本發(fā)明涉及發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種高效率、低排放、大功率密度和高可靠性的發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

經(jīng)過一百年的發(fā)展，傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)的效率依然處于較低的水平，公認(rèn)的內(nèi)燃機(jī)的效率達(dá)到30％以上，但隨著效率的提高，環(huán)保變得越來越難，去年出現(xiàn)的大眾“排放門事件”便是一個(gè)事實(shí)；飛機(jī)或船舶上的燃?xì)廨啓C(jī)，由于采用等壓循環(huán)原理，其效率低，哪怕在地面上作為分布式能源發(fā)電，單個(gè)燃?xì)廨啓C(jī)的效率也沒有超過30％的，故燃?xì)廨啓C(jī)一般采用蒸汽聯(lián)合發(fā)電。

為了提高內(nèi)燃機(jī)的熱效率，傳統(tǒng)往復(fù)式活塞內(nèi)燃機(jī)對(duì)廢氣的能量進(jìn)行再利用，一般是采用廢氣渦輪增壓方式，如增壓柴油機(jī)、增壓汽油機(jī)等。然而，采用廢氣渦輪增壓方式獲得能量并未直接應(yīng)用到熱力系統(tǒng)循環(huán)做功中，而是用來提高進(jìn)氣壓力，增加進(jìn)氣密度，以減少泵氣損失和提高單位容積的功率密度來提高熱效率。其次，盡管廢氣渦輪增壓器結(jié)構(gòu)緊湊，但廢氣能量回收采用葉片式渦輪機(jī)和葉輪式壓縮機(jī)，其效率較低，轉(zhuǎn)速高，噪聲大。再次，廢氣通過渦輪機(jī)之后仍具有一定的能量，即溫度和壓力沒有得到充分的利用。最后，傳統(tǒng)往復(fù)式活塞內(nèi)燃機(jī)由于燃燒局部溫度較高(局部最高溫度可達(dá)2800k)、油氣混合不均勻、活塞環(huán)漏氣、活塞環(huán)狹隙和體積淬熄等原因，致使其hc、co(汽油機(jī)上)、pm、nox(微粒，柴油機(jī)上)等有害污染物排放高。盡管目前科學(xué)界提出在往復(fù)式活塞內(nèi)燃機(jī)上采用hcci(均質(zhì)壓燃點(diǎn)火)方式可大大減少nox和pm，但是不管在汽油機(jī)上還是柴油機(jī)上其實(shí)現(xiàn)的工況范圍非常有限，應(yīng)用性難以得到推廣。

燃?xì)廨啓C(jī)是一種以連續(xù)流動(dòng)的氣體作為工質(zhì)、把熱能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的旋轉(zhuǎn)式動(dòng)力機(jī)械。在空氣和燃?xì)獾闹饕鞒讨?，只有壓縮機(jī)、燃燒室和燃?xì)馔钙竭@三大部件組成的燃?xì)廨啓C(jī)循環(huán)，通稱為簡(jiǎn)單循環(huán)。大多數(shù)燃?xì)廨啓C(jī)均采用簡(jiǎn)單循環(huán)方案。因?yàn)樗慕Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，而且能體現(xiàn)出燃?xì)廨啓C(jī)所特有的體積小、重量輕、起動(dòng)快、基本不用冷卻水等一系列優(yōu)點(diǎn)，然而簡(jiǎn)單循環(huán)的燃?xì)廨啓C(jī)排溫高(900℃左右)，致使其熱效率不高。雖然在簡(jiǎn)單循環(huán)的基礎(chǔ)上增加了一些過程，包括壓縮之間的冷卻過程和排氣換熱等過程，其熱效率有所提高。但是，傳統(tǒng)的燃?xì)廨啓C(jī)從外界吸入的空氣全都要經(jīng)壓縮機(jī)增壓，壓縮機(jī)耗功大，約占膨脹功的1/2到2/3左右。其次，通過燃?xì)馔钙降膹U氣仍具有一定的能量，即溫度和壓力沒有得到充分的利用。再次，燃?xì)廨啓C(jī)在負(fù)荷變化的況情況下，熱效率低?？傊?，傳統(tǒng)燃?xì)廨啓C(jī)的熱功轉(zhuǎn)化效率低。

很多年以來，人們一直希望找到一種高效率、大功率的發(fā)動(dòng)機(jī)，即壓縮、膨脹像活塞式內(nèi)燃機(jī)一樣，而運(yùn)行像燃?xì)廨啓C(jī)一樣，要達(dá)到這個(gè)想法，必須結(jié)合活塞式內(nèi)燃機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)的優(yōu)點(diǎn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

該發(fā)動(dòng)機(jī)由三個(gè)功能級(jí)組成，第一級(jí)是壓縮級(jí)，第二級(jí)燃燒放熱級(jí)，第三級(jí)是膨脹做功級(jí)，不同功能級(jí)之間相互串聯(lián)，形成一個(gè)完整的連續(xù)內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)。每個(gè)功能級(jí)的主體結(jié)構(gòu)都是回轉(zhuǎn)體式且大致結(jié)構(gòu)類似，以壓縮級(jí)為例，主要包括主轉(zhuǎn)子、輔轉(zhuǎn)子和正時(shí)氣口，其中主轉(zhuǎn)子和輔轉(zhuǎn)子外徑相切且主轉(zhuǎn)子外徑是輔轉(zhuǎn)子外徑的2倍。當(dāng)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，主轉(zhuǎn)子在轉(zhuǎn)動(dòng)同時(shí)，輔轉(zhuǎn)子也在同步齒輪的帶動(dòng)下同步旋轉(zhuǎn)，至每個(gè)嚙合位時(shí)葉片與凹槽嚙合，主轉(zhuǎn)子葉子就巧妙地繞過輔轉(zhuǎn)子，通過恰當(dāng)?shù)臍饪诓贾煤驼龝r(shí)裝置(圖中沒有表達(dá))的正時(shí)控制，便可實(shí)現(xiàn)不斷地進(jìn)氣壓縮功能。此過程實(shí)現(xiàn)的核心是正時(shí)裝置，正時(shí)裝置是一種低氣阻正時(shí)結(jié)構(gòu)，不但能實(shí)現(xiàn)進(jìn)排氣正時(shí)，還可以大大降低進(jìn)排氣過程的流動(dòng)損失。

壓縮級(jí)實(shí)現(xiàn)氣體容積式壓縮，燃燒級(jí)實(shí)現(xiàn)連續(xù)定容燃燒，膨脹級(jí)實(shí)現(xiàn)氣體容積式膨脹，不同功能級(jí)串聯(lián)起來組成一臺(tái)完整的發(fā)動(dòng)機(jī)。

該發(fā)動(dòng)機(jī)的優(yōu)點(diǎn)有：

(1)由于發(fā)動(dòng)機(jī)的主體是回轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)，工質(zhì)做功的方向與主軸輸出的方向完全相同，因此所有的密封都可以采用間隙密封(不接觸密封)，這樣發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)潤(rùn)滑和冷卻的要求大大降低，可以大幅度減少摩擦損失和散熱損失；由于機(jī)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)定容燃燒，大大提高了燃燒效率；由于壓縮和膨脹過程相互獨(dú)立，可以很容易實(shí)現(xiàn)阿特金森循環(huán)，使燃燒后的工質(zhì)充分膨脹做功；另外，由于采用正時(shí)裝置，可以去除進(jìn)排氣閥門，大大降低了泵氣和節(jié)流損失。綜合起來，這種發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)更接近理論循環(huán)效率。

(2)由于該發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)連續(xù)定容燃燒，因此很容易采用稀薄燃燒技術(shù)。通過稀薄燃燒，燃燒溫度控制在2000k以內(nèi)，從源頭上大幅度降低了nox的產(chǎn)生，另外，通過混合氣預(yù)混合，燃燒充分，也幾乎無顆粒物產(chǎn)生，所以該系統(tǒng)一次排放很容易達(dá)到歐五(國(guó)五)排放標(biāo)準(zhǔn)，而且只需采用簡(jiǎn)單的排氣后處理系統(tǒng)，即可達(dá)到國(guó)六(歐六)排放標(biāo)準(zhǔn)。

(3)由于發(fā)動(dòng)機(jī)采用連續(xù)燃燒，其功率可以比肩于燃?xì)廨啓C(jī)，而且由于不接觸密封，發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速可以設(shè)計(jì)得非常大，轉(zhuǎn)速的提高也將大大提高發(fā)動(dòng)機(jī)的比重量功率。跟四沖程內(nèi)燃機(jī)相比，此發(fā)動(dòng)機(jī)每轉(zhuǎn)一圈(360度)，膨脹做功4次，而四沖程內(nèi)燃機(jī)每轉(zhuǎn)兩圈(760度)才做功1次，因此該發(fā)動(dòng)機(jī)的比重量功率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)。

(4)由于發(fā)動(dòng)機(jī)主體結(jié)構(gòu)是回轉(zhuǎn)體，沒有復(fù)雜的結(jié)構(gòu)組成，而且采用的零部件數(shù)目比傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)大大減少，故結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單、加工十分容易、造價(jià)低；由于發(fā)動(dòng)機(jī)的密封摩擦小，不存在高溫摩擦潤(rùn)滑問題，加上機(jī)構(gòu)主要是旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，不存在往復(fù)沖擊力，故易損件極少，可連續(xù)可靠運(yùn)行。

(5)葉片和轉(zhuǎn)子軸平行，氣體膨脹的力矩完全用于主軸做功，機(jī)械效率高。

(6)由于輔轉(zhuǎn)子產(chǎn)生力偶作用，加上沒有其他易沖擊部件，故工作運(yùn)行平穩(wěn)、噪聲低。

附圖說明

圖1為本發(fā)明轉(zhuǎn)子式發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)示意圖。

圖2為本發(fā)明熱力單元及正時(shí)裝置示意圖。

圖3為本發(fā)明壓縮機(jī)進(jìn)氣過程示意圖。

圖4為本發(fā)明壓縮機(jī)壓縮過程示意圖。

圖5為本發(fā)明壓縮機(jī)排氣過程示意圖。

圖6為本發(fā)明膨脹機(jī)進(jìn)氣過程示意圖。

圖7為本發(fā)明膨脹機(jī)膨脹過程示意圖。

圖8為本發(fā)明膨脹機(jī)排氣過程示意圖。

圖9為本發(fā)明燃燒器結(jié)構(gòu)示意圖。

圖10為本發(fā)明燃燒器工作過程a。

圖11為本發(fā)明燃燒器工作過程b。

圖12為本發(fā)明燃燒器工作過程c。

圖13為本發(fā)明燃燒器工作過程d。

圖14為本發(fā)明燃燒器工作過程e。

圖15為本發(fā)明燃燒器工作過程f。

圖16為本發(fā)明燃燒器工作過程g。

具體實(shí)施方式

結(jié)合圖1和圖2對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行說明。

所述一種轉(zhuǎn)子式發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)包括三個(gè)功能級(jí)：壓縮級(jí)1、燃燒級(jí)2和膨脹級(jí)3，各級(jí)之間相互獨(dú)立，通過主軸串聯(lián)成一個(gè)整體，其中每一級(jí)都有一個(gè)或幾個(gè)熱力轉(zhuǎn)化單元組成，所述熱力轉(zhuǎn)化單元在不同的功能級(jí)分別為壓縮機(jī)(一級(jí)壓縮機(jī)11、二級(jí)壓縮機(jī)12)、燃燒器21和膨脹機(jī)31。所述一級(jí)壓縮機(jī)11和所述二級(jí)壓縮機(jī)12結(jié)構(gòu)相同，都由第一組進(jìn)氣正時(shí)裝置111、第一組排氣正時(shí)裝置112、第二組進(jìn)氣正時(shí)裝置114、第二組進(jìn)氣正時(shí)裝置113、第一輔動(dòng)輪115、第二輔動(dòng)輪116、動(dòng)力輪119、殼體110組成，其中，所述第一輔動(dòng)輪115、第二輔動(dòng)輪116是帶有凹槽(圖中117和118特征)的回轉(zhuǎn)體，所述動(dòng)力輪119是帶有兩個(gè)凸起110的回轉(zhuǎn)體。所述燃燒器21由第一組進(jìn)氣正時(shí)裝置211、第一組排氣正時(shí)裝置212、第二組進(jìn)氣正時(shí)裝置213、第二組排氣正時(shí)裝置214、第一輔助輪215、第二輔助輪216、第一輔助輪凹槽217、第二輔助輪凹槽218、動(dòng)力輪210、動(dòng)力輪凸起219、上噴油器2110、下噴油器2111和殼體2114組成，其中，殼體2114和動(dòng)力輪凸起219構(gòu)成初燃燒室2112、后燃燒室2113。所述膨脹機(jī)31由第一組進(jìn)氣正時(shí)裝置311、第一組排氣正時(shí)裝置312、第二組進(jìn)氣正時(shí)裝置314、第二組進(jìn)氣正時(shí)裝置313、第一輔動(dòng)輪315、第二輔動(dòng)輪316、第一輔動(dòng)輪凹槽317、第二輔動(dòng)輪凹槽318、主動(dòng)輪319和殼體310組成。發(fā)動(dòng)機(jī)的主要結(jié)構(gòu)都是由主轉(zhuǎn)子、輔轉(zhuǎn)子、殼體和正時(shí)裝置組成，并且都是回轉(zhuǎn)體加工，其中主轉(zhuǎn)子和輔轉(zhuǎn)子外徑相切且主轉(zhuǎn)子外徑是輔轉(zhuǎn)子外徑的2倍，輔轉(zhuǎn)子的角速度是主轉(zhuǎn)子角速度的2倍。氣流流動(dòng)方向是：新鮮空氣首先進(jìn)入所述壓縮級(jí)，壓力得到提升，壓縮后的空氣進(jìn)入所述燃燒級(jí)，此時(shí)燃料通過噴嘴噴入燃燒室，經(jīng)過定容燃燒，燃燒后的工質(zhì)進(jìn)入所述膨脹級(jí)，進(jìn)行充分膨脹做功，實(shí)現(xiàn)動(dòng)力輸出。

所述正時(shí)裝置由所述殼體中包含的固定進(jìn)排氣口(圖示41、44、46、48)、正時(shí)器43組成，其中，所述正時(shí)器43包含正時(shí)氣口42和47，且正時(shí)器43和主動(dòng)輪聯(lián)動(dòng)，運(yùn)轉(zhuǎn)速度相同。所述正時(shí)裝置和所述殼體通過梳齒進(jìn)行密封處理。通過主輔動(dòng)輪的配合及正時(shí)裝置的正時(shí)作用，所述壓縮機(jī)實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)體的內(nèi)壓縮過程，當(dāng)壓力大于排氣背壓時(shí)開始排氣；所述燃燒器實(shí)現(xiàn)移動(dòng)式等容燃燒并且連續(xù)燃燒；所述膨脹機(jī)實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)體的內(nèi)膨脹過程，并且通過正時(shí)實(shí)現(xiàn)工質(zhì)充分膨脹。

結(jié)合圖3-圖5對(duì)壓縮機(jī)工作過程進(jìn)行介紹。

如圖3所示，當(dāng)正時(shí)器的氣口與殼體的固定氣口重合，此時(shí)低溫低壓的工質(zhì)進(jìn)入空腔，并充滿環(huán)形氣缸，此時(shí)，主動(dòng)輪繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)主動(dòng)輪的凸起繞過殼體的固定氣口(圖4)，開始?jí)嚎s進(jìn)入空腔的工質(zhì)，當(dāng)正時(shí)器的氣口與殼體的固定排氣口重合，此時(shí)開始排氣過程(圖5)，并完成從低溫低壓的工質(zhì)變?yōu)楦邷馗邏旱墓べ|(zhì)的熱力過程。以水平軸線為分界，主動(dòng)輪轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)，吸氣、壓縮四次、排氣四次，如此往復(fù)。

如圖6所示，正時(shí)外殼、主轉(zhuǎn)子葉片、輔轉(zhuǎn)子共同構(gòu)成環(huán)繞主轉(zhuǎn)子的密封基元容積，當(dāng)主轉(zhuǎn)子和正時(shí)外殼一起轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，正時(shí)外殼氣口開始與殼體進(jìn)氣口重合，此時(shí)高溫高壓的工作介質(zhì)進(jìn)入基元容積，開始進(jìn)氣過程。

工質(zhì)在基元容積中膨脹推動(dòng)主轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)輸出功率。主轉(zhuǎn)子和正時(shí)外殼同時(shí)旋轉(zhuǎn)，當(dāng)正時(shí)外殼氣口開始與殼體排氣口重合，環(huán)形氣缸內(nèi)的工質(zhì)轉(zhuǎn)到出氣口后排出，開始排氣過程。在主轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)同時(shí)，輔轉(zhuǎn)子在同步齒輪的帶動(dòng)下同步旋轉(zhuǎn)。至每個(gè)嚙合位時(shí)葉片與凹槽嚙合，主轉(zhuǎn)子葉子就巧妙地繞過輔轉(zhuǎn)子，然后陰主轉(zhuǎn)子又形成一個(gè)嚙合點(diǎn)，主轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)360度，吸氣、膨脹四次、排氣四次，如此往復(fù)。

進(jìn)一步對(duì)燃燒器的結(jié)構(gòu)和工作過程進(jìn)行描述。

結(jié)合圖9，燃燒器的主動(dòng)輪和兩個(gè)輔動(dòng)輪的基圓相切，通過凸起和凹槽相互配合，形成相互獨(dú)立的容積腔。主動(dòng)輪基圓、主動(dòng)輪凸起和殼體形成定容燃燒室(燃燒過程中燃燒室通過凸起與進(jìn)排氣腔隔離)，因?yàn)槭腔剞D(zhuǎn)體，通過設(shè)計(jì)尺寸以及加工精度，保持主動(dòng)輪凸起和殼體采用不接觸密封。在殼體上有固定的氣口，氣口布置有正時(shí)裝置，用于進(jìn)氣和排氣，進(jìn)氣和排氣的角度約40～60度。噴嘴點(diǎn)火器，在燃燒裝置工作過程中，進(jìn)行連續(xù)燃料噴射，形成連續(xù)燃燒(燃料噴射量不顯著隨氣缸壓力變化而變化)；在燃燒裝置里，各有兩個(gè)容積腔在進(jìn)行同樣的過程(進(jìn)氣、燃燒、排氣過程)。

圖10中，主動(dòng)輪凸起52與輔動(dòng)輪組成的容積腔開始進(jìn)氣，主動(dòng)輪凸起51與輔動(dòng)輪組成的容積腔繼續(xù)排氣；圖11中，主動(dòng)輪凸起51與主動(dòng)輪凸起52組成的容積腔繼續(xù)進(jìn)氣；圖12中，主動(dòng)輪凸起51與主動(dòng)輪凸起52組成的容積腔進(jìn)氣過程結(jié)束。

圖13中，燃料開始噴入主動(dòng)輪凸起51與主動(dòng)輪凸起52形成的容積腔，由于此時(shí)容積腔溫度已經(jīng)達(dá)到著火溫度，燃料一噴入容積腔便開始燃燒過程；圖13到圖14的過程，由于從燃燒開始到燃燒結(jié)束，主動(dòng)輪凸起51與主動(dòng)輪凸起52形成的燃燒室始終與進(jìn)排氣腔相隔離，容積不變，故為等容燃燒過程，燃燒角度大約45度，有效解決了內(nèi)燃機(jī)中的燃燒點(diǎn)火提前和后燃問題；圖14到圖15的過程，主動(dòng)輪凸起51剛通過噴嘴，主動(dòng)輪凸起51與主動(dòng)輪凸起52形成的容積腔結(jié)束燃燒，噴嘴把燃料噴入其相鄰的容積腔，繼續(xù)燃燒，即實(shí)現(xiàn)連續(xù)燃燒。

圖14中，主動(dòng)輪凸起51通過燃料噴射器，燃料停止噴入圖示容積腔，燃燒過程結(jié)束，開始排氣過程；圖15到圖16的過程中，主動(dòng)輪凸起51繼續(xù)把剩余的燃燒廢氣排出容積腔；圖15中，主動(dòng)輪凸起51與主動(dòng)輪凸起52組成的容積腔排氣過程結(jié)束。