专利名称：高能内燃发动机的制作方法
技术领域：
内燃发动机。
发明所涉及的有关技术参考文献。
“理论力学”(高等教育出版社，1985年版，清华大学罗远祥等编。)“理论力学”(北京大学，1982年版，朱照宣等编。)“大学生常用手册”(湖南科学技术出版社，1984年版，陈强等编。)“物理学辅导”(科学普及出版社，1987年版，(美)布策著，陈光等译)。“中学简明物理手册”(渐江人民出版社，1980年版，徐日新等编)。“人类使用的动力”(机械工业出版社，1988年版，(美)乔治·E·斯蒂芬森著，文世等译)。“汽车构造”(人民交通出版社，1987年版，吴植民主编)。“发动机与汽车理论”(人民光通出版社1988年版，杨玉如编)。“爆炸基本原理”(国防工业出版社，1988年版，张守中主编)。“化工机械”(化学工业出版社，1988年版，黄仕年主编)。“汽车发动机增压技术”(人民交通出版社1988年版，江厚美等著)四、发明的目的①推动“发动机革命”应用本发明的新原理发动机，可以有效而完美地取代现有的各型活塞式内燃机、转子发动机和燃气轮机等，彻底改变人类现用发动机的面貌，为我国在即将到来的交通革命中，抢先占领应有的地位。而且，可以成倍，成数十倍地提高发动机的出力。
②为人类开辟一个崭新的能源途径本发明配套使用的专用固体燃料，可以化合成。也可以生物工业化合成。从而不再使用石油、天燃气、煤等化石燃料，同时，合成原料无限丰富，十分便宜。
③减少环境污染本发动机的化学反应，与现用内燃机比较，可以减少废气污染90%以上，基本上无有害废气。
五、发明的内容①原理(1＃)释能高速化物质是运动的，运动是时空的。一切运动都是物质的时一空属性增加，则其空间属性减少。时空互补、互变，是客观物质世界的基本规律。按相对论的质一能关系有E＝M·C，倘若引入能量E＝MC和动量P的概念后，存在着(i·m·c2)2＝-(m·c1)2+(c·pz)2+(c·py)2+(c·pz)2……(0)即动量的增减，必有能量的相应增减，同时，能量的增减，又是物质间相互作用的结果。按照经典力学的观点，实物物质动量的增减，则是物质间相互作用力的作用结果，也就是获得或释能的结果，倘若把一切物质，物体间的作用都从释能，获能的角度来予以考察，则可获得一些有益的认识。
(A)一维释能若释能过程在四维时空中，是按照空间一维的时空方向进行，那么在能量E、功W、速度V、路程S、质量m和作用时间t这几个项目之间，就存在着以下关系·W＝dE＝f·ds＝m· (dv)/(dt) ·ds……(1)或变为 f＝ (dE)/(ds) ……(1-1)a＝ (dE)/(ds) · 1/(m) ……(1-2)这样，我们就将能量E与作用力F，加速度a联系了起来力是能量对路程的梯度，加速度则是单位质量的能一程梯度。从(1-1)式中可以明显地看出，在dE不变的情况下，改变ds之值，可以获得很大的力F，也可能获得很小值的力F。这种减程增力法，在古老的弓箭，杠杆等简单一维机械中，已获得广泛而卓有成效的应用。(即增大“能程梯度”以获得强作用力。)(B)三维释能倘若在四维时空中，释能过程在空间是按照三维方向进行的，那么由于三维释能的工质载体，只能是气态，液态等非固态物。而且，一般都是气态物。所以根据气体的多方状态方程，高压气体在释能中所运载的能量△E为△E＝△W＝ (P1·V1-P2·V2)/(n-1) ……(2)式中n为多方指数，P1·V1为释能前气体的压强和体积。P2·V2为释能终结时，气体的压强和体积。W是使气体到达P2·V2状态，所必须作出的对应功。由于在三维释能时，一般的初始条件都可设定为P1≈0，和V1≈0，则(2)式变为P2＝ (－△E·(n-1))/(V2) ……(3)又因在三维无约束条件下的释能，其释能载体工质是按球状扩张，而其球状体积V2＝4·189r3(r为球半径)。但在实用工程中，大多有最少一维约束，工质是按半球状扩张，故V2＝ 1/2 ×4·189V3，今令Vc为燃料的释能能量波传递速度，则其平均速度Vcp＝ 1/2 ·Vc故又有r＝Vcp·t＝ 1/2 vc·t2(其中t2为燃烧反应过程的时间)。得到V2＝ 1/2 ×4·189( 1/2 ·vc·t2)再代入(3)式得到P2=- △E ·(n - 1 )2.0945 ×(12·vc°t2)3或 P2＝－3.8168△E ·(n- 1)vc3t23]]>(4)对于本发明所使用的专用燃料。已知vc＝3.062×103m/s，释能过程多方指数n＝3，故(4)式又变为P2＝ (-3.8168·△E(3-1))/((3.062×103m/s)3t23) 最后得到P2＝-2.66×10-10· (△E)/(t23) ……(5)
这就是说，在三维释能中，在△E值不变的情况下，用减少时间t2的方法(能时梯度 (dE)/(dt2) 增大)，可使之获得甚大的工质压强P2(pd)，在使用(5)式时，E的单位用焦耳(j)，t2用秒(S)。综上所述若使释能高速化，则就能获得大的作用力F和压强P2从而提高发动机的动率输出。
(2)＃工况可调脉冲化脉冲化，也可叫做量子化，实际上，客观物质世界的一切相互作用，从发射光量了，到人体心脏博动，从新星爆发到光合作用，莫不皆以能量的量子化传递(即脉冲化)为主要特征，前述释能高速化的结果，必然是燃料耗量的大量增加，设备工作状况恶劣，所以工作过程状况的脉冲化，是很有必要的配套措施，舍此，另无他途。
设若全程释能时间为t2，脉冲释能时间为t3且t3＝ 1/10 ·t2，即脉冲时间t3仅为全程释能时间t2的十分之一，则按(5)式有(在释能△E2＝△E3时)P3P2=2.66 ×△ E3t33×102.66 ×△ E2t32×10= 103倍]]>，即压强将增大到103倍，而此时，燃料耗量却并未增加，从时间上来说，释能过程之外的 9/10 的时间就可以使零件受力状况得到免除，获得喘息的机会，提高零件的承受能力。美国和日本在70年代试验蒸汽活塞发动机的过程中，就是因为宏观连续工作，燃料耗量过大而归于失败，其原因就在于未能采用工况脉冲化的方法所致。而历史上，二次大战中德国的V-1火箭或布兹轰炸机，用频率200HZ的脉冲发动机推动，成功地达到645km/h的航速。
②燃料采用与本发动机相匹配的专用燃料。例如代号为“s l”形态固体。密度1g/cm3。热值(1.425～3.768)×106j/kg燃烧速度(3～5)×103m/s。燃烧均匀化期间能量波传递速度(1.837×3.062)×103m/s 分子量 29.84。定压比热Cp＝1333.5I/kg·k。定容比热993.27J/kg·k。绝热指数＝1.2634。燃料生产方法无机合成或生物合成。估计燃料价格600～800元/T。
③叶片式高能内燃发动机(见“
图1”)以BJ130型汽车发动机，作为对照设计的例子。
(1＃)结构说明(参见“图1”)结构原理扭矩由气缸中叶片两侧压强差获得。
工作状况采用脉冲循环的工作秩序。
功率控制采用频率控制法。
换向采用机械传动换向。
该形式结构中，件1为单元固体燃料，φ10×25.5mm，外表面用＝0.7～1·mm的纸板作容器，纸质预作防潮处理。给料箱用＝2～3mm钢板制造，内装燃料柱1，给料箱中设弹簧送给机构。件号3为进料闭锁机体，内装进料闭锁机18，复进弹簧4，火花塞导线8，活塞19。
在工作中，进料闭锁机18，将料柱1送给到7的燃料位置。在闭锁机前进运动的终点，并即通电使火花塞放电，引燃料柱7而燃烧所产生生的高压气体，则进入叶片缸16的高压半调空腔p，通过叶片10，推动主轴13转动，转动180°后，高压空腔p中的气体随着叶片10，进入低压空腔，再由此低压空腔顺箭头方向进入φ28的连通孔，进入下一级气缸的高压空腔p在第四个缸的低压腔，此时气体压力已降到1×105pα左右，气体从箭头的方向排出(排气消音器来画出)。在第一气缸中，制有回气通道9，该通道中的高压气体推动活塞19往右运动，带动闭锁机压缩弹簧4，向后退出而解除闭锁，重新进入下一脉冲的待发状态。
在叶片10和气缸体16和隔离环上，都制有矩形槽，用以减少气体的泄漏。弹簧11用以使叶片10与孔保持密切接触。叶片10并可以在主轴13的矩形槽内作径向滑动。在B-B断面中，
轴线以上为高压腔，以下大部分均为低压腔。件17将四副气缸体联接成整体。件20为循环冷却水的进出口接头。件14为主轴冷却水的进出接头。发动机本身的长×宽×高＝401×230×230mm(2＃)燃料耗量mg当汽油容重为0.7g/cm时，BJ130型车的燃料耗量为〔(15L/100km)×85km/h〕÷3600〔(15L/100km)×85km/h〕÷3600·s＝3.5×10L/s或0.00354L/s×0.7kg/L＝0.00248kg/s考虑到巡驶状况下，燃料耗量要少一些，故参照BJ130型车，取本发动机燃料耗量为mg＝0.002kg/每脉冲。(对BJ130型车最大耗油量为15L/100km，最大时速85kg/h。)(3＃)燃料柱尺寸，燃料体积v1＝ (mg)/(容重) ＝ (2g/脉冲)/(1g／cm3) ＝2cm3按经验和使用条件考虑，取燃料体为圆柱体形，直径φ10＝10mm则其长度L＝ (4×2cm3)/(π×(1cm2)) ＝2.55cm。
(4＃)燃料反释能时间t2＝ (L)/(Vcp) ……(8)故有t2＝ (0.0255m)/(2.5×103m/s) ＝1.02×10-5s(5＃)脉冲释能因△E＝Q·mg……(9)故△E＝1.425×106J/kg×0.002kg＝2.85×103J/脉冲，(6＃)最大瞬时压强P1和燃烧室内均匀化压强Pcp将t2和△E之值，代入(5)式，得到P1＝2.66×10-P× (2.85×108J／脉冲)/((1.02×10-5)3秒) ＝7.144×108P2和Pcp＝ 1/2 P1＝7.144×108P2/2＝3.57×108Pa(7＃)气缸工作容积v2工质气体在气缸中的膨涨过程，按照热力学第一定律，有 (P1)/(P2) ＝( (V2)/(V1) )……(10)或V2＝V1·( (P1)/(P2) )……(11)式中r为工质气体的绝热指数，并已知r＝1.2634，代入各已知值后得到V2=2×10-6m2×(3.57×108pa)1×105pa11.2634=1296cm3/]]>脉冲。(式中1×105Pa为机外空气压强近似值)。它说明v2最少不得小于此值，方可使燃烧后的工质气体，降压到1×105Pa，另一方面，又已知本专用燃料燃烧后，可获得标准状态下的气体为9.8×105m3/kg，故若按已知这个情况，应有v2为v2＝9.8×105cm3×0.002kg/脉冲＝1960cm3/脉冲这样，在实际应用中，以采用这个数值V2＝1960cm3为宜。又估计每个叶片级损失漏气2.5%，则四缸同时工作，12个叶片，共损失30%，又回气复进损失3%，则合计损失33%，扣除以后VA应为VA＝1960cm3-(1960cm3×33%)＝1313·2cm3又因气缸间三条连通体积为VB＝3条×π×( (D)/2 )2×L，代入D＝φ2.8cm，L＝17cm，则VB＝3×π( 2.8/2 )2×17＝314.3Cm3故得V2＝VA-VB＝1313.2cm3-314.3cm3＝999.17cm3(8＃)叶片、气缸尺寸每缸容积VA1＝ 1/4 ×v2＝ (999.17cm3)/4 ＝249.8cm3，兹取气缸长度L1＝50mm则气缸截面积为
FAt＝VA1/L1＝ (249.8cm3)/(5cm) ≈50Cm2。又取转子轴直径d＝φ150mm则定子孔直径应为D＝(4 ×(50 + π / 4 ×152) + π)]]>＝16.99Cm故得到，转子直径φ150mm。定子孔径φ169.9mm。偏心距9.95mm，叶片最大伸出19.9mm。并取叶片数6片/每缸，叶片厚＝20mm(9＃)叶片强度叶片最大受力面积Fimax＝0、0199m×0、05m＝9、95×10-4m2。叶片两侧压强差△P＝(P1-P2)/4＝＝(3.57×108Pa-1×106Pα)/4＝1.785×108Pα。叶片最大受力Fmax＝△P·Ffmax＝1.785×108Pα×9.95×10-4m2＝1.78×105N又因对于均布截荷伸悬臂梁的最大弯矩为Mmax＝ (q·L2)/2 ＝ (FmaxL)/2 ＝ 1/2 ×1.78×105N×1.99cm＝1.77×105N-cm其断面抗弯系数W′x＝b·H/6＝ 1/6 ×5Cm×(2Cm)2＝3.33Cm2经矩形断面的塑性修正系数no＝1.5修正后Wx＝W′x·no＝4.995Cm2并取安全系数n＝1.5，则可计算出许用弯曲应力σT= (Mmax·n)/(WX) 代入数值后σT= (1.77×105N-cm×1.5)/(4.995cm3) ＝5.43×103kgf/Cm3故选用屈服强度大于此值的32CTNisWM，Nb合金，731合金等均可。(10＃)传动机械的总速比
为保证车轮扭矩，故取
＝ (D)/(d) ≥ (730·mm)/(150·mm) ＝4.866式中D为车轮滚动直径，d为叶片主轴直径。(11＃)推力Ft1作用在气缸叶片上的总推力为Ft1＝4Fmax由于机械传动速比
＝ (D)/(d) ，故车轮滚动半径上的扭力亦为Ft1。已计算出RJ130，在V＝85km/h和在8%。纵坡上行驶时总运动阻力为FN＝4357.3N(未计加速力)。故发动机的有效加速推力为Ft＝Ft1-FN＝3.55×105N-4357.3N＝3.506×105N
权利要求
1.用弹簧送料机构，间歇地向燃烧室，送入能够高速释放能量的固体燃料。A、所述固体燃料的燃烧速度不小于1500M/S。B、所述间歇地送给燃料的送给频率可以变动和调节。
2.根据权利要求1所述，其特征是燃料为固体合成燃料，包括块状，粉状及浆状不使用化石燃料。
3.根据权利要求1所述，其特征是燃烧室最高工作压强为1×1081×108～1×10
P2的范围之内。
4.根据权利要求1所述，其特征是采用脉冲工作状况，脉冲工作频率与燃料燃烧工作频率相同。
全文摘要
现有的内燃发动机由于受到气缸容积的限制，每次燃烧只能提供有限的空气，因而其功率输出和热效率很低，而且排放大量污染物，能源来自化石，储量有限。本发明从释能高速化(燃速大于1500M/s)I况脉冲化(H本发明可望在小型发电，汽车，火车，轮船及螺旋推进航空器上获得广泛运用。
文档编号F02B45/06GK1043977SQ89100099
公开日1990年7月18日 申请日期1989年1月4日 优先权日1989年1月4日
发明者张慧书 申请人:张慧书