專(zhuān)利名稱(chēng)：反沖燃?xì)鈾C(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明名稱(chēng)定為反沖燃?xì)鈾C(jī)；屬于內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域。
當(dāng)前內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)已經(jīng)發(fā)展到燃?xì)廨啓C(jī)，燃?xì)廨啓C(jī)許多性能都遠(yuǎn)比汽油機(jī)和柴油機(jī)優(yōu)越，但因燃?xì)廨啓C(jī)葉片的冷卻問(wèn)題難以解決至使燃?xì)廨啓C(jī)難以推廣和使用。目前它主要使用在噴氣式飛機(jī)上作噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)，要想在各種交通工具上使用燃?xì)廨啓C(jī)，困難很大。因此汽油機(jī)和柴油機(jī)仍然廣泛地使用，汽油機(jī)和柴油機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，熱效率較低(汽油機(jī)21-30％，柴油機(jī)28-40％)，浪費(fèi)大量燃油，而石油貯量有限，至使燃油越來(lái)越緊張，節(jié)約燃油勢(shì)在必行，發(fā)明一種熱效率高的，又易于推廣使用的內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)迫在眉睫。
本發(fā)明構(gòu)想為解決上述矛盾而設(shè)，外觀形狀見(jiàn)

圖1，內(nèi)部結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2和圖3，最主要的部件反沖轉(zhuǎn)子(8)見(jiàn)圖4和圖5，點(diǎn)火系統(tǒng)見(jiàn)圖6，高壓點(diǎn)火線路在反沖轉(zhuǎn)子中的布置方式見(jiàn)圖7，兩個(gè)小實(shí)驗(yàn)分別見(jiàn)圖8和圖9，并以圖2作為摘要附圖。空氣靜壓軸承的設(shè)計(jì)和齒輪對(duì)的選擇計(jì)算參見(jiàn)《精密機(jī)械與儀器零件部件設(shè)計(jì)》，壓氣機(jī)系統(tǒng)和已有的燃?xì)廨啓C(jī)的壓氣機(jī)相同，熱交換器(34)和空氣泵(47)都從其它地方移用，燃油泵(39)移用燃?xì)廨啓C(jī)上的燃油泵。
本設(shè)計(jì)的目的是為了克服燃?xì)廨啓C(jī)葉片難冷卻的弊病，拋棄葉片，利用反沖旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，使反沖轉(zhuǎn)子(8)直接旋轉(zhuǎn)起來(lái)，而反沖轉(zhuǎn)子(8)又易于冷卻，要讓這種反沖旋轉(zhuǎn)式燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)大力推廣和使用，取代汽油和柴油機(jī)，大大節(jié)約能源。
內(nèi)容變噴氣式飛機(jī)上的噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的反沖直線運(yùn)動(dòng)為反沖旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，即讓高溫高速氣流從反沖轉(zhuǎn)子(8)的燃?xì)鈬娮?58)所在圓的切線方向噴出，高速氣流的反作用力作用在反沖轉(zhuǎn)子(8)的噴嘴(58)所在圓的切線上，這個(gè)切向反作用力推動(dòng)反沖轉(zhuǎn)子(8)直接旋轉(zhuǎn)而作功。
作用原理的依據(jù)是動(dòng)量守恒定律，已作過(guò)兩個(gè)小實(shí)驗(yàn)，一個(gè)是用嘴吹氣使其旋轉(zhuǎn)的反沖轉(zhuǎn)子(見(jiàn)附圖8)，另一個(gè)是用噴氣煙花做的封閉式的反沖旋子(見(jiàn)附圖9)。
由動(dòng)量定理F·t＝m·v，推導(dǎo)出F＝m·v/t，力F即為切向反作用力，這個(gè)力就是反沖燃?xì)鈾C(jī)工作的動(dòng)力，動(dòng)力的大小取決于單位時(shí)間內(nèi)從噴嘴(58)噴出的燃?xì)獾馁|(zhì)量m和速度v的乘積。
下面推導(dǎo)噴氣速度v和充氣系數(shù)c的關(guān)系設(shè)燃油的分子式C8H16112384m X112m＝384 X＝3.43m充氣系數(shù)取C，則進(jìn)入燃?xì)馐业腛2的質(zhì)量為3.43mc；進(jìn)入燃燒室的空氣的質(zhì)量為3.43mc÷21％＝16.33mc；m克燃油燃燒后生成的混和氣體的質(zhì)量為m+16.33mc＝(1+16.33C)m克，取燃油的燃燒值為q卡/克，設(shè)熱效率為η，設(shè)燃?xì)馑俣葹関。 V=2000qjη1+16.33C]]>
V即為從噴嘴噴出的燃?xì)獾乃俣绒D(zhuǎn)速N與轉(zhuǎn)子直徑D的關(guān)系設(shè)熱效率為η，t秒鐘內(nèi)燃燒m克燃油，燃油的燃燒值為q卡/克，則功率p＝mqjη/t(w)…(1)；轉(zhuǎn)子受到燃?xì)獾那邢蚍醋饔昧＝(1+16.33C)m·v/1000t…(2)設(shè)轉(zhuǎn)子直徑為D，轉(zhuǎn)子受到的力矩M＝F·D/2…(3)轉(zhuǎn)矩M與轉(zhuǎn)速N及功率的關(guān)系M＝9.55P/n …(4)聯(lián)立方程(1)、(2)、(3)、(4)求解得轉(zhuǎn)速n=19100qjη(1+16.33C)VD]]>結(jié)論轉(zhuǎn)速n與轉(zhuǎn)子直徑D成反比，與功率P的大小無(wú)關(guān)。
編 號(hào) 名 稱(chēng) 一 覽 表
點(diǎn)火系統(tǒng)的說(shuō)明提供火花塞(9)電能的電機(jī)采用無(wú)觸點(diǎn)硅整流磁電機(jī)。采用磁鋼(16)固定，而線圈(18)旋轉(zhuǎn)的方式，使線圈(18)和反沖轉(zhuǎn)子(8)一起轉(zhuǎn)動(dòng)，并且電子元件室(19)也跟著反沖轉(zhuǎn)子(8)一起轉(zhuǎn)動(dòng)，高壓點(diǎn)火線路(10)鑲嵌在反沖轉(zhuǎn)子(8)的外壁上，使整個(gè)點(diǎn)火線路的各組成部分均與反沖轉(zhuǎn)子(8)無(wú)相對(duì)運(yùn)動(dòng)，跟著反沖轉(zhuǎn)子(8)一起旋轉(zhuǎn)。
注在反沖轉(zhuǎn)子(8)上設(shè)有燃?xì)饪刂崎y(11)，在燃燒室(32)內(nèi)的混和氣體沒(méi)有點(diǎn)燃前，壓強(qiáng)低，混和氣體不能推開(kāi)燃?xì)饪刂崎y(11)從燃?xì)鈬娮?58)噴出，隨著混和氣體的增加，壓強(qiáng)增大，溫度升高，如果壓氣機(jī)能夠提供足夠高的壓強(qiáng)，燃燒室(32)內(nèi)的混和氣體的溫度將自行達(dá)到燃油著火溫度而燃燒，就象柴油機(jī)的壓燃式點(diǎn)火一樣，就可以取消整個(gè)點(diǎn)火系統(tǒng)。
反沖燃?xì)鈾C(jī)工作過(guò)程起動(dòng)打開(kāi)電源開(kāi)關(guān)，即讓蓄電池和直動(dòng)電動(dòng)(發(fā)電)機(jī)(31)接通，直流電動(dòng)機(jī)(31)旋轉(zhuǎn)，驅(qū)動(dòng)壓氣機(jī)軸(41)旋轉(zhuǎn)，壓氣機(jī)葉片(38)轉(zhuǎn)動(dòng)，將外界的空氣經(jīng)空氣進(jìn)氣管吸入熱交換器(34)中，空氣從熱交換器(34)的管子內(nèi)流過(guò)，被管外的廢氣加熱，加熱后的空氣進(jìn)入壓氣機(jī)，空氣經(jīng)壓氣機(jī)加壓后形成壓縮空氣，壓縮空氣進(jìn)入壓縮空氣導(dǎo)管(48)，推開(kāi)單向閥(49)進(jìn)入小端蓋(2)內(nèi)，再經(jīng)反沖轉(zhuǎn)子(8)的空心軸(59)進(jìn)入燃燒室(32)中。
壓氣軸(41)旋轉(zhuǎn)的同時(shí)，通過(guò)主動(dòng)齒輪(42)驅(qū)動(dòng)燃油泵齒輪(40)和空氣泵齒輪(46)旋轉(zhuǎn)，空氣泵(47)為空氣靜壓軸承(4)提供所需空氣，燃油泵(39)為噴油嘴(3)提供高壓燃油，燃油經(jīng)噴油嘴(3)噴成霧狀進(jìn)入燃燒室(32)中，隨著壓縮空氣的增加，壓強(qiáng)增大，溫度升高，霧狀燃油蒸發(fā)成氣態(tài)，與空氣混和成混和氣。
另一方面，直流電動(dòng)機(jī)(31)在旋轉(zhuǎn)的同時(shí)，通過(guò)齒輪(30、28和21)驅(qū)動(dòng)反沖轉(zhuǎn)子(8)旋轉(zhuǎn)，磁電機(jī)的線圈(18)跟著反沖轉(zhuǎn)子(8)旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生電流，產(chǎn)生的電流再經(jīng)電子元件室(19)中的電子元件變成高壓電，高壓電經(jīng)高壓點(diǎn)火線路(10)導(dǎo)通到火花塞(9)，火花塞產(chǎn)生電火花，點(diǎn)燃燃燒室(32)中的混和氣；混和氣點(diǎn)燃后，溫度急劇升高，壓強(qiáng)急劇增大，而壓縮空氣導(dǎo)管(48)中的單向閥(49)阻止高溫高壓燃?xì)獾沽骰貕簹鈾C(jī)，高溫高壓燃?xì)庵荒芡崎_(kāi)燃?xì)饪刂崎y(11)經(jīng)燃?xì)鈬娮?58)高速?lài)姵?，高速氣流的反沖作用力推動(dòng)反沖轉(zhuǎn)子(8)旋轉(zhuǎn)起來(lái)，反沖燃?xì)鈾C(jī)就起動(dòng)了。
工作狀態(tài)反沖燃?xì)鈾C(jī)起動(dòng)后一方面通過(guò)動(dòng)力輸出軸(26)輸出動(dòng)力；一面通過(guò)齒輪(21、28和30)驅(qū)動(dòng)直流發(fā)電機(jī)(31)發(fā)電，發(fā)出的電能充入蓄電池中。反沖轉(zhuǎn)子(8)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，也同時(shí)驅(qū)動(dòng)壓氣機(jī)、燃油泵(39)和空氣泵(47)工作。燃?xì)鈴膰娮?58)噴出后，體積膨脹作功，溫度降低，經(jīng)導(dǎo)氣管(29)導(dǎo)入熱交換器(34)的外殼(36)中，燃?xì)饬鹘?jīng)熱交換器(34)管子外面的導(dǎo)熱片，加熱管子里面的空氣后溫度進(jìn)一步降低，溫度降低的燃?xì)饨?jīng)排氣管(51)排出。
反沖轉(zhuǎn)子(8)旋轉(zhuǎn)時(shí)，其兩端的冷卻風(fēng)扇葉片(6)跟著旋轉(zhuǎn)(風(fēng)扇葉片與殼體共同形成風(fēng)機(jī))，將外界的冷卻空氣從冷卻空氣入孔(14)吸入空氣靜壓軸承(4)的端部，冷卻空氣再經(jīng)冷卻空氣通孔(12)進(jìn)入風(fēng)機(jī)，空氣經(jīng)風(fēng)機(jī)加壓后，流向反沖轉(zhuǎn)子(8)外面的散熱片(7)，對(duì)反沖轉(zhuǎn)子(8)進(jìn)行冷卻，冷卻轉(zhuǎn)子后變成熱空氣，最后隨噴嘴噴出的燃?xì)庖黄饘?dǎo)入導(dǎo)氣管(29)中。
停機(jī)關(guān)斷燃油便可以停機(jī)。
點(diǎn)火線路斷電當(dāng)燃燒室(32)中的混和氣點(diǎn)燃后，噴進(jìn)燃燒室(32)中的燃油可以自行連續(xù)燃燒，不再需要火花塞(9)點(diǎn)火，此時(shí)高溫高壓燃?xì)馔苿?dòng)燃?xì)饪刂崎y(11)移動(dòng)，控制閥觸動(dòng)行程開(kāi)關(guān)(57)的觸動(dòng)桿(67)，行程開(kāi)關(guān)(57)斷開(kāi)，斷開(kāi)高壓點(diǎn)火線路，點(diǎn)火系統(tǒng)停止點(diǎn)火。
效果與燃?xì)廨啓C(jī)相比，反沖燃?xì)鈾C(jī)省略了葉片，直接利用反沖旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)使反沖轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，使冷卻問(wèn)題得到解決，便于普遍推廣和使用；燃?xì)廨啓C(jī)的熱效率為60-80％。我目前由于條件限制，不能用室驗(yàn)驗(yàn)證它的熱效率，但我可以把反沖旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)與噴氣式飛機(jī)的反沖直線運(yùn)動(dòng)相類(lèi)比，反沖旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)應(yīng)該和反沖直線運(yùn)動(dòng)的效率相當(dāng)，由于反沖轉(zhuǎn)子直接受到反沖力矩而旋轉(zhuǎn)，它應(yīng)該比燃?xì)馔苿?dòng)葉片旋轉(zhuǎn)效率高，即是說(shuō)從理論上分析，反沖燃?xì)鈾C(jī)的熱效率應(yīng)該比燃?xì)廨啓C(jī)熱效率高。
如果用這種反沖燃?xì)鈾C(jī)取代柴油機(jī)和汽油機(jī)，熱效率提高一倍以上，僅從節(jié)約能源上看，其經(jīng)濟(jì)效益就是十分可觀的；而且結(jié)構(gòu)比汽油機(jī)和柴油機(jī)簡(jiǎn)單得多，制造和維修都比汽油機(jī)和柴油機(jī)容易；反沖燃?xì)鈾C(jī)的充氣系數(shù)比汽油機(jī)和柴油機(jī)大，燃油燃燒更充分，也不必象汽油機(jī)那樣為了提高汽油的辛烷值而向汽油中加鉛等有害物質(zhì)，因此反沖燃?xì)鈾C(jī)對(duì)大氣的污染比汽油機(jī)和柴油機(jī)低。
實(shí)現(xiàn)方式假定這種發(fā)動(dòng)機(jī)用于汽車(chē)，則預(yù)計(jì)每秒鐘燃燒3克燃油，反沖轉(zhuǎn)子直徑(噴嘴中心線所在圓的直徑)定為500mm為宜。取充氣系數(shù)C＝2.2(汽油機(jī)和柴油機(jī)充氣系數(shù)為1.1左右)，取燃油的燃燒值q＝10000卡/克(汽油為11000卡/克，柴油為10500卡/克)，假設(shè)燃油的熱能有90％轉(zhuǎn)化為燃?xì)獾膭?dòng)能，η＝90％，則燃?xì)獾乃俣葀=2000qjη1+16.33C=2000×4.18×10000×90%1+16.33×2.2=1427(n/s)]]>即為從噴嘴噴出的燃?xì)獾乃俣取?br> 假定熱效率(燃油的內(nèi)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械給輸出的效率)η＝85％，則功率p＝mqjη/t＝3×10000×4.18×85％/1＝106590W＝106.59KW此功率與目前一般中型汽車(chē)的發(fā)動(dòng)機(jī)功率相當(dāng)。轉(zhuǎn)子受到的切向反作用力F＝(1+16.33c)m·v/1000t＝(1+16.33×2.2)×3×1427/1000×1＝158N轉(zhuǎn)子受到切向反作用力的力矩M＝F·D/2＝158×0.5/2＝39.52N·M轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速n＝9550P/M＝9550×106.59/39.52＝25757r/min齒輪對(duì)的選擇計(jì)算轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n＝25757r/min，比汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)每分鐘兩千多轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速高出約10倍，常規(guī)滾子軸承遠(yuǎn)不能承受這樣高的轉(zhuǎn)速，因此轉(zhuǎn)子的支承采用空氣靜壓軸承(4)，并通過(guò)一對(duì)斜齒圓柱齒輪(21、28)減速，使動(dòng)力輸出軸的轉(zhuǎn)速與汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速接近。
1、考慮結(jié)構(gòu)尺寸，確定Z1＝17，Z2＝158，m＝2.5mm2、選取8級(jí)精度，齒輪材料為45#鋼，整體淬火，HRC＝45，齒寬系數(shù)ψd＝0.4已知M＝39.52n·m 取K＝1.3 Kβ＝1.04σ-1＝440 σs＝750 σB＝1000傳動(dòng)比i12＝Z2/Z1＝158/17＝9.294分度圓直徑d1＝Z1·m＝17×2.5＝42.5mm3、接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算取β＝15°εα＝[1.88-3.2(1/Z1+1/Z2)]COSβ＝1.5取αn＝20°ZH=2cos2βsinancosan=2.4]]>齒輪寬度b＝ψd·d1＝0.4×42.5＝17mmZF=1π(1-μ2E1+1-μ2E2=193.9,Zϵ=1x·ϵa]]>＝0.8∴σH=ZH·Zϵ·Zϵ2kMbd1·j12+1i12=2.4×193.9×0.82×1.3×3952017×42.52·1+9.2949.294]]>＝716.7MPα〔σH〕＝1.726-1＝1.72×40＝756.8MPασH＜〔σH〕故接觸疲勞強(qiáng)度符合要求。
4、彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算σb=2kMCoS2βψd·Z12mn3YF·Yϵ]]>由Zv=Zcos3β=17cos3154=18.9]]>查得YF＝2.86Yϵ=1x·ϵ2]]>取x＝0.95 εα＝1.5YF=10.95×1.5]]>＝0.7σb=2kMCoS2βψd·Z2mn3YF·Yϵ=2×1.3×39250×CoS21540.4×172×2.532.86×0.7=106.2]]>MPa〔σb〕＝0.43σB＝0.43×1000＝430MPaσb＜〔σb〕故彎曲疲勞強(qiáng)度符合要求。
反沖轉(zhuǎn)子離心應(yīng)力的計(jì)算轉(zhuǎn)速n＝25757r/min＝429.3r/s 角速度ω＝858.57π弧度/秒取轉(zhuǎn)子平均半徑處的向心加速度為轉(zhuǎn)子平均向心加速度由材料力學(xué)公式求得轉(zhuǎn)子離心應(yīng)力 σd＝γ·ω2·R2/g其中γ為材料密度γ=7.81000×11000×9.8]]>＝7.644×10m-5(W/mm3)g為重力加速度 g＝9.8m/s2＝9000mm/s2平均半徑R＝0.25/2＝0.125m＝125mm∴σd＝γ·ω2·R2/g＝7.644×10-5×(858.57π)2×1252/9800＝886.68MPa部分高強(qiáng)度合金鋼能符合此應(yīng)力要求。其余計(jì)算從略。
權(quán)利要求
1.反沖轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)，其特征為讓高溫高速燃?xì)鈴姆礇_轉(zhuǎn)子的噴嘴所在圓的切線方向噴出，燃?xì)獾那邢蚍醋饔昧χ苯油苿?dòng)轉(zhuǎn)子作反種旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，使燃?xì)獾膬?nèi)能直接轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的機(jī)械能；反沖轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)屬創(chuàng)新設(shè)計(jì)，需要保護(hù)。
2.權(quán)利要求1所述的反沖轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)，其特征為反沖轉(zhuǎn)子與燃燒室合并在一起，解決燃燒室向高速旋轉(zhuǎn)的燃?xì)鈬娮旃?yīng)燃?xì)獾脑O(shè)計(jì)。
3.權(quán)利要求1所述的反沖轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)，其特征為噴油嘴布置在反沖轉(zhuǎn)子空心軸的軸線上，解決向高速旋轉(zhuǎn)的燃燒室供應(yīng)燃油的設(shè)計(jì)。
4.權(quán)利要求1所述的反沖轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)，其特征為點(diǎn)火系統(tǒng)跟著反沖轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，解決向高速旋轉(zhuǎn)的火花塞提供電能的設(shè)計(jì)。
5.權(quán)利要求1所述的反沖轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)，其特征為反沖轉(zhuǎn)子的冷卻方式采用冷卻空氣直接冷卻。
全文摘要
反沖燃?xì)鈾C(jī)屬于內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域，解決當(dāng)前燃?xì)廨啓C(jī)葉片難冷卻的問(wèn)題。其特征在于吸收了燃?xì)廨啓C(jī)熱效率高、體積小、重量輕、轉(zhuǎn)速平穩(wěn)的優(yōu)點(diǎn)，克服了燃?xì)廨啓C(jī)葉片難冷卻的困難和難以推廣和使用的缺點(diǎn)。讓高溫高速燃?xì)鈴姆礇_轉(zhuǎn)子噴嘴所在圓的切向方向噴出，燃?xì)獾那邢蚍醋饔昧ν苿?dòng)反沖轉(zhuǎn)子作反沖旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，使燃?xì)獾膬?nèi)能直接轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的機(jī)械能。反沖燃?xì)鈾C(jī)作為一種新型發(fā)動(dòng)機(jī)用于許多領(lǐng)域提供動(dòng)力。
文檔編號(hào)F02C1/00GK1140232SQ9510647
公開(kāi)日1997年1月15日 申請(qǐng)日期1995年7月10日 優(yōu)先權(quán)日1995年7月10日
發(fā)明者史吉林 申請(qǐng)人:史吉林