一种新型发动机的探讨

寄情越野

   注册族论坛接近十年，现在人们对论坛的线上交流确实少的可怜，近期翻看论坛时无意中发现了《发动机交流版块》这个针对汽车动力技术展开讨论的专业版块，而我本人也是特别喜欢发动机技术方面的东西

   曾经汽车对我来说是遥不可及的，所以最早入手的是一辆摩托车，特别喜欢自己动手维修拆装，当第一次拆卸组装后的发动机着火时那种兴奋是难于言状的，兴趣所致为此投入了很多的精力，甚至在汽修厂做过一段时间，15和16年作为车队维修工参加过两次拉力赛。从开始的了解发动机的工作原理逐渐转变到对新技术的关注，随着认识的积累有了一些自己的想法，借此e族这个平台探讨探讨。
   了解内燃机发展史的朋友们应该都知道，往复式内燃机自诞生至今已经有一百多年，它的发明改变了世界，其技术发展已经非常成熟，期间也有其它类型车用发动机的出现和运用，例如著名的马自达RX8的汪克尔转子发动机。越野圈里公认最好的发动机应该就是丰田了，皮实耐造不挑食，丰田优异的质量毋庸置疑，更重要在于其设计理念。发动机的设计往往是一个折中的过程，例如为了环保和耐久性就可能牺牲部分动力性能，这也是赛车发动机的动力远远高于民用发动机的原因之一。

在这个圈子里懂车的不少，更不乏专家级大咖，试问如果有一款这样的发动机：它结构简单，结合了转子发动机与燃气轮机的特色，转速高功率大而且还省油，适合多种燃料（甚至有可能做到汽柴油的自动转换），您看看这种设计是否可行？欢迎来评论！

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内燃机是一个及其复杂的工程机械，其涵盖了太多的学科技术，随着科学技术的发展，内燃机从诞生之时的10%的热效率已经发展至现在40%以上，升功率由当初的10马力发展到100马力以上。

决定内燃机热效率的根本因素是工质的吸热温度和放热温度，即尽可能提高燃烧温度以及尽可能降低排热的温度，但实际内燃机需要受各种具体问题的限制，比如机械构造的限制、压缩比的限制，排放的制约等等。很多内燃机公司和研究机构在致力于对这方面的研究，并有一些很不错的解决方案，比如缸内直喷稀燃技术、阿特金森循环发动机，据悉马自达研发的压燃汽油机也将面世，其很大程度上解决改善了内燃机的热效率、排放和动力问题，而我的想法是能不能通过改变现有的内燃机结构来改善这些问题。

在各类资料中我特别关注了转子发动机和燃气轮机技术，关注转子发动机是因为它特别的机械结构以及优异的动力性，转子发动机的结构相对于常规往复式内燃机而言特别简单，没有复杂的配气系统，取消了曲轴连杆活塞系统使得转速更高且运转平稳，1.3升的转子发动机能达到常规发动机3.0的动力，当年的勒芒24小时耐力赛马自达被禁也是源于其功率强大，当然它的经济性、耐久性和排放也确实问题很大，这也是转子发动机没大规模运用，甚至停产的原因；再来说说燃气轮机发动机，现有的燃气轮机燃油效率已经达到40-60%，而重量功率比是往复式内燃机的几分之一到几十分之一，但燃气轮机的高效率只适合于某一特定转速，它也很难使用在转速变化频繁的汽车上，其排放问题也不易解决。

虽然以上两者都是旋转式发动机，但其机构完全不同，汪克尔转子发动机是活塞行星旋转结构，其运转时转子顶端轨迹程跑道形状，三角转子顶端与跑道形缸体接触分割成三个腔体，工作方式与四冲程内燃机一样有吸气、压缩、膨胀做功和排气过程。燃气轮机是一种旋转叶片机械，高温工质连续稳定燃烧，在涡轮机中膨胀而连续做功，布雷顿循环是燃气轮机的理论循环。

以现有成熟的的往复式内燃机相比，两种发动机虽各有优点，但因为其缺点无法很好应用在汽车领域，我一直在思考能不能结合上述各类内燃机的优点产生一种新结构的发动机，设计初衷由有几点：

1 采用旋转结构，往复式结构虽然可靠成熟，但无法改变其结构特点所带来的缺陷，那就是活塞组因往复式运动而引起的惯性力和惯性力矩不能得到完全的平衡，而且这个惯性力是按转速的平方增长的，此外，往复式发动机所采用的曲轴连杆和复杂的配气机构，也给整机的成本、减重和外形尺寸缩小带来困难，而高效轻巧的活塞旋转运动的发动机则更容易解决这一难题。

2 优化循环方式，热效率的提高就是尽可能提高燃烧温度以及尽可能降低排气的温度，往复式内燃机的结构注定了循环中每一行程都是相等的，为了充分的进气和排气只能改变配气系统相位来实现，这就造成了循环中效率低下，燃烧过程不稳定，膨胀做功的不完全，如果热机能合理的设置循环中各行程的相位，就比较容易提高内燃机的效率。

3 提高工质的流动速度，旋转内燃机的优点在于工质的连续流动，往复式内燃机的工质流动则是往复式的断续流动，旋转内燃机的充气效率优势明显。

4 改进燃烧方式，往复式内燃机和汪克尔转子内燃机一样，采用的是汽油火花塞点火或者柴油压燃点火，因为有这个点火过程，其燃烧是非常不稳定的，由此带来的燃烧不充分热效率低下，排放、震动和噪音严重，如果可能采用燃气轮机稳定连续的燃烧方式最好。

综上所述，这种新型内燃机应该拥有以下特征：旋转活塞结构，有利于提高发动机的转速，增大功率质量比；根据排气进气相位、燃烧做功特性设置相应的循环各行程；U型进排气结构配合旋转气缸系统，提高工质的流动速度，提高充量系数；设置独立的共用燃烧室，使每个循环在燃烧室完成，提高燃烧的稳定性。

实现以上特征的热机应该是一种旋转机，转子在环形缸体内旋转并保持密封，转子内设置有活塞，缸体设置有进气口、燃烧室和排气口，活塞根据转子在缸体的位置不同而上下运动，气缸在进气口时是进气行程，进气结束开始压缩，旋转至燃烧室位置进行燃烧（最好相邻的两个气缸可以同时处于燃烧室位置）然后膨胀做功，膨胀做功结束进入排气位置进行排气，排气结束完成一个完整的循环。

在查阅资料中发现，1963年Porsche(保时捷)发明了一款无曲轴转缸发动机，其结构与上述特征相似，如图:

这种设计采用了成熟的缸筒活塞技术，气缸作旋转运动，但这样的结构如果设计为共用燃烧室，势必燃烧室会做的很大（两个相邻气缸间距离角度太大）。

从鼓式刹车系统得到一些启发，下图为鼓式刹车原理图，刹车片一段固定，另一端随刹车泵的推力与刹车鼓摩擦形成制动，试想如果刹车泵伸缩的足够长，刹车片会与刹车鼓形成一定的空间。

由鼓式刹车的原理产生了这样的设计：

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3D结构图：
转子结构
弧形活塞结构

图中：1、缸体，2、燃烧室，3、火花塞（喷油嘴），4、进气口，5、排气口，6、缸体盖板，7、前端盖，8、后端盖，9、导向槽， 10、转子， 11、中心轴， 12、前圆盘， 13、后圆盘，  15、弧形活塞，16、销轴，17、连杆，18、拨销。

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这样的设计要点是有共用燃烧室，大部分的燃烧在燃烧室完成，可以连续燃烧，故命名为续燃旋转发动机。

续燃旋转发动机与往复式发动机原理相同，设计有弧形的活塞，通过控制弧形活塞的摆动实现气缸容积的变化，转子旋转一周气缸完成吸气、压缩、燃烧膨胀做功、排气过程（如上图所示，A气缸处于进气过程，B气缸处于压缩终点，C气缸处于做功过程，D气缸处于排气过程）。

续燃旋转发动机与常规往复式发动机的不同之处，转子旋转时各气缸因其所处缸体的相位不同而进行换气过程，没有了往复式发动机复杂的配气系统，带来的好处是结构简单、充量系数高、换气损失小，各气缸循环进气量均匀，这是换气过程的差异。

燃烧过程的不同

往复式发动机的燃烧是一种周期性的非稳定燃烧过程，其燃烧过程非常复杂，随时间和空间的变化极大，需要对燃烧放热始点、放热持续期和放热率精确控制，燃烧提前的时间损失及后燃损失影响动力经济性，噪音震动排放很难控制。

续燃旋转发动机的特性是燃烧点在缸体相位固定，故可以在其位置设置一个凹型燃烧室，正常工作状态下压缩的工质进入燃烧室进行燃烧，其燃烧是连续的，这类似与燃气轮机的特性。合理的设计燃烧室相位可以联通相邻两个气缸，即后气缸的工质进入燃烧室燃烧膨胀时，对前气缸做功，其工作相对更柔和且持续，所以其燃烧充分，空燃比可以很宽泛，连续燃烧速度快，发动机转速高动力密集度增大。

机械结构上的不同

常规往复式发动机采用曲轴连杆设计，活塞的行程是相等的，其缺点是膨胀过程不能进行到底，即随着排气门的打开而突然中断，严重浪费能源降低了热效率，这种高温高压未完全燃烧的气流高速排出，导致强烈的扰动和噪音，又污染空气。

续燃旋转发动机设计上的不同在于其活塞的行程和所在缸体的相位是可以进行调整的，比如可以把活塞在膨胀做功期的行程增大，可以使高温工质得以充分膨胀，这种结构可以很容易实现阿特金森循环。

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以下根据柴油的燃烧特性结合续燃旋转发动机的结构特征做工作原理论述

进气过程  

转子顺时针旋转，实例气缸（阴影活塞所在的气缸）入进气口位置时排气已经完成，弧形活塞受轨道控制开始向轴心移动，气缸形成负压新鲜工质被吸入气缸中，随着转子的旋转弧形活塞轴销位置通过进气口时，进气结束开始进入压缩过程。

压缩过程

随着转子的旋转，实例气缸接近压缩终点，燃油开始喷入被压缩的工质中，此时气缸中压力升至3MP左右，温度约350°，此时的压力和温度大于柴油的自燃着火条件，燃油开始点火燃烧（上图缸体的燃油喷注只作为发动机启动时所用，被点燃的混合气进入燃烧室形成稳定的燃烧后，此喷油嘴停止喷油），随着转子的旋转，燃烧的混合气进入燃烧室继续燃烧。

膨胀做功过程

随着转子的旋转，实例气缸通过燃烧室所在相位，膨胀的工质对弧形活塞和气缸的活塞腔做功。

连续燃烧过程

连续燃烧是本设计的关键特征，随着转子的旋转，实例气缸与后气缸通过燃烧室联通，后气缸中燃烧的混合气被挤入燃烧室中参与燃烧，燃烧室压力进一步增大，膨胀的工质加大了对实例气缸的做功。

再膨胀过程

再膨胀过程是实现阿特金森循环的设计，其特征是实例气缸离开燃烧室后的继续膨胀做功，其好处在于为后气缸的做功保留一定的膨胀工质，对实例气缸内的高温高压工质继续膨胀做功留住一些空间和时间，增加有用循环功并且进一步降低排气的温度与压力。

排气过程

随着转子的旋转，实例气缸膨胀结束进入排气口位置，气缸中的废气开始排出，随着转子继续运转实例气缸的弧形活塞向轴心外摆动，废气被压出气缸，这是排气的过程。

发动机正常工作后的燃油喷注

随着发动机运转至正常状态（燃烧室的温度压力达到正常状态）燃烧室喷油嘴开始替代之前的压缩终点喷油嘴向燃烧室喷油，如图所示，当某一气缸进入燃烧室位置时，新鲜的高温高压工质被挤入燃烧室中，此时燃烧室喷油，随着燃烧室内高温高压和新进的工质形成的强烈的挤流、涡流和湍流，燃油被迅速充分引燃，高速的燃烧膨胀使处于燃烧室的气缸接近于等压循环状态。

以上论述只是根据续燃旋转发动机的特性结合柴油的燃烧特征推演而来，真实的工作状态肯定会特别复杂，还需要经过不断的实验去进行论证和检验。

寄情越野

续燃转子发动机理论存在和需要解决的问题

现在的往复式发动机发展已经非常成熟，圆形的缸筒活塞与自膨胀密封简单完美，续燃转子内燃机的密封相对就复杂的多，不过也有可借鉴的经验，汪克尔转子机的密封就是一个范例，续燃转子机的密封涉及两个方面，一个是转子与缸体间的密封，还有就是弧形活塞与转子活塞腔的密封。转子与缸体的密封可以采用类似往复式发动机的自膨胀环形环，即在转子圆盘上设置环形凹槽，凹槽内设置自膨胀环形环，在转子各气缸间设计条形密封片，类似汪克尔发动机的径向密封条，使各气缸形成独立的空间；弧形活塞与气缸的密封，在弧形活塞弧面顶端设计凹槽，凹槽内安装条形密封条。

上述续燃发动机的密封设计与往复式发动机的密封相比会复杂很多，估计漏气略会严重，与往复式发动机的活塞不同，续燃发动机的弧形活塞是轴向摆动，其运动轨迹是受限制的，相对于往复式发动机活塞的纵向摆动（俗称的巧缸声也是源于这种震动带来的噪音），续燃转子机对气缸壁的磨损更少，故各有优劣。

传热损失，在往复式发动机燃烧室的设计中会很注重面容比F/V的问题，面容比值小的的燃烧室紧凑，火焰传播距离短，不易爆震，可提高压缩比，相对散热面积小，热效率高，熄火面积小HC排量少。与往复式发动机相比续燃发动机的点火，爆震和熄火面积小的问题都不大，需要考虑的就是散热面积问题，续燃发动机燃烧室始终处于燃烧高温状态，故散热和热变形问题比较严重，如果采用一定的隔热可以改善这些问题，在绝热发动机的研究中常采用的是一种高温陶瓷氧化锆（ZrO2），其导热率仅为金属的十几分之一，如果采用陶瓷燃烧室和活塞陶瓷涂层，可以大幅度解决续燃发动机的传热损失问题。

上述问题只是续燃转子发动机中理论存在的问题，实际研究中产生的问题会很多，内燃机是一个复杂的系统工程，需要进行不断的实验研究才能得以验证。

寄情越野

关于续燃转子发动机

就像前文所述，当初只是兴趣使然，而且当初的设计与现在也有了很大的改变。当这种设计思路接近定型后我拿给朋友看时，朋友建议我可以试着去知识产权局申请国家专利。最终我在17年拿到了发明专利的授权书。

专利的授权只能说明的我想法思路有一定的新颖性独创性，只能算是一个受保护的方案而已，如果不能实用化也就是一张废纸，我也一直在往这一步走，前期用亚克力板制作了一个透明的简易模型，现在正在着手筹划简易的试验机。从当初决定实施这个项目开始至今，感觉以我的知识和物质基础是不可能完成的任务。

这是第一次公开这个设计，作为越野e族一员我深知这一群体中所含的能量之大，感谢e族提供这个探讨的平台，希望有识之士能给予建议和意见，更希望能通过这一平台集结一帮有识之士来共同推进这件事。

众所周知内燃机的研究和创新方面我们是弱项，时至今日仍有很多国内的汽车厂家沿用某一系列的发动机，可以想象如果这种新型发动机可以有所成就，其经济效益和社会效益是不可估量的!

寄情越野

难道就没有人发点评论吗？哪怕扔个搬砖也行，恐惧这种冰冷的氛围。

寄情越野

每回一贴就得审核，我也是醉了，还是微信吧15033442088（微信同号）

东风南来

厉害了
建议咨询天津大学车辆相关专家，天津大学的内燃机研究在国内应该算是第一了

顺意动

还好，是一种方法，不过你还要认真的了解发动机的燃烧机理和燃烧效率，找到与现有的燃烧理论的修正系数，关于换能机构的效率原理一样的要找到方法和研究清楚。
你的专利象你分析的一样，密封，？困难。伺服机构如何设置未明确。燃烧效率，机构效率和伺服机构效率你都不清楚。如何知道发动机能满足国六排放标准。
如果成功能运行的化。按我的理论计算能达到转子发动机的效率水平。但是无法满足国六排放标准。提醒一下，目前燃气轮机的效率的单一工况最高是46%。综合利用是56%。均未计算伺服机构损耗。需二次处理尾气排放。应计算二次处理能耗。在满足国六排放标准的基础上再计算燃气轮机的效率的话，要单机计算才行。

寄情越野

顺意动 发表于 2019-8-19 10:59
还好，是一种方法，不过你还要认真的了解发动机的燃烧机理和燃烧效率，找到与现有的燃烧理论的修正系数，关 ...

首先谢谢您很专业的回复！抱歉隔了这么久才回复您。
就像在帖子里所描述的，我本人也不是专业科班出身，没有受过专业系统的学习，有的只是对内燃机技术的痴迷，虽然通过了专利申请，但也只是一种想法和方案而已，文中阐述的只是这种方案的设计初衷和一种应用推理，每一项发明和创新都是基于前人的技术基础上而成形的，而且需要不断的去改进完善才有可能成功，实话实说您所提出的此技术的燃烧效率、机构效率和伺服机构效率我现在无法回答，至于能否满足国六排放更是无从知晓，我想这些技术数据应该通过系统专业的实验才能得以论证，而且随着技术革新能不断的提高。
关于发动机的燃烧机理我看过一些专业书籍，常规发动机的燃烧机理太过复杂，所以这里没有进行太多是讲述，改变改进常规发动机的燃烧方式是我的设计初衷之一，续燃旋转发动机的燃烧近似燃气轮机的燃烧，与常规内燃机相比燃烧时间损失小、降低了不规则燃烧和不正常燃烧，压缩比、空燃比可以有更大的控制范围，相应的排放也应该有所改善。
抱歉文中伺服机构没有进行详细阐述，在专利说明书中有相应的描述，其实还有一种备选方案可选，应该也只有通过实验才能验证其效率和可靠性。
如果方便希望能与您进行更多的线下交流，我的手机号：15033442088（微信同号）。
再次感谢您的关注！

天空自由

你的这种发动机还是属于两冲范畴，排放不达标。

寄情越野

天空自由 发表于 2019-9-5 00:21
你的这种发动机还是属于两冲范畴，排放不达标。

非也~
先说说两冲程和四冲程的区别，两冲程的换气过程是膨胀做功结束时同时进行的，而四冲程是由独立的行程完成，其实各有优势，四冲程的换气效率更高，两冲程的摩擦损失更小，所以在一些船用内燃机上两冲程应用还是挺多的，排放高的原因主要源于以前两冲程换气过程中的混合气溢出和燃烧的不完全问题造成的，如果设计合理（比如缸内直喷）两冲程的排放也可以得到很好的控制。
而我的这种结构设计有着四冲程一样的行程，一个工作循序活塞同样四个冲程。再者四冲程内燃机的换气过程中会有一个排气进气重叠角（有一段时间排气门和进气门同时打开）这就有可能造成可燃混合气随排气的惯性排出和新进入的混合气被排气点燃，导致排放增高，而我这种设计基本上不存在重叠角，故这方面排放问题就更小。
之前有朋友提出过排放能否达到国六标准，我说过没有试验肯定不能去确定，但有一点我觉得可以推论出来，内燃机排放的产生主要源于碳氢化合物和氮氧化合物，常规内燃机的燃烧是个很复杂的过程，碳氢化合物的产生主要源于燃烧是否充分，为了燃烧充分和提高内燃机的燃油效率，就要增加压缩比就会提高燃烧温度，氮氧化合物就是源于比较高的燃烧温度，所以这个是一个很难平衡的；我的这种设计要点就是连续燃烧，打个比方气缸就像一个火炉，常规发动机工作一次需要点火燃烧后再熄灭清空加入燃料等待下次工作，而续燃燃烧则相当于不断的在燃烧的炉子中加入燃料，可以推断两种方式的燃烧效率；氮氧化合物的控制主要是控制最高燃烧问题，如果提高压缩比提高过量空气系数，气缸的最高燃烧问题就可以降低，续燃方式也可以保证高过量空气系数的工质燃烧，也能减少碳氢化合物的产生。
当然这些也都只是推论而已，还得通过实验去加以验证。
谢谢您的回复！

顺意动

其实目前缸内直喷是产生颗粒最多的。有统计数据，但是其中机理好像没有看到。你研究到了，就明白了你的发动机了。
提示两点，一要考虑燃烧速度，二要考虑分子动能及其引起接触

顺意动

有在做样机吗，如果密封你解决了。燃烧排放标准的达标我帮你。1.在开始燃烧到排气时做到完全燃烧。2.保证燃烧温度在1000~1400度C。3.要稀薄燃烧或采用富氧稀薄燃烧。这是马自达还没去想的问题。我是用在我的国一发动机上，目前满足国六排放标准的。还有提高进气温度和降低排放温度可以提高效率，应该是指利用燃烧动能的热机，如燃气轮机，活塞发动机是利用势能的。你的热机也是利用势能的或叫压力能。也就是降低燃烧温度提高燃烧压力。1000度是保证炭的完全燃烧，1400度是减少氮氧化物的产生。

zjb888999

都很专业，仍然不是很懂但祝成功，现在TB上很多钛合金加工也不贵

郭梓蠡

3D打印先做个塑料模型