专利名称：混合式内燃机的制作方法
技术领域：
本发明涉及内燃机，特别是为产生持续大流量高压射流而混合柴油引擎、气轮机和喷射引擎这三种内燃机的结构特性所设计的混合式内燃机。
柴油引擎是一种大功率、高效率的活塞式内燃机。由于活塞是线性运动，须经过曲轮轴转换成旋转运动，故不适于作持续大流量压缩气流之用。活塞引擎还有活塞与管壁之间的摩擦和热膨胀问题，以及各冲程之间活塞反转所造成的死点和不连续性的问题，这些都是活塞引擎的固有缺点。涡轮压气机或涡轮泵(泵是针对液体情况，为简明起见，不论针对气体或液体，皆统称涡轮泵)适于满足持续压气的目的，故一般喷射引擎均采用此种方式进行对空气的预压缩。但若要满足本发明的持续大流量高压射流的目的，由一般气轮机或喷射引擎方式驱转的涡轮泵不是很理想，因为它们没有柴油引擎那么高的燃烧效率。柴油引擎失之在重量大，这是因为高压爆燃需要强固的机体来承受，造成机体重量大。本发明的用途既是要产生高压射流，所以耐高压已是先决条件，故采用柴油引擎方式的高压爆燃也就顺理成章。
除了燃烧效率不同外，这两种燃烧方式在驱转气轮机的原理上也不同。一般气轮机或喷射引擎是燃烧空气以增其热能，然后转为气流的动能，气流冲击在轮叶上后将动能转化为涡轮的旋转能。对本发明所用高压爆燃方式来说，推动涡轮轮叶旋转的是燃烧室内高压气体直接作用在轮叶上的面压力。为本发明所要达到的持续大流量高压射流的目的，本发明采取了柴油引擎的高压爆燃优点，但用气轮机取代活塞，解决其线性运动的缺点，压气机则采取气压驱动的涡轮泵方式，取其持续加压的特点。
以下结合附图用实例对本发明进一步详细说明。
图1为本发明混合式内燃机的单燃烧室基本结构示意图。
图2为多个燃烧室的结构示意图。
图2A为图2所示燃烧室沿A-A线的剖视图。
图3为图2所示燃烧室加气轮机与涡轮泵的相对位置对调的结构示意图。
图3A为图3所示沿B-B线的剖视图。
本发明的第一个实施例为单燃烧室基本结构，如图1所示。整个机体11采用圆筒形，开口端12定义为前端，封闭端13定义为后端，其上装置有燃料供应口14、助燃用空气供应口15和工质用空气供应口16。联接这些供应口的输送机械，如燃料泵、压气泵等，均未在图中示出，因为它们均属于现有工艺，识者都知道怎么装置。本发明将助燃用空气与工质用空气分开，这是有别于一般气轮机或喷射引擎的一个特征，下文会详加讨论。
机体11内装置内燃体17，在本基本结构实施例，只含有一个燃烧室22。但在实用时，一般都会用多个燃烧室来组成，这是因为能耐高压爆燃的材料做不成太大体积的燃烧室，所以当需要大功率时，就要用多个燃烧室来实现，这与活塞引擎的情况是一样的。
燃烧室22一般采用圆筒形室身21及后端半球形室头，这是耐高压结构。燃烧室22内的燃料进口23，助燃空气进口24，燃料喷头25，以及未示出的部件如打火装置等，这些均属于现有工艺，尤其是柴油引擎工艺。内燃体17及其燃烧室22是与机体11同轴装置，排气端朝向前端12。一个气轮机18紧密地装置在内燃体17前端，从而其最接近的轮叶构成燃烧室22的前端室壁。一个涡轮泵19与气轮机18共用主轴20而受气轮机18之驱转，从而对由供应口16输入的工质进行加压。
工质可以是气体或液体。本发明基本上针对气体情况，故19应称为涡轮压气机，不过本说明书中一概统称涡轮泵。所以称其为工质，首先是其即使为空气时也不参与燃烧，故与助燃用的空气有别。其次，其用途除可兼作降温介质外，主要是作为输出工务的介质。当工质为空气时，本发明将其与助燃用空气分开，不仅是因为两个的用途不同，更重要的是因为高压爆燃所需空气量远比工质用空气量为小，若不分开，就达不到高压爆燃的效率。分开后，工质用空气因不参与燃烧，故化学成分未变而可循环使用。这种回收使用的可行性很重要，因为工质作为高压射流的输出气体时，其所需流量是很大的，若不用回收办法，其供应源是很难满足。所以工质与助燃用空气分开是本发明的一个主要特征。分开后还有一个好处，即助燃用气体不必一定用空气，用纯氧都可，这也是本发明的一个特征。
本发明混合式内燃机在运转时，燃料与高压空气不断泵入燃烧室22，通过喷头25在后端形成雾状微粒26，以与也是从后端泵入的空气作最好的混合，然后，在高压高热下自行爆燃，使燃烧室22内充满高压气体，其作用于作为前端室壁的气轮机18的轮叶上时即将其推转，从而驱动涡轮泵19而对由供应口16输入的工质进行加压。燃料和空气在后端泵入爆燃，然后废气经过涡轮叶排出。其与一般气轮机的差别为，首先，燃烧压力在本发明高出很多，甚至尽量达到现有材料能设计出的上限。其次，本发明推动气轮机用的是气体压力，不是气流冲力。换句话说，本发明中废气虽然经过轮叶排出，但开始接触轮叶时的初速尽量接近于0。一般气轮机则不然，冲击轮叶的速度要越大越好。第三，一般气轮机为取得对轮叶的最大冲力，除速度外，也要尽量增大流量，故燃烧的空气越多越好。本发明则是以尽量取得最高燃烧效率和达到设计最大气压为目的。第四，从前述可得出，本发明的燃烧室小而多，一般气轮机则是大而少(一般为单个)。本发明的引擎的设计功率通常由燃烧室大小、正常工作时的爆燃最大气压和输油率来决定。由于燃烧室的大小在设计时已确定，故在工作时，输出功率由输油率和燃烧室内气压来决定，当气压达到设计最大气压后，则由输油率来控制。
本发明的输出虽然也是射流，但与喷射引擎的射流输出有截然不同处。首先，本发明的输出喷管在装置成拉瓦尔喷管(即收缩扩张喷管)后，其高压射流即变为超音速射流。这是本发明的主要目的，以用于另一项已于2000年6月13日取得美国6,073,881号专利权的产生垂直升力的机械装置；而喷射引擎的射流是为产生推力，取的是其动能，动能的增加是靠增加热能来实现的，故高压对其无益，反而会因增加机体结构负担而有害。其次，本发明的高压射流(即超音速射流)是靠涡轮泵对工质加压产生的，工质未参加燃烧，而喷射引擎的推力射流则是空气工质直接参加燃烧后的气流，其涡轮泵的作用只作为对空气在燃烧前进行预压。第三，前已表述过，本发明的高压射流是由与助燃用空气分开的工质用空气构成的，故没有燃烧增加热能的情况(加压会增加热能是另一回事)。第四，喷射引擎的推力射流带有大量热能和动能，射出后就没用而浪费了，这是喷射引擎效率低的固有因素。本发明的射流本已没有这么大的热能和动能的浪费，若进行回收，则就没有浪费了。关于回收的实例可参看前述专利。第五，喷射引擎的射流是燃烧后的废气，由于用于推力，根本不能考虑进行污染控制。本发明将燃料与射流分开，燃烧后废气是很容易进行污染控制的。
本发明的主要输出目的是高压射流，但气轮机的转动轴还是可用作轴转动输出，尤其是用于作为燃油和助燃用空气的供应泵的驱动源。至于将轴转动输出作为主要输出，将工质作为降温剂(此时宜用液体)的设计，则就需与现行气轮机竞争，看孰优孰劣。对本发明而言，其最大的缺点是重量，若材料上的进步能大大降低重量，则本发明在用于轴转动输出上也是大有前途。
图2、2A及图3、3A示出本发明的另二个实施例，是图1基本结构的多燃烧室实用例。图3所示为图2所示结构的反装，即内燃体加气轮机相对于涡轮泵的位置对换。另外，图2和图3所示结构的内燃体加气轮机相对于涡轮泵的前后位置也与图1所示结构的相对前后位置对换。从而，这三个实施例表达了本发明的结构中所含三个主要成份——内燃体、气轮机和涡轮泵——的所有可能组合情况。另外，轴转动输出也有前后伸出两种情况，图2和图3都示出了。图1的基本结构实施例只有一个燃烧室，故主轴20只从前端伸出，后端虽也可伸出，但要穿过燃烧室头，会增加结构上的复杂性。从此处可看出多燃烧室的设计会多出这一个好处。图2、3中还可看出气轮机18的轮叶作为各燃烧室的前端室壁的情况。关于轮叶与室壁的密合问题，在这方面，本发明要比活塞引擎的情况较为灵活，譬如，轮叶直径可略大于各燃烧室环形布置的总直径，用这个方式来消除边缘的外逸情况。另外，图中均未画出涡轮的定子部分，因这方面的技术很成熟，就略去，使图简洁。
关于耦合装置，这三个实施例均采用共同主轴的方式，这也是结构最简便的方法。另外还有其他耦合装置，例如用齿轮耦合，其好处是可调节涡轮泵转速，坏处是机件较复杂，成本增加，重量也增加。齿轮的位置可在轴上，也可在轮叶边缘上。有一种最简单的耦合办法，那就是气轮机和涡轮泵共用轮叶，即每一轮叶分成两段，一段作成气轮机曲面，另一段作成涡轮泵曲面，这样可得出极紧凑的结构设计。
权利要求
1.混合式内燃机，其特征在于机体内装置内燃体、气轮机和涡轮泵；内燃体由一个或多个燃烧室组成，开口一端称前端，其中的燃烧类同柴油引擎，在泵入燃油、空气后进行高压爆燃；气轮机与内燃体紧密结合，其最接近的轮叶构成各燃烧室的前端室壁，从而使气轮机受各燃烧室内气压直接作用在轮叶上而驱动；涡轮泵以耦合装置受气轮机驱动，从而对气体工质加压或对液体工质进行泵送；工质还可以通过管道、夹层方式兼任对燃烧室降温的作用。
2.根据权利要求1所述的混合式内燃机，其特征在于所述的工质主要为空气，所述气轮机的主要工作是驱转所述涡轮泵，所述空气工质经涡轮泵加压成高压气体输出，从而所述混合式内燃机的用途是高压射流。
3.根据权利要求1所述的混合式内燃机，其特征在于所述机体呈圆筒形，沿其长轴装置一根主轴；所述内燃体的一个或多个燃烧室均为圆筒形室身和后端半球形室头，彼此平行对称环绕所述主轴装置；所述气轮机以所述主轴为轴，装置在所述内燃体前端，其最接近轮叶构成各燃烧室的前端室壁；所述涡轮泵亦以所述主轴为轴，从而所述耦合装置即所述主轴。
全文摘要
本发明涉及内燃机,特别是为产生持续大流量高压射流而混合柴油引擎、气轮机和喷射引擎这三种内燃机的结构特性所设计的混合式内燃机。机体内装置内燃体、气轮机和涡轮泵;内燃体由一个或多个燃烧室组成,开口一端称前端,其中的燃烧类同柴油引擎,在泵入燃油、空气后进行高压爆燃;气轮机与内燃体紧密结合,其最接近的轮叶构成各燃烧室的前端室壁;涡轮泵以耦合装置受气轮机驱动,对气体工质加压或对液体工质进行泵送;工质还可兼任对燃烧室降温的作用。
文档编号F02C3/14GK1342831SQ00124490
公开日2002年4月3日 申请日期2000年9月11日 优先权日2000年9月11日
发明者陈重庆 申请人:陈重庆