CN103790707A - 一种环形活塞与燃气涡轮联合发动机 - Google Patents

Abstract

本发明是一种环形活塞与燃气涡轮联合发动机，其特征是：在两个对置的环形气缸里，以二冲程方式工作的环形活塞及活塞连杆将往复运动转换成凸轮的圆周运动，未完全燃烧的燃气排入气缸中央通道中，燃气与从固定燃气涡轮机组的空气轴承进入的压缩空气进一步混合充分燃烧，并通过燃气涡轮做功，位于涡轮齿轮与凸轮齿轮之间的行星减速齿轮把低速凸轮与高速涡轮连接起来，活塞与涡轮做的功统一对外输出，在前端的进气离心涡轮将空气压缩进入环形增压散热润滑室，冷却气缸壁，润滑运动摩擦部件，保障发动机正常平稳运行，联合发动机结合了二冲程活塞发动机与燃气涡轮发动机的优点，系统结构简单紧凑热效率高。

Description

一种环形活塞与燃气涡轮联合发动机

技术领域

本发明涉及一种“环形活塞与燃气涡轮联合发动机”装置，属于依靠燃油燃烧做功产生动力对外做功的一种机械装置，“环形活塞与燃气涡轮联合发动机”有两套可以产生对外输出的动力，分别是“活塞做功输出的动力”和“涡轮做功输出的动力”，尽管两者转速相差较大，通过内部的行星齿轮将两套动力源有机地结合在一起，同一对外输出动力。本发明结合了活塞发动机与涡轮发动机的优点，在输出大功率的同时还避免了油耗过大，提高了发动机整体的热效率。

背景技术

燃油发动机作为动力源广泛运用于各行各业，按其结构特征主要分为两类，第一类是“活塞发动机”，其特征是：燃油与空气以一定比例在气缸被压缩，然后燃烧做功，活塞在气缸里往复运功通过连杆带动凸轮轴旋转对外做功，整体过程有“四冲程”和“二冲程”两种方式，主要使用汽油和柴油，增加气缸数量可以同比例增加发动机的输出功率，活塞发动机技术成熟、热效率高且成本低，但是大功率往往伴随着大重量，使得活塞发动机在陆地和航海这些对重量不敏感的行业中应用广泛；第二类是“涡轮发动机”，其特征是：将一连串的动、静涡轮串联在同一轴线上，在不同区域分别起到进气、压缩、燃烧、做功和排气的作用，与活塞的往复运动不同的是涡轮的圆周运动，涡轮发动机是需要大功率又想重量轻的航空飞行器的理想选择，其缺点是热效率低、燃油消耗大、购买和使用成本都偏大。当前活塞发动机在尾气排放口利用涡轮对进气进行增压，从而提高了发动机的输出功率，涡轮只是对进气做功，本身并不直接产生可以输出的动力。

当前传统活塞发动机的活塞都是圆柱型的，气缸布置有直列型、V型、双V型和水平对称型，这四种结构造成发动机整体体积偏大，不利于减轻系统重量。如果要增加发动机系统功率，要么增大气缸体积，要么增加气缸数量，这两种做法势必进一步增加发动机整体体积和质量，同时还增加了系统复杂性和高成本，尽管应用了很多新技术，但是活塞发动机的整体效率提高有限，同时燃气涡轮发动机的节能降耗也需要进一步完善。

发明内容

针对上述问题，本发明继承了活塞发动机与涡轮发动机两者的优点，并能有效克服传统活塞发动机体积庞大、结构复杂、质量过大以及燃气涡轮发动机油耗过大的不足，使之协调统一对外输出动力，本发明解决其技术问题所采用的技术方案及有益效果是：

1、“环形活塞与气缸”其特征是：环形气缸构成一个中空的圆筒，上气缸盖与下气缸盖将活塞封闭在气缸内，一对活塞与气缸对称反向布置，两个活塞之间有三根或四根活塞连杆连接，两个活塞同步运动，活塞连杆穿过两个下气缸盖；活塞与两端气缸盖形成两个同时并交替作用的空腔，两侧空腔可以形成同步并且相反的二冲程发动机燃气做功运动周期，按照这样结构的气缸有效做功容积计算，一个气缸在主体结构不变的情况下，相当于传统气缸的1.8-1.9倍；上下两个活塞由于有活塞连杆刚性连接，持续同步反向运动，活塞运动周期按二冲程方式运动，运动周期所需时间是四冲程周期的一半，在单位时间里做功是四冲程的两倍，同时将还未完全燃烧结束的气体排进中央通道，供燃气涡轮机组来继续完成燃烧做功的运动，二冲程的运动方式不仅提高了单位输出功率(单位时间、单位体积、单位重量)，还简化了系统设计，减少了很多四冲程所必须的气门和控制气门的凸轮轴，从能量利用方面看也省略了这部分零件运动所需要的能量；安装在活塞连杆上的滑轮组在外围四峰四谷的凸轮上滑动，将活塞的上下往复运动转换为外凸轮的圆周运动，完成了气缸活塞的对外做功，周转凸轮下端内侧有内齿轮，通过内部行星减速齿轮与涡轮齿轮连接，以保证低速凸轮与高速涡轮的同步运动，周转凸轮外侧有齿轮，可以连接外部减速器。

2、“燃气涡轮发动机”其特征是：一组5个涡轮安装在同一根中心轴上，

放置在环形气缸中空的圆筒里，从前往后依次是“进气离心涡轮”、“向心涡轮1”、“轴流涡轮1”、“轴流涡轮2”、“向心涡轮2”，进气离心涡轮在上气缸盖的外面，主要作用是进气增压，因而离心涡轮的直径最大，通过优化设计的离心涡轮的增压比将达到6∶1或8∶1；上气缸盖将中心圆筒的上端封闭，中心轴通过一个“空气轴承”穿过上气缸盖，向心涡轮1在气缸排出的高温高压气体下做功，同时引导气流向后运动；轴流涡轮1和轴流涡轮2是中心轴与齿轮环的连接体，涡轮齿轮环两端与气缸盖用“空气轴承”连接，空气轴承用的高压气体由外部供应，排气出口在中央通道，三个空气轴承保证了燃气涡轮组在高速运转环境下的精度和良好工况；两个轴流涡轮一方面在前端高温气体与空气轴承排出的新鲜空气继续燃烧膨胀下做功，一方面引导气流向后运动；向心涡轮2在前端气流与气缸排出气流下持续做功，同时引导气流向后排出，因此两个向心涡轮和两个轴流涡轮在气缸排气与空气轴承排气中共同完成了做功运动。

3、“内部行星减速齿轮组”，其特征是：四个行星齿轮放置在涡轮齿轮与凸轮内齿轮之间，减速比在2∶1到3∶1之间，可以根据实际需要来具体设计，内部涡轮齿轮与外部凸轮齿轮的旋转方向相反，不会影响系统的正常运行；内部的涡轮发动机必须在高速运转中才能体现出其优势，而活塞发动机的最佳运转速度相比涡轮机要低很多，内部行星减速齿轮组的作用就是把活塞发动机与涡轮发动机两者的优势有机地结合并体现起来，使得活塞发动机与涡轮发动机可以一致对外做功；行星减速齿轮与活塞连杆都是对称间隔布置在环形气缸与活塞上，通常有3+3和4+4两种方案，即三个行星减速齿轮加三个活塞连杆或四个行星减速齿轮加四个活塞连杆；二冲程的活塞发动机由于未完全燃烧和耗油量大的问题，长期以来一直未能得到有效解决，很多解决方案不能得到应用的原因就是系统体积重量偏大，结构复杂及运行不稳定，现在本发明中的“环形活塞与燃气涡轮联合发动机”将。

4、“环形增压、散热与润滑室”其特征是：上下两个外壳通过上下气缸盖与发动机本体刚性连接，两个外壳之间是对外输出功率的周转凸轮的外齿轮，外壳与气缸外壁以及最底端的气缸盖共同构成了一个环形圆筒状的半封闭空间，该内部空间中段是是活塞连杆、周转凸轮、行星减速齿轮以及空气轴承的运动空间，顶部离心涡轮将新鲜空气增压后进入“环形增压与散热室”，气缸外壁有大量的散热片，可以将热量传导给空气，在冷却气缸壁的同时还进一步预热空气，这部分被传统活塞发动机浪费的能源转变为空气的内能，这种能量回收利用方式简洁高效，不需要再加额外的设备和消耗二次能源，传统发动机为了散热需要增加散热器、散热风扇、循环水泵以及连接管路等；本发明中的发动机润滑油以典型的二冲程发动机的润滑方式，即将润滑油雾混合进空气当中，随着增压空气有效分布在气缸、活塞、连杆、凸轮、齿轮、轴承摩擦副的接触面，可以持续有效地保障发动机整体的正常运行；气缸进气口开在环形气缸的外壁上，与“环形增压、散热与润滑室”连通，排气口开在环形气缸的内壁上，与中央通道连通，进、排气口都无需气门以及气门控制机构，依靠内部活塞来控制开启和关闭，环形活塞在燃气做功排气行程中依次先开启排气口，再开启进气口，在进气压缩行程中依次先关闭进气口，再关闭排气口；本发明中的发动机由于气缸进气只是空气与少量润滑油的雾化微粒，在活塞压缩行程终了时通过高压共轨向缸内喷射燃油，以开始燃烧做功的行程，由于气缸与活塞都是环形长圆筒状的，而且上下气缸盖外部都安装了涡轮、齿轮以及活塞连杆等运动部件，因此本发明的发动机将高压燃油喷嘴径向向心布置在气缸周围，而高压共轨油管也是在“环形增压、散热与润滑室”里，这样可以对燃油进行预热处理，增加燃油的内能有利于燃油在喷射瞬间雾化更加充分，燃烧做功更快；高压燃油泵是一个需要二次能源带动的设备，安置在外壳以外，便于安装检修、维护保养。

附图说明

附图文件里的图1是：轴向剖面示意图，图2是：径向圆截面示意图：

图1轴向剖面示意图说明：

1是离心进气涡轮     2是涡轮机组中心轴  3是顶端气缸盖

4是顶端空气轴承     5是一号向心涡轮    6是一号轴流涡轮

7是活塞连杆上的滑轮 8是周转传动凸轮    9是行星减速齿轮

10是活塞连杆        11、13是燃油喷嘴   12是环形活塞

14是底部气缸盖      15是进气通道围壳   16是环形气缸内壁

17、20是气缸排气口  18、19是气缸进气口 21、24是凸轮轴承

22、25是空气轴承    23是涡轮齿轮       26是二号轴流涡轮

27是环形增压散热润滑室的外壳 28是环形气缸外壁

29是二号向心涡轮             30是尾部总排气管

图2径向圆截面示意图说明：

31是发动机系统外壳(也是环形增压散热润滑室的外壳)

32是行星减速齿轮    33是环形气缸外壁   34是环形活塞

35是活塞连杆        36是环形气缸内壁   37是中心轴

38是排气口气流方向  39是涡轮叶片       40是活塞连杆上的滑轮

具体实施方式

1、顶端的进气涡轮将空气压缩进入“环形增压、散热与润滑室”，空气通过环形气缸外壁上的散热片进一步吸收热量、增加内能和冷却气缸壁，润滑油在压缩空气里充分雾化，有效润滑气缸、活塞、连杆、凸轮、齿轮和轴承的摩擦副；

2、当环形活塞做功排气行程终了时开启了气缸进气口，空气进入气缸扫气，当环形活塞压缩空气行程终了时，高压燃油喷嘴向气缸里喷射燃油开始燃烧做功，活塞连杆上的滑轮在凸轮轨道上滑动，将活塞往复运动转换成凸轮的圆周运动对外输出动力；

3、当活塞做功下行开启排气口时，燃气从排气口排出冲击向心涡轮做功，在中央通道里燃气与从空气轴承进入的压缩空气进一步混合充分燃烧，通过向心涡轮与轴流涡轮继续膨胀做功，最后从尾部总排气管向外排出；

4、燃气涡轮机组一方面直接带动同轴的进气离心涡轮运动，同时另一方面也带动涡轮齿轮高速旋转，行星减速齿轮将高速涡轮齿轮与低速凸轮齿轮连接起来同步运动，一致对外输出动力，内部涡轮齿轮与外部凸轮齿轮的旋转方向相反，不会影响系统的正常运行；

5、本发明的发动机系统将保证发动机正常平稳运行的“冷却散热设备”、“润滑油设备”、“尾气增压设备”高度集成，无需另外增加设备，需要二次能源的“燃油供应设备”、“发动机启动设备”和“发电机设备”等，可以安装在发动机系统外部。

Claims (6)

1.一种“环形活塞与燃气涡轮联合发动机”，其特征是：在两个对置的环形气缸里，以二冲程方式工作的环形活塞及活塞连杆将往复运动转换成凸轮的圆周运动，未完全燃烧的燃气排入气缸中央通道中，燃气与从固定燃气涡轮机组的空气轴承进入的压缩空气进一步混合充分燃烧，并通过燃气涡轮做功，位于涡轮齿轮与凸轮齿轮之间的行星减速齿轮把低速凸轮与高速涡轮连接起来，活塞与涡轮做的功统一对外输出，在前端的进气离心涡轮将空气压缩进入环形增压散热润滑室，冷却气缸壁，润滑运动摩擦部件，保障发动机正常平稳运行。

2.根据权利要求1所诉的发动机，“两个对置的环形气缸与环形活塞”其特征是：两个等高，直径不同的环形圆筒状的内外气缸壁与其上下两端的气缸盖构成一个独立的气缸，与之相对应的环形活塞被封闭在气缸里，两个相同的气缸延中轴线对置。

3.根据权利要求1所诉的发动机，“活塞连杆与传动凸轮”其特征是：活塞连杆穿过一端的气缸盖将两个环形活塞刚性连接，以保证两个环形活塞同步运动，在活塞连杆中端有一滑轮组，滑轮组可以在凸轮圆周波浪轨道上滑行，活塞的往复运动被传递到凸轮波浪轨道上，使得凸轮可以进行圆周运动并对外输出动力，输出动力依靠在凸轮外侧壁上的齿轮圈，在凸轮内侧壁波浪轨道下方有内齿轮圈，与内部行星减速齿轮相连。

4.根据权利要求1所诉的发动机，“燃气涡轮机”其特征是：一个进气离心涡轮和四个燃气做功涡轮串联在一根中心轴上，进气离心涡轮在排气中央通道外，负责发动机进气增压，四个燃气做功涡轮在发动机排气中央通道里，中央通道顶端封闭，固定燃气涡轮机组的是三个空气轴承，压缩空气来源于气缸外侧的环形增压散热与润滑室，直接对应环形气缸排气口的是向心涡轮，轴流涡轮把中心轴与对外做功的涡轮齿轮连接为一个整体，同时也是燃气继续膨胀做功的部件。

5.根据权利要求1所诉的发动机，“联合发动机内部行星减速齿轮”其特征是：涡轮外齿轮圈与凸轮内齿轮是一对同心圆，两者旋转方向相反，涡轮齿轮是高速旋转的部件，而凸轮齿轮是相对低速旋转的部件，分布在同心圆之间的行星减速齿轮把低速的凸轮齿轮与高速的涡轮齿轮连接在一起，保证发动机系统内部两个做功部件同步协调运动，这样就把活塞和涡轮做的功统一对外输出。

6.根据权利要求1所诉的发动机，“环形增压、散热与润滑室”其特征是：两个同心圆的外壳、中间的传动凸轮，与环形气缸外壁之间的空间就是，环形增压散热与润滑室，上端开口是压缩空气进入的通道，下方封闭保证压缩空气不泄露，气缸外壁上有散热翅片，可以冷却气缸壁将热能转换为空气的内能，一部分压缩空气进入固定燃气涡轮机组的空气轴承里，以保证燃气涡轮机组的高速平稳运转，并向中央通道里输送压缩空气，供燃气涡轮持续运转做功；润滑油在压缩空气里雾化效果更好，并随着压缩空气分布在气缸内壁、活塞、连杆、滑轮、凸轮轨道、齿轮、轴承等运动摩擦部件上，有效保障系统正常平稳运行。

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