CN101201013A - 陶瓷复式发动机 - Google Patents

Abstract

一种能够显著提高热机效率，降低有害排放，简化结构和降低制造、使用、维护费用的陶瓷复式发动机。图6是发动机的前视图(附件略)，B－B是它的主剖视图。本发明由动力活塞组件、配气活塞组件、机架三个单元体组成。通过采用新颖的气动活塞配气技术来满足发动机热力循环的基本要求，采用高温结构陶瓷材料作为发动机高温部件，采用活塞膨胀做功和涡轮膨胀做功两种方式共同工作将燃油化学能转换成机械能对外输出。它较任何一种或任何一类传统发动机的结构都要来得简单。发动机采用燃油喷射和压燃方案，以高温、高速、高压缩比方式工作，具有很高的容积效率、燃烧效率、机械效率和热机效率，凸显了现代轴功率发动机低油耗，低排放，低造价，低维护的特点。

Description

陶瓷复式发动机

技术领域

本发明涉及内燃机，特别指旋转活塞及涡轮发动机。

背景技术

内燃机是靠压缩工质，然后向工质加入热量，利用工质受热膨胀做功实现其燃料化学能向机械能转化的。工质的压缩方式不同，对环境产生的效果也就不同。涡轮机是利用叶轮机械实现工质压缩和做功的，工作时需要大量的工质气体参加工作。做功后的燃气仍具有较高的温度，由于工质质量很大，随尾气排出的热能也较大。活塞机依靠密闭容器容积变化来实现工质压缩和发出功率，参与工作的气体质量较少，因而尾气排热损失较小。然而，活塞机的可变容积，是由固定构件(缸体)和运动构件(活塞)之间的相对运动实现的。固定构件和运动构件之间的相对运动又是由特定的约束机构(如曲柄连杆机构、曲柄行星机构)管理的。由于约束机构的存在，没有证据证明，固定构件和运动构件之间没有良好和有效的密封而能够使活塞机正常运转。由于约束机构和工质压力的作用，固定构件、运动构件和密封元件三者之间存在着力的相互作用。受材料性能的限制，它们之间必须得到良好的润滑和冷却，否则其密封元件会因磨损、摩擦和过热变形而失效。因此，传统的活塞发动机(无论是往复机还是转子机)必须设置润滑***和冷却***。润滑***的存在，无疑增加了能耗和排气污染，冷却***辛勤工作的结果却是白白耗散了热能。传统活塞机在压缩比设计时，汽油机要防止提前压燃和爆震，柴油机要考虑曲柄连杆机构的机械负荷强度，这些都使得传统活塞机压缩比设计受到了一定的限制。由于它们的配气是通过构件约束来实现的，有些约束构件既是配气部件，又是功率传递部件，考虑到使用功能和结构强度的共同要求，其实体体积和质量都相对较大，形状和结构较为复杂。

二十世纪六十年代出现的高温结构陶瓷，具有良好的耐热性，很高的硬度，极小的线胀系数，优异的耐化学侵蚀性和抗变形能力，引起了人们的极大兴趣，急切希望能在内燃机上应用陶瓷材料以期大幅提高热机效率。但是，高温结构陶瓷有一个致命弱点就是它的脆性。传统活塞机的固定构件、运动构件和密封元件之间存在着力的作用和相对运动，工作时会产生冲击和振动。为了满足工作原理上的要求，这些构件形状各异，受力复杂，制作工序繁多，工艺难度较大。显然，传统的活塞机是不适合采用陶瓷作为其高温部件材料的。这也很好地解释了高温结构陶瓷从出现至今还没有在活塞机上成功地得到商业应用的根本原因。如何避免由于陶瓷脆性所带来的对其加工和使用上的限制，已经成为高温结构陶瓷材料在内燃机上应用成败的关键。

虽然，往复式活塞发动机的性能正在日益提高，但造价也因此提高了。而且由于阀门传动机构及活塞连杆装置的往复质量产生的不可避免的惯性力限制，其性能要继续获得大幅度的改进，有一定的困难。三角旋转活塞发动机没有往复运动质量，成功地避免了惯性力的限制，但又出现了科里奥里力的困扰，使得缸面容易形成震纹，密封***效果远不及往复式活塞发动机，导致怠速不稳，空载易超速，排气污染大，在现代苛刻的低污染和低油耗标准要求的条件下，其总体性能水平要想超过往复式活塞发动机，仍有待进一步改进和完善。

发明内容

为了克服上述不足，本发明提供一种新型的陶瓷复式发动机。其解决上述问题所采取的技术方案是：

1、采用气动活塞配气技术；

2、采用高温结构陶瓷材料；

3、采用活塞和涡轮两种方式换能。

本发明的有益效果是，提高发动机的热效率，降低排气污染和噪声，简化发动机的结构，提高机械效率，降低制造成本。附加效益是，功重比高，运转平稳，性能可靠，冷起动迅速，使用寿命长，使用成本低，维护简单易行。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

图1是发动机的等轴测剖视图(附件略)。

图2是单元体A的等轴测视图。

图3是单元体B的等轴测视图。

图4是单元体C的等轴测剖视图。

图5是发动机的左视图(附件略)，A-A是它的主剖视图。

图6是发动机的前视图(附件略)，B-B是它的主剖视图。

图7是发动机的前视图(附件略)，C-C是它的主剖视图。

图8是发动机的前视图(附件略)，D-D是它的主剖视图。

图9是发动机的前视图(附件略)，E-E是它的主剖视图。

图10是发动机的前视图(附件略)，F-F是它的主剖视图。

图11是动力活塞左右二等角轴测视图。

图12是配气活塞等轴测视图。

图13是起动凸轮等轴测视图。

图14是止逆棘轮等轴测视图。

图15是进气端陶瓷缸盖等轴测视图。

图16是陶瓷缸体等轴测视图。

图17是排气端陶瓷缸盖等轴测视图。

图18是发动机活塞相位图。

由图1可知，本发明由单元体A、单元体B、单元体C组成。

由图2可知，单元体A为动力单元，由件号(1)~(8)组成：主轴(1)，起动凸轮(2)，配气弹簧(3)，动力活塞(4)，大螺母(5)，涡轮(6)，离心叶轮(7)，轴端螺母(8)。

由图3可知，单元体B为配气单元，由件号(9)~(11)组成：止逆棘轮(9)，配气活塞(10)，滑动轴承(11)。

由图4可知，单元体C为机架单元，由件号(12)~(32)组成：前端盖(12)，轴承(13)，进气端壳体(14)，主壳体(15)，排气端壳体(16)，进气端陶瓷缸盖(17)，陶瓷缸体(18)，排气端陶瓷缸盖(19)，燃油喷嘴(20)，静子叶片环(21)，集气环(22)、后端盖(23)，止逆棘爪(24)、起动棘爪(25)，螺钉(26)~(32)。

图5示出了发动机三个单元的装配关系。

图6示出了发动机主构件间的装配关系。

图7示出了起动棘爪与起动棘轮啮合时的状况。

图8示出了起动棘爪与起动凸轮啮合时的状况。

图9示出了起动棘爪与起动凸轮脱离时的状况。

图10示出了止逆棘爪与止逆棘轮啮合时的状况。

由图11和图12可知，动力活塞(4)和配气活塞(10)的每一活塞内有一凹腔可与进气口相通，外周面有一长圆形孔将凹腔与陶瓷缸体(18)连通，凹腔内充满新鲜空气可对活塞和缸体进行有限的冷却。动力活塞(4)和配气活塞(10)辐板上有一圈通孔，既是新鲜空气的气流通道，也是活塞的热节流孔，以保证活塞热量不致传给主轴(1)。活塞的典型技术特征是采用线胀系数很小的特种钢材制造，表面为等离子喷涂陶瓷。

由图13和图14可知，起动凸轮(2)上设有起动齿轮，为同一构件：止逆棘轮(9)上设有起动棘轮，为同一构件。

由图15、图16和图17可知，三个高温结构陶瓷构件形状非常简洁，这三个零件构成了发动机高温结构陶瓷燃烧室。图15示出了燃烧室进气口，图16示出了燃烧室燃油喷口，图17示出了燃烧室排气口。

在图18中，活塞A和活塞B为配气活塞，活塞C和活塞D为动力活塞，Kj为进气口，Kp为排气口。序号4、12为配气喷油位置，序号8为动力喷油位置。

具体实施方式

由图2可知单元体A的装配结构为：在主轴(1)上装有起动凸轮(2)、动力活塞(4)和离心叶轮(7)，并通过花键传递扭矩。起动凸轮(2)上设有起动齿轮，配气弹簧(3)装在起动凸轮(2)上，配气弹簧(3)的一端插在起动凸轮(2)的辐板小孔内，另一端插在止逆棘轮(9)的辐板小孔内，配气弹簧(3)的作用总是使图18中的活塞A与活塞C或者活塞B与活塞D之间的空间为最小。动力活塞(4)用大螺母(5)固定在主轴(1)上，离心叶轮(7)用轴端螺母(8)固定在主轴(1)上，涡轮(6)用螺钉(29)固定在离心叶轮(7)上。主轴(1)用轴承(13)支撑在进气端壳体(14)和排气端壳体(16)上。

由图3可知单元体B的装配结构为：配气活塞(10)通过滑动轴承(11)支撑在主轴(1)上，止逆棘轮(9)通过花键固定在配气活塞(10)上。

由图4可知单元体C的装配结构为：由进气端壳体(14)，主壳体(15)，排气端壳体(16)用螺钉(27)、(28)联结成发动机机架，进气端陶瓷缸盖(17)，陶瓷缸体(18)，排气端陶瓷缸盖(19)安装并固定在机架内腔构成固定的高温结构陶瓷燃烧室，动力活塞(4)和配气活塞(10)便安装在燃烧室内。燃油喷嘴(20)安装在主壳体(15)上并通过陶瓷缸体(18)上的小孔与燃烧室相通。静子叶片环(21)用螺钉(32)固定在排气端壳体(16)上，集气环(22)用螺钉(30)固定在静子叶片环(21)上，集气环(22)上有排气接头用以与排气管(略)连接。前端盖(12)用螺钉(26)固定在进气端壳体(14)上，后端盖(23)用螺钉(31)固定在排气端壳体(16)上，止逆棘爪(24)固定在进气端壳体(14)相应的方槽内，起动棘爪(25)安装在进气端壳体(14)另一方槽内可以滑动，其外伸端与控制机构(略)连接。图7和图8是它在起动状态时的位置，图9是它在正常工作状态时的位置。

工作原理如下：

为叙述方便，先作一些约定：

1、把与进气口相通的气缸叫吸气腔，顺着旋转方向以后依次是压缩腔、膨胀腔、排气腔，这样，活塞每转过一定角度，吸气腔、压缩腔、膨胀腔、排气腔依次变成压缩腔、膨胀腔、排气腔、吸气腔，如此类推。

2、把受燃气作用产生角加速度方向与旋转方向相同的活塞叫做前活塞，角加速度方向与旋转方向相反的活塞叫做后活塞。在发动机不工作时，在配气弹簧(3)的作用下，动力活塞(4)总是处于后活塞位置，配气活塞(10)则处于前活塞位置。

3、把由主轴(1)，起动凸轮(2)、配气弹簧(3)，动力活塞(4)组成的部件叫做动力活塞组件，把由止逆棘轮(9)，配气活塞(10)，滑动轴承(11)，止逆棘爪(24)组成的部件叫做配气活塞组件，把由起动凸轮(2)，止逆棘轮(9)，起动棘爪(25)组成的部件叫做起动控制组件。

4、把起动控制组件与动力活塞组件、配气活塞组件处于脱离的状态叫做正常工作状态，把起动控制组件与动力活塞组件、配气活塞组件接触，使发动机能够顺利起动的状态叫做起动状态。

5、把动力活塞(4)处于后活塞位置时的喷嘴喷油叫做配气喷油，把配气活塞(10)处于后活塞位置时的喷嘴喷油叫做动力喷油。

由图3知道，配气活塞(10)仅受滑动轴承(11)和配气弹簧(3)的约束，由配气弹簧(3)的扭力和工质压力驱动，以变角速度旋转与以近似等角速度旋转的动力活塞(4)形成容积变化，完成吸气、压缩、膨胀、排气四个热力过程。配气活塞(10)以变角速度旋转，实际上这种变角速度是叠加在动力活塞(4)的几近匀角速度旋转运动上的。虽然配气活塞(10)的角加速度同样产生惯性力，但并不对其他构件产生影响，因为配气活塞(10)的惯性力是切线方向的，它对环境的力学效果仅仅是产生了一个惯性力矩，众所周知，轴承只能传递径向力或轴向力，而力矩是不可能通过轴承传递给其他构件的。为了让发动机按照所希望的方式和目标工作，可以使配气活塞组件的转动惯量适当地小，而动力活塞组件的转动惯量适当地大，使得配气活塞组件的惯性力适当地小而角加速度适当地大，动力活塞组件的旋转接近匀角速度旋转。配气活塞组件设计得如此轻巧简单，在动力活塞组件上安装涡轮(6)和离心叶轮(7)，以及起动凸轮(2)的轮毂做得如此厚重正是遵循这一原则的结果。

由前、后活塞的定义知道，前活塞是做功活塞，后活塞是不做功活塞，而仅仅是形成膨胀腔固定腔壁的一个组成部分，虽然实际情况中它们真正静止的几率很小，时间也很短暂，但这并不改变它们这种属性的实质。在压缩腔充量被冲压压缩的过程中，实际上是分二个阶段完成的。第一阶段是燃气冲压压缩阶段。膨胀腔混合气燃烧形成高压，压缩腔刚完成吸进新鲜充量压力很低，两腔压差很大。在压差力矩作用下，膨胀腔迅速膨胀，后活塞或被棘爪抑止或被燃气减速，前活塞则获得较大的角加速度，迅速压缩压缩腔里的充量，于是，压缩腔压力迅速上升，膨胀腔压力迅速下降。当两腔压力平衡时，燃气冲压压缩阶段结束。第二阶段是动能冲压压缩阶段。压缩、膨胀两腔压力平衡时，前、后活塞开始同时旋转，但是旋转速度并不相等：当配气活塞为后活塞时，配气活塞几近静止，动力活塞以工作速度旋转；当动力活塞为后活塞时，动力活塞以工作速度旋转，配气活塞则在动力活塞转速的基础上被再加速旋转。由于前活塞总是具有比后活塞更大的旋转速度，于是膨胀腔仍要继续膨胀，压缩腔也仍要继续压缩，这时的压缩是以前活塞的转动动能减少，旋转速度下降为代价实现的。也就是在动能冲压压缩阶段，前活塞的部分转动动能转变成了压缩腔里充量的压力势能。很显然，在这个阶段，压缩腔里的充量得到了继续压缩，膨胀腔也继续得到了充分的膨胀。理想情况是，动能冲压压缩刚好结束，前活塞正好到达喷油位置(这时前活塞变为后活塞)。另外二种情况是：一、动能冲压压缩已经结束，前活塞还没有到达喷油位置，这时前、后活塞等速旋转，直至前活塞到达喷油位置，这种情况下压缩比较小。二、动能冲压压缩还没有结束，前活塞已经到达喷油位置，开始下一循环的喷油，这种情况下压缩比较大。不管哪种情况出现，只要在前活塞到达喷油位置时准时喷油，前活塞就会准时变成后活塞，后活塞就会准时变成前活塞，在燃气的作用下循环就会进行下去。

气动活塞配气过程如下：

输入起动电流，起动机的起动齿轮(未示出)与起动凸轮(2)上的起动齿轮啮合，驱动动力活塞组件旋转，同时电作动筒(未示出)动作，推动起动棘爪(25)处于起动位置，此时起动控制组件由正常工作状态进入起动状态。动力活塞组件上的配气弹簧(3)的另一端则驱动起动棘轮(即止逆棘轮(9))带动配气活塞组件旋转。当起动棘轮转到与起动棘爪(25)接触时，起动棘轮被起动棘爪(25)制止(见图7)，配气活塞组件停转。起动机继续驱动动力活塞组件旋转，压缩配气弹簧(3)和压缩腔里的空气。当动力活塞(4)转到喷油位置时，起动凸轮(2)正好顶起起动棘爪(25)(见图8)，使得起动棘轮被释放。这时压缩腔也正好完成压缩而变成膨胀腔，燃油喷嘴开始配气喷油，产生高温高压燃气，推开配气活塞(10)和动力活塞(4)，由于动力活塞组件转动惯量很大又有起动机驱动，配气活塞组件转动惯量相对较小，动力活塞组件转速仅只略微下降而不致停止或倒转，而配气活塞组件在配气弹簧(3)扭力和膨胀腔燃气压力共同作用下高速旋转，压缩腔里的充量被迅速压缩，其它吸气腔、排气腔同时分别迅速吸气、排气。当压缩腔充量的压力与弹簧扭力和膨胀腔燃气压力平衡时，配气活塞组件与动力活塞组件在惯性作用下继续旋转。其中，配气活塞组件由于转速很高，仍然继续压缩压缩腔里的充量将其动能转变为充量的压力势能，膨胀腔则继续膨胀。当配气活塞(10)转到喷油位置，压缩腔变成膨胀腔，燃油喷嘴开始动力喷油。此时配气活塞组件上的止逆棘轮(9)正好与止逆棘爪(24)啮合(见图10)，高温高压燃气急剧膨胀，竭力推开配气活塞(10)和动力活塞(4)，由于配气活塞组件被止逆棘爪(24)止住不能逆转而静止，于是膨胀腔燃气压力推动动力活塞组件加速旋转，再次压缩配气弹簧(3)和压缩腔里的空气。当动力活塞(4)转到喷油位置时，起动凸轮(2)再次顶起起动棘爪(25)，起动棘轮再次被释放，燃油喷嘴再次开始配气喷油，……如此循环直至发动机起动。发动机起动后，起动机起动齿轮(未示出)退出啮合，电作动筒(未示出)回动，起动控制组件与动力活塞组件和配气活塞组件脱离接触(见图9)，发动机进入正常工作状态。

发动机正常工作时，当配气喷油燃烧的燃气推动配气活塞做功时，由于配气喷油量相对较小，燃气压力较低，而动力活塞组件转动惯量很大，又有涡轮(6)的作用，动力活塞组件仅是转速略微下降而不致逆转，因此，动力活塞组件是依靠其转动动能和燃气的冲击动能来抵抗配气喷油燃烧燃气压力的。相反，配气活塞组件转动惯量较小，在燃气压力力矩作用下能产生很大的角加速度，从而对压缩腔里的充量进行冲压压缩，将膨胀腔里的燃气压力势能转变为压缩腔里的充量压力势能。当动力喷油燃烧的燃气推动动力活塞做功时，由于动力喷油量相对较大，膨胀腔里的燃气压力很高。配气活塞组件被止逆棘爪(24)止住不能逆转(见图10)，压力势能全部转化在动力活塞上。动力活塞组件转速本身较高，与配气活塞一样，同样能对压缩腔里的充量进行冲压压缩。因此，配气喷油燃烧所释放的热能，转变成了动力活塞做功时充量的压力势能。而动力喷油燃烧产生的热能一部分转变为配气活塞(10)做功时充量的压力势能，一部分转变成动力活塞组件的转动动能，大部分则变成机械能直接对外输出。

陶瓷复式发动机采用端面进气和端面排气方式，在起动机驱动动力活塞组件开始旋转时，固定在主轴(1)上的涡轮(6)，离心叶轮(7)也同时开始旋转，新鲜空气被离心叶轮和吸气活塞吸入，经由动力活塞(4)和配气活塞(10)轮辐上的孔洞和进气端壳体(14)，进气陶瓷缸盖(17)的进气口进入吸气腔，在完成推动活塞膨胀做功过程后由排气口排入排气端壳体(16)和静子叶片环(21)之间的环形腔(环形腔内表面也有等离子喷涂陶瓷隔热层)，这时排出的燃气温度和压力显然较传统活塞机的排气要高，燃气在经过静子叶片整流后继续驱动涡轮(6)旋转，将排气焓转变成机械能经离心叶轮(7)传递给主轴(1)，废气排入集气环(22)经排气管(未示出)排入大气。

由上述工作过程可知，本发明具有以下特点：

1、陶瓷复式发动机运动构件没有偏心质量，运动形式为纯转动，受力简单合理，工作时运转平稳柔和，没有冲击和振动。高温构件形状简洁(见图15、图16、图17)，工艺价格低廉。这些特点巧妙地避免了高温结构陶瓷韧性不足和加工制造困难的缺陷，充分发挥了高温结构陶瓷耐高温，耐腐蚀，高硬度，低传热，热胀小的优异性能。一种理想的情况是，假如在制造缸体和活塞时能找到一种材料，在规定的温度范围内其热膨胀可以小到忽略不计，则对密封***是否必要就可以重新加以考虑了。高温结构陶瓷材料兑现了这种假设，从而成功地取消了发动机燃气密封***。由于配气活塞和动力活塞工作时均为纯转动，其运动约束可由轴承独立完成，不需要由缸体来约束运动构件，也没有密封元件与缸体或活塞接触。由于构件之间没有直接接触，因而也就不存在相互作用力，没有作用力就不存在摩擦，不存在摩擦就不需要润滑，不需要润滑就可以提高工作温度，可以提高工作温度就可以取消冷却。因此，气动活塞配气技术为发动机高温部件采用高温结构陶瓷提供了可能，而高温结构陶瓷材料的应用，又使得发动机成功地取消了燃气密封***和冷却***，润滑***也变得非常简单。

2、陶瓷复式发动机采用气动活塞配气技术，配气是通过改变活塞属性和工质压力大小来实现的，压缩比和输出功率是由所喷射燃料量的多少来控制的。因配气构件不承担功率输出，实体体积和质量都很小。发动机工作时，动力喷油燃烧产生的燃气压力直接作用于动力活塞，动力活塞与主轴固联，二者之间没有相对运动，由主轴直接对外输出转矩。它的主要运动构件，只有动力活塞组件和配气活塞组件。需要润滑的对象，仅仅是支撑主轴的两个滚动轴承、支撑空心轴的两个滑动轴承和止逆棘轮。它们所处位置集中，润滑***非常简单。由于没有专门的冷却***和阀门机构，避免了这些***和机构本身的能耗和减少了整机的摩擦损失和磨擦损耗。因此，陶瓷复式发动机受力合理，结构非常简单，机械效率很高。附加效益是，大幅降低制造成本，外形轻巧紧凑，安装方便灵活，运行稳定可靠，维护简单易行，使用寿命长。

3、陶瓷复式发动机利用控制喷油量来改变压缩比，采用了压燃的点火方式。因没有传统活塞机的构件强度的限制，故可以采用很高的压缩比。低速时，离心叶轮对压气几乎没有什么贡献，高速状态下离心叶轮则能提供较高的预压压缩比，再经活塞冲压压缩，其最终压缩比是可以达到很高的。加上缸体和活塞绝热，压缩结束时充量温度较传统活塞机高出很多，燃油被喷入时，燃烧室壁、活塞表面和高温充量能使燃油微粒剧烈蒸发，以压燃方式使油气着火，全部或大部分的燃烧在所谓“静止的火焰”中迅速完成，这样就可以不受燃油高辛烷值和高挥发性要求的限制，适合燃用几乎任何一种具有一定发热量的燃料。

4、陶瓷复式发动机采用端面布置进、排气口，取消了阀门机构，没有进气限制或节流，发动机的进、排气阻力很小，气流流动非常顺畅，进气经过离心叶轮预压压缩，能够获得很高的容积效率。而进气***较低的压力降是实现高速发动机的先决条件，因此陶瓷复式发动机非常适宜于在高速和高性能范围工作。没有阀门机构，也同时减少了泵抽损失，减少了较高温度时比热变化的影响、离解和热损失，降低了排气温度和噪声。在燃烧的混合气中，火焰传播是由混合气的速度加上混合气中的火焰运动而组成的，在低速范围内燃烧室里仍具有足够的紊流，这就保证了发动机低速状态下仍具有良好的燃烧特性和扭矩特性，因而避免了传统发动机低速性能差的缺点。

5、陶瓷复式发动机运动构件的全部质量集中在输出轴的轴线而没有偏心质量，运动形式为纯转动，可以容易而又完全加以平衡。活塞沿真正的圆形轨道运行，没有科里奥里力来助成震纹的产生。由气缸压力引起的轴承负荷并不因惯性力或离心力的增加而增加。因此，陶瓷复式发动机运转时平稳柔和，同样非常适宜高速工作。

6、陶瓷复式发动机冷起动时，起动压缩比取决于起动凸轮(2)转到顶起起动棘爪(25)，起动棘轮被释放的时间，调节起动凸轮(2)与起动棘爪(25)之间的相对角度很容易改变起动压缩比。而发动机正常工作时的压缩比与此无关，仅取决于配气弹簧(3)的扭力和上一循环压缩腔充量被冲压压缩后的压力(配气弹簧(3)的扭力与充量压力相比很小可以忽略)，以及离心叶轮提供的预压压缩比。因此，陶瓷复式发动机冷起动时起动压缩比可以做得很高，使发动机能快速接火。由于对润滑要求很低，着火后采用较大的供油量可以快速暖机，使发动机在很短的时间内即可进入高负荷状态。这种优良的动力特性是传统活塞机所不具有的。这将使得陶瓷复式发动机在许多特殊环境和特殊领域有着更加广泛的用途。

7、陶瓷复式发动机采用高温结构陶瓷材料绝热后，在压缩行程结束时，气缸中充量的温度比普通发动机要高出许多。由于燃烧室绝热，每次燃烧加入的热量可以相对减少。减少喷油不仅仅只是节约了燃油，还降低了燃烧室内的所能达到的最高温度。NOx的生成量是随温度和压力的升高而增加，温度越高压力越大，生成的NOx就越多。燃油喷入高温度的充量中，着火滞燃期明显缩短，预混合燃烧减少，扩散燃烧加剧，整个燃烧过程缩短，使NOx得以生成的时间缩短，加上机构中不存在止点，这些都使得燃烧室峰值压力和峰值温度较传统活塞机(无论是往复机还是转子机)均要来得低，从而大大降低了NOx的生成率。燃烧室壁面温度和充量温度高，燃烧中没有燃油淬熄现象，燃油燃烧完全，干净，彻底，燃烧效率极高，非常适宜在很低的油气比情况下工作。每次动力膨胀做功过程后又有一次配气膨胀做功过程，配气喷油量大大小于动力喷油量，配气膨胀做功后的燃气氧过剩，与动力膨胀做功后的燃气掺混，客观上起到了对动力膨胀做功后的燃气的补氧化作用，加上没有润滑油蒸发燃烧等污染过程，使得陶瓷复式发动机比传统活塞机具有更清洁的排气，使NOx、HC、CO等有害气体能够达到超低排放甚至零排放。

8、陶瓷复式发动机单位重量所能达到的排量大大超过传统活塞发动机单位重量所能达到的排量。到目前为止，就制造相同排量的发动机所耗费的材料、能源、时间来讲，陶瓷复式发动机远比传统活塞发动机来的优越。

9、陶瓷复式发动机取消了冷却***、密封***和简化了润滑***(仅轴承和棘轮需要润滑)，减少了燃油消耗和滑油消耗。它采用高温、高速、高压缩比方式工作，具有很高的容积效率、燃烧效率和机械效率，最终导致具有很高的热机效率。

10、陶瓷复式发动机适应性强，开发潜力大，很容易根据需要改型，如在离心叶轮和主轴之间加入减速器以适应不同的匹配需要，在静子叶片环前的环形腔加入类似加力燃烧室的部件以改变活塞功和涡轮功的比例，或在离心叶轮前加入粒子分离器以适应尘土较多的环境等。

总之，本发明的综合性能是优异的，它采用全新的工作原理，凸显了现代轴功率发动机低油耗，低排放，低造价，低维护的特点。即使是特地为陶瓷复式发动机设计出专门的通用附件和控制***而不是沿用传统活塞发动机上的零部件和做法，看来也不会出现比普通发动机研制和改进过程中所遇到的更加困难的问题。现代机器制造业、材料科学和智能控制技术为陶瓷复式发动机的问世提供了一切可能需要的条件，而陶瓷复式发动机的出现又为现代机器制造业、材料科学和智能控制技术提供了更加广阔的发展空间。可以认为，气动活塞配气这种先进的发动机技术，可能导致陶瓷复式发动机的广泛应用，而且其重要性可能超过在研制和改进往复活塞机和转子活塞机上正在作出的各种努力。在地球资源日渐枯竭，环境污染日益严重的今天，人类在面对危机时应该作出理智的应对。在这里，陶瓷复式发动机无疑是极具诱惑力的，因而也是极具竞争力的。

Claims (7)

1.一种陶瓷复式发动机，由A、B、C三个单元组成。其特征是：采用气动活塞配气技术、高温结构陶瓷技术、活塞和涡轮两种方式换能。单元体A为动力活塞组件，单元体B为配气活塞组件，单元体C为机架。动力活塞组件设有动力活塞和涡轮，完成活塞膨胀做功和涡轮膨胀做功。配气活塞组件设有配气活塞，完成动力活塞做功时的充量压缩。机架除支撑和联接单元体A、C外，还设有高温结构陶瓷燃烧室和静子叶片整流环，为活塞膨胀做功和涡轮膨胀做功提供硬件支持。发动机采用燃油喷射和压燃方式工作。

2.根据权利要求1所述的陶瓷复式发动机，其特征是：在主轴(1)上装有起动凸轮(2)、动力活塞(4)和离心叶轮(7)，并通过花键传递扭矩。起动凸轮(2)上设有起动齿轮，配气弹簧(3)装在起动凸轮(2)上，配气弹簧(3)的一端插在起动凸轮(2)的辐板小孔内，另一端插在配气活塞组件中的止逆棘轮(9)的辐板小孔内。动力活塞(4)用大螺母(5)固定在主轴(1)上，离心叶轮(7)用轴端螺母(8)固定在主轴(1)上，涡轮(6)用螺钉(29)固定在离心叶轮(7)上。主轴(1)用轴承(13)支撑在进气端壳体(14)和排气端壳体(16)上。

3.根据权利要求1所述的陶瓷复式发动机，其特征是：配气活塞(10)通过滑动轴承(11)支撑在主轴(1)，止逆棘轮(9)通过花键固定在配气活塞(10)上。

4.根据权利要求1所述的陶瓷复式发动机，其特征是：由进气端壳体(14)，主壳体(15)，排气端壳体(16)用螺钉(27)、(28)联结成发动机机架，进气端陶瓷缸盖(17)，陶瓷缸体(18)，排气端陶瓷缸盖(19)安装并固定在机架内腔，构成固定的高温结构陶瓷燃烧室，动力活塞(4)和配气活塞(10)安装在燃烧室内。燃油喷嘴(20)安装在主壳体(15)上并通过陶瓷缸体(18)上的小孔与燃烧室相通。静子叶片环(21)用螺钉(32)固定在排气端壳体(16)上，集气环(22)用螺钉(30)固定在静子叶片环(21)上，集气环(22)上有排气接头用以与排气管(略)连接。前端盖(12)用螺钉(26)固定在进气端壳体(14)上，后端盖(23)用螺钉(31)固定在排气端壳体(16)上，止逆棘爪(24)固定在进气端壳体(14)相应的方槽内，起动棘爪(25)安装在进气端壳体(14)另一方槽内可以滑动，其外伸端与控制机构连接。

5.根据权利要求1所述的陶瓷复式发动机，其特征是：动力活塞(4)和配气活塞(10)的每一活塞内有一凹腔可与进气口相通，活塞外周面有一长圆形孔将凹腔与高温结构陶瓷缸体(18)连通，凹腔内充满新鲜空气可对活塞和缸体进行有限的冷却。动力活塞(4)和配气活塞(10)辐板上均有一圈通孔，既是新鲜空气的气流通道，也是活塞的热节流孔，以保证活塞热量不致传给主轴(1)。活塞的典型技术特征是采用线胀系数很小的特种钢材制造，表面为等离子喷涂陶瓷。

6.根据权利要求1所述的陶瓷复式发动机，其特征是：起动凸轮(2)上设有起动齿轮，止逆棘轮(9)上设有起动棘轮。

7.根据权利要求1所述的陶瓷复式发动机，其特征是：进气端陶瓷缸盖(17)，陶瓷缸体(18)，排气端陶瓷缸盖(19)用高温结构陶瓷制成，形状非常简洁。由这三个零件构成了发动机高温结构陶瓷燃烧室。

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