CN104265456B - 旋转喷气式内燃机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种旋转喷气式内燃机，包括电控单元、旋转喷气燃烧室总成、空气压缩系统、储气装置、冷却系统、燃料供给系统、润滑系统、发电存储设备、应急启动电机、尾气处理装置；其中燃料供给系统与空气压缩系统连接，空气压缩系统与储气装置连接，储气装置与旋转喷气燃烧室总成连接，旋转喷气燃烧室总成与动力输出轴连接；动力输出轴与空气压缩系统连接，旋转喷气燃烧室总成还与冷却系统、尾气处理装置连接。本发明将储气罐与旋转喷气燃烧室总成相结合，燃料与空气混合物在旋转喷气燃烧室总成中燃烧做功，能在各种工况下稳定运行，解决了现有内燃机热效率低、工作的转速范围较窄等问题，具有工作转速范围宽泛、压缩比高、燃烧效率高等特点。

Description

旋转喷气式内燃机

技术领域

本发明属动力设备技术领域，涉及一种内燃机，具体是一种旋转喷气式内燃机。

背景技术

内燃机是通过使燃料在机器内部燃烧，并将其放出的热能直接转换为动力的设备，是一种将内能转化为机械能的热力发动机，是目前世界上广泛使用的一种动力设备，具有体积小、质量小、便于移动、热效率高、起动性能好的特点。

现有的内燃机的主要原理大同小异，以活塞式内燃机最为普遍，均是通过将液体或气体燃料与空气混合后，直接输入气缸内部的高压燃烧室燃烧，利用产生的燃气动力推动活塞运动产生动力。为了提高内燃机的热效率，需要根据不同的工况对油气混合的比例、点火的时机等因素进行精确控制，结构较为复杂，即使如此，热效率仍然不高，一般内燃机的热效率都低于40％，同时，由于现有内燃机工作的转速一般是800转/分钟到6000转/分钟，在高转速和低转速区域，发动机的热效率会不同程度的下降，因此，在汽车应用上，一般需要变速器对内燃机的动力输出进行变换，以适应车辆起步、加速以及不同速度的要求。目前普遍使用的自动变速器本身的传动效率不是很高，约有30％左右的动力被变速器损耗，因而整个动力系统的效率较低。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足而提供一种旋转喷气式内燃机，将空气(或空气与燃料的混合物)进行压缩并存储到储气罐中，储气罐与旋转喷气燃烧室总成相结连，空气与燃料的混合物在旋转喷气燃烧室总成中燃烧，利用燃烧产生的高压燃气从燃烧室周向沿切线方向高速喷出，推动相关部件旋转做功，解决了现有内燃机热效率低、工作转速范围较窄等问题，具有工作转速范围宽泛、压缩比高、燃烧效率高等特点。

本发明所采用的技术方案：

一种旋转喷气式内燃机，包括电控单元(ECU)、旋转喷气燃烧室总成、空气压缩系统、储气装置、冷却系统、燃料供给系统、润滑系统、发电存储设备、应急启动电机、尾气处理装置；电控单元(ECU)是整个内燃机的控制中枢，利用传感器采集油门、刹车、温度、压力、速度等的参数并分析运算，进而对各种开关、阀门等部件进行控制，对整个发动机进行控制，保证整个内燃机安全协调运转；润滑系统包括油泵、限压阀、机油滤清器、机油散热器，主要对内燃机的各个部件提供润滑、冷却、清洁、密封、防锈等作用，与普通内燃机润滑系统类似；发电存储设备包括发电机、蓄电池等，发电机可以向蓄电池充电，用于提供内燃机运转所需的电能；燃料供给系统为内燃机提供能源，确保燃料在内燃机中高效燃烧；空气压缩系统通过管道与储气装置连接，可将空气(或者空气、燃料混合气)压缩，形成高压气体并输送到储气装置存储；储气装置通过气体喷管与旋转喷气燃烧室总成连接，由储气装置将高压气体喷进旋转喷气燃烧室总成中进行燃烧；旋转喷气燃烧室总成设置输出轴，高压气体在旋转喷气燃烧室总成燃烧所形成的高压燃气从喷射孔沿切向高速喷出，形成力偶推动喷射环旋转，再通过圆盘传递动力到输出轴进而传递到动力输出轴上，实现动力输出；动力输出轴通过传动机构与空气压缩系统连接，可为空气压缩系统提供动力；旋转喷气燃烧室总成还与冷却系统连接，由冷却系统对旋转喷气燃烧室总成的燃烧室温度和压缩气体的温度进行冷却；旋转喷气燃烧室总成通过管道与尾气处理装置连接，由尾气处理装置对燃烧后产生的尾气进行无害化处理并降低噪音，使之符合环保要求；应急启动电机用于储气罐中气体压力严重不足时启动内燃机，正常情况下内燃机启动不需要应急启动电机。

所述燃料供给系统与现有内燃机燃料供给系统类似，对于使用液体燃料的内燃机，一般包括油箱、油泵、燃油滤清器、输油管、燃油喷射装置，燃油喷射装置用以将燃油雾化，使燃油与空气进行混合以利于充分燃烧，燃油喷射装置可与空气压缩系统的进气口连接，亦可直接与旋转喷气燃烧室总成相连(类似于内燃机的缸内直喷)。对于使用气体燃料的内燃机，燃料供给系统则更为简单。

所述空气压缩系统主要用于将空气(或者空气燃料混合气)压缩，形成高压气体，为了获得较高的内燃机功率和燃烧效率，压缩气的压强一般要超过10个大气压以上，甚至可以达到数十个大气压。只要满足压力和压缩效率的要求，现有的多种压缩方式可供选择。综合考虑各种因素，活塞式空气压缩机通过多级压缩可输出的气体压力较高，压缩效率较高，体积较小，因此采用活塞式空气压缩机较为理想。活塞式空气压缩机已经广泛使用，具体结构不在此赘述。气体被压缩后，温度会升高，为了降低燃烧室的燃烧温度，空气压缩系统可以利用冷却系统将压缩后的气体降温。

所述储气装置由一个或数个储气罐组成(储气罐的使用个数可根据内燃机的应用领域而定)，用于存储空气压缩系统输出的压缩气体，储气罐的进气口通过管道与空气压缩系统连接，出气口通过多根气体喷管与旋转喷气燃烧室总成的燃烧室连接，每根气体喷管都有独立的气体阀，压缩气体通过气体喷管喷进燃烧室。

所述旋转喷气燃烧室总成是燃料燃烧做功的部件，包括左燃烧室壁、右燃烧室壁、由左燃烧室壁和右燃烧室壁构成的燃烧室，左、右燃烧室壁设计为圆柱形结构，二者之间通过连接管进行连接；燃烧室壁内部设置用于冷却的冷却腔，冷却腔中充满冷却液，冷却腔与冷却系统连接，冷却液可以在冷却系统的冷却液泵的作用下循环流动，使冷却液通过散热器得到冷却，用以保护燃烧室壁免受高温燃气的烧蚀；受电控单元控制，燃烧室工作时，根据油门踏板信号及当时的内燃机工作状态，电控单元控制哪些气体喷管的气体阀打开，前端储气罐中的压缩气体将通过被打开的气体喷管喷进燃烧室(如果燃料在压缩的过程中已经提前与空气进行混合，则混合气在燃烧室中被电热丝点燃，如果燃料在空气压缩过程中未与空气混合，则燃料可以直接喷射进燃烧室，在燃烧室中与空气混合后再被电热丝点燃)；电热丝放置在燃烧室内部，环绕在连接管周围，主要用于启动时将燃料空气混合气点燃，当燃烧室内进入正常工作状态后，燃气燃烧的高温可以使混合气体持续燃烧；气体喷管围绕连接管在燃烧室内呈多点分布，如果气体喷管中是燃料与空气的混合气，则气体喷管的直径不宜太大，利用管道的猝熄效应，防止燃烧室的高温燃气可能通过气体喷管串烧到储气罐内发生爆炸；左右燃烧室壁围成的圆柱形燃烧室周向环绕着喷射环，喷射环上有切向的喷射孔，喷射孔在喷射环上呈对称分布；喷射环与圆盘连接，在圆盘上设置输出轴，燃烧室工作时，高压燃气从喷射孔沿切向高速喷出，形成力偶推动喷射环旋转，再通过圆盘传递动力到输出轴。由于喷射环温度较高，喷射环外部装有散热片用于散热降温。在燃烧室外侧设置尾气收集罩，利用尾气收集罩可收集燃烧室排放的尾气。

左燃烧室壁上有通孔，通孔一端与外界相通，另一端与燃烧室相通，通孔与连接管平行，通孔中有柱塞，柱塞可以在通孔中移动，柱塞另外的一端固定在支架上，柱塞外套着弹簧，弹簧一端也固定在支架上，另一端固定在左燃烧室壁外侧。当燃烧室工作时，如果加大进气量(加大油门)，则燃烧室内压力升高，从而在柱塞右侧的压力也加大，在反作用力推动下，弹簧被拉伸，燃烧室向右移动，这时，喷射环上的原来一些被右燃烧室壁封闭的喷射孔被打开，使燃烧室内的压力不至于上升太快，当油门加到最大时，燃烧室移动到最右端，喷射环上的喷射孔全部打开。喷射环高速转动时由于离心力相应增加，考虑到材料强度，当喷射环转速达到上限值时，内燃机必须进行断油，以防止喷射环在离心力作用下遭到破坏。

所述冷却系统包括散热器、冷却液泵和管道及温度传感器等，与现有内燃机冷却系统类似，主要用于冷却燃烧室温度和冷却压缩气体的温度。

所述应急启动电机与空气压缩系统相连，为空气压缩系统提供短期动力。当储气罐装置中气体压力严重不足时，内燃机无法正常启动，就需要应急启动电机带动空气压缩系统，向前端储气罐中充气，当压力达到一定值时，气体阀打开，电热丝通电，内燃机启动，应急启动电机随即关闭。当前端储气罐在正常压力范围内时，内燃机启动不需要使用应急启动电机。

所为本发明的进一步改进，所述燃料供给系统的燃油喷射装置可以不和空气压缩系统相连，而是直接与旋转喷气燃烧室总成的燃烧室相连，将燃料直接喷射到燃烧室内，使燃料与空气在燃烧室中混合后再燃烧。

所为本发明的进一步改进，所述连接动力输出轴与空气压缩系统的传动机构是齿轮传动机构，并在齿轮传动机构中设置主离合器，通过动力输出轴为空气压缩系统提供动力，由于动力输出轴转速有时候较高，因此在齿轮传动机构中配备减速齿轮减速，以降低空气压缩机的转速。主离合器受电控单元控制，根据需要进行离合，一般而言，当内燃机关闭、加速或者主储气罐中达到额定压力时，主离合器处于分离状态，其他时候处于结合状态。进一步的，对于汽车用内燃机，上述齿轮传动机构中另设置副离合器，利用副离合器为空气压缩机提供另一个动力，这套减速齿轮的速比较主离合器的速比小，当汽车刹车时，启用副离合器，使空气压缩机高速运转，将汽车的动能转化为压缩混合气，实现刹车能量回收。

所为本发明的进一步改进，在旋转喷气燃烧室总成的燃烧室外侧的尾气收集罩中安装叶轮，考虑到内燃机在低速运行时燃烧室喷出的气体具有较高的动能，可通过叶轮对气体动能进行利用，用于气体压缩或者发电，类似于现有内燃机的涡轮增压装置。

本发明将储气罐与旋转喷气燃烧室总成相结合，利用燃烧产生的高压燃气从燃烧室周向沿切线方向高速喷出，推动相关部件旋转做功，能在低速、高速、低载荷、重载荷等各种工况下稳定运行，解决了现有内燃机热效率低、工作转速范围较窄等问题，具有工作转速范围宽泛、压缩比高、燃烧效率高等特点。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明的旋转喷气燃烧室总成的轴向剖面结构示意图。

图3是本发明的旋转喷气燃烧室总成的另一种轴向剖面结构示意图。

图中：1、散热器；2、冷却液泵；3、前端储气罐；4、主储气罐；5、副储气罐；6、活塞式空气压缩机；7、油箱；8、燃油喷射装置；9、主离合器；10、副离合器；11、动力输出轴；12、发电机；13尾气处理装置；14、旋转喷气燃烧室总成；15、冷却液输出管；16、冷却液输入管；17、柱塞；18、弹簧；19、气体喷管；20、冷却腔；21、左燃烧室壁；22、喷射环；23、散热片；24、尾气收集罩；25、喷射孔；26、圆盘；27、输出轴；28、连接管；29、电热丝；30、右燃烧室壁；31、燃烧室。

具体实施方式

下面结合附图和通过实施例对本发明作进一步说明，但不作为对本发明的限定。

在图1、2中所示的结构中，本发明所设计的一种旋转喷气式内燃机包括电控单元(ECU)、旋转喷气燃烧室总成14、空气压缩系统、应急启动电机、储气装置、冷却系统、燃料供给系统、润滑系统、发电存储设备、尾气处理装置；电控单元(ECU)与普通内燃机的电控单元结构和功能类似，是整个内燃机的控制中枢，利用传感器采集油门、刹车、温度、压力、速度等的参数并分析运算，进而对各种开关、阀门等部件进行控制，从而对内燃机进行控制，保证整个内燃机安全协调运转；润滑系统包括油泵、限压阀、机油滤清器、机油散热器，主要对内燃机的各个部件提供润滑、冷却、清洁、密封、防锈等作用，与普通内燃机润滑系统类似；发电存储设备包括发电机15、蓄电池等，发电机15通过齿轮传动机构与动力输出轴11连接，由动力输出轴11带动发电机15工作可以向蓄电池充电，用于提供内燃机运转所需的电能；燃料供给系统与空气压缩系统连接，可以将燃油喷射至空气压缩系统中与压缩空气进行混合；空气压缩系统通过管道与储气装置连接，可将空气或者空气燃料混合气压缩，形成高压气体并输送到储气装置存储，空气压缩系统还与应急启动电机相连，当内燃机无法正常启动，由应急启动电机为空气压缩系统提供短期动力带动空气压缩系统工作；储气装置通过管道与旋转喷气燃烧室总成14连接，由储气装置将高压气体喷进旋转喷气燃烧室总成进行燃烧；旋转喷气燃烧室总成14通过传动机构与动力输出轴11连接，高压气体在旋转喷气燃烧室总成燃烧所形成的高压燃气从喷射孔沿切向高速喷出，形成力偶推动喷射环旋转，再通过圆盘传递动力到输出轴上；动力输出轴11通过齿轮传动机构与空气压缩系统连接，并在齿轮传动机构中设置主离合器9、副离合器10，通过动力输出轴为空气压缩系统提供动力，在齿轮传动机构中配备减速齿轮减速，以降低空气压缩机的转速，主离合器9、副离合器10受电控单元控制，分别和不同速比的减速齿轮相连，进而控制空气压缩机的转速；旋转喷气燃烧室总成还与冷却系统连接，由冷却系统对旋转喷气燃烧室总成的燃烧室温度和压缩气体的温度进行冷却；旋转喷气燃烧室总成通过管道与尾气处理装置13连接，由尾气处理装置对燃烧后产生的尾气进行无害化处理并降低噪音，使之符合环保要求。

所述燃料供给系统与现有内燃机燃料供给系统类似，包括油箱7、油泵、燃油滤清器、输油管、燃油喷射装置8，燃油喷射装置与空气压缩系统的进气口连接，燃油喷射装置可以将燃油喷射入空气压缩系统中，使燃油与空气进行混合并进行压缩。

所述空气压缩系统采用活塞式空气压缩机6，主要用于将空气或者空气燃料混合气压缩，形成高压气体。在活塞式空气压缩机6中配备空气过滤装置，用于保持空气的洁净，其进气口与燃料供给系统的燃油喷射装置8连接，使燃油雾化后再与空气混合，有利于燃油与空气混合更充分，喷射的油量根据预先设定的空燃比，由电控单元进行控制；混合气被压缩后，温度会升高，为了降低燃烧室的燃烧温度，空气压缩系统可以利用冷却系统将压缩后的气体降温。

所述储气装置由三个储气罐组成，分别是前端储气罐3、主储气罐4和副储气罐5，用于存储空气压缩系统输出的压缩混合气，其中主储气罐4和副储气罐5的进气口分别通过管道与活塞式空气压缩机6连接，出气口分别与前端储气罐3的进气口连接，前端储气罐3的进气口还有一根输气管与活塞式空气压缩机6相连，由电控单元进行控制，活塞式空气压缩机6输出的高压气体优先输出给前端储气罐3，待前端储气罐达到额定压力后再输出给主、副两个储气罐，主储气罐4和副储气罐5中的高压气体可以单向流入前端储气罐3，反之则不行。前端储气罐的出气口通过多根气体喷管19与旋转喷气燃烧室总成的燃烧室连接，每根气体喷管都有独立的气体阀，压缩气体通过气体喷管19喷进燃烧室31。副储气罐主要用于汽车，其他场合可以不配备。主储气罐和副储气罐交替使用，用于刹车能量回收，当汽车制动时，空气压缩系统将汽车动能转化为高压混合气按一定的策略存储于主、副储气罐中，从而实现刹车能量回收。

所述旋转喷气燃烧室总成14包括左燃烧室壁21、右燃烧室壁30、由左燃烧室壁和右燃烧室壁构成的燃烧室31，左、右燃烧室壁设计为圆柱形结构，二者之间通过连接管28进行连接；左、右燃烧室壁内部设置用于冷却的冷却腔20，冷却腔中充满冷却液，冷却腔通过冷却液输入管16、冷却液输出管15与冷却系统连接，冷却液可以在冷却系统的冷却液泵2的作用下循环流动，使冷却液通过散热器1得到冷却，用以保护燃烧室壁免受高温燃气的烧蚀；受电控单元控制，燃烧室工作时，根据油门踏板信号及当时的内燃机工作状态，电控单元控制哪些气体喷管的气体阀打开，前端储气罐中的压缩气体将通过被打开的气体喷管喷进燃烧室31；电热丝29设置在燃烧室内部，环绕在连接管周围，用于启动时将燃料空气混合气点燃，当燃烧室内进入正常工作状态后，燃气燃烧的高温可以使混合气体持续燃烧；气体喷管19围绕连接管28在燃烧室内呈多点分布，如果气体喷管中是燃料与空气的混合气，则气体喷管的直径不宜太大，利用管道的猝熄效应，防止燃烧室的高温燃气可能通过气体喷管串烧到储气罐内发生爆炸；左、右燃烧室壁围成的圆柱形燃烧室31周向环绕着喷射环22，喷射环上有切向的喷射孔25，喷射孔在喷射环上呈对称分布；喷射环22与圆盘26连接，在圆盘上设置输出轴27，输出轴27通过传动机构与动力输出轴11连接，输出轴27将动力传递给动力输出轴11，进而为空气压缩系统、发电机等提供动力，燃烧室工作时，高压燃气从喷射孔沿切向高速喷出，形成力偶推动喷射环22旋转，再通过圆盘26带动输出轴27旋转，由输出轴27传递动力到动力输出轴，实现动力输出；在喷射环外部装有散热片23用于散热降温，避免喷射环温度过高；在燃烧室外侧设置尾气收集罩24，用于收集燃烧室排放的尾气，在尾气收集罩24中安装叶轮，可通过叶轮对尾气动能进行利用，用于气体压缩或者发电，类似于现有内燃机的涡轮增压装置。

左燃烧室壁上有通孔，通孔一端与外界相通，另一端与燃烧室相通，通孔与连接管28平行，通孔中有柱塞17，柱塞可以在通孔中移动，柱塞另外的一端固定在支架上，柱塞外套着弹簧18，弹簧一端固定在支架上，另一端固定在左燃烧室壁21外侧。当燃烧室工作时，如果加大进气量(加大油门)，则燃烧室内压力升高，从而在柱塞17右侧的压力也加大，在反作用力推动下，弹簧18被拉伸，燃烧室31向右移动，这时，喷射环22上的原来一些被右燃烧室壁封闭的喷射孔25被打开，使燃烧室内的压力不至于上升太快，当油门加到最大时，燃烧室移动到最右端，喷射环上的喷射孔全部打开。喷射环高速转动时由于离心力相应增加，考虑到材料强度，当喷射环转速达到上限值时，内燃机必须进行断油，以防止喷射环在离心力作用下遭到破坏；喷射环内部温度较高，可采用高温陶瓷材料，喷射环外部的散热片23可以防止温度过高导致材料强度下降，造成喷射环22破坏。

所述冷却系统包括散热器1、冷却液泵2、冷却液输入管16、冷却液输出管15及温度传感器等，与现有内燃机冷却系统类似，主要用于冷却燃烧室温度和冷却压缩气体的温度。

根据本发明的设计理念，本发明所提供的旋转喷气燃烧室总成还有另外一种结构，如图3所示，这种结构与前述的结构类似，但略有区别，主要区别在于：前述的结构喷射环是旋转的，燃烧室主体部分是固定的，而图3所示的结构则是：喷射环与燃烧室壁连成一体，工作时整个燃烧室都是旋转的，压缩气体、冷却液和混合气体通过同轴的管道输送到燃烧室，由喷射孔调节环对喷射孔的开闭进行控制；电热丝的电能由电刷输送。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种旋转喷气式内燃机，包括电控单元、润滑系统、发电存储设备、冷却系统、燃料供给系统、尾气处理装置，其特征在于：还包括旋转喷气燃烧室总成、空气压缩系统、储气装置、应急启动电机；其中燃料供给系统与空气压缩系统连接，空气压缩系统通过管道与储气装置连接，储气装置通过气体喷管与旋转喷气燃烧室总成连接，旋转喷气燃烧室总成通过传动机构与动力输出轴连接，动力输出轴通过传动机构与空气压缩系统连接，旋转喷气燃烧室总成还与冷却系统连接，旋转喷气燃烧室总成通过管道与尾气处理装置连接；

所述燃料供给系统包括油箱、油泵、燃油滤清器、输油管、燃油喷射装置，燃油喷射装置与空气压缩系统的进气口连接；

所述空气压缩系统配备空气过滤装置，其进气口与燃料供给系统的燃油喷射装置连接；

所述储气装置由一个或数个储气罐组成，储气罐的进气口通过管道与空气压缩系统连接，出气口通过多根气体喷管与旋转喷气燃烧室总成的燃烧室连接，每根气体喷管都有独立的气体阀；

所述旋转喷气燃烧室总成包括左燃烧室壁、右燃烧室壁、燃烧室，左燃烧室壁、右燃烧室壁设计为圆柱形结构，二者之间通过连接管进行连接；左燃烧室壁、右燃烧室壁内部设置用于冷却的冷却腔，冷却腔中充满冷却液，冷却腔与冷却系统连接；电热丝放置在燃烧室内部，环绕在连接管周围；气体喷管围绕连接管在燃烧室内呈多点分布，左燃烧室壁、右燃烧室壁周向环绕着喷射环，喷射环上有切向的喷射孔，喷射孔在喷射环上呈对称分布；喷射环与圆盘连接，在圆盘上设置输出轴，输出轴通过传动机构与动力输出轴连接；喷射环外部装有散热片；在燃烧室外侧设置尾气收集罩；

左燃烧室壁上有通孔，通孔一端与外界相通，另一端与燃烧室相通，通孔与连接管平行，通孔中有柱塞，柱塞的左端固定在支架上，柱塞外套着弹簧，弹簧一端也固定在支架上，另一端固定在左燃烧室壁外侧；

所述应急启动电机与空气压缩系统相连。

2.根据权利要求1所述的旋转喷气式内燃机，其特征在于：所述空气压缩系统为活塞式空气压缩机。

3.根据权利要求1所述的旋转喷气式内燃机，其特征在于：所述燃料供给系统的燃油喷射装置直接与旋转喷气燃烧室总成的燃烧室相连。

4.根据权利要求1所述的旋转喷气式内燃机，其特征在于：所述连接动力输出轴与空气压缩系统的传动机构是齿轮传动机构，并在齿轮传动机构中设置主离合器。

5.根据权利要求4所述的旋转喷气式内燃机，其特征在于：所述齿轮传动机构中另设置副离合器。

6.根据权利要求1所述的旋转喷气式内燃机，其特征在于：在旋转喷气燃烧室总成的燃烧室外侧的尾气收集罩中安装叶轮。