一、冲程式发动机已有200多年历史。虽然技术水平日臻完善但其原理未有突破,因此它并不是最科学的动力机械。有两个原因表明它的致命缺憾。
1、动力机械应是简单可靠。但目前的太过复杂。最简单内燃机是柴油打桩机(建筑工地做基础的机器),它只有二个过程;压缩(下落)、爆炸(升起)用反冲力实现打桩目的。是最简单的动力机械。再看目前车用内燃机过于复杂。在一个气缸内,活塞四冲程实现吸、压、爆、排过程,必须有相应的机构来完成控制。而且要求严格和准确(因为发动机转速在6000—8000转/分钟)。
2、机械效率低,永远超不过40%大关的原因是将活塞直线运动转换成曲轴的旋转运动,实现动力输出。其中的机械消耗无法减低。这是冲程发动机的原理弊病。只能从设计理念上有革命性的变化来提高内燃机效率。在上世纪50年代曾有过振子式发动机的研究和试验。但无法克服材料关(因为高速转动的振子,无法实现有效的润滑和冷却)。
总之,活塞往复直线冲程 → 连杆曲轴旋转 → 变速箱转为低速大扭矩,实现动力输出的工作原理。第一不能实现机械效率大幅度提高,第二因曲轴工艺复杂材质要求高而不能实现低成本和小型化。
二、基于以上分析,全世界都在研究和变革内燃机。但是脱不开已有的思路,永远找不到解决问题的方法。人类第一次工业革命是以蒸汽机的发明和应用为象征,它解决了人类需要动力源的问题,世界因此而突飞猛进。然而这一伟大的发明是源于人们观察到蒸汽可以顶起壶盖这样一个平常简单的自然现象,从而产生了新的思维,技术问题随即解决。所以说思路是方法的先导。人类的每一次进步都是这样一句话的验证。但是发达国家的人不一定都是最聪明的。多少发明都是从中国首先开始。那么,如何脱开四冲程直线气缸的思路就是关键。
分析(1):冲程发动机做功只有一个冲程(爆炸),其余三个冲程是为这一个冲程服务的。
分析(2):柴油打桩机二个冲程,它的目的是把钢桩打入地下,下落打击冲程(兼压缩),爆炸反弹冲程都能实现钢桩入土的目的,吸、排冲程是在压缩和爆炸冲程中同时完成。
分析(3):振子式发动机是靠三角形活塞做功,脱离了气门开启关闭的麻烦,在不规则气缸中连续实现吸、压、爆、排功能,但无法克服油滑和油冷难题(因而材料无法过关)。
变革思路:改变活塞直线冲程 → 连杆曲轴旋转==动力输出,变为活塞在环形气缸的圆运动实现对称做功,有用冲程的简单实现。
蒸汽机的发明,给了我们一个很好的启示;自然界中看似平常的事物,其中蕴含着很多科学道理。基于这种思想如何做到内燃机直线冲程变为活塞在圆形缸道上做功,实现动力输出,这就是变革思路。儿童玩具兔耳风车就揭示了这样一个很了不起的科学道理。如图:(兔耳风车不是透平风车)它是由四个对称的兔耳形状的风轮组成。每个兔耳的形状是外沿圆弧形,内部是个空洞。他的旋转只有一个方向,即按外沿弧形方向旋转。这可用流体力学的原理来解释;因为不管风从何方来,外沿弧形和内部空腔同时受到作用力。但外沿弧形受力的合力是指向圆心的,因此不会产生运动,只有空洞受力是指向前进方向,推动叶轮转动。按照这个思路,可以将直线冲程式内燃机变革为旋转冲程式内燃机。
三、设计思想
系统工程的最原则的解释就是体系的思想和方法。按变革思路的要求。变革后的发动机应具备以下特点:
1、摆脱直线气缸,往复活塞,连杆和曲轴等部件(这些部件加工复杂,精度高,材料刻薄)。减少这些部件直线往复运动产生的能量损耗。
2、用环形气缸(缸道)和工靴代替直线气缸和活塞(包含连杆和曲轴),实现工靴沿环形缸道做圆运动(简言之:变活塞直线往复为工靴的圆运动,即旋转式发动机)。
3、旋转式发动机只保留一个爆炸做功有效行程,而且是对称做功。排气行程在做功行程中自然取得(就像柴油打桩机没有排气行程一样)。
4、旋转式内燃机的转动部分,由上工靴,上工芯,密封环,下工靴,下工芯,空心转轴和轴承组成。每个单元旋发机由二个叠加的(垂直对接)的旋转部分和一个同轴的配气系统(完成吸气压缩)组成。
5、一个单元机即是一个独立的旋转式发动机总成。根据实际要求,不同功率输出的荷载可以由几个单元机串连取得。这种设计就是完整的系统工程思想方法的直接体现。
四、旋转式内燃发动机的特点分析
1、每个单元机由二个旋转内燃机和一个配气系统组成。旋转内燃机对称做功(力偶矩)。产生大扭矩。(目前的直线冲程发动机特点是高速小扭矩 → 变速箱 →低速大扭矩)
2、可以省掉变速箱,直接通过转盘(即惰性轮)和转轴输出动力。
3、低转速大扭矩是各类交通工具的最终要求,农用机械,装甲车,舰船和直升机尤其需要这种特点的发动机。
一项新技术的产生是很不容易的。上世纪30年代德国工程师研制旋翼机(直升机)时,曾遭遇到权威专家的质疑,认为四个旋翼无论如何也不能承担直升机本体的重量。更谈不上荷载。这些专家也无论如何意想不到高速旋转的旋翼,从末稍到根部,每个微小的部分都在产生举力,累积到中心转轴会产生巨大的升力而拉起直升机的原理。
五、原理简单
旋转式内燃发动机工作原理十分简单:它由环形缸道,渐开线形状的工靴,缸道外侧对称的燃爆室,以及同轴连体的旋转压气机组成。工作过程是让与主轴相连的工靴在密封的缸道上运动。工靴的尾端立面受到燃爆压力,可向前沿缸道做圆运动,而渐开线形的表面也会受力,但不做功(因为它的受力方向指向转轴,不产生位移)。在环形缸道的二个对称点处,设计有燃爆室,将压缩空气和燃油混合气,在工靴尾端刚转过时燃爆,产生的推力使工靴带动转轴实现扭力输出。这就是旋转式内燃发动机的工作过程。
六、研发的思考
我在做这项发明时,查阅大量资料,经常和业内有经验的人探讨。他们都认为不可能成功。因为国内、国外多少科研单位都曾努力做过,包括日本、美国这样发达国家,未见成功。更何谈我一个人的努力。可我认为是他们没有完全脱离开完美的设计思想和基础理论未实现真正意义的突破的原因。
人类社会的发展就是一部变革史,有些变革是在不经意中产生的。每次变革都会给社发展带来新的动力,并造福于人类。
这项发明,我仅做了原理设计。说的更明白些,仅是一种想法。要想从原理设计做出一台实物(样机),我个人能力无法实现。希望能与科研机构共同来完成这项发明。
旋转式内燃发动机的工作过程
1、 兔耳风车的物理效应分析
流体力学有一重要定律:当流体对刚性物体做功时,其作用力是垂直于物体表面的。因而兔耳风车在受到风力作用时,垂直于圆弧面的作用力的合力是指向圆心的,因此只受力而不做功。因此风车只会朝一个方向转动。这就是我们设计旋转式内燃机的科学依据。因为它符合力学做功原理,是可以相信的机械装置。
2、 按热力学原理:高热(高温、高压)气体做功时的条件,是它与周围环境有较大的温差和压差。旋发机的工芯受到燃爆热力反复做功,热力做功过程就是热量下降的过程,也是燃气体积减小的过程,最终把废气直接排出缸道(是呼出缸道)。而不像冲程式发动机,要有一个冲程把仍有能量的燃气当作废气挤压出气缸而形成爆破声。同时工芯的齿根可以把燃烧后的残渣和积碳留在其中,不会直接排入大气。可以自然地达到较高的排放标准。
3、 燃烧过程就是内燃机做功过程,燃爆力呈反指数下降。我们设计的工作部件(工芯)的截面积随缸道长度也按反指数下降,能保证工芯的做功效果与燃气压力下降严格配合,是它反复做功,作用力叠加,实现功率最大获得。
旋发机的关键工作部件说明:
环形缸道——实现一个对称工靴能沿环形运动的缸道,有密封作用。
上、下工靴——重要的运动部件,实现密封缸道,实现润滑和隔热作用,是工芯的外壳。
上、下工芯——做功核心部件,能实现热力反复多次做功。
密封环——与上工靴完成隔离气缸道和机油通道的作用,是对称扭矩的传递部件。
工芯截面积随缸道长度按反指数下降的数学关系式:
Y =y0/exy0:上工靴的垂直端截面积
y:为上下工芯的截面积
x:环形缸道的长度(以弧度表示,范围0~∏)
4、 旋发机工作过程简述及优势分析
由于旋发机同轴的旋转式压缩机输送来的高压热空气(可达15个大气压,可控范围在11~13兆帕间)。送入环形缸道外侧对称的燃爆室。同时由高压油泵将燃油压入同位置的油嘴泵油器(泵油器喷油可以采用电控或者机械压控)。当油气同时开启时,形成的高压燃气在燃爆室燃爆,环形缸道上工靴刚转过燃爆室的瞬间,上、下工芯可获得巨大的燃爆力,推动工靴和密封环沿缸道运动,推力转化为机械功传递给转轴,获得巨大扭矩,从而实现动力输出。
因为上下工靴受力是连续的和对称的特点,所形成的转动力矩平稳且巨大,而且无振动。又因呼出的废气是连续排出,所以排气过程无噪声,是自然呼出。
一、冲程式内燃机设计缺陷分析
1、 燃油效率低
按燃油当量测算如下:每马力小时的热值为632.5大卡。每公斤燃油的热值为10150大卡。一台标称150马力汽车,百公里耗油28公斤(保守值)。28公斤燃油按当量折算应为500马力小时。故理想状态下150马力的内燃机实为燃油效率的30%。
造成直线冲程式内燃机效率低的主要原因是设计原理不科学。因为燃气燃爆后燃爆力呈反指数下降。而气缸是圆柱体。当活塞运动超过气缸一半后,剩余的推力已无法有效地推动活塞运动,而是靠其他气缸联动。如果设法改变气缸的直径为上大下小,也按反指数变小,就可以大大提高机械效率。但对冲程式内燃机这是不可能的。
2、 材质要求高
冲程式内燃机的关键部件是连杆,它要反复受到拉伸和压缩力,工作状况十分恶劣。因此要求的材质和制造工艺很高,不然会产生断裂损坏气缸。
曲轴的材质和工艺要求更为复杂严格,几何定位微米级要求。
曲轴箱、曲轴、活塞、连杆的联接部位全部是轴瓦式连接,间隔要求是过渡配合,因而摩擦就大,产热也高。因而耗能也多,高温高热下,材质要求特别高。
3、 控制部件多,制造难度高
气门:是内燃机的呼吸通道靠气门开关。按四缸16气门,可以想象控制要多么准确和复杂。
曲轴的上静止点和下静止点是死穴。然而恰在这二个点上连杆和曲轴受到的燃爆力最大(这也是为什么车在低速时出现较大震动的原因)。因而要求曲轴箱、轴套、轴瓦等部件特别牢固,材质特殊的原因。
4、 体积大,噪声大
冲程式内燃机的气缸和曲轴箱是上下连体的,连杆是联接活塞和曲轴的关键。
曲轴的旋转直径(A)≥气缸的工作长度(L)
气缸的直径(Ф)≥1/2 气缸的工作长度(L)
所以按单缸测算,活塞内燃机的体积总高是气缸长度的二倍以上,总宽是气缸长度的1.5倍以上。
基于以上分析,冲程式内燃机无法实现有效地提高进气压缩比,因而燃烧效率就上不去。因此它必须采用多缸工作以增加出率。但整机的机械效率很低。这一系列的设计缺陷,造就了冲程式内燃机燃烧不充分,做功不彻底的根本问题,必须从根本上彻底改变。
二、旋转式内燃发动机的工作过程和优势分析
Y =y0/ex y0:上工靴的垂直端截面积
旋发机的优势在于原理科学、设计合理、工作可靠、结构简单。相比当下冲程机,在同等输出功率下,体积是冲程机的1/5,燃油效率提高一倍,造价却为冲程机的1/8,整个总成没有一处齿轮吻合。所以制造简单,又因为燃烧充分所以环保。
改变活塞直线冲程,舍弃连杆、曲轴、气门等部件。用环形缸道代替直线气缸。上、下工靴在燃爆力推动下,沿环形缸道前进。上、下工芯采用锯齿形结构,反复多次做功。整机由同轴的旋转式压气机和旋转式燃气机组成。润滑和冷却都能独立完成。
旋发机的优势在于:原理科学,工作可靠,制造容易,过程简单。整个装置没有齿轮配合,控制部分仅为油气配合,定时完成。它的最大优势是舍弃了直线气缸、连杆、曲轴这样的耗能大部件,因而它的体积小、出率大、震动小、噪声低、结构简单,工作可靠。在工艺上,除工芯要求压铸外,其余部件一般工装均可实现,因而造价低,且环保。这将是内燃机领域震惊世界的一次革命。
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