混合动力外燃式发动机的制作方法

本发明涉及发动机技术领域，尤其涉及一种混合动力外燃式发动机。

背景技术：

发动机就是一种能够把其它形式的能转化为机械能的设备，包括如内燃机（汽油发动机等）、外燃机（斯特林发动机、蒸汽机等）、电动机等。内燃机是通过使燃料在设备内部燃烧，并将其放出的热能直接转换为动力的热力发动机。而外燃机则是利用燃料燃烧加热循环工质，使其热能转化为机械能的一种热力发动机。

目前由于外燃机自身结构原因导致其体积大、动能转化率低，人们往往选用内燃机来替代外燃机，但是内燃机也有一定的缺陷，其所用燃料会对环境产生污染，会加重环境恶化和雾霾的影响，不利于社会效益及经济效益。因此，急需设计一种环保低污染、动能转化率高的发动机设备。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种环保低污染、动能转化率高的混合动力外燃式发动机，能够应用于多种器械设备。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：

一种混合动力外燃式发动机，包括热介质输出装置、热介质混合装置和能量转化装置，所述热介质输出装置通过燃料燃烧产生水蒸气介质和热空气介质两种热介质，所述水蒸气介质和热空气介质分别通过介质管道的热空气管道和水蒸气管道进入热介质混合装置，所述热介质混合装置将混合后的水蒸气介质和热空气介质输入能量转化装置，通过能量转化装置的输出轴输出动力。

优选地，所述热介质输出装置包括燃烧室、內球体、中球体和外球体，所述外球体与中球体之间充有水介质，所述中球体与內球体之间设有水蒸气介质流道；

所述燃烧室设置在內球体内腔，所述燃烧室的进气管贯穿內球体、中球体和外球体的底部设置，所述燃烧室的热空气出气管贯穿內球体、中球体和外球体的顶部设置；

所述水蒸气介质流道包括内流道和外流道，所述外球体和中球体间的间隙形成外流道，所述中球体与內球体间的间隙形成内流道，所述内流道和外流道在中球体底部贯通，所述外流道的水蒸气进口设置在外球体与中球体交界处的上部，所述内流道的水蒸气出气管设置在其顶部贯穿外球体设置，所述热空气出气管设置在水蒸气出气管内部，所述热空气出气管及水蒸气出气管分别与热空气管道和水蒸气管道对接。

优选地，所述热介质混合装置包括聚流壳、热介质分流组件和散流壳，所述热空气管道和水蒸气管道与热介质分流组件连通后，通过热介质分流组件将水蒸气介质和热空气介质分流进入聚流壳混合，再通过散流壳将混合后的热介质输入到能量转化装置中；所述散流壳中部贯穿输出轴、边缘与聚流壳边缘固定相连，所述散流壳为涡轮状结构，所述散流壳一侧设有发散状的弧形凸棱，所述散流壳上设有若干个出气孔，混合后的热介质通过出气孔输入到能量转化装置中。

优选地，所述热介质分流组件包括相互接触、且并列设置在输出轴上的分流部件和放流部件，所述分流部件套装在输出轴上、且相对介质管道固定不动；

所述分流部件外侧设有两个分别与热空气管道和水蒸气管道对接的进气孔，所述分流部件内侧设有两个出气口，所述分流部件内部设有隔板将分流部件内腔分隔成太极形状的两个阴阳鱼形空间，两个进气孔分别对应两个阴阳鱼形空间，两个出气口对应设置在阴阳鱼形空间的鱼尾处；

所述放流部件固定设置在输出轴上，能够随着输出轴的转动而转动，所述放流部件为太极形状的两个阴阳鱼形部，且一半为实体部、一半为空腔部，所述放流部件的太极形状与分流部件的太极形状相反，使分流部件的两个出气口正对放流部件空腔部的鱼头部，所述放流部件在转动过程中能够利用实体部交错遮挡分流部件的两个出气口，实现水蒸气介质和热空气介质两种热介质交替从空腔部的鱼尾处释放进入聚流壳内腔进行混合。

优选地，所述能量转化装置包括壳体及设置在其内部的介质导入盘、环形动力盘、过度齿轮和动力齿轮，所述壳体为圆筒状，所述壳体一端敞口、且其边缘与热介质混合装置固定相连，所述介质导入盘外圆与壳体固定相连、且其中部径向固定设置支撑盘，所述壳体另一端设有端盖，所述端盖上设有排气孔，所述过度齿轮设置在支撑杆上，所述支撑杆两端分别固定在支撑盘和端盖上；

所述动力盘为若干个、且与介质导入盘并列设置，所述动力盘与介质导入盘的结构相同，均为带有中空内腔的环形盘体，所述内腔为若干个、且相邻内腔间设有挡板，所述盘体右侧端面上设有环形滑槽，所述滑槽内间隔设有贯通内腔的进气口，所述盘体左侧端面上设有凸起，所述凸起能够与相邻动力盘的滑槽配合，所述凸起侧面设有贯通内腔的排气口，所述排气口与盘体左侧端面相切、且相邻动力盘的排气口相反设置；经热介质混合装置混合后的热介质自进气口进入介质导入盘内腔，再经介质导入盘的凸起上排气口进入与之相邻的第一个动力盘内腔，利用热介质的气流冲击力驱动第一个动力盘转动，进而驱动与之相邻的第二个动力盘向相反方向转动，借助热介质的冲击力依次驱动动力盘交错转动，动力盘再驱动过度齿轮及动力齿轮带动输出轴转动，实现动力输出；

所述动力盘的内齿圈与过度齿轮啮合，相邻动力盘的过度齿轮数量奇偶交错布置，所述过度齿轮与动力齿轮啮合，所述动力齿轮设置在输出轴上。

进一步地，相邻的环形动力盘之间设有外滑块和内滑块，所述外滑块和内滑块分别设置在凸起的内外两侧。

优选地，所述动力盘两侧均设有承力盘，所述承力盘贯穿支撑杆设置。

优选地，所述端盖里侧为涡轮状，所述端盖设有向外凸起的弧度，所述端盖内侧设有发散状的弧形导流棱，所述排气孔间隔设置在弧形导流棱一侧。

优选地，所述输出轴一端设有第一涡轮增压器，第一涡轮增压器经进气管路将气体压缩后输送至燃烧室。

进一步地，所述燃烧室的进气管路上还设有加压涡轮，用来提高燃烧室的进气压力。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：热介质输出装置通过燃料燃烧产生水蒸气介质和热空气介质两种热介质，水蒸气介质和热空气介质分别通过热空气管道和水蒸气管道组成的介质管道进入热介质混合装置，所述热介质混合装置将混合后的水蒸气介质和热空气介质输入能量转化装置，通过能量转化装置的输出轴输出动力。本发明借助水蒸气介质和热空气介质两种热介质携带的大量能量经水蒸气介质和热空气介质两种热介质混合后，通过能量转化装置将能量转化为动能，动能转化率高、污染小，本发明能够适用于飞机、汽车和轮船等多种机械设备，应用范围广泛。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种混合动力外燃式发动机的结构示意图；

图2是图1的外观图；

图3是图1中热介质输出装置的结构示意图；

图4是图3中A处的局部放大图；

图5是图4中散流壳的结构示意图；

图6是图5中的B-B剖视图；

图7是图4中分流部件的引流罩的结构示意图；

图8是图7的左视图；

图9是图4中分流部件的分流壳的结构示意图；

图10是图9的左视图；

图11是图9中的C-C剖视图；

图12 是图9中的D-D剖视图；

图13是图4中放流部件的控流罩的结构示意图；

图14是图13 的左视图；

图15是图14中E-E的剖视图；

图16是图4中放流部件的放流壳的结构示意图；

图17是图16的左视图；

图18是图17中F-F的剖视图；

图19是图1中端盖的里侧示意图；

图20是图19中的G-G剖视图；

图21是图1中动力盘的结构示意图；

图22是图21的右视图；

图23是图21的左视图；

图24是图22中H-H剖视图

图25是图22中I-I剖视图；

图26是图21中J-J剖视图；

图27是图26中K-K剖视图；

图28是左变力盘内的结构示意图；

图29是右变力盘内的结构示意图；

图30是承力盘的结构示意图；

图中：1-热介质输出装置，2-热介质混合装置，3-能量转化装置，4-介质管道，5-输出轴，6-燃烧室，7-內球体，8-中球体，9-外球体，10-进气管，11-热空气出气管，12-内流道，13-外流道，14-水蒸气进口，15-水蒸气出气管，16-聚流壳，17-热介质分流组件，18-散流壳，19-弧形凸棱，20-出气孔，21-分流部件，22-放流部件，23-进气孔，24-出气口，25-隔板，26-实体部，27-空腔部，28-壳体，29-介质导入盘，30-动力盘，31-过度齿轮，32-动力齿轮，33-支撑盘，34-端盖，35-排气孔，36-支撑杆，37-内腔，38-挡板，39-滑槽，40-盘体，41-热空气管道，42-水蒸气管道，43-进气口，45-排气口，46-外滑块，47-内滑块，48-承力盘，49-第一涡轮增压器，50-进气管路，51-第二涡轮增压器，52-加压涡轮,53-凹槽,54-释放口，55-接引罩，56-支撑杆孔，57-过度齿轮孔，58-输出轴孔，59-天弧，60-左半弧，61-右半弧，62-地弧，63-过度弧，64-衔接弧；210-引流罩，211-分流壳，220-控流罩，221-放流壳，300-变力盘，340-弧形导流棱。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明作进一步详细的说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

请参考图1、2，本发明提供的一种混合动力外燃式发动机，包括热介质输出装置1、热介质混合装置2和能量转化装置3，所述热介质输出装置1通过燃料燃烧产生水蒸气介质和热空气介质两种热介质，所述水蒸气介质和热空气介质通过介质管道4的热空气管道41和水蒸气管道42进入热介质混合装置2，所述热介质混合装置2将混合后的水蒸气介质和热空气介质输入能量转化装置3，通过能量转化装置3的输出轴5输出动力。

如图3所示，所述热介质输出装置1包括燃烧室6、內球体7、中球体8和外球体9，所述外球体9与中球体8之间充有水介质，所述中球体8与內球体7之间设有水蒸气介质流道；水介质经过燃烧室的高温转化为水蒸气进入水蒸气介质流道内，进一步吸收燃烧室的热能。

所述燃烧室6设置在內球体7内腔，所述燃烧室6的进气管10贯穿內球体7、中球体8和外球体9的底部设置，所述燃烧室6的热空气出气管11贯穿內球体7、中球体8和外球体9的顶部设置；外部加压空气自进气管进入燃烧室内，为燃料提供助燃，经燃烧室的热空气从热空气出气管排出进入介质管道内。

所述水蒸气介质流道包括内流道12和外流道13，所述外球体9和中球体8间的间隙形成外流道13，所述中球体8与內球体7间的间隙形成内流道12，所述内流道12和外流道13在中球体8底部贯通，所述外流道13的水蒸气进口14设置在外球体9与中球体8交界处的上部，所述内流道12的水蒸气出气管15设置在其顶部贯穿外球体9设置，所述热空气出气管11设置在水蒸气出气管15内部，所述热空气出气管11及水蒸气出气管15分别与介质管道4的热空气管道41和水蒸气管道42对接。水蒸气介质依次经环绕中球体的外流道及内流道吸收大量热能后排出进入介质管道内的水蒸气管道，燃烧室内的热空气直接进入介质管道内的热空气管道。

为了方便制作，可将內球体、中球体和外球体均涉及为由两半球组成的分体式结构，內球体上下装配、中球体左右装配、外球体上下装配，层层包裹，保证气密性。图3中实心箭头指示水蒸气介质流向，空心箭头指示热空气介质流向，中球体可利用分体结构的天弧59、左半弧60、右半弧61、地弧62组装而成，左半弧60与右半弧61间设有过度弧63和衔接弧64，天弧59、左半弧60、右半弧61、地弧62的内流道与外流道分别对接、且内外流道的水蒸气介质相互隔离，其中过度弧63和衔接弧64上分别设有与左半弧和右半弧的内流道及外流道贯通的过孔，由上述结构组装而成的中球体内的水蒸气介质首先进入外流道，从地弧底部进入内流道，可提高水蒸气介质的热能含量。

如图1所示，所述热介质混合装置2包括聚流壳16、热介质分流组件17和散流壳18，所述介质管道4的热空气管道41和水蒸气管道42与热介质分流组件17连通后，通过热介质分流组件17将水蒸气介质和热空气介质分流进入聚流壳16混合，再通过散流壳18将混合后的热介质输入到能量转化装置3中转化为动能。所述散流壳18中部贯穿输出轴5、边缘与聚流壳16边缘固定相连，所述散流壳18为涡轮状结构，所述散流壳18一侧设有发散状的弧形凸棱19，所述散流壳18上设有若干个出气孔20，混合后的热介质通过出气孔20输入到能量转化装置3中。其中，聚流壳作16为支撑、汇聚热介质的容纳体，为了制作方便，可设计为分体式，聚流壳通过接引罩55与热介质分流组件17相连。

水蒸气介质和热空气介质这两种热介质在聚流壳和散流壳形成的空间内混合，热介质的体积会再次膨胀；同时，燃烧产生的废物会附着在水蒸气介质上，利用散流壳的涡轮状结构，能够更好的指引热介质流向外围的出气孔。

如图4所示，所述热介质分流组件17包括相互接触、且并列设置在输出轴5上的分流部件21和放流部件22，所述分流部件21套装在输出轴5上、且相对介质管道4固定不动；图4中实心箭头指示水蒸气介质流向，空心箭头指示热空气介质流向。

所述分流部件21外侧设有两个分别与热空气管道41和水蒸气管道42对接的进气孔23，所述分流部件21内侧设有两个出气口24，所述分流部件21内部设有隔板25将分流部件21内腔分隔成太极形状的两个阴阳鱼形空间，两个进气孔23分别对应两个阴阳鱼形空间，两个出气口24对应设置在阴阳鱼形空间的鱼尾处。利用分流部件将介质管道内的水蒸气介质和热空气介质两种热介质进行隔离。为了方便制作，可将分流部件21设计为由引流罩210和分流壳211组成的分体式结构，如图4、7、8、9-12所示，引流罩210和分流壳211的边缘与聚流壳相连、中部过孔通过轴承与输出轴配合，引流罩和分流壳的横截面均带有弧度，两个进气孔均设置在引流罩上，S形隔板设置在分流壳的凹面内，将引流罩和分流壳组成的内腔分隔成太极形状的两个阴阳鱼形空间，出气口设置在分流壳边缘与隔板的交界处。

所述放流部件22固定设置在输出轴5上，能够随着输出轴5的转动而转动，所述放流部件22为太极形状的两个阴阳鱼形部，且一半为实体部26、一半为空腔部27，所述放流部件22的太极形状与分流部件21的太极形状相反，使分流部件21的两个出气口24正对放流部件22空腔部27的鱼头部，所述放流部件22在转动过程中能够利用实体部26交错遮挡分流部件21的两个出气口24，实现水蒸气介质和热空气介质两种热介质交替从空腔部27的鱼尾处释放进入聚流壳16内腔进行混合。利用上述放流部件与分流部件的配合结构，实体部永远都会遮挡住分流部件的一个出气口，使放流部件在任意工况下都只有水蒸气介质或热空气介质之一被释放出来，两种热介质不会直接接触。当设备停运时，实体部应当遮挡住热空气的出气口，尽量少地让水蒸气流入燃烧室。

为了方便制作，可将放流部件22设计为由控流罩220和放流壳221组成的分体式结构，如图13-18所示，控流罩和放流壳的中部均固定在输出轴上，控流罩与放流壳合并固连为圆饼状、且均由太极形状的两个阴阳鱼形部组成，即一半为实体部26、一半为空腔部27，控流罩外侧设有与分流壳配合的凹槽53，使控流罩相对分流壳能够自由转动，放流壳空腔部的鱼尾处设有释放口54，水蒸气介质和热空气介质两种热介质交替进入分流壳，通过分流壳的出气口排出交替进入控流罩和放流壳组成的空腔部，从空腔部的释放口54交替排出，两种热介质进入聚流壳的内腔后充分混合。

参见图1，所述能量转化装置3包括壳体28及设置在其内部的介质导入盘29、环形动力盘30、过度齿轮31和动力齿轮32，所述壳体28为圆筒状，所述壳体28一端敞口、且其边缘与热介质混合装置2固定相连，所述介质导入盘29外圆与壳体28固定相连、且其中部径向固定设置支撑盘33，所述壳体28另一端设有端盖34，如图19、20所示，所述端盖34上设有排气孔35，所述过度齿轮31设置在支撑杆36上，所述支撑杆36两端分别固定在支撑盘33和端盖34上。其中，壳体的作用是支撑、汇聚残余气体介质及承受负载扭矩。

如图21-27所示，所述动力盘30为若干个、且与介质导入盘29并列设置，所述动力盘30与介质导入盘29的结构相同，均为带有中空内腔37的环形盘体40，所述内腔37为若干个、且相邻内腔37间设有挡板38，所述盘体40右侧端面上设有环形滑槽39，所述滑槽39内间隔设有贯通内腔37的进气口43，所述盘体40左侧端面上设有凸起44，所述凸起44能够与相邻动力盘30的滑槽39配合，所述凸起44侧面设有贯通内腔37的排气口45，所述排气口45与盘体40左侧端面相切、且相邻动力盘30的排气口45相反设置；所述散流壳18的出气孔20与介质导入盘29的进气口43相对接；在聚流壳16内腔混合后的热介质经散流壳18的出气孔20进入介质导入盘29内腔，再经介质导入盘29的凸起44上排气口45进入与之相邻的第一个动力盘30内腔，利用热介质的气流冲击力驱动第一个动力盘30转动，进而驱动与之相邻的第二个动力盘30向相反方向转动，借助热介质的冲击力依次驱动相邻的动力盘30交错转动，动力盘30再驱动过度齿轮31及动力齿轮32带动输出轴5转动，实现动力输出。

热介质依次进入并列布置的动力盘内，根据力的相互性原理，热能转化的力量没有什么浪费，而此时，水蒸气介质会在丧失能量的时候，夹杂着污染物发生液化，会滞留在动力盘内部，最后几乎不会有太多污染物排出，甚至没有污染物排出，后序可以通过收集装置对污染液体进行收集即可。

所述动力盘30的内齿圈与过度齿轮31啮合，相邻动力盘30的过度齿31轮数量奇偶交错布置，所述过度齿轮31与动力齿轮32啮合，所述动力齿轮32设置在输出轴5上。利用过度齿轮组成的变速器实现速度的调节，相对于相邻动力盘来说便成为了阻力，混合后的热介质想要通过并不容易，也就反向加大了压力；同时，相邻动力盘的转动方向相反，借助相邻动力盘内过度齿轮的奇偶数量交错布置，可实现变向作用，最终使相邻动力齿轮的转向一致。如图21

为了进一步优化上述技术方案，相邻的环形动力盘30之间设有外滑块46和内滑块47，所述外滑块16和内滑块17分别设置在凸起11的内外两侧。通过外滑块和内滑块能够减小相邻动力盘间的摩擦力，以及加强气密性，避免能量损失。

参见图1，所述动力盘30两侧均设有承力盘48，所述承力盘18贯穿支撑杆36设置。举例说明如下：为了制作方便，可将动力盘设计为分体式，盘体内孔固连变力盘300，相邻变力盘内的过度齿轮数量分选选取1个和2个，即左变力盘内的过度齿轮为1个（如图28），右变力盘内的过度齿轮为2个（如图29），左变力盘与右变力盘间的承力盘预先加工出若干个装配孔，装配孔包括支撑杆孔56、过度齿轮孔57、输出轴孔58，方便与过度齿轮轴、输出轴、支撑杆配合（如图30）。另外，为了方便延长输出轴的使用寿命，可在动力齿轮与输出轴之间设有接力齿轮，接力齿轮外齿与动力齿轮的内齿啮合，接力齿轮与输出轴键连接。

另外，所述端盖34的里侧为涡轮状，所述端盖34设有向外凸起的弧度，所述端盖34内侧设有发散状的弧形导流棱340，所述排气孔35间隔设置在弧形导流棱340一侧。利用端盖的涡轮状结构可将热介质的残余气体进行汇聚，经排气孔排出。

作为一种优选方案，所述输出轴5一端设有第一涡轮增压器49，第一涡轮增压器49经进气管路50将气体压缩后输送至燃烧室6。所述第一涡轮增压器49设置在输出轴5一端，所述输出轴5另一端设有第二涡轮增压器51，可以进一步向燃烧室6内输入气体。

进一步地，对于需求动力较大的设备，所述燃烧室6的进气管路50上还设有加压涡轮52，用来提高燃烧室6的进气压力，以提高输出动能。

本发明的具体工作过程如下：自燃烧室输出的热空气介质、水介质经过燃烧室的高温转化为水蒸气介质，再依次经外流道和内流道的多次循环加热，还有大量热量的热空气及水蒸气分别从热空气流道及水蒸气流道进入热介质混合装置，经放流部件的高速旋转交错释放在聚流壳与散流壳组成的空间内，迅速膨胀。在高温高压下，水蒸气和热空气的密度相似，能量比是2:1，混合后的热介质有更大的能量作为动力。混合后的热介质依次进入动力盘，在热介质冲击力作用下动相邻动力盘会高速反向旋转，进而驱动过度齿轮及动力齿轮旋转，带动输出轴转动输出动力。另外，可以利用输出轴的过剩动能驱动第一涡轮增压器及第二涡轮增压器，为燃烧室补充气体。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。