专利名称：活塞汽轮发动机的制作方法
技术领域：
本活塞汽轮发动机是将活塞式内燃机(简称活塞机，下同)与汽轮发动机(简称 汽轮机，下同)结合而成的一种新型发动机。本活塞汽轮发动机属于发动机技术领域。目 的是提高热机效率，达到节省燃油，节能减排。
背景技术：
内燃机自1876年发明以来，发展至今，技术已很成熟，性能也很好了。但热机效率 还不是很理想，据初中《物理》第二册第37-38页(人民教育出版社.2001年12月第一版， 2003年5月第2次印刷)介绍汽油机效率只有20% -30%，柴油机效率只有30% -45%。 据说电喷机会好些，但未见到具体数据。将热机效率再提高些，使发动机更省油些，还是很有可能的。本人作了一些探索， 有所收获。
发明内容
前面提到的《物理》书中还说道废气的温度较高，废气带走很大一部分热能，在热 机的各种损失中，废气带走的热能最多。又从物理学知道，当一个容器内的气体温度高于容 器外气体温度时，其压力也大于容器外压力，温差越大压力差越大，一旦容器有小开口，其 内气体就会迅速向外膨胀，形成高速气流。根据这个原理，并从回收利用废气热能着手，在 活塞机上装一台汽轮机，把活塞机排出的高温高压“废气”用引导管送到汽轮机，驱动汽轮 机旋转做功，再将汽轮机的输出功与原活塞机的输出功进行合成叠加(后面再说具体如何 合成叠加)，构成总输出。这样，“废气”的部分热能得以回收利用，转化成有用功，热机效率 明显提高，燃油就节省了。
附图1是本活塞汽轮发动机的结构原理示意图(仅仅是示意图)。在图1中，1是 活塞机排气口，2是引导管，3是汽轮机喷嘴及接口，4是汽轮机，5是排气消声器，M是台面， 也可以是活塞机主轴(即活塞式内燃机的曲轴或旋转转子活塞内燃机的输出轴，下同)的 支承端面。附图2是汽轮机叶轮和蜗壳示意图。8是径向叶轮，9是蜗壳。D1是蜗壳等效内径， Ii1是蜗壳高；D2是叶轮等效直径，h2是叶轮高，D1略大于D2，Ill略大于Iv附图3是套管式管连接示意图。10是带法兰的小外径管一侧，11是石棉密封垫圈， 12是大口管一侧，紧固螺栓未画。
具体实施例方式汽轮机与活塞机的结合有两种方式。其一是单结合方式，只用引导管把活塞机排 气口和汽轮机喷嘴接口连接起来，汽轮机直接单独输出。就是汽轮机作为原动机，通过某种传动方式(比如直接连接，皮带传动，齿轮传动，摩擦传动等)驱动从动机(如散热风扇，发 电机)。暂称这种方式的机器为I型活塞汽轮发动机。这样由于原活塞机主轴不需消耗部 分功率去驱动散热风扇和发电机，主轴净输出功率增大了，所以效率提高了，也就省油了。其二是双结合方式，它又分为两种。其一是，活塞机排气口用引导管与汽轮机喷嘴 接口连接；同时，在汽轮机轴上装一皮带轮，在活塞机主轴上也装一皮带轮，再用传动皮带 把二者联起来，成为一体。这里要强调注意汽轮机带动活塞机主轴转动方向要与活塞机主 轴原转向相同。把这种结合方式的机器称II型活塞汽轮发动机。它适合像汽车发动机那 样的主轴一端装有散热风扇，另一端又连接变速箱的发动机。由于汽轮机带动主轴转向与 主轴原转向相同，所以二者功率直接相加。像汽车发动机也可以用下面说的III型结合方式， 这时蜗壳排气口要开在蜗壳圆周侧面上，而且密封可能困难些。另一种双结合方式，具体做法是将活塞机主轴的一端加长一些，让它伸出主轴支 承端面，汽轮机的叶轮直接安装固定在该伸出主轴上，外面再固定上蜗壳，喷嘴接口 3经引 导管2与活塞机排气口 1连接，形成一个整体。把这种结合方式的机器称为III型活塞汽轮 发动机。它适合像摩托车用的发动机。这里要特别强调注意“废气”冲击叶轮旋转方向要 与主轴原转向相同。这样叶轮的转矩对主轴起到助推作用，由于二者转向相同，所以二者功 率直接相加。这样就完成了二者功率合成叠加。此法较简单，较好。可以最大限度回收利 用“废气”热能，主轴获得最大输出。汽轮机可以是单级汽轮机。单级汽轮机其叶轮用径向叶轮。可以用直吹式，也可 以用斜吹式。具体用何种，可视整机结构空间条件而定。汽轮机也可以是同轴多级汽轮机。 此时第一级(连接喷嘴这级)用径向叶轮，第2级及后面各级用轴向叶轮，最好以三级为 限。一般小型机械(如摩托车，小型农机等)用的发动机，用单级汽轮机与活塞机结合 较好，性价比高；大型机械(如铁路机车，舰船等)用多级汽轮机与活塞机结合较好。引导管2的大小取其等效容积V(V = π r2L)最好是约等于1个气缸的工作容积。单级汽轮机的蜗壳等效容积最好约等于1个气缸的工作容积。多级汽轮机的蜗壳 容积，第1级同单级的，后面各级逐级增大。单级汽轮机的叶轮等效直径D2与叶轮高Ii2的 比值C (C = D2A2)，C可取4 8，以取6较好。蜗壳排气口开在轴线方向，其口径略大于活 塞机排气口 口径。原活塞机排气口 1与引导管2、引导管2与喷嘴接口 3、汽轮机蜗壳与活塞机、汽轮 机蜗壳排气口与排气消声器等处接口要确保密封，用加法兰盘的大口管套小外径管，并加 石棉垫圈密封，如附图3所示。(六)效益分析废气带走很大一部分热能，是热机的各种损失中最多的(另外还有一部分散热损 失、一部分摩擦损失、及很小的不完全燃烧损失。)为便于分析，这里假设废气带走的热能占 全部损失热能的60%。下面以烧汽油的单级汽轮III型活塞汽轮发动机为例分析计算设燃油燃烧产生的总热能为W，汽轮机效率取0. 25，原汽油活塞机效率！^取化3， 于是有下面的关系
权利要求
1.本活塞汽轮发动机是在活塞式内燃机上装一台汽轮发动机而结合成的一种新型发 动机，其特征是活塞式内燃机排气口用引导管与汽轮发动机的喷嘴接口连接起来，使内燃 机与汽轮发动机成为一体。
2.按照权利要求1，连接内燃机和汽轮发动机用的引导管，其特征是引导管的等效容 积最好约等于一个气缸的工作容积。
3.按照权利要求1，汽轮发动机可以是单级汽轮发动机，其特征是叶轮用径向叶轮， 叶轮等效直径与叶轮高的比值可取4 8，以取6较好；蜗壳等效容积最好约等于1个气缸 工作容积。
4.按照权利要求1，汽轮发动机可以是两级或多级汽轮发动机，其特征是采用同轴多 级叶轮，第一级用径向叶轮，第二级及后面各级叶轮用轴向叶轮；第一级蜗壳等效容积同单 级的，后面逐级增大。
5.按照权利要求1，汽轮发动机与活塞式内燃机可构成双结合方式，其特征是活塞 式内燃机排气口用引导管与汽轮发动机喷嘴接口连接；汽轮发动机转轴通过皮带轮和皮带 再与活塞式内燃机主轴(即往复式活塞内燃机的曲轴或旋转转子活塞内燃机的输出轴，下 同)联接。
6.按照权利要求1，汽轮发动机与活塞式内燃机可构成双结合方式，其特征是活塞式 内燃机排气口用引导管与汽轮发动机喷嘴接口连接，同时，汽轮发动机的叶轮直接安装在 活塞式内燃机的主轴上。
全文摘要
本活塞汽轮发动机属于发动机技术领域。目的是提高热机效率，节省燃油。它是由活塞式内燃机与汽轮发动机结合形成。从物理学知道，当一个容器内的气体温度高于容器外气体温度时，其压力也大于容器外压力，温差越大压差越大，一旦容器有小开口，其内气体就会迅速向外膨胀形成高速气流。本发明创造正是根据这一原理，用活塞式内燃机排出的高温高压“废气”驱动汽轮发动机做功，把二者的功率合成叠加后输出。汽轮发动机回收利用了活塞式内燃机排出“废气”的部分热能，转化成有用功，而大幅度提高热机效率。理论上可使汽油机效率由30％提高到约41％，节油约27％；柴油机效率由45％提高到约54％，节油约17％。
文档编号F02B41/10GK102135031SQ201110037498
公开日2011年7月27日 申请日期2011年2月14日 优先权日2011年2月14日
发明者张永吉 申请人:张永吉