CN101825041A - 气体活塞脉冲发动机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种气体活塞脉冲发动机，包括喷管(1)，在喷管(1)内设置至少一个燃烧室(2)；在喷管(1)内和/或喷管(1)的侧壁上设置至少一个以喷管(1)的喷射方向为总体喷射指向的高压流体喷嘴(3)，和/或在喷管(1)内和/或喷管(1)的侧壁上设置至少一个以喷管(1)的喷射方向的反方向为总体喷射指向的高压流体喷嘴(3)，高压流体喷嘴(3)经高压流体喷射控制阀(5)与高压流体源(4)连通。本发明运动件少，压缩比高，既解决了现有内燃机存在大量运动件的情况下大量运动件的润滑难题，也解决了单纯冲压发动机自身无法从静止状态下启动、无法在低速工况下工作的问题。
Description
技术领域
本发明涉及发动机领域，尤其是一种气体活塞脉冲发动机。
技术背景
内燃机设计中，为了使燃料和空气的混合物能够达到随后的燃烧爆炸所需要的高温高压，同时也为了提高内燃机的热效率，都必须对进气进行压缩。现有的内燃机设计中采用了三种技术方案来实现压气，即活塞压气、涡轮压气或者冲压压气。但是，无论是利用活塞(比如活塞式内燃机)或者压气涡轮(比如燃气轮机、喷气式发动机等)等机械部件对空气进行压缩，还是利用内燃机的高速运动对空气进行冲压来对空气进行压缩(比如冲压发动机)，都存在着十分明显的弊端；前两者不仅结构复杂、制造成本高，而且需要对活塞、涡轮等压气部件进行润滑，从而带来一系列的问题，并且压气本身所消耗的能量来自于好不容易获得的宝贵的机械功，降低了发动机的热功转换效率；后者虽然一定程度上解决了前两者存在的问题，但是无法在低速工况下工作，并且不能在静止条件下启动；另外，无论是涡轮压气还是冲压压气在低速工况下都存在着压气效果不足的问题。这些都极大地制约了现有内燃机热效率的提高、制造成本的降低和使用领域的扩大。
因此，急需发明一种具有新型压气方式的内燃式或者混燃式发动机。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出的技术方案如下：
一种气体活塞脉冲发动机，包括喷管，在所述喷管内设置至少一个燃烧室；在所述喷管内和/或所述喷管的侧壁上设置至少一个以所述喷管的喷射方向为总体喷射指向的高压流体喷嘴，和/或在所述喷管内和/或所述喷管的侧壁上设置至少一个以所述喷管的喷射方向的反方向为总体喷射指向的高压流体喷嘴，所述高压流体喷嘴经高压流体喷射控制阀与高压流体源连通；
其中，以所述喷管的喷射方向为总体喷射指向的所述高压流体喷嘴设为顺向高压流体喷嘴，所述顺向高压流体喷嘴与所述高压流体源之间的所述高压流体喷射控制阀设为顺向高压流体喷射控制阀；以所述喷管的喷射方向的反方向为总体喷射指向的所述高压流体喷嘴设为逆向高压流体喷嘴，所述逆向高压流体喷嘴与所述高压流体源之间的所述高压流体喷射控制阀设为逆向高压流体喷射控制阀。
所述高压流体喷嘴设置在所述燃烧室之外的所述喷管的腔体内部和/或设置在所述燃烧室之外的所述喷管的侧壁上。
所述喷管设为具有扩张区的局部增压喷射管。
所述高压流体喷嘴设为文丘里喷射管式喷嘴，所述文丘里喷射管式喷嘴的高压气体入口与所述高压流体源连通。
所述喷管的喷管进气端设端口密封壳，所述端口密封壳将所述喷管进气端密封，在所述端口密封壳上设至少一个进气通道，所述进气通道与有压气体源连通。
所述喷管的喷管进气端设端口密封壳，所述端口密封壳将所述喷管进气端密封，在所述端口密封壳上设至少一个进气通道，所述进气通道与文丘里喷射管的流体喷口连通；或所述喷管的喷管进气端设端口密封壳，所述端口密封壳将所述喷管进气端密封，在所述端口密封壳上设至少一个进气通道，所述进气通道与文丘里喷射管的流体喷口连通，在所述文丘里喷射管的高压气体入口和低压气体入口处分别设高压控制阀和低压控制阀，控制所述高压控制阀和所述低压控制阀使所述文丘里喷射管间歇式喷射流体。
在设有所述高压控制阀和所述低压控制阀的结构中，所述进气通道至少分为两组，控制所述高压控制阀和所述低压控制阀使不同组中的所述进气通道交替进气，以增高所述喷管内的工作压力，或在增高所述喷管内的工作压力的同时实现所述喷管连续稳定工作。
所述端口密封壳上还设有常通式进气通道，所述进气通道在所述常通式进气通道的周围围成一周，所述常通式进气通道按连续进气方式工作。
沿所述喷射管的轴向上设至少两个所述燃烧室，对每个所述燃烧室进行差时燃料喷射和/或差时点火。
在所述喷管内设一个所述燃烧室和至少两个所述逆向高压流体喷嘴，以提高所述燃烧室内的气体的压力。
在所述燃烧室的前方设压气涡轮，在所述燃烧室的后方设动力涡轮，所述压气涡轮和所述动力涡轮同轴设置；
或者在所述燃烧室的后方设动力涡轮，所述动力涡轮与动力输出轴连接。
将所述气体活塞脉冲发动机设在转子上构成气体活塞脉冲转子发动机。
在所述燃烧室后方设高压流体导出口，所述高压流体导出口与所述高压流体喷嘴连通或经增压装置后与所述高压流体喷嘴连通；
或所述燃烧室后方设高压流体导出口，所述高压流体导出口与三通射注泵的高压流体入口连通，所述三通射注泵的流体出口与所述高压流体喷嘴连通；
或在所述燃烧室后方设高压流体导出口，所述高压流体导出口经所述增压装置与所述三通射注泵的高压流体入口连通，所述三通射注泵的流体出口与所述高压流体喷嘴连通。
在所述喷管的侧壁上设冷却喷孔，所述冷却喷孔连通所述喷管的内腔和所述高压流体源，实现所述高压流体源中的高压流体经过所述冷却喷孔对所述喷管的侧壁冷却并实现对所述燃烧室内的火焰和所述喷管的侧壁间的隔离。
众所周知，高速运动的流体可以在其自身与其前方的气体之间形成一个界面，并且该界面在该高速流体的推动下向着前方的气体快速推进，就犹如一个高速运动的气体活塞，因而可以对其前方的气体起到压缩的作用；尤其是当高速运动的流体及其前方的气体位于同一管道内部时，此种高速流体界面压气现象的效果将更加的明显。气体活塞的根本是流体运动所形成的惯量。例如火箭，如果从火箭喷口处来解释火箭的运动，是由于高速喷射流体获得的反作用力推动火箭运动的。但是，如果从火箭喷出的气体外围界面来分析火箭的运动，可以理解为一个冲程为无限长的气体活塞。
因此不难想像，当向着一个充满气体，比如空气或者燃料空气混合气，的喷管内喷射高速流体时，此高速流体必然能够对喷管内的空气或者燃料空气混合气产生压缩作用，使其压力、温度急剧升高，从而达到内燃机燃烧爆炸所需要的条件。
本发明中，既可以在燃烧室两侧的喷管内同时设置喷向燃烧室的高压流体喷嘴，从而在燃烧室的两侧形成两个高速相互趋近的界面，犹如两个高速相互趋近的活塞，从而对其之间的、位于燃烧室内的空气或者燃料空气混合气进行急剧压缩，使其达到内燃机燃烧爆炸所需要的高温高压；也可以仅在燃烧室一侧的喷管内设置喷向燃烧室的高压流体喷嘴，同时在燃烧室的另一侧的喷管内设置挡板或者密封或者调节燃烧室及燃烧室前后的喷管的形状，利用高压流体形成的、高速向着燃烧室的方向推进的界面，犹如一个高速向着燃烧室的方向推进的活塞，来急剧压缩前方的空气或者燃料空气混合气，也同样能使燃烧室内的空气或者燃料空气混合气达到内燃机燃烧爆炸时所需要的高温高压。
本发明中，逆向高压流体喷嘴的设置相当于在燃烧室之后形成了一道流体墙壁，使得从进气道过来的高速空气流被减速增压，也就是被急剧压缩，空气的压力迅速提高，从而增加了压气效果，使得发动机中的空气或者燃料空气混合气达到燃烧所需的温度和压力。当燃烧室内开始燃烧时，逆向高压流体喷嘴关闭，流体墙壁消失从而不影响燃气的定向运动。
本发明中，当两个对着燃烧室的高压流体喷嘴同时向着燃烧室的方向高速喷射时，相当于在燃烧室的两端形成了两个相互趋近运动的气体活塞，从而使得进入燃烧室及其附近的空气被急剧压缩，压力迅速提高，从而起到压气的效果，从而可以取代活塞或者压气涡轮等机械压气部件进行压气，使得发动机的结构简单，还可以取代或者一定程度上减轻冲压发动机必须依靠高速冲压来对空气进行压缩，从而使得冲压发动机即使在较低的速度甚至是静止的状态下，也可以使得燃烧室内的空气与燃料混合气达到燃烧所需的温度压力，而使得冲压发动机能够正常工作。而当燃烧室内开始燃烧时，逆向高压流体喷嘴关闭，燃烧室之后的气体活塞消失从而不影响燃气的定向运动。
本发明中，当设置多级喷嘴时，在各级喷嘴前后能够形成一级级的压差，这些压差相互叠加，从而使得沿喷嘴喷射方向的压强能够逐级的提高，因此最前一级中将获得叠加后的更高的压强，使得其中被压缩的空气或者燃料空气混合气能够获得更高的压力和温度。尤其是当多个喷嘴朝向同一方向喷射时，这一效果将更加的明显——即在各个喷嘴前后形成一级级的、同方向的压差，从而使得沿喷嘴喷射方向的压强能够逐级的增加，因此最前一级中将获得更高的压强。
本发明中的高压流体源可以是预先压缩好的空气或者其他压缩气体，也可以是高压液体、液化气体，同样可以是高压的燃料及燃料混合物，还可以是由发动机自身的余热所产生的高压蒸气或者发动机自身的排气或者作功工质等。
本发明所谓的高压流体源中的流体压力，大于满足本发明的气体活塞脉冲发动机正常工作，燃烧室内的燃料混合气开始燃烧爆炸所需要的压力。
本发明所谓的差时，是指在两个动作之间存在时间间隔。
本发明的气体活塞脉冲发动机既可以通过喷管上的排气喷口向后高速喷出做功工质，利用其获得的反冲力来推动气体活塞脉冲发动机前进；也可以通过设置动力涡轮和动力输出轴连接来输出动力，也可以将气体活塞脉冲发动机设置在旋转体上从而对外输出旋转动力。
本发明中的气体活塞脉冲发动机可以通过控制燃油喷射量即进气量实现功率的调整。本发明中的气体活塞脉冲发动机也可以多个组合工作，形成类似于多缸发动机的工作模式，可以通过控制该组合发动机中的各个气体活塞脉冲发动机工作或间歇以达到组合发动机在保证高效率低排放的前提下实现负荷响应。
本发明所谓的有压气体源，包括但不限于普通式冲压腔的出气口、射流式冲压腔的出气口、文丘里式射流式冲压腔的出气口、文丘里喷管的流体喷口或者其它有压气体源。所谓的射流式冲压腔请参见本人向国家专利局递交的申请号为CN201010124191.4和CN201010124192.9的发明专利。所谓的文丘里式射流式冲压腔是指射流式冲压腔的射流喷管是文丘里喷管。
本发明所谓的以喷管的喷射方向和/或喷射方向的反方向为总体喷射指向，既包括以喷管的喷射方向和/或喷射方向的反方向为完全精确的喷射指向的情况，也包括虽然存在一定程度上的偏角但大体上仍然以喷管的喷射方向和/或喷射方向的反方向为喷射指向的情况。
本发明所谓的具有扩张区的局部增压喷射管，包括但不限于冲压发动机的冲压腔等能够使高速气流可以在其中减速被压缩从而增温增压的结构设计。
本发明所谓的燃烧室前方和燃烧室后方，是指按照燃烧室中的燃料燃烧爆炸后生成的高温高压工质排出发动机的流向，燃烧室的两侧中与该工质流向相反的一方为前方，与该工质流向相同的一方为后方。
本发明所谓的气体活塞脉冲发动机，可以是内燃机也可以是混燃机；所谓的混燃机是指燃烧的产物作为做功工质的同时，发动机中的受热流体也作为做功工质；所谓的受热流体是指发动机冷却系统中的流体和使发动机的排气降温的流体(混燃机请进一步参考本人向国家专利局提交的专利号为CN201010118601.4的发明专利)。
本发明所谓的气体活塞脉冲发动机，可以用于航空发动机、喷气式发动机、燃气轮机、冲压发动机等。
本发明所谓的气体活塞脉冲发动机，可以设置在转子上，形成以转子的轴为动力输出轴的转子式发动机。
本发明的有益效果如下：
1、本发明运动件少，压缩比高，既解决了现有内燃机存在大量运动件的情况下大量运动件的润滑难题，也解决了单纯冲压发动机自身无法从静止状态下启动、无法在低速工况下工作的问题。
2、本发明防爆震性能好，环保性好，热效率高。
附图说明
图1所示的是本发明实施例1的结构示意图；
图2所示的是本发明实施例2的结构示意图；
图3所示的是本发明实施例3的结构示意图；
图4所示的是本发明实施例4的结构示意图；
图5所示的是本发明实施例5的结构示意图；
图6所示的是本发明实施例6的结构示意图；
图7所示的是本发明实施例7的结构示意图；
图8所示的是本发明实施例8的结构示意图；
图9所示的是本发明实施例9的结构示意图；
图10所示的是本发明实施例10的结构示意图；
图11所示的是本发明实施例11的结构示意图；
图12所示的是本发明实施例12的结构示意图；
图13所示的是本发明实施例13的结构示意图；
图14所示的是本发明实施例14的结构示意图。
具体实施方式
实施例1
如图1所示的气体活塞脉冲发动机，包括喷管1，在喷管1内设置燃烧室2；在喷管1内设置以喷管1的喷射方向为总体喷射指向的顺向高压流体喷嘴301，顺向高压流体喷嘴301设置在燃烧室2两侧的喷管1的腔体内部，顺向高压流体喷嘴301经顺向高压流体喷射控制阀501与高压流体源4连通；同时在喷管1内设置以喷管1的喷射方向的反方向为总体喷射指向的逆向高压流体喷嘴302，逆向高压流体喷嘴302设置在燃烧室2两侧的喷管1的腔体内部。逆向高压流体喷嘴302经逆向高压流体喷射控制阀502与高压流体源4连通。
实施例2
如图2所示的气体活塞脉冲发动机，其与实施例1的区别在于：仅在喷管1内设置以喷管1的喷射方向的反方向为总体喷射指向的逆向高压流体喷嘴302，逆向高压流体喷嘴302经逆向高压流体喷射控制阀502与高压流体源4连通。高压流体喷嘴3设置在燃烧室2两侧的喷管1的侧壁。喷管1设为具有扩张区的局部增压喷射管100。
实施例3
如图3所示的气体活塞脉冲发动机，其与实施例1的区别在于：顺向高压流体喷嘴301和逆向高压流体喷嘴302均设为文丘里喷射管式喷嘴30，文丘里喷射管式喷嘴30的高压气体入口与高压流体源4连通。
实施例4
如图4所示的气体活塞脉冲发动机，其与实施例1的区别在于：喷管1的喷管进气端101设端口密封壳102，端口密封壳102将喷管进气端101密封，在端口密封壳102上设至少一个进气通道103，进气通道103与有压气体源6连通。
实施例5
如图5所示的气体活塞脉冲发动机，其与实施例1的区别在于：喷管1的喷管进气端101设端口密封壳102，端口密封壳102将喷管进气端101密封，在端口密封壳102上设至少一个进气通道103，进气通道103与文丘里喷射管50的流体喷口连通，在文丘里喷射管50的高压气体入口和低压气体入口处分别设高压控制阀503和低压控制阀504，控制高压控制阀503和低压控制阀504使文丘里喷射管50间歇式喷射流体。
实施例6
如图6所示的气体活塞脉冲发动机，其与实施例5的区别在于：进气通道103有两个，分为为A、B两组，控制高压控制阀503和低压控制阀504使不同组中的进气通道103交替进气，以增高所述喷管1内的工作压力，或在增高所述喷管1内的工作压力的同时实现所述喷管1连续稳定工作。
实施例7
如图7所示的气体活塞脉冲发动机，其与实施例6的区别在于：端口密封壳102还设有常通式进气通道11，进气通道103在常通式进气通道11的周围围成一周，常通式进气通道11按连续进气方式工作。
实施例8
如图8所示的气体活塞脉冲发动机，其与实施例1的区别在于：沿喷射管1的轴向上设三个燃烧室2，对每个燃烧室2进行差时燃料喷射或差时点火。
实施例9
如图9所示的气体活塞脉冲发动机，其与实施例1的区别在于：在喷管1内设一个燃烧室2和至少两个逆向高压流体喷嘴302，以提高燃烧室2内的气体的压力。
实施例10
如图10所示的气体活塞脉冲发动机，其与实施例1的区别在于：在燃烧室2的前方设压气涡轮7，在燃烧室2的后方设动力涡轮8，压气涡轮7和动力涡轮8同轴设置。
实施例11
如图11所示的气体活塞脉冲发动机，其与实施例1的区别在于：在燃烧室2的后方设动力涡轮8，动力涡轮8与动力输出轴801连接。
实施例12
如图12所示的气体活塞脉冲发动机，其与实施例1的区别在于：将气体活塞脉冲发动机设在转子9上构成气体活塞脉冲转子发动机。
实施例13
如图13所示的气体活塞脉冲发动机，其与实施例1的区别在于：在所述燃烧室2后方设高压流体导出口330，所述高压流体导出口330经所述增压装置332与所述三通射注泵331的高压流体入口33101连通，所述三通射注泵331的流体出口33103与所述高压流体喷嘴3连通。
实施例14
如图14所示的气体活塞脉冲发动机，其与实施例1的区别在于：在喷管1的侧壁上设冷却喷孔12，冷却喷孔12连通喷管1的内腔和高压流体源4，实现高压流体源4中的高压流体经过冷却喷孔12对喷管1的侧壁冷却并实现对燃烧室2内的火焰和喷管1的侧壁间的隔离。
Claims (14)
1.一种气体活塞脉冲发动机，包括喷管(1)，其特征在于：在所述喷管(1)内设置至少一个燃烧室(2)；在所述喷管(1)内和/或所述喷管(1)的侧壁上设置至少一个以所述喷管(1)的喷射方向为总体喷射指向的高压流体喷嘴(3)，和/或在所述喷管(1)内和/或所述喷管(1)的侧壁上设置至少一个以所述喷管(1)的喷射方向的反方向为总体喷射指向的高压流体喷嘴(3)，所述高压流体喷嘴(3)经高压流体喷射控制阀(5)与高压流体源(4)连通；
其中，以所述喷管(1)的喷射方向为总体喷射指向的所述高压流体喷嘴(3)设为顺向高压流体喷嘴(301)，所述顺向高压流体喷嘴(301)与所述高压流体源(4)之间的所述高压流体喷射控制阀(5)设为顺向高压流体喷射控制阀(501)；以所述喷管(1)的喷射方向的反方向为总体喷射指向的所述高压流体喷嘴(3)设为逆向高压流体喷嘴(302)，所述逆向高压流体喷嘴(302)与所述高压流体源(4)之间的所述高压流体喷射控制阀(5)设为逆向高压流体喷射控制阀(502)。
2.根据权利要求1所述的气体活塞脉冲发动机，其特征在于：所述高压流体喷嘴(3)设置在所述燃烧室(2)之外的所述喷管(1)的腔体内部和/或设置在所述燃烧室(2)之外的所述喷管(1)的侧壁上。
3.根据权利要求1所述的气体活塞脉冲发动机，其特征在于：所述喷管(1)设为具有扩张区的局部增压喷射管(100)。
4.根据权利要求1所述的气体活塞脉冲发动机，其特征在于：所述高压流体喷嘴(3)设为文丘里喷射管式喷嘴(30)，所述文丘里喷射管式喷嘴(30)的高压气体入口与所述高压流体源(4)连通。
5.根据权利要求1所述的气体活塞脉冲发动机，其特征在于：所述喷管(1)的喷管进气端(101)设端口密封壳(102)，所述端口密封壳(102)将所述喷管进气端(101)密封，在所述端口密封壳(102)上设至少一个进气通道(103)，所述进气通道(103)与有压气体源(6)连通。
6.根据权利要求1所述的气体活塞脉冲发动机，其特征在于：所述喷管(1)的喷管进气端(101)设端口密封壳(102)，所述端口密封壳(102)将所述喷管进气端(101)密封，在所述端口密封壳(102)上设至少一个进气通道(103)，所述进气通道(103)与文丘里喷射管(50)的流体喷口连通；或所述喷管(1)的喷管进气端(101)设端口密封壳(102)，所述端口密封壳(102)将所述喷管进气端(101)密封，在所述端口密封壳(102)上设至少一个进气通道(103)，所述进气通道(103)与文丘里喷射管(50)的流体喷口连通，在所述文丘里喷射管(50)的高压气体入口和低压气体入口处分别设高压控制阀(503)和低压控制阀(504)，控制所述高压控制阀(503)和所述低压控制阀(504)使所述文丘里喷射管(50)间歇式喷射流体。
7.根据权利要求6所述的气体活塞脉冲发动机，其特征在于：在设有所述高压控制阀(503)和所述低压控制阀(504)的结构中，所述进气通道(103)至少分为两组，控制所述高压控制阀(503)和所述低压控制阀(504)使不同组中的所述进气通道(103)交替进气，以增高所述喷管(1)内的工作压力，或在增高所述喷管(1)内的工作压力的同时实现所述喷管(1)连续稳定工作。
8.根据权利要求7所述的气体活塞脉冲发动机，其特征在于：所述端口密封壳(102)上还设有常通式进气通道(11)，所述进气通道(103)在所述常通式进气通道(11)的周围围成一周，所述常通式进气通道(11)按连续进气方式工作。
9.根据权利要求1所述的气体活塞脉冲发动机，其特征在于：沿所述喷射管(1)的轴向上设至少两个所述燃烧室(2)，对每个所述燃烧室(2)进行差时燃料喷射和/或差时点火。
10.根据权利要求1所述的气体活塞脉冲发动机，其特征在于：在所述喷管(1)内设一个所述燃烧室(2)和至少两个所述逆向高压流体喷嘴(302)，以提高所述燃烧室(2)内的气体的压力。
11.根据权利要求1至10任意之一所述的气体活塞脉冲发动机，其特征在于：在所述燃烧室(2)的前方设压气涡轮(7)，在所述燃烧室(2)的后方设动力涡轮(8)，所述压气涡轮(7)和所述动力涡轮(8)同轴设置；
或者在所述燃烧室(2)的后方设动力涡轮(8)，所述动力涡轮(8)与动力输出轴(801)连接。
12.根据权利要求1至10任意之一所述的气体活塞脉冲发动机，其特征在于：将所述气体活塞脉冲发动机设在转子(9)上构成气体活塞脉冲转子发动机。
13.根据权利要求1至10任意之一所述的气体活塞脉冲发动机，其特征在于：在所述燃烧室(2)后方设高压流体导出口(330)，所述高压流体导出口(330)与所述高压流体喷嘴(3)连通或经增压装置(332)后与所述高压流体喷嘴(3)连通；
或所述燃烧室(2)后方设高压流体导出口(330)，所述高压流体导出口(330)与三通射注泵(331)的高压流体入口(33101)连通，所述三通射注泵(331)的流体出口(33103)与所述高压流体喷嘴(3)连通；
或在所述燃烧室(2)后方设高压流体导出口(330)，所述高压流体导出口(330)经所述增压装置(332)与所述三通射注泵(331)的高压流体入口(33101)连通，所述三通射注泵(331)的流体出口(33103)与所述高压流体喷嘴(3)连通。
14.根据权利要求1至10任意之一所述的气体活塞脉冲发动机，其特征在于：在所述喷管(1)的侧壁上设冷却喷孔(12)，所述冷却喷孔(12)连通所述喷管(1)的内腔和所述高压流体源(4)，实现所述高压流体源(4)中的高压流体经过所述冷却喷孔(12)对所述喷管(1)的侧壁冷却并实现对所述燃烧室(2)内的火焰和所述喷管(1)的侧壁间的隔离。
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