周引擎和動力凸輪機構的制作方法

周引擎周引擎是一種新型發動機，它是一款內燃機，也是一款燃氣輪機的燃燒器。本發明的初始目的是提高熱效率。這將降低碳排放和污染，這二者都是現在全球的熱門議題。但，提高整機設備的功率密度也在論證過程中同時達到了。常規的四沖程柴油機在現代的所有內燃機中具有最高的熱效率。它的工作過程經歷吸氣沖程、壓縮沖程、膨脹沖程(或做功沖程)、排氣沖程，并重復、循環。它的活塞被曲軸連桿機構所驅動。它的活塞頂運動曲線(圖2中1H)接近于余弦曲線。它的缺點有：過短的燃燒時間、不充分的膨脹、由曲軸連桿機構引起的巨大滑動摩擦。這些缺點降低了熱效率、產生噪音等等。這些缺點將在周引擎中被克服。周引擎的工作原理與常規的四沖程發動機有些相似。周引擎也有吸氣沖程(1O)、壓縮沖程(1P)、膨脹沖程(1R)、排氣沖程(1S)、氣門動作、燃料注入、火花塞點火，其活塞(3E,9D)在其氣缸(3D,9L)內往復運動。但，周引擎有如下獨有的特點：1、周引擎的組成：兩個機殼(3C,9B)，多個氣缸(3D,9L)，多個活塞(3E,9D)，多條有齒滾柱排(toothed-rollerarray,3F,9E,9F)，一個動力凸輪(power-cam,3B,9C)，一組缸頭、氣門及動作機構、燃料供給系統和點火系統等。2、周引擎活塞的運動沿其活塞頂運動曲線(圖1中的1H)。這條活塞頂運動曲線在設計時可以被任意分段，每一段可以被任意調整和優化，以滿足我們的需要(參考圖16)。3、周引擎的工作循環(參考圖1)分五個過程——吸氣沖程(1O)、壓縮沖程(1P)、燃燒時段(1Q)、膨脹沖程(1R)、排氣沖程(1S)——期間，動力凸輪(3B,9C)轉動一周或半周，完成一次熱力學循環(參考圖14)。(a)其每一過程可以持續不同的時間；每一沖程可以有不等的行程。(b)吸氣沖程(1O)：其作用與常規四沖程發動機的相同。進氣門保持開啟，排氣門保持關閉。活塞頂運動曲線(圖1的1H)的吸氣沖程段可以被調整，使進氣順暢，并使更多的空氣進入氣缸(3D,9L)。(c)壓縮沖程(1P)：其作用與常規四沖程發動機的相同。進氣門和排氣門保持關閉。但，本壓縮沖程占用更少的時間，以減少熱損失和為其它過程預留時間。(d)燃燒時段(1Q)：常規四沖程發動機在燃燒過程中有一些問題，包括提前點火、敲缸、后燃燒等。這些問題均與燃燒時間過短有關。在周引擎的工作循環中有“燃燒時段”(1Q)，預留了時間段以改善燃燒。在燃燒時段中，進氣門和排氣門保持關閉。在燃燒時段開始時，注入燃料，如有需要火花塞點火，最好的燃燒狀態在“燃燒時段”內進行。這個燃燒狀態可以是等容燃燒、等溫燃燒、或其它更好的燃燒狀態——按我們的設計，可以是邊噴油、邊燃燒、活塞邊按活塞頂運動曲線(圖1中1H)運動。我們能夠控制燃燒過程在可承受的高溫、高壓邊界上進行，以獲取盡可能高的熱效率。這樣，我們就避免了常規四沖程發動機燃燒過程中的問題，而獲取更高的熱效率。周引擎還能夠使用多種燃料，包括汽油、煤油、柴油、天然氣、一氧化碳、酒精、氫氣等等。我們能夠用絕熱陶瓷包圍周引擎中燃燒的工質以減少熱損失。(e)膨脹沖程(1R)：其功能與常規四沖程發動機的相似，有少許差別。進氣門和排氣門保持關閉。周引擎的膨脹沖程(1R)，開始時燃燒過程已經結束，這個膨脹沖程僅僅是膨脹做功，還可以有多余膨脹(extraexpansion，1M)。我們可以調整活塞頂運動曲線(1H)的膨脹沖程(1R)段，使其高溫過程占據更少的時間，降低熱損失。(f)排氣沖程(1S)：其作用與常規四沖程發動機的相同。進氣門保持關閉，排氣門保持開啟。活塞頂運動曲線(1H)的排氣沖程段可以被精細的調整，使氣流平順，并盡可能減少殘留廢氣。這有利于減少噪音和提高熱效率。(g)進一步的精細調整其活塞頂運動曲線(圖1中的1H)，可以更好的優化周引擎。4、為了實現上述第2、3款，有兩種實例的周引擎，例A(參看圖3～8)和例B(參看圖9～13)。它們的工作原理如下：(a)每個活塞(3E,9D)在一個氣缸(3D,9L)內運動，每個氣缸內只有一個活塞。(b)氣缸(3D,9L)可以成對設置，每對氣缸均在同一軸線上。相應地，活塞(3E,9D)成對工作，每對活塞也在同一軸線上，并且精確反向運動。這樣，周引擎就在動力平衡中，消除了振動。(c)每個活塞(3E,9D)作往復運動，被氣缸和有齒滾柱排(3F,9E,9F)約束。有齒滾柱排(圖8中3F，圖13中9E、9F)是——多個有齒滾柱(3I,13A)被一個滾柱保持架(3L,13B,13C)約束，并同步。每個有齒滾柱(3I,13A)有一承載面(8A,13E)和多個齒(8B,13D)。每個有齒軌道(3R,3Q,9U,9V)有一承載面(3M,3J,10B,12C)和齒條邊緣(3N,3K,10E,12D)。有齒滾柱排(3F,9E,9F)，或說同步的有齒滾柱，在活塞的有齒軌道(3Q,9V)和機殼的有齒軌道(3R,9U)間滾動，正壓力由它們的承載面(8A,3J,3M,13E,12C,10B)接觸來承受，并嚙合它們的齒(8B,3K,3N,13D,12D,10E,參看圖3中DetailA)。這樣，同步的有齒滾柱(3I,13A)總是在合適的位置、合適的運動狀態、不滑動，以其承載面(8A,13E)承受住來自于動力凸輪(3B,9C)的活塞側向力。(d)以動力凸輪上的軌道(4C,11B)和活塞上的輪子(6A,6B,9H,12A)，一個動力凸輪(3B,9C)和多個活塞(3E,9D)相互驅動。動力凸輪軌道(4C,11B)的設計和制造依據活塞頂運動曲線(圖1中1H)。(e)常規四沖程發動機，使用曲軸連桿機構驅動活塞，其中許多組件有滑動摩擦。尤其是活塞和氣缸間的巨大正壓力誘導的滑動摩擦。這些滑動摩擦浪費了機械功，降低了熱效率。周引擎沒有曲軸連桿機構。周引擎只有很少的滑動摩擦——活塞和氣缸間密封引起的滑動摩擦；有齒滾柱(3I,13A)與滾柱保持架(3L,13B,13C)間的滑動摩擦；有齒滾柱和有齒軌道間的齒嚙合的滑動摩擦，其齒間作用力很小。來自動力凸輪的、巨大的活塞側向力，由有齒滾柱(3I,13A)支撐在有齒軌道(3R,3Q,9U,9V)上，不產生滑動摩擦。這進一步提高了周引擎的熱效率。(f)如前所述，周引擎的活塞與氣缸間的摩擦力遠小于常規四沖程發動機。因此，我們能夠使活塞運動更快，由此提高轉速，提高功率密度。5、例C，參看圖14～16，是周引擎與多級壓氣渦輪、做功渦輪的匹配工作，或者說，是周引擎作為燃氣輪機的燃燒器工作。其特點如下：(a)圖14是周引擎的pV圖。與燃氣輪機的pV圖相比，周引擎是一活塞發動機。活塞發動機有更高的壓縮比、燃燒溫度和工作壓力，能夠獲得更高的熱效率。與常規四沖程柴油機的pV圖相比，周引擎有等容燃燒(14B)和多余膨脹(1M)。這些將產生更多的功、獲取更高的熱效率。參考圖15～16，這個pV圖也適合于周引擎(15G)與多級壓氣渦輪(15B)、做功渦輪(15C)的匹配工作。我們在這個pV圖選取一些點(14E,14F,14H)，進行參數匹配。(b)對于周引擎(圖15中15G)，我們能夠精確調整活塞頂運動曲線(圖16中1H)中的吸氣沖程(1O)段，消除吸氣總流中的脈動，以適合多級壓氣渦輪(15B)。我們也能夠精確調整活塞頂運動曲線(圖16中1H)中的排氣沖程(1S)段，消除排氣總流中的脈動，以適合做功渦輪(15C)。我們能夠制造出精確函數描述活塞頂運動曲線(1H)的每一段。(c)周引擎可以用作燃氣輪機的燃燒器，參見圖15。這個燃氣輪機將有兩根動力輸出軸，一根是渦輪機的軸(15D)，另一根是周引擎的主軸(15F)。(d)周引擎(15G)與多級壓氣渦輪(15B)、做功渦輪(15C)的匹配工作，參見圖15,可以獲取更高的熱效率和功率密度(細節在圖16)。6、與常規四沖程柴油機相比，周引擎具有如下優點——更平順的氣流、更好的燃燒狀態，更少的熱損失，有多余膨脹，更少的殘留廢氣，更少的滑動摩擦。假設常規四沖程柴油機的熱效率為40％，估計周引擎的熱效率將達到60％。動力凸輪機構動力凸輪機構是常規凸輪機構的改進。凸輪機構廣泛用于整個機械領域。凸輪是轉動或滑動的機械連接，尤其用于轉動和直線運行的互相轉換。由于它的滑動摩擦，效率較低，僅適合于運動轉換，而不是動力轉換。本動力凸輪機構盡可能的使用滾動代替滑動以減少摩擦，尤其在隨動件(18C)和機殼(18D)之間。它適合于動力轉換，也適合于運動轉換。圖17～22展現動力凸輪機構。動力凸輪機構(圖18中18A)包括：動力凸輪(3B)、隨動件(18C)、機殼(18D)、有齒滾柱排(18E)。繞軸心(18H)轉動的動力凸輪(3B)，驅動隨動件(18C)沿直線或弧線往復運動，并且反之亦然。機殼(18D)和軸心(18H)是靜止的。許多有齒滾柱(20F,21F)被約束和同步形成有齒滾柱排(18E)。有齒軌道(18I,18J)有一個承載面(20B,20D,21B,21D)和許多齒(20A,20C,21A,21C)。有齒滾柱(20F,21F)就是一個滾柱，并有齒。或者說，有齒滾柱(20F,21F)有一個承載面(20H,21H)和許多齒(20G,21G)。它的承載面(20H,21H)在有齒軌道的承載面(20B,20D,21B,21D)上滾動，它的齒(20G,21G)與有齒軌道的齒(20A,20C,21A,21C)嚙合。當它們工作時，有齒滾柱排(18E)，或說，同步的有齒滾柱(20F,21F)，在隨動件的有齒軌道(18I)和機殼的有齒軌道(18J)間滾動(參看DetailF1)，以承載面(20H,20B,20D,21H,21B,21D)的互相接觸承受正壓力，并嚙合(20I,20J,21I,21J)它們的齒(20G,20A,20C,21G,21A,21C)，以確保有齒滾柱總是在合適的位置，而不滑動。動力凸輪的軌道(18G)也許非常復雜，這說明隨動件(18C)運動與動力凸輪轉動之間的關系非常復雜。如有需要，動力凸輪的軌道(18G)上可以有齒。那么，對應的，隨動件的輪子(19A,19F)上也必須有齒(19C,19H)，以確保輪子總是滾動、不滑動，避免由于輪子(19A,19F)周期的速度變化引起的滑動及滑動引起的能量損失。輪子的滾動軸承(19D,19L)，可以是有齒的滾動軸承或預緊的滾動軸承，以避免速度變化時滾子的滑動。上述的有齒的滾動軸承的組成：一個具有有齒軌道的外環，一個具有有齒軌道的內環，一個滾柱保持架約束和同步了許多有齒滾柱。其原理類似于前述的有齒軌道(18I,18J)與同步的有齒滾柱(20F,21F)配合工作。所有前述的齒，可以是漸開線剖面。這樣，動力凸輪機構(18A)只有很少的滑動摩擦，在：有齒滾柱(20F)和滾柱保持架(20E)之間、嚙合的齒之間。其它的摩擦均為滾動摩擦。所以，相較于傳統的凸輪機構和曲軸連桿機構，動力凸輪機構(18A)具有高得多的機械功轉換效率，并能用于整個機械領域。前述的周引擎，已經使用了動力凸輪機構(18A)，展示如下：在例A中，參看圖3和圖18。圖3中的動力凸輪(3B)對應于圖18中的動力凸輪(3B)。活塞(3E)對應于隨動件(18C)。機殼(3C)對應于機殼(18D)。圖3中的有齒滾柱排(3F)對應于圖18中的有齒滾柱排(18E)。在例B中，參看圖9和圖18。圖9中的動力凸輪(9C)對應于圖18中的動力凸輪(3B)。活塞(9D)對應于隨動件(18C)。機殼(9B)對應于機殼(18D)。有齒滾柱排A(9E)和有齒滾柱排B(9F)對應于有齒滾柱排(18E)。附圖說明圖1～16是關于周引擎的，其中展示了三個例子——例A、例B、例C。例A、例B是周引擎的兩個型式。例C是周引擎與多級壓氣渦輪、做功渦輪匹配工作，或者，是周引擎用作燃氣輪機的燃燒器。圖17～22展示動力凸輪機構。圖23是摘要的附圖。圖1：周引擎的活塞頂運動曲線(1H)。這是一個示意圖，并且還能做更多的優化。圖中符號的意義在下表中(表1)。圖2是常規四沖程發動機的活塞頂運動曲線(1H)。與圖2比較，圖1有下述獨有特性：燃燒時段(1Q)、多余膨脹(1M)、每一過程任意時長、每一沖程行程不同、可調的活塞頂運動曲線(1H)。若要實現周引擎，首先設計活塞頂運動曲線(1H)。可以精細的設計活塞頂運動曲線(1H)的吸氣沖程(1O)段和排氣沖程(1S)段獲取最佳的氣流。周引擎縮短壓縮沖程(1P)的時間，并預留時間優化燃燒過程。周引擎的膨脹沖程(1R)有更大的容積，以多做功和提高熱效率。進一步調整活塞頂運動曲線(1H)，還可以有更多的優化。周引擎利用動力凸輪、有齒滾柱和有齒軌道達成活塞這種優化運動，參見圖3和圖9。圖2：常規四沖程發動機的活塞頂運動曲線(1H)。符號的意義同于圖1，在表1中。這條曲線接近于余弦曲線，由曲軸連桿機構決定。圖2僅僅為了和圖1比較。圖3：周引擎例A的總裝圖。例A的零件列表在表3，并展示在圖圖4～8中。表3零件名數量參看圖號動力凸輪(3B)1圖4機殼(3C)2圖5氣缸(3D)10圖7活塞(3E)10圖6有齒滾柱排(3F)40圖8本圖中，符號的意義列于表3.1表3.1本周引擎的組件：1個動力凸輪(3B)，2個機殼(3C)，5對氣缸(3D)，5對活塞(3E)，40個有齒滾柱排(3F)，一組缸頭、氣門及控制機構、燃料供給系統、點火系統。有3個明顯的特征：(a)活塞(3E)成對設置，在同一軸線上，精確反向運動。(b)動力凸輪(3B)的軌道和活塞(3E)的輪子互相接觸，并互相驅動，一個動力凸輪驅動所有的活塞，所有的活塞驅動同一個動力凸輪。(c)活塞(3E)被氣缸和有齒滾柱排(3F)約束，作往復運動。一組缸頭、氣門及控制機構、燃料供給系統、點火系統是必需的，本圖沒有顯示，可以按常規方法設計，基本同于輻射式發動機。差別在于驅動氣門、油泵的凸輪，這個凸輪在周引擎中可以直接固定在主軸(3G)上，不需要轉速變換。進氣門在吸氣沖程時開啟，其它時間關閉。排氣門在排氣沖程時開啟，其它時間關閉。燃料在燃燒時段(1Q)開始時噴入，若有需要火花塞點火。進氣門、排氣門、燃料注入和火花塞點火的工作同于常規的四沖程發動機。一個周引擎可以有任意多個氣缸(3D)。圖4：例A的動力凸輪(3B)。符號的意義見表4。表4基于周引擎的活塞頂運動曲線(圖1中1H)設計出動力凸輪(3B)的曲線軌道(4C)。當動力凸輪(3B)轉動時，活塞(3E)按活塞頂運動曲線(1H)往復運動并不斷重復。這個動力凸輪(3B)每一轉完成2次工作循環，對應于活塞(3E)成對設置，互相抵消振動。設置動力凸輪每一轉的工作循環次數大于1，就可以消除這種周引擎的振動。但是，如果設置動力凸輪每一轉的工作循環次數大于2，這種周引擎的力學指標會變壞。例A需要1個動力凸輪(3B)。圖5：例A的機殼(3C)。符號的意義列于表5.表5這個機殼有20條有齒軌道(3R)，一個軸孔(5B)，10個通孔(5C)，10個孔(5D)。每條有齒軌道(3R)有一個承載面(3M)，和許多齒(3N)排成行。例A需要2個機殼(3C)。圖6：例A的活塞(3E)。符號的意義列于表6。表6符號意義3E活塞3J承載面，屬于活塞的有齒軌道(3Q)，承載有齒滾柱(3I)的滾動3K齒，屬于活塞的有齒軌道(3Q)，用以與有齒滾柱(3I)的齒嚙合3Q有齒軌道，屬于活塞，參看圖5中的DetailF6A大輪6B小輪6C輪子的承載面6E滾動軸承這個活塞(3E)包括：1個大輪(6A)，2個小輪(6B)，4條有齒軌道(3Q)。每條有齒軌道有一個承載面(3J)，和許多齒(3K)排成行。例A需要5對活塞(3E)。圖7：例A的氣缸。符號的意義列于表7.表7SymbolsMeanings3D氣缸7A這一端鑲入機殼(3C)例A需要5對氣缸(3D)。圖8:例A的有齒滾柱排(3F)、有齒滾柱(3I)。符號的意義列于表8。表8符號意義3F有齒滾柱排3I有齒滾柱3L滾柱保持架，約束和同步多個有齒滾柱(3I)8A承載面，屬于有齒滾柱(3I)8B齒，屬于有齒滾柱(3I)有齒滾柱排(3F)，即一個滾柱保持架約束和同步的多個有齒滾柱(3I)。有齒滾柱有1個承載面(8A)和許多齒(8B)，或者，有齒滾柱(3I)是一個滾柱，但有許多齒(8B)。當它們工作時，同步的有齒滾柱(3I)在機殼的有齒軌道(3R)和活塞的有齒軌道(3Q)之間滾動，并嚙合它們的齒(8B,3K,3N)。例A需要40條有齒滾柱排(3F)。圖9：周引擎例B的總裝圖。符號的意義列于表9。例B的零件展示在圖10～13，列表于表9.1。表9表9.1零件數量參看機殼(9B)2圖10動力凸輪(9C)1圖11活塞(9D)6圖12有齒滾柱排A(9E)12圖13有齒滾柱排B(9F)12圖13周引擎例B，包括：3對活塞(9D)，2個機殼(9B)，1個動力凸輪(9C)，12條有齒滾柱排A(9E)，12條有齒滾柱排B(9F)。氣缸的數量等于活塞的數量。周引擎有3個特點如下：(a)活塞(9D)成對設置，在同一軸線上，精確反向運動。(b)動力凸輪(9C)的軌道和活塞(9D)的輪子互相接觸，并互相驅動，一個動力凸輪驅動所有的活塞，所有的活塞驅動同一個動力凸輪。(c)活塞(9D)被氣缸(9L)和有齒滾柱排(9E,9F)約束，作往復運動。缸頭(9Q)、氣門(9O,9P)及控制機構、燃料供給系統、點火系統可按常規設計。進氣門(9O)在吸氣沖程時開啟，其它時間關閉。排氣門(9P)在排氣沖程時開啟，其它時間關閉。氣門被凸輪(9N)驅動。燃料在燃燒時段(1Q)開始時噴入，若有需要火花塞點火。進氣門(9O)、排氣門(9P)、燃料注入和火花塞點火的工作同于常規的四沖程發動機。凸輪(9N)直接固定在動力凸輪(9C)的主軸(9G)上，與動力凸輪(9C)同步轉動。周引擎可以有任意數量的活塞(或氣缸)。圖10：例B的機殼(9B)。符號的意義列于表10。表10符號意義9B機殼9L氣缸9U有齒軌道，有齒滾柱(圖13中13A)在此滾動10A主軸孔10B承載面，屬于機殼的有齒軌道(9U)，有齒滾柱在此滾動10C通孔，連接和錨固另一機殼、缸頭10D孔，為便于安裝活塞(9D)上的小輪10E齒，屬于機殼的有齒軌道(9U)，用于與有齒滾柱的齒嚙合這一機殼(9B)包括：3個氣缸(9L)，12條有齒軌道(9U)，6個通孔(10C)，3個孔(10D)。每條有齒軌道有1個承載面(10B)、許多齒(10E)排成行。例B需要2個機殼(9B)。圖11：例B的動力凸輪(9C)。符號的意義列于表11。表11設計動力凸輪(9C)的曲線軌道(11B)，基于活塞頂運動曲線(圖1中的1H)。當動力凸輪(9C)轉動時，活塞(9D)將按活塞頂運動曲線(1H)作往復運動，并不斷重復。活塞(9D)的輪子在軌道(11B)上滾動。軌道是對稱的，相應于活塞成對運動，抵消振動。例B需要1個動力凸輪(9C)。圖12:例B的活塞(9D)。符號的意義列于表12。表12符號意義9D活塞9H大輪9V有齒軌道12A小輪12B軸承，屬于輪子，圓錐滾子軸承12C承載面，屬于活塞的有齒軌道(9V)12D齒，排成行，屬于活塞的有齒軌道(9V)12E承載面，大輪(9H)的12F承載面，小輪(12A)的這個活塞有1個大輪(9H)，1個小輪(12A)，4條有齒軌道(9V)。每個輪子(9H或12A)有圓錐滾子軸承(12B)。每一條有齒軌道(9V)有1個承載面(12C)、許多齒(12D)排成行，有齒滾柱排(9E或9F)在此滾動。例B需要3對活塞(9D)。圖13：例B的有齒滾柱排A(9E)，有齒滾柱排B(9F)，有齒滾柱(13A)。符號的意義列于表13。表13每一條有齒滾柱排A(9E)包含1個滾柱支撐架A(13B)和許多有齒滾柱(13A)。每一條有齒滾柱排B(9F)包含1個滾柱支撐架B(13C)和許多有齒滾柱(13A)。每一有齒滾柱(13A)有1承載面(13E)和許多齒(13D)。例B需要12條有齒滾柱排A(9E)和12條有齒滾柱排B(9F)。圖14：周引擎例C，在圖14～16，是周引擎與多級壓氣渦輪、做功渦輪匹配工作。或說，例C展示周引擎作為燃氣輪機的燃燒器工作，并有多余功輸出。下述的數學表達式中符號的意義列于表14。圖14～16中符號的意義列于表14.1。數學表達式中各符號的意義表14圖14顯示pV圖。它既適合周引擎，也適合周引擎與多級壓氣渦輪、做功渦輪匹配的工作。圖14～16中符號的意義表14.1基本假設：工質氣體是空氣，是理想氣體，絕熱指數1.4；參數p,T,V,F的初值列于表14；壓縮比20；最高燃燒溫度2500K。自然，F與V成正比。基于以上假設，繪出pV圖，顯示在圖14，是比例圖吸氣沖程的參數在點14I，排氣沖程參數在點14J。在本pV圖中，在燃燒時段(14B)的吸收熱量1.4796*V1(MJ)，總做功1.1006*V1(MJ)，理論熱效率74％。本pV圖顯示，其壓縮比同于柴油機，燃燒過程同于汽油機，膨脹沖程同于燃氣輪機具有充分膨脹。點14E、14F、14H是周引擎與多級壓氣渦輪、做功渦輪的參數連接點。圖15：例C，周引擎(15G)與多級壓氣渦輪(15B)、做功渦輪(15C)匹配工作。數學表達式中符號的意義列于表14。圖中符號的意義列于表14.1。在本圖中，有2根動力輸出軸，一根是周引擎的(15F)，另一根是做功渦輪的(15D)。換句話說，周引擎(15G)作為燃氣輪機的燃燒器，但還有另外、巨大的動力輸出。周引擎的氣流特性是關鍵，見圖16。為了降低污染，廢氣催化凈化器(15E)設置在周引擎(15G)和做功渦輪(15C)，以滿足其工作溫度的要求。圖16：例C，周引擎(15G)的活塞頂運動曲線(1H)。數學表達式中符號的意義列于表14。圖中符號的意義列于表14.1。本周引擎(15G)有5對活塞，吸氣沖程和排氣沖程各占四分之一周期(C/4)。這意味著每一對活塞的吸氣沖程與相鄰活塞對有部分重疊，排氣沖程也是這樣。我們作下列推導：(a)活塞頂運動曲線的吸氣沖程(1O)段可以再分成3段，s1(t),s(t),s2(t)，每一段占據不同的時間區間。其函數如式(1)：當這一對活塞工作在s1(t)且t∈[0,0.05*C]時，前一對活塞則工作在s2(t)且t∈[0.20*C,0.25*C]，它們的相位差0.2*C。所以，進氣道的總體積流率F(t)：當這一對活塞工作在s(t)且t∈[0.05*C,0.2*C]時，它獨自吸氣，進氣道的總體積流率F(t)：當這一對活塞工作在s2(t)且t∈[0.2*C,0.25*C]時，下一對活塞工作在s1(t),它們重疊吸氣，相位差0.2*C。或者說，以下一對活塞為觀察點，F(t)重復式(2)的過程。那么，我們隨著動力凸輪的轉動不斷的移動觀察點到下一對活塞，F(t)就不斷的交替重復式(2)和式(3)的過程……。這樣，隨著動力凸輪的轉動，式(2)和式(3)的過程不斷交替和重復，F(t)始終為164.80/C*A，為一常量，無脈動。所以，本周引擎(15G)進氣總流的體積流率是恒定的、無脈動，適合于與多級壓氣渦輪配合工作。這個進氣總流與常規四沖程發動機的有很大的不同。我們還發現，活塞按式(1)運動，其位置連續、速度連續、加速度的絕對值最小。論證過程在此略去。(b)活塞頂運動曲線的排氣沖程(1S)段可以再分成3段，e1(t),e(t),e2(t)，每一段占據不同的時間區間。其函數如式(4)：仿照上述進氣總流的分析過程，我們可以得出結論：本周引擎(15G)的排氣總流是恒定的、無脈動。推導過程在此略去。我們還可發現，活塞按式(4)運動，其位置連續、速度連續、加速度絕對值最小。論證過程在此略去。所以，本周引擎(15G)的排氣總流適合于驅動做功渦輪，與常規四沖程發動機有很大不同。基于上述款(a)和款(b)，周引擎將是一款很好的燃氣輪機燃燒器；并且，其增加的動力輸出(15F)甚至大于原燃氣輪機。注意，函數s1(t),s(t),s2(t),e1(t),e(t),e2(t)，都是精確函數。(c)周引擎只需要很小的吸氣沖程容積(14E)V＝0.1*V1(常規V＝V1)。這樣，我們可以縮小整個發動機體積。(d)注意圖14和圖15中的14H，本周引擎(15G)在其廢氣中預留了很大的機械功，以驅動做功渦輪(15C)。第一、預留的機械功將被做功渦輪充分利用，沒有浪費。第二、減小所需的周引擎氣缸工作容積到V＝0.3013*V1(在點14H,常規V＝V1)，這是工作循環中最大的工作容積。所以，在此，周引擎的氣缸工作容積被減小到常規發動機的0.3013倍。選擇點14H的參數，我們必須考慮到廢氣的催化凈化(圖15中的15E)、做功渦輪(15C)的耐高溫特性、功率匹配、等等。如果我們選擇點14F的參數(圖14中p＝2.863,V＝0.1899*V1,T＝1466)替代點14H的，周引擎的體積更小，但做功渦輪必須承受1466K的高溫。把點14H、14F的參數與AGT-1500渦軸發動機的渦輪進口參數相比較，明顯前者較好。常規情況下，為了提高燃氣輪機的熱效率，我們努力提高壓縮比和/或燃氣溫度。提高燃氣溫度是非常困難的。在此，周引擎作為燃燒器，我們恰當的選擇其排氣溫度以適應燃氣輪機。由于氣缸的限制高溫遠高于做功渦輪，我們利用周引擎的氣缸承受燃氣的高溫，以提高整機的熱效率。(e)款(c)和款(d)中顯示本周引擎只需要更小的工作容積。這意味著，不但本發動機的體積更小，而且額定轉速也能相應的提高。這進一步提高整機的功率密度。(f)為了便于分析，本例選用等容燃燒，在圖14和圖16的點14B。周引擎可以選擇多種燃燒狀態，如等容燃燒、等溫燃燒、等壓燃燒、或前三種的混合燃燒狀態。如果我們控制燃燒過程在可以承受的高壓和高溫邊界上進行，則得到高的熱效率。周引擎可以最好地達成這一目的。(g)為了便于分析，本例在多級壓氣渦輪(15B在圖15)中選擇絕熱壓縮(圖14中14G)。按常規，如果我們在多級壓氣渦輪(15B)中恰當選擇級間冷卻，將獲得更高的熱效率。圖17：動力凸輪機構總圖。其中另包括5張圖，圖18～22。圖中符號的意義列于表18。圖18：動力凸輪機構(18A)。符號的意義列于表18。圖18～22符號的意義表18動力凸輪機構(18A)包括：1個動力凸輪(3B)，1個隨動件(18C)，1個機殼(18D)，4條有齒滾柱排(18E)。動力凸輪(3B)有3條軌道，1根軸(18B)。隨動件(18C)有3個輪子(19A,19F)，4條有齒軌道(18I)。機殼(18D)是靜止的，有4條有齒軌道(18J)。每一條有齒滾柱排(18E)有許多有齒滾柱(20F,21F)并被約束和同步。有2種式樣的有齒滾柱排和相應的有齒軌道，分別展示在圖20和圖21。使用時，最好二者擇一，不宜混合使用。圖19：A1—A1剖視圖。圖中符號的意義列于表18。圖20：包含B1—B1剖視、DetailF1(大樣F1)、20F(有齒滾柱及剖視)、D1–D1剖視，顯示具有一個齒環的有齒滾柱和相應的有齒軌道。圖中符號的意義列于表18。本圖不宜與圖21混合使用。本圖的有齒滾柱排(18E)是1個滾柱保持架(20E)約束和同步多個有齒滾柱(20F)；本圖的有齒滾柱(20F)有1個承載面(20H)、有許多齒(20G)圍成1個環。相應地，隨動件的有齒軌道(18I)有1個承載面(20B)、許多齒(20A)排成一行；機殼的有齒軌道(18J)有1個承載面(20D)、許多齒(20C)排成一行。當它們工作時，同步的有齒滾柱(20F)，在隨動件的有齒軌道(18I)與機殼的有齒軌道(18J)間滾動，正壓力由承載面(20H,20B,20D)的互相接觸來承載，并嚙合(20I,20J)它們的齒(20G,20A,20C)，以確保有齒滾柱(20F)總是在恰當的位置、不滑動。圖21：包含B1—B1剖視、DetailF1(大樣F1)、21F(有齒滾柱及剖視)、E1–E1剖視，顯示具有兩個齒環的有齒滾柱和相應的有齒軌道。圖中符號的意義列于表18。本圖不宜與圖20混合使用。本圖的有齒滾柱排(18E)是被隨動件的有齒軌道(18I)和機殼的有齒軌道(18J)約束和同步的多個有齒滾柱(21F)；本圖的有齒滾柱(21F)有1個承載面(21H)、有許多齒(21G)圍成2個環。相應地，隨動件的有齒軌道(18I)有1個承載面(21B)、許多齒(21A)排成兩行；機殼的有齒軌道(18J)有1個承載面(21D)、許多齒(21C)排成兩行。當它們工作時，同步的有齒滾柱(21F)，在隨動件的有齒軌道(18I)與機殼的有齒軌道(18J)間滾動，正壓力由承載面(21H,21B,21D)的互相接觸來承載，并嚙合(21I,21J)它們的齒(21G,21A,21C)，以確保有齒滾柱(21F)總是在恰當的位置、不滑動。圖22：C1–C1剖視圖。圖中符號的意義列于表18。本圖和圖19顯示隨動件(18C)的輪子(19A,19F)、動力凸輪(3B)的軌道(18G)。隨動件(18C)的輪A(19A)有1個承載面(19B)、有許多齒(19C)形成的齒圈，隨動件(18C)的輪B(19F)有1個承載面(19G)、有許多齒(19H)形成的齒圈。相應地，動力凸輪(3B)的每條軌道(18G)有1個承載面(19J)和許多齒(19K)。當它們工作時，由它們的承載面(19B,19G,19J)的互相接觸承載正壓力，嚙合(19M,19N)它們的齒(19C,19H,19K)以避免速度變化時輪子(19A,19F)滑轉。輪子(19A,19F)總是周期性的變化速度。圖23：摘要附圖。本圖由圖16精簡而來，符號的意義見表14和表14.1。當前第1頁1 2 3