本發(fā)明總體涉及發(fā)動(dòng)機(jī)，尤其涉及一種脈沖等離子體發(fā)動(dòng)機(jī)和操作該脈沖等離子體發(fā)動(dòng)機(jī)的方法。

背景技術(shù)：

脈沖等離子體發(fā)動(dòng)機(jī)是一種爆燃式內(nèi)燃機(jī)，它在原理上與內(nèi)燃機(jī)類似，不同的是它使用不可燃?xì)怏w，例如空氣、氧氣、氮?dú)饣蚨栊詺怏w，而不是在內(nèi)燃機(jī)中使用的可燃?xì)怏w。

美國(guó)專利7,076,950公開了一種爆燃式內(nèi)燃機(jī)和發(fā)電機(jī)，該爆燃式內(nèi)燃機(jī)和發(fā)電機(jī)具有：汽缸；將汽缸分為一對(duì)腔室的活塞，隨著活塞在汽缸中往復(fù)運(yùn)動(dòng)，這對(duì)腔室的容積以相反的方式變化；密封在每個(gè)腔室中的不可燃?xì)怏w的充電裝置；用于以爆炸方式交替地點(diǎn)燃兩個(gè)腔室中的不可燃?xì)怏w以驅(qū)動(dòng)活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)的裝置；以及耦合至活塞以響應(yīng)活塞的運(yùn)動(dòng)提供電能的裝置。

在美國(guó)專利3,670,494和4,428,193中可找到爆燃式內(nèi)燃機(jī)的其它例子。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的總體目的是提供一種改良的新型脈沖等離子體發(fā)動(dòng)機(jī)和操作該脈沖等離子體發(fā)動(dòng)機(jī)的方法。

本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種具有上述特征的脈沖等離子體發(fā)動(dòng)機(jī)和方法，該脈沖等離子體發(fā)動(dòng)機(jī)和方法能夠克服以前提供的發(fā)動(dòng)機(jī)的局限和缺點(diǎn)。

本發(fā)明的這些目的和其它目的是通過提供一種脈沖等離子體發(fā)動(dòng)機(jī)和方法實(shí)現(xiàn)的，在該脈沖等離子體發(fā)動(dòng)機(jī)和方法中，將不可燃?xì)怏w引入爆燃室中，該氣體在爆燃室中電離從而形成等離子體，對(duì)等離子體施加電脈沖以加熱等離子體，關(guān)斷脈沖以在等離子體中產(chǎn)生爆炸壓力脈沖，等離子體被磁場(chǎng)約束在爆燃室中，該磁場(chǎng)將壓力脈沖導(dǎo)向被壓力脈沖驅(qū)動(dòng)的輸出件。

附圖說(shuō)明

圖1是結(jié)合有本發(fā)明的脈沖等離子體發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力核心模塊的一種實(shí)施方式的垂直截面圖。

圖2是沿圖1中的2-2線剖切獲得的橫截面圖與圖1的實(shí)施方式中的對(duì)等離子體施加脈沖的電路的示意圖的結(jié)合。

圖3是示出圖1的實(shí)施方式的操作的示意性局部垂直截面圖。

圖4是結(jié)合有本發(fā)明的渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的一種實(shí)施方式的垂直截面圖。

圖5是結(jié)合有本發(fā)明的渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的另一種實(shí)施方式的垂直截面圖。

圖6是結(jié)合有本發(fā)明的往復(fù)式活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的一種實(shí)施方式的垂直截面圖。

具體實(shí)施方式

如圖1和圖2所示，動(dòng)力核心具有：爆燃室11；一對(duì)電極12、13；閥門14，不可燃?xì)怏w(例如空氣)通過該閥門引入爆燃室中；用于在爆燃室中對(duì)氣體進(jìn)行電離以形成等離子體的裝置16；用于向電極施加電脈沖以加熱等離子體并產(chǎn)生爆炸壓力脈沖的電路17；以及磁體18、19，該磁體用于在爆燃室中產(chǎn)生磁場(chǎng)以約束等離子體，并將壓力脈沖導(dǎo)向位于爆燃室的端部的輸出件，例如渦輪機(jī)葉輪或往復(fù)運(yùn)動(dòng)活塞(未示出)。

動(dòng)力核心構(gòu)造為大致為立方體或長(zhǎng)方體的模塊21的形式，該模塊21具有中央主體部分22，在中央部分的相對(duì)側(cè)具有端件23、24。軸向排列的孔26-28貫穿這三部分，以形成爆燃室，該爆燃室貫通上述端件。所述孔大致為圓形，并具有相等直徑，爆燃室的側(cè)壁大致為圓筒狀。中央主體部分22由絕緣陶瓷材料(例如氧化硅陶瓷)制成，端件23、24由低熱導(dǎo)率的不導(dǎo)電陶瓷材料制成。上述三個(gè)部分由穿過中央部分和端件中的安裝孔29、30的螺栓(未示出)緊固在一起。

電極12、13安裝在中央主體部分22中的豎直排列孔31、32中，電極的尖端探入爆燃室中，O型圈33、34提供電極與孔壁之間的密封。電極由耐高溫的導(dǎo)電材料制成，例如鎢或鍍釷鎢。

閥門14是安裝在水平延伸橫孔36中的單向止回閥，該水平延伸橫孔36與爆燃室的孔相交并連通。上述閥門具有被閥座38環(huán)繞的入口37，帶有可樞轉(zhuǎn)地安裝的閥門構(gòu)件39，該閥門構(gòu)件39在彈簧或其它適當(dāng)裝置(未示出)的作用下與閥座密封接合。上述閥門還具有與爆燃室直接連通的出口41，O型圈42提供閥體與孔壁之間的密封。此閥門允許空氣和其它氣體通過入口進(jìn)入爆燃室，并防止這些氣體從爆燃室逸出。

在所示的實(shí)施方式中，用于對(duì)氣體進(jìn)行電離以形成等離子體的裝置16包括輻射電離裝置，該輻射電離裝置具有布置在筒44中的放射性材料源43，例如镅、銣或釷，筒44安裝在中央本體部分22中的第二水平延伸橫孔46中。此橫孔與第一橫孔對(duì)正，并且也與爆燃室中的孔相交。上述筒與放射性材料朝向爆燃室定向，O型圈47提供所述筒與孔壁之間的密封。可替代地，如果需要，也可通過其它適當(dāng)?shù)姆椒ㄟM(jìn)行電離，例如高擊穿電壓或高頻輻射。

點(diǎn)火電路17包括高能量脈沖源，該高能量脈沖源包括具有與電池51和電極12、13串聯(lián)電連接的一次繞組49a的變壓器49。上述繞組作為點(diǎn)火線圈，電容52跨電池連接，以加強(qiáng)施加到線圈的電流。上述一次繞組或線圈的一端直接連接至電極12，其另一端連接至電池的正極端子。負(fù)極端子通過通/斷開關(guān)54和保險(xiǎn)絲56連接至絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)53的發(fā)射極。IGBT的集電極連接至第二電極13，脈沖發(fā)生器57連接至柵極。

在電路中包括橋式整流器59，用于對(duì)電池51充電。在所示的實(shí)施方式中，變壓器49是可調(diào)變壓器，整流器的一個(gè)輸入連接至二次繞組49b的一端，另一個(gè)輸入連接至二次繞組的可變抽頭61。整流器的一個(gè)輸出連接至電池的正極端子，另一個(gè)輸出連接至負(fù)極端子。

磁體18、19是稀土徑向極化永久環(huán)形磁體，它們與爆燃室同軸地朝向爆燃室的相對(duì)端布置在沉孔63、64中。端件23、24具有軸向延伸的圓柱狀法蘭23a、24a，法蘭23a、24a延伸到上述沉孔中，并被磁體圍繞。端件為磁體提供熱屏蔽層，并且還作為用于將模塊安裝到發(fā)動(dòng)機(jī)的其余部分上的適配器，包括安裝在常規(guī)內(nèi)燃機(jī)的缸體上，而不是安裝在缸蓋上。端件可根據(jù)需要配置，以匹配不同的發(fā)動(dòng)機(jī)。在圖1和圖2的實(shí)施方式中，具有圓錐狀輸出口23b、24b，輸出口23b、24b與爆燃室連通并貫通端件的外面或安裝面23c、24c，動(dòng)力核心模塊通過穿過安裝孔29、30的螺栓(未示出)附接到發(fā)動(dòng)機(jī)的其余部分上。

動(dòng)力核心的操作和使用以及本發(fā)明的方法如下：空氣通過止回閥14流入爆燃室11中，通/斷開關(guān)54閉合，以接通點(diǎn)火電路，電池51的電荷在電容52上積聚。爆燃室中的空氣被來(lái)自于源43的輻射電離，在電極12、13之間產(chǎn)生導(dǎo)電等離子體。由脈沖發(fā)生器57施加到IGBT 53的柵極的脈沖使IGBT導(dǎo)通，并接通變壓器繞組49、電池和電極之間的電路。這使得流過繞組的電流暴增，并產(chǎn)生施加到電極上的高能脈沖。流過電極之間的導(dǎo)電等離子體的電流將等離子體加熱到極高溫度，并且，只要每個(gè)脈沖仍存在，被加熱的等離子體就保持在電極之間的縫隙中。當(dāng)脈沖關(guān)斷時(shí)，熱量以爆炸性的方式從縫隙釋出，產(chǎn)生高壓沖擊脈沖，可利用該高壓沖擊脈沖驅(qū)動(dòng)輸出件，例如渦輪或活塞。

如圖3所示，磁體18被極化為其北極在環(huán)的內(nèi)側(cè)，南極在環(huán)的外側(cè)，而磁體19被反向極化，其北極在環(huán)的外側(cè)，南極在環(huán)的內(nèi)側(cè)。由磁體產(chǎn)生的磁場(chǎng)將等離子體66約束在爆燃室中，并將壓力沖擊脈沖沿軸向?qū)虮际业膬啥?，如磁通線67所示。

電脈沖是持續(xù)時(shí)間很短并隨時(shí)間快速升高的矩形脈沖，電極之間的等離子體的電導(dǎo)率極高，通常高于固體導(dǎo)體(例如金、銀或銅)的電導(dǎo)率。因此，當(dāng)向電極施加脈沖時(shí)，會(huì)立即形成電弧，并且等離子體的溫度急劇升高。整個(gè)電弧內(nèi)的溫度基本上保持恒定，短時(shí)高溫電弧在爆燃室中產(chǎn)生的壓力基本上與較長(zhǎng)持續(xù)時(shí)間的電弧產(chǎn)生的一樣。

電脈沖優(yōu)選具有短于一毫秒的寬度或持續(xù)時(shí)間，并以每秒500至1000次的頻率發(fā)生，并且，根據(jù)所施加的功率或能量的級(jí)別，等離子體在數(shù)納秒內(nèi)可達(dá)到1000至100000℃左右的溫度。當(dāng)脈沖被關(guān)斷時(shí)，電弧同樣也在數(shù)納秒或數(shù)微秒內(nèi)熄滅。例如，在100千瓦電源和一毫秒脈沖寬度時(shí)，施加到電極上的能量在每毫秒100焦耳或每微秒0.1焦耳左右。

當(dāng)電弧點(diǎn)燃時(shí)，等離子體的熱量包含在電弧中。當(dāng)電弧熄滅時(shí)，該熱量以爆炸性的方式從弧隙釋放，產(chǎn)生持續(xù)時(shí)間很短的沖擊脈沖，例如數(shù)微秒持續(xù)時(shí)間。

流過變壓器49的一次繞組以產(chǎn)生電弧的電流在二次繞組49b中感生相應(yīng)的電流，該電流被整流器59整流，并施加到電池51上，以對(duì)電池充電。

圖4示出了一種其中的動(dòng)力核心21驅(qū)動(dòng)一對(duì)渦輪機(jī)葉輪68、69的發(fā)動(dòng)機(jī)。所示的發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)造在平臺(tái)或底座71上，動(dòng)力核心安裝在附接至底座的一對(duì)支撐塊72上。渦輪機(jī)葉輪68、69附接至輸出軸73、74，輸出軸73、74在動(dòng)力核心的相對(duì)端可轉(zhuǎn)動(dòng)地安裝在附接至底座的支撐塊76、77上。渦輪機(jī)葉輪被徑向驅(qū)動(dòng)，輸出軸與膨脹室11的軸對(duì)正，但是垂直于該軸，葉輪的邊緣部分收納在端件23、24外面中的圓筒狀凹入部78、79中。

在工作時(shí)，由動(dòng)力核心產(chǎn)生的朝向軸向的壓力脈沖徑向沖擊在渦輪機(jī)輪葉上，導(dǎo)致渦輪機(jī)葉輪和輸出軸旋轉(zhuǎn)，該脈沖以每秒500-1000次脈沖的頻率提供。

圖5示出了一種由動(dòng)力核心驅(qū)動(dòng)單個(gè)軸流渦輪機(jī)葉輪81的實(shí)施方式。所示的發(fā)動(dòng)機(jī)也構(gòu)造在平臺(tái)或底座82上，動(dòng)力核心安裝在附接至底座的支撐塊83上。渦輪機(jī)葉輪81附接至發(fā)電機(jī)84的輸入軸84a，該發(fā)電機(jī)84在動(dòng)力核心的一端安裝在附接至底座的支撐塊86上，軸84a與爆燃室11軸向?qū)φ?/p>

此實(shí)施方式中的動(dòng)力核心21與其它實(shí)施方式中的動(dòng)力核心的不同之處在于，空氣通過氣隙88流入爆燃室，并且等離子體被與渦輪機(jī)葉輪相反的爆燃室一端處的永久磁體89約束。磁體安裝在附接至底座82的支撐架91上，并與端件23的外面隔開，以形成氣隙。隔圈92延伸在端件和磁體之間，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火時(shí)，隔圈92抵抗朝向它的壓力脈沖力幫助支撐磁體。磁體從前向后極化，并且其北極朝外，其南極朝內(nèi)，從而可與環(huán)形磁體18協(xié)作，以形成將等離子體約束在爆燃室中的磁場(chǎng)。

端件23中的入口23a的側(cè)壁向外傾斜并且是圓滑的，以便空氣在氣隙和爆燃室之間流動(dòng)。

在工作時(shí)，空氣通過氣隙自由流入爆燃室，但是一旦空氣在爆燃室中被電離，由磁體89和環(huán)形磁體18產(chǎn)生的磁場(chǎng)就會(huì)約束等離子體，防止其通過氣隙從爆燃室逸出。像其它實(shí)施方式中一樣，由環(huán)形磁體18、19產(chǎn)生的磁場(chǎng)也約束等離子體，并沿軸向?qū)б龎毫γ}沖，以驅(qū)動(dòng)渦輪機(jī)葉輪81和發(fā)電機(jī)84。

在圖6的實(shí)施方式中，本發(fā)明的動(dòng)力核心用在往復(fù)式活塞發(fā)動(dòng)機(jī)中，在該往復(fù)式活塞發(fā)動(dòng)機(jī)中，爆燃室11的一端被塞子93封閉，汽缸體94附接至位于爆燃室的另一端的端件24。動(dòng)力核心模塊和汽缸體由螺栓(未示出)緊固在一起，該螺栓穿過從端塞93和汽缸體94側(cè)向延伸的安裝凸臺(tái)或凸耳93a、94a中的對(duì)正孔口96、97。

汽缸體中的汽缸98與爆燃室11軸向?qū)φ?，并通過端件24中的出口24a與爆燃室直接連通?；钊?9通過連桿101和曲柄銷102連接至曲軸(未示出)，以在上下止點(diǎn)位置之間往復(fù)運(yùn)動(dòng)，環(huán)103、104提供活塞與汽缸的側(cè)壁之間的壓力密封。

布置有用于監(jiān)測(cè)活塞在汽缸中的位置并控制電脈沖的裝置，使得發(fā)動(dòng)機(jī)僅在活塞處于其上止點(diǎn)位置處或上止點(diǎn)位置附近時(shí)或者僅在向下沖程時(shí)才點(diǎn)火。此裝置包括安裝在活塞的側(cè)壁或裙部中的小磁體106、以及朝向汽缸的頂端安裝在缸體的側(cè)壁中的霍爾效應(yīng)傳感器107。該傳感器連接至點(diǎn)火電路17，以控制向電極施加脈沖。

當(dāng)活塞處于向下沖程時(shí)，空氣通過單向閥14被吸入爆燃室11中，與圖1、2和4中所示的實(shí)施方式一樣。當(dāng)活塞達(dá)到其上止點(diǎn)位置并且電極之間的空氣被完全電離時(shí)，霍爾效應(yīng)傳感器將點(diǎn)火電路連接至電極，以產(chǎn)生電弧，并在等離子體中產(chǎn)生壓力脈沖。

由于爆燃室的一端被塞子封閉，因此由爆炸等離子體產(chǎn)生的壓力脈沖被全部導(dǎo)向活塞，以驅(qū)動(dòng)活塞朝下止點(diǎn)運(yùn)動(dòng)。在活塞到達(dá)下止點(diǎn)之前，霍爾開關(guān)從電極斷開點(diǎn)火電路，并使點(diǎn)火電路保持?jǐn)嚅_狀態(tài)，直到活塞再次到達(dá)其上止點(diǎn)位置。

本發(fā)明具有多種重要特征和優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明提供一種使用不可燃?xì)怏w(例如空氣、氧氣、氮?dú)饣蚨栊詺怏w)的高效發(fā)動(dòng)機(jī)和方法。通過對(duì)氣體進(jìn)行電離而產(chǎn)生的等離子體具有極高的導(dǎo)電性，并且被在施加短時(shí)電脈沖時(shí)在電極之間產(chǎn)生的強(qiáng)烈電弧加熱到極高溫度。脈沖具有短于一毫秒的持續(xù)時(shí)間或?qū)挾?，并具有每?00至1000次的發(fā)生頻率，因而等離子體可在數(shù)納秒內(nèi)達(dá)到高達(dá)1000至100000℃的溫度。只要電弧持續(xù)，等離子體的熱量就被限制在電弧中，當(dāng)電弧熄滅時(shí)，該熱量爆炸性釋放，產(chǎn)生強(qiáng)大的沖擊脈沖，該沖擊脈沖被捕獲并用于驅(qū)動(dòng)一個(gè)或多個(gè)輸出件，例如渦輪或活塞。

通過利用磁約束來(lái)控制等離子體并將沖擊脈沖導(dǎo)向輸出件，能夠顯著提高發(fā)動(dòng)機(jī)的效率。

模塊化構(gòu)造的動(dòng)力核心可在各種發(fā)動(dòng)機(jī)中使用，包括常規(guī)的內(nèi)燃機(jī)，在常規(guī)的內(nèi)燃機(jī)中，動(dòng)力核心可安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)缸體上，而不是安裝在缸蓋和燃料系統(tǒng)中。

從上文的說(shuō)明能夠明顯看出，本發(fā)明提供了一種改良的新型脈沖等離子體發(fā)動(dòng)機(jī)和方法。雖然在本文中僅詳細(xì)說(shuō)明了一些目前優(yōu)選的實(shí)施方式，但是對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員來(lái)說(shuō)顯而易見的是，在不脫離由以下權(quán)利要求限定的本發(fā)明的范圍的前提下，可做出某些變化和修改。