂娚淞靠梢愿淖儨u流燃燒室6的氣體壓力。在過(guò)量空氣系數(shù)大于1時(shí)，增加燃料噴射量，則燃?xì)鉁囟壬仙?，?dǎo)致渦流燃燒室6的氣體壓力上升。
5、本實(shí)用新型的壓縮比可以通過(guò)調(diào)節(jié)作功器配氣角27和渦流燃燒室6的燃料噴射量使渦流燃燒室6的氣體壓力發(fā)生改變來(lái)實(shí)現(xiàn)。本實(shí)用新型的壓縮比和渦流燃燒室6的氣體壓力相對(duì)應(yīng)，而渦流燃燒室6的氣體壓力可以通過(guò)調(diào)節(jié)作功器配氣角27和渦流燃燒室6的燃料噴射量來(lái)改變，因此本實(shí)用新型的壓縮比可以通過(guò)調(diào)節(jié)作功器配氣角27和渦流燃燒室6的燃料噴射量使渦流燃燒室6的氣體壓力和計(jì)算出來(lái)的最優(yōu)壓力保持一致來(lái)達(dá)到。
本實(shí)用新型采用如下方案調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)的功率和壓縮比通過(guò)調(diào)節(jié)作功器配氣角27來(lái)改變發(fā)動(dòng)機(jī)的功率和轉(zhuǎn)速；通過(guò)調(diào)節(jié)渦流燃燒室6的燃料噴射量使渦流燃燒室6的氣體壓力和最優(yōu)壓力保持一致來(lái)改變壓縮比。
本實(shí)用新型在交通工具減速或下坡時(shí)機(jī)械能的回收由于減速和下坡時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)所需的功率減小，因此燃?xì)夥峙錂C(jī)構(gòu)7關(guān)閉時(shí)機(jī)提前，作功器配氣角27減小，作功器氣缸53所需的高壓燃?xì)鉁p少，而壓縮器2仍然不斷將空氣壓縮進(jìn)渦流燃燒室6，將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為壓縮氣體的壓力能，使渦流燃燒室6的氣壓不斷增高；隨著渦流燃燒室6氣體壓力的增加，計(jì)算機(jī)21減少噴入渦流燃燒室6的燃料，直至停止；當(dāng)渦流燃燒室6的氣壓高于啟動(dòng)高壓氣瓶1的氣壓時(shí)，壓縮空氣經(jīng)過(guò)氣瓶單向活門(mén)13流進(jìn)啟動(dòng)高壓氣瓶1，將外界輸入的機(jī)械能以壓縮氣體壓力能的形式儲(chǔ)存起來(lái)；當(dāng)啟動(dòng)高壓氣瓶1的壓力大于一定值時(shí)(比發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作時(shí)渦流燃燒室6的氣體壓力高)，啟動(dòng)高壓氣瓶1的氣體克服啟動(dòng)電磁開(kāi)關(guān)3上調(diào)壓彈簧46的預(yù)緊力打開(kāi)連通活門(mén)41，將啟動(dòng)高壓氣瓶1與渦流燃燒室6連通，在作功器8需要高壓燃?xì)鈺r(shí)，首先利用這部分儲(chǔ)存起來(lái)的氣體能量而不消耗燃料。
本實(shí)用新型針對(duì)傳統(tǒng)活塞發(fā)動(dòng)機(jī)在效率和環(huán)境污染方面的缺陷，從原理、結(jié)構(gòu)和材料等方面都進(jìn)行了改進(jìn)。如圖13所示，本實(shí)用新型采用類似于航空發(fā)動(dòng)機(jī)的熱力循環(huán)，同時(shí)利用活塞發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮比高的特點(diǎn)，吸收兩者的長(zhǎng)處進(jìn)行設(shè)計(jì)，本實(shí)用新型可以消除燃燒動(dòng)力學(xué)不完善、傳熱、燃燒不完全及熱分解、提前排氣帶來(lái)的損失，指示熱效率可以達(dá)到0.57。本實(shí)用新型由于結(jié)構(gòu)上的改進(jìn)，可以大幅度降低活塞、活塞環(huán)、曲軸軸承和配氣機(jī)構(gòu)帶來(lái)的摩擦損失；由于沒(méi)有水泵和風(fēng)扇，減少了機(jī)械能的消耗。結(jié)構(gòu)上的改進(jìn)使指示效率僅降低約0.05，從而可以將有效熱效率提高到0.52左右。
本實(shí)用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下技術(shù)效果一、本實(shí)用新型可大幅度提高熱機(jī)效率，在現(xiàn)有內(nèi)燃機(jī)最高效率的基礎(chǔ)上將發(fā)動(dòng)機(jī)效率提高約10個(gè)百分點(diǎn)。
以柴油機(jī)為例，高壓縮比柴油機(jī)的理論循環(huán)效率為0.64～0.67；各種工程損失有工質(zhì)比熱變化0.09～0.10，燃燒動(dòng)力學(xué)不完善0.05～0.07，傳熱損失0.04～0.05，燃燒不完全及熱分解0.01～0.02，提前排氣0.01，考慮這些損失后的指示熱效率為0.42～0.44；在指示熱效率中，各種機(jī)械損失占指示熱效率的25％～30％，因此柴油機(jī)的有效熱效率為0.27～0.38(高于汽油機(jī)的有效熱效率0.21～0.28)。在機(jī)械損失中，摩擦損失占62％～75％，其中活塞及活塞環(huán)占42％～50％，曲軸軸承占16％～19％，配氣機(jī)構(gòu)占4％～6％；泵氣損失占15％～13％；帶動(dòng)各種附件的損失占12％～17％，其中水泵和風(fēng)扇占8％～11％。
具體效果如下1、本實(shí)用新型采用變壓縮比措施，在發(fā)動(dòng)機(jī)高轉(zhuǎn)速時(shí)由于高壓氣體泄漏損失相對(duì)較小而采用高壓縮比，一般在20左右，使理論循環(huán)效率可以達(dá)到0.66；當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速較低時(shí)，由于高壓氣體泄漏損失相對(duì)較大而采用較低的壓縮比，減小機(jī)械能的消耗和高壓氣體泄漏損失，提高發(fā)動(dòng)機(jī)效率。
2、本實(shí)用新型采用了將壓縮器和作功器分離、在壓縮器和作功器之間設(shè)置渦流燃燒室的措施，將活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣壓縮行程、作功排氣行程和組織燃燒分開(kāi)，進(jìn)行最優(yōu)設(shè)計(jì)。壓縮器只負(fù)責(zé)進(jìn)氣和壓縮，作功器只負(fù)責(zé)作功和排氣，渦流燃燒室只負(fù)責(zé)組織燃燒。作功器的容積比壓縮器的容積大，在設(shè)計(jì)狀態(tài)下，從壓縮器出來(lái)的壓縮空氣和燃料燃燒膨脹后正好在作功器內(nèi)完全膨脹作功，廢氣排放時(shí)的氣壓和外界大氣壓力接近，充分利用高壓燃?xì)獾膲毫δ?，起到傳統(tǒng)活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的氣缸和渦輪廢氣增壓器的作用。在渦流燃燒室中，燃料和切向旋轉(zhuǎn)的較高溫度壓縮空氣充分混合，同時(shí)由于渦流燃燒室可以容納較多高壓氣體，燃料在渦流燃燒室停留時(shí)間長(zhǎng)(約為發(fā)動(dòng)機(jī)主軸旋轉(zhuǎn)周期的幾倍到十幾倍)，因而燃燒充分；由于等壓燃燒的溫度可以控制，因此燃?xì)獾淖罡邷囟炔怀^(guò)一定限度，不會(huì)導(dǎo)致燃燒產(chǎn)物熱分解。
此項(xiàng)措施消除了燃燒動(dòng)力學(xué)不完善、燃燒不完全及熱分解、提前排氣帶來(lái)的工程損失。
3、本實(shí)用新型在壓縮器氣缸、作功器氣缸、壓縮器活塞、作功器活塞、活塞桿、壓縮器端蓋、作功器端蓋、渦流燃燒室、燃?xì)夥峙錂C(jī)構(gòu)、作功器排氣門(mén)等部件采用耐高溫、絕熱的結(jié)構(gòu)陶瓷復(fù)合材料，不需要復(fù)雜的冷卻系統(tǒng)，不耗費(fèi)驅(qū)動(dòng)冷卻系統(tǒng)的機(jī)械能，并且使高溫氣體的傳熱損失降到最低，提高了發(fā)動(dòng)機(jī)效率和燃料利用率。
此項(xiàng)措施消除了傳熱損失，也消除了帶動(dòng)水泵和風(fēng)扇所需的機(jī)械能。
4、本實(shí)用新型在結(jié)構(gòu)和材料上對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了改進(jìn)。結(jié)構(gòu)上的改進(jìn)有①、壓縮器活塞和作功器活塞只通過(guò)活塞環(huán)與壓縮器氣缸和作功器氣缸接觸，壓縮器活塞和作功器活塞通過(guò)同一活塞桿連接在一起，作功器活塞運(yùn)動(dòng)時(shí)直接帶動(dòng)壓縮器活塞壓縮氣體，同時(shí)通過(guò)曲柄連桿使發(fā)動(dòng)機(jī)主軸旋轉(zhuǎn)，向外輸出凈功，因此曲柄連桿對(duì)活塞桿的側(cè)向力減小。②、壓縮器活塞將壓縮器氣缸分成A腔和B腔，作功器活塞將作功器氣缸分成C腔和D腔，因此壓縮器活塞和作功器活塞在一個(gè)行程中使四個(gè)腔工作，分別完成進(jìn)氣、壓縮、作功和排氣，因此在一次熱力循環(huán)中存在側(cè)向力的時(shí)機(jī)只有一次。③、由于采用以上結(jié)構(gòu)，在活塞桿運(yùn)動(dòng)到上止點(diǎn)和下止點(diǎn)附近時(shí)，高壓氣體的壓力起到了回復(fù)力的作用，從而顯著減小了需要發(fā)動(dòng)機(jī)主軸提供的回復(fù)力。
材料上的改進(jìn)有①、在發(fā)動(dòng)機(jī)主軸的軸承等承力部件采用耐摩擦、自潤(rùn)滑、低磨損的結(jié)構(gòu)陶瓷復(fù)合材料，并且始終保持良好潤(rùn)滑，因而摩擦力??；②、曲柄連桿施加給活塞桿的側(cè)向力由潤(rùn)滑良好的結(jié)構(gòu)陶瓷承擔(dān)，將摩擦損失降到最低。
此項(xiàng)措施大幅度減小了摩擦損失，尤其當(dāng)A、B、C、D四個(gè)腔的氣壓力和壓縮器活塞、作功器活塞及活塞桿往復(fù)運(yùn)動(dòng)所需的回復(fù)力接近時(shí)，摩擦損失最小，機(jī)械效率最高。
二、本實(shí)用新型可大幅度降低發(fā)動(dòng)機(jī)噪音，徹底根除傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣爆音。
本實(shí)用新型由于采用了壓縮器和作功器將進(jìn)氣、壓縮行程和作功、排氣行程分離，并且作功器的容積比壓縮器的容積大，高溫高壓燃?xì)饪梢栽谧鞴ζ鲀?nèi)完全膨脹作功，因此廢氣排放時(shí)的壓力與外界大氣壓力基本上相等，不會(huì)在排放廢氣時(shí)產(chǎn)生爆音。
三、本實(shí)用新型可根除CO、HC、氧氮產(chǎn)物和黑煙的排放，消除對(duì)環(huán)境的污染，成為綠色動(dòng)力。
1、本實(shí)用新型由于將進(jìn)氣、壓縮行程和作功、排氣行程分離，采用了單獨(dú)的渦流燃燒室使燃料和較高溫度的壓縮空氣充分混合，同時(shí)燃料在渦流燃燒室內(nèi)停留時(shí)間較長(zhǎng)，因此燃料可以完全燃燒，不會(huì)由于不完全燃燒而產(chǎn)生CO、HC等有害物質(zhì)和黑煙。
2、本實(shí)用新型采用等壓燃燒的原理，在燃料燃燒時(shí)燃?xì)馔瑫r(shí)膨脹，降低了燃?xì)獾臏囟?，不存在傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)等容燃燒時(shí)壓力和溫度特別高的時(shí)候。渦流燃燒室中的溫度一般不超過(guò)1500度，在這個(gè)溫度下，不產(chǎn)生高溫氧氮產(chǎn)物，也不會(huì)由于燃燒產(chǎn)物分解產(chǎn)生CO、HC等有害物質(zhì)。
四、本實(shí)用新型可大幅度減小發(fā)動(dòng)機(jī)的體積和重量，提高發(fā)動(dòng)機(jī)功率。
本實(shí)用新型的作功器和壓縮器緊密相連，在活塞桿的每個(gè)行程中，作功器的C腔、D腔和壓縮器的A腔、B腔一起完成一次進(jìn)氣、壓縮、作功和排氣。因此一個(gè)作功器、一個(gè)壓縮器和一個(gè)曲柄連桿相當(dāng)于四行程發(fā)動(dòng)機(jī)的四個(gè)氣缸和四個(gè)連桿，因而本實(shí)用新型體積小，功率大。經(jīng)估算，在壓縮比＝20、限制燃?xì)鉁囟炔怀^(guò)1500攝氏度、保證壓縮器有1升的進(jìn)氣量時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的功率可以達(dá)到108.5KW(6000轉(zhuǎn)/分)，此時(shí)作功器的容積為1.8升，排氣溫度約270攝氏度；發(fā)動(dòng)機(jī)的升功率為38.75KW/升，即52.7馬力/升，實(shí)際上由于采用了增壓風(fēng)扇，發(fā)動(dòng)機(jī)的升功率高于此值。本實(shí)用新型燃料消耗率為115.8克/馬力小時(shí)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于現(xiàn)有發(fā)動(dòng)機(jī)。
本實(shí)用新型在壓縮器氣缸、作功器氣缸、壓縮器活塞、作功器活塞、活塞桿、壓縮器端蓋、作功器端蓋、渦流燃燒室、燃?xì)夥峙錂C(jī)構(gòu)、作功器排氣門(mén)等部件采用耐高溫、絕熱的結(jié)構(gòu)陶瓷復(fù)合材料，密度小，重量輕，強(qiáng)度高。
本實(shí)用新型由于取消了冷卻系統(tǒng)，同時(shí)簡(jiǎn)化或取消了消音排氣系統(tǒng)，發(fā)動(dòng)機(jī)重量和體積進(jìn)一步減小。
五、本實(shí)用新型可大幅度提高發(fā)動(dòng)機(jī)壽命。
本實(shí)用新型的壓縮器活塞和作功器活塞與壓縮器氣缸和作功器氣缸都采用高硬度、耐摩擦、自潤(rùn)滑的結(jié)構(gòu)陶瓷復(fù)合材料(例如氮化硅)，同時(shí)壓縮器活塞和作功器活塞與壓縮器氣缸和作功器氣缸之間只有活塞環(huán)與氣缸壁之間的摩擦，摩擦力小，磨損小。由于結(jié)構(gòu)陶瓷材料熱膨脹系數(shù)小，并且活塞和氣缸采用相同材料，因此在小尺寸的發(fā)動(dòng)機(jī)上可以取消壓縮器活塞和作功器活塞上的活塞環(huán)。曲柄連桿傳遞的側(cè)向力由活塞桿承受，而活塞桿與作功器端蓋的表面都由光滑的耐磨結(jié)構(gòu)陶瓷構(gòu)成，并且始終提供潤(rùn)滑油，保證潤(rùn)滑良好。即使?jié)櫥┯统霈F(xiàn)故障，由于承力部件是自潤(rùn)滑的結(jié)構(gòu)陶瓷，雖然摩擦力增加，但不會(huì)出現(xiàn)居烈磨損的現(xiàn)象。
本實(shí)用新型主要承力部件采用自潤(rùn)滑、耐摩擦的結(jié)構(gòu)陶瓷復(fù)合材料，同時(shí)始終提供潤(rùn)滑油，保證良好的潤(rùn)滑。
六、本實(shí)用新型發(fā)動(dòng)機(jī)和車輛采用一體化設(shè)計(jì)，可回收多余能量。
本實(shí)用新型采用啟動(dòng)高壓氣瓶中的高壓氣體啟動(dòng)，啟動(dòng)高壓氣瓶可以以壓縮氣體的形式存儲(chǔ)外部輸入的機(jī)械能。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速高于給定轉(zhuǎn)速時(shí)，燃?xì)夥峙錂C(jī)構(gòu)關(guān)閉時(shí)機(jī)提前甚至完全關(guān)閉；壓縮器輸出的壓縮空氣不斷進(jìn)入渦流燃燒室和啟動(dòng)高壓氣瓶，將外界輸入的機(jī)械能以氣體壓力能量的形式儲(chǔ)存起來(lái)。當(dāng)氣瓶的壓力達(dá)到一定值時(shí)，啟動(dòng)高壓氣瓶和渦流燃燒室通過(guò)啟動(dòng)電磁開(kāi)關(guān)的連通活門(mén)直接連通，作功器需要供氣時(shí)首先利用存儲(chǔ)在啟動(dòng)高壓氣瓶的部分壓縮空氣。
七、本實(shí)用新型和燃料電池汽車相比，成本低。
本實(shí)用新型在熱機(jī)效率和消除環(huán)境污染方面接近于燃料電池汽車，但成本比燃料電池汽車低得多。本實(shí)用新型在發(fā)動(dòng)機(jī)主軸、發(fā)動(dòng)機(jī)基座等部件采用鋼材或者鋁合金材料，而在需要承受高溫和摩擦的部件采用耐高溫、耐磨擦的結(jié)構(gòu)陶瓷復(fù)合材料，結(jié)構(gòu)陶瓷材料主要元素是碳、氮和硅，這三種元素在自然界大量存在，尤其是制造氮化硅陶瓷所用的氮和硅。由于本實(shí)用新型不需要稀有金屬和戰(zhàn)略物資，同時(shí)減少了對(duì)鋼材的需求，因此大批量生產(chǎn)時(shí)成本低。
本實(shí)用新型采用內(nèi)外層結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)陶瓷復(fù)合材料，材料的大部分是纖維加強(qiáng)多孔性陶瓷層，只有材料的表面才用到高純度的結(jié)構(gòu)陶瓷層，因此對(duì)高純度硅材料的需要量少，最大可能地降低了成本。
八、本實(shí)用新型由于采用獨(dú)立渦流燃燒室組織燃燒，并且主要采用壓燃式方式，因此可以使用汽油、柴油、酒精、液化石油氣、天然氣、氫氣等多種液態(tài)和氣態(tài)能源。
權(quán)利要求1.一種變壓縮比絕熱陶瓷燃?xì)夥峙浠钊l(fā)動(dòng)機(jī)，其特征在于它由發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)系統(tǒng)、增壓風(fēng)扇、壓縮器、渦流燃燒室、作功器、計(jì)算機(jī)組成；所述發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)系統(tǒng)包括啟動(dòng)高壓氣瓶、啟動(dòng)電磁開(kāi)關(guān)、燃燒室點(diǎn)火組件和燃料噴射控制組件，啟動(dòng)高壓氣瓶通過(guò)啟動(dòng)電磁開(kāi)關(guān)與渦流燃燒室相連，燃燒室點(diǎn)火組件和燃料噴射控制組件亦與渦流燃燒室相通，由計(jì)算機(jī)控制；所述壓縮器包括壓縮器氣缸、壓縮器端蓋、壓縮器活塞、壓縮器進(jìn)氣門(mén)和壓縮器單向活門(mén)，壓縮器活塞將壓縮器氣缸分為A腔和B腔，A腔和B腔皆連通壓縮器進(jìn)氣門(mén)和壓縮器單向活門(mén)；所述渦流燃燒室上設(shè)有燃料噴射口、火花塞，其上開(kāi)設(shè)的燃燒室進(jìn)氣口與壓縮器出氣口相通，啟動(dòng)進(jìn)氣口與啟動(dòng)電磁開(kāi)關(guān)相接，燃燒室出氣口與燃?xì)夥峙錂C(jī)構(gòu)相接；所述作功器包括作功器氣缸、作功器端蓋、作功器活塞、燃?xì)夥峙錂C(jī)構(gòu)、作功器排氣門(mén)，作功器活塞將作功器氣缸分為C腔和D腔，其活塞桿與壓縮器活塞的活塞桿為貫穿于壓縮器氣缸和作功器氣缸之間的同一活塞桿，與發(fā)動(dòng)機(jī)主軸通過(guò)曲柄連桿鉸接；燃?xì)夥峙錂C(jī)構(gòu)和渦流燃燒室相連，并與作功器C腔和D腔相連，作功器排氣門(mén)分別與C腔和D腔相連，并連通發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣出口。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的變壓縮比絕熱陶瓷燃?xì)夥峙浠钊l(fā)動(dòng)機(jī)，其特征在于壓縮器氣缸、作功器氣缸、壓縮器活塞、作功器活塞、活塞桿、壓縮器端蓋、作功器端蓋、渦流燃燒室、燃?xì)夥峙錂C(jī)構(gòu)、作功器排氣門(mén)均采用外層為結(jié)構(gòu)陶瓷、內(nèi)層為纖維增強(qiáng)多孔性陶瓷的陶瓷復(fù)合材料。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的變壓縮比絕熱陶瓷燃?xì)夥峙浠钊l(fā)動(dòng)機(jī)，其特征在于啟動(dòng)電磁開(kāi)關(guān)上還設(shè)有膜片，該膜片置于與電磁開(kāi)關(guān)進(jìn)氣口相連通的管路上，與控制活門(mén)平行設(shè)置，調(diào)壓彈簧一端與膜片貼合，另一端接調(diào)整螺釘。
專利摘要一種變壓縮比絕熱陶瓷燃?xì)夥峙浠钊l(fā)動(dòng)機(jī),其特點(diǎn)是發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣、壓縮和作功、排氣分別由壓縮器和作功器完成,壓縮器和作功器之間設(shè)渦流燃燒室,渦流燃燒室和作功器氣缸之間設(shè)燃?xì)夥峙錂C(jī)構(gòu);通過(guò)活塞桿帶動(dòng)壓縮器活塞將壓縮器氣缸內(nèi)的空氣壓縮進(jìn)高壓渦流燃燒室并在其內(nèi)和燃料混合燃燒后經(jīng)燃?xì)夥峙錂C(jī)構(gòu)進(jìn)入作功器,推動(dòng)作功器活塞向外作功,各機(jī)構(gòu)由計(jì)算機(jī)控制。本實(shí)用新型可大幅提高發(fā)動(dòng)機(jī)效率,消除環(huán)境污染,且可使用多種能源。
文檔編號(hào)F02B75/00GK2480557SQ0123525
公開(kāi)日2002年3月6日 申請(qǐng)日期2001年6月6日 優(yōu)先權(quán)日2001年6月6日
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