劉紅旗，魏 峰，杜永貴

（太原理工大學(xué) 信息工程學(xué)院，太原030024）

現(xiàn)有技術(shù)活塞式發(fā)動機(jī)一直不可克服的缺陷有：排氣、進(jìn)氣、壓縮三個階段對能量的大量損耗；冷卻系統(tǒng)對能量的大量損耗；做功的不連續(xù)性使發(fā)動機(jī)不穩(wěn)定和不均勻運(yùn)轉(zhuǎn)等。另外，這活塞式發(fā)動機(jī)還必須在限定時間里燃燒、限定使用一種燃料，因而造成了環(huán)境污染大、能源的損失大和發(fā)動機(jī)在低速運(yùn)轉(zhuǎn)時的動力性、經(jīng)濟(jì)性差等不可克服的缺陷。

現(xiàn)有技術(shù)的燃?xì)廨啓C(jī)，雖然能克服以上活塞式發(fā)動機(jī)的缺陷，但從空氣動力學(xué)角度說，壓氣機(jī)和渦輪（渦輪葉片與工作腔壁之間的氣密封性差，而造成燃?xì)獾膿p失太大）效率太低，僅為65%和70%，甚至渦輪功不足以滿足壓氣機(jī)耗功需要；二是從冶金學(xué)角度說，無法提供能在燃?xì)鉁囟? 300～1 700℃以上可靠工作的耐熱渦輪合金。綜合以上燃?xì)廨啓C(jī)這兩大缺陷，與同體積的往復(fù)式發(fā)動機(jī)相比，它的造價昂貴。由于渦輪機(jī)的工作溫度高，因此從工程和材料的角度看，燃?xì)廨啓C(jī)的設(shè)計和制造都是一個很棘手的問題。此外，燃?xì)廨啓C(jī)空轉(zhuǎn)時消耗的燃料更多，而且要求負(fù)載恒定，不能有波動。尤其在部分負(fù)荷條件下和空載時，熱效率顯著下降，這些缺點(diǎn)也可以解釋為什么在汽車上很少使用燃?xì)廨啓C(jī)。

為了克服以上兩種發(fā)動機(jī)缺點(diǎn)，集燃?xì)廨啓C(jī)、活塞式內(nèi)燃機(jī)的雙重優(yōu)點(diǎn)，筆者利用燃?xì)廨啓C(jī)連續(xù)燃燒、活塞式四行程發(fā)動機(jī)活塞組與氣缸有好的氣密封性雙重優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計出一種新型發(fā)動機(jī)。該方案已于2013年1月獲得國家知識產(chǎn)權(quán)局發(fā)明專利。

1 燃?xì)廨啓C(jī)工作原理及特點(diǎn)分析

1．1 燃?xì)廨啓C(jī)工作原理

燃?xì)廨啓C(jī)工作時，供燃料燃燒的空氣首先進(jìn)入壓氣機(jī)，經(jīng)壓縮后溫度升高到100～200℃之間，然后送入燃燒室即燃?xì)獍l(fā)生器中去；與此同時，燃料通過噴油嘴進(jìn)入燃燒室，與高溫高壓的空氣混合后點(diǎn)火燃燒。此時，燃燒室的燃?xì)鉁囟妊杆龠_(dá)到2 000℃，而且以后連續(xù)不斷地保持在2 000℃左右；用滲入壓縮空氣的方法，也就是二次進(jìn)風(fēng)的辦法降低燃?xì)鉁囟戎?00～700℃左右，燃?xì)庾詈髧娙霚u輪片槽道里膨脹，將其熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，使燃?xì)廨啓C(jī)中的葉輪旋轉(zhuǎn)并帶動軸旋轉(zhuǎn)；驅(qū)動壓氣機(jī)，帶動軸通過減速齒輪箱輸出功率。其原理如圖1所示。

圖1 燃?xì)廨啓C(jī)工作原理

1．2 燃?xì)廨啓C(jī)的缺陷

燃?xì)廨啓C(jī)燃燒后達(dá)2 000℃左右的燃?xì)?，要用滲入壓縮空氣的方法，也就是二次進(jìn)風(fēng)的辦法降低燃?xì)鉁囟戎?00～700℃左右，燃?xì)庾詈髧娙霚u輪片槽道里膨脹，將其熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械功。一是從空氣動力學(xué)角度說：壓氣機(jī)用二次進(jìn)風(fēng)的辦法用去一部分損耗功，目的是降低燃?xì)鉁囟龋?00℃～700℃左右）；二是因?yàn)闇u輪片與工作腔壁之間的氣密封性差而造成燃?xì)獾木薮髶p耗，使燃?xì)廨啓C(jī)效率降低，僅為65%～70%，甚至渦輪功不足以滿足壓氣機(jī)耗功需要。還有從冶金學(xué)角度說：耐熱渦輪合金只能在燃?xì)鉁囟?00～700℃下工作，無法提供能在燃?xì)鉁囟? 300～1 700℃以上可靠工作的耐熱渦輪合金。

1．3 燃?xì)廨啓C(jī)的主要優(yōu)點(diǎn)分析

與同樣容積的活塞式發(fā)動機(jī)相比，燃?xì)廨啓C(jī)工作時空氣流量很大，單位時間內(nèi)燃燒的氣體一般在16～23kg／（kW·h），活塞式發(fā)動機(jī)約為5kg／（kW·h）。所以，燃?xì)鉁u輪機(jī)在單位時間內(nèi)燃燒的空氣和燃料混合物的量多，故其功率比活塞式發(fā)動機(jī)大得多，效率會比活塞式發(fā)動機(jī)高許多。因此它有熱效率高、重量輕、體積小、啟動快，便于集中控制，適宜燃燒多種燃料，振動和低頻噪音小等特點(diǎn)。

不論是活塞式發(fā)動機(jī)還是燃?xì)鉁u輪機(jī)，它們的卡若循環(huán)熱效率：η＝1－t1／t2。工作于高熱源t2與低熱原t1之間熱機(jī)，用以評定發(fā)動機(jī)作為熱機(jī)的經(jīng)濟(jì)性。

對于現(xiàn)有技術(shù)的燃?xì)廨啓C(jī)（渦輪噴氣發(fā)動機(jī)，渦輪風(fēng)扇發(fā)動機(jī)，渦輪螺旋槳發(fā)動機(jī)，渦輪軸發(fā)動機(jī)）來講，依據(jù)現(xiàn)有技術(shù)，燃?xì)廨啓C(jī)熱效率公式：η＝1－t1／t2，計算出他們的熱效率分配的概率統(tǒng)計值，如表1所示。

表1 燃?xì)廨啓C(jī)熱效率分配的概率統(tǒng)計值

2 活塞式發(fā)動機(jī)特點(diǎn)分析

2．1 活塞式內(nèi)燃機(jī)的主要缺點(diǎn)

活塞式內(nèi)燃機(jī)首先要克服排氣、進(jìn)氣、壓縮三個階段對能量的損耗；第二要克服把溫度高達(dá)2 200～2 800℃，經(jīng)過冷卻降溫對能量的損耗；第三是做功的不連續(xù)性，造成發(fā)動機(jī)不穩(wěn)定和不均勻運(yùn)轉(zhuǎn)，是現(xiàn)有技術(shù)發(fā)動機(jī)一直不可克服的缺陷；還有發(fā)動機(jī)都必須在限定時間里燃燒，燃燒條件的制約和只能限定使用一種燃料的局限性，是造成這種發(fā)動機(jī)對環(huán)境污染、能源損耗和發(fā)動機(jī)在低速運(yùn)轉(zhuǎn)時的動力性、經(jīng)濟(jì)性差等不可克服的缺陷。

2．2 主要優(yōu)點(diǎn)

活塞式四行程發(fā)動機(jī)活塞組和氣缸與燃?xì)廨啓C(jī)渦輪相比有較好的氣密封性，同時活塞式四行程發(fā)動機(jī)要比燃?xì)廨啓C(jī)排出機(jī)外廢氣損失要低得多。且活塞式發(fā)動機(jī)具有結(jié)構(gòu)緊湊、機(jī)動性強(qiáng)、運(yùn)行維護(hù)簡便等特點(diǎn)。

2．3 活塞式發(fā)動機(jī)熱效率分配的概率統(tǒng)計

對活塞式發(fā)動機(jī)（柴油機(jī)、汽油機(jī)等）熱效率來講，同樣依據(jù)熱效率的公式：η＝1－t1／t2，計算出他們的熱效率分配概率統(tǒng)計值。見表2所示。

表2 活塞式發(fā)動機(jī)熱效率分配的概率統(tǒng)計值

3 任選燃料混合式發(fā)動機(jī)的設(shè)計

3．1 熱效率估算

依據(jù)活塞式發(fā)動機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)熱效率概率統(tǒng)計結(jié)果，以及其優(yōu)點(diǎn)，去除渦輪葉片等缺陷，在相同容積下的活塞式發(fā)動機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)相比：

1）由于燃?xì)廨啓C(jī)工作時空氣流量很大，一般在16～23kg／（kW·H），活塞式發(fā)動機(jī)約為5kg／（kW·H），所以燃?xì)鉁u輪機(jī)在單位時間內(nèi)燃燒的空氣和燃料混合物的量多，故其功率比活塞式發(fā)動機(jī)的大得多。

2）燃?xì)廨啓C(jī)消耗在冷卻部件熱效率損失少，僅為3%～6%；消耗在燃?xì)廨啓C(jī)本身的運(yùn)動部件的摩擦為5%～10%。

3）活塞式發(fā)動機(jī)的廢氣排出機(jī)外損失的熱效率為15%～25%。依據(jù)熱效率計算公式：η＝1－t1／t2，估算出活塞式發(fā)動機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)相結(jié)合的發(fā)動機(jī)的熱效率可能達(dá)到60%～85%。

3．2 設(shè)計方案

活塞式發(fā)動機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)相結(jié)合的設(shè)計方案有以下三種。

方案一：在燃?xì)廨啓C(jī)中，去除渦輪葉片組及部分部件，并增設(shè)部分部件，所留部分的部件布置、排列方式、連接關(guān)系和基本參數(shù)與燃?xì)廨啓C(jī)相同。改進(jìn)后的機(jī)器定名為燃?xì)鈾C(jī)。其中，燃?xì)鈾C(jī)排氣噴口和二行程做功機(jī)的進(jìn)氣口相鏈接。如圖2所示。

圖2 任選燃料混合式發(fā)動機(jī)工作原理

方案二：在奧托式四行程發(fā)動機(jī)中，去除壓縮、暴發(fā)的兩行程配氣機(jī)構(gòu)及部分部件，改為進(jìn)氣做功、排出廢氣兩行程的工作方式，改四行程發(fā)動機(jī)配氣機(jī)構(gòu)為兩行程工作方式的配氣機(jī)構(gòu)，并增減部分部件，所留部分的部件布置、排列方式、連接關(guān)系和基本參數(shù)與奧托式四行程發(fā)動機(jī)相同。改進(jìn)后的機(jī)器定名為兩行程做功機(jī)。在兩行程做功機(jī)中，進(jìn)氣歧管通過管道連通燃?xì)鈾C(jī)的排氣噴口，排氣歧管通過管道連通排氣筒。如圖2所示。

方案三：在二行程做功機(jī)的廢氣排氣口增加廢氣渦輪增壓裝置（此裝置為現(xiàn)有技術(shù)產(chǎn)品），其增壓后的空氣放入高壓儲氣筒，然后通過管道給燃?xì)鈾C(jī)的燃?xì)馐?，以進(jìn)一步增加混合氣壓縮比和空氣含氧量，來提高該發(fā)動機(jī)的熱效率；或者讓其增壓后放入儲氣筒中的高壓縮比空氣來替代起動機(jī)帶動壓氣機(jī)和燃料泵，作為起動該發(fā)動機(jī)用的備用動力。

燃?xì)鈾C(jī)、二行程做功機(jī)和廢氣渦輪增壓裝置組合的發(fā)動機(jī)定名為任選燃料混合式發(fā)動機(jī)。

3．3 任選燃料混合式發(fā)動機(jī)工作原理

任選燃料混合式發(fā)動機(jī)工作時，供燃料燃燒的空氣首先進(jìn)入壓氣機(jī)，經(jīng)壓縮后溫度升高到100～200℃之間，然后送入燃燒室即燃?xì)獍l(fā)生器中；與此同時，燃料通過噴油嘴進(jìn)入燃燒室，與高溫高壓的空氣混合后點(diǎn)火燃燒，此時溫度可達(dá)2 000℃左右，再經(jīng)燃?xì)鈾C(jī)的排氣噴口排出，經(jīng)二行程做功機(jī)進(jìn)氣口進(jìn)入氣缸推動活塞循環(huán)往復(fù)運(yùn)動做功；廢氣經(jīng)二行程做功機(jī)的排氣口排出到廢氣增壓裝置，廢氣帶動廢氣渦輪增壓裝置旋轉(zhuǎn)，給壓氣機(jī)及燃料增加壓力，以利燃料在燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室更好地燃燒，并循環(huán)往復(fù)地連續(xù)做功。

依據(jù)熱效率的公式：η＝1－t1／t2，計算出任選燃料混合式發(fā)動機(jī)熱效率分配的概率統(tǒng)計結(jié)果見表3所示。

表3 任選燃料混合式發(fā)動機(jī)熱效率估算結(jié)果

4 結(jié)論

燃?xì)廨啓C(jī)和活塞式發(fā)動機(jī)相結(jié)合設(shè)計的任選燃料混合式發(fā)動機(jī)可產(chǎn)生更高的熱效率，超低尾氣排放，持續(xù)燃燒，大氣燃燒（空燃比無限大），無需冷卻，無需密封，及活塞發(fā)動機(jī)的無壓力泄漏的優(yōu)點(diǎn)，使其無需復(fù)雜的點(diǎn)火系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)，能在1%～100%負(fù)荷下工作，而基本不降低熱效率。

任選燃料混合式發(fā)動機(jī)具有可任選工質(zhì)燃料燃燒和連續(xù)燃燒做功等優(yōu)點(diǎn)，不但克服了四行程發(fā)動機(jī)的不均勻運(yùn)轉(zhuǎn)問題以及在限定的時間里燃燒及燃燒條件的制約問題，而且克服了只能限定使用一種燃料的局限性。尤其是由于二行程作工機(jī)活塞組與氣缸壁嚴(yán)密的密封性的優(yōu)點(diǎn)，和采用了廢氣增壓器，從而克服了燃?xì)廨啓C(jī)燃料消耗大和熱效率降低快的問題。任選燃料混合式發(fā)動機(jī)不但可用于機(jī)動車輛，也可用于輪船以及各種發(fā)電設(shè)備等。

［1］ 劉紅旗．任選燃料混合式發(fā)動機(jī)［P］．發(fā)明專利號：ZL 200810142906．1．

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