CN106536039B - 脉冲等离子体发动机和方法 - Google Patents
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Abstract
脉冲等离子体发动机和方法，其中，将不可燃气体引入爆燃室中，该气体在爆燃室中电离从而形成等离子体，对等离子体施加电脉冲以加热等离子体，关断脉冲以在等离子体中产生爆炸压力脉冲，等离子体被磁场约束在爆燃室中，该磁场将压力脉冲导向被压力脉冲驱动的输出件。
Description
技术领域
本发明总体涉及发动机，尤其涉及一种脉冲等离子体发动机和操作该脉冲等离子体发动机的方法。
背景技术
脉冲等离子体发动机是一种爆燃式内燃机，它在原理上与内燃机类似，不同的是它使用不可燃气体，例如空气、氧气、氮气或惰性气体，而不是在内燃机中使用的可燃气体。
美国专利7,076,950公开了一种爆燃式内燃机和发电机，该爆燃式内燃机和发电机具有：汽缸；将汽缸分为一对腔室的活塞，随着活塞在汽缸中往复运动，这对腔室的容积以相反的方式变化；密封在每个腔室中的不可燃气体的充电装置；用于以爆炸方式交替地点燃两个腔室中的不可燃气体以驱动活塞往复运动的装置；以及耦合至活塞以响应活塞的运动提供电能的装置。
在美国专利3,670,494和4,428,193中可找到爆燃式内燃机的其它例子。
发明内容
本发明的总体目的是提供一种改良的新型脉冲等离子体发动机和操作该脉冲等离子体发动机的方法。
本发明的另一个目的是提供一种具有上述特征的脉冲等离子体发动机和方法，该脉冲等离子体发动机和方法能够克服以前提供的发动机的局限和缺点。
本发明的这些目的和其它目的是通过提供一种脉冲等离子体发动机和方法实现的，在该脉冲等离子体发动机和方法中，将不可燃气体引入爆燃室中，该气体在爆燃室中电离从而形成等离子体，对等离子体施加电脉冲以加热等离子体，关断脉冲以在等离子体中产生爆炸压力脉冲，等离子体被磁场约束在爆燃室中，该磁场将压力脉冲导向被压力脉冲驱动的输出件。
附图说明
图1是结合有本发明的脉冲等离子体发动机的动力核心模块的一种实施方式的垂直截面图。
图2是沿图1中的2-2线剖切获得的横截面图与图1的实施方式中的对等离子体施加脉冲的电路的示意图的结合。
图3是示出图1的实施方式的操作的示意性局部垂直截面图。
图4是结合有本发明的涡轮发动机的一种实施方式的垂直截面图。
图5是结合有本发明的涡轮发动机的另一种实施方式的垂直截面图。
图6是结合有本发明的往复式活塞发动机的一种实施方式的垂直截面图。
具体实施方式
如图1和图2所示，动力核心具有：爆燃室11；一对电极12、13；阀门14，不可燃气体(例如空气)通过该阀门引入爆燃室中；用于在爆燃室中对气体进行电离以形成等离子体的装置16；用于向电极施加电脉冲以加热等离子体并产生爆炸压力脉冲的电路17；以及磁体18、19，该磁体用于在爆燃室中产生磁场以约束等离子体，并将压力脉冲导向位于爆燃室的端部的输出件，例如涡轮机叶轮或往复运动活塞(未示出)。
动力核心构造为大致为立方体或长方体的模块21的形式，该模块21具有中央主体部分22，在中央部分的相对侧具有端件23、24。轴向排列的孔26-28贯穿这三部分，以形成爆燃室，该爆燃室贯通上述端件。所述孔大致为圆形，并具有相等直径，爆燃室的侧壁大致为圆筒状。中央主体部分22由绝缘陶瓷材料(例如氧化硅陶瓷)制成，端件23、24由低热导率的不导电陶瓷材料制成。上述三个部分由穿过中央部分和端件中的安装孔29、30的螺栓(未示出)紧固在一起。
电极12、13安装在中央主体部分22中的竖直排列孔31、32中，电极的尖端探入爆燃室中，O型圈33、34提供电极与孔壁之间的密封。电极由耐高温的导电材料制成，例如钨或镀钍钨。
阀门14是安装在水平延伸横孔36中的单向止回阀，该水平延伸横孔36与爆燃室的孔相交并连通。上述阀门具有被阀座38环绕的入口37，带有可枢转地安装的阀门构件39，该阀门构件39在弹簧或其它适当装置(未示出)的作用下与阀座密封接合。上述阀门还具有与爆燃室直接连通的出口41，O型圈42提供阀体与孔壁之间的密封。此阀门允许空气和其它气体通过入口进入爆燃室，并防止这些气体从爆燃室逸出。
在所示的实施方式中，用于对气体进行电离以形成等离子体的装置16包括辐射电离装置，该辐射电离装置具有布置在筒44中的放射性材料源43，例如镅、铷或钍，筒44安装在中央本体部分22中的第二水平延伸横孔46中。此横孔与第一横孔对正，并且也与爆燃室中的孔相交。上述筒与放射性材料朝向爆燃室定向，O型圈47提供所述筒与孔壁之间的密封。可替代地，如果需要，也可通过其它适当的方法进行电离，例如高击穿电压或高频辐射。
点火电路17包括高能量脉冲源，该高能量脉冲源包括具有与电池51和电极12、13串联电连接的一次绕组49a的变压器49。上述绕组作为点火线圈，电容52跨电池连接，以加强施加到线圈的电流。上述一次绕组或线圈的一端直接连接至电极12，其另一端连接至电池的正极端子。负极端子通过通/断开关54和保险丝56连接至绝缘栅双极型晶体管(IGBT)53的发射极。IGBT的集电极连接至第二电极13，脉冲发生器57连接至栅极。
在电路中包括桥式整流器59，用于对电池51充电。在所示的实施方式中，变压器49是可调变压器，整流器的一个输入连接至二次绕组49b的一端，另一个输入连接至二次绕组的可变抽头61。整流器的一个输出连接至电池的正极端子，另一个输出连接至负极端子。
磁体18、19是稀土径向极化永久环形磁体，它们与爆燃室同轴地朝向爆燃室的相对端布置在沉孔63、64中。端件23、24具有轴向延伸的圆柱状法兰23a、24a，法兰23a、24a延伸到上述沉孔中，并被磁体围绕。端件为磁体提供热屏蔽层，并且还作为用于将模块安装到发动机的其余部分上的适配器，包括安装在常规内燃机的缸体上，而不是安装在缸盖上。端件可根据需要配置，以匹配不同的发动机。在图1和图2的实施方式中，具有圆锥状输出口23b、24b，输出口23b、24b与爆燃室连通并贯通端件的外面或安装面23c、24c，动力核心模块通过穿过安装孔29、30的螺栓(未示出)附接到发动机的其余部分上。
动力核心的操作和使用以及本发明的方法如下：空气通过止回阀14流入爆燃室11中，通/断开关54闭合，以接通点火电路，电池51的电荷在电容52上积聚。爆燃室中的空气被来自于源43的辐射电离，在电极12、13之间产生导电等离子体。由脉冲发生器57施加到IGBT53的栅极的脉冲使IGBT导通，并接通变压器绕组49、电池和电极之间的电路。这使得流过绕组的电流暴增，并产生施加到电极上的高能脉冲。流过电极之间的导电等离子体的电流将等离子体加热到极高温度，并且，只要每个脉冲仍存在，被加热的等离子体就保持在电极之间的缝隙中。当脉冲关断时，热量以爆炸性的方式从缝隙释出，产生高压冲击脉冲，可利用该高压冲击脉冲驱动输出件，例如涡轮或活塞。
如图3所示，磁体18被极化为其北极在环的内侧，南极在环的外侧，而磁体19被反向极化，其北极在环的外侧，南极在环的内侧。由磁体产生的磁场将等离子体66约束在爆燃室中，并将压力冲击脉冲沿轴向导向爆燃室的两端，如磁通线67所示。
电脉冲是持续时间很短并随时间快速升高的矩形脉冲，电极之间的等离子体的电导率极高，通常高于固体导体(例如金、银或铜)的电导率。因此，当向电极施加脉冲时，会立即形成电弧，并且等离子体的温度急剧升高。整个电弧内的温度基本上保持恒定，短时高温电弧在爆燃室中产生的压力基本上与较长持续时间的电弧产生的一样。
电脉冲优选具有短于一毫秒的宽度或持续时间，并以每秒500至1000次的频率发生，并且，根据所施加的功率或能量的级别，等离子体在数纳秒内可达到1000至100000℃左右的温度。当脉冲被关断时，电弧同样也在数纳秒或数微秒内熄灭。例如，在100千瓦电源和一毫秒脉冲宽度时，施加到电极上的能量在每毫秒100焦耳或每微秒0.1焦耳左右。
当电弧点燃时，等离子体的热量包含在电弧中。当电弧熄灭时，该热量以爆炸性的方式从弧隙释放，产生持续时间很短的冲击脉冲，例如数微秒持续时间。
流过变压器49的一次绕组以产生电弧的电流在二次绕组49b中感生相应的电流，该电流被整流器59整流，并施加到电池51上，以对电池充电。
图4示出了一种其中的动力核心21驱动一对涡轮机叶轮68、69的发动机。所示的发动机构造在平台或底座71上，动力核心安装在附接至底座的一对支撑块72上。涡轮机叶轮68、69附接至输出轴73、74，输出轴73、74在动力核心的相对端可转动地安装在附接至底座的支撑块76、77上。涡轮机叶轮被径向驱动，输出轴与膨胀室11的轴对正，但是垂直于该轴，叶轮的边缘部分收纳在端件23、24外面中的圆筒状凹入部78、79中。
在工作时，由动力核心产生的朝向轴向的压力脉冲径向冲击在涡轮机轮叶上，导致涡轮机叶轮和输出轴旋转，该脉冲以每秒500-1000次脉冲的频率提供。
图5示出了一种由动力核心驱动单个轴流涡轮机叶轮81的实施方式。所示的发动机也构造在平台或底座82上，动力核心安装在附接至底座的支撑块83上。涡轮机叶轮81附接至发电机84的输入轴84a，该发电机84在动力核心的一端安装在附接至底座的支撑块86上，轴84a与爆燃室11轴向对正。
此实施方式中的动力核心21与其它实施方式中的动力核心的不同之处在于，空气通过气隙88流入爆燃室，并且等离子体被与涡轮机叶轮相反的爆燃室一端处的永久磁体89约束。磁体安装在附接至底座82的支撑架91上，并与端件23的外面隔开，以形成气隙。隔圈92延伸在端件和磁体之间，当发动机点火时，隔圈92抵抗朝向它的压力脉冲力帮助支撑磁体。磁体从前向后极化，并且其北极朝外，其南极朝内，从而可与环形磁体18协作，以形成将等离子体约束在爆燃室中的磁场。
端件23中的入口23a的侧壁向外倾斜并且是圆滑的，以便空气在气隙和爆燃室之间流动。
在工作时，空气通过气隙自由流入爆燃室，但是一旦空气在爆燃室中被电离，由磁体89和环形磁体18产生的磁场就会约束等离子体，防止其通过气隙从爆燃室逸出。像其它实施方式中一样，由环形磁体18、19产生的磁场也约束等离子体，并沿轴向导引压力脉冲，以驱动涡轮机叶轮81和发电机84。
在图6的实施方式中，本发明的动力核心用在往复式活塞发动机中，在该往复式活塞发动机中，爆燃室11的一端被塞子93封闭，汽缸体94附接至位于爆燃室的另一端的端件24。动力核心模块和汽缸体由螺栓(未示出)紧固在一起，该螺栓穿过从端塞93和汽缸体94侧向延伸的安装凸台或凸耳93a、94a中的对正孔口96、97。
汽缸体中的汽缸98与爆燃室11轴向对正，并通过端件24中的出口24a与爆燃室直接连通。活塞99通过连杆101和曲柄销102连接至曲轴(未示出)，以在上下止点位置之间往复运动，环103、104提供活塞与汽缸的侧壁之间的压力密封。
布置有用于监测活塞在汽缸中的位置并控制电脉冲的装置，使得发动机仅在活塞处于其上止点位置处或上止点位置附近时或者仅在向下冲程时才点火。此装置包括安装在活塞的侧壁或裙部中的小磁体106、以及朝向汽缸的顶端安装在缸体的侧壁中的霍尔效应传感器107。该传感器连接至点火电路17，以控制向电极施加脉冲。
当活塞处于向下冲程时，空气通过单向阀14被吸入爆燃室11中，与图1、2和4中所示的实施方式一样。当活塞达到其上止点位置并且电极之间的空气被完全电离时，霍尔效应传感器将点火电路连接至电极，以产生电弧，并在等离子体中产生压力脉冲。
由于爆燃室的一端被塞子封闭，因此由爆炸等离子体产生的压力脉冲被全部导向活塞，以驱动活塞朝下止点运动。在活塞到达下止点之前，霍尔开关从电极断开点火电路，并使点火电路保持断开状态，直到活塞再次到达其上止点位置。
本发明具有多种重要特征和优点。本发明提供一种使用不可燃气体(例如空气、氧气、氮气或惰性气体)的高效发动机和方法。通过对气体进行电离而产生的等离子体具有极高的导电性，并且被在施加短时电脉冲时在电极之间产生的强烈电弧加热到极高温度。脉冲具有短于一毫秒的持续时间或宽度，并具有每秒500至1000次的发生频率，因而等离子体可在数纳秒内达到高达1000至100000℃的温度。只要电弧持续，等离子体的热量就被限制在电弧中，当电弧熄灭时，该热量爆炸性释放，产生强大的冲击脉冲，该冲击脉冲被捕获并用于驱动一个或多个输出件，例如涡轮或活塞。
通过利用磁约束来控制等离子体并将冲击脉冲导向输出件，能够显著提高发动机的效率。
模块化构造的动力核心可在各种发动机中使用，包括常规的内燃机，在常规的内燃机中，动力核心可安装在发动机缸体上，而不是安装在缸盖和燃料系统中。
从上文的说明能够明显看出，本发明提供了一种改良的新型脉冲等离子体发动机和方法。虽然在本文中仅详细说明了一些目前优选的实施方式，但是对于本领域技术人员来说显而易见的是，在不脱离由以下权利要求限定的本发明的范围的前提下，可做出某些变化和修改。
Claims (22)
1.一种脉冲等离子体发动机，包括：腔室；腔室内的一对电极；用于向腔室中引入不可燃气体的装置；用于对腔室内的气体进行电离以形成等离子体的装置；用于向电极施加高能电脉冲以产生电弧的装置，该电弧将电极之间的等离子体加热到高温，只要施加脉冲，加热的等离子体就包含在电极之间，并在电脉冲关断时加热的等离子体爆炸性地释放以在等离子体中形成爆炸性压力脉冲；以及用于在腔室内产生磁场以约束等离子体并将压力脉冲导向由压力脉冲驱动的输出件的装置。
2.如权利要求1所述的脉冲等离子体发动机，其中，所述腔室具有开口端，压力脉冲通过该开口端导向输出件。
3.如权利要求1所述的脉冲等离子体发动机，其中，所述腔室具有第一和第二开口端，压力脉冲通过相应的开口端导向第一和第二输出件。
4.如权利要求1所述的脉冲等离子体发动机，其中，所述输出件是涡轮机叶轮。
5.如权利要求1所述的脉冲等离子体发动机，其中，所述输出件是活塞。
6.如权利要求1所述的脉冲等离子体发动机，其中，所述电脉冲具有一毫秒或更短的宽度，并且每秒施加500-1000次。
7.如权利要求1所述的脉冲等离子体发动机，其中，所述的用于施加电脉冲的装置包括脉冲发生器、通过隔离变压器连接至电极的电源、以及由来自于脉冲发生器的脉冲所控制的开关。
8.如权利要求7所述的脉冲等离子体发动机，其中，所述电源包括电池、与电池并联电连接的电容、以及将变压器与电池互连从而通过来自于变压器的能量对电池充电的装置。
9.如权利要求1所述的脉冲等离子体发动机，其中，所述不可燃气体是空气。
10.一种脉冲等离子体发动机，包括：具有开口端和大致为圆筒状的侧壁的轴向延伸的爆燃室；爆燃室内的一对电极、用于向爆燃室中引入不可燃气体的装置；用于对气体进行电离以在爆燃室中形成等离子体的装置、用于向电极施加电脉冲从而在脉冲接通时加热等离子体并随着电脉冲关断产生爆炸压力脉冲的装置；以及与爆燃室同轴地布置在电极的相对侧的磁体，该磁体用于在爆燃室内产生轴向延伸的磁场，以约束等离子体，并将压力脉冲导向爆燃室的开口端。
11.如权利要求10所述的脉冲等离子体发动机，其中，所述的用于对气体进行电离的装置包括放射性电离装置。
12.如权利要求10所述的脉冲等离子体发动机，其中，所述磁体是永久环形磁体。
13.如权利要求10所述的脉冲等离子体发动机，其中，所述的用于向爆燃室中引入不可燃气体的装置包括与爆燃室连通的单向阀。
14.如权利要求10所述的脉冲等离子体发动机，其中，所述的用于向爆燃室内引入不可燃气体的装置包括：气隙，空气可通过该气隙进入爆燃室；以及用于防止等离子体通过气隙从爆燃室中逸出的磁约束装置。
15.如权利要求10所述的脉冲等离子体发动机，还包括：贯通爆燃室一侧的侧壁的不可燃气体孔口的入口，以及安装在贯通爆燃室另一侧的侧壁的隔室中的电离装置。
16.如权利要求10所述的脉冲等离子体发动机，还包括布置在爆燃室的一端、由压力脉冲驱动的涡轮机叶轮。
17.如权利要求10所述的脉冲等离子体发动机，还包括布置在爆燃室的一端、由压力脉冲驱动的活塞。
18.一种操作发动机以驱动输出件的方法，包括下列步骤：向与输出件连通的爆燃室中引入不可燃气体，对爆燃室中的气体进行电离以形成导电的等离子体，向爆燃室内的一对电极施加高能电脉冲以产生电弧，该电弧将电极之间的等离子体加热到高温，只要施加脉冲，热量就包含在电极之间，关断脉冲以熄灭电弧并从电极之间爆炸性地释放热量，从而在等离子体中产生爆炸压力脉冲，并将等离子体磁性地约束在爆燃室中并将压力脉冲导向输出件。
19.如权利要求18所述的方法，其中，所述不可燃气体是空气。
20.如权利要求18所述的方法，其中，所述电脉冲具有一毫秒或更短的宽度，并且每秒施加500-1000次。
21.如权利要求18所述的方法，其中，从电源通过隔离变压器和由脉冲发生器的脉冲控制的开关向等离子体施加电脉冲。
22.如权利要求21所述的方法，其中，所述电源包括电池，该电池由来自于变压器的能量充电。
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