专利名称：反冲燃气机的制作方法
技术领域：
本发明名称定为反冲燃气机；属于内燃发动机领域。
当前内燃发动机已经发展到燃气轮机，燃气轮机许多性能都远比汽油机和柴油机优越，但因燃气轮机叶片的冷却问题难以解决至使燃气轮机难以推广和使用。目前它主要使用在喷气式飞机上作喷气发动机，要想在各种交通工具上使用燃气轮机，困难很大。因此汽油机和柴油机仍然广泛地使用，汽油机和柴油机结构复杂，热效率较低(汽油机21-30％，柴油机28-40％)，浪费大量燃油，而石油贮量有限，至使燃油越来越紧张，节约燃油势在必行，发明一种热效率高的，又易于推广使用的内燃发动机迫在眉睫。
本发明构想为解决上述矛盾而设，外观形状见
图1，内部结构见图2和图3，最主要的部件反冲转子(8)见图4和图5，点火系统见图6，高压点火线路在反冲转子中的布置方式见图7，两个小实验分别见图8和图9，并以图2作为摘要附图。空气静压轴承的设计和齿轮对的选择计算参见《精密机械与仪器零件部件设计》，压气机系统和已有的燃气轮机的压气机相同，热交换器(34)和空气泵(47)都从其它地方移用，燃油泵(39)移用燃气轮机上的燃油泵。
本设计的目的是为了克服燃气轮机叶片难冷却的弊病，抛弃叶片，利用反冲旋转运动，使反冲转子(8)直接旋转起来，而反冲转子(8)又易于冷却，要让这种反冲旋转式燃气发动机大力推广和使用，取代汽油和柴油机，大大节约能源。
内容变喷气式飞机上的喷气发动机的反冲直线运动为反冲旋转运动，即让高温高速气流从反冲转子(8)的燃气喷嘴(58)所在圆的切线方向喷出，高速气流的反作用力作用在反冲转子(8)的喷嘴(58)所在圆的切线上，这个切向反作用力推动反冲转子(8)直接旋转而作功。
作用原理的依据是动量守恒定律，已作过两个小实验，一个是用嘴吹气使其旋转的反冲转子(见附图8)，另一个是用喷气烟花做的封闭式的反冲旋子(见附图9)。
由动量定理F·t＝m·v，推导出F＝m·v/t，力F即为切向反作用力，这个力就是反冲燃气机工作的动力，动力的大小取决于单位时间内从喷嘴(58)喷出的燃气的质量m和速度v的乘积。
下面推导喷气速度v和充气系数c的关系设燃油的分子式C8H16112384m X112m＝384 X＝3.43m充气系数取C，则进入燃气室的O2的质量为3.43mc；进入燃烧室的空气的质量为3.43mc÷21％＝16.33mc；m克燃油燃烧后生成的混和气体的质量为m+16.33mc＝(1+16.33C)m克，取燃油的燃烧值为q卡/克，设热效率为η，设燃气速度为v。 V=2000qjη1+16.33C]]>
V即为从喷嘴喷出的燃气的速度转速N与转子直径D的关系设热效率为η，t秒钟内燃烧m克燃油，燃油的燃烧值为q卡/克，则功率p＝mqjη/t(w)…(1)；转子受到燃气的切向反作用力F＝(1+16.33C)m·v/1000t…(2)设转子直径为D，转子受到的力矩M＝F·D/2…(3)转矩M与转速N及功率的关系M＝9.55P/n …(4)联立方程(1)、(2)、(3)、(4)求解得转速n=19100qjη(1+16.33C)VD]]>结论转速n与转子直径D成反比，与功率P的大小无关。
编 号 名 称 一 览 表
点火系统的说明提供火花塞(9)电能的电机采用无触点硅整流磁电机。采用磁钢(16)固定，而线圈(18)旋转的方式，使线圈(18)和反冲转子(8)一起转动，并且电子元件室(19)也跟着反冲转子(8)一起转动，高压点火线路(10)镶嵌在反冲转子(8)的外壁上，使整个点火线路的各组成部分均与反冲转子(8)无相对运动，跟着反冲转子(8)一起旋转。
注在反冲转子(8)上设有燃气控制阀(11)，在燃烧室(32)内的混和气体没有点燃前，压强低，混和气体不能推开燃气控制阀(11)从燃气喷嘴(58)喷出，随着混和气体的增加，压强增大，温度升高，如果压气机能够提供足够高的压强，燃烧室(32)内的混和气体的温度将自行达到燃油着火温度而燃烧，就象柴油机的压燃式点火一样，就可以取消整个点火系统。
反冲燃气机工作过程起动打开电源开关，即让蓄电池和直动电动(发电)机(31)接通，直流电动机(31)旋转，驱动压气机轴(41)旋转，压气机叶片(38)转动，将外界的空气经空气进气管吸入热交换器(34)中，空气从热交换器(34)的管子内流过，被管外的废气加热，加热后的空气进入压气机，空气经压气机加压后形成压缩空气，压缩空气进入压缩空气导管(48)，推开单向阀(49)进入小端盖(2)内，再经反冲转子(8)的空心轴(59)进入燃烧室(32)中。
压气轴(41)旋转的同时，通过主动齿轮(42)驱动燃油泵齿轮(40)和空气泵齿轮(46)旋转，空气泵(47)为空气静压轴承(4)提供所需空气，燃油泵(39)为喷油嘴(3)提供高压燃油，燃油经喷油嘴(3)喷成雾状进入燃烧室(32)中，随着压缩空气的增加，压强增大，温度升高，雾状燃油蒸发成气态，与空气混和成混和气。
另一方面，直流电动机(31)在旋转的同时，通过齿轮(30、28和21)驱动反冲转子(8)旋转，磁电机的线圈(18)跟着反冲转子(8)旋转产生电流，产生的电流再经电子元件室(19)中的电子元件变成高压电，高压电经高压点火线路(10)导通到火花塞(9)，火花塞产生电火花，点燃燃烧室(32)中的混和气；混和气点燃后，温度急剧升高，压强急剧增大，而压缩空气导管(48)中的单向阀(49)阻止高温高压燃气倒流回压气机，高温高压燃气只能推开燃气控制阀(11)经燃气喷嘴(58)高速喷出，高速气流的反冲作用力推动反冲转子(8)旋转起来，反冲燃气机就起动了。
工作状态反冲燃气机起动后一方面通过动力输出轴(26)输出动力；一面通过齿轮(21、28和30)驱动直流发电机(31)发电，发出的电能充入蓄电池中。反冲转子(8)转动时，也同时驱动压气机、燃油泵(39)和空气泵(47)工作。燃气从喷嘴(58)喷出后，体积膨胀作功，温度降低，经导气管(29)导入热交换器(34)的外壳(36)中，燃气流经热交换器(34)管子外面的导热片，加热管子里面的空气后温度进一步降低，温度降低的燃气经排气管(51)排出。
反冲转子(8)旋转时，其两端的冷却风扇叶片(6)跟着旋转(风扇叶片与壳体共同形成风机)，将外界的冷却空气从冷却空气入孔(14)吸入空气静压轴承(4)的端部，冷却空气再经冷却空气通孔(12)进入风机，空气经风机加压后，流向反冲转子(8)外面的散热片(7)，对反冲转子(8)进行冷却，冷却转子后变成热空气，最后随喷嘴喷出的燃气一起导入导气管(29)中。
停机关断燃油便可以停机。
点火线路断电当燃烧室(32)中的混和气点燃后，喷进燃烧室(32)中的燃油可以自行连续燃烧，不再需要火花塞(9)点火，此时高温高压燃气推动燃气控制阀(11)移动，控制阀触动行程开关(57)的触动杆(67)，行程开关(57)断开，断开高压点火线路，点火系统停止点火。
效果与燃气轮机相比，反冲燃气机省略了叶片，直接利用反冲旋转运动使反冲转子旋转，使冷却问题得到解决，便于普遍推广和使用；燃气轮机的热效率为60-80％。我目前由于条件限制，不能用室验验证它的热效率，但我可以把反冲旋转运动与喷气式飞机的反冲直线运动相类比，反冲旋转运动应该和反冲直线运动的效率相当，由于反冲转子直接受到反冲力矩而旋转，它应该比燃气推动叶片旋转效率高，即是说从理论上分析，反冲燃气机的热效率应该比燃气轮机热效率高。
如果用这种反冲燃气机取代柴油机和汽油机，热效率提高一倍以上，仅从节约能源上看，其经济效益就是十分可观的；而且结构比汽油机和柴油机简单得多，制造和维修都比汽油机和柴油机容易；反冲燃气机的充气系数比汽油机和柴油机大，燃油燃烧更充分，也不必象汽油机那样为了提高汽油的辛烷值而向汽油中加铅等有害物质，因此反冲燃气机对大气的污染比汽油机和柴油机低。
实现方式假定这种发动机用于汽车，则预计每秒钟燃烧3克燃油，反冲转子直径(喷嘴中心线所在圆的直径)定为500mm为宜。取充气系数C＝2.2(汽油机和柴油机充气系数为1.1左右)，取燃油的燃烧值q＝10000卡/克(汽油为11000卡/克，柴油为10500卡/克)，假设燃油的热能有90％转化为燃气的动能，η＝90％，则燃气的速度v=2000qjη1+16.33C=2000×4.18×10000×90%1+16.33×2.2=1427(n/s)]]>即为从喷嘴喷出的燃气的速度。
假定热效率(燃油的内能转化为机械给输出的效率)η＝85％，则功率p＝mqjη/t＝3×10000×4.18×85％/1＝106590W＝106.59KW此功率与目前一般中型汽车的发动机功率相当。转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转子受到切向反作用力的力矩M＝F·D/2＝158×0.5/2＝39.52N·M转子的转速n＝9550P/M＝9550×106.59/39.52＝25757r/min齿轮对的选择计算转子转速n＝25757r/min，比汽车发动机每分钟两千多转的转速高出约10倍，常规滚子轴承远不能承受这样高的转速，因此转子的支承采用空气静压轴承(4)，并通过一对斜齿圆柱齿轮(21、28)减速，使动力输出轴的转速与汽车发动机的转速接近。
1、考虑结构尺寸，确定Z1＝17，Z2＝158，m＝2.5mm2、选取8级精度，齿轮材料为45#钢，整体淬火，HRC＝45，齿宽系数ψd＝0.4已知M＝39.52n·m 取K＝1.3 Kβ＝1.04σ-1＝440 σs＝750 σB＝1000传动比i12＝Z2/Z1＝158/17＝9.294分度圆直径d1＝Z1·m＝17×2.5＝42.5mm3、接触疲劳强度计算取β＝15°εα＝[1.88-3.2(1/Z1+1/Z2)]COSβ＝1.5取αn＝20°ZH=2cos2βsinancosan=2.4]]>齿轮宽度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〕故接触疲劳强度符合要求。
4、弯曲疲劳强度计算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〕故弯曲疲劳强度符合要求。
反冲转子离心应力的计算转速n＝25757r/min＝429.3r/s 角速度ω＝858.57π弧度/秒取转子平均半径处的向心加速度为转子平均向心加速度由材料力学公式求得转子离心应力 σd＝γ·ω2·R2/g其中γ为材料密度γ=7.81000×11000×9.8]]>＝7.644×10m-5(W/mm3)g为重力加速度 g＝9.8m/s2＝9000mm/s2平均半径R＝0.25/2＝0.125m＝125mm∴σd＝γ·ω2·R2/g＝7.644×10-5×(858.57π)2×1252/9800＝886.68MPa部分高强度合金钢能符合此应力要求。其余计算从略。
权利要求
1.反冲转子的结构，其特征为让高温高速燃气从反冲转子的喷嘴所在圆的切线方向喷出，燃气的切向反作用力直接推动转子作反种旋转运动，使燃气的内能直接转化为转子旋转运动的机械能；反冲转子结构的设计属创新设计，需要保护。
2.权利要求1所述的反冲转子的结构，其特征为反冲转子与燃烧室合并在一起，解决燃烧室向高速旋转的燃气喷嘴供应燃气的设计。
3.权利要求1所述的反冲转子的结构，其特征为喷油嘴布置在反冲转子空心轴的轴线上，解决向高速旋转的燃烧室供应燃油的设计。
4.权利要求1所述的反冲转子的结构，其特征为点火系统跟着反冲转子旋转，解决向高速旋转的火花塞提供电能的设计。
5.权利要求1所述的反冲转子的结构，其特征为反冲转子的冷却方式采用冷却空气直接冷却。
全文摘要
反冲燃气机属于内燃发动机领域，解决当前燃气轮机叶片难冷却的问题。其特征在于吸收了燃气轮机热效率高、体积小、重量轻、转速平稳的优点，克服了燃气轮机叶片难冷却的困难和难以推广和使用的缺点。让高温高速燃气从反冲转子喷嘴所在圆的切向方向喷出，燃气的切向反作用力推动反冲转子作反冲旋转运动，使燃气的内能直接转化为转子旋转运动的机械能。反冲燃气机作为一种新型发动机用于许多领域提供动力。
文档编号F02C1/00GK1140232SQ9510647
公开日1997年1月15日 申请日期1995年7月10日 优先权日1995年7月10日
发明者史吉林 申请人:史吉林