CN106414950A - 周引擎和动力凸轮机构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种发动机，及其在燃气轮机上的应用。该发动机被命名为周引擎，它包括气缸、活塞、动力凸轮机构，该发动机工作循环依次经历吸气冲程(1O)、压缩冲程(1P)、燃烧时段(1Q)、膨胀冲程(1R)、排气冲程(1S)，并利用所述动力凸轮机构的凸轮轨道驱动活塞、对发动机每完成一次工作循环中的每个工作过程的时间和活塞行程进行任意分段、优化，如图中活塞顶运动曲线所示。本发明在工作循环过程增加的燃烧时段、多余膨胀(1M)，能最大限度提高热效率、降低碳排放和污染。用于燃气轮机的燃烧器时，将有效提高燃气轮机的热效率和功率密度。其中，动力凸轮机构在周引擎之外还有广泛用途。

Description

周引擎和动力凸轮机构

本发明包括周引擎和动力凸轮机构。

周引擎

周引擎是一种新型发动机，它是一款内燃机，也是一款燃气轮机的燃烧器。

本发明的初始目的是提高热效率。这将降低碳排放和污染，这二者都是现在全球的热门议题。但，提高整机设备的功率密度也在论证过程中同时达到了。

常规的四冲程柴油机在现代的所有内燃机中具有最高的热效率。它的工作过程经历吸气冲程、压缩冲程、膨胀冲程(或做功冲程)、排气冲程，并重复、循环。它的活塞被曲轴连杆机构所驱动。它的活塞顶运动曲线(图2中1H)接近于余弦曲线。它的缺点有：过短的燃烧时间、不充分的膨胀、由曲轴连杆机构引起的巨大滑动摩擦。这些缺点降低了热效率、产生噪音等等。这些缺点将在周引擎中被克服。

周引擎的工作原理与常规的四冲程发动机有些相似。周引擎也有吸气冲程(1O)、压缩冲程(1P)、膨胀冲程(1R)、排气冲程(1S)、气门动作、燃料注入、火花塞点火，其活塞(3E,9D)在其气缸(3D,9L)内往复运动。但，周引擎有如下独有的特点：

1、周引擎的组成：两个机壳(3C,9B)，多个气缸(3D,9L)，多个活塞(3E,9D)，多条有齿滚柱排(toothed-roller array,3F,9E,9F)，一个动力凸轮(power-cam,3B,9C)，一组缸头、气门及动作机构、燃料供给系统和点火系统等。

2、周引擎活塞的运动沿其活塞顶运动曲线(图1中的1H)。这条活塞顶运动曲线在设计时可以被任意分段，每一段可以被任意调整和优化，以满足我们的需要(参考图16)。

3、周引擎的工作循环(参考图1)分五个过程——吸气冲程(1O)、压缩冲程(1P)、燃烧时段(1Q)、膨胀冲程(1R)、排气冲程(1S)——期间，动力凸轮(3B,9C)转动一周或半周，完成一次热力学循环(参考图14)。

(a)其每一过程可以持续不同的时间；每一冲程可以有不等的行程。

(b)吸气冲程(1O)：其作用与常规四冲程发动机的相同。进气门保持开启，排气门保持关闭。活塞顶运动曲线(图1的1H)的吸气冲程段可以被调整，使进气顺畅，并使更多的空气进入气缸(3D,9L)。

(c)压缩冲程(1P)：其作用与常规四冲程发动机的相同。进气门和排气门保持关闭。但，本压缩冲程占用更少的时间，以减少热损失和为其它过程预留时间。

(d)燃烧时段(1Q)：常规四冲程发动机在燃烧过程中有一些问题，包括提前点火、敲缸、后燃烧等。这些问题均与燃烧时间过短有关。在周引擎的工作循环中有“燃烧时段”(1Q)，预留了时间段以改善燃烧。在燃烧时段中，进气门和排气门保持关闭。在燃烧时段开始时，注入燃料，如有需要火花塞点火，最好的燃烧状态在“燃烧时段”内进行。这个燃烧状态可以是等容燃烧、等温燃烧、或其它更好的燃烧状态——按我们的设计，可以是边喷油、边燃烧、活塞边按活塞顶运动曲线(图1中1H)运动。我们能够控制燃烧过程在可承受的高温、高压边界上进行，以获取尽可能高的热效率。这样，我们就避免了常规四冲程发动机燃烧过程中的问题，而获取更高的热效率。周引擎还能够使用多种燃料，包括汽油、煤油、柴油、天然气、一氧化碳、酒精、氢气等等。我们能够用绝热陶瓷包围周引擎中燃烧的工质以减少热损失。

(e)膨胀冲程(1R)：其功能与常规四冲程发动机的相似，有少许差别。进气门和排气门保持关闭。周引擎的膨胀冲程(1R)，开始时燃烧过程已经结束，这个膨胀冲程仅仅是膨胀做功，还可以有多余膨胀(extra expansion，1M)。我们可以调整活塞顶运动曲线(1H)的膨胀冲程(1R)段，使其高温过程占据更少的时间，降低热损失。

(f)排气冲程(1S)：其作用与常规四冲程发动机的相同。进气门保持关闭，排气门保持开启。活塞顶运动曲线(1H)的排气冲程段可以被精细的调整，使气流平顺，并尽可能减少残留废气。这有利于减少噪音和提高热效率。

(g)进一步的精细调整其活塞顶运动曲线(图1中的1H)，可以更好的优化周引擎。

4、为了实现上述第2、3款，有两种实例的周引擎，例A(参看图3～8)和例B(参看图9～13)。它们的工作原理如下：

(a)每个活塞(3E,9D)在一个气缸(3D,9L)内运动，每个气缸内只有一个活塞。

(b)气缸(3D,9L)可以成对设置，每对气缸均在同一轴线上。相应地，活塞(3E,9D)成对工作，每对活塞也在同一轴线上，并且精确反向运动。这样，周引擎就在动力平衡中，消除了振动。

(c)每个活塞(3E,9D)作往复运动，被气缸和有齿滚柱排(3F,9E,9F)约束。有齿滚柱排(图8中3F，图13中9E、9F)是——多个有齿滚柱(3I,13A)被一个滚柱保持架(3L,13B,13C)约束，并同步。每个有齿滚柱(3I,13A)有一承载面(8A,13E)和多个齿(8B,13D)。每个有齿轨道(3R,3Q,9U,9V)有一承载面(3M,3J,10B,12C)和齿条边缘(3N,3K,10E,12D)。有齿滚柱排(3F,9E,9F)，或说同步的有齿滚柱，在活塞的有齿轨道(3Q,9V)和机壳的有齿轨道(3R,9U)间滚动，正压力由它们的承载面(8A,3J,3M,13E,12C,10B)接触来承受，并啮合它们的齿(8B,3K,3N,13D,12D,10E,参看图3中Detail A)。这样，同步的有齿滚柱(3I,13A)总是在合适的位置、合适的运动状态、不滑动，以其承载面(8A,13E)承受住来自于动力凸轮(3B,9C)的活塞侧向力。

(d)以动力凸轮上的轨道(4C,11B)和活塞上的轮子(6A,6B,9H,12A)，一个动力凸轮(3B,9C)和多个活塞(3E,9D)相互驱动。动力凸轮轨道(4C,11B)的设计和制造依据活塞顶运动曲线(图1中1H)。

(e)常规四冲程发动机，使用曲轴连杆机构驱动活塞，其中许多组件有滑动摩擦。尤其是活塞和气缸间的巨大正压力诱导的滑动摩擦。这些滑动摩擦浪费了机械功，降低了热效率。周引擎没有曲轴连杆机构。周引擎只有很少的滑动摩擦——活塞和气缸间密封引起的滑动摩擦；有齿滚柱(3I,13A)与滚柱保持架(3L,13B,13C)间的滑动摩擦；有齿滚柱和有齿轨道间的齿啮合的滑动摩擦，其齿间作用力很小。来自动力凸轮的、巨大的活塞侧向力，由有齿滚柱(3I,13A)支撑在有齿轨道(3R,3Q,9U,9V)上，不产生滑动摩擦。这进一步提高了周引擎的热效率。

(f)如前所述，周引擎的活塞与气缸间的摩擦力远小于常规四冲程发动机。因此，我们能够使活塞运动更快，由此提高转速，提高功率密度。

5、例C，参看图14～16，是周引擎与多级压气涡轮、做功涡轮的匹配工作，或者说，是周引擎作为燃气轮机的燃烧器工作。其特点如下：

(a)图14是周引擎的pV图。

与燃气轮机的pV图相比，周引擎是一活塞发动机。活塞发动机有更高的压缩比、燃烧温度和工作压力，能够获得更高的热效率。

与常规四冲程柴油机的pV图相比，周引擎有等容燃烧(14B)和多余膨胀(1M)。这些将产生更多的功、获取更高的热效率。

参考图15～16，这个pV图也适合于周引擎(15G)与多级压气涡轮(15B)、做功涡轮(15C)的匹配工作。我们在这个pV图选取一些点(14E,14F,14H)，进行参数匹配。

(b)对于周引擎(图15中15G)，我们能够精确调整活塞顶运动曲线(图16中1H)中的吸气冲程(1O)段，消除吸气总流中的脉动，以适合多级压气涡轮(15B)。我们也能够精确调整活塞顶运动曲线(图16中1H)中的排气冲程(1S)段，消除排气总流中的脉动，以适合做功涡轮(15C)。我们能够制造出精确函数描述活塞顶运动曲线(1H)的每一段。

(c)周引擎可以用作燃气轮机的燃烧器，参见图15。这个燃气轮机将有两根动力输出轴，一根是涡轮机的轴(15D)，另一根是周引擎的主轴(15F)。

(d)周引擎(15G)与多级压气涡轮(15B)、做功涡轮(15C)的匹配工作，参见图15,可以获取更高的热效率和功率密度(细节在图16)。

6、与常规四冲程柴油机相比，周引擎具有如下优点——更平顺的气流、更好的燃烧状态，更少的热损失，有多余膨胀，更少的残留废气，更少的滑动摩擦。假设常规四冲程柴油机的热效率为40％，估计周引擎的热效率将达到60％。

动力凸轮机构

动力凸轮机构是常规凸轮机构的改进。

凸轮机构广泛用于整个机械领域。凸轮是转动或滑动的机械连接，尤其用于转动和直线运行的互相转换。由于它的滑动摩擦，效率较低，仅适合于运动转换，而不是动力转换。

本动力凸轮机构尽可能的使用滚动代替滑动以减少摩擦，尤其在随动件(18C)和机壳(18D)之间。它适合于动力转换，也适合于运动转换。

图17～22展现动力凸轮机构。

动力凸轮机构(图18中18A)包括：动力凸轮(3B)、随动件(18C)、机壳(18D)、有齿滚柱排(18E)。

绕轴心(18H)转动的动力凸轮(3B)，驱动随动件(18C)沿直线或弧线往复运动，并且反之亦然。机壳(18D)和轴心(18H)是静止的。许多有齿滚柱(20F,21F)被约束和同步形成有齿滚柱排(18E)。有齿轨道(18I,18J)有一个承载面(20B,20D,21B,21D)和许多齿(20A,20C,21A,21C)。有齿滚柱(20F,21F)就是一个滚柱，并有齿。或者说，有齿滚柱(20F,21F)有一个承载面(20H,21H)和许多齿(20G,21G)。它的承载面(20H,21H)在有齿轨道的承载面(20B,20D,21B,21D)上滚动，它的齿(20G,21G)与有齿轨道的齿(20A,20C,21A,21C)啮合。当它们工作时，有齿滚柱排(18E)，或说，同步的有齿滚柱(20F,21F)，在随动件的有齿轨道(18I)和机壳的有齿轨道(18J)间滚动(参看Detail F1)，以承载面(20H,20B,20D,21H,21B,21D)的互相接触承受正压力，并啮合(20I,20J,21I,21J)它们的齿(20G,20A,20C,21G,21A,21C)，以确保有齿滚柱总是在合适的位置，而不滑动。

动力凸轮的轨道(18G)也许非常复杂，这说明随动件(18C)运动与动力凸轮转动之间的关系非常复杂。

如有需要，动力凸轮的轨道(18G)上可以有齿。那么，对应的，随动件的轮子(19A,19F)上也必须有齿(19C,19H)，以确保轮子总是滚动、不滑动，避免由于轮子(19A,19F)周期的速度变化引起的滑动及滑动引起的能量损失。轮子的滚动轴承(19D,19L)，可以是有齿的滚动轴承或预紧的滚动轴承，以避免速度变化时滚子的滑动。

上述的有齿的滚动轴承的组成：一个具有有齿轨道的外环，一个具有有齿轨道的内环，一个滚柱保持架约束和同步了许多有齿滚柱。其原理类似于前述的有齿轨道(18I,18J)与同步的有齿滚柱(20F,21F)配合工作。

所有前述的齿，可以是渐开线剖面。

这样，动力凸轮机构(18A)只有很少的滑动摩擦，在：有齿滚柱(20F)和滚柱保持架(20E)之间、啮合的齿之间。其它的摩擦均为滚动摩擦。所以，相较于传统的凸轮机构和曲轴连杆机构，动力凸轮机构(18A)具有高得多的机械功转换效率，并能用于整个机械领域。

前述的周引擎，已经使用了动力凸轮机构(18A)，展示如下：

在例A中，参看图3和图18。图3中的动力凸轮(3B)对应于图18中的动力凸轮(3B)。活塞(3E)对应于随动件(18C)。机壳(3C)对应于机壳(18D)。图3中的有齿滚柱排(3F)对应于图18中的有齿滚柱排(18E)。

在例B中，参看图9和图18。图9中的动力凸轮(9C)对应于图18中的动力凸轮(3B)。活塞(9D)对应于随动件(18C)。机壳(9B)对应于机壳(18D)。有齿滚柱排A(9E)和有齿滚柱排B(9F)对应于有齿滚柱排(18E)。

附图说明

图1～16是关于周引擎的，其中展示了三个例子——例A、例B、例C。例A、例B是周引擎的两个型式。例C是周引擎与多级压气涡轮、做功涡轮匹配工作，或者，是周引擎用作燃气轮机的燃烧器。

图17～22展示动力凸轮机构。

图23是摘要的附图。

图1：周引擎的活塞顶运动曲线(1H)。这是一个示意图，并且还能做更多的优化。图中符号的意义在下表中(表1)。

图2是常规四冲程发动机的活塞顶运动曲线(1H)。与图2比较，图1有下述独有特性：燃烧时段(1Q)、多余膨胀(1M)、每一过程任意时长、每一冲程行程不同、可调的活塞顶运动曲线(1H)。若要实现周引擎，首先设计活塞顶运动曲线(1H)。可以精细的设计活塞顶运动曲线(1H)的吸气冲程(1O)段和排气冲程(1S)段获取最佳的气流。周引擎缩短压缩冲程(1P)的时间，并预留时间优化燃烧过程。周引擎的膨胀冲程(1R)有更大的容积，以多做功和提高热效率。进一步调整活塞顶运动曲线(1H)，还可以有更多的优化。周引擎利用动力凸轮、有齿滚柱和有齿轨道达成活塞这种优化运动，参见图3和图9。

图2：常规四冲程发动机的活塞顶运动曲线(1H)。符号的意义同于图1，在表1中。这条曲线接近于余弦曲线，由曲轴连杆机构决定。图2仅仅为了和图1比较。

图3：周引擎例A的总装图。例A的零件列表在表3，并展示在图图4～8中。

表3

零件名	数量	参看图号
			动力凸轮(3B)	1	图4
机壳(3C)	2	图5
			气缸(3D)	10	图7
活塞(3E)	10	图6
			有齿滚柱排(3F)	40	图8

本图中，符号的意义列于表3.1

表3.1

本周引擎的组件：1个动力凸轮(3B)，2个机壳(3C)，5对气缸(3D)，5对活塞(3E)，40个有齿滚柱排(3F)，一组缸头、气门及控制机构、燃料供给系统、点火系统。有3个明显的特征：

(a)活塞(3E)成对设置，在同一轴线上，精确反向运动。

(b)动力凸轮(3B)的轨道和活塞(3E)的轮子互相接触，并互相驱动，一个动力凸轮驱动所有的活塞，所有的活塞驱动同一个动力凸轮。

(c)活塞(3E)被气缸和有齿滚柱排(3F)约束，作往复运动。

一组缸头、气门及控制机构、燃料供给系统、点火系统是必需的，本图没有显示，可以按常规方法设计，基本同于辐射式发动机。差别在于驱动气门、油泵的凸轮，这个凸轮在周引擎中可以直接固定在主轴(3G)上，不需要转速变换。进气门在吸气冲程时开启，其它时间关闭。排气门在排气冲程时开启，其它时间关闭。燃料在燃烧时段(1Q)开始时喷入，若有需要火花塞点火。进气门、排气门、燃料注入和火花塞点火的工作同于常规的四冲程发动机。

一个周引擎可以有任意多个气缸(3D)。

图4：例A的动力凸轮(3B)。符号的意义见表4。

表4

基于周引擎的活塞顶运动曲线(图1中1H)设计出动力凸轮(3B)的曲线轨道(4C)。当动力凸轮(3B)转动时，活塞(3E)按活塞顶运动曲线(1H)往复运动并不断重复。这个动力凸轮(3B)每一转完成2次工作循环，对应于活塞(3E)成对设置，互相抵消振动。

设置动力凸轮每一转的工作循环次数大于1，就可以消除这种周引擎的振动。但是，如果设置动力凸轮每一转的工作循环次数大于2，这种周引擎的力学指标会变坏。

例A需要1个动力凸轮(3B)。

图5：例A的机壳(3C)。符号的意义列于表5.

表5

这个机壳有20条有齿轨道(3R)，一个轴孔(5B)，10个通孔(5C)，10个孔(5D)。每条有齿轨道(3R)有一个承载面(3M)，和许多齿(3N)排成行。

例A需要2个机壳(3C)。

图6：例A的活塞(3E)。符号的意义列于表6。

表6

符号	意义
		3E	活塞
3J	承载面，属于活塞的有齿轨道(3Q)，承载有齿滚柱(3I)的滚动
		3K	齿，属于活塞的有齿轨道(3Q)，用以与有齿滚柱(3I)的齿啮合
3Q	有齿轨道，属于活塞，参看图5中的Detail F
		6A	大轮
6B	小轮
		6C	轮子的承载面
6E	滚动轴承

这个活塞(3E)包括：1个大轮(6A)，2个小轮(6B)，4条有齿轨道(3Q)。每条有齿轨道有一个承载面(3J)，和许多齿(3K)排成行。

例A需要5对活塞(3E)。

图7：例A的气缸。符号的意义列于表7.

表7

Symbols	Meanings
		3D	气缸
7A	这一端镶入机壳(3C)

例A需要5对气缸(3D)。

图8:例A的有齿滚柱排(3F)、有齿滚柱(3I)。符号的意义列于表8。

表8

符号	意义
		3F	有齿滚柱排
3I	有齿滚柱
		3L	滚柱保持架，约束和同步多个有齿滚柱(3I)
8A	承载面，属于有齿滚柱(3I)
		8B	齿，属于有齿滚柱(3I)

有齿滚柱排(3F)，即一个滚柱保持架约束和同步的多个有齿滚柱(3I)。有齿滚柱有1个承载面(8A)和许多齿(8B)，或者，有齿滚柱(3I)是一个滚柱，但有许多齿(8B)。当它们工作时，同步的有齿滚柱(3I)在机壳的有齿轨道(3R)和活塞的有齿轨道(3Q)之间滚动，并啮合它们的齿(8B,3K,3N)。

例A需要40条有齿滚柱排(3F)。

图9：周引擎例B的总装图。符号的意义列于表9。例B的零件展示在图10～13，列表于表9.1。

表9

表9.1

零件	数量	参看
			机壳(9B)	2	图10
动力凸轮(9C)	1	图11
			活塞(9D)	6	图12
有齿滚柱排A(9E)	12	图13
			有齿滚柱排B(9F)	12	图13

周引擎例B，包括：3对活塞(9D)，2个机壳(9B)，1个动力凸轮(9C)，12条有齿滚柱排A(9E)，12条有齿滚柱排B(9F)。气缸的数量等于活塞的数量。周引擎有3个特点如下：

(a)活塞(9D)成对设置，在同一轴线上，精确反向运动。

(b)动力凸轮(9C)的轨道和活塞(9D)的轮子互相接触，并互相驱动，一个动力凸轮驱动所有的活塞，所有的活塞驱动同一个动力凸轮。

(c)活塞(9D)被气缸(9L)和有齿滚柱排(9E,9F)约束，作往复运动。

缸头(9Q)、气门(9O,9P)及控制机构、燃料供给系统、点火系统可按常规设计。进气门(9O)在吸气冲程时开启，其它时间关闭。排气门(9P)在排气冲程时开启，其它时间关闭。气门被凸轮(9N)驱动。燃料在燃烧时段(1Q)开始时喷入，若有需要火花塞点火。进气门(9O)、排气门(9P)、燃料注入和火花塞点火的工作同于常规的四冲程发动机。凸轮(9N)直接固定在动力凸轮(9C)的主轴(9G)上，与动力凸轮(9C)同步转动。

周引擎可以有任意数量的活塞(或气缸)。

图10：例B的机壳(9B)。符号的意义列于表10。

表10

符号	意义
		9B	机壳
9L	气缸
		9U	有齿轨道，有齿滚柱(图13中13A)在此滚动
10A	主轴孔
		10B	承载面，属于机壳的有齿轨道(9U)，有齿滚柱在此滚动
10C	通孔，连接和锚固另一机壳、缸头
		10D	孔，为便于安装活塞(9D)上的小轮
10E	齿，属于机壳的有齿轨道(9U)，用于与有齿滚柱的齿啮合

这一机壳(9B)包括：3个气缸(9L)，12条有齿轨道(9U)，6个通孔(10C)，3个孔(10D)。每条有齿轨道有1个承载面(10B)、许多齿(10E)排成行。

例B需要2个机壳(9B)。

图11：例B的动力凸轮(9C)。符号的意义列于表11。

表11

设计动力凸轮(9C)的曲线轨道(11B)，基于活塞顶运动曲线(图1中的1H)。当动力凸轮(9C)转动时，活塞(9D)将按活塞顶运动曲线(1H)作往复运动，并不断重复。活塞(9D)的轮子在轨道(11B)上滚动。轨道是对称的，相应于活塞成对运动，抵消振动。

例B需要1个动力凸轮(9C)。

图12:例B的活塞(9D)。符号的意义列于表12。

表12

符号	意义
		9D	活塞
9H	大轮
		9V	有齿轨道
12A	小轮
		12B	轴承，属于轮子，圆锥滚子轴承
12C	承载面，属于活塞的有齿轨道(9V)
		12D	齿，排成行，属于活塞的有齿轨道(9V)
12E	承载面，大轮(9H)的
		12F	承载面，小轮(12A)的

这个活塞有1个大轮(9H)，1个小轮(12A)，4条有齿轨道(9V)。每个轮子(9H或12A)有圆锥滚子轴承(12B)。每一条有齿轨道(9V)有1个承载面(12C)、许多齿(12D)排成行，有齿滚柱排(9E或9F)在此滚动。

例B需要3对活塞(9D)。

图13：例B的有齿滚柱排A(9E)，有齿滚柱排B(9F)，有齿滚柱(13A)。符号的意义列于表13。

表13

每一条有齿滚柱排A(9E)包含1个滚柱支撑架A(13B)和许多有齿滚柱(13A)。每一条有齿滚柱排B(9F)包含1个滚柱支撑架B(13C)和许多有齿滚柱(13A)。每一有齿滚柱(13A)有1承载面(13E)和许多齿(13D)。

例B需要12条有齿滚柱排A(9E)和12条有齿滚柱排B(9F)。

图14：周引擎例C，在图14～16，是周引擎与多级压气涡轮、做功涡轮匹配工作。或说，例C展示周引擎作为燃气轮机的燃烧器工作，并有多余功输出。

下述的数学表达式中符号的意义列于表14。图14～16中符号的意义列于表14.1。

数学表达式中各符号的意义 表14

图14显示pV图。它既适合周引擎，也适合周引擎与多级压气涡轮、做功涡轮匹配的工作。

图14～16中符号的意义

表14.1

基本假设：工质气体是空气，是理想气体，绝热指数1.4；参数p,T,V,F的初值列于表14；压缩比20；最高燃烧温度2500K。

自然，F与V成正比。

基于以上假设，绘出pV图，显示在图14，是比例图

吸气冲程的参数在点14I，排气冲程参数在点14J。

在本pV图中，在燃烧时段(14B)的吸收热量1.4796*V1(MJ)，总做功1.1006*V1(MJ)，理论热效率74％。本pV图显示，其压缩比同于柴油机，燃烧过程同于汽油机，膨胀冲程同于燃气轮机具有充分膨胀。

点14E、14F、14H是周引擎与多级压气涡轮、做功涡轮的参数连接点。

图15：例C，周引擎(15G)与多级压气涡轮(15B)、做功涡轮(15C)匹配工作。数学表达式中符号的意义列于表14。图中符号的意义列于表14.1。

在本图中，有2根动力输出轴，一根是周引擎的(15F)，另一根是做功涡轮的(15D)。换句话说，周引擎(15G)作为燃气轮机的燃烧器，但还有另外、巨大的动力输出。周引擎的气流特性是关键，见图16。

为了降低污染，废气催化净化器(15E)设置在周引擎(15G)和做功涡轮(15C)，以满足其工作温度的要求。

图16：例C，周引擎(15G)的活塞顶运动曲线(1H)。数学表达式中符号的意义列于表14。图中符号的意义列于表14.1。

本周引擎(15G)有5对活塞，吸气冲程和排气冲程各占四分之一周期(C/4)。这意味着每一对活塞的吸气冲程与相邻活塞对有部分重叠，排气冲程也是这样。我们作下列推导：

(a)活塞顶运动曲线的吸气冲程(1O)段可以再分成3段，s1(t),s(t),s2(t)，每一段占据不同的时间区间。其函数如式(1)：

当这一对活塞工作在s1(t)且t∈[0,0.05*C]时，前一对活塞则工作在s2(t)且t∈[0.20*C,0.25*C]，它们的相位差0.2*C。所以，进气道的总体积流率F(t)：

当这一对活塞工作在s(t)且t∈[0.05*C,0.2*C]时，它独自吸气，进气道的总体积流率F(t)：

当这一对活塞工作在s2(t)且t∈[0.2*C,0.25*C]时，下一对活塞工作在s1(t),它们重叠吸气，相位差0.2*C。或者说，以下一对活塞为观察点，F(t)重复式(2)的过程。那么，我们随着动力凸轮的转动不断的移动观察点到下一对活塞，F(t)就不断的交替重复式(2)和式(3)的过程……。这样，随着动力凸轮的转动，式(2)和式(3)的过程不断交替和重复，F(t)始终为164.80/C*A，为一常量，无脉动。所以，本周引擎(15G)进气总流的体积流率是恒定的、无脉动，适合于与多级压气涡轮配合工作。这个进气总流与常规四冲程发动机的有很大的不同。

我们还发现，活塞按式(1)运动，其位置连续、速度连续、加速度的绝对值最小。论证过程在此略去。

(b)活塞顶运动曲线的排气冲程(1S)段可以再分成3段，e1(t),e(t),e2(t)，每一段占据不同的时间区间。其函数如式(4)：

仿照上述进气总流的分析过程，我们可以得出结论：本周引擎(15G)的排气总流是恒定的、无脉动。推导过程在此略去。

我们还可发现，活塞按式(4)运动，其位置连续、速度连续、加速度绝对值最小。论证过程在此略去。

所以，本周引擎(15G)的排气总流适合于驱动做功涡轮，与常规四冲程发动机有很大不同。

基于上述款(a)和款(b)，周引擎将是一款很好的燃气轮机燃烧器；并且，其增加的动力输出(15F)甚至大于原燃气轮机。

注意，函数s1(t),s(t),s2(t),e1(t),e(t),e2(t)，都是精确函数。

(c)周引擎只需要很小的吸气冲程容积(14E)V＝0.1*V1(常规V＝V1)。这样，我们可以缩小整个发动机体积。

(d)注意图14和图15中的14H，本周引擎(15G)在其废气中预留了很大的机械功，以驱动做功涡轮(15C)。第一、预留的机械功将被做功涡轮充分利用，没有浪费。第二、减小所需的周引擎气缸工作容积到V＝0.3013*V1(在点14H,常规V＝V1)，这是工作循环中最大的工作容积。所以，在此，周引擎的气缸工作容积被减小到常规发动机的0.3013倍。

选择点14H的参数，我们必须考虑到废气的催化净化(图15中的15E)、做功涡轮(15C)的耐高温特性、功率匹配、等等。如果我们选择点14F的参数(图14中p＝2.863,V＝0.1899*V1,T＝1466)替代点14H的，周引擎的体积更小，但做功涡轮必须承受1466K的高温。把点14H、14F的参数与AGT-1500涡轴发动机的涡轮进口参数相比较，明显前者较好。

常规情况下，为了提高燃气轮机的热效率，我们努力提高压缩比和/或燃气温度。提高燃气温度是非常困难的。在此，周引擎作为燃烧器，我们恰当的选择其排气温度以适应燃气轮机。由于气缸的限制高温远高于做功涡轮，我们利用周引擎的气缸承受燃气的高温，以提高整机的热效率。

(e)款(c)和款(d)中显示本周引擎只需要更小的工作容积。这意味着，不但本发动机的体积更小，而且额定转速也能相应的提高。这进一步提高整机的功率密度。

(f)为了便于分析，本例选用等容燃烧，在图14和图16的点14B。周引擎可以选择多种燃烧状态，如等容燃烧、等温燃烧、等压燃烧、或前三种的混合燃烧状态。如果我们控制燃烧过程在可以承受的高压和高温边界上进行，则得到高的热效率。周引擎可以最好地达成这一目的。

(g)为了便于分析，本例在多级压气涡轮(15B在图15)中选择绝热压缩(图14中14G)。按常规，如果我们在多级压气涡轮(15B)中恰当选择级间冷却，将获得更高的热效率。

图17：动力凸轮机构总图。其中另包括5张图，图18～22。图中符号的意义列于表18。

图18：动力凸轮机构(18A)。符号的意义列于表18。

图18～22符号的意义

表18

动力凸轮机构(18A)包括：1个动力凸轮(3B)，1个随动件(18C)，1个机壳(18D)，4条有齿滚柱排(18E)。动力凸轮(3B)有3条轨道，1根轴(18B)。随动件(18C)有3个轮子(19A,19F)，4条有齿轨道(18I)。机壳(18D)是静止的，有4条有齿轨道(18J)。每一条有齿滚柱排(18E)有许多有齿滚柱(20F,21F)并被约束和同步。

有2种式样的有齿滚柱排和相应的有齿轨道，分别展示在图20和图21。使用时，最好二者择一，不宜混合使用。

图19：A1—A1剖视图。图中符号的意义列于表18。

图20：包含B1—B1剖视、Detail F1(大样F1)、20F(有齿滚柱及剖视)、D1–D1剖视，显示具有一个齿环的有齿滚柱和相应的有齿轨道。图中符号的意义列于表18。本图不宜与图21混合使用。

本图的有齿滚柱排(18E)是1个滚柱保持架(20E)约束和同步多个有齿滚柱(20F)；本图的有齿滚柱(20F)有1个承载面(20H)、有许多齿(20G)围成1个环。相应地，随动件的有齿轨道(18I)有1个承载面(20B)、许多齿(20A)排成一行；机壳的有齿轨道(18J)有1个承载面(20D)、许多齿(20C)排成一行。当它们工作时，同步的有齿滚柱(20F)，在随动件的有齿轨道(18I)与机壳的有齿轨道(18J)间滚动，正压力由承载面(20H,20B,20D)的互相接触来承载，并啮合(20I,20J)它们的齿(20G,20A,20C)，以确保有齿滚柱(20F)总是在恰当的位置、不滑动。

图21：包含B1—B1剖视、Detail F1(大样F1)、21F(有齿滚柱及剖视)、E1–E1剖视，显示具有两个齿环的有齿滚柱和相应的有齿轨道。图中符号的意义列于表18。本图不宜与图20混合使用。

本图的有齿滚柱排(18E)是被随动件的有齿轨道(18I)和机壳的有齿轨道(18J)约束和同步的多个有齿滚柱(21F)；本图的有齿滚柱(21F)有1个承载面(21H)、有许多齿(21G)围成2个环。相应地，随动件的有齿轨道(18I)有1个承载面(21B)、许多齿(21A)排成两行；机壳的有齿轨道(18J)有1个承载面(21D)、许多齿(21C)排成两行。当它们工作时，同步的有齿滚柱(21F)，在随动件的有齿轨道(18I)与机壳的有齿轨道(18J)间滚动，正压力由承载面(21H,21B,21D)的互相接触来承载，并啮合(21I,21J)它们的齿(21G,21A,21C)，以确保有齿滚柱(21F)总是在恰当的位置、不滑动。

图22：C1–C1剖视图。图中符号的意义列于表18。

本图和图19显示随动件(18C)的轮子(19A,19F)、动力凸轮(3B)的轨道(18G)。随动件(18C)的轮A(19A)有1个承载面(19B)、有许多齿(19C)形成的齿圈，随动件(18C)的轮B(19F)有1个承载面(19G)、有许多齿(19H)形成的齿圈。相应地，动力凸轮(3B)的每条轨道(18G)有1个承载面(19J)和许多齿(19K)。当它们工作时，由它们的承载面(19B,19G,19J)的互相接触承载正压力，啮合(19M,19N)它们的齿(19C,19H,19K)以避免速度变化时轮子(19A,19F)滑转。轮子(19A,19F)总是周期性的变化速度。

图23：摘要附图。本图由图16精简而来，符号的意义见表14和表14.1。

Claims (19)

1.周引擎是一种发动机，它是一款内燃机，也是一款燃气轮机的燃烧器。其组成部分有：2个机壳，多个气缸，多个活塞，多条有齿滚柱排，1个动力凸轮，一组缸头、气门及控制机构、燃料供给系统、点火系统等。

2.权利要求1所述的周引擎，其特征为：

(a)其工作循环经历五个过程，吸气冲程、压缩冲程、燃烧时段、膨胀冲程、排气冲程，完成一次热力学循环，动力凸轮转一圈或半圈。

(b)权利要求1所述的活塞，活塞沿活塞顶运动曲线(1H)运动，这条曲线在设计时可以被任意分段，每段可被任意调整，每个工作过程可以有任意不同的时间长短，每个冲程有不同的行程。

3.权利要求1所述的机壳，其特征是：有或能够安装多个权利要求1所述的气缸；有多条有齿轨道；有轴孔以安装和转动权利要求1所述的动力凸轮；有安装用孔。

4.权利要求1所述的活塞，其特征是：有轮子，有多条有齿轨道

5.权利要求1所述的气缸和活塞，其特征是：气缸成对设置，并在同一轴线上，在气缸对中的两个活塞，精确反向运动，以消除振动。

6.权利要求1所述的有齿滚柱排，其特征是：约束和同步多个有齿滚柱(图13中13A)。

7.权利要求1所述的动力凸轮，其特征是：其轨道按权利要求2(b)所述的活塞顶运动曲线设计和制造。

8.权利要求1所述的动力凸轮和活塞，其特征是：一个动力凸轮和多个活塞互相驱动。

9.权利要求6所述的多个有齿滚柱，在权利要求3所述的机壳的有齿轨道和权利要求4所述的活塞的有齿轨道之间滚动，并与2有齿轨道的齿啮合。

10.权利要求1所述的动力凸轮、机壳、活塞、多条有齿滚柱排，组成了动力凸轮机构。动力凸轮机构是常规凸轮机构的改进，包括：动力凸轮、机壳、随动件、多条有齿滚柱排。

11.权利要求10所述的随动件，其特征包括：轮子、多条有齿轨道。

12.权利要求10所述的机壳，其特征是：有多条有齿轨道。

13.权利要求10所述的有齿滚柱排，其特征是：多个有齿滚柱(图20中20F，图21中21F)被约束和强制同步。

14.权利要求10所述的动力凸轮，其特征是：有轨道。

15.权利要求11和权利要求12所述的有齿轨道(18I,18J)，其特征是：有承载面、多个齿。

16.权利要求13所述的有齿滚柱，其特征是：有承载面和多个齿。

17.权利要求13所述的同步的有齿滚柱，在权利要求11所述的随动件的有齿轨道和权利要求12所述的机壳的有齿轨道之间滚动，以它们的承载面互相接触承受正压力，并啮合它们的齿。

18.权利要求11所述的轮子，有齿，相应地，权利要求14所述的动力凸轮的轨道也有齿。

19.权利要求15所述的有齿轨道的齿，权利要求16所述的有齿滚柱的齿，权利要求18所述的轮子的齿，权利要求18所述的动力凸轮轨道的齿，均是渐开线齿廓。