WO2009030147A1

WO2009030147A1 - Moteur électromécanique combiné

Info

Publication number: WO2009030147A1
Application number: PCT/CN2008/072147
Authority: WO
Inventors: Zheng Yu
Original assignee: Zheng Yu
Priority date: 2007-08-28
Filing date: 2008-08-26
Publication date: 2009-03-12
Also published as: CN101117915A

Description

组合机电发动机技术领域

本发明涉及动力机械，尤其是组合机电发动机。

背景技术

本发明是针对中国发明专利申请 CN1831312A组合机电发动机的技术改进。

在中国发明专利申请 CN1831312A中公开了一种组合机电发动机，组合机电发动机是由 6 个系统组成： 1、冲压内燃机； 2、容积式往复压缩机和泵； 3、燃气轮发电机； 4、能量回收装置； 5、冷却、润滑、消声辅助设备； 6、计算机自动控制系统。上述 1〜5个系统应用中国发明专利 ZL96117438. 2, 往复运动与旋转运动齿轮式互换机构。将它们有机地组合起来，然后通过计算机，定压、定容、配气、配油，对各个系统进行综合监视，测算、调节和控制，使其形成以下 3个循环系统。

1、机械循环：通过往复运动与旋转运动齿轮式互换机构，将机组的各个系统有机的组合起来，使机组内的功率由往复运动变旋转运动或由旋转运动变往复运动，传动机构简单，自身能耗极低。

2、压力和热力循环：又分为两个循环系统，即由涡轮压气机和容积式往复压缩机和泵组成的气体和燃料梯级增压系统，可将压缩空气和燃料的压力提高到 60kg * f / cm²直至 150kg - f / cm²以上，为冲压内燃机的气缸冲气、配比燃料，在提高气体压缩比的同时，按各类燃料的性质，寻求最佳的当量配比燃料，以求节约能源；由冲压内燃机的气缸和燃气轮发电机组成的压力和热力梯级利用系统，可从多个热源取热，扩大能源范围，使用生物能源和氢能源；将高压高温燃烧与低压低温燃烧结合起来，使油、气充分燃烧，充分膨胀作功，清除污染物，建立起零污染排放系统；这个循环又分为气缸工作循环和透平机工作循环，气缸燃烧、膨胀、作功后排出的高温废气，在透平机中再利用；冲压内燃机的气缸改成双向作功，气缸的容积，活塞的压力、行程和速度，按照进气的压力，使用燃料的性质，燃烧示功图和充分利用热效率的要求进行设计，活塞一个往复有 2个作功行程和 2个排气行程，作功行程又由冲气行程和燃烧膨胀作功行程组成，燃烧膨胀作功行程，应使油气混合良好，稀薄、快速，充分燃烧，提高热效率，它是将化学能转化为机械能，充分利用热效率的行程，必须科学地提高活塞的压力、行程和速度，以求最佳利用热效率；透平机的工作循环必须合理的加长，有效地提高通流的面积、密度、压力、温度和速度，采用回热利用等装置，将热力和压力转化为机械力或电力，力求接近于全能利用热效率。

3、能量再利用循环，在动力学上作用力和反作用力，动力和阻力，运动和制动，速度和惯性都是矛盾运动，能量回收装置就是利用它们的矛盾，将一部分功率回收再利用，例如汽车、火车、飞机遇到空气的阻力，可以吸进一部份气体作功，以降低阻力；又如汽车、火车有众多的动轮，在轮毂上增加内啮的齿圈或摩擦圈，当车轮产生比较大的惯性力，或下坡须要减速刹车时，将一种发电机或气压、液压的回收装置啮上，从惯性力和刹车回力中，回收电力或气压力、液压力；电力可以储存在蓄电池备用，气压力、液压力可以增加动力的功能。能量回收装置在动轮比较多的运输机械中效果较好，而且行驶速度愈高，效果愈好。这一循环是有条件的安装使用。

上述 6个系统和 3个循环，可以根据各种工况的需要，对各系统的组合进行科学的调整，使其组成多种形式的组合机电发动机。例如公开的实施例：

A、应用于电站、舰船电站和火车内燃电力机车的组合机电发动机，由涡轮压气机、容积式往复压缩机和泵组成的气体梯级增压和燃料雾化与喷射系统和由冲压内燃机、燃气轮发电机组成的压力和热力梯级利用系统，由这两个系统组成基本工作循环；火车内燃电力机车增加能量再利用循环系统。

B、应用于汽车、拖拉机、坦克、矿山工程机械的组合机电发动机，由容积式往复压缩机和泵组成气体梯级增压和燃料雾化与喷射系统，由冲压内燃机、透平发电机组成的压力和热力梯级利用系统，由这两个系统组成基本工作循环；汽车增加能量再利用循环系统。

C、应用于航空的组合机电发动机，由涡轮吸气机、容积式往复压缩机和泵组成的气体梯级增压和燃料雾化与喷射系统，由冲压内燃机和涡轮喷气机组成的推力系统，由这两个系统组成基本工作循环。

以上各种形式的组合机电发动机均力求提高能源转化为能量的效率和能量转化为功率的效率，并力求优化各个系统的参数和各个系统的匹配。

但是，按照以上的技术方案设计制造的组合机电发动机，必然会遇到下列的技术问题：

1、由于气缸的进气压力和配比的燃料超常的增加，所产生的压力和热力效应，需要开发出超超耐高温耐高压性能优良的材料制成的零部件。

2、由于气缸的进气压力和配比的燃料超常的增加，在其燃烧过程中必须控制和克服回火、早燃和爆震的现象，因为这些现象的严重性会影响机组的安全运行。

3、由于压缩气体充量与燃料配量的超常增加，必须建立一套高效、节能、减排为核心的自动控制系统。

4、创造上述条件，能够实现由使用碳氢能源向无碳的氢能源过渡，无论是使用何种能源，组合机电发动机均能成为高效益、高效率、低能耗、低污染以至零污染的机电一体化的发动机。发明内容

本发明的目的是为了解决上述的技术问题，改进和完善组合机电发动机而提出的技术方案：

一种组合机电发动机，包括冲压式内燃机气缸 (Al、 Bl、 Cl、 Dl)，容积式往复压缩机气缸 (A2、 B2、 C2、 D2)，往复运动与旋转运动齿轮式互换机构（3)，燃气轮发电机 (4)的涡轮压气机 (5)，燃烧室 (6)，透平机 (7)，发电机 (8)，冷却、润滑、消声装置（10)和计算机自动控制系统（11) ; 往复运动与旋转运动齿轮式互换机构（3)，涡轮压气机 (5)、容积式往复压缩机气缸 (A2、 B2、 C2、 D2)组成压缩气体梯级增压和燃料雾化与喷射系统供给压缩气体和燃料给冲压式内燃机气缸 (Al、 Bl、 Cl、 D1) ; 冲压式内燃机气缸 (Al、 Bl、 Cl、 Dl)，透平机（7)、发电机 (8)组成能量梯级利用系统，由这两个系统组成基本的工作循环，其特征在于： 1、往复运动与旋转运动齿轮式互换机构（3)由两个几何尺寸相同的圆弧齿轮（19、 20)和两个几何尺寸相同的半周圆弧齿轮 (21、 22)与两个几何尺寸相同的全周齿轮 (23、 24)组成；两个圆弧齿轮 (19、 20)同轴结合，分别与两个半周圆弧齿轮 (21、 22)交替啮合构成 360° 的旋转运动，即圆弧齿轮（19)啮上半周圆弧齿轮 (21)时，圆弧齿轮 (20)即脱开半周圆弧齿轮 (22)，当圆弧齿轮 (20)啮上半周圆弧齿轮 (22)时，圆弧齿轮（19)即脱开半周圆弧齿轮 (21) ; 半周圆弧齿轮 (21) 与全周齿轮 (23)通过 A轴（25)结合，半周圆弧齿轮 (22)与全周齿轮 (24)通过 B轴（26)结合，圆弧齿轮（19、 20)通过 C轴（27)结合， A轴（25) B轴（26)两轴心的直线构成三角形的底边，与 C轴 (27)的轴心构成等腰三角形，等腰三角形的两边线为理论啮合线，实际啮合线接近理论啮合线；半周圆弧齿轮 (21、 22)保留轮齿的分度圆积等于往复行程；轴（25、 26、 27)通过轴承（30) 组装在箱体 (31)上；冲压式内燃机主轴的往复运动从与圆弧齿轮（19)同轴安装的变矩齿轮 (28) 输入，从与全周齿轮 (24)同轴安装的变速齿轮 (29)输出旋转运动，或者从变速齿轮 (29)输入旋转运动，从变矩齿轮 (28)输出往复运动； 2、冲压式内燃机气缸 (Al、 Bl、 Cl、 Dl)、燃烧室 (6)、透平机 (7)、涡轮喷气机（123)、燃烧室（131)的材料在工作状态下能够承受的温度范围是 1500°C— 2600°C，能够承受的压力压力范围是 10. 5MPa- - 21. 5MPa; 3、在控制燃料箱（A15、 B15)和压缩气体控制缸 (A14、 B14)和冲压式内燃机气缸（Al、 Bl、 Cl、 Dl ) 上分别安装有计算机自动控制系统（11)微处理器控制单元 (77)控制的冷却和换热装置（12、 13)； 4、在冲压式内燃机气缸 (Al、 Bl、 Cl、 Dl)上安装有冲气阀门 (83)和压缩气体冲量计量器（85)，冲气阀门（83) 的冲气阀控制开关（84) 和压缩气体冲量计量器（85 ) 与计算机自动控制系统（11) 的微处理器控制单元 (77)电连接，在冲压式内燃机气缸 (Al、 Bl、 Cl、 Dl)上安装有与计算机自动控制系统（11)微处理器控制单元 (77)电连接的燃料喷射配量计量器（76) 和电磁阀喷油器（16)。本发明主要通过以下方式改进组合机电发动机，以得到更优的效果。

1、改进往复运动与旋转运动齿轮式互换机构，将原来的介圆弧半周齿轮与对应的半周圆弧齿轮的对应啮合改成两个圆弧齿轮与对应的两个半周圆弧齿轮交替啮合，使其啮合能够进行微调，使机构变得更加灵活。

2、随气缸进气压力和配比燃料的逐步增加，为适应压力和热力效应的需要，开发出超超耐高温、耐高压性能优良的材料制成的零部件：

A、将气缸进气压力提高到 60kg * f / cm²左右，燃料使用清洁汽油、柴油或添加生物质燃料或使用其它的清洁的液化石油气、液化天然气、二甲醚等燃料，开发应用于汽车、拖拉机、矿山工程机械、坦克的组合机电发动机，需要开发超耐高温 1500°C、耐高压 10. 5Mpa以上的性能优良的零部件，这个层次的材料通过开发钛钒基合金 (钛的熔点 1675°C，钒的熔点 1890 ± 10 °C)，纳米陶瓷涂料及工程陶瓷能够得到解决。

B、将气缸进气压力提高到90〜120kg · f/_Cm²，使用汽油、柴油、氢气作燃料，开发应用于舰船、电站、火车内燃电力机车的组合机电发动机，需要开发超超耐高温 2100°C、耐高压 16. 5Mpa以上的性能优良的零部件。这个层次的材料通过开发钼铼基合金 (钼的熔点 2610°C，铼的熔点 3180°C)，钼纤维复合材料，钼纤维复合铬镁合金，及陶瓷 /陶瓷复合材料能够得到解决。

C、将气缸进气压力提高到 150kg * f / cm², 使用氢燃料，或完全配比使用氢、氧燃料，开发应用于航空航天的组合机电发动机，同时提高各种发动机的品质；这个层次必须开发超超耐高温 2600°C，耐高压 21. 5Mpa以上的性能优良的零部件，这个层次的材料通过开发钨纤维复合材料 (钨的熔点 3410 ± 20°C)、碳 /碳纤维复合材料、碳化钨、碳化钽 (钽的熔点 2996°C，而碳化钽的熔点高达 3880°C)、碳化铌 (铌的熔点 2468 ± 10°C)合金能够解决。只要这个层次的材料开发好，能直接配比氢氧作燃料，无论使用碳氢燃料或氢燃料，均能达到高效、节能、减排的目的。

3、由于气缸的进气压力和配比燃料超常的增加，在其燃烧过程中必须控制和克服回火、早燃和爆震的现象。引起爆震的原因： A、燃料的成份，如汽油的辛烷值，决定其抗爆性能； B、压缩气体的压力和温度，如汽油 90#〜98#限定压缩比 8. 0〜10. 5； C、燃料的温度和浓度；随着进气压力的超常提高，靠调整汽油的辛烷值来控制爆震已不可能；因此，控制爆震的措施只能依靠控制压缩气体的温度，燃料的温度和浓度，气缸的温度来实现。

A、增加压缩气体的湿度，向从空气滤清器吸入的空气喷雾，给压缩空气增加湿度，以利于提高增压效率，控制压缩气体温度和提高热效率；

B、控制压缩气体控制缸的压缩气体温度，使其温度保持在所使用的燃料的燃点温度以下。 C、控制燃料箱里燃料的温度，将燃料温度控制在其燃点温度以下，并在燃料雾化和喷射过程中使其温度保持在着火点温度以下，避免回火和爆震的产生。

D、控制冲压式内燃机气缸喷射燃料前的温度，从进气的压力和使用燃料的性质测定能够避免爆震的则将气缸喷射前的温度保持在着火点温度以上，使其压缩气体充量与燃料当量混合后的混合气能够自燃；从进气的压力和所使用燃料的性质测定可能发生爆震的则将气缸喷射燃料前的温度保持在着火点温度以下，冲入压缩气体和配入燃料当量后的混合气，需要使用点火装置点火燃烧，可以避免回火、早燃和爆震的产生。

E、对燃料箱、压缩气体控制缸以及冲压式内燃机气缸周围设置冷却和换热装置；使用清洁汽油、柴油时可使用水冷和气冷技术装置，使用液氢、液氧时则需要建立液氨、液氦的冷却和换热技术装置及其自动控制系统，确保安全运行。

4、由于压缩气体和燃料配量超常的增加，必须建立以高效、节能、减排为核心的计算机自动控制系统。气缸内的燃烧膨胀有三个基本要素：一是空气的压缩比 (含氧量）；二是燃料的热值与浓度；三是燃烧的时间与空间；这三个基本要素的科学结合能达到氧气与燃料的恰当配比，稀薄、快速、充分燃烧，有充足的燃烧时间与空间，烧掉有害的气体，并使能量得到充分的利用，就能够达到高效、节能、减排的目的。

A、按照上述的要求，建立以高效、节能、减排为核心的检测、调节、监控的计算机自动控制系统，准确的控制每一个工作循环冲入气缸的压缩气体充量 Gs与每一个工作循环喷入气缸的燃料当量 Gi的比例，提高 A / F值，科学配比，达到稀薄、快速、充分燃烧的要求。

B、提高 S / D值，使燃烧膨胀作功有充足的时间和空间，若与现有技术相比，冲压式内燃机气缸比 4冲程内燃机的气缸燃烧时间延长 2倍，比 2冲程延长 1倍， S值提高 1倍以上，这就创造了充足的燃烧、膨胀、作功的时间和空间，通过燃烧过程中的化学反应，烧烬 C0、 HC、 NO 等有害气体，清除污染物；实现高效、节能、减排的目的。

C、采取环状射流、旋转射流等技术，增大气缸内混合气的流动速度，有助于烧掉污染物，稳定燃烧火焰，避免和降低高温火焰区 NOx的生成。

在汽油和柴油中添加氢气燃烧是降低污染的有力措施，由于氢气火焰传播的速度快，能在非常稀薄的混合气中燃烧，添加 20 %左右的氢气，能降低 NOx排放 40 % ; 在高压缩比的空气中配比使用氢燃料，则仅生成少量的 NOx; 如完全配比使用氢氧燃烧，则生成汽水、洁净无污染。

5、具备上述条件的组合机电发动机，除使用清洁的汽油、柴油作燃料，还可使用液化石油气、液化天然气作燃料；由于气缸温度的提高，可以使用生物质能源；由于压缩比 2倍、 3 倍的提高，一航氧气同比增加，可以使用氢作燃料；组合机电发动机的气缸可以按充气量、燃料配量、燃烧示功图及最佳利用压力和热力效率的要求进行设计，能够克服氢燃料体积能量密度低的缺点，而发挥氢的质量能量密度高，火焰传播的速度快，能在稀薄的混合气中燃烧的优点，发挥压力和热力效应，进一步提高热力效率和功率效率。

目前，使用氢作燃料，必须克服储存和携带这两个技术障碍。因为氢的体积质量密度小，体积大，携带不便，如采用压缩氢携带，压力为 20Mpa时， 16. 2L压缩氢的热量，只相当于 1L 汽油的热量，使用氢气燃料箱的容积要比汽油箱大 16. 2倍，不可取；如采用液态氢，在 20 °C 时密度约 0. 0708g / cm³，其体积约是汽油的 3倍，由于其热值是汽油的 2. 7倍，与汽油相当；但是液态氢需要深冷技术制备氢，需要性能良好的液氢容器和性能要求很高的液氢泵，储氢容器还要克服氢脆问题；目前，氢化物储氢携带，能够将氢的体积缩小到千分之一以下；碳纳米管储氢携带，单壁碳纳米管可以吸附 5 %— 10 %的氢气，多壁碳纳米管、碱金属嵌入碳纳米管储氢性能更好，很有希望为发动机携带氢燃料创造条件。至于应用于电站、舰船电站的组合机电发动机，可以采取从大气中压缩氧气，从氢化物中提取氢气配比燃烧；也可以直接从水中分离出氢气配比燃烧的途径解决；这一途径只要努力降低分离氢的成本，使其低于汽油或柴油的成本，就能为使用氢燃料铺平道路。

本发明改进后的组合机电发动机，全面的提高和完善组合机电发动机的结构和功能。本发明的组合机电发动机具有下列的效果：

1、提高压力、热力效应和功率效率。气体梯级增压系统，能将压缩气体的压力从现有技术的 30kg · f I cm²左右提高到 60〜90〜120〜150kg · f I cm , 为冲压式内燃机冲气，按照压缩气体的充气量配比燃料，达到稀薄快速充分燃烧，为高效、节能、降污创造条件；能量梯级利用系统，能够充分利用压力效应和热力效应，提高了活塞的平均压力和平均速度，按功率公式：平均压力 P X平均速度 =输出功率 W，从活塞导出的功率随进气压力提高。虽然冲压式内燃机拖动压缩机要耗去产生功率的 2 / 5〜3 / 5，但是，由于提高的压力效应和热力效应，输出功率仍成倍以至几倍的提高。

利用冲压式内燃机气缸排出废气在涡轮发电机中再利用，输出的功率是净功率，因为它无需加热量。将废气经再热利用的燃气轮发电机，二次燃烧加热需要的加热量，是净化燃烧剂，目的是清除污染物，建立零污染排放系统，加热量很低，热效率很高。按照简单的燃气轮机理想循环热效率公式计算：

W_{s 1} 1

£k

燃气轮机的理想循环热效率，比功^，加热量增压比 £。热效率 ^4逭增压比 £ 的提高而增加， K值随温度 T值增加，因加热量，很低，热效率很高；冲压式内燃机的最佳利用加燃气轮机二次燃烧的循环利用，使热效率达到接近于全能利用。所以，输出净功率较现有内燃机成倍以至几倍的提高是有保证的。

使用氢作燃料，能够进一步提高热力效应和功率效率。因为组合机电发动机能够克服氢的密度小、体积大的缺点，而充分发挥氢燃料的优点：氢的低热值 (MJ * kg ¹)是汽油的 2. 69 倍，是柴油的 2. 82倍；火焰传播的速度比汽油快 7〜8倍，着火界限宽，空燃比 246 : 1，为其理论空燃比的 7倍；能够在非常稀薄的混合气中着火燃烧；自燃点高，抗爆性强，可以增加气体压缩比；点火能量低，能被高温炽热点点燃；氢的燃烧火焰辐射相对微弱；特别是氢链的支化 (活化)是以 3的级数增加，需氧量是碳的 3倍，而温度越高链的支化反应速度越快；加上冲压式内燃机气缸冲压提高进气压力和直喷配比燃料的特点，使用氢燃料的热力效应和压力效应潜力巨大。

2、降低能源消耗。组合机电发动机开创利用空压机增压，并对压缩气体的压力、湿度、温度、充气量实现全面控制，使压缩气体充量较现有技术 2〜5倍的提高，按压缩气体充量配比燃料，以达到稀薄、快速、充分燃烧，有利于充分释放燃料的发热量，有利于提高热力和压力效率，降低能源消耗 30 %左右。

尤其使用氢燃料，既能提高压缩比，又能提高 A / F值，使用汽油的压缩比限定在 8〜 10. 5 (90#〜98#汽油）之间，使用氢气的压缩比能够提高到 14以上；使用汽油的 A / F值为 14. 7 : 1，使用氢气能够提高到 34 : 1以上；氢气具有火焰传播速度快 (氢 3. lm 's—¹ ,汽油 1. 2m 's—¹)，着火界限宽（4. 5 %〜74. 2 %)，氢在气缸内燃烧的浓限和稀限两侧较汽油相应值宽，可在过量空气系数 0. 15〜9. 6范围内正常燃烧，真正达到稀薄、快速、充分燃烧，从而提高热力和压力效率，降低氢燃料消耗。

3、建立以高效、节能、减排为核心的计算机自动控制系统。开创对充气量、燃料当量的配比，燃烧膨胀作功过程及能量的充分利用过程实行全面的控制，真正达到高效、节能、减排的目的；能够提高 A / F值，按空气压缩比充量科学的配比燃料，提高 S / D值，扩大燃烧空间，延长燃烧时间；增大燃烧气流速度，有条件的添加净化燃烧剂；能够创造条件在燃烧的过程中，通过化学反应烧烬 C0、 HC、 HO等有害气体，并通过循环利用和过滤排放，建立起零污染排放系统。

4、实现碳氢能源向氢能源过渡，能够产生无可估量的经济效益，社会效益和环境效益。迄今为止，最好的内燃机的热效率只达到 40〜50 %，最好的燃气轮机热效率只达到 50〜

60 % , 其余的热力都排放到大气中，能源浪费很大，对大气的污染严重。组合机电发动机组合了涡轮压气机、容积式往复压缩机、泵、冲压式内燃机、燃气轮发电机、涡轮喷气机的优点，将其工作循环组成气体梯级增压和燃料雾化与喷射系统和能量梯级利用系统，通过循环将热效率提高到 90以上，能源消耗降低 30 %左右，并建立起零污染排放系统，较现有内燃机功率效率成倍以至几倍的增加；这是动力机的一次革命性的发展。

鉴于人类对碳氢能源的依赖程度，本发明的组合机电发动机，立足于碳氢能源提高效率，降低能耗、降低污染；并创造条件向氢能源过渡，氢能源是不含碳的能源，氢的来源很广，能从植物、矿物、有机液体中提取，氢可以水作原料，特别是海水，取之不尽，用之不竭；氢氧配比燃烧生成的物质是汽水，洁净无污染；能够迅速形成良性循环，消除危害人体健康的有害排放，控制地球的温室效应；改变能源结构，有助于社会经济获得可持续发展的动力。组合机电发动机，无论是使用碳氢能源或氢能源，均能成为高效率、高效益、低能耗、低污染以至于零污染的机电一体化的高度自动化的发动机；经济、社会、环境效益无可估量。

附图说明

图 1、描述本发明组合机电发动机改进技术要点的示意图。

图 2、描述改进后的往复运动与旋转运动齿轮式互换机构的示意图。

图 3、描述超耐高温耐高压性能优良的材料制成的零部件开发方案的示意图。

图 4、描述气缸超常的提高进气压力和配比燃料后，控制和克服回火、早燃、爆震的技术措施的示意图。

图 5、描述提高进气充量和燃料配量后，建立以高效、节能、减排为核心的自动控制系统的示意图。

图 6、描述组合机电发动机引领使用新能源及使用氢作燃料的功能的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图 1、描述本发明组合机电发动机改进技术的要点，组合机电发动机由冲压式内燃机 (Al、 Bl、 Cl、 D1)缸，容积式往复压缩机 (A2、 B2、 C2、 D2)缸，往复运动与旋转运动齿轮式互换机构 (3)，燃气轮发电机 (4)的涡轮压气机 (5)、燃烧室 (6)、透平机 (7)、发电机 (8)，能量回收装置 (9)，冷却、润滑、消声装置（10)，计算机自动控制系统（11)组成；通过往复运动与旋转运动齿轮式互换机构（3)，将涡轮压气机（5)、容积式往复压缩机 (A2、 B2、 C2、 D2)缸组成压缩气体梯级增压和燃料雾化与喷射系统，将冲压式内燃机 (Al、 Bl、 Cl、 D1)缸、透平机 (7)、发电机 (8)组成能量梯级利用系统，由这两个系统组成的基本工作循环，辅以能量回收装置 (9)，冷却、润滑、消声装置（10)、计算机自动控制系统（11)，并按工况的需要组成多种形式的组合机电发动机；其改进技术的要点： 1、改进往复运动与旋转运动齿轮式互换机构，使其变得更加灵活； 2、按照逐步提高进气压力，配比使用燃料的性质及燃烧示功图和充分利用热力和压力效率的要求，开发冲压式内燃机气缸 (Al、 Bl、 Cl、 Dl)、燃烧室 (6)、透平机 (7)、涡轮喷气机（123)、燃烧室（131)，使用的超超耐高温（1500 〜2600 °0、耐高压（10. 5〜 21. 5MPa)及可靠性优良的材料制成的零部件； 3、控制和克服回火、早燃、爆震的措施，通过冷却和换热装置（12、 13)与计算机自动控制系统（11)，控制压缩气体控制缸 (A14、 B14)缸内气体的压力、湿度和温度，在冲入气缸前的温度保持在所使用燃料的着火点温度以下；控制燃料箱 (A15、 B15)箱内燃料的温度，使燃料在喷入气缸前的温度保持在着火点温度以下；控制冲压式内燃机气缸 (Al、 Bl、 Cl、 D1)在喷入燃料前的温度保持在所使用燃料的着火点温度以下；以克服回火、早燃、爆震的现象； 4、建立以高效、节能、减排为核心的计算机自动控制系统（11)，准确的控制每一个工作循环冲入气缸的压缩气体充量 Gs与每一个工作循环喷入气缸的燃料当量 Gi的比例，科学的提高 A / F值（17)， S / D值（18)，延长燃烧的时间 (m— ¹ / s) 2 倍以上，提高 S值 1倍以上，扩大燃烧的空间，增大气缸内混合气旋流速度，达到稀薄、快速、充分燃烧，通过燃烧中的化学作用，烧烬 C0、 HC、 NO等有害气体，清除污染物，建立高效、节能、降污以至零污染的动力系统； 5、具备上述条件的组合机电发动机，冲压式内燃机气缸 (Al、 Bl、 Cl、 D1)使用氢作燃料，将燃料箱 (A15)改作液氢储箱，建立氢燃料供给系统，冲压式内燃机的气缸能够克服氢燃料体积能量低的缺点，发挥氢的质量能量高的优点，应用于航空航天的燃氢的组合机电发动机，能够充分发挥氢氧燃烧的压力和热力效应，降低能源消耗和对大气的污染，提高热力和功率效率。

图 2、描述改进后的往复运动与旋转运动齿轮式互换机构（3)，该机构由两个几何尺寸相同的圆弧齿轮（19、 20)和两个几何尺寸相同的半周圆弧齿轮 (21、 22)与两个几何尺寸相同的全周齿轮 (23、 24)组成；两个几何尺寸相同的圆弧齿轮（19、 20)同轴结合，分别与两个几何尺寸相同的半周圆弧齿轮 (21、 22)交替啮合，即圆弧齿轮（19)啮上半周圆弧齿轮 (21)时，圆弧齿轮 (20)即脱开半周圆弧齿轮 (22)，反之，当圆弧齿轮 (20)啮上半周圆弧齿轮 (22)时，圆弧齿轮（19)即脱开半周圆弧齿轮 (21)，圆弧齿轮（19、 20)和半周圆弧齿轮 (21、 22)的交替啮合，构成 360 ° 的旋转运动；半周圆弧齿轮 (21、 22)分别与两个几何尺寸相同的全周齿轮 (23、 24)同轴结合；半周圆弧齿轮 (21)与全周齿轮（23)通过 A轴（25)结合，半周圆弧齿轮 (22)与全周齿轮（24)通过 B轴（26)结合，圆弧齿轮（19、 20)通过 C轴（27)结合， A轴（25) B轴（26)两轴心的直线构成三角形的底边，与 C轴 (27)的轴心构成等腰三角形，等腰三角形的两边线为理论啮合线，实际啮合线力求接近理论啮合线；半周圆弧齿轮 (21、 22)保留轮齿的分度圆积等于往复行程，往复行程还可通过在 C轴（27)上结合变矩齿轮 (28)延长或缩短往复行程；在 A轴（25) 或 B轴 (26)上结合变速齿轮 (29)，能够增速减矩或减速增矩；大型的互换机构可将半周圆弧齿轮 (21、 22)改成半周圆弧滚柱轮 (21、 22)，使其与圆弧齿轮（19、 20)啮上或脱开时滚柱产生自转，产生分力，降低反转时的惯性力；轴 (25、 26、 27)通过轴承 (30)组装在箱体 (31)上；从变矩齿轮 (28)输入往复运动，从变速齿轮 (29)输出旋转运动，反之，从变速齿轮 (29)输入旋转运动，则从变矩齿轮 (28)输出往复运动；如此构成往复变旋转、旋转变往复运动的互换机构，使机构变得更加灵活。

图 3、描述开发超超耐高温（1500°C〜260(TC)、耐高压（10. 5〜21. 5MPa)及可靠性优良的材料制成的零部件，组合机电发动机材料功能的选择具有三个特性，一是耐高温（°C =K)的功能；二是耐高压（lMPa=10. 1791kg * f/cm²)的功能；三是可靠性 (包括抗拉屈服强度、拉伸延伸率、疲劳蠕变强度)功能；图中所示是寻找具备这些功能的材料的解决途径： A、将气缸的进气压力提高到 60kg * f / cm², 燃料使用清洁汽油、柴油或添加生物质燃料，或使用液化石油气、液化天然气等碳氢能源，冲压式内燃机 (1)、燃烧室 (6)、透平机 (7)，需要开发耐高温 1500°C、耐高压 10. 5MPa以上及可靠性优良的零部件，这个层次的材料通过开发工程陶瓷、纳米陶瓷涂料 (35)，钛钒基合金、晶体定向合金 (36)能够解决； B、将气缸的进气压力提高到 90〜 120kg - f/cm², 使用碳氢燃料，配比使用氢燃料，冲压式内燃机（1)、燃烧室 (6)、透平机 (7) 需要开发耐高温 2100°C、耐高压 16. 5MPa及可靠性优良的零部件，这个层次的材料通过开发钼、铼基合金、钼纤维强化铬镁合金 (37)，钼纤维复合材料、碳纤维复合材料、陶瓷 /陶瓷复合材料 (38)能够解决； C、将气缸的进气压力提高到 150kg * /cm² , 配比氢作燃料，或直接配比氢、氧作燃料，需要开发耐高温 2600°C，耐高压 21. 5MPa及可靠性优良的冲压式内燃机气缸（1)、燃烧室（6)、涡轮喷气机（123)、燃烧室（131)的零部件，耐高温 2100°C、耐高压 16. 5MPa及可靠性优良的透平机 (7)的零部件，这个层次的材料通过开发 C / C碳纤维复合材料，钨纤维复合材料、碳纤维与钨纤维强化工程陶瓷 (39)，碳化钨、碳化钽、碳化铌合金 (40)等材料解决，这个层次的材料解决好了，可以充分发挥氢作燃料的优点，并确保安全运行。

选用这么多的稀有金属材料，目的是要保持耐高温、耐高压及可靠性、持久性强度，同时要作比较成本，特别是工艺性成本；尽可能选择通用的标准型材，以求得到成本比较低的材料制成的零部件；使用液氢、液氧作燃料，还要使用超低温材料 (41)，这个层次的材料开发已经比较成熟。

图 4、描述气缸超常的提高进气压力和配比燃料后，控制和克服回火、早燃、爆震的技术措施： A、增加压缩空气的湿度，容积式往复压缩机 (2)涡轮压气机 (5)在空气滤清器的室内，安装喷头 (42)，如图 4的 A图所示，喷头 (42)向吸入的空气喷雾加湿，喷头 (42)在喷出雾点前形成涡流 (43)，喷出喷嘴后形成雾点（44)，雾点与吸入的空气撞击破碎形成更加细小的雾点，直径不超过 5〜60微米，增加空气湿度而不形成水点，以利提高压缩空气的压缩效率，控制压缩空气的温度和提高混合气的燃烧热效率。 B、控制压缩气体温度，如图 4的图 C所示，压缩气体控制缸 (A14、 B14)缸内的压缩气体温度控制在所使用燃料的燃点温度 (56)以下，在喷入气缸时接近于着火点温度（57)，压缩气体控制缸 (A14、 B14)缸由内缸体 (46)、外缸体，（47)、中间冷却循环管路 (48)、压力表 (49)、温度与湿度表 (52)、进气阀（50)、排气阀（51)构成； C、控制燃料的温度。将燃料箱 (A15、 B15)里的燃料温度控制在所使用燃料的燃点温度 (56)以下，在雾化和喷射过程中使其接近于着火点温度 (57) ; D、控制冲压式内燃机气缸 (Al、 Bl、 Cl、 Dl)内的温度。如图 4的 B图所示，分两种状况，当其测定的混合气无爆震现象时，将冲压式内燃机气缸 (Al、 Bl、 Cl、 Dl)内喷入燃料前的温度保持在着火点温度 (57)以上，使气缸内的混合气能够自燃；当其测定混合气要产生爆震现象时，则将冲压式内燃机气缸 (Al、 Bl、 Cl、 Dl) 内喷入燃料前的温度保持在着火点温度 (57)以下，使气缸内的混合气需要通过点火装置 (55) 点火燃烧；这样控制压缩气体的温度，燃料的温度，冲压式内燃机气缸的温度，同时通过计算机自动控制系统（11)控制喷入气缸的燃料浓度，能够克服回火、早燃和爆震现象的产生； D、为了控制压缩气体的温度、燃料的温度和气缸的温度，应建立吸收式制冷循环与复叠式制冷循环相结合的冷却和换热系统，如图 4的 D图所示，冲压式内燃机气缸 (Al、 Bl、 Cl、 Dl)内的工作温度在 1500〜2600°C之间，透平机（7)的工作温度在 2100〜500°C之间，压缩气体控制缸 (A14、 B14)和燃料箱 (A15、 B15)则视所使用燃料燃点温度 (56)、着火点温度 (57)的不同进行不同温度的控制；吸入式的制冷循环由冲压式内燃机气缸 (Al、 Bl、 Cl、 Dl)的冷却循环管路 (59)的制冷剂发生器 (58)加热，作为发生器 (58)的驱动热源，发生器 (58)通过溶液节流阀（59) 节流，蒸发的工质经冷凝器 (60)、节流阀 (61)、蒸发器 (62)的制冷量提供吸收器 (63)低温冷量，吸收器 (63)与压缩气体控制缸 (A14、 B14)的制冷循环管路 (48)连接，为其提供制冷温度，制冷剂经溶液泵 (64)回到发生器 (58) ; 复叠式制冷循环由发电机 (8)为压缩机 (65、 66)提供电力，制冷剂在 B回路 (68)中经冷凝器 (69)、节流阀（70)、冷凝蒸发器 (73)造成 A回路 (67)中制冷剂的冷凝，在 A回路中（67)中制冷剂经冷凝蒸发器 (73)、节流阀 (72)、蒸发器 (71)回到压缩机 (65)，蒸发器 (71)产生更低的制冷温度，蒸发器 (71)与燃料箱 (A15、 B15)的冷却循环管路连接为其提供冷源；透平机 (7)按同样机理建立吸收式制冷循环；并根据工况的需要选择好制冷剂、吸收剂及扩散剂；这样的系统利用高温工作的制冷源为低一级的工作温度制冷提供驱动热源，利用热源的循环，以节约能源；能够满足大、中、小机型的制冷要求，满足普通制冷、低温制冷和超低温制冷的需要。

图 5、描述气缸超常的提高充气量和燃料配量后，必须建立高效、节能、减排为核心的计算机自动控制系统（11)，对每一个工作循环冲入气缸的充气量定压、定湿、定温、定量与每一个工作循环按照充气量和燃料的热值配入定量、定压、定温的燃料，科学配比，并对燃烧膨胀作功和充分利用压力和热力效应的过程实现全面的监测、调节和控制： A、创造稀薄、快速、充分燃烧的条件，如图 5的 A图所示：压缩气体冲气与燃料喷射系统，由燃料箱 (A15、 B15)、电动油泵 (74)、滤清器 (75)、燃料喷射配量计量器 (76)、微处理器控制单元 (77)、点火线圈（78)、高压分电器 (79)、火花塞 (80)、燃料温度控制器 (81)、电磁阀喷油器（16)、压缩气体控制缸 (A14、 B14)、冲气阀门（83)、冲气阀开关 (84)、压缩气体冲量计量器 (85)、电位计和压缩气体温度传感器 (86)、氧气传感器 (87)、气缸温度传感器 (88)、旋转式怠速传感器 (89)、主轴转速传感器 (90)、蓄电池组 (91)、点火启动开关 (92)、压缩气体调节器 (93)构成；通过压缩气体冲量计量器 (85)、电位计和压缩气体温度传感器 (86)、氧气传感器 (87)、气缸温度传感器 (88)、使压缩气体冲量达到四定：定压、定湿、定温、定量；通过燃料喷射配量计量器 (76)、燃料温度控制器 (81)、电磁阀喷油器（16)、旋转式怠速传感器 (89)、主轴转速传感器 (90)，使燃料配量达到四定：即按照压缩气体充量和燃料的热值配比燃料当量、定量、定压、定温给每一个工作循环喷射最佳燃料当量，提高 A / F值（17)，科学配比，达到稀薄、快速、充分燃烧，为节能、减排创造了条件； B、创造充分燃烧、膨胀、作功的时间和空间，如图 5的 B图所示，以柴油机增压燃烧的示功图进行分析，随着气缸进气压力提高，气缸的 S / D值也在跟着提高，现有技术气缸活塞行程 S值到达 E点 60 ° (94)废气即排出缸外，进气压力提高到 60kg · f/cm²时， S值 E点可延至 120 ° (95)废气才排出气缸，并排入透平发电机的透平机中再利用；进气压力提高到 90〜120〜150kg · f/cm²时， S值 E点还可以继续延长，提高 S / D值（18)， E点的延伸， S值提高 1倍以上，由于冲压式内燃机气缸只有冲气和燃烧膨胀作功行程，燃烧时间 (m— s)延长 1倍以上，提供充分的燃烧、膨胀、作功的时间和空间，因此，冲压式内燃机气缸产生的压力效应和热力效率成倍以至几倍的增加，以柴油机为例：进气压力提高到 60kg · f/cm² (99)，活塞平均压力约 70kg · f/cm² (102) : 当进气压力提高到 90kg · f/cm² (100)，活塞平均压力约 100kg · f/cm² (103)；当进气压力提高到 150kg, · f/cm² (101)，活塞平均压力约 160kg · f/cm² (104) ; 即使活塞的速度保持在现有技术水平，活塞的平均压力 P X活塞的平均速度 =功率 W，从冲压式内燃机导出的功率成倍以至 3 倍 5倍的增加；即使冲压式内燃机拖动容积式往复压缩机要耗去 2 / 5〜3 / 5的功率，但是，冲压式内燃机气缸废气排出 E点时（95、 96、 97)，压力 P尚有 40〜50 %左右，热力 T尚有 60〜70 %左右，能在涡轮机中继续利用，通过再热利用、再压利用、循环利用，力求接近于全能利用；如果没有再热的加热量，则从透平机中导出的功率是净功率；从冲压式内燃机中导出的功率，加上从透平机中导出的功率，输出功率成倍以至 3倍 5倍的增加；燃料的热值与能量成正比，热值低于柴油的能量降低，热值高于柴油的，能量增高； C、采用旋转射流提高混合气的流动速度和燃烧速度，如图 5的 C图所示，电磁阀喷油器（16)喷入气缸时形成涡流（105)，进入气缸后与压缩气体混合形成环状旋转的流场速度（106)、轴向速度（107)、切向速度（108)、前滞点（109)、后滞点（110)，这种混合气旋状的流速能够强化燃烧速度，稳定火焰范围，提高燃烧效率，烧烬有害气体； D、充足的燃烧时间和空间，能够烧烬有害气体，如图 5的 D图所示，现在内燃机燃烧过程中有害气体生成的机理，当混合比稀薄（111)，燃烧温度在 700°C左右时， CO浓度（112)在缸内烧烬， HC浓度（113)燃气在 E点排出时烧去 2 / 3， NOx浓度（114)居高不下，若将熄火时间（116)从 17. 5 ° 延至 22 ° ，则 NOx浓度（114)烧去 2 / 3，按此机理，冲压式内燃机气缸提高 A / F值，混合比（111)坚持稀薄，提高 S / D值， S值提高 1倍以上，延长熄火时间（116)、燃烧时间 (m— s)延长 1倍以上，提高流场速度（106)，提供充足的燃烧时间和空间，能够烧烬一氧化碳 (CO)、碳氢化物 (HC)，氮氧化物 (NOx)烧掉 2 / 3以上，二氧化碳 (C0₂)极低，经过净化和过滤，建立零污染排放系统；使用氢燃料是降污的有力措施，由于氢气具有火焰传播速度快，着火界限宽的特点，能够实现混合气稀薄、快速、充分燃烧；如在汽油、柴油中适当渗入氢气燃烧，由于氢气在燃烧过程中的链式反应产生大量的活化中心，有利于 C0、 HC、 NO成分在缸内充分地进行化学反应，贝 ljC0、 HC可以烧烬， N0可以烧掉 2 / 3以上；如使用液氢与压缩气体配比燃烧，则仅生成少量的 NOx; 如使用液氢与液氧配比燃烧，则生成的物质是汽水，洁净无污染。

图 6、描述组合机电发动机引领使用新能源和以氢作燃料的功能，组合机电发动机具备附图 3所述的开发出超超耐高温耐高压性能优良的材料制成的零部件；附图 4所述的超常的提高进气压力和配比燃料后，能够控制和克服回火、早燃和爆震的现象；附图 5所述的超常的提高进气充量和燃料配量以后，能够建立高效、节能、减排为核心的计算机自动控制系统；具备上述条件能够使用新能源，除使用汽油、柴油作燃料，还能够使用液化石油气、液化天然气、二甲醚作燃料，使用生物质能源作燃料，使用氢作燃料；冲压式内燃机（1)的气缸是按照充气量、燃料配量及燃烧示功图，最佳利用压力和热力效率的要求进行设计的，能够克服氢燃料体积能量低的缺点，而发挥质量能量高，燃烧速度快，能在稀薄的混合气中燃烧的优点，提高热力和压力效应；使用氢作燃料的发动机其工作循环如图 6的 A图所示，由涡轮压气机 (5)、容积式往复压缩机 (A2、 B2、 C2、 D2)缸和（E2、 F2、 G2、 H2)缸组成三级压缩气体梯级增压系统，能够将压缩空气的压力提高到90〜120kg · f/_Cm，为冲压式内燃机气缸 (Al、 Bl、 Cl、 Dl) 冲气，按充气量配比氢作燃料，达到稀薄快速充分燃烧，充分发挥氢氧配比燃烧的热力和压力效应；冲压式内燃机气缸 (Al、 Bl、 Cl、 Dl)和透平机 (7)、发电机 (8)组成热力和压力的梯级利用系统，冲压式内燃机气缸 (Al、 Bl、 Cl、 Dl)约利用压力的 60〜70 %、热力的 30〜40 %，透平机 (7)约利用压力的 30〜40 %、热力的 60〜70 %，透平机 (7)按充分利用的要求，采用多级利用，再热利用、再压利用、回热利用，在循环利用中，力求接近于热力和压力的全能利用；组合机电发动机使用氢作燃料，必须在图 5的图 A所描述的建立高效、节能、减排为核心的计算机自动控制系统（11)的基础上，建立氢燃料供给系统，由液氢储箱 (82)、氢传感器 (117)、调压阀（118)、液氢泵（119)、计量喷射器（120)、温度调节器（121)、真空绝热输送管 (122)构成；液氢储箱 (82)的压力约 20MPa，喷射前要通过调压阀（118)调整压力，通过温度调节器（121)增温或降温，要有质量优良的液氢泵（119)，通过计量喷射器（120)按压缩气体充量通过计量喷入氢燃料当量；大中型组合机电氢发动机，应直接建立从氢化物中取氢，从大气中压缩氧气配比燃烧，或从水中直接裂化氢气、氧气，可按化学式配比燃烧，达到高效、节能、降污的目的。

图 6的 B图所示，是应用于航空航天的的组合机电发动机能够充分发挥燃氢的压力和热力效应；燃氢的组合机电发动机其工作循环由涡轮吸气机 (5)、容积式往复压缩机 (A2、 B2、 C2、 D2)缸和 (E2、 F2、 G2、 H2)缸三级组成的压缩气体梯级增压系统，从大气中吸入空气将气体加压到 90〜120kg · f / cm²，压入压缩气体控制缸 (A14、 B14) , 为冲压式内燃机气缸（Al、 Bl、 Cl、 D1)冲入压缩气体；由冲压式内燃机（1)、燃烧室 (6)、涡轮喷气机（123)、燃烧室（131) 组成三级燃烧膨胀的推进系统；这三级燃烧膨胀的推进系统是按照航空器在大气中飞行的速度（飞行马赫数）与气流流入函道（135)的速度 (气流马赫数）的比值依次启动，当航空器起飞时，启动冲压式内燃机气缸 (A1、B1、C1、D1)燃烧膨胀作功，驱动主动轴（124)带动从动轴（125) 驱动涡轮吸气机 (5)、从进气口（126)吸入空气，通过气门（127)调节压入容积式往复压缩机 (A2、 B2、 C2、 D2)缸的气体，经加压后压入 (E2、 F2、 G2、 H2)缸经加压后压入压缩气体控制缸 (A14、 B14) ; 主动轴（124)经往复运动与旋转运动齿轮式互换机构（3)与涡轮喷气机（123) 合力，冲压式内燃机气缸^1、81、( 1、01)排出的废气驱动涡轮喷气机（123)排向喷气管（134)，与函道流过的气体汇合喷向大气取得推进力，推动航空器飞行；当航空器的速度大于 700〜 1000m I s，气流流入函道（135)的速度所产生的冲气压力（kg · f / cm²)大于压缩气体控制缸 (A14、 B14)的冲气压力时，启开函道上的气门（130)，将气流引入燃烧室 (6)、喷入燃料（129)、发动燃烧室 (6)的燃烧，燃烧室 (6)燃烧膨胀的气体，加速涡轮喷气机（123)，废气排向喷气管 (134)，增大喷气管（134)内的喷气压力；随后启动喷气管（134)顶部的燃烧室（131)的燃烧，将函道（135)上的气门（132)闭合，使进入函道（135)的气流全部流入喷气管（134)顶部的燃烧室（131)，从喷管（136)喷出氢气混合燃烧；氢气燃烧的特点是氢链的支化 (活化)是以 3的级数增长，而且支化的速度是温度的函数，由于从冲压式内燃机气缸 (Al、 Bl、 Cl、 D1)和燃烧室 (6)通过涡轮喷气机（123)喷出的废气温度已经很高，渗加新鲜空气，再喷氢燃烧膨胀，在高温下的氢气燃烧需要大量的氧气，按良性循环水一氢、氧燃烧一水的化学式配比燃烧，氢与氧的配比约 1 : 9，由函道冲入的高速气流提供了这样的氧气条件，使第三次氢氧混合高温高压燃烧膨胀，产生离子化效应，喷出的高压高温气流达 3000°C以上，能够产生强大的推进力，将航空器推上 5〜6马赫 (Ma)以上的速度；组合机电燃氢的发动机设氢燃料电池组供自身消耗的能源；能够适用于航天器的飞行，在对流层飞行时，依靠压缩气体和气流冲压气体中的氧气配氢燃料，在平流层飞行时依靠气流冲入的臭氧 (0₃)配氢燃烧膨胀取得推进力，当其进入电离层以上时，才依靠自身携带的氢氧燃烧推进，这样可以减轻大部份携带氧气的自重，提高航天器的性能。组合机电发动机应用于航空航天能够节约能源，降低污染，并引起飞行速度革命性的发展。

Claims

权利要求书

1.一种组合机电发动机，包括冲压式内燃机气缸 (Al、 Bl、 Cl、 Dl)，容积式往复压缩机气缸 (A2、 B2、 C2、 D2)，往复运动与旋转运动齿轮式互换机构（3)，燃气轮发电机 (4)的涡轮压气机 (5)，燃烧室 (6)，透平机 (7)，发电机 (8)，冷却、润滑、消声装置（10)和计算机自动控制系统（11) ; 往复运动与旋转运动齿轮式互换机构（3)，涡轮压气机 (5)、容积式往复压缩机气缸 (A2、 B2、 C2、 D2)组成压缩气体梯级增压和燃料雾化与喷射系统供给压缩气体和燃料给冲压式内燃机气缸 (Al、 Bl、 Cl、 D1) ; 冲压式内燃机气缸 (Al、 Bl、 Cl、 Dl)，透平机（7)、发电机 (8)组成能量梯级利用系统，由这两个系统组成基本的工作循环，其特征在于： 1、往复运动与旋转运动齿轮式互换机构（3)由两个几何尺寸相同的圆弧齿轮（19、 20)和两个几何尺寸相同的半周圆弧齿轮 (21、 22)与两个几何尺寸相同的全周齿轮 (23、 24)组成；两个圆弧齿轮（19、 20)同轴结合，分别与两个半周圆弧齿轮 (21、 22)交替啮合构成 360° 的旋转运动，即圆弧齿轮（19)啮上半周圆弧齿轮 (21)时，圆弧齿轮 (20)即脱开半周圆弧齿轮 (22)，当圆弧齿轮 (20)啮上半周圆弧齿轮 (22)时，圆弧齿轮（19)即脱开半周圆弧齿轮 (21)；半周圆弧齿轮 (21) 与全周齿轮 (23)通过 A轴（25)结合，半周圆弧齿轮 (22)与全周齿轮 (24)通过 B轴（26)结合，圆弧齿轮（19、 20)通过 C轴（27)结合， A轴（25) B轴（26)两轴心的直线构成三角形的底边，与 C轴 (27)的轴心构成等腰三角形，等腰三角形的两边线为理论啮合线，实际啮合线接近理论啮合线；半周圆弧齿轮 (21、 22)保留轮齿的分度圆积等于往复行程；轴（25、 26、 27)通过轴承（30) 组装在箱体 (31)上；冲压式内燃机主轴的往复运动从与圆弧齿轮（19)同轴安装的变矩齿轮 (28) 输入，从与全周齿轮 (24)同轴安装的变速齿轮 (29)输出旋转运动，或者从变速齿轮 (29)输入旋转运动，从变矩齿轮 (28)输出往复运动； 2、冲压式内燃机气缸 (Al、 Bl、 Cl、 Dl)、燃烧室 (6)、透平机 (7)、涡轮喷气机（123)、燃烧室（131)的材料在工作状态下能够承受的温度范围是 1500°C— 2600°C，能够承受的压力压力范围是 10. 5MPa- - 21. 5MPa; 3、在控制燃料箱（A15、 B15)和压缩气体控制缸 (A14、 B14)和冲压式内燃机气缸（Al、 Bl、 Cl、 Dl ) 上分别安装有计算机自动控制系统（11)微处理器控制单元 (77)控制的冷却和换热装置（12、 13)； 4、在冲压式内燃机气缸 (Al、 Bl、 Cl、 Dl)上安装有冲气阀门 (83)和压缩气体冲量计量器（85)，冲气阀门（83) 的冲气阀控制开关（84) 和压缩气体冲量计量器（85 ) 与计算机自动控制系统（11) 的微处理器控制单元 (77)电连接，在冲压式内燃机气缸 (Al、 Bl、 Cl、 Dl)上安装有与计算机自动控制系统（11)微处理器控制单元 (77)电连接的燃料喷射配量计量器（76) 和电磁阀喷油器（16)。

2.根据权利要求 1所述组合机电发动机，其特征在于，冲压式内燃机气缸（1)、燃烧室 (6)、透平机 (7)、涡轮喷气机（123)、燃烧室（131)使用的材料是陶瓷复合材料，纳米陶瓷涂料 (35)，钛钒基合金、晶体定向合金 (36)中的一种或几种。

3.根据权利要求 1所述组合机电发动机，其特征在于，冲压式内燃机气缸（1)、燃烧室 (6)、透平机 (7) 、涡轮喷气机（123)、燃烧室（131)使用的材料是钼、铼基合金、钼纤维强化铬镁合金 (37)，钼纤维复合材料、碳纤维复合材料、强化工程陶瓷材料 (38)中的一种或几种。

4.根据权利要求 1所述组合机电发动机，其特征在于，冲压式内燃机气缸（1)、燃烧室 (6)、透平机 (7) 、涡轮喷气机（123)、燃烧室（131)使用的材料是 C / C碳纤维复合材料，钨纤维复合材料、碳纤维与钨纤维强化工程陶瓷材料 (39)，碳化钨、碳化钽、碳化铌合金 (40)中的一种或几种。

5.根据权利要求 1所述组合机电发动机，其特征在于，在容积式往复压缩机 (2)或涡轮压气机 (5)的空气滤清器室内还安装有喷头 (42)，喷头（42 )的喷孔直径使其喷出雾点直径范围在 5-60微米。

6.根据权利要求 1所述组合机电发动机，其特征在于，压缩气体冲气与燃料喷射系统还包括燃料箱 (A15、 B15)、电动油泵 (74)、滤清器 (75)、燃料喷射配量计量器 (76)、微处理器控制单元 (77)、点火线圈（78)、高压分电器 (79)、火花塞 (80)、燃料温度控制器 (81)、电磁阀喷油器（16)、压缩气体控制缸 (A14、 B14)、冲气阀门（83)、冲气阀开关 (84)、压缩气体冲量计量器 (85)、电位计和压缩气体温度传感器 (86)、氧气传感器 (87)、气缸温度传感器 (88)、旋转式怠速传感器 (89)、主轴转速传感器 (90)、蓄电池组 (91)、点火启动开关 (92)、压缩空气调节器 (93) ; 压缩气体冲量计量器 (85)、电位计和压缩气体温度传感器 (86)、氧气传感器 (87)、气缸温度传感器 (88)电连接至计算机自动控制系统（11) ; 燃料喷射配量计量器 (76)、燃料温度控制器 (81)、电磁阀喷油器（16)、旋转式怠速传感器 (89)、主轴转速传感器 (90)电连接至计算机自动控制系统（11)，电磁阀喷油器（16)的喷嘴使燃料喷入气缸时形成旋流 (105)。

7.根据权利要求 1所述组合机电发动机，其特征在于，其工作循环由涡轮压气机 (5)、容积式往复压缩机 (2)三级组成的压缩气体梯级增压系统，由冲压式内燃机 (1)、燃烧室 (6)、涡轮喷气机（123)、燃烧室（131)组成的三级燃烧膨胀的推进系统组成；冲压式内燃机气缸 (Al、 Bl、 Cl、 D1)驱动主动轴（124)带动从动轴（125)驱动涡轮压气机（5)，从进气口（126)吸入空气经过气门（127)进入容积式往复压缩机 (A2、 B2、 C2、 D2)缸，容积式往复压缩机 (A2、 B2、 C2、 D2)缸压缩后压入容积式往复压缩机（E2、 F2、 G2、 H2)缸，容积式往复压缩机（E2、 F2、 G2、 H2)缸的压缩气体出口连通至压缩气体控制缸 (A14、 B14) , 主动轴（124)经往复运动与旋转运动齿轮式互换机构（3)与涡轮喷气机（123)联动，冲压式内燃机气缸 (Al、 Bl、 Cl、 D1)排出的废气输出至涡轮喷气机（123)，涡轮喷气机（123)的输出口连通至喷气管（134) ; 当气流流入函道（135)的速度所产生的冲压力大于压缩气体控制缸的冲气压力时，启开函道上的气门（130)，连通燃烧室 (6)，燃烧室 (6)的燃气排向涡轮喷气机（123)，涡轮喷气机（123) 出口连通至排向喷气管（134) ; 在启动喷气管（134)顶部的燃烧室（131)的燃烧时，函道（135)上的气门（132) 闭合，函道（135)与喷气管（134)顶部的燃烧室（131)连通。

8.根据权利要求 1所述组合机电发动机，其特征在于，组合机电发动机的燃料供给系统包含顺序连接的液氢储箱 (82)、氢传感器（117)、调压阀（118)、液氢泵（119)、计量喷射器（120)、温度调节器（121)和真空绝热输送管（122)。