專利名稱：活塞汽輪發(fā)動(dòng)機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本活塞汽輪發(fā)動(dòng)機(jī)是將活塞式內(nèi)燃機(jī)(簡(jiǎn)稱活塞機(jī)，下同)與汽輪發(fā)動(dòng)機(jī)(簡(jiǎn)稱汽輪機(jī)，下同)結(jié)合而成的一種新型發(fā)動(dòng)機(jī)。本活塞汽輪發(fā)動(dòng)機(jī)屬于發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)領(lǐng)域。目的是提高熱機(jī)效率，達(dá)到節(jié)省燃油，節(jié)能減排。
背景技術(shù)：
內(nèi)燃機(jī)自1876年發(fā)明以來，發(fā)展至今，技術(shù)已很成熟，性能也很好了。但熱機(jī)效率還不是很理想，據(jù)初中《物理》第二冊(cè)第37-38頁(人民教育出版社2001年12月第一版， 2003年5月第2次印刷)介紹汽油機(jī)效率只有20% -30%，柴油機(jī)效率只有30% -45%。 據(jù)說電噴機(jī)會(huì)好些，但未見到具體數(shù)據(jù)。將熱機(jī)效率再提高些，使發(fā)動(dòng)機(jī)更省油些，還是很有可能的。本人作了一些探索， 有所收獲。

發(fā)明內(nèi)容前面提到的《物理》書中還說道廢氣的溫度較高，廢氣帶走很大一部分熱能，在熱機(jī)的各種損失中，廢氣帶走的熱能最多。本發(fā)明創(chuàng)造就從回收利用廢氣熱能著手，在活塞機(jī)上裝一臺(tái)汽輪機(jī)，用引導(dǎo)管(2)把活塞機(jī)排氣口(1)和汽輪機(jī)噴嘴接口(3)連接起來，成為一體。用活塞機(jī)排出的高溫高壓“廢氣”驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)旋轉(zhuǎn)做功，再將汽輪機(jī)的輸出功與原活塞機(jī)的輸出功進(jìn)行合成疊加(后面再說具體如何合成疊加)，構(gòu)成總輸出。這樣，“廢氣”的部分熱能得以回收利用，轉(zhuǎn)化成有用功，熱機(jī)效率明顯提高，燃油就節(jié)省了。因是由兩種機(jī)結(jié)合而成，取兩機(jī)之特征合起來命名，故就叫活塞汽輪發(fā)動(dòng)機(jī)。引導(dǎo)管等效容積約等于一個(gè)氣缸工作容積；汽輪機(jī)可以是單級(jí)汽輪機(jī)，其葉輪用徑向葉輪，徑高比可取4 8，蝸殼等效容積約等于一個(gè)氣缸工作容積；汽輪機(jī)可以是多級(jí)汽輪機(jī)，用同軸多級(jí)葉輪，第一級(jí)用徑向葉輪，后面各級(jí)用軸向葉輪，第一級(jí)蝸殼等效容積同單級(jí)，后面逐級(jí)增大；汽輪機(jī)軸可通過皮帶傳動(dòng)方式與活塞機(jī)主軸(即往復(fù)式活塞機(jī)的曲軸或旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子活塞機(jī)的輸出軸，下同)聯(lián)接、聯(lián)動(dòng)，也可把汽輪機(jī)葉輪直接安裝在活塞機(jī)主軸上。

附圖1是本活塞汽輪發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)原理示意圖(僅僅是示意圖)及部分剖面圖。 在圖1中，1是活塞機(jī)排氣口，2是引導(dǎo)管，3是汽輪機(jī)噴嘴及接口，4是汽輪機(jī)，5是排氣消聲器，M是臺(tái)面，也可以是活塞機(jī)主軸的支承端面，6是引導(dǎo)管⑵在A-A處的橫截面圖，r是其內(nèi)半徑。附圖2是汽輪機(jī)葉輪和蝸殼示意圖。8是徑向葉輪，9是蝸殼。D1是蝸殼等效內(nèi)徑， Ii1是蝸殼高；D2是葉輪等效直徑，h2是葉輪高。附圖3是套管式管連接示意圖。10是帶法蘭的小外徑管一側(cè)，11是石棉密封墊圈，12是大口管一側(cè)，緊固螺栓未畫。 具體實(shí)施方式
汽輪機(jī)與活塞機(jī)的結(jié)合有兩種方式。其一是單結(jié)合方式，只用引導(dǎo)管把活塞機(jī)排氣口和汽輪機(jī)噴嘴接口連接起來，汽輪機(jī)直接單獨(dú)輸出。就是汽輪機(jī)作為原動(dòng)機(jī)，通過某種傳動(dòng)方式(比如直接連接，皮帶傳動(dòng)，齒輪傳動(dòng)，摩擦傳動(dòng)等)驅(qū)動(dòng)從動(dòng)機(jī)(如散熱風(fēng)扇，發(fā)電機(jī))。暫稱這種方式的機(jī)器為I型活塞汽輪發(fā)動(dòng)機(jī)。這樣由于原活塞機(jī)主軸不需消耗部分功率去驅(qū)動(dòng)散熱風(fēng)扇和發(fā)電機(jī)，主軸凈輸出功率增大了，所以效率提高了，也就省油了。其二是雙結(jié)合方式，它又分為兩種。其一是，活塞機(jī)排氣口用引導(dǎo)管與汽輪機(jī)噴嘴接口連接；同時(shí)，在汽輪機(jī)軸上裝一皮帶輪，在活塞機(jī)主軸上也裝一皮帶輪，再用傳動(dòng)皮帶把二者聯(lián)起來，成為一體。這里要強(qiáng)調(diào)注意汽輪機(jī)帶動(dòng)活塞機(jī)主軸轉(zhuǎn)動(dòng)方向要與活塞機(jī)主軸原轉(zhuǎn)向相同。把這種結(jié)合方式的機(jī)器稱II型活塞汽輪發(fā)動(dòng)機(jī)。它適合像汽車發(fā)動(dòng)機(jī)那樣的主軸一端裝有散熱風(fēng)扇，另一端又連接變速箱的發(fā)動(dòng)機(jī)。由于汽輪機(jī)帶動(dòng)主軸轉(zhuǎn)向與主軸原轉(zhuǎn)向相同，所以二者功率直接相加。像汽車發(fā)動(dòng)機(jī)也可以用下面說的III型結(jié)合方式，這時(shí)蝸殼排氣口要開在蝸殼圓周側(cè)面上，而且密封可能困難些。另一種雙結(jié)合方式，具體做法是將活塞機(jī)主軸的一端加長(zhǎng)一些，讓它伸出主軸支承端面，汽輪機(jī)的葉輪直接安裝固定在該伸出主軸上，外面再固定上蝸殼，噴嘴接口 3經(jīng)引導(dǎo)管2與活塞機(jī)排氣口 1連接，形成一個(gè)整體。把這種結(jié)合方式的機(jī)器稱為III型活塞汽輪發(fā)動(dòng)機(jī)。它適合像摩托車用的發(fā)動(dòng)機(jī)。這里要特別強(qiáng)調(diào)注意“廢氣”沖擊葉輪旋轉(zhuǎn)方向要與主軸原轉(zhuǎn)向相同。這樣葉輪的轉(zhuǎn)矩對(duì)主軸起到助推作用，由于二者轉(zhuǎn)向相同，所以二者功率直接相加。這樣就完成了二者功率合成疊加。此法較簡(jiǎn)單，較好。可以最大限度回收利用“廢氣”熱能，主軸獲得最大輸出。 汽輪機(jī)可以是單級(jí)汽輪機(jī)。單級(jí)汽輪機(jī)其葉輪用徑向葉輪?？梢杂弥贝凳剑部梢杂眯贝凳?。具體用何種，可視整機(jī)結(jié)構(gòu)空間條件而定。汽輪機(jī)也可以是同軸多級(jí)汽輪機(jī)。 此時(shí)第一級(jí)(連接噴嘴這級(jí))用徑向葉輪，第2級(jí)及后面各級(jí)用軸向葉輪，最好以三級(jí)為限。一般小型機(jī)械(如摩托車，小型農(nóng)機(jī)等)用的發(fā)動(dòng)機(jī)，用單級(jí)汽輪機(jī)與活塞機(jī)結(jié)合較好，性價(jià)比高；大型機(jī)械(如鐵路機(jī)車，艦船等)用多級(jí)汽輪機(jī)與活塞機(jī)結(jié)合較好。引導(dǎo)管2的大小取其等效容積V(V= Jir2L)最好是約等于1個(gè)氣缸的工作容積。單級(jí)汽輪機(jī)的蝸殼等效容積最好約等于1個(gè)氣缸的工作容積。多級(jí)汽輪機(jī)的蝸殼容積，第1級(jí)同單級(jí)的，后面各級(jí)逐級(jí)增大。單級(jí)汽輪機(jī)的葉輪等效直徑D2與葉輪高112的比值C (C = D2A2)，C可取4 8，以取6較好。蝸殼排氣口開在軸線方向，其口徑略大于活塞機(jī)排氣口口徑。附圖2中，D1略大于D2, Ill略大于h2，以保證葉輪能在蝸殼內(nèi)靈活轉(zhuǎn)動(dòng)。原活塞機(jī)排氣口 1與引導(dǎo)管2、引導(dǎo)管2與噴嘴接口 3、汽輪機(jī)蝸殼與活塞機(jī)、汽輪機(jī)蝸殼排氣口與排氣消聲器等處接口要確保密封，用加法蘭盤的大口管套小外徑管，并加石棉墊圈密封，如附圖3所示。(六)效益分析廢氣帶走很大一部分熱能，是熱機(jī)的各種損失中最多的(另外還有一部分散熱損失、一部分摩擦損失、及很小的不完全燃燒損失。)為便于分析，這里假設(shè)廢氣帶走的熱能占全部損失熱能的60%。下面以燒汽油的單級(jí)汽輪III型活塞汽輪發(fā)動(dòng)機(jī)為例分析計(jì)算。設(shè)燃油燃燒產(chǎn)生的總熱能為W，汽輪機(jī)效率取0. 25，原汽油活塞機(jī)效率Jl1取0. 3， 于是有下面的關(guān)系
總熱能為W，原有用功熱能為W1,W1 = η iff = 0. 3ff,損失的總熱能為W2， W2 = W-W1 = W-0. 3W = 0. 7W,廢氣帶走的熱能為W3，W3 = 0. 6ff2 = 0.6X0. 7W = 0. 42W,汽輪機(jī)轉(zhuǎn)化的機(jī)械能為W4， W4 = 0. 25ff3 = 0. 105W,總有用功為W5，W5 = W^ff4 = 0. 3W+0. 105W = 0. 405W,總效率n2，n2 = ff5/ff = 0. 405，節(jié)油率Y，Y = [I-Il1Zn2)] X 100%= [l-(0. 3/0. 405)] X100% = 26%。可見，本活塞汽輪發(fā)動(dòng)機(jī)將汽油機(jī)的效率從30%提高到約40. 5%，節(jié)油約26%。同理，柴油機(jī)效率由45%提高到約54%，節(jié)油約17%。用兩級(jí)或多級(jí)汽輪機(jī)與活塞機(jī)結(jié)合，提高效率會(huì)更多些，節(jié)油更多些。由上可見，效率提高明顯，節(jié)油顯著。本人在摩托車上作過一些試驗(yàn)，表明行之有效。由于本人條件所限，目前暫時(shí)尚未測(cè)得確切數(shù)據(jù)。(七)舉例下面以“嘉陵90”摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)為例，談如何改造。改造主要涉及兩個(gè)問題，一是汽輪機(jī)大小，二是引導(dǎo)管大小。1.確定汽輪機(jī)大小從“嘉陵90”摩托車可知，發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸標(biāo)稱工作容積為90mL，則蝸殼等效容積V1可取90 (cm)3·由前面介紹知道，D1略大于D2A1略大于h2，這里先按D1 = D2^h1 = h2、D2 = 6h2 = D1,則有V1 = π R2h2 = π (D1A)2X 仇/6) = (1/24) JiD13,
124V.·. D1 = ψ^- π取近似值3，則馬w啊’... Dx ^/8x90 (cm) 9cm=90mm,... H1=- D1=-X9 = 1. 5cm=15mm,
6 6可取 D2 比 D1 小 2 4mm, h2 比 Ii1 小 1 3mm。2.引導(dǎo)管大小先確定蝸殼噴嘴接口位置，再測(cè)量確定噴嘴接口到原排氣口長(zhǎng)度L (約30cm)，根據(jù)引導(dǎo)管等效容積約等于氣缸工作容積。由 V = Jir2L,有r=, Iv/ r、 J-^- =Icm=IOmm (取 ji 3)。
V 3x30可取內(nèi)徑為20mm、長(zhǎng)約30cm的管子作引導(dǎo)管。再有就是將在磁電機(jī)這側(cè)的曲軸加長(zhǎng)，讓它能伸出磁電機(jī)罩外約20mm，汽輪機(jī)的葉輪就固定在這伸出的曲軸上，固定蝸殼，裝上排氣消聲器，連接引導(dǎo)管，大功告成。排氣消聲器的走向，可從蝸殼排氣口(在軸線方向)豎直向下約140mm，彎90度水平向右 約250mm， 再?gòu)?0度水平向后。當(dāng)然，還有些細(xì)節(jié)問題(如引導(dǎo)管的彎曲形狀，汽輪發(fā)動(dòng)機(jī)隔熱等) 不再贅述。而且也只有結(jié)合實(shí)際機(jī)車上才能決定。
權(quán)利要求1.一種活塞汽輪發(fā)動(dòng)機(jī)，其特征是在活塞式內(nèi)燃機(jī)上裝一臺(tái)汽輪發(fā)動(dòng)機(jī)，用引導(dǎo)管 (2)把活塞式內(nèi)燃機(jī)排氣口(1)與汽輪發(fā)動(dòng)機(jī)的噴嘴接口(3)連接起來，使活塞式內(nèi)燃機(jī)與汽輪發(fā)動(dòng)機(jī)成為一體。
2.按照權(quán)利要求1所述活塞汽輪發(fā)動(dòng)機(jī)，其特征是所用引導(dǎo)管(2)的等效容積約等于一個(gè)氣缸的工作容積。
3.按照權(quán)利要求1所述活塞汽輪發(fā)動(dòng)機(jī)，其特征是汽輪發(fā)動(dòng)機(jī)可以是單級(jí)汽輪發(fā)動(dòng)機(jī)，其葉輪用徑向葉輪，葉輪等效直徑與葉輪高的比值可取4 8 ；蝸殼等效容積約等于1 個(gè)氣缸工作容積。
4.按照權(quán)利要求1所述活塞汽輪發(fā)動(dòng)機(jī)，其特征是汽輪發(fā)動(dòng)機(jī)可以是兩級(jí)或多級(jí)汽輪發(fā)動(dòng)機(jī)，采用同軸多級(jí)葉輪，第一級(jí)用徑向葉輪，第二級(jí)及后面各級(jí)葉輪用軸向葉輪；第一級(jí)蝸殼等效容積同單級(jí)的，后面逐級(jí)增大。
5.按照權(quán)利要求1所述活塞汽輪發(fā)動(dòng)機(jī)，其特征是汽輪發(fā)動(dòng)機(jī)軸通過皮帶傳動(dòng)方式與活塞式內(nèi)燃機(jī)主軸聯(lián)接，聯(lián)動(dòng)。
6.按照權(quán)利要求1所述活塞汽輪發(fā)動(dòng)機(jī)，其特征是汽輪發(fā)動(dòng)機(jī)的葉輪直接安裝在活塞式內(nèi)燃機(jī)的主軸上。
專利摘要本活塞汽輪發(fā)動(dòng)機(jī)屬于發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)領(lǐng)域。目的是提高熱機(jī)效率，節(jié)省燃油。它是在活塞式內(nèi)燃機(jī)上裝一臺(tái)汽輪發(fā)動(dòng)機(jī)，用引導(dǎo)管(2)把排氣口(1)和噴嘴接口(3)連接起來，構(gòu)成一體。用活塞式內(nèi)燃機(jī)排出的高溫高壓“廢氣”驅(qū)動(dòng)汽輪發(fā)動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)做功。通過皮帶傳動(dòng)方式把汽輪發(fā)動(dòng)機(jī)軸與活塞式內(nèi)燃機(jī)主軸聯(lián)接、聯(lián)動(dòng)，或者直接把汽輪發(fā)動(dòng)機(jī)葉輪安裝在活塞式內(nèi)燃機(jī)主軸上，形成把二者的功率合成疊加后輸出。汽輪發(fā)動(dòng)機(jī)回收利用了活塞式內(nèi)燃機(jī)排出“廢氣”的部分熱能，轉(zhuǎn)化成有用功，從而大幅度提高熱機(jī)效率。理論上可使汽油機(jī)效率由30％提高到約41％，節(jié)油約27％；柴油機(jī)效率由45％提高到約54％，節(jié)油約17％。
文檔編號(hào)F01D25/24GK202073634SQ20112003799
公開日2011年12月14日 申請(qǐng)日期2011年2月14日 優(yōu)先權(quán)日2011年2月14日
發(fā)明者張永吉 申請(qǐng)人:張永吉