專(zhuān)利名稱(chēng)：陶瓷旋轉(zhuǎn)活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)和特陶雙重技術(shù)領(lǐng)域。該機(jī)是一種不要曲軸、連桿，不要內(nèi)水路循環(huán)散熱降溫，而用陶瓷新材料做機(jī)體、活塞和主要部件，由機(jī)體和旋轉(zhuǎn)活塞構(gòu)成燃爆工作室，采取射流增壓和排除燃爆工作室廢氣、壓電火花引爆和高溫燃爆相結(jié)合，定向爆發(fā)、三級(jí)推進(jìn)的陶瓷旋轉(zhuǎn)活塞發(fā)動(dòng)機(jī)。
自從博特發(fā)明內(nèi)燃機(jī)之后，世界工業(yè)進(jìn)入了一個(gè)新時(shí)期，使航空工業(yè)得以迅速發(fā)展。一百多年來(lái)，內(nèi)燃機(jī)發(fā)展很快，種類(lèi)繁多，但絕大多數(shù)能的利用率很低;一些新研制的如轉(zhuǎn)子、絕熱、三角活塞發(fā)動(dòng)機(jī)等。由于結(jié)構(gòu)問(wèn)題，使其無(wú)法投入使用。西方一些國(guó)家雖然競(jìng)相搞了六、七十年新型發(fā)動(dòng)機(jī)，但仍無(wú)突破性進(jìn)展;現(xiàn)行的航空、航天、航海噴氣、燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)等，雖然能的利用率較高，但造價(jià)高昂，發(fā)展受到一定限制。因此現(xiàn)對(duì)使用廣泛的四沖程內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)剖析，以建立新機(jī)型的引論和依據(jù)。
1、四沖程內(nèi)燃機(jī)的進(jìn)氣、壓縮、爆發(fā)、排除廢氣四個(gè)沖程，循環(huán)往復(fù)，其中只有一個(gè)爆發(fā)沖程作功。壓縮、排氣均是耗能，特別是壓縮沖程耗能高，柴油機(jī)壓縮強(qiáng)度高達(dá)30～45kg/cm2，而爆發(fā)做功壓強(qiáng)也只不過(guò)是60～90Kg/cm2左右，這幾乎一半能量耗費(fèi)在壓縮沖程。當(dāng)然，在壓縮沖程中，一部分能通過(guò)壓縮，使氣缸內(nèi)的氣體分子加速熱運(yùn)動(dòng)，即由壓縮做功，將功轉(zhuǎn)換為內(nèi)能(表現(xiàn)為提高氣缸內(nèi)溫度)，在下一爆發(fā)沖程中又釋放出來(lái)。
2、四沖程內(nèi)燃機(jī)是靠活塞通過(guò)連桿和曲軸進(jìn)行能的傳遞的，由于曲軸和連桿互相作用，使往復(fù)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)動(dòng)。而在爆發(fā)做功過(guò)程中，活塞受氣體沖擊壓力隨其運(yùn)動(dòng)而變化，爆發(fā)做功的瞬時(shí)作用點(diǎn)并非在最大力距位置。曲軸在連桿和儲(chǔ)能器-飛輪互相轉(zhuǎn)換或交叉作用下，方向變化陡然，能量互相抵消，這是四沖程內(nèi)燃機(jī)能的利用率低的重要原因之二。
3、四沖程內(nèi)燃機(jī)，絕大多數(shù)采取機(jī)體內(nèi)水路循環(huán)交換熱量，降低氣缸溫度，因此，使爆發(fā)產(chǎn)生的大量熱(能量)被水箱和機(jī)體傳給大氣空間，用這么多能量換取了活塞在氣缸內(nèi)正常運(yùn)行。這是四沖程內(nèi)燃機(jī)本身結(jié)構(gòu)造成的難以克服的固疾，也是耗能高的根本原因。然而，采用陶瓷新材料，提高氣缸耐高溫的承受能力，會(huì)使能的利用率有顯著提高，但是遠(yuǎn)不能發(fā)揮燃料應(yīng)有的效力。根據(jù)熱功當(dāng)量公式(1卡＝4.18焦耳)推算，每公斤油完全燃燒，產(chǎn)生的熱能相當(dāng)于17馬力1小時(shí)所作的功;已獲部?jī)?yōu)質(zhì)獎(jiǎng)的X～195型柴油機(jī)，每馬力耗油180克，一公斤油可獲得5.56馬力1小時(shí)所做的功，由此看來(lái)當(dāng)前部?jī)?yōu)柴油機(jī)能的利用率也是很低的，其能的利用率僅有1/3。就最近時(shí)期，一些國(guó)家利用新材料改造四沖程內(nèi)燃機(jī)后，能的利用率雖然有顯著提高，但能的利用率仍很低。如日本京都陶瓷公司在“杜茲”2.8升3缸氣冷式柴油機(jī)基礎(chǔ)之上，用陶瓷新材料制造3缸四沖程陶瓷柴油機(jī)，省去了氣冷系統(tǒng)，裝在小轎車(chē)上，行駛一個(gè)小時(shí)。實(shí)驗(yàn)證明，其比同等規(guī)模的常規(guī)柴油機(jī)提高效率30%。但能的利用率也不到1/2。因此，要充分發(fā)揮燃料的效力，就必須改變現(xiàn)有四沖程內(nèi)燃機(jī)結(jié)構(gòu)。
六十多年來(lái)，世界先進(jìn)工業(yè)國(guó)一直在進(jìn)行著對(duì)內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的改型研制工作，三角活塞發(fā)動(dòng)機(jī)、絕熱發(fā)動(dòng)機(jī)等，先后進(jìn)行了試制。但是，終因自身結(jié)構(gòu)和潤(rùn)滑、封閉問(wèn)題沒(méi)有成功，而那些符合機(jī)械原理的設(shè)想和教訓(xùn)都可作為有益的借鑒，以便設(shè)計(jì)符合高效、節(jié)能、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的新機(jī)型-陶瓷旋轉(zhuǎn)活塞發(fā)動(dòng)機(jī)。
本機(jī)根據(jù)燃燒釋放熱能、氣體受熱產(chǎn)生膨脹力的原理，設(shè)計(jì)用陶瓷新材料碳化硅、氮化硅采取熱壓鑄型中火(1000～1125度)真空控制，高溫(2400～2450度)燒結(jié)、急速冷卻的新工藝，制作加工旋轉(zhuǎn)活塞、機(jī)體及其主要部件，旋活塞在1200度條件下，保持抗折強(qiáng)度不小于60Kg/平方毫米和良好的自潤(rùn)性。適應(yīng)高溫1300～1400度(燃燒中心可達(dá)2500～2800度)、高速(1800～20000轉(zhuǎn)/分)活塞的直徑90毫米、長(zhǎng)(厚)36毫米，有4個(gè)直徑18毫米、長(zhǎng)26毫米的彈頭形的內(nèi)半燃爆室，其軸線同火塞徑線成120度角。旋轉(zhuǎn)活塞由主軸〔17〕固定于機(jī)體〔2〕內(nèi)，機(jī)體內(nèi)徑90毫米。機(jī)體有外半燃爆室〔12〕、助推室〔10〕、第一推進(jìn)室〔6〕、第二推進(jìn)室〔7〕、射流進(jìn)氣增壓管〔15〕及閥門(mén)11A-B、排除內(nèi)半燃爆室廢氣管〔9〕、外半燃爆室〔12〕內(nèi)有進(jìn)油閥〔13〕及火花塞〔16〕、在運(yùn)行中順序和內(nèi)半燃爆室(3A-D)構(gòu)成兩端為半球形的園柱形燃爆工作室，其容量為11.7248毫升。由于內(nèi)半燃爆室方向(同旋轉(zhuǎn)活塞徑線成120度角)固定，確定了爆發(fā)高壓氣流的沖擊方向所以，爆發(fā)氣流沖擊力、射流增壓力、三級(jí)推進(jìn)力和排除廢氣的氣流沖擊力等都對(duì)旋轉(zhuǎn)活塞起推動(dòng)作用，改變了以往四沖程內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)反向壓縮為同向壓縮，從爆發(fā)開(kāi)始、經(jīng)推進(jìn)室、射流進(jìn)氣增壓和排除廢氣等、形成為一個(gè)同向推進(jìn)的系統(tǒng)。
本發(fā)明的目的是利用陶瓷新材料強(qiáng)度高，適應(yīng)耐磨、耐高溫，抗腐蝕性強(qiáng)和自潤(rùn)性，改變以往內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)因結(jié)構(gòu)和材料造成難以克服的耗能量高和能量散失嚴(yán)重的結(jié)構(gòu);使設(shè)計(jì)的陶瓷旋轉(zhuǎn)活塞發(fā)動(dòng)機(jī)避免反向作用和能的抵消，減少能量散失，充分發(fā)揮燃料的應(yīng)有效力以提高能的利用率。
結(jié)合附圖釋述本機(jī)工作程序

圖1陶瓷旋轉(zhuǎn)活塞發(fā)動(dòng)機(jī)簡(jiǎn)2陶瓷旋轉(zhuǎn)活塞發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖(A-F)旋轉(zhuǎn)活塞〔1〕由主軸〔17〕固定于機(jī)體〔2〕內(nèi)。當(dāng)燃爆室〔3A〕運(yùn)行至壓縮空氣閥門(mén)〔11〕時(shí)、凸輪〔4〕將壓氣閥桿11A-B頂開(kāi)，壓縮空氣進(jìn)入〔3A〕。同時(shí)壓縮空氣進(jìn)入增壓管〔15〕?；钊趬嚎s空氣推動(dòng)下轉(zhuǎn)動(dòng)，〔3A〕也隨之運(yùn)轉(zhuǎn)，凸輪〔5〕將燃油閥桿〔13〕頂起，油管〔14〕在高壓射流下，燃油進(jìn)入燃爆工作室〔3A〕，增加了室內(nèi)壓強(qiáng)，活花塞即點(diǎn)燃爆發(fā)。急劇膨脹氣體推動(dòng)〔3A〕，活塞旋轉(zhuǎn)。〔3A〕在助推室〔10〕反作用下，增強(qiáng)對(duì)活塞的推進(jìn)力，當(dāng)〔3A〕轉(zhuǎn)向第二推進(jìn)室〔6〕的進(jìn)氣口時(shí)，高壓氣流由〔3A〕擠入第二推進(jìn)室、增加室內(nèi)壓力，由出氣口推動(dòng)〔3B〕燃爆室。當(dāng)〔3A〕向第二推進(jìn)室進(jìn)口全開(kāi)放時(shí)，〔3B〕燃爆室則跨進(jìn)第二推進(jìn)室〔6〕和第三推進(jìn)室〔7〕，因而兩推進(jìn)室〔6〕和〔7〕構(gòu)成通道氣流由第三推進(jìn)室〔7〕的出口對(duì)燃爆室〔3G〕推進(jìn)，增加活塞的轉(zhuǎn)動(dòng)力、隨活塞轉(zhuǎn)動(dòng)，〔3G〕轉(zhuǎn)向排氣、在其排氣離開(kāi)第三推進(jìn)室〔7〕后，壓縮空氣由射流通道口沖出高壓氣流，沿燃爆室〔3G〕的上曲面沖出，廢氣迅速排除，這時(shí)燃爆工作室〔3D〕已爆發(fā)過(guò)，隨活塞轉(zhuǎn)向第二推進(jìn)室〔6〕，完成一個(gè)工作循環(huán)。
本機(jī)采用陶瓷新材料制造，使非金屬取代了鋼鐵和優(yōu)質(zhì)合金鋼是工業(yè)技術(shù)的一次革命。碳化硅氮化硅等所用原料主要是天燃硅酸鹽礦物，其分布廣、種類(lèi)多、藏量豐富，其約占已知礦物種類(lèi)的三分之一左右，重量占構(gòu)成地殼總重量的3/4，是取之不盡，用之不竭的。且有廣闊的發(fā)展前景。用陶瓷新材料代替鋼鐵和其它金屬材料是長(zhǎng)遠(yuǎn)大計(jì)，具有戰(zhàn)略意義;新機(jī)型的實(shí)施將使能的利用率提高比現(xiàn)有四沖程內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)能的利用提高百分之百，對(duì)緩和當(dāng)前能源緊張將起到一定作用，對(duì)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和交通運(yùn)輸業(yè)將產(chǎn)生巨大影響對(duì)航空、航海和艦艇制造業(yè)也有一定影響作用。
在當(dāng)前能源急劇緊張、世界市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)激烈的形勢(shì)之下，為尋求節(jié)能新門(mén)路，陶瓷發(fā)動(dòng)機(jī)已成為世界各國(guó)爭(zhēng)先研制的技術(shù)復(fù)雜、難度大、而又具有巨大吸引力的項(xiàng)目。日本政府投資相當(dāng)數(shù)額的資金資助全國(guó)工業(yè)陶瓷制造商，組成聯(lián)合機(jī)構(gòu)，專(zhuān)門(mén)從事陶瓷發(fā)動(dòng)機(jī)的研制，以取得共享的技術(shù)成果和經(jīng)驗(yàn)，占領(lǐng)世界市場(chǎng)。我國(guó)比日本工業(yè)技術(shù)水平低、起步晚，但我們黨和政府對(duì)科學(xué)高度重視，作為發(fā)展經(jīng)濟(jì)的戰(zhàn)略的重點(diǎn)，國(guó)家已投資數(shù)億元，組織技術(shù)力量，研制陶瓷發(fā)動(dòng)機(jī)。本機(jī)是在研制陶瓷新材料和四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)成果基礎(chǔ)上建立了陶瓷新材料能適應(yīng)新機(jī)型～陶瓷旋轉(zhuǎn)活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的理論，所以在現(xiàn)有陶瓷新工藝技術(shù)條件下，可以施施設(shè)計(jì)。
實(shí)施設(shè)計(jì)的較好方案是將此項(xiàng)列入國(guó)家科研攻關(guān)項(xiàng)目，由國(guó)家統(tǒng)籌資金和組織試制。試制由技術(shù)力量強(qiáng)、設(shè)備條件好、測(cè)試手段齊全的國(guó)家機(jī)械委三磨研究所、新鄉(xiāng)內(nèi)燃機(jī)廠和紅星電瓷廠等單位參加，統(tǒng)一設(shè)計(jì)、分段負(fù)責(zé)實(shí)施。共享成果，論功受益。由省勞改局長(zhǎng)和三磨研究所領(lǐng)導(dǎo)主持。成功后，建立以河南省勞改局為領(lǐng)辦的中國(guó)陶瓷旋轉(zhuǎn)活塞發(fā)動(dòng)機(jī)總公司，成為科工貿(mào)一條龍企業(yè)集團(tuán)，為占領(lǐng)國(guó)際市場(chǎng)和四化建設(shè)做貢獻(xiàn)。
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權(quán)利要求
1.陶瓷旋轉(zhuǎn)活塞發(fā)動(dòng)機(jī)，其特征在于用陶瓷新材料碳化硅、氮化硅、氧化鋁，而且采取熱壓鑄型制造旋轉(zhuǎn)活塞(1)、機(jī)體(2)和主要部件，旋轉(zhuǎn)活塞(1)由主軸(17)固定于機(jī)體內(nèi)，活塞(1)的內(nèi)半燃爆室3A、3B、3G、3D在運(yùn)轉(zhuǎn)中順序地和機(jī)體的外半燃爆室(12)構(gòu)成燃爆工作室，射流進(jìn)氣增壓、進(jìn)油后，由火花塞(16)點(diǎn)燃引爆，高壓氣流沖擊推動(dòng)活塞，經(jīng)助推室(10)、推進(jìn)室(6)、(7)，射流排除廢氣管(9)等對(duì)旋轉(zhuǎn)活塞沖擊推進(jìn)，形成為進(jìn)、壓、爆、排和三級(jí)再推進(jìn)的同向推進(jìn)系統(tǒng)的陶瓷旋轉(zhuǎn)活塞發(fā)動(dòng)機(jī)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的陶瓷旋轉(zhuǎn)活塞發(fā)動(dòng)機(jī)，其特征在于所述的陶瓷新工藝為采取熱壓鑄型、中火(900度)，后火(1000度-2100度)，使用保護(hù)氣體，真空控制，高溫(2400-2425度)燒結(jié)、急速冷卻的新工藝制造，在1200度高溫條件下，保持抗折強(qiáng)度不小于60kg/毫米2和良好的自潤(rùn)性，適應(yīng)高溫1300-1400度(燃爆中心可達(dá)2500-2800度)，高速(18000-20000轉(zhuǎn)/分)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1、2所述的陶瓷旋轉(zhuǎn)活塞發(fā)動(dòng)機(jī)，其特征在于設(shè)計(jì)制造的旋轉(zhuǎn)活塞(1)直徑90毫米、長(zhǎng)(厚)36毫米，其有兩對(duì)直徑18毫米，長(zhǎng)26毫米的內(nèi)半燃爆室，3A、3B、3G、3D，軸線和旋轉(zhuǎn)活塞徑線成120度角，機(jī)體(2)內(nèi)徑90毫米，長(zhǎng)108毫米，在其和內(nèi)半燃爆室3A-D在運(yùn)轉(zhuǎn)中循序地構(gòu)成為半球形的圓桶腔室，容量為11.725毫升。據(jù)此結(jié)構(gòu)程序設(shè)計(jì)旋轉(zhuǎn)活塞具有兩節(jié)8個(gè)內(nèi)燃爆室，機(jī)體兩個(gè)外半燃爆室;旋轉(zhuǎn)活塞具有三節(jié)12個(gè)內(nèi)半燃燒室，機(jī)體三個(gè)外半燃燒爆室;旋轉(zhuǎn)活塞具有四節(jié)16個(gè)內(nèi)半燃燒室，機(jī)體四個(gè)外半燃燒室等，三級(jí)同向推進(jìn)的第一系列陶瓷旋轉(zhuǎn)活塞發(fā)動(dòng)機(jī)。同上系統(tǒng)原理，建立旋轉(zhuǎn)活塞外徑115mm，一端為球形、直徑為34mm的內(nèi)半燃燒室和一端為球冠的外冠的外半燃爆室構(gòu)成長(zhǎng)為38mm，容量305毫升，其軸線同活塞經(jīng)線成135度角的燃燒工作室相應(yīng)比例的第二系列陶瓷旋轉(zhuǎn)活塞發(fā)動(dòng)機(jī)。
4.根據(jù)權(quán)利要求2.3規(guī)定，燃爆工作室壓強(qiáng)不大于45Kg/平方毫米。
全文摘要
本發(fā)明屬內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)和特陶雙重技術(shù)領(lǐng)域。該機(jī)用陶瓷新材料制造機(jī)體、活塞和部件。機(jī)體和旋轉(zhuǎn)活塞構(gòu)成燃爆工作室，采取射流增壓和排除燃爆室廢氣、壓電火花引爆和高溫燃爆相結(jié)合，定向爆發(fā)、三級(jí)同向推進(jìn)的新結(jié)構(gòu)。該機(jī)根據(jù)燃燒釋放熱能，氣體受熱產(chǎn)生膨脹力的原理，用碳化硅、氮化硅、Al
文檔編號(hào)F02B55/02GK1063744SQ91100430
公開(kāi)日1992年8月19日 申請(qǐng)日期1991年1月29日 優(yōu)先權(quán)日1991年1月29日
發(fā)明者王勤興 申請(qǐng)人:王勤興