一種新型節(jié)能發(fā)動機的設計思路

為直觀了解本設計的思路，請先看一下這個原理動畫的鏈接：

http://you.video.sina.com.cn/api/sinawebApi/outplayrefer.php/vid=71055361_2267529863_b0/mTCUwXTTK l1lHz2stqkP7KQNt6nni2yzvlCtLQhaQ0/XM5GeY90C5SrQAdkEqDhAQ5k/cPsl0Rw/s.swf。

在熱機產生的一百多年間，世界范圍內使用的所有類型的熱機均不能夠將燃料所產生的能量進行梯級利用，在使用能源的過程中僅利用了其中的一小部分，而將大部分的能源以余熱的方式浪費掉了，其原因就在于不能使較低壓力的膨脹氣體產生足夠的扭矩做功。

我們知道，物體所受氣體壓力等于氣體壓強與物體受力面積的乘積，當膨脹氣體的壓強不變時，增大做功部件的受力面積可以增大其受力，另外，扭矩等于使軸轉動的切線力與這個力到軸中線距離的乘積，切線力相同時增大這個力到轉軸中線的距離可以增大轉動的扭矩。為了使燃料燃燒所產生的能量得到梯級利用，在膨脹氣體壓力逐漸減小的過程中，可以通過逐漸增大做功部件受膨脹氣體壓力的受力面積，以及增大驅使轉軸轉動的切線力與轉軸中線之間的距離來得到足夠的扭矩，使較低壓強的氣體能夠產生足夠大的扭矩做功，從而提高燃料的利用率。用數學公式來表示： N=FL=kPSL 式中N為扭矩，F(xiàn)為膨脹氣體作用于轉子上產生的使轉子旋轉的切線力，L為切線力到轉子軸線的距離，k為常數，P為膨脹氣體的壓強，S為轉子受膨脹氣體的有效受力面積。從上述公式可以看出，因為SL的積不斷增大，所以N不會隨著P的減小而線性減小，當驅動輸出軸轉動的最小扭矩N的值恒定時，P的最小值可以很小，也就是排氣壓強可以很小，這樣就達到了降低排氣壓強的目的，實現(xiàn)了對燃氣能量的梯級利用。

本設計所提供的螺紋轉子發(fā)動機的氣體做功單元包括主體為錐形螺桿狀的轉子以及與之配套的缸體和滑動裝置，轉子主體部分的螺紋牙頂面與缸體壁面密封接觸，且所述缸體壁面圍成的型腔與轉子同軸，轉子截面較小的一端連通膨脹氣體。這樣的結構使得膨脹氣體只能沿螺紋槽膨脹，由于螺紋槽槽壁是一個斜面，膨脹氣體作用于螺紋槽上就會產生一個使轉子繞軸線轉動的切線力。在螺紋槽中置放一個滑動裝置起到阻擋膨脹氣體促使其作用于轉子上驅動轉子做功的作用。在缸體上設置一個縱向的滑槽，并使滑動裝置沿螺紋槽和滑槽滑動，可以使滑動裝置在轉子不發(fā)生軸向移動的情況下通過滑動配合轉子的轉動?；瑒友b置設計為兩塊板狀物彼此垂直相交的十字形結構，使其外緣與螺紋槽槽壁、槽底、缸體內壁及滑槽內壁密封接觸，將缸體內壁與螺紋槽所構成的通道阻隔為四個區(qū)域，對角的兩個區(qū)域兩兩相通，并使滑動裝置構成兩個相通區(qū)域邊界的四個部分有效受力面積相等。這種結構使得滑動裝置對角的兩個區(qū)域內氣壓相等，膨脹氣體的壓力能同時作用于滑動裝置構成這兩個區(qū)域邊界的四個部分上，使滑動裝置受膨脹氣體壓力大小相等、方向相反，彼此相互抵消，從而使滑動裝置總體上受力平衡，不因受膨脹力與做功單元其他部件產生額外的摩擦力，消除了做功單元內不必要的磨損，提高了做功單元的內效率。而錐形螺桿狀的轉子由截面小的一端到截面大的一端螺紋槽槽壁的表面積以及離軸線的距離逐漸增大，在相同的氣壓下力矩也逐漸增大，這樣的結構可以使作用于其上的壓強逐漸減小的膨脹氣體能夠產生足夠大的扭矩做功，從而可以實現(xiàn)將膨脹氣體的能量梯級利用的目的。

氣體的膨脹力作用于轉子上還會產生一個軸向力，為此本設計提供的方案是使每個做功單元組包括兩個彼此鏡像的做功單元，這兩個做功單元的轉子按鏡像方式剛性連接，使其在膨脹行程中傳動方向相同而產生的軸向力方向相反，以此來抵消軸向力。為了使氣體做功單元有效的運轉起來，就要使滑動裝置在氣體完成做功后回到原來的位置，也就需要使滑動裝置沿其軌跡反向運動，由于滑動裝置是由轉子推動配合轉子的旋轉而運動的，這就需要轉子在做功行程結束后反向旋轉。為了實現(xiàn)這一目的，本設計設置了兩個相對應的做功單元組，兩個相對應的做功單元組可以通過轉子聯(lián)動機構相聯(lián)動。當一個做功單元組進行膨脹行程時，滑動裝置由轉子截面小的一端滑動到截面大的一端，另一個做功單元組的轉子聯(lián)動旋轉進行排氣行程或壓縮行程將滑動裝置由轉子截面較大的一端推到轉子截面較小的一端，當另一個做功單元組的滑動裝置到達轉子截面較小的一端進行膨脹行程時，又會帶動前述與之相對應的做功單元組的轉子反方向旋轉將滑動裝置推動到轉子截面較小的一端。兩個做功單元組交替進行膨脹行程，使其轉子交替進行正向和反向往復旋轉，從而推動滑動裝置在轉子截面較大的一端和較小的一端之間往復滑動，使做功單元平穩(wěn)的運轉起來。由于轉子需要反向旋轉，在此過程中不能與動力軸發(fā)生傳動作用，所以設置單向軸承來使轉子傳動動力軸。單向軸承的作用在于，轉子沿某一方向旋轉的時候傳動動力軸，而在反向旋轉的時候不與動力軸發(fā)生傳動作用進行空轉。在轉子截面較大的一端與滑動裝置之間的螺紋槽內加注潤滑油，使相對應的兩個做功單元組通過潤滑油通道彼此相通，可以使?jié)櫥驮趦蓚€相對應的做功單元組中往復流動，對做功單元起到潤滑和冷卻的作用。為了使發(fā)動機的結構合理、布局緊湊，本設計使相對應的做功單元組分別驅動兩根動力軸，并通過軸傳動機構使兩根動力軸共同傳動輸出軸，使輸出軸沿同一方向旋轉。這樣，相對應的做功單元組通過單向離合器交替?zhèn)鲃觿恿S，兩根動力軸交替?zhèn)鲃虞敵鲚S，使輸出軸對外輸出動力。

我們知道，活塞運動時是正反向往復運動，在止點的機械負荷很大，由一個方向轉換為另一方向運動時需要消耗大量的能量。但是我的設計克服了轉換方向運動需消耗能量的問題，這是另一個設計點所在。在我的設計中，左右兩組轉子通過聯(lián)動機構相互聯(lián)動，彼此轉動方向相反，當進行膨脹行程的一組轉子驅動輸出軸轉動時，另一組轉子在聯(lián)動機構的作用下反向旋轉進行壓氣行程，正向旋轉的轉子會將沖量轉移到壓氣行程中而使自身到達止點，也就是說使轉子停止所消耗的能量被利用到了壓縮氣體的過程中，所以這一過程不損耗能量?；钊峭鶑椭本€運動而這一設計的轉子是往復旋轉運動，活塞的速度很大，也是由正向很高的速度瞬間轉變?yōu)槟嫦蚝芨叩乃俣?，活塞可以承受的機械負荷轉子也應該能夠承受。

另外，轉子上部的缸體的形狀可以自由設計，也就是說燃燒室的形狀是有設計空間的。(單向軸承反轉時不與輸出軸發(fā)生傳動是在空轉，如自行車的飛輪一般。)

本設計中，轉子與動力軸同軸轉動，可同軸傳動動力軸，且螺桿狀的轉子其重量在徑向上分布均衡，轉子的運轉過程幾乎不產生震動，發(fā)動機運轉平穩(wěn)。其次，轉子與缸體的接觸面與轉子同軸，所以轉子轉動時對缸體的磨損平衡。