CN1063744A - 陶瓷旋转活塞发动机 - Google Patents

Abstract

本发明属内燃发动机和特陶双重技术领域。该 机用陶瓷新材料制造机体、活塞和部件。机体和旋转 活塞构成燃爆工作室，采取射流增压和排除燃爆室废 气、压电火花引爆和高温燃爆相结合，定向爆发、三级 同向推进的新结构。

该机根据燃烧释放热能，气体受热产生膨胀力的 原理，用碳化硅、氮化硅、Al₂O₃等抗折强度高、耐磨、 耐高温、抗腐和自润的特性，改变以往内燃发动机因 结构和材料造成难以克服的能量抵消和散失严重的 结构，使设计的新机型避免反向作用和减少能量散 失，提高能量的利用一倍以上。

Description

本发明属内燃发动机和特陶双重技术领域。该机是一种不要曲轴、连杆，不要内水路循环散热降温，而用陶瓷新材料做机体、活塞和主要部件，由机体和旋转活塞构成燃爆工作室，采取射流增压和排除燃爆工作室废气、压电火花引爆和高温燃爆相结合，定向爆发、三级推进的陶瓷旋转活塞发动机。

自从博特发明内燃机之后，世界工业进入了一个新时期，使航空工业得以迅速发展。一百多年来，内燃机发展很快，种类繁多，但绝大多数能的利用率很低;一些新研制的如转子、绝热、三角活塞发动机等。由于结构问题，使其无法投入使用。西方一些国家虽然竞相搞了六、七十年新型发动机，但仍无突破性进展;现行的航空、航天、航海喷气、燃气发动机等，虽然能的利用率较高，但造价高昂，发展受到一定限制。因此现对使用广泛的四冲程内燃发动机剖析，以建立新机型的引论和依据。

1、四冲程内燃机的进气、压缩、爆发、排除废气四个冲程，循环往复，其中只有一个爆发冲程作功。压缩、排气均是耗能，特别是压缩冲程耗能高，柴油机压缩强度高达30～45kg/cm²，而爆发做功压强也只不过是60～90Kg/cm²左右，这几乎一半能 量耗费在压缩冲程。当然，在压缩冲程中，一部分能通过压缩，使气缸内的气体分子加速热运动，即由压缩做功，将功转换为内能（表现为提高气缸内温度），在下一爆发冲程中又释放出来。

2、四冲程内燃机是靠活塞通过连杆和曲轴进行能的传递的，由于曲轴和连杆互相作用，使往复运动转换为转动。而在爆发做功过程中，活塞受气体冲击压力随其运动而变化，爆发做功的瞬时作用点并非在最大力距位置。曲轴在连杆和储能器-飞轮互相转换或交叉作用下，方向变化陡然，能量互相抵消，这是四冲程内燃机能的利用率低的重要原因之二。

3、四冲程内燃机，绝大多数采取机体内水路循环交换热量，降低气缸温度，因此，使爆发产生的大量热（能量）被水箱和机体传给大气空间，用这么多能量换取了活塞在气缸内正常运行。这是四冲程内燃机本身结构造成的难以克服的固疾，也是耗能高的根本原因。然而，采用陶瓷新材料，提高气缸耐高温的承受能力，会使能的利用率有显著提高，但是远不能发挥燃料应有的效力。根据热功当量公式（1卡＝4.18焦耳）推算，每公斤油完全燃烧，产生的热能相当于17马力1小时所作的功;已获部优质奖的X～195型柴油机，每马力耗油180克，一公斤油可获得5.56马力1小时所做的功，由此看来当前部优柴油机能的利用率也是很 低的，其能的利用率仅有1/3。就最近时期，一些国家利用新材料改造四冲程内燃机后，能的利用率虽然有显著提高，但能的利用率仍很低。如日本京都陶瓷公司在“杜兹”2.8升3缸气冷式柴油机基础之上，用陶瓷新材料制造3缸四冲程陶瓷柴油机，省去了气冷系统，装在小轿车上，行驶一个小时。实验证明，其比同等规模的常规柴油机提高效率30%。但能的利用率也不到1/2。因此，要充分发挥燃料的效力，就必须改变现有四冲程内燃机结构。

六十多年来，世界先进工业国一直在进行着对内燃发动机的改型研制工作，三角活塞发动机、绝热发动机等，先后进行了试制。但是，终因自身结构和润滑、封闭问题没有成功，而那些符合机械原理的设想和教训都可作为有益的借鉴，以便设计符合高效、节能、结构简单的新机型-陶瓷旋转活塞发动机。

本机根据燃烧释放热能、气体受热产生膨胀力的原理，设计用陶瓷新材料碳化硅、氮化硅采取热压铸型中火（1000～1125度）真空控制，高温（2400～2450度）烧结、急速冷却的新工艺，制作加工旋转活塞、机体及其主要部件，旋活塞在1200度条件下，保持抗折强度不小于60Kg/平方毫米和良好的自润性。适应高温1300～1400度（燃烧中心可达2500～2800度）、高速（1800～20000转/分）活塞的直径90毫米、长（厚）36毫米，有4个直径18毫米、长26毫米的弹头形的内半燃爆室，其 轴线同火塞径线成120度角。旋转活塞由主轴〔17〕固定于机体〔2〕内，机体内径90毫米。机体有外半燃爆室〔12〕、助推室〔10〕、第一推进室〔6〕、第二推进室〔7〕、射流进气增压管〔15〕及阀门11A-B、排除内半燃爆室废气管〔9〕、外半燃爆室〔12〕内有进油阀〔13〕及火花塞〔16〕、在运行中顺序和内半燃爆室（3A-D）构成两端为半球形的园柱形燃爆工作室，其容量为11.7248毫升。由于内半燃爆室方向（同旋转活塞径线成120度角）固定，确定了爆发高压气流的冲击方向所以，爆发气流冲击力、射流增压力、三级推进力和排除废气的气流冲击力等都对旋转活塞起推动作用，改变了以往四冲程内燃发动机反向压缩为同向压缩，从爆发开始、经推进室、射流进气增压和排除废气等、形成为一个同向推进的系统。

本发明的目的是：利用陶瓷新材料强度高，适应耐磨、耐高温，抗腐蚀性强和自润性，改变以往内燃发动机因结构和材料造成难以克服的耗能量高和能量散失严重的结构;使设计的陶瓷旋转活塞发动机避免反向作用和能的抵消，减少能量散失，充分发挥燃料的应有效力以提高能的利用率。

结合附图释述本机工作程序：图1：陶瓷旋转活塞发动机简图

图2：陶瓷旋转活塞发动机运动简图（A-F）

旋转活塞〔1〕由主轴〔17〕固定于机体〔2〕内。当燃爆 室〔3A〕运行至压缩空气阀门〔11〕时、凸轮〔4〕将压气阀杆11A-B顶开，压缩空气进入〔3A〕。同时压缩空气进入增压管〔15〕。活塞在压缩空气推动下转动，〔3A〕也随之运转，凸轮〔5〕将燃油阀杆〔13〕顶起，油管〔14〕在高压射流下，燃油进入燃爆工作室〔3A〕，增加了室内压强，活花塞即点燃爆发。急剧膨胀气体推动〔3A〕，活塞旋转。〔3A〕在助推室〔10〕反作用下，增强对活塞的推进力，当〔3A〕转向第二推进室〔6〕的进气口时，高压气流由〔3A〕挤入第二推进室、增加室内压力，由出气口推动〔3B〕燃爆室。当〔3A〕向第二推进室进口全开放时，〔3B〕燃爆室则跨进第二推进室〔6〕和第三推进室〔7〕，因而两推进室〔6〕和〔7〕构成通道气流由第三推进室〔7〕的出口对燃爆室〔3G〕推进，增加活塞的转动力、随活塞转动，〔3G〕转向排气、在其排气离开第三推进室〔7〕后，压缩空气由射流通道口冲出高压气流，沿燃爆室〔3G〕的上曲面冲出，废气迅速排除，这时燃爆工作室〔3D〕已爆发过，随活塞转向第二推进室〔6〕，完成一个工作循环。

本机采用陶瓷新材料制造，使非金属取代了钢铁和优质合金钢是工业技术的一次革命。碳化硅氮化硅等所用原料主要是天燃硅酸盐矿物，其分布广、种类多、藏量丰富，其约占已知矿物种类的三分之一左右，重量占构成地壳总重量的3/4，是取之不尽，用之不 竭的。且有广阔的发展前景。用陶瓷新材料代替钢铁和其它金属材料是长远大计，具有战略意义;新机型的实施将使能的利用率提高比现有四冲程内燃发动机能的利用提高百分之百，对缓和当前能源紧张将起到一定作用，对工农业生产和交通运输业将产生巨大影响对航空、航海和舰艇制造业也有一定影响作用。

在当前能源急剧紧张、世界市场竞争激烈的形势之下，为寻求节能新门路，陶瓷发动机已成为世界各国争先研制的技术复杂、难度大、而又具有巨大吸引力的项目。日本政府投资相当数额的资金资助全国工业陶瓷制造商，组成联合机构，专门从事陶瓷发动机的研制，以取得共享的技术成果和经验，占领世界市场。我国比日本工业技术水平低、起步晚，但我们党和政府对科学高度重视，作为发展经济的战略的重点，国家已投资数亿元，组织技术力量，研制陶瓷发动机。本机是在研制陶瓷新材料和四冲程发动机成果基础上建立了陶瓷新材料能适应新机型～陶瓷旋转活塞发动机的理论，所以在现有陶瓷新工艺技术条件下，可以施施设计。

实施设计的较好方案是：将此项列入国家科研攻关项目，由国家统筹资金和组织试制。试制由技术力量强、设备条件好、测试手段齐全的国家机械委三磨研究所、新乡内燃机厂和红星电瓷厂等单位参加，统一设计、分段负责实施。共享成果，论功受益。由省劳改局长和三磨研究所领导主持。成功后，建立以河南省劳改局为领办的中国陶瓷旋转活塞发动机总公司，成为科工贸一条龙企业集团，为占领国际市场和四化建设做贡献。

申请日提交的说明书修改补正

Claims (4)

1、陶瓷旋转活塞发动机，其特征在于用陶瓷新材料碳化硅、氮化硅、氧化铝，而且采取热压铸型制造旋转活塞(1)、机体(2)和主要部件，旋转活塞(1)由主轴(17)固定于机体内，活塞(1)的内半燃爆室3A、3B、3G、3D在运转中顺序地和机体的外半燃爆室(12)构成燃爆工作室，射流进气增压、进油后，由火花塞(16)点燃引爆，高压气流冲击推动活塞，经助推室(10)、推进室(6)、(7)，射流排除废气管(9)等对旋转活塞冲击推进，形成为进、压、爆、排和三级再推进的同向推进系统的陶瓷旋转活塞发动机。

2、根据权利要求1所述的陶瓷旋转活塞发动机，其特征在于所述的陶瓷新工艺为采取热压铸型、中火（900度），后火（1000度-2100度），使用保护气体，真空控制，高温（2400-2425度）烧结、急速冷却的新工艺制造，在1200度高温条件下，保持抗折强度不小于60kg/毫米²和良好的自润性，适应高温1300-1400度（燃爆中心可达2500-2800度），高速（18000-20000转/分）。

3、根据权利要求1、2所述的陶瓷旋转活塞发动机，其特征在于设计制造的旋转活塞（1）直径90毫米、长（厚）36毫米，其有两对直径18毫米，长26毫米的内半燃爆室，3A、3B、3G、3D，轴线和旋转活塞径线成120度角，机体（2）内径90毫米，长108毫米，在其和内半燃爆室3A-D在运转中循序地构成为半球形的圆桶腔室，容量为11.725毫升。据此结构程序设计旋转活塞具有两节8个内燃爆室，机体两个外半燃爆室;旋转活塞具有三节12个内半燃烧室，机体三个外半燃烧爆室;旋转活塞具有四节16个内半燃烧室，机体四个外半燃烧室等，三级同向推进的第一系列陶瓷旋转活塞发动机。同上系统原理，建立旋转活塞外径115mm，一端为球形、直径为34mm的内半燃烧室和一端为球冠的外冠的外半燃爆室构成长为38mm，容量305毫升，其轴线同活塞经线成135度角的燃烧工作室相应比例的第二系列陶瓷旋转活塞发动机。

4、根据权利要求2.3规定，燃爆工作室压强不大于45Kg/平方毫米。

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