陶瓷複式發動機的製作方法

2023-06-08 10:43:06 2

專利名稱：陶瓷複式發動機的製作方法
陶瓷複式發動機
拔術領域
本發明涉及內燃機，特別指旋轉活塞及渦輪發動機。
背景技術：
內燃機是靠壓縮工質，然後向工質加入熱量，利用工質受熱膨脹做功實現其燃料化學能 向機械能轉化的。工貭的壓縮方式不同，對環境產生的效果也就不同。渦輪機是利用葉輪機 械實現工質壓縮和做功的，工作時需要大量的工質氣休參加工作。做功後的燃氣仍具有較髙 的溫度，由於工質質量很大，隨尾氣排出的熱能也較大。活塞機依靠密閉容器容積變化來實 現工質壓縮和發出功率，參與工作的氣體質雖較少，因而尾氣排熱損失較小。然而，活塞機 的可變容積，是由闍定構件(魟體)和運動構件(活塞)之間的相對運動實現的。齒定構件 和運動構件之簡的相對運動又是由特定的約柬機構(如曲柄連杆機構、曲柄行星機構)管理 的。由於約束機構的存在，沒有證據證明，固定構件和運動構件之間沒有良好和有效的密封 而能,活塞機正常運轉。由於約束機構和工質壓力的作用，固定構件、運動構件和密封元 件三者之間存在著力的相互作用。受材料性能的限制，它們之間必須得到良好的潤滑和冷卻，
否鰣其密封元件會w磨損、摩擦和過熱變形而失效。w此，傳統的活塞發動機(無論是往復 機還是轉子機)必須設置潤滑系統和冷卻系統。潤滑系統的存在，無疑增加了能耗和排氣汙 染，冷卻系統辛勤工作的結果卻是白白耗散了熱能。傳統活審機在壓縮比設計時，汽油機要 防止提前壓燃和瀑簾，柴油機要考慮曲柄連杆機構的機械負荷強度，這些都使得傳統活塞機 壓縮比設計受到了一定的限制。由於它們的配氣是通過構件約束來實現的，有些約束構件既 是配氣部件，又是功率傳遞部件，考慮到使ffi功能和結構強度的共同要求，其實體體積和質 量都相對較人，形狀和結構較為複雜。
二十世紀六十年代出現的高溫結構陶瓷，具有良好的耐熱性，很高的硬度，極小的線脹 係數，優異的耐化學侵蝕性和抗變形能力，引起了人們的極大興趣，急切希望能在內燃機h 應用陶瓷材料以期大幅提高熱機效率。但是，高溫結構陶瓷有一個致命弱點就是它的脆性。 傳統活塞機的固定構件、運動構件和密封元件之間存在著力的作用和相對運動，工作時會產 生衝擊和振動。為了滿足工作炮理上的要求，這些構件形狀各異，受力複雜，製作工序繁多， 工藝難度較大。顯然，傳統的活塞機是不適合採用陶瓷作為其髙溫部件材料的。這也很好地 解釋了高溫結構陶瓷從出現至今還沒有在活塞機上成功地得到商業應用的根本原因。如何避 免由於陶瓷脆性所帶來的對其加工和使用上的限制，已經成為高溫結構陶瓷材料在內燃機上 應用成畋的關鍵。
雖然，往復式活塞發動機的性能正在日益提髙，但造價也丙此提髙了。而且由於閥門傳 動機構及活塞連杆裝置的往復質量產生的不可避免的慣性力限制，其性能要繼續獲得大輻度 的改進，有一定的困難。三角旋轉活塞發動機沒有往復運動質量，成功地避免了慣性力的限 制，但又出現了科裡奧裡力的困擾，使得缸面容易形成霣紋，密封系統效果遠不及往復式活 塞發動機.導致怠速不穩，空載易超速，棑氣汙染大，在現代苛刻的低汙染和低油耗標準要 求的條件下，其總體性能水平要想超過往復式活塞發動機，仍有待進一歩改進和完善。

發明內容
為丫克服上述小足，本發明提供一種新型的陶瓷複式發動機。其解決上述問龎所採取的
技術方案是
1、 採用氣動活塞配氣技術；
2、 採用高溫結構陶瓷材料
3、採用活塞和渦輪兩種方式換能。
本發明的有益效果是，提高發動機的熱效率，PJH氏排氣汙染和噪聲，簡化發動機的結構，
提髙機械效率，降低製造成本。附加效益是，功重比髙，運轉平穩，性能可靠，冷起動迅速， 使用壽命長，使用成本低，維護簡單易行。
附圉說明
下面結合附圉和具體實旌方式對本發明作進一步說明。 圖i是發動機的等軸瀕剖視圖(附件略)。
圉2是單元體A的等軸翔視圖。 細3是單元體B的等軸瀾視幽。 團4是單元休C的等軸測剖視圖。
閨5是發動機的左視閣(附件略)，A-A是它的主剖視閨。
圉6是發動機的前視圖(附件略)，B-B是它的主剖視團。
謝7是發動機的前視圖(附件略)，OC是它的主剖視幽。
團8是發動機的前視閣(附件略)，IH)是它的主剖視圖。
閨9是發動機的前視團(附件略)，E-E是它的主剖視閨。
團10是發動機的前視圖(附件略)，F-F是它的主剖裸圖。
閣〗是動力活塞左右二等角軸瀕視閣。
圑12是配氣活塞等軸測視圖。
閨13是起動凸輪等軸澳視圖。
圖i4是止逆觫輪等軸賴視圖。
幽l 5是進氣權陶瓷缸蓋等軸獮視幽。
團16是陶瓷虹休等軸測視圖。
閨17是排氣端陶瓷魟條等軸滴視圖。


圖18是發動機活塞相位圖。
由圖l可知，本發明由單元體A、單元體B、單元體C組成。
由閣2可知，單元體A為動力單元，由件號(1) (8〉組成主軸(1),起動凸輪(2), 配氣彈簧(3)，動力活塞(4)，大蠊母(5)，渦輪(6)，離心葉輪(7),軸端蛾母(8).
由圖3可知，單元體B為配氣單元，由件號(9) ~ (il)組成止逆棘輪(9),配氣活塞 (10)，滑動軸承(11〉。
由圖4可知，單元歉為機架單元，由件號(i2) (32)絡成齒端翁(!2)，軸承U3)， 進氣端殼體(14),主殼體(15》，排氣端殼體(16),進氣端陶瓷缸兼(17)，陶瓷缸體(18)， 排氣端陶瓷缸蓋(19),燃油噴嘴(20〉，靜子葉片環(2〗)，集氣環(22)、後端蓋(23),止 逆棘爪(24)、起動棘爪(25),蠊釘(26) 、 (32)。
閣5示出了發動機三個單元的裝配關係。
圖6示出了發動機主構件間的裝配關係。
幽7示出了起動觫爪與起動觫輪嚙合時的狀況。
圖8示出了起動棘爪與起動凸輪嚙合時的狀況。
閣9示出了起動棘爪與起動凸輪脫離時的狀況。
圖10示出了止逆棘爪與止逆棘輪鳴合時的狀況。
由閣11和幽12可知，動力活塞(4)和配氣活塞U0)的每一活塞內有一凹腔可與逬氣口 相通，外周面有一長腳形孔將凹腔與陶瓷缸體(18)連通，凹腔內充滿新鮮空氣可對活塞和 缸體進行有限的冷卻。動力活塞(4)和配氣活塞(10〉輻板上有一簡通孔，既是新鮮空氣的
氣流通道，也是活塞的熱節流孔，以保證活塞熱雖不ic傳給主軸a)。活塞的典型技術特徵 是採用線脹係數根小的特種鋼材製造，表面為等離子噴塗陶瓷。 由簡13和圍14可知，起動凸輪(2)上設有起動齒輪，為問一構件止逆棘輪(9)上設 有起動棘輪，為同一構件。
由圖15、圖16和圖17可知，三個高溫結構陶瓷構件形狀非常簡潔，這三個零件構成/發 動機高溫結構陶瓷燃燒室。圖i5示出了燃燒審進氣口，圖16示出了燃燒審燃油噴口，圖17示 出了燃燒室排氣口.
在幽J8中，活勘和活勤為配氣活塞，活歉和活勤為動力活塞，Kj為進氣口， Kp為排 氣U。序號4、 12為配氣噴油位置，序號8為動力噴油位置。
具體實攤方式
由幽2可知單元體A的裝配結構為在主軸(1)上裝有起動凸輪(2)、動力活塞(4)和 離心葉輪(7)，並通過花鍵傳遞扭矩。起動凸輪(2)卜.設有起動齒輪，配氣彈費(3)裝在 起動凸輪(2)上，配氣彈簧(3)的一端插在起動凸輪(2)的輻板小孔內，另一端插在止逆 棘輪(9)的輻板小孔內，配氣彈簧(3)的作用總是使圖18屮的活塞A與活叛或者活塞B與活 塞D之間的空間為鍾小。動力活塞(4)用大蠊母(5)凼定在主軸(1)上，離心葉輪(7)用 軸端蠊母(8)固定在主軸(1)卜.，渦輪(6)用糠釘(29)固定在離心葉輪(7)卜.。主軸 (1)用軸承(13)支撐在進氣端殼體(14)和排氣端殼體(16)上。
由圖3可知單元體B的裝配結構為配氣活塞(10)通過滑動軸承(ii〉支撐在主軸(J) 上，止逆棘輪(9)通過花鍵幽定在配氣活塞(10〉上。
由圖4可知單元休C的裝配結構為由進氣端殼休(14),主殼休U5).排氣端殼休(16) ffl蠊釘(27)、 (28)聯結成發動機機架，迸氣端陶瓷魟蓋(17)，陶瓷虹體(18)，排氣端陶 瓷缸蓋U9)安裝並固定在機架內腔構成固定的高溫結構陶瓷燃燒室，動力活塞(4)和配氣 活塞(10)便安裝在燃燒室內。燃油噴嘴(20〉安裝在主殼體U5)上並通過陶瓷缸體(18) 卜.的小孔與燃燒室相通。靜子葉片環(21)用蠊釘(32)固定在排氣端殼休(16)卜.，集氣 環(22)用蠊釘(30)固定在靜子葉片環(21)上，集氣環(22)上有排氣接頭用以與排氣 管(略〉連接。前端蓋(12)用蠊釘(26)固定在進氣端殼體(i4)上，後端蓋(23)用螺 釘(31)閨定在排氣端殼體(16)上，止逆棘爪(24) !Sj定在進氣端殼體(4)相應的方槽 內，起動棘爪(25)安裝在進氣端殼休(14)另一方槽內可以滑動，其外伸端與控制機構(略) 連接。圖7和圖8是它在起動狀態時的位置，閣9是它在正常工作狀態時的位置。
工作原理如下-為敘述方便，先作一些約定
1、 把與進氣口相通的氣缸叫吸氣腔，頫著旋轉方向以後依次是壓縮腔、膨脹腔、排氣腔， 這樣，活塞每轉過一定角度，吸氣腔、壓縮腔、膨脹腔、排氣腔依次變成壓縮腔、膨脹腔、 排氣腔、吸氣腔，如此類推。
2、 把受燃氣作用產生角加速度方向與旋轉方向相同的活塞叫傲前活塞，角加速度方向與 旋轉方向相反的活塞叫做後活塞。在發動機不工作時，在配氣彈簧(3)的作用下，動力活塞
(4)總是處於後活塞位置，配氣活塞(10)則處於前活塞位置。
3、 把由主軸(1),起動凸輪(2)、配氣彈費(3)，動力活塞(4)組成的部件叫做動力 活塞組件，把由止逆棘輪(9)，配氣活塞a0)，滑動軸承(ID,止逆棘爪(24)組成的部 件叫做配氣活塞組件，把由起動凸輪(2),止逆棘輪(9),起動棘爪(25)組成的部件叫做 起動控制組件。
4、 把I3^控制組件與動力活塞組件、配氣活塞組件處於脫離的狀態叫傲正常工作狀態， 把起動控制組件與動力活塞組件、配氣活塞組件接觸，使發動機能夠顒利起動的狀態叫做起 動狀態。
5、 把動力活塞(4)處於後活塞位置時的噴嘴噴油叫做配氣噴油，把配氣活塞(10)處 於後活塞位置時的噴嘴噴油叫做動力噴油，由圖3知遒，配氣活塞(10)僅受滑動軸承(11)和配氣彈餐(3)的約束，由配氣彈賽 (3)的扭力和工質壓力驅動，以變角速度簾轉與以近似等角速度旋轉的動力活塞(4〉形成 容積變化，完成吸氣、壓縮、膨脹、排氣四個熱力過程。配氣活塞(10)以變角速度旋轉，
實際上這種變角速度是疊加在動力活塞(4)的幾近勻角速度旋轉運動上的。雖然配氣活塞ao)
的角加速度同樣產生慣性力，但並不對其他構件產生影響，因為配氣活塞(10)的慣性力是
切線方向的，它對環境的力學效果僅僅是產生了一個慣性力矩，眾所周知，軸承只能傳遞徑 向力或軸向力，而力矩是不可能通過軸承傳遞給其他構件的。為了讓發動機按照所希望的方 式和目標工作，可以使配氣活塞組件的轉動憤量適當地小，而動力活塞組件的轉動憒量適當 地人，使得配氣活塞組件的慣性力適當地小而角加速度適當地人，動力活塞組件的旋轉接近
勻角速度旋轉。配氣活塞組件設計得如此輕巧簡單，在動力活塞組件上安裝與輪(6〉和離心 葉輪(7),以及起動凸輪(2)的輪毅做得如此厚重正是遒循這一原朔的結果。
由前、後活塞的定義知道，前活塞是做功活塞，後活塞是不做功活塞，而僅僅是形成膨 脹腔固定腔壁的一個組成部分，雖然實際情況屮它們真正靜止的機率很小，時間也很短暫， 但這並不改變它們這種屬性的實質。在壓縮腔充鍾被衝壓壓縮的過程中，實際上是分二個階 段完成的。第一階段是燃氣衝壓樂縮階段。膨脹腔棍合氣燃燒形成髙樂，斥.縮腔糊完成吸進 新鮮充量壓力很低，兩腔壓差很大。在壓差力矩作用下，膨脹腔迅速膨脹，後活塞或被棘爪 抑止或被燃氣減速，前活塞則獲得較人的角加速度，迅速壓縮壓縮腔裡的充量，於是，壓縮 腔壓力迅速上升，膨脹腔壓力迅速下降。當兩腔壓力平衡時，燃氣衝壓壓縮階段結束。第二 階段是動能衝樂壓縮階段。壓縮、膨脹兩腔壓力平衡時，前、後活塞開始同時旋轉，但是旋 轉速度並不相等當配氣活塞為後^^塞時，配氣活塞幾近靜止，動力活塞以工作速度旋轉； 當動力活塞為後活塞時，動力活塞以工作速度旋轉，配氣活塞則在動力活塞轉速的基礎上被 再加速旋轉。由於前活塞總是具有比後活塞更大的旋轉速度，於是膨脹腔仍要繼續膨脹，壓 縮腔也仍要繼續壓縮，這時的斥.縮是以前活塞的轉動動能減少，旋轉速度下降為代價實現的。 也就是在動能衝壓壓縮階段，前活塞的部分轉動動能轉變成了壓縮腔裡充量的壓力勢能。很 顯然，在這個階段，壓縮腔裡的充量得到了繼續壓縮，膨脹腔也繼續得到了充分的膨脹。理 想情況是，動能衝壓壓縮剛好結束，前活塞正好到達噴油位置(這時前活塞變為後活塞)。另 外二種情況是 一、動能衝樂壓縮已經結束，前活塞還沒有到達噴袖位置，這時前、後活塞 等速旋轉，直至前活塞到達噴油位置，這種情況下壓縮比較小。二、動能衝壓壓縮還沒有結 束.前活塞已經到込噴油位置，開始下一循環的噴油，這種情況下壓縮比較人。不管哪種情 況出現，只要在前活塞到達噴油位置時準時噴油，前活塞就會準時變成後活塞，後活塞就會 準時變成前活塞，在燃氣的作用下循環就會進行下去。
氣動活塞配氣過程如下
輸入起動電流，起動機的起動齒輪(未示出〉與起動凸輪(2〉上的起動齒輪瞞合，驅動 動力活1^件旋轉，周時電作動筒(未示出)動作，麟起動觫爪(25)處於起動位置，此 時起動控制組件由正常工作狀態迸入起動狀態。動力活塞組件卜.的配氣彈簧(3)的另一端則 驅動起動棘輪(即止逆棘輪(9))帶動配氣活塞組件旋轉。當起動棘輪轉到與起動棘爪(25) 接觸時，起動棘輪被起動棘爪(25)制止(見圖7),配氣活塞組件停轉。起動機繼續驅動動 力活塞組件旌轉，壓縮配氣彈簧(3)和壓縮腔裡的空氣。當動力活塞(4)轉到噴油位置時, 起動凸輪(2)正好頂起起動棘爪(25)(見圖8)，使得起動棘輪被釋放。這時壓縮腔也正好
完成壓縮而變成膨脹腔，燃油噴嘴開始配氣噴油，產生高溫高壓燃氣，推開配氣活塞ao)
和動力活塞(4),由於動力活塞組件轉動慣量很人又有起動機驅動，配氣活塞組件轉動慣量 相對較小，動力活塞組件轉速僅只瞎微下降而不致停止或倒轉，而配氣活塞組件在配氣彈簧 (3)扭力和膨脹腔燃氣壓力共同作用下高速旋轉，壓縮腔裡的充量被迅速壓縮，其它吸氣腔、 排氣腔同時分別迅速吸氣、排氣。當壓縮腔充量的壓力與彈簧扭力和膨脹腔燃氣壓力平衡時， 配氣活塞組件與動力活塞組件在慣性作用下縫續旋轉。其屮，配氣活塞組件由於轉速很高， 仍然繼續壓縮壓縮腔裡的充量將其動能轉變為充傲的壓力勢能，膨脹腔則繼續膨脹。當配氣活塞ao)轉到噴油位置，壓縮腔變成膨脹腔，懲油噴Hf開始動力噴油。此時配氣活塞組件
上的止逆棘輪(9〉正好與止逆棘爪(24〉嚙合(見圖IO),高溫高壓燃氣急劇膨脹，竭力推 開配氣活塞(10)和動力活塞(4),由於配氣活塞組件被止逆觫爪(24)止住不ilii轉而靜 止，於是膨脹腔燃氣壓力推動動力活塞絎件加速旋轉，再次壓縮配氣彈簧(3)和壓縮腔単的 空氣。當動力活塞(4)轉到噴油位置時，起動凸輪(2)再次頂起起動觫爪(25〉，起動棘輪 再次被釋放，燃油噴嘴再次開始配氣噴油， 如此循環直至發動機起動。發動機起動後，
起動機起動齒輪(未示出)退出噴合，電作動筒(未示HO回動，起動控制組件與動力活塞 組件和配氣活塞組件脫離接觸(見圉9),發動機進入正常工作狀態。
發動機正常工作時，當配氣噴油燃燒的燃氣推動配氣活塞做功時，由於配氣噴袖量相對 較小，燃氣壓力較低，而動力活塞組件轉動慣量根大，又有渦輪(6)的作用，動力活塞組件 僅是轉速略微下降而不致逆轉，兩此，動力活塞組件是依靠其轉動動能和燃氣的衝擊動能來 抵抗配氣噴油燃燒燃氣壓力的。相反，配氣活塞組件轉動慣量較小，在燃氣壓力力矩作用下 能產生很人的角加速度，從而對壓縮腔裡的充雖進行衝壓壓縮，將膨脹腔裡的燃氣壓力勢能 轉變為壓縮腔裡的充量壓力勢能。當動力噴油燃燒的燃氣推動動力活塞做功時，由於動力噴 油量相對較大，膨脹腔裡的燃氣壓力很髙。配氣活塞組件被止逆棘爪(24)止住不能逆轉(見
圖IO)，壓力勢能全部轉化在動力活塞上a動力活塞組件轉速本身較高，與配氣活塞一樣，同
樣能對壓縮腔裡的充量進行衝壓壓縮。因此，配氣噴油燃燒所釋放的熱能，轉變成了動力活
塞做功時充量的壓力勢能。而動力噴油燃燒產生的熱能一部分轉變為配氣活塞(10)做功時 充量的樂力勢能， 一部分轉變成動力活塞組件的轉動動能，大部分則變成機械能直接對外輸出。
陶瓷複式發動機採用端面進氣和端面排氣方式，在起動機驅動動力活塞組件開始旋轉時， i)定在主軸(1)上的渦輪(6)，離心葉輪(7)也同時開始艇轉，新鮮空氣被離心葉輪和吸 氣活塞吸入，經由動力活塞(4)和配氣活塞(10)輪輻十.的孔洞和進氣端殼休(14)，進氣 陶瓷缸蓋(17)的進氣口迸入吸氣腔，在完成推動話塞膨脹做功過程後由排氣口排入排氣端 殼體(16)和靜子葉片環(21)之間的環形腔(環形腔內表面也有等離子噴塗陶瓷隔熱層)， 這時排出的燃氣溫度和壓力顯然較傳統活塞機的排氣要高，燃氣在經過靜子葉片整流後繼續 驅動渦輪(6)旋轉，將排氣餘轉變成機械能經離心葉輪(7)傳遞給主軸(1),廢氣排入集 氣環(22)經排氣管(未示出)排入大氣。
由上述工作過程可知，本發明只有以下特點
1、 陶瓷複式發動機運動構件沒有偏心質量，運動形式為純轉動，受力簡單合理，工作時
運轉平穩柔和，沒有衝擊和振動。髙溫構件形狀簡潔(見圖i5、圖ie、圖n),工藝價格低廉。
這些特點巧妙地避免了高溫結構陶瓷韌性不足和加工製造困難的缺陷，充分發揮了高溫結構 陶瓷耐高溫，耐癘蝕，高硬度，低傳熱，熱脹小的優異性能。 一種理想的情況是，假如在制 造缸體和活塞時能找到一種材料，在規定的溫度範圍內其熱膨脹可以小到忽略不計，則對密 封系統是否必要就可以重新加以考慮了。髙溫結構陶瓷材料兌現了這種假設，從而成功地取 消了發動機燃氣密封系統。由於配氣活塞和動力活塞工作時均為純轉動，其運動約束可由軸 承獨立完成，不霜要由缸體來約束運動構件，也沒有密封元件與虹體或活塞接觸。由於構件 之間沒有直接接觸，因而也就不存在相互作用力，沒有作用力就不存在摩擦，不存在庫l^就 不需要潤滑，不需要潤滑就可以提髙工作溫度，可以提髙工作溫度就可以取消冷卻。w此， 氣動活塞配氣技術為發動機高溫部件採用高溫結構陶瓷提供了可能，而高溫結構陶瓷材料的 應用，又使得發動機成功地取消了燃氣密封系統和冷卻系統，潤滑系統也變得非常簡單。
2、 陶瓷複式發動機採用氣動活塞配氣技術，配氣是通過改變活塞屬性和工質壓力大小來
實現的，壓縮比和輸出功率是由所噴射燃料量的多少 制的。因配n:構件不承擔功率輸出, 實體體積和質量都很小。發動機工作時，動力噴油燃燒產生的燃氣壓力直接作用於動力活塞， 動力活塞與主軸罔聯， 一者之間沒有相對運動，由主軸直接對外輸出轉矩,，它的主要運動構 件，只有動力活塞組件和配氣活塞組件。需要潤滑的對象，僅僅是支撐主軸的兩個滾動軸承、
支撐空心軸的兩個滑動軸承和止逆棘輪。它們所處位豐集中，潤滑系統非常簡單。由於沒有 專門的冷卻系統和閥門機構，避免了這些系統和機構木身的能耗和減少了整機的維擦損失和 磨擦損耗。因此，陶瓷複式發動機受力合理，結構非常簡單，機械效率很高。附加效益是， 大輻降低製造成本，外形輕巧緊湊，安裝方便靈活，運行穩定可靠，維護簡單易行，使用壽命長。
3、 陶瓷複式發動機利用控制噴油傲來改變壓縮比，採用了壓燃的點火方式a因沒有傳統 活塞機的構件強度的限制，故可以採用很髙的壓縮比。低速時，離心葉輪對樂氣幾乎沒有什 麼貢獻，高速狀態下離心葉輪則能提供較高的預壓壓縮比，再經活塞衝壓壓縮，其最終壓縮 比是可以達到很高的。加上缸體和活塞絕熱，壓縮結束時充量溫度較傳統活塞機高出很多， 燃油被噴入時，燃燒室壁、活塞表面和高溫充量能使燃油微敉劇烈蒸發，以壓燃方式使油氣 著火，全部或大部分的燃燒在所謂"靜止的火焰"中迅速完成，這樣就可以不受燃袖髙辛烷 值和高揮發性要求的限制，適合燃用幾乎任何一種具有一定發熱量的燃料。
4、 陶瓷複式發動機採用端面布置進、排氣口，取消了閥門機構，沒有進氣限制或節流， 發動機的進、排氣阻力很小，氣流流動非常順楊，進氣經過離心葉輪預壓壓縮，能夠獲得很 髙的容積效年。而進氣系統較低的壓力降是實現髙速發動機的先決條件，兩此陶瓷複式發動 機非常適宜於在高速和高性能範圍工作。沒有閥門機構，也同時減少了泵抽損失，減少了較 高溫度時比熱變化的影響、離解和熱損失，降低了排氣溫度和噪聲。在燃燒的混合氣屮，火 焰傳播是由混合氣的速度加上混合氣中的火焰運動而組成的，在低速範圍內燃燒室裡仍具有 足夠的紊流，這就保證了發動機低速狀態下仍具有良好的燃燒特性和扭矩特性.兩而避免了 傳統發動機低速性能差的缺點。
5、 陶瓷複式發動機運動構件的全部質量集屮在輸出軸的軸線而沒有偏心質量，運動形式 為純轉動，可以容易而又完全加以平衡。活塞沿真正的國形軌道運行，沒有科裡奧裡力來助 成震紋的產生。由氣缸壓力引起的軸承負荷並不兩慣性力或離心力的增加而增加。兩此,陶 瓷複式發動機運轉時平穩柔和，同樣非常適宜高速工作。
6、 陶瓷複式發動機冷起動時，起動壓縮比取決於起動凸輪(2〉轉到頂起起動棘爪(25), 起動棘輪被釋放的時間，調節起動凸輪(2)與起動棘爪(25)之間的相對角度很容易改變起 動樂縮比。而發動機正常工作時的壓縮比與此無關，僅取決於配氣彈費(3)的扭力和h—循 環壓縮腔充量被衝壓壓縮後的壓力(配氣彈簧(3)的扭力與充量壓力相比很小可以忽略)， 以及離心葉輪提供的預壓壓縮比。因此，陶瓷複式發動機冷起動時起動壓縮比可以做得很高， 使發動機能快速接火。由於對潤滑要求很低，著火後採用較大的供油量可以快速暖機，使發
動機在很短的時間內即可進入髙負荷狀態。這種優良的動力特性是傳統活塞機所不具有的:. 這將使得陶瓷複式發動機在許多特殊環境和特殊領域有著更加廣泛的用途。
7、 陶瓷複式發動機採用高溫結枸陶瓷材料絕熱後，在壓縮行程結束時，氣缸屮充量的溫
度比普通發動機要高出許多。由於燃燒室絕熱，每次燃燒加入的熱鐘可以相對減少。減少噴
油不僅僅只是節約了燃油，還降低了燃燒室內的所能達到的最髙溫度。NOx的生成量是隨溫度 和壓力的升高而增加，溫度越高壓力越大，生成的NOx就越多。燃油噴入高溫度的充量中，著 火,期明顯縮短，預混，燒減少，擴散燃燒加劇，整個燃燒過程縮短，使NOx得以生成的 時間縮短，加上機構中不存在止點，這些都使得燃燒室蜂值壓力和峰值溫度較傳統活塞機(無 論是往復機還是轉子機)均要來得低，從而大大降低了NOx的生成率。燃燒室壁面溫度和充量 溫度高，燃燒中沒有燃油淬熄現象，燃油燃燒完全，乾淨，徹底，燃燒效率極高，非常適宜 在很低的油氣比情況下工作。每次動力膨脹做功過程後又有一次配氣膨脹做功過程，配氣噴 油量大大小於動力噴油量，配氣膨脹傲功後的燃氣氧過剩，與動力膨脹做功後的燃氣摻混， 客觀卜.起到了對動力膨脹做功後的燃氣的補氧化作用，加卜.沒有潤滑油蒸發燃燒等汙染過程, 使得陶瓷複式發動機比傳統活塞機具有更清潔的排氣，使,x、 HC、 CO等有害氣體能夠達到超 低排放甚至零排放。
8、 陶瓷複式發動機單位璽 所能達到的排童大大超過傳統活塞發動機單位重 所能達到
的抹量。到目前為止，就製造相同抹量的發動機所耗費的材料、能濂、時間來講，陶瓷複式 發動機遠比傳統活塞發動機來的優越。
9、 陶瓷複式發動機取消/冷卻系統、密封系統和簡化/潤滑系統(僅軸承和棘輪霈要潤 滑)，減少了燃油消耗和滑油消耗。它採用高溫、高速、高壓縮比方式工作，具有很髙的容積 效率、燃燒效率和機械效率，最終導致具有很高的熱機效率。
10、 陶瓷複式發動機適應性強，開發潛力大，很容易根據耱要改型，如在離心葉輪和主 軸之間加入減速器以適齒不同的匹配霈要，在靜子葉片環前的環形腔加入類似加力燃燒室的 部件以改變活塞功和禍輪功的比例，或在離心葉輪前加入粒子分離器以適應塵土較多的環境
°總之，本發明的綜合性能是優異的，它採用全新的工作巌理，凸顯了現代軸功率發動機 低油耗，低撣放，低造價，低維護的特點。即使是特地為陶瓷複式發動機設計出專門的通用 附件和控制系統而不是沿用傳統活塞發動機上的零部件和做法，看來也不會出現比普通發動 機研製和改進過程屮所遇到的更加困難的問題。現代機器製造業、材料科學和智能控制技術 為陶瓷複式發動機的問世提供了一切可能霱要的條件，而陶瓷複式發動機的出現又為現代機 器製造業、材料科學和智能控制技術提供了更加廣闊的發展空間。可以認為，氣動活塞配氣 這種先進的發動機技術，可能導致陶瓷複式發動機的廣泛應用，而且其重要性可能超過在研 制和改進往復活塞機和轉子活塞機上正在作出的各種努力。在地球資源日漸枯竭，環境汙染 日益嚴重的今天，人類在面對危機時應該作出理智的應對。在這裡，陶瓷複式發動機無疑是
極具誘感力的，w而也是極具競爭力的。
權利要求
1、一種陶瓷複式發動機，由A、B、C三個單元組成。其特徵是採用氣動活塞配氣技術、高溫結構陶瓷技術、活塞和渦輪兩種方式換能。單元體A為動力活塞組件，單元體B為配氣活塞組件，單元體C為機架。動力活塞組件設有動力活塞和渦輪，完成活塞膨脹做功和渦輪膨脹做功。配氣活塞組件設有配氣活塞，完成動力活塞做功時的充量壓縮。機架除支撐和聯接單元體A、C外，還設有高溫結構陶瓷燃燒室和靜子葉片整流環，為活塞膨脹做功和渦輪膨脹做功提供硬體支持。發動機採用燃油噴射和壓燃方式工作。
2、 根據權利要求i所述的陶瓷複式發動機，其特徵是在主軸U)上裝有起動凸輪(2)、 動力活塞(4〉和離心葉輪(7),並通過花鍵傳遞扭矩。起動凸輪(2)上設有起動齒輪，配 氣彈簧(3)裝在起動凸輪(2)上，配氣彈簧(3)的一端插在起動凸輪(2)的輻板小孔內， 另一端插在配氣活塞組件中的止逆棘輪(9)的輻板小孔內。動力活塞(4)用人蠊母(5)固 定在主軸(i)上，離心葉輪(7)用軸端螺母(8)固定在主軸U)上，渦輪(6)用嫁釘(29) 固定在離心葉輪(7)上。主軸(1)用軸承(13)支撐在迸氣端殼體(14)和排氣端殼體(16) 上-，
3、 根據權利要求1所述的陶瓷複式發動機，其特徵是配氣活塞(i0)通過滑動軸承(11 〉 支撐在主軸(1)，止逆棘輪(9)通過花鍵固定在配氣活塞UO)上。
4、 根據權利要求1所述的陶瓷複式發動機，其特徵是由進氣端殼體(14),主殼體(15), 排氣端売休U6).幣螺釘(27)、 (28)聯結成發動機機架，進氣端陶瓷缸蓋(17).陶瓷缸體(1S)，排氣端陶瓷缸蓋(19)安裝並固定在機架內腔，構成固定的高溫結構陶瓷燃燒室，動 力活塞(4)和配氣活塞(10)安裝在燃燒室內。燃油噴嘴(20)安裝在主殼體U5)上並通 過陶瓷缸體(18)上的小孔與燃燒室相通。靜子葉片環(21)用螺釘(32)固定在排氣端殼 休U6)上，集氣環(22)用蟪釘(30)罔定在靜子葉片環(21)上，集氣環(22)上有排 氣接頭用以與排氣管(略)連接。前端蓋(12)用嫘釘(26)固定在進氣端殼體U4)上， 後端蓋(23)用嫁釘(3i)固定在排氣端殼體(16)上，止逆棘爪(24〉固定在進氣端殼體(14)相應的方槽內，起動觫爪(25)安裝在進氣端殼體(14)另一方槽內可以滑動，其外 伸端與控制機構連接。
5、 根據權利要求l所述的陶瓷複式發動機，其特徵是動力活塞(4)和配氣活塞(10) 的每一活塞內有一凹腔可4進氣口相通，活塞外周面有一長畫形孔將凹腔h;高溫結構陶瓷缸 體(18)連通，凹腔內充滿新鮮空氣可對活塞和缸體進行有限的冷卻。動力活塞(4)和配氣 活塞(10)輻板上均有一圈通孔，既是新鮮空氣的氣流通道，也是活塞的熱節流孔，以保證 活塞熱量不致傳給主軸(1)。活塞的典型技術特徵是採用線脹係數很小的特種鋼材製造，表面為等離子噴塗陶瓷"
6、 根據"利要求l所述的陶瓷複式發動機，其特徵是起動凸輪(2)上設有起動齒輪， 止逆棘輪(9)上設有起動棘輪。
7、 根據權利要求1所述的陶瓷複式發動機，其特徵是進氣端陶瓷缸蓋(17)，陶瓷缸 體U8),排氣端陶瓷缸蓋U9)用高溫結構陶瓷製成，形狀非常簡潔。由這三個零件構成了 發動機高溫結構陶瓷燃燒室。
全文摘要
一種能夠顯著提高熱機效率，降低有害排放，簡化結構和降低製造、使用、維護費用的陶瓷複式發動機。圖6是發動機的前視圖(附件略)，B-B是它的主剖視圖。本發明由動力活塞組件、配氣活塞組件、機架三個單元體組成。通過採用新穎的氣動活塞配氣技術來滿足發動機熱力循環的基本要求，採用高溫結構陶瓷材料作為發動機高溫部件，採用活塞膨脹做功和渦輪膨脹做功兩種方式共同工作將燃油化學能轉換成機械能對外輸出。它較任何一種或任何一類傳統發動機的結構都要來得簡單。發動機採用燃油噴射和壓燃方案，以高溫、高速、高壓縮比方式工作，具有很高的容積效率、燃燒效率、機械效率和熱機效率，凸顯了現代軸功率發動機低油耗，低排放，低造價，低維護的特點。
文檔編號F02B53/00GK101201013SQ20061016682
公開日2008年6月18日 申請日期2006年12月11日 優先權日2006年12月11日
發明者勒 蔡, 蔡盛龍 申請人:蔡盛龍;蔡 勒