任选燃料混合式发动机的设计与研究

刘红旗，魏 峰，杜永贵

（太原理工大学 信息工程学院，太原030024）

现有技术活塞式发动机一直不可克服的缺陷有：排气、进气、压缩三个阶段对能量的大量损耗；冷却系统对能量的大量损耗；做功的不连续性使发动机不稳定和不均匀运转等。另外，这活塞式发动机还必须在限定时间里燃烧、限定使用一种燃料，因而造成了环境污染大、能源的损失大和发动机在低速运转时的动力性、经济性差等不可克服的缺陷。

现有技术的燃气轮机，虽然能克服以上活塞式发动机的缺陷，但从空气动力学角度说，压气机和涡轮（涡轮叶片与工作腔壁之间的气密封性差，而造成燃气的损失太大）效率太低，仅为65%和70%，甚至涡轮功不足以满足压气机耗功需要；二是从冶金学角度说，无法提供能在燃气温度1 300～1 700℃以上可靠工作的耐热涡轮合金。综合以上燃气轮机这两大缺陷，与同体积的往复式发动机相比，它的造价昂贵。由于涡轮机的工作温度高，因此从工程和材料的角度看，燃气轮机的设计和制造都是一个很棘手的问题。此外，燃气轮机空转时消耗的燃料更多，而且要求负载恒定，不能有波动。尤其在部分负荷条件下和空载时，热效率显著下降，这些缺点也可以解释为什么在汽车上很少使用燃气轮机。

为了克服以上两种发动机缺点，集燃气轮机、活塞式内燃机的双重优点，笔者利用燃气轮机连续燃烧、活塞式四行程发动机活塞组与气缸有好的气密封性双重优点，设计出一种新型发动机。该方案已于2013年1月获得国家知识产权局发明专利。

1 燃气轮机工作原理及特点分析

1．1 燃气轮机工作原理

燃气轮机工作时，供燃料燃烧的空气首先进入压气机，经压缩后温度升高到100～200℃之间，然后送入燃烧室即燃气发生器中去；与此同时，燃料通过喷油嘴进入燃烧室，与高温高压的空气混合后点火燃烧。此时，燃烧室的燃气温度迅速达到2 000℃，而且以后连续不断地保持在2 000℃左右；用渗入压缩空气的方法，也就是二次进风的办法降低燃气温度至600～700℃左右，燃气最后喷入涡轮片槽道里膨胀，将其热能转化为机械能，使燃气轮机中的叶轮旋转并带动轴旋转；驱动压气机，带动轴通过减速齿轮箱输出功率。其原理如图1所示。

图1 燃气轮机工作原理

1．2 燃气轮机的缺陷

燃气轮机燃烧后达2 000℃左右的燃气，要用渗入压缩空气的方法，也就是二次进风的办法降低燃气温度至600～700℃左右，燃气最后喷入涡轮片槽道里膨胀，将其热能转化为机械功。一是从空气动力学角度说：压气机用二次进风的办法用去一部分损耗功，目的是降低燃气温度（600℃～700℃左右）；二是因为涡轮片与工作腔壁之间的气密封性差而造成燃气的巨大损耗，使燃气轮机效率降低，仅为65%～70%，甚至涡轮功不足以满足压气机耗功需要。还有从冶金学角度说：耐热涡轮合金只能在燃气温度600～700℃下工作，无法提供能在燃气温度1 300～1 700℃以上可靠工作的耐热涡轮合金。

1．3 燃气轮机的主要优点分析

与同样容积的活塞式发动机相比，燃气轮机工作时空气流量很大，单位时间内燃烧的气体一般在16～23kg／（kW·h），活塞式发动机约为5kg／（kW·h）。所以，燃气涡轮机在单位时间内燃烧的空气和燃料混合物的量多，故其功率比活塞式发动机大得多，效率会比活塞式发动机高许多。因此它有热效率高、重量轻、体积小、启动快，便于集中控制，适宜燃烧多种燃料，振动和低频噪音小等特点。

不论是活塞式发动机还是燃气涡轮机，它们的卡若循环热效率：η＝1－t1／t2。工作于高热源t2与低热原t1之间热机，用以评定发动机作为热机的经济性。

对于现有技术的燃气轮机（涡轮喷气发动机，涡轮风扇发动机，涡轮螺旋桨发动机，涡轮轴发动机）来讲，依据现有技术，燃气轮机热效率公式：η＝1－t1／t2，计算出他们的热效率分配的概率统计值，如表1所示。

表1 燃气轮机热效率分配的概率统计值

2 活塞式发动机特点分析

2．1 活塞式内燃机的主要缺点

活塞式内燃机首先要克服排气、进气、压缩三个阶段对能量的损耗；第二要克服把温度高达2 200～2 800℃，经过冷却降温对能量的损耗；第三是做功的不连续性，造成发动机不稳定和不均匀运转，是现有技术发动机一直不可克服的缺陷；还有发动机都必须在限定时间里燃烧，燃烧条件的制约和只能限定使用一种燃料的局限性，是造成这种发动机对环境污染、能源损耗和发动机在低速运转时的动力性、经济性差等不可克服的缺陷。

2．2 主要优点

活塞式四行程发动机活塞组和气缸与燃气轮机涡轮相比有较好的气密封性，同时活塞式四行程发动机要比燃气轮机排出机外废气损失要低得多。且活塞式发动机具有结构紧凑、机动性强、运行维护简便等特点。

2．3 活塞式发动机热效率分配的概率统计

对活塞式发动机（柴油机、汽油机等）热效率来讲，同样依据热效率的公式：η＝1－t1／t2，计算出他们的热效率分配概率统计值。见表2所示。

表2 活塞式发动机热效率分配的概率统计值

3 任选燃料混合式发动机的设计

3．1 热效率估算

依据活塞式发动机、燃气轮机热效率概率统计结果，以及其优点，去除涡轮叶片等缺陷，在相同容积下的活塞式发动机和燃气轮机相比：

1）由于燃气轮机工作时空气流量很大，一般在16～23kg／（kW·H），活塞式发动机约为5kg／（kW·H），所以燃气涡轮机在单位时间内燃烧的空气和燃料混合物的量多，故其功率比活塞式发动机的大得多。

2）燃气轮机消耗在冷却部件热效率损失少，仅为3%～6%；消耗在燃气轮机本身的运动部件的摩擦为5%～10%。

3）活塞式发动机的废气排出机外损失的热效率为15%～25%。依据热效率计算公式：η＝1－t1／t2，估算出活塞式发动机、燃气轮机相结合的发动机的热效率可能达到60%～85%。

3．2 设计方案

活塞式发动机、燃气轮机相结合的设计方案有以下三种。

方案一：在燃气轮机中，去除涡轮叶片组及部分部件，并增设部分部件，所留部分的部件布置、排列方式、连接关系和基本参数与燃气轮机相同。改进后的机器定名为燃气机。其中，燃气机排气喷口和二行程做功机的进气口相链接。如图2所示。

图2 任选燃料混合式发动机工作原理

方案二：在奥托式四行程发动机中，去除压缩、暴发的两行程配气机构及部分部件，改为进气做功、排出废气两行程的工作方式，改四行程发动机配气机构为两行程工作方式的配气机构，并增减部分部件，所留部分的部件布置、排列方式、连接关系和基本参数与奥托式四行程发动机相同。改进后的机器定名为两行程做功机。在两行程做功机中，进气歧管通过管道连通燃气机的排气喷口，排气歧管通过管道连通排气筒。如图2所示。

方案三：在二行程做功机的废气排气口增加废气涡轮增压装置（此装置为现有技术产品），其增压后的空气放入高压储气筒，然后通过管道给燃气机的燃气室，以进一步增加混合气压缩比和空气含氧量，来提高该发动机的热效率；或者让其增压后放入储气筒中的高压缩比空气来替代起动机带动压气机和燃料泵，作为起动该发动机用的备用动力。

燃气机、二行程做功机和废气涡轮增压装置组合的发动机定名为任选燃料混合式发动机。

3．3 任选燃料混合式发动机工作原理

任选燃料混合式发动机工作时，供燃料燃烧的空气首先进入压气机，经压缩后温度升高到100～200℃之间，然后送入燃烧室即燃气发生器中；与此同时，燃料通过喷油嘴进入燃烧室，与高温高压的空气混合后点火燃烧，此时温度可达2 000℃左右，再经燃气机的排气喷口排出，经二行程做功机进气口进入气缸推动活塞循环往复运动做功；废气经二行程做功机的排气口排出到废气增压装置，废气带动废气涡轮增压装置旋转，给压气机及燃料增加压力，以利燃料在燃气轮机燃烧室更好地燃烧，并循环往复地连续做功。

依据热效率的公式：η＝1－t1／t2，计算出任选燃料混合式发动机热效率分配的概率统计结果见表3所示。

表3 任选燃料混合式发动机热效率估算结果

4 结论

燃气轮机和活塞式发动机相结合设计的任选燃料混合式发动机可产生更高的热效率，超低尾气排放，持续燃烧，大气燃烧（空燃比无限大），无需冷却，无需密封，及活塞发动机的无压力泄漏的优点，使其无需复杂的点火系统和冷却系统，能在1%～100%负荷下工作，而基本不降低热效率。

任选燃料混合式发动机具有可任选工质燃料燃烧和连续燃烧做功等优点，不但克服了四行程发动机的不均匀运转问题以及在限定的时间里燃烧及燃烧条件的制约问题，而且克服了只能限定使用一种燃料的局限性。尤其是由于二行程作工机活塞组与气缸壁严密的密封性的优点，和采用了废气增压器，从而克服了燃气轮机燃料消耗大和热效率降低快的问题。任选燃料混合式发动机不但可用于机动车辆，也可用于轮船以及各种发电设备等。

［1］ 刘红旗．任选燃料混合式发动机［P］．发明专利号：ZL 200810142906．1．

［2］ 唐艺．新编汽车构造［M］．北京：机械工业出版社，1998．

［3］ 铃木孝．发动机的浪漫［M］．赵淑琴，译．北京：北京理工大学出版社，1996．

［4］ 吉林工业大学汽车教研室．汽车构造（上册）［M］．北京：人民交通出版社，1976．

［5］ 沈炳正，黄希程．燃气轮机装置［M］．北京：机械工业出版社，1990．

［6］ 彭泽琰，刘刚．航空燃气轮机原理［M］．北京：国防工业出版社，2000．

［7］ 张丹．小议燃气轮机的工作原理及发展［J］．民营科技，2011（12）：7．