任選燃料混合式發動機的設計與研究

劉紅旗，魏 峰，杜永貴

（太原理工大學 信息工程學院，太原030024）

現有技術活塞式發動機一直不可克服的缺陷有：排氣、進氣、壓縮三個階段對能量的大量損耗；冷卻系統對能量的大量損耗；做功的不連續性使發動機不穩定和不均勻運轉等。另外，這活塞式發動機還必須在限定時間里燃燒、限定使用一種燃料，因而造成了環境污染大、能源的損失大和發動機在低速運轉時的動力性、經濟性差等不可克服的缺陷。

現有技術的燃氣輪機，雖然能克服以上活塞式發動機的缺陷，但從空氣動力學角度說，壓氣機和渦輪（渦輪葉片與工作腔壁之間的氣密封性差，而造成燃氣的損失太大）效率太低，僅為65%和70%，甚至渦輪功不足以滿足壓氣機耗功需要；二是從冶金學角度說，無法提供能在燃氣溫度1 300～1 700℃以上可靠工作的耐熱渦輪合金。綜合以上燃氣輪機這兩大缺陷，與同體積的往復式發動機相比，它的造價昂貴。由于渦輪機的工作溫度高，因此從工程和材料的角度看，燃氣輪機的設計和制造都是一個很棘手的問題。此外，燃氣輪機空轉時消耗的燃料更多，而且要求負載恒定，不能有波動。尤其在部分負荷條件下和空載時，熱效率顯著下降，這些缺點也可以解釋為什么在汽車上很少使用燃氣輪機。

為了克服以上兩種發動機缺點，集燃氣輪機、活塞式內燃機的雙重優點，筆者利用燃氣輪機連續燃燒、活塞式四行程發動機活塞組與氣缸有好的氣密封性雙重優點，設計出一種新型發動機。該方案已于2013年1月獲得國家知識產權局發明專利。

1 燃氣輪機工作原理及特點分析

1．1 燃氣輪機工作原理

燃氣輪機工作時，供燃料燃燒的空氣首先進入壓氣機，經壓縮后溫度升高到100～200℃之間，然后送入燃燒室即燃氣發生器中去；與此同時，燃料通過噴油嘴進入燃燒室，與高溫高壓的空氣混合后點火燃燒。此時，燃燒室的燃氣溫度迅速達到2 000℃，而且以后連續不斷地保持在2 000℃左右；用滲入壓縮空氣的方法，也就是二次進風的辦法降低燃氣溫度至600～700℃左右，燃氣最后噴入渦輪片槽道里膨脹，將其熱能轉化為機械能，使燃氣輪機中的葉輪旋轉并帶動軸旋轉；驅動壓氣機，帶動軸通過減速齒輪箱輸出功率。其原理如圖1所示。

圖1 燃氣輪機工作原理

1．2 燃氣輪機的缺陷

燃氣輪機燃燒后達2 000℃左右的燃氣，要用滲入壓縮空氣的方法，也就是二次進風的辦法降低燃氣溫度至600～700℃左右，燃氣最后噴入渦輪片槽道里膨脹，將其熱能轉化為機械功。一是從空氣動力學角度說：壓氣機用二次進風的辦法用去一部分損耗功，目的是降低燃氣溫度（600℃～700℃左右）；二是因為渦輪片與工作腔壁之間的氣密封性差而造成燃氣的巨大損耗，使燃氣輪機效率降低，僅為65%～70%，甚至渦輪功不足以滿足壓氣機耗功需要。還有從冶金學角度說：耐熱渦輪合金只能在燃氣溫度600～700℃下工作，無法提供能在燃氣溫度1 300～1 700℃以上可靠工作的耐熱渦輪合金。

1．3 燃氣輪機的主要優點分析

與同樣容積的活塞式發動機相比，燃氣輪機工作時空氣流量很大，單位時間內燃燒的氣體一般在16～23kg／（kW·h），活塞式發動機約為5kg／（kW·h）。所以，燃氣渦輪機在單位時間內燃燒的空氣和燃料混合物的量多，故其功率比活塞式發動機大得多，效率會比活塞式發動機高許多。因此它有熱效率高、重量輕、體積小、啟動快，便于集中控制，適宜燃燒多種燃料，振動和低頻噪音小等特點。

不論是活塞式發動機還是燃氣渦輪機，它們的卡若循環熱效率：η＝1－t1／t2。工作于高熱源t2與低熱原t1之間熱機，用以評定發動機作為熱機的經濟性。

對于現有技術的燃氣輪機（渦輪噴氣發動機，渦輪風扇發動機，渦輪螺旋槳發動機，渦輪軸發動機）來講，依據現有技術，燃氣輪機熱效率公式：η＝1－t1／t2，計算出他們的熱效率分配的概率統計值，如表1所示。

表1 燃氣輪機熱效率分配的概率統計值

2 活塞式發動機特點分析

2．1 活塞式內燃機的主要缺點

活塞式內燃機首先要克服排氣、進氣、壓縮三個階段對能量的損耗；第二要克服把溫度高達2 200～2 800℃，經過冷卻降溫對能量的損耗；第三是做功的不連續性，造成發動機不穩定和不均勻運轉，是現有技術發動機一直不可克服的缺陷；還有發動機都必須在限定時間里燃燒，燃燒條件的制約和只能限定使用一種燃料的局限性，是造成這種發動機對環境污染、能源損耗和發動機在低速運轉時的動力性、經濟性差等不可克服的缺陷。

2．2 主要優點

活塞式四行程發動機活塞組和氣缸與燃氣輪機渦輪相比有較好的氣密封性，同時活塞式四行程發動機要比燃氣輪機排出機外廢氣損失要低得多。且活塞式發動機具有結構緊湊、機動性強、運行維護簡便等特點。

2．3 活塞式發動機熱效率分配的概率統計

對活塞式發動機（柴油機、汽油機等）熱效率來講，同樣依據熱效率的公式：η＝1－t1／t2，計算出他們的熱效率分配概率統計值。見表2所示。

表2 活塞式發動機熱效率分配的概率統計值

3 任選燃料混合式發動機的設計

3．1 熱效率估算

依據活塞式發動機、燃氣輪機熱效率概率統計結果，以及其優點，去除渦輪葉片等缺陷，在相同容積下的活塞式發動機和燃氣輪機相比：

1）由于燃氣輪機工作時空氣流量很大，一般在16～23kg／（kW·H），活塞式發動機約為5kg／（kW·H），所以燃氣渦輪機在單位時間內燃燒的空氣和燃料混合物的量多，故其功率比活塞式發動機的大得多。

2）燃氣輪機消耗在冷卻部件熱效率損失少，僅為3%～6%；消耗在燃氣輪機本身的運動部件的摩擦為5%～10%。

3）活塞式發動機的廢氣排出機外損失的熱效率為15%～25%。依據熱效率計算公式：η＝1－t1／t2，估算出活塞式發動機、燃氣輪機相結合的發動機的熱效率可能達到60%～85%。

3．2 設計方案

活塞式發動機、燃氣輪機相結合的設計方案有以下三種。

方案一：在燃氣輪機中，去除渦輪葉片組及部分部件，并增設部分部件，所留部分的部件布置、排列方式、連接關系和基本參數與燃氣輪機相同。改進后的機器定名為燃氣機。其中，燃氣機排氣噴口和二行程做功機的進氣口相鏈接。如圖2所示。

圖2 任選燃料混合式發動機工作原理

方案二：在奧托式四行程發動機中，去除壓縮、暴發的兩行程配氣機構及部分部件，改為進氣做功、排出廢氣兩行程的工作方式，改四行程發動機配氣機構為兩行程工作方式的配氣機構，并增減部分部件，所留部分的部件布置、排列方式、連接關系和基本參數與奧托式四行程發動機相同。改進后的機器定名為兩行程做功機。在兩行程做功機中，進氣歧管通過管道連通燃氣機的排氣噴口，排氣歧管通過管道連通排氣筒。如圖2所示。

方案三：在二行程做功機的廢氣排氣口增加廢氣渦輪增壓裝置（此裝置為現有技術產品），其增壓后的空氣放入高壓儲氣筒，然后通過管道給燃氣機的燃氣室，以進一步增加混合氣壓縮比和空氣含氧量，來提高該發動機的熱效率；或者讓其增壓后放入儲氣筒中的高壓縮比空氣來替代起動機帶動壓氣機和燃料泵，作為起動該發動機用的備用動力。

燃氣機、二行程做功機和廢氣渦輪增壓裝置組合的發動機定名為任選燃料混合式發動機。

3．3 任選燃料混合式發動機工作原理

任選燃料混合式發動機工作時，供燃料燃燒的空氣首先進入壓氣機，經壓縮后溫度升高到100～200℃之間，然后送入燃燒室即燃氣發生器中；與此同時，燃料通過噴油嘴進入燃燒室，與高溫高壓的空氣混合后點火燃燒，此時溫度可達2 000℃左右，再經燃氣機的排氣噴口排出，經二行程做功機進氣口進入氣缸推動活塞循環往復運動做功；廢氣經二行程做功機的排氣口排出到廢氣增壓裝置，廢氣帶動廢氣渦輪增壓裝置旋轉，給壓氣機及燃料增加壓力，以利燃料在燃氣輪機燃燒室更好地燃燒，并循環往復地連續做功。

依據熱效率的公式：η＝1－t1／t2，計算出任選燃料混合式發動機熱效率分配的概率統計結果見表3所示。

表3 任選燃料混合式發動機熱效率估算結果

4 結論

燃氣輪機和活塞式發動機相結合設計的任選燃料混合式發動機可產生更高的熱效率，超低尾氣排放，持續燃燒，大氣燃燒（空燃比無限大），無需冷卻，無需密封，及活塞發動機的無壓力泄漏的優點，使其無需復雜的點火系統和冷卻系統，能在1%～100%負荷下工作，而基本不降低熱效率。

任選燃料混合式發動機具有可任選工質燃料燃燒和連續燃燒做功等優點，不但克服了四行程發動機的不均勻運轉問題以及在限定的時間里燃燒及燃燒條件的制約問題，而且克服了只能限定使用一種燃料的局限性。尤其是由于二行程作工機活塞組與氣缸壁嚴密的密封性的優點，和采用了廢氣增壓器，從而克服了燃氣輪機燃料消耗大和熱效率降低快的問題。任選燃料混合式發動機不但可用于機動車輛，也可用于輪船以及各種發電設備等。

［1］ 劉紅旗．任選燃料混合式發動機［P］．發明專利號：ZL 200810142906．1．

［2］ 唐藝．新編汽車構造［M］．北京：機械工業出版社，1998．

［3］ 鈴木孝．發動機的浪漫［M］．趙淑琴，譯．北京：北京理工大學出版社，1996．

［4］ 吉林工業大學汽車教研室．汽車構造（上冊）［M］．北京：人民交通出版社，1976．

［5］ 沈炳正，黃希程．燃氣輪機裝置［M］．北京：機械工業出版社，1990．

［6］ 彭澤琰，劉剛．航空燃氣輪機原理［M］．北京：國防工業出版社，2000．

［7］ 張丹．小議燃氣輪機的工作原理及發展［J］．民營科技，2011（12）：7．