每個旋轉周期內多噴射燃燒的單閥推進熱力學噴氣發動機及其方法
2023-05-21 02:33:16
每個旋轉周期內多噴射燃燒的單閥推進熱力學噴氣發動機及其方法
【專利摘要】本發明利用多個外形構造獨特的連續旋轉噴射閥，在其每個旋轉周期內，實現燃料的多次噴射和多次燃燒，從而提高噴氣發動機燃料的噴射頻率和噴射速度。本發明所指的用於產生推進力的單旋轉閥熱力噴氣發動機(1')的殼體(20)由上壁(20s)和下壁(20i)構成。殼體的上下壁表面還依次構成：壓縮空氣流(Fa)的進氣套筒(2)；燃燒室(4)和排氣噴管(6)。該熱力噴氣發動機還含有：一個唯一的新鮮氣體(G1)旋轉噴射閥(3')，以橫向軸X'X為旋轉軸線，其位於燃燒室(4)內；至少一個燃燒廢氣(G2)噴射旋轉閥(5″)，以橫向軸Y'Y為旋轉軸線。旋轉噴射閥(3'，5″)均為多面直柱體，其柱面由相間的圓柱弧面(31，33，35；51，53，55)和切面(32'，34'，36'；52"，54"，56")組成。在旋轉噴射閥(3'，5″)的連續旋轉(R1，R2)作用下，圓柱弧面(31，33，35；51，53，55)和切面(32'，34'，36'；52"，54"，56")構成了氣體(G1，G2)的進氣口(A1)和排氣口(A2)。此外，在燃燒室(4)內部，可以加裝熱力點火槽(8；80a，80b，81)。
【專利說明】每個旋轉周期內多噴射燃燒的單閥推進熱力學噴氣發動機及其方法
【技術領域】
[0001]本發明是使用一種可在每個旋轉周期內可實現多次燃料噴射和多次燃燒的連續旋轉噴射單閥的燃燒方式。該方式主要用於航空發動機和熱電聯產，更具體得說，適用於所有基於「漢弗萊(Humphrey) 」熱力學循環的發動機，此類發動機的共同特點是壓縮空氣和燃料混合物的等容燃燒。同時，本發明還涉及一種依賴於上述燃燒方式的發動機，稱為「熱力噴氣發動機(thermo — reactor) 」。在本文中，術語「多次」是指「3次和3次以上」。
[0002]本發明同樣適用於任何一款非連續燃燒的內燃機，不論所該內燃機的燃燒室是等容還是等壓。例如，機動車發動機。
技術背景
[0003]漢弗萊循環的主要優勢是更有效得利用燃料所提供的能量:通過壓縮空氣和燃料混合物的等容燃燒和隨後燃燒廢氣的完全膨脹，從而最大限度地產生氣體動能。在實際應用中，噴氣發動機可以通過驅動渦輪產生功率，或者直接利用燃燒廢氣的動能產生推進力。相比使用等壓燃燒的渦輪發動機，等容燃燒噴氣發動機，又稱「熱力噴氣發動機」有著決定性的優勢，尤其體現在模塊化，分散化和小型化方面:可以分散地安裝在飛行器的機翼內，其優勢還體現在質量，推力和熱效率方面(油耗減少10%以上)。
[0004]現有渦輪機械都是基於等壓連續燃燒，而熱力噴氣發動機的燃燒方式為等容脈衝燃燒。關於熱力噴氣發動機所使用的渦輪機械的細節在法國專利FR2945316中有詳細的描述。一般來說，每一臺熱力噴氣發動機有至少一個壓氣機，至少一個噴管，和至少一個與壓氣機和噴管相連的燃燒室。此燃燒室通過兩套噴射閥:噴入閥和噴出閥，分別與壓氣機和噴管相連。
[0005]每個燃燒周期通常有3個階段:1.進氣階段，此階段中預混的壓縮空氣和燃料混合物被噴射進燃燒室；2.燃燒階段，混合物經點火控制被點燃，進行等容燃燒；3.排氣階段，燃燒廢氣膨脹做功。熱力噴氣發動機的動力單元(多個)的燃燒周期有相位差，多個動力單元同時運轉時，此動力單元組同時涵蓋燃燒周期的所有階段，從而保證單元組功率的連續輸出，減低動力輸出波動。
[0006]噴入閥和噴出閥由電機驅動，同時旋轉。進氣階段時，噴入閥開啟，噴出閥關閉。燃燒階段時，噴入閥和噴出閥同時關閉。排氣階段時，噴入閥關閉，噴出閥開啟。
[0007]噴入和噴出旋轉閥為截面特殊的直柱體。在旋轉過程中，旋轉閥表面和殼體間形成連續開合的通道。在旋轉閥轉動一周內，上述通道開合2次，並完成2次燃燒。
技術內容
[0008]這款熱力噴氣發動機可以小型化。由於其機械構造簡單，降低了小型化的成本。小型化的熱噴氣發動機可以運用在以下領域:航天推進，航模，新式燃料實驗等。
[0009]然而，假如按體積縮小比(原體積除以縮小後體積)為5到10小型化之後，其燃燒室體積為100到200毫升，其功率按同比例減小。但是燃燒後的噴氣速率卻不受小型化影響，因為其只取決於壓力和溫度，而這兩者基本上保持恆定。如果要求獲得原尺寸相同功率，則需要提高旋轉閥的轉速，其帶來的設計挑戰為:旋轉閥穩定性；旋轉閥和燃燒室殼體間的氣密性。為了解決上述設計挑戰，本發明僅使用一個外形構造特殊的旋轉閥，從而在旋轉閥單個旋轉周期內，實現多次燃料噴射和多次燃燒。
[0010]更具體地說，本發明的推進過程利用旋轉噴射單閥，在其單個旋轉周期內，實現至少三次燃料噴射和燃燒。每個燃燒周期包含:燃燒室入口處新鮮預混氣體的進氣階段；新鮮預混氣體的燃燒階段；燃燒室出口處燃燒廢氣的排氣階段。閥的凹陷部分在給定的時間內成為進氣道，使新鮮預混氣體進入燃燒室。閥的每個凹陷部分由於幾何形狀和轉速一致，所以供氣量相等。同時，該幾何形狀與轉速還對燃燒室壓力有影響，並通過此影響優化燃燒室壓力，從而優化發動機整體性能。
[0011]預想的實施方案:
一熱力點火槽將當前燃燒周期的高溫高壓燃燒廢氣儲存起來，用於下一個燃燒周期的點火。此過程稱為點火槽採氣過程。在進氣階段之後，點火之前，燃燒室充滿了新鮮預混氣體，此時熱力點火槽打開，釋放來自上一燃燒周期的燃燒廢氣，此過程成為點火槽放氣過程。上述廢氣在壓力差的作用下與新鮮預混氣體混合，並利用其高溫餘熱點燃新鮮預混氣體。
一點火槽採氣過程也是利用閥的凹陷部分完成的。燃燒室點火燃燒過程中，熱力點火槽與燃燒室通過閥的凹陷部分聯通，高溫高壓的燃燒廢氣進入熱力點火槽。
一點火槽放氣過程跟採氣過程相似，燃燒室在充滿新鮮預混氣體時，熱力點火槽與燃燒室通過閥的凹陷部分聯通，燃燒廢氣在自身高壓的作用下噴入充滿新鮮預混氣體的燃燒室。
一熱力點火槽的採氣和放氣過程的完整順序為:採氣；關閉；放氣。其中的關閉狀態，是閥的凹陷部分與點火槽契合，形成密閉空間，與燃燒室隔絕。整個過程其實是通過閥的凹陷部隨著閥體旋轉經過熱力點火槽的過程。
一燃料的注入由燃料閥完成。燃料閥體為側面開孔的空心圓柱體，與旋轉噴射閥的轉動配合實現周期性的開合，位於燃燒室的上遊位置，在燃燒室進氣階段將燃料噴入壓縮空氣中，形成新鮮預混氣體。
一新鮮預混氣體從點火到完全燃燒轉化成高溫高壓燃燒廢氣的過程中，燃燒室體積恆定，是真正意義上的等容燃燒。完全燃燒完成後，旋轉噴入閥持續旋轉，但保持關閉狀態，此時，旋轉噴出閥的凹陷部隨閥體旋轉，與發動機殼體形成排氣通道，完成燃燒廢氣的排放。旋轉噴入閥與噴出閥轉速一致，但是有相位差，從而實現兩閥交替開合。
一燃燒廢氣的冷卻過程利用氣體的熱交換，在儘可能靠近旋轉噴出閥排氣口的位置引入低溫氣體。
一三種旋轉閥(噴入閥，噴出閥，燃料閥)旋轉周期的特點是:在燃燒階段，三種旋轉閥關閉，燃燒室為氣密狀態；在排氣階段，噴出閥開啟，燃料閥和噴入閥關閉；在進氣階段，燃料閥和噴入閥開啟，噴出閥關閉；排氣階段向進氣階段的過渡稱為掃氣階段，此時三種閥門同為開啟狀態，新鮮預混氣體進入燃燒室，將上一燃燒周期積留的燃燒廢氣排出，隨後三種閥門關閉，進入燃燒階段。
[0012]本發明所涉及的熱力噴氣發動機實現了上述過程。這種熱力噴氣發動機的殼體為平行六面體，其上壁與下壁從前到後依次構成:壓縮空氣的進氣套筒；燃燒室；排氣管。這款熱力噴氣發動機具有單一的旋轉噴入閥，和至少一個旋轉噴出閥。旋轉噴入閥位於進氣套筒與燃燒室之間，旋轉噴出閥位於燃燒室與排氣噴口之間。旋轉噴入閥和旋轉噴出閥為多面直柱體，以其直柱體幾何中軸線為轉軸旋轉，其柱面分為圓柱弧面和凹切面。上述兩種柱面等間交替排列。隨著噴入閥和噴出閥閥體的旋轉，閥體柱面與殼體上下壁凸起面形成周期性開合的進氣與排氣通道。當圓柱弧面切向經過上下壁凸起面時，進氣通道和排氣通道關閉；當凹切面經過上下壁凸起面時，形成開啟的進/排氣通道，通道高度隨凹切面的旋轉漸變。
[0013]預想的實施方案:
一熱力點火槽位於燃燒室中，貼合噴入閥。其槽管與旋轉的噴入閥柱面形成一開一合的儲氣腔。燃燒廢氣在燃燒階段進入儲氣腔，並在需要點火時進入燃燒室，點燃新鮮預混氣體。
一旋轉閥有三或四組圓柱弧面和凹切面。
一凹切面的橫截面線型大致有以下集幾種:直線；單凹曲線；凹曲線連續過渡為凸曲線；由凸曲線連接的兩條凹曲線。
一在旋轉閥有三組圓柱弧面和凹切面的情況下，噴入閥和噴出閥的轉軸分別位於燃燒室內和排氣管內。
一噴入閥凹切面寬度大致等於圓弧柱面寬度；噴出閥凹切面寬度大於圓柱弧面寬度。一燃料閥位於壓縮空氣進氣套筒內，進氣階段時將燃料噴入流經的壓縮空氣。燃料和壓縮氣體形成新鮮預混氣體。燃料閥由旋轉管和套管組成。燃料閥旋轉管在其管壁沿軸向至少有兩個長孔開口。燃料閥套管其筒壁也至少有兩個開口。套管套住旋轉管，其內壁與旋轉管外壁密合。旋轉管隨噴入閥同步旋轉，其開口與套管開口周期性的錯位與重疊，分別實現燃料閥的關閉與開啟。進氣階段時，燃料閥與噴入閥同時開啟，在進氣套筒內形成新鮮預混氣體。
一燃料閥的位置使新鮮預混氣體儘可能地在燃燒室進氣口附近形成，同時保證燃料的完全汽化。
一在儘可能靠近噴出閥的位置有至少一個冷卻管，載熱體在其中流動，用於冷卻燃燒廢氣；有以下三種方案:位於燃燒室中噴出閥的上遊罩中；以噴出閥旋轉軸為中心的內冷卻管；位於排氣管中噴出閥的下遊罩中。
一噴入閥，噴出閥和燃料閥由一個同步調速控制單元驅動。燃料閥和噴入閥與燃燒室進氣口同步開啟，噴入閥和噴出閥同時關閉從而實現等容燃燒。燃料閥，噴入閥和噴出閥轉速一致。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0014]有關本發明的其他特點與優勢在以下詳細示例中進行闡述，需要申明的是這些示例只是一部分設計方案，不涵蓋所有方案。按照附圖編號它們分別是:
一附圖1，本發明中所涉及的其中一種熱力噴氣發動機的縱向剖視圖。此熱力噴氣發動機有單個噴入閥和單個噴出閥。噴入閥有3個曲面凹陷部，噴出閥有3個平面凹陷部。一附圖2，為附圖1所示熱力噴氣發動機噴出閥部分的縱向剖視圖，展示另一種有3個曲面凹陷部的噴出閥。
一附圖3a,噴入閥和熱力點火槽的透視圖。
一附圖3b，噴入閥和噴出閥的抽離透視圖，展示它們的相對關係。
一附圖4，為附圖1所示熱力噴氣發動機的另一種噴入閥和噴出閥設計透視圖，此設計中噴入閥和噴出閥採用非對稱凹陷部。
一附圖5，有4個凹陷部的噴入閥和噴出閥的橫截面。
一附圖6a至6b，為附圖1所示熱力噴氣發動機燃燒循環各階段的剖面圖:進氣階段(附圖6a)，點火階段(附圖6b)，燃燒階段末期/熱力點火槽採氣階段(6c)，排氣階段(6d)。
【具體實施方式】
[0015]本文中，詞語「上遊」和「下遊」以氣體從進氣端到排氣端的流動方向為參考。詞語「上」和「下」指的是對象相對發動機中平面的位置。詞語「內部」指的是對象位於上述中平面內。詞語「橫向的」指的是在中平面內，垂直於縱向軸的方向。
[0016]附圖1所示縱向剖視圖為本發明所涉及熱力噴氣發動機的其中一種。其殼體20的橫截面近似矩形，空間上近似為長方體，有上壁20s和下壁20i。殼體形狀的另一種可能性為橢圓形，以便更合理地分布機械載荷。此殼體20的中平面Pm是對稱的。殼體20沿氣體移動方向，從上遊到下遊分別是:用於來自上遊壓氣機(未示出)的壓縮空氣Fa的進氣套筒2、用於新鮮預混氣體的燃燒室4、以及用於燃燒廢氣的排氣管6。
[0017]進氣套筒2，燃燒室4和排氣管6由徑向突出面1A至1D界定。上述4個突出面兩兩成對，1A和1B為一對，1C和1D為另一對，兩對突出面分別關於中平面Pm對稱。進氣套筒2和燃燒室4被1A和1B界定；燃燒室4和排氣管6被1C和1D界定。1A和1C位於上壁20s的內表面21s ;10B和1D位於下壁20i的內表面21i。位於燃燒室4中的旋轉噴入閥3將進氣套筒2和燃燒室4分隔；位於排氣管6中的旋轉噴出閥5將燃燒室4個排氣管6分隔。旋轉噴入閥3和旋轉噴出閥5為支柱體，其基部近似圓形，其旋轉軸分別為X』X和Y』Y。上述旋轉軸分別位於燃燒室4和排氣管6的中平面Pm內。此外，兩組突出面1A — 1B和1C和1D在每個燃燒周期內周期性地與噴入閥3和噴出閥5發生接觸，分別與中心3A和5A構成約為120° (度)的鈍角。
[0018]在噴入閥3和噴出閥5的柱面等間分布著3段圓柱弧面，它們分別是噴入閥3表面的31，33，35和噴出閥表面的51，53，55.這些圓柱弧面沿其周向被以下凹陷部分隔:噴入閥3的32，34，36和噴出閥5的52，54，56。其中52，54，56為平切面。噴入閥3凹陷部的凹切面設計相對於平切面設計能顯著提高燃燒室4中預混氣體的填充率。
[0019]更具體地，沿噴入閥3的周向，其凹陷部32，34，36的弦長几乎等於其圓柱弧面31，33，35的弦長。從而優化燃燒室4中有規律地進氣。沿噴出閥5地周向，其凹陷部52，54，56的弦長大於其圓柱弧面51，53，55的弦長，從而優化排氣管6中的排氣。
[0020]本示例中，噴入閥3的凹陷部32，34，36的凹切線形為:由一條凸曲線連接的兩條凹曲線。此設計可以增加燃燒室的氣密性。附圖6a至6d，凹陷部32，34，36隨噴入閥3以X』 X為軸旋轉形成新鮮預混氣體的進氣通道；凹陷部52，54，56隨噴出閥5以Y』 Y為軸旋轉形成燃燒廢棄的排氣通道。噴入閥3和噴出閥5同步旋轉，轉速一致。
[0021]此熱力噴氣發動機還具有燃料閥7，熱力點火槽8，冷卻管9至11。
[0022]燃料閥7橫向位於壓縮空氣流1?的進氣套筒2中，用於生成新鮮預混氣體。燃料閥7由旋轉管70和套管71組成。旋轉管70被套管71緊包並在其中旋轉。旋轉管70管壁有兩個軸向長孔73和76。套管71的外壁關於中平面？111對稱，每側由凸壁7匕和凹壁716組成。凹壁7化和噴入閥3的圓弧32(圖中虛線標註)平滑過渡。凸壁7匕和凹壁7化之間是管道7化和71山當旋轉管70的軸向長孔73或76與管道7化或71(1聯通時燃料噴出。
[0023]管道71(3和71(1在旋轉管70 —側的寬度等於軸向長孔73和76的寬度，並沿徑向縮小。並在外壁7匕和7化之間形成燃料噴口 720和72(1。此燃料噴口位置接近噴入閥3，以便於在離燃燒室4進氣口儘可能近的位置形成新鮮預混氣體。燃料噴口 7匕和716離燃燒室4進氣口距離的確定取決於預混氣體的完全汽化過程。
[0024]熱力點火槽8橫向位於燃燒室4內貼合噴入閥3，由兩個曲壁83和86構成。曲壁如和油的內側形成兩個管道8(3和8(1。在這兩個管道末端即曲壁如和油的交匯處分別是2個聯通燃燒室4的橫向開口 86和8？。開口 86個8？貼合噴入閥3的圓周面，在凹陷部32，34，36與開口 86和8？相對的這段時間間隔中，燃燒室4與熱力點火槽8通過凹陷部32，34，36聯通，實現燃燒廢氣的雙向循環。
[0025]燃燒所產生的高溫排放氣體的散熱問題由冷卻管解決。這些冷卻管的位置儘可能的貼合排出閥5，冷卻管內流動著載熱流體以實現熱交換。上遊罩9是其中一種冷卻管，位於燃燒室4內部噴出閥5的上遊橫向放置，由曲面如和％組成。曲面如和％首尾相連，形成封閉管道。曲面％與噴出閥5的弧線52(圖示虛線部分)儘可能地貼合。
[0026]另一種冷卻管:下遊罩10位於排氣管6內部噴出閥5下遊，和上遊罩9類似，由曲面103和106構成，其中曲面103與噴出閥5的弧線52(圖示虛線部分)儘可能地貼合。
[0027]內冷卻管11，位於噴出閥5內，以轉軸V』V為中軸，用管內載熱流體將熱量導出。
[0028]控制單元100用於控制燃料閥7，噴入閥3和噴出閥5的旋轉。燃料閥7的旋轉由噴入閥3的旋轉決定。噴入閥3和噴出閥5為同速旋轉，以便於在給定的時間內在燃燒室4內進行等容燃燒。
[0029]附圖2展示了噴出閥5的另一種設計方案。與附圖1中使用平切面52，54，56的設計方案不同，附圖2中凹陷部52』，54』，56』採用了凹切線形，類似附圖1中噴入閥3的凹陷部32，34，36的凹切線形。此種設計方案相比原有附圖1中所示方案，在弦長相同的前提下凹陷部深度為原有的2倍，明顯提高了燃燒室4中燃燒廢氣向排氣管6的排放率。
[0030]透視圖33展示了介於殼體上壁201和下壁208之間，噴入閥3，噴出閥5，熱力點火槽8的橫向延伸情況，和其與軸XI，VI，中平面？III之間的平行關係。如圖中所示，熱力點火槽8的曲壁&!的形狀與噴入閥3曲面31的形狀貼合，換句話說，曲面8的形狀與噴入閥3的圓面31，33，35及弧面32的形狀相同。圖中還立體地示出凹陷部32，34，46略帶隆起的底部形狀。
[0031]附圖此展示了噴入閥3和噴出閥5的同步旋轉機構。噴入閥3和噴出閥5同側的端部裝有驅動輪(30, 50)。驅動輪30，50由傳動帶12連接，從而保證噴入閥3個噴出閥5的同步旋轉。噴入閥3經由齒輪組(未示出)被一臺電機(未示出)驅動。驅動輪一傳動帶一齒輪組構成了傳動裝置200，由控制單元100控制。
[0032]附圖4所示熱力噴氣發動機為附圖1，2所示熱力噴氣發動機的改型。其噴入閥3和噴出閥5的凹陷部不同於附圖1，2，3中的凹陷部，採用了非對稱橫截面設計，它們分別是32，，34，，36，和 52〃 ,54^ ,5677。
[0033]附圖4所示熱力噴氣發動機相比附圖1，2所示型號相比，設計完全相同，除了噴入閥3，3』，噴出閥5，5』，5〃和熱力點火槽8，8』。附圖4中的熱力點火槽8』與熱力點火槽8的區別在於:內部增加位於中平面？111內的隔板81將原有單個空腔分成2個關於中平面？111對稱的橫向空腔803和806。
[0034]附圖4中凹陷部32』，34』，36』的底部線形為凹曲線連接直線；凹陷部52〃，54〃，56〃的底部線形為凹曲線連接凸曲線。在其他設計方案中噴入閥的凹陷部底部曲線為雙曲線，噴出閥的凹陷部底部曲線為單曲線。
[0035]在非對稱凹陷部32』，34』，36』和52〃，54〃，56〃的設計中，凹曲面3？』和5？』位於凹陷部內靠旋轉方向(箭頭町和以)一側，換句話說箭頭町和陽分別指向3？』和5？』。這種設計使得新鮮氣體61和燃燒廢氣62將自身內能與動能分別轉化成噴入閥3』和噴出閥5〃的旋轉動能，並且形成更流線型的進氣與排氣通道。優化進氣與排氣過程減少能耗。
[0036]附圖5所示為具有4個凹陷部的噴入閥和噴出閥設計方案15。和有3個凹陷部的設計類似，其柱面分為圓柱弧面和凹切面兩種，分別為151150,156，158和5比15山15？，151包罩和02分別位於閥15的上遊和下遊，其內緣面和閥15的外緣面152(所示虛線部分)貼合。當閥15作為噴入閥時，和02分別作為燃料閥和熱力點火槽；當閥15作為噴出閥時，01和02為冷卻管。
[0037]附圖63到6(1以附圖1中的熱力噴氣發動機為樣本，闡述燃燒循環的各個階段。按順序各階段分別是:附圖63:燃料噴射一新鮮預混氣體的進氣階段。附圖66:新鮮預混氣體的點火和燃燒階段。附圖6(3:燃燒過程末期的熱力點火槽採氣階段。附圖6(1:燃燒廢氣的排放階段。附圖如至6(1為各自所述階段中的瞬間定格。隨著噴入閥3(按町方向)，噴出閥5 (按82方向)和燃料閥7旋轉管70的旋轉，附圖如至6(1按次序周期性的重複。
[0038]附圖63中，燃料閥7的旋轉管70從動與噴入閥3，當長孔73和76與套管71的管道7化與71(1重合聯通時，燃料從旋轉管70內腔經由長孔73和幾，管道7和71(1噴入進氣套筒2中。當燃料經過燃料噴口 720和72(1時霧化成小液滴沿箭頭？1方向噴射，與沿方向流動的壓縮空氣混合，形成新鮮預混氣體61。此時噴入閥3和噴出閥5為開啟狀態，新鮮預混氣體以進入燃燒室4，將上一個燃燒周期積留的燃燒廢氣似掃清，完成進氣階段。
[0039]新鮮預混氣體以經進氣通道八1進入並充滿燃燒室4，並將前一個燃燒周期殘留在燃燒室4內的燃燒廢氣似掃清。被掃清的燃燒廢氣由排氣通道八2進入排氣管6。進氣通道八1位於燃燒室4進氣側上下兩端，由發動機殼體內壁凹面10八，108，噴入閥3凹陷部32，34，36構成。排氣通道八2位於燃燒室4排氣側上下兩端，由由發動機殼體內壁凹面100，100，噴出閥5凹陷部52，54，56構成。進氣通道八1和排氣通道八2的高度分別隨噴入閥3和噴出閥5的旋轉而變化，在進氣階段(附圖64中進氣通道八1從完全張開變為完全關閉。從排氣階段(附圖6(1)到進氣階段(附圖6幻的過程中排氣通道八2從完全張開到完全關閉。
[0040]附圖66:隨著噴入閥3和噴出閥5的進氣通道八1和排氣通道八2完全關閉。燃燒室4成為封閉狀態，與進氣套筒2和排氣管6隔絕。此時噴入閥3的圓柱弧面31，35分別與殼體突出面101108貼合；噴出閥5的圓柱弧面51，55分別與殼體突出面10(:,100貼合。同時，燃料閥旋轉管70的長孔7^713與管道7化和71(1錯開，燃料噴射被切斷。
[0041]在前一個燃燒循環的燃燒過程中一部分高壓燃燒廢氣62被儲存在熱力點火槽8中。在當前燃燒周期中，當充滿新鮮預混氣體的燃燒室封閉之後，儲存在熱力點火槽8中的燃燒廢氣似通過管道8。和8(1再次進入燃燒室4。當燃燒廢氣62與新鮮預混氣體以接觸，新鮮預混氣體以被點燃，誘發燃燒。
[0042]附圖6^:在燃燒階段的過程中，噴入閥3和噴出閥5始終保持連續同步旋轉，進氣通道八1和排氣通道八2保持完全關閉，燃燒室4保持封閉從而實現等容燃燒。在燃燒階段接近結束時，熱力點火槽8的通道8(3，8(1打開，由於在熱力點火槽8內腔和燃燒室4之間存在壓力差，燃燒室4內一部分燃燒廢氣在壓力差的作用下進入熱力點火槽8的內腔並停留在內，用作下一燃燒周期點火只用。
[0043]附圖6(1:隨著噴入閥5的連續旋轉，圓柱弧面51，55不再與突出面100，100保持接觸，且兩者(圓柱弧面和突出面)之間距離增大，排氣通道八2因此開啟，燃燒室4和排氣管6聯通。由於燃燒室4和排氣管6之間存在壓力差，燃燒廢氣似在壓力差的作用下從燃燒室4流向排氣管6，燃燒室4內燃燒廢氣似的壓力降低。隨後，進氣通道八1開啟(與排氣通道八2開啟過程相似)，進氣套筒2與燃燒室4聯通。至此一個燃燒周期完成。隨後新鮮預混氣體以進入燃燒室4(附圖如所述過程)從而進入下一個燃燒周期。整個過程中，燃料閥7，噴入閥3，噴出閥5始終保持連續旋轉。
[0044]附圖如至6(1所述燃燒周期在旋轉閥(噴入閥3和噴出閥5)單個旋轉周期內重複3次。如果採用附圖5所示4槽旋轉閥，則在旋轉閥單個旋轉周期內有4次燃燒周期。換句話說，燃燒周期和燃料閥7，噴入閥3，噴出閥5的旋轉周期有確切的對應關係。單個燃燒周期中，在每一次進氣通道八1開啟關閉的時間區間內，等量的新鮮預混氣體以進入燃燒室4，使燃燒室4內的壓力滿足氣體完全燃燒的要求。此量由設計確定，取決於噴入閥3的幾何形狀和轉速。
[0045]需要申明的是:本發明並不局限於本文所述的實施方案和附圖。換句話說，本文所展示的示例僅為本發明所涉及技術的一部分應用。例如:熱力點火槽適用於所有類型熱機的燃燒室；旋轉燃料閥適用於所有類型熱機的點火過程。此外，發動機殼體各部分(進氣套筒，燃燒室，排氣管)的界定也不局限於殼體內壁突出面(10八至100)的設計，例如:使用旋轉閥表面的突出面或者旋轉閥本身來界定發動機殼體各部分。另外，凹陷部的深度可以為可變的；凹陷部幾何形狀在滿足性能要求的前提下可為任何類型。
[0046]同樣地，熱力點火槽的位置也不局限在燃燒室內部。比如位於燃燒室外部，通過管道實現燃燒室和熱力點火槽的聯通。另外，噴入閥也不局限於單個，例如兩個關於中平面對稱反向旋轉的噴入閥。
【權利要求】
1.旋轉閥每個旋轉周期內多次噴射和多次燃燒的推進方法，其每個燃燒周期分為以下幾個階段: 一進氣階段:新鮮氣體(Gl)進入燃燒室(4)； 一等容燃燒階段:新鮮氣體(Gl)在燃燒室(4)內進行等容燃燒轉化成燃燒廢氣(G2)； 一排氣階段:燃燒廢氣(G2)從燃燒室(4)排出； 其特徵在於: 旋轉閥進行連續旋轉，其單個旋轉周期內利用凹陷部，完成至少三次等容燃燒周期；具體來說，噴入凹陷部(32，34，36 ;32』，34』，36』)中的每一個旋轉一周對應一個完整的等容燃燒周期； 噴入凹陷部(32，34，36 ;32』，34』，36』)連續旋轉，周期性地形成進氣通道(Al)從而使新鮮氣體(Gl)在預定的時間內進入燃燒室(4)，完成進氣； 噴入凹陷部(32，34，36 ;32』，34』，36』)繞橫軸(X』 X)進行連續旋轉，隨等容燃燒周期的重複，不間斷地連續旋轉； 噴入凹陷部(32，34，36 ;32』，34』，36』)中的每一個都將等質量的新鮮預混氣體(Gl)噴入燃燒室(4)中；為使燃燒室(4)中的壓力達到最佳值，上述新鮮預混氣體的質量由凹陷部的幾何形狀和轉速確定。
2.如權利要求1所述的旋轉閥每個旋轉周期內多次噴射和多次燃燒的推進方法，其特徵在於，在每個等容燃燒階段末期，一部分高溫高壓的燃燒廢氣(G2)被儲存在熱力點火槽(8)內，用於下一個燃燒周期的點火；當新鮮氣體(Gl)的進氣階段完成後，來自上一個燃燒周期的燃燒廢氣(G2)在壓力差的作用下從熱力點火槽(8)噴入燃燒室(4)，與新鮮氣體(Gl)混合，點燃新鮮氣體(Gl)。
3.如權利要求2所述的旋轉閥每個旋轉周期內多次噴射和多次燃燒的推進方法，其特徵在於，利用凹陷部(32，34，36 ;32』，34』，36』)完成燃燒廢氣(G2)的採氣過程；採氣過程在噴入凹陷部(32，34，36 ;32』，34』，36』)轉向燃燒室(4)內部的時間區間內進行。
4.如權利要求2或3所述的旋轉閥每個旋轉周期內多次噴射和多次燃燒的推進方法，其特徵在於，燃燒廢氣(G2)採氣過程和再噴射過程的操作相似，氣體流向相反。
5.如權利要求2-4之一所述的旋轉閥每個旋轉周期內多次噴射和多次燃燒的推進方法，其特徵在於，採氣過程為燃燒廢氣(G2)從燃燒室(4)進入熱力點火槽(8);再噴射過程為燃燒廢氣(G2)從熱力點火槽(8)噴入燃燒室(4)。
6.如前述權利要求中任一項所述的旋轉閥每個旋轉周期內多次噴射和多次燃燒的推進方法，其特徵在於，在每個燃燒周期的進氣階段，壓縮空氣(Fa)流經燃料閥(7)從而在燃燒室(4)中形成新鮮預混氣體(Gl);燃料經由長孔(7a，7b)噴入空氣流(Fa);長孔(7a，7b)保持連續旋轉，並與通道(71c，71d)共同完成燃料的周期性間歇噴射；燃料在空氣流(Fa)中的噴射周期與進氣階段的時長同步。
7.如前述權利要求中任一項所述的旋轉閥每個旋轉周期內多次噴射和多次燃燒的推進方法，其特徵在於，等容燃燒過程之後，燃燒廢氣(G2)的排氣過程中，每一個噴出凹陷部(52,54,56 ;52』，54』，56』 ;52"，54"，56")周期性地形成排氣通道(A2);燃燒廢氣(G2)經由排氣通道(A2)從燃燒室(4)中排出；噴出凹陷部(52，54，56 ;52』，54』，56』 ;52"，54"，56")繞橫軸(Y』Y)進行連續旋轉，在每個等容燃燒周期中連續不斷地重複；排氣通道(A2)形成與關閉的周期與進氣通道(Al)形成與關閉的周期時長一致。
8.如前述權利要求中任一項所述的旋轉閥每個旋轉周期內多次噴射和多次燃燒的推進方法，其特徵在於，在貼近噴出凹陷部(52,54,56 ;52』，54』，56』 ;52"，54"，56")的位置，有燃燒廢氣冷卻管(9至11);冷卻管(9至11)利用熱交換原理進行冷卻。
9.如前述權利要求中任一項所述的旋轉閥每個旋轉周期內多次噴射和多次燃燒的推進方法，其特徵在於，燃料閥噴孔(7a，7b)，噴入凹陷部(32，34，36 ;32』，34』，36』)，噴出凹陷部(52，54，56 ;52』，54』，56』 ;52"，54"，56")三者同步連續旋轉的特徵在於，等容燃燒過程中，進氣通道(Al)和排氣通道(A2)關閉，燃燒室(4)被隔絕，燃料噴射暫停；在排氣階段與進氣階段之間為掃氣過程，在此過程中，新鮮氣體(Gl)經由進氣通道(Al)進入燃燒室(4)，將上一個燃燒周期積留的燃燒廢氣(G2)經由排氣通道(A2)排除。
10.單閥熱力噴氣發動機實現了上述權利要求中的任意一項，其特徵在於，其殼體(20)由上壁(20s)和下壁(20i)構成；殼體的上下壁表面還依次構成:壓縮空氣流(Fa)的進氣套筒(2);燃燒室(4)和排氣噴管(6);其特徵在於在燃燒室(4)內，有唯一的旋轉噴入閥(3，15)和至少一個旋轉噴出閥(5，15)，分別以橫軸(X』X)和(Y』Y)為旋轉軸；進氣套筒⑵和燃燒室⑷以橫軸(X』X)為分界；燃燒室⑷和排氣管(6)以橫軸(Y』Y)為分界；連續旋轉閥(3，3』 ；5，5』，5" ；15)為多面直柱體，其圓弧柱面(31，33，35 ;51，53，55 ;15a，15c，15e，15g)被凹陷部(32，34，36 ;32，，34，，36，；52，54，56，52，，54，，56，;52"，54"，56" ;15b，15d，15f，15h)等距分開；上述凹陷部分別隨連續旋轉閥(3，3，;5，5』 ；15)的連續旋轉(R1，R2)，周期性地形成進氣通道(Al)和排氣通道(A2);在控制裝置(100)的調節下，連續旋轉閥(3，3』 ；5，5』，5" ；15)分別繞(X』X)和(Y』Y)進行同步連續旋轉，使進氣通道(Al)和排氣通道(A2)的高度呈周期性變化，從而實現進氣通道(Al)和排氣通道(A2)的完全開啟和完全關閉。
11.根據權利要求10所述的單閥熱力噴氣發動機在貼近旋轉噴入閥(3)的位置裝有熱力點火槽(8)，其特徵在於，此熱力點火槽(8)有管道(8c，8d)，管道(8c，8d)分別有開縫(8e，8f);在噴入凹陷部(32,34,36 ;32』，34』，36』 ; 15b，15d，15f，15h)的作用下，燃燒室⑷內部氣體在等容燃燒末期和點火之前，在燃燒室⑷和熱力點火槽⑶之間流動。
12.根據權利要求10或11所述的熱力噴氣發動機(1，I』)，其特徵在於，其連續旋轉閥(3,5,15)至少有三個凹陷部(32,34,36 ;32』，34』，36』 ;52，54，56 ;52』，54』，56』 ;52"，54"，56")，或者四個凹陷部(15b，15d，15f，15h)，以及圓柱弧面(31,33,35 ;51，53，55 ；15a,15c,15e,15g)；
13.根據權利要求10或12所述的熱力噴氣發動機(1，I』)，其特徵在於，凹陷部(32，34，36 ;32』，34』，36』 ；52，54，56 ;52』，54』，56』 ；52 "，54 "，56 ")底部凹切面(3F, 3F』，5F』)有多種選擇，比如:平面(52，54，56);凹曲面與平面相連(32，，34，，36，);凹曲面與凸曲面相連(52〃，54"，56");由凸曲面連接兩個凹曲面(32，34，36 ;52』，54』，56』)。
14.根據權利要求12所述的熱力噴氣發動機(1，I』)，其特徵在於，其連續旋轉閥(3，3，，5，5，，5")的三個凹陷部(32,34,36 ;32』，34』，36』 ;52，54，56 ;52』，54』，56』 ;52 "，54"，56")等間分布在三個圓柱弧面(31，33，35 ;51，53，55)之間；連續旋轉閥(3，3』，5，5』，5")的旋轉軸(Χ』Χ,Υ』Υ)分別位於燃燒室(4)內和排氣管(6)內。
15.根據權利要求10至14所述的熱力噴氣發動機其特徵在於，旋轉噴入閥(3，3，)的凹陷部(32，34，36 ;32，，34，，36，)的弦長與圓柱弧面(31，33，35)的弦長相等；旋轉噴出閥(5，5』，5〃)凹陷部(52，54，56 ;52』，54』，56』 ;52"，54"，56")的弦長大於圓弧柱面(51，53，55)的弦長。
16.根據權利要求10至15中所述的熱力噴氣發動機(1，I』)，其特徵在於，在進氣套筒(2)內部有燃料閥(7)，位於壓縮空氣流(Fa)內；在每個燃燒周期的進氣階段產生流向燃燒室(4)的預混氣體(Gl);燃料閥(7)包含旋轉管(70)和套筒(71);旋轉管(70)有至少兩個開孔(7a，7b)，套筒(71)有至少兩個通道(71c，71d)及應對的燃料噴口(72c，72d);套筒(71)將旋轉管(70)套住；其工作方式為:在進氣階段，旋轉管(70)與噴入閥(3，3』)同步連續旋轉，周期性地在空氣流(Fa)中噴射燃料，從而在進氣套筒(2)內形成空氣一燃料新鮮預混氣體(Gl);更具體地說，上述燃料噴射過程發生在燃燒室(4)的進氣通道(Al)開啟階段，此時通道(71c，71d)與開孔(7a，7d)重疊聯通。
17.根據前述權利要求中任一項所述的熱力噴氣發動機(1，I』)，其特徵在於，燃料閥(7)的位置靠近噴入閥(3，3』)，與預混物質完全汽化的時長匹配，在燃燒室(4)的進氣通道(Al)附近形成空氣一燃料新鮮預混氣體(G1)。
18.根據權利要求10至17中所述的熱反應器單閥驅動裝置其特徵在於，有至少一個用於燃燒廢氣(G2)的冷卻管(9至11)，其內部流動著載熱流體，其位置靠近噴出閥(5，5，，5")。
19.根據前述權利要求中任一項所述的熱力噴氣發動機(1，I』)，其冷卻管特徵在於，有一下幾種形式:位於燃燒室(4)內的上遊罩(9);位於噴出閥(5，5』，5")內部，與旋轉軸(Y』Y)同軸的內冷卻管(11);位於排氣管(6)內部的下遊罩(11)。
20.根據權利要求10至19中的所述的熱反應器單閥驅動裝置其特徵在於，控制裝置(100)用於調節燃料閥(7);噴入閥(3，3』)；噴出閥(5，5』，5")的同步旋轉；燃料閥(7)的旋轉與噴入閥(3，3』)的旋轉同步，具體地說，在進氣套筒(2)內的燃料噴射與燃燒室(4)進氣通道(Al)的開啟過程同步；噴入閥(3，3』)與噴出閥(5，5』，5")的轉速相同，使得進氣通道(Al)和排氣通道(A2)同時關閉，繼而進行等容燃燒。
【文檔編號】F02C5/12GK104321515SQ201380023971
【公開日】2015年1月28日 申請日期:2013年6月5日 優先權日:2012年6月7日
【發明者】不公告發明人 申請人:阿奎拉米歇爾