CN102425492A - 一种管道活塞式发动机及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种管道活塞式发动机及其控制方法，通过串联活塞实现了管道型两缸四室的工作循环，工作时不断产生高压燃气，并从喷管高速喷出产生推力，该装置采用电控方式，通过控制点火和进排气工作顺序来实现整个工作过程。本发明任意时刻都进行能量的产生、存储和释放，功率和效率大幅提高，并且有利于发动机的冷却，本发明环境适应性好，工作包络宽广，推力大，效率高，耗能低，噪音小，结构简单，成本低，可与多种负载对接，实现多种用途。

Description

一种管道活塞式发动机及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种动力装置，尤其是一种活塞式发动机。

背景技术

长航时动力装置是远程飞行器的重要分系统，必须提供飞行器可靠稳定的推力，而且要求推重比大，耗油率低，噪音低，起动快速和工作包络宽广。因此，长航时飞行器动力装置的研发一直以来是世界各国的重要研究领域。

目前传统的飞行器动力装置主要有涡轮喷气发动机、活塞发动机和脉动喷气发动机等。涡轮喷气发动机起动慢、工作包络小，环境适应性较差，抗过载能力差，成本高；活塞发动机系统复杂，不适合高速飞行；脉动喷气发动机噪音大、体积大、耗油率高。

针对这些问题，现有技术提出了自由活塞式发动机，对于自由活塞式发动机，动力气缸与压缩机之间动力的传递靠两个对置的活塞组完成。活塞组运动规律由作用在它上面的气体压力决定，并随发动机工况变化。活塞组由同步机构保持左、右对称运动。其工作原理是：起动时，假定动力活塞迅速从外止点向内运动，压缩机气缸内的空气即被压缩，并通过输气阀压入储气箱，供动力气缸扫气之用；同时动力气缸内的空气也被压缩，空气压力和温度均增高。当相对的两个活塞接近内止点时，经喷油器将燃料喷入燃烧室而燃烧。高温高压燃气向外推动动力活塞，即膨胀过程。活塞向外运动时使压缩机气缸内产生真空而从大气吸入新鲜空气，同时气垫缸内的空气被压缩，储存的能量用以推动活塞向内运动。在膨胀行程终了时，右活塞首先开启排气孔，随后左活塞又打开进气孔。燃气经排气孔排入储气罐，而新鲜空气则从扫气储气箱经进气孔送入动力气缸，并清扫残留的废气。

目前，自由活塞式发动机主要与燃气轮机组合使用，组成自由活塞-燃气轮机组。其缺点是，结构尺寸大，单个动力气缸，效率低，整个工作循环中有一半以上的时间是产生并储存能量。只有在膨胀行程终了时，右活塞首先开启排气孔，随后左活塞又打开进气孔。燃气经排气孔排入储气罐供燃气轮机使用，而新鲜空气则从扫气储气箱经进气孔送入动力气缸，并清扫残留的废气。这种工作模式决定了其功率低，效率差的缺点。

发明内容

为了克服现有技术功率低、效率差的不足，本发明提供一种管道活塞式发动机，可长时间、低噪音、高效率工作，速度和空域范围宽广。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：包括燃烧室缸体、活塞组件、喷油嘴、控制器、进气阀门、排气阀门和点火器。

燃烧室缸体为封闭的中空圆柱体，长度方向的中间位置固联有缸体隔板，将燃烧室缸体均分为两缸，活塞组件包括两个活塞和一个连接轴，两个活塞分别放置在两缸中，分别与连接轴的中段和底端同轴刚性连接，即每个缸都被活塞组件分隔成两个燃烧室，形成两缸四室结构，连接轴的顶端从燃烧室缸体端面伸出缸体外。每个燃烧室的壁面上均安装有喷油嘴、进气阀门、排气阀门和点火器，由控制器控制喷油嘴、进气阀门、排气阀门和点火器的工作。

所述连接轴的顶端安装有速度传感器，测量活塞组件运行情况，传输给控制器，从而由控制器根据活塞组件运行状态判断吸气及排气阀门开关动作和点火器工作的时刻，控制喷油嘴、进气阀门、排气阀门和点火器的工作，完成吸气、排气、压缩、点火的过程。当速度传感器测量活塞组件上行或下行运动到极限位置时，即速度为零的时刻，确定此时刻为点火时刻，其决定了该发动机的工作频率，影响发动机的功率和效率。

所述的喷油嘴通过油泵连油箱，由控制器控制油泵和四个喷油嘴的工作状态。

所述的点火器连接电源。

所述的燃烧室缸体外侧包围有两端开口的中空圆柱形外舱壳体，外舱壳体末端连接有引射喷管。

所述的排气阀门都与排气管连通，排气管末端伸向引射喷管。

所述的连接轴顶端安装有保险弹簧，通过保险弹簧来控制活塞组件的运动极限位置，避免活塞组件与燃烧室发生碰撞故障。

所述的连接轴顶端安装有发电装置，连接轴带动发电装置，通过缠绕线圈切割磁力线发电，为电源充电，以供控制器、速度传感器和进气阀门、排气阀门使用。

本发明还提供上述管道活塞式发动机的控制方法，对于从连接轴顶端到末端的A、B、C、D四个腔室，包括以下步骤：

步骤1：B腔室供油、点火、爆燃，此时B腔室膨胀作功，压缩A腔室，同时打开C腔室的排气阀和D腔室的进气阀，其他阀门全部关闭。在活塞组件上行的带动下C腔室排气，D腔室吸气。速度传感器测量活塞组件运行情况，当速度传感器测量活塞组件上行运动到极限位置时进入下一步。

步骤2：A腔室供油、点火、爆燃，此时A腔室膨胀作功，压缩D腔室，同时打开B腔室的排气阀和C腔室的进气阀，其他阀门全部关闭。在活塞组件下行的带动下B腔室排气，C腔室吸气。速度传感器测量活塞组件运行情况，当速度传感器测量活塞组件下行运动到极限位置时进入下一步。

步骤3：D腔室供油、点火、爆燃，此时D腔室膨胀作功，压缩C腔室，同时打开A腔室的排气阀和B腔室的进气阀，其他阀门全部关闭。在活塞组件上行的带动下A腔室排气，B腔室吸气。速度传感器测量活塞组件运行情况，当速度传感器测量活塞组件上行运动到极限位置时进入下一步。

步骤4：C腔室供油、点火、爆燃，此时C腔室膨胀作功，压缩B腔室，同时打开D腔室的排气阀和A腔室的进气阀，其他阀门全部关闭。在活塞组件下行的带动下D腔室排气，A腔室吸气。速度传感器测量活塞组件运行情况，当速度传感器测量活塞组件下行运动到极限位置时进入下一循环。

至此完成一个发动机工作循环。

本发明的有益效果是：由于其结构上的创新性和工作原理上的独特性，任意时刻都进行能量的产生、存储和释放。其稳定的高压缩比和扫气的完整性使得该类型发动机功率和效率大幅提高，排气管加引射喷管的排气结构设计也使得其效率实现最大化，并且有利于发动机的冷却。本发明采用电控方式，实现两缸四室管道活塞工作过程。本身有自发电功能，不需要更多的外部电源供给，且可以给飞行器提供电源。本发明环境适应性好，工作包络宽广，推力大，效率高，耗能低，噪音小，结构简单，成本低，可通过螺纹或者法兰的方式与多种负载对接，实现多种用途。

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

附图说明

图1是管道活塞式发动机结构示意图；

图2是该发动机可对接负载类型示意图，图2(a)是燃气储气罐，图2(b)是收括喷管，图2(c)是自由涡轮；

图中，1-速度传感器，2-发电装置，3-外舱壳体，4-喷油嘴，5-进气阀门，6-燃烧室，7-活塞组件，8-引射喷管，9-排气管，10-点火器，11排气阀门，12-缸体隔板，13-保险弹簧，14-进气道。

具体实施方式

本发明是一种可长时间、低噪音、高效率工作，速度和空域范围宽广的动力装置——管道活塞式发动机。本发明主要包括核心机和测量及控制系统、供油系统、进排气系统、点火系统等附件组成。

如图1所示，核心机主要是由两缸四室管道活塞主体结构和外舱壳体3组成。圆柱形燃烧室缸体中间位置固联有缸体隔板12，将燃烧室缸体均分为两缸。同时每个缸都被活塞组件7分隔成两个燃烧室6，形成两缸四室结构。活塞组件7是由两个分别放置在两缸中的活塞及连接轴进行刚性连接而组成。两个活塞分别安装在连接轴的中段和底端。连接轴一端从燃烧室缸体端面伸出缸体外。发动机核心机燃烧室缸体设计：两个燃烧室缸体内部尺寸均为φ80mm*140mm，壁厚考虑到结构强度可以选择较大值，这里燃烧室缸体前后端面壁厚选取10mm，侧面壁厚选取5mm，缸体隔板厚度选取20mm，材料选择高温合金钢。活塞组件中活塞厚度选取20mm，材料选择高温合金钢，密封材料选取碳纤维密封。

测量及控制系统包括速度传感器1和控制器，速度传感器1安装在活塞组件7的连接轴顶端。速度传感器1测量活塞组件7运行情况，根据活塞组件7运行状态判断吸气及排气阀门开关动作和点火器工作的时刻，从而通过控制器完成吸气、排气、压缩、点火的过程控制。点火时刻决定了该发动机的工作频率，影响发动机的功率和效率。

进排气系统由安装在四个燃烧室壁面上的进气阀门5、排气管9和排气阀门11，以及引射喷管8组成。其中每个燃烧室6都与排气管9连通，都安装有进排气阀门。引射喷管8与外舱壳体3连接实现引流的作用。进、排气阀门阀体是高温陶瓷材料，阀门通径φ10mm。

点火系统主要由电源和点火器10组成，其中每个燃烧室都安装有一个点火器10。供油系统包括油箱、油泵、和分别安装在四个燃烧室6壁面上的喷油嘴4组成。由控制器控制油泵和四个喷油嘴的工作状态。其中点火和供油系统模仿汽车活塞发动机的点火器和喷油嘴设计。

在活塞组件7的连接轴顶端还安装有发电装置2和保险弹簧13，通过保险弹簧来控制活塞组件的运动极限位置，避免活塞组件与燃烧室发生碰撞故障。发电装置通过缠绕线圈切割磁力线发电，为电源充电以供控制器、速度传感器和进排气阀门使用。

图2是该发动机可对接负载类型示意图，图2(a)是燃气储气罐，图2(b)是收括喷管，图2(c)是自由涡轮；上述三种负载可以通过螺纹或者法兰的方式与发动机排气管进行对接。

下面对本发明的具体工作原理作进一步的详述。该管道活塞式发动机一个正常工作循环包括四个步骤，如下表所示，步骤1、2、3、4形成了两次活塞组件的往复运动。因此该发动机一个工作循环，活塞组件往复运动两次。具体工作过程如下，其中四个燃烧室命名为A、B、C、D，步骤定义1上行、2下行、3上行、4下行。“开/关”代表各进、排气阀门的动作。

该管道活塞式发动机一个工作循环的具体工作过程如下：

步骤1：B腔室点火、爆燃，此时B腔室膨胀作功，压缩A腔室，同时打开C腔室的排气阀和D腔室的进气阀，其他阀门全部关闭。在活塞组件上行的带动下C腔室排气，D腔室吸气。速度传感器测量活塞组件运行情况，当速度传感器测量活塞组件上行运动到极限位置时进入步骤2。

步骤2：A腔室点火、爆燃，此时A腔室膨胀作功，压缩D腔室，同时打开B腔室的排气阀和C腔室的进气阀，其他阀门全部关闭。在活塞组件下行的带动下B腔室排气，C腔室吸气。速度传感器测量活塞组件运行情况，当速度传感器测量活塞组件下行运动到极限位置时进入步骤3。

步骤3：D腔室点火、爆燃，此时D腔室膨胀作功，压缩C腔室，同时打开A腔室的排气阀和B腔室的进气阀，其他阀门全部关闭。在活塞组件上行的带动下A腔室排气，B腔室吸气。速度传感器测量活塞组件运行情况，当速度传感器测量活塞组件上行运动到极限位置时进入步骤4。

步骤4：C腔室点火、爆燃，此时C腔室膨胀作功，压缩B腔室，同时打开D腔室的排气阀和A腔室的进气阀，其他阀门全部关闭。在活塞组件下行的带动下D腔室排气，A腔室吸气。速度传感器测量活塞组件运行情况，当速度传感器测量活塞组件下行运动到极限位置时进入步骤1。

在发动机整个工作过程中燃油与进气按设计的油气比进行混合。各腔室的进气阀门和排气阀门交替控制打开，各腔室交替控制点火，根据测量的活塞组件运行情况控制点火时刻。

燃料选取95#航空汽油，低热值Qf为44415.6kJ/kg，设计油气比为0.066，设计压缩比取10，则经过热力学性能仿真计算可以得出压缩气体点火爆燃，经过完全燃烧之后的燃气压力为9.7MPa，经过膨胀作功，以及排气阀门到排气管中，假设损失之后的压力将为3MPa。喷喉设计为φ6.5mm，则推力可以达到10kgf。

Claims (8)

1.一种管道活塞式发动机，包括燃烧室缸体、活塞组件、喷油嘴、控制器、进气阀门、排气阀门和点火器，其特征在于：燃烧室缸体为封闭的中空圆柱体，长度方向的中间位置固联有缸体隔板，将燃烧室缸体均分为两缸，活塞组件包括两个活塞和一个连接轴，两个活塞分别放置在两缸中，分别与连接轴的中段和底端同轴刚性连接，即每个缸都被活塞组件分隔成两个燃烧室，形成两缸四室结构，连接轴的顶端从燃烧室缸体端面伸出缸体外；每个燃烧室的壁面上均安装有喷油嘴、进气阀门、排气阀门和点火器，由控制器控制喷油嘴、进气阀门、排气阀门和点火器的工作。

2.根据权利要求1所述的管道活塞式发动机，其特征在于：所述的连接轴的顶端安装有速度传感器，测量活塞组件运行情况，传输给控制器，从而由控制器根据活塞组件运行状态判断吸气及排气阀门开关动作和点火器工作的时刻，控制喷油嘴、进气阀门、排气阀门和点火器的工作，完成吸气、排气、压缩、点火的过程；当速度传感器测量活塞组件上行或下行运动到极限位置时，即速度为零的时刻，确定此时刻为点火时刻。

3.根据权利要求1所述的管道活塞式发动机，其特征在于：所述的喷油嘴通过油泵连油箱，由控制器控制油泵和四个喷油嘴的工作状态。

4.根据权利要求1所述的管道活塞式发动机，其特征在于：所述的点火器连接电源。

5.根据权利要求1所述的管道活塞式发动机，其特征在于：所述的排气阀门都与排气管连通，排气管末端伸向引射喷管。

6.根据权利要求1所述的管道活塞式发动机，其特征在于：所述的连接轴顶端安装有保险弹簧，通过保险弹簧来控制活塞组件的运动极限位置，避免活塞组件与燃烧室发生碰撞故障。

7.根据权利要求1所述的管道活塞式发动机，其特征在于：所述的连接轴顶端安装有发电装置，连接轴带动发电装置，通过缠绕线圈切割磁力线发电，为电源充电，以供控制器、速度传感器和进气阀门、排气阀门使用。

8.一种权利要求1所述管道活塞式发动机的控制方法，其特征在于：对于从连接轴顶端到末端的A、B、C、D四个腔室，包括以下步骤：

步骤1：B腔室供油、点火、爆燃，同时打开C腔室的排气阀和D腔室的进气阀，其他阀门全部关闭；速度传感器测量活塞组件运行情况，当速度传感器测量活塞组件上行运动到极限位置时进入下一步；

步骤2：A腔室供油、点火、爆燃，同时打开B腔室的排气阀和C腔室的进气阀，其他阀门全部关闭；速度传感器测量活塞组件运行情况，当速度传感器测量活塞组件下行运动到极限位置时进入下一步；

步骤3：D腔室供油、点火、爆燃，同时打开A腔室的排气阀和B腔室的进气阀，其他阀门全部关闭；速度传感器测量活塞组件运行情况，当速度传感器测量活塞组件上行运动到极限位置时进入下一步；

步骤4：C腔室供油、点火、爆燃，同时打开D腔室的排气阀和A腔室的进气阀，其他阀门全部关闭；速度传感器测量活塞组件运行情况，当速度传感器测量活塞组件下行运动到极限位置时进入下一循环。

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