一種新型節(jié)能發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)思路

為直觀了解本設(shè)計(jì)的思路，請(qǐng)先看一下這個(gè)原理動(dòng)畫的鏈接：

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在熱機(jī)產(chǎn)生的一百多年間，世界范圍內(nèi)使用的所有類型的熱機(jī)均不能夠?qū)⑷剂纤a(chǎn)生的能量進(jìn)行梯級(jí)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(fèi)掉了，其原因就在于不能使較低壓力的膨脹氣體產(chǎn)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(qiáng)與物體受力面積的乘積，當(dāng)膨脹氣體的壓強(qiáng)不變時(shí)，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(zhuǎn)動(dòng)的切線力與這個(gè)力到軸中線距離的乘積，切線力相同時(shí)增大這個(gè)力到轉(zhuǎn)軸中線的距離可以增大轉(zhuǎn)動(dòng)的扭矩。為了使燃料燃燒所產(chǎn)生的能量得到梯級(jí)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(qū)使轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)的切線力與轉(zhuǎn)軸中線之間的距離來得到足夠的扭矩，使較低壓強(qiáng)的氣體能夠產(chǎn)生足夠大的扭矩做功，從而提高燃料的利用率。用數(shù)學(xué)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(zhuǎn)子上產(chǎn)生的使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的切線力，L為切線力到轉(zhuǎn)子軸線的距離，k為常數(shù)，P為膨脹氣體的壓強(qiáng)，S為轉(zhuǎn)子受膨脹氣體的有效受力面積。從上述公式可以看出，因?yàn)镾L的積不斷增大，所以N不會(huì)隨著P的減小而線性減小，當(dāng)驅(qū)動(dòng)輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng)的最小扭矩N的值恒定時(shí)，P的最小值可以很小，也就是排氣壓強(qiáng)可以很小，這樣就達(dá)到了降低排氣壓強(qiáng)的目的，實(shí)現(xiàn)了對(duì)燃?xì)饽芰康奶菁?jí)利用。

本設(shè)計(jì)所提供的螺紋轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)的氣體做功單元包括主體為錐形螺桿狀的轉(zhuǎn)子以及與之配套的缸體和滑動(dòng)裝置，轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子同軸，轉(zhuǎn)子截面較小的一端連通膨脹氣體。這樣的結(jié)構(gòu)使得膨脹氣體只能沿螺紋槽膨脹，由于螺紋槽槽壁是一個(gè)斜面，膨脹氣體作用于螺紋槽上就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)使轉(zhuǎn)子繞軸線轉(zhuǎn)動(dòng)的切線力。在螺紋槽中置放一個(gè)滑動(dòng)裝置起到阻擋膨脹氣體促使其作用于轉(zhuǎn)子上驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子做功的作用。在缸體上設(shè)置一個(gè)縱向的滑槽，并使滑動(dòng)裝置沿螺紋槽和滑槽滑動(dòng)，可以使滑動(dòng)裝置在轉(zhuǎn)子不發(fā)生軸向移動(dòng)的情況下通過滑動(dòng)配合轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)?；瑒?dòng)裝置設(shè)計(jì)為兩塊板狀物彼此垂直相交的十字形結(jié)構(gòu)，使其外緣與螺紋槽槽壁、槽底、缸體內(nèi)壁及滑槽內(nèi)壁密封接觸，將缸體內(nèi)壁與螺紋槽所構(gòu)成的通道阻隔為四個(gè)區(qū)域，對(duì)角的兩個(gè)區(qū)域兩兩相通，并使滑動(dòng)裝置構(gòu)成兩個(gè)相通區(qū)域邊界的四個(gè)部分有效受力面積相等。這種結(jié)構(gòu)使得滑動(dòng)裝置對(duì)角的兩個(gè)區(qū)域內(nèi)氣壓相等，膨脹氣體的壓力能同時(shí)作用于滑動(dòng)裝置構(gòu)成這兩個(gè)區(qū)域邊界的四個(gè)部分上，使滑動(dòng)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(dòng)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(chǎn)生額外的摩擦力，消除了做功單元內(nèi)不必要的磨損，提高了做功單元的內(nèi)效率。而錐形螺桿狀的轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)可以使作用于其上的壓強(qiáng)逐漸減小的膨脹氣體能夠產(chǎn)生足夠大的扭矩做功，從而可以實(shí)現(xiàn)將膨脹氣體的能量梯級(jí)利用的目的。

氣體的膨脹力作用于轉(zhuǎn)子上還會(huì)產(chǎn)生一個(gè)軸向力，為此本設(shè)計(jì)提供的方案是使每個(gè)做功單元組包括兩個(gè)彼此鏡像的做功單元，這兩個(gè)做功單元的轉(zhuǎn)子按鏡像方式剛性連接，使其在膨脹行程中傳動(dòng)方向相同而產(chǎn)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(yùn)轉(zhuǎn)起來，就要使滑動(dòng)裝置在氣體完成做功后回到原來的位置，也就需要使滑動(dòng)裝置沿其軌跡反向運(yùn)動(dòng)，由于滑動(dòng)裝置是由轉(zhuǎn)子推動(dòng)配合轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)而運(yùn)動(dòng)的，這就需要轉(zhuǎn)子在做功行程結(jié)束后反向旋轉(zhuǎn)。為了實(shí)現(xiàn)這一目的，本設(shè)計(jì)設(shè)置了兩個(gè)相對(duì)應(yīng)的做功單元組，兩個(gè)相對(duì)應(yīng)的做功單元組可以通過轉(zhuǎn)子聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)相聯(lián)動(dòng)。當(dāng)一個(gè)做功單元組進(jìn)行膨脹行程時(shí)，滑動(dòng)裝置由轉(zhuǎn)子截面小的一端滑動(dòng)到截面大的一端，另一個(gè)做功單元組的轉(zhuǎn)子聯(lián)動(dòng)旋轉(zhuǎn)進(jìn)行排氣行程或壓縮行程將滑動(dòng)裝置由轉(zhuǎn)子截面較大的一端推到轉(zhuǎn)子截面較小的一端，當(dāng)另一個(gè)做功單元組的滑動(dòng)裝置到達(dá)轉(zhuǎn)子截面較小的一端進(jìn)行膨脹行程時(shí)，又會(huì)帶動(dòng)前述與之相對(duì)應(yīng)的做功單元組的轉(zhuǎn)子反方向旋轉(zhuǎn)將滑動(dòng)裝置推動(dòng)到轉(zhuǎn)子截面較小的一端。兩個(gè)做功單元組交替進(jìn)行膨脹行程，使其轉(zhuǎn)子交替進(jìn)行正向和反向往復(fù)旋轉(zhuǎn)，從而推動(dòng)滑動(dòng)裝置在轉(zhuǎn)子截面較大的一端和較小的一端之間往復(fù)滑動(dòng)，使做功單元平穩(wěn)的運(yùn)轉(zhuǎn)起來。由于轉(zhuǎn)子需要反向旋轉(zhuǎn)，在此過程中不能與動(dòng)力軸發(fā)生傳動(dòng)作用，所以設(shè)置單向軸承來使轉(zhuǎn)子傳動(dòng)動(dòng)力軸。單向軸承的作用在于，轉(zhuǎn)子沿某一方向旋轉(zhuǎn)的時(shí)候傳動(dòng)動(dòng)力軸，而在反向旋轉(zhuǎn)的時(shí)候不與動(dòng)力軸發(fā)生傳動(dòng)作用進(jìn)行空轉(zhuǎn)。在轉(zhuǎn)子截面較大的一端與滑動(dòng)裝置之間的螺紋槽內(nèi)加注潤(rùn)滑油，使相對(duì)應(yīng)的兩個(gè)做功單元組通過潤(rùn)滑油通道彼此相通，可以使?jié)櫥驮趦蓚€(gè)相對(duì)應(yīng)的做功單元組中往復(fù)流動(dòng)，對(duì)做功單元起到潤(rùn)滑和冷卻的作用。為了使發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)合理、布局緊湊，本設(shè)計(jì)使相對(duì)應(yīng)的做功單元組分別驅(qū)動(dòng)兩根動(dòng)力軸，并通過軸傳動(dòng)機(jī)構(gòu)使兩根動(dòng)力軸共同傳動(dòng)輸出軸，使輸出軸沿同一方向旋轉(zhuǎn)。這樣，相對(duì)應(yīng)的做功單元組通過單向離合器交替?zhèn)鲃?dòng)動(dòng)力軸，兩根動(dòng)力軸交替?zhèn)鲃?dòng)輸出軸，使輸出軸對(duì)外輸出動(dòng)力。

我們知道，活塞運(yùn)動(dòng)時(shí)是正反向往復(fù)運(yùn)動(dòng)，在止點(diǎn)的機(jī)械負(fù)荷很大，由一個(gè)方向轉(zhuǎn)換為另一方向運(yùn)動(dòng)時(shí)需要消耗大量的能量。但是我的設(shè)計(jì)克服了轉(zhuǎn)換方向運(yùn)動(dòng)需消耗能量的問題，這是另一個(gè)設(shè)計(jì)點(diǎn)所在。在我的設(shè)計(jì)中，左右兩組轉(zhuǎn)子通過聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)相互聯(lián)動(dòng)，彼此轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反，當(dāng)進(jìn)行膨脹行程的一組轉(zhuǎn)子驅(qū)動(dòng)輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，另一組轉(zhuǎn)子在聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)的作用下反向旋轉(zhuǎn)進(jìn)行壓氣行程，正向旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子會(huì)將沖量轉(zhuǎn)移到壓氣行程中而使自身到達(dá)止點(diǎn)，也就是說使轉(zhuǎn)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?fù)直線運(yùn)動(dòng)而這一設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)子是往復(fù)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，活塞的速度很大，也是由正向很高的速度瞬間轉(zhuǎn)變?yōu)槟嫦蚝芨叩乃俣?，活塞可以承受的機(jī)械負(fù)荷轉(zhuǎn)子也應(yīng)該能夠承受。

另外，轉(zhuǎn)子上部的缸體的形狀可以自由設(shè)計(jì)，也就是說燃燒室的形狀是有設(shè)計(jì)空間的。(單向軸承反轉(zhuǎn)時(shí)不與輸出軸發(fā)生傳動(dòng)是在空轉(zhuǎn)，如自行車的飛輪一般。)

本設(shè)計(jì)中，轉(zhuǎn)子與動(dòng)力軸同軸轉(zhuǎn)動(dòng)，可同軸傳動(dòng)動(dòng)力軸，且螺桿狀的轉(zhuǎn)子其重量在徑向上分布均衡，轉(zhuǎn)子的運(yùn)轉(zhuǎn)過程幾乎不產(chǎn)生震動(dòng)，發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)。其次，轉(zhuǎn)子與缸體的接觸面與轉(zhuǎn)子同軸，所以轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)對(duì)缸體的磨損平衡。