一种笼式发动机的制作方法

本技术涉及内燃机, 具体是一种笼式发动机。

背景技术：

1、现有技术的内燃发动机主要是活塞式和喷气式，在这两种内燃机的结构中用于做功对外输出动能的是活塞和叶轮，活塞式内燃机主体是在坚固的缸体内部设置气缸，活塞密封气缸的一端，当气缸内部燃料发生燃烧而产生膨胀气体，推动活塞沿着气缸内壁往复运动，并把往复运动通过摇杆转换成齿轮的转动，在此过程中，为保证活塞有效传递能量，需要活塞与气缸内壁间密封，在活塞和气缸内壁之间设置活塞环，活塞环与气缸内壁之间摩擦消耗能量也容易损坏，此类内燃机需要厚重的缸体以保证气缸能够保持内部压力，同时作为气缸和活塞的组合只有活塞的往复运动这一个部分对外做功，其余部分用于保持压力，用于固定燃料供应的喷嘴和点火的火花塞，用于设置进出气门等，并不对外做功，因此结构复杂，重量大，做功效率低，影响其使用，活塞和叶轮这两个部分在整体内燃机的部件中只占有小部分，其余大部分部件都是为了形成燃烧室等以供活塞和叶轮正常工作，因此内燃机结构很复杂，重量和体积很大，例如一辆小型汽车发动机的重量几乎占据整车重量的一半，因此产生一些改进技术，相关申请例如（公布号cn1847664a径流叶栅压气机），（公布号cn2895787y旋转轴供气转子发动机），（公布号cn102434215a一种外转子流体动力机），（公布号gb1205632a一种具有一体式冷凝器的径向流出蒸汽涡轮机），(cn104929691a多功能流体发动机)等都是利用径向叶片把流体转换为机械动能的结构，其名称为发动机，而本身并不产生携带能量的流体，需要其他装置产生和提供输送给此类转化结构，并不是实际意义上的内燃发动机，对用于做功的高压高速流体如何产生和传送到此类结构需要进一步提供和改进，专利申请（cn2906079y内燃喷射转子发动机）提供了一种发动机，其内部设有点火系统和燃料供应系统，在燃料点火燃烧后能够产生高压高速气体向外喷射，其对于流体转化为机械动能的结构也采用类似上述几个申请的径向设置叶片（定子和转子）结构，此类径向设置叶片的结构比较活塞结构和汽轮机轴向设置叶片的结构能够获得更大扭矩和减少体积，但是存在叶片根部受力大不能够做长叶片的问题，（此问题在现有技术轴向设置的叶片上也存在）同时叶片根部都需要一个足够坚固的盘状结构安装固定径向叶片，也增加整体体积和重量，这部分技术需要改进，另外专利申请（cn2906079y内燃喷射转子发动机）在燃料点火燃烧的工作原理上仍然采用现有活塞式内燃机的工作原理，即“所述喷射腔与燃烧腔空间位置错开，”“本实用新型模拟电动机结构，结合活塞式内燃机和喷气发动机的原理，”“涡轮转子的喷射腔与燃烧室的在设计上数量不等，从而形成喷射腔和燃烧室之间空间上的不同步，给燃烧腔创造出燃油喷射，点火喷发的机会。”“所述点火系及泵体总成包括点火位置感应装置，，，”等结构， 该结构虽然取消了活塞式发动机的活塞往复运动，完全按单方向旋转，消除了活塞往复运动时造成的惯性损失，省去了气门等结构，使效率得到大幅度的提高，但是，其结构需要采用计算机进行控制，需要根据转子的转速和扭矩的要求，即需要精准的点火控制系统，其所述给燃烧腔创造出燃油喷射，点火喷发的机会，与活塞式内燃机一样的原理，即利用涡轮转子的喷射腔与燃烧室的在设计上数量不等，从而形成喷射腔和燃烧室之间空间上的不同步，形成某一个喷射腔和燃烧室之间的打开或关闭，因此必须在合适的时机点火，否则其将会产生跟活塞式内燃机一样的由于点火时机不准确带来的一系列问题，造成效率低甚至损坏发动机，也因此其需要在每一个燃烧室内都要设置点火系和燃油喷射系统，所以此部分技术也需要改进。

技术实现思路

1、本技术的目的是在于提供一种笼式发动机，结构简单，重量轻，提高发动机的功重比。

2、本技术为实现上述目的，通过以下技术方案实现：一种笼式发动机，包括笼式缸体，转轴和基座，所述笼式缸体为空心球笼形状，所述笼式缸体设置在转轴上，所述转轴设置在基座上，所述笼式缸体可以相对于转轴或/和基座转动，所述笼式缸体由多个叶片组成，所述叶片环绕笼式缸体与转轴同轴向分布，所述多个叶片沿着转轴轴向弯曲两端靠近转轴，所述叶片沿着笼式缸体表面朝向一个方向倾斜，所述转轴至少部分空心，将燃料经过转轴空心部分输入笼式缸体内部点燃产生高压气体向周围膨胀，作用于所述叶片后流动到笼式缸体外部，所述叶片带动笼式缸体转动输出动能。

3、所述叶片的截面为流线型。

4、所述同一个叶片截面弦线长度从中间向两端逐渐减少，适合连接成为笼式缸体。

5、所述同一个叶片截面弦线在中间到两端与笼式缸体表面切线夹角不同。

6、多个叶片之间设置加强肋，所述加强肋沿着转轴径向环绕笼式缸体，所述加强肋沿着转轴径向方向为片状。

7、所述笼式缸体设置至少一个，多个不同尺寸笼式缸体内外同一中心套设。

8、所述多个笼式缸体的叶片从内层向外层截面弦线长度依次增加和/或所述叶片从内层向外层与笼式缸体表面切线夹角依次减少。

9、所述转轴在笼式缸体内部设有点火器和燃料喷嘴，所述点火器通过点火器管连接笼式缸体内和外部，所述燃料喷嘴通过燃料喷嘴管连通笼式缸体内部和外部。

10、所述转轴还设有连通笼式缸体内部和外部的助燃剂通道。

11、所述助燃剂通道为单向管结构，所述单向管结构对于流体进入笼式缸体的阻力小于流体从笼式缸体流出笼式缸体的阻力，所述单向管结构为特斯拉阀结构。

12、所述转轴包括左轴和右轴两个部分，所述左轴和右轴经过笼式缸体中心线对称设置在笼式缸体两端。

13、所述笼式缸体内侧靠近转轴的位置设置圆锥体，所述圆锥体的尖端朝向笼式缸体中心，所述圆锥体围绕或覆盖转轴端部。

14、多个笼式缸体与转轴转动连接，在连接的位置多个笼式缸体互相连接固定，通过两个轴承与转轴连接。

15、多个笼式缸体互相同心套设，多个笼式缸体两层之间还设有多个导流片环绕笼式缸体与转轴同轴分布形成的导流笼体，所述导流片位于叶片之间，所述导流片朝向与叶片相反方向倾斜，所述导流片沿着转轴轴向弯曲两端靠近转轴，所述导流片截面为弯钩形状。

16、所述导流片从内层向外层的截面弦线长度依次增加和/或所述导流片从内层向外层与导流笼体表面切线的方向夹角依次减少。

17、多个导流片之间设置加强肋，所述加强肋沿着转轴径向环绕导流笼体，所述加强肋沿着转轴径向方向为片状。

18、进一步的，所述转轴和笼式缸体设置为，

19、所述转轴穿过一个或多个笼式缸体中心线与笼式缸体转动连接，转轴两端固定于基座，所述转轴空心，在转轴靠近笼式缸体中心的位置设有转轴孔，点火器和燃料喷嘴通过转轴内部到达转轴孔的位置，在笼式缸体外侧和基座之间设置动力轮。

20、所述转轴包括左轴和右轴两个部分，所述左轴和右轴经过笼式缸体中心线对称设置在笼式缸体两端，所述左轴与基座固定连接，所述左轴与一个或多个笼式缸体转动连接，所述右轴与一个或多个笼式缸体固定连接，所述右轴与基座转动连接，右轴的基座外侧为动力输出端，所述左轴7空心连通笼式缸体内部和外部，点火器和燃料喷嘴通过左轴进入笼式缸体内部。

21、所述转轴包括左轴和右轴两个部分，所述左轴和右轴经过笼式缸体中心线对称设置在笼式缸体两端，所述左轴和右轴与基座固定连接，所述左轴和右轴与一个或多个笼式缸体转动连接，在笼式缸体外侧设置动力轮，所述左轴和右轴空心连通笼式缸体内部和外部，点火器和燃料喷嘴通过左轴进入笼式缸体内部，点火器和燃料喷嘴通过右轴进入笼式缸体内部。

22、所述转轴包括左轴和右轴两个部分，所述左轴和右轴经过笼式缸体中心线对称设置在笼式缸体两端，所述左轴和右轴与基座固定连接，所述左轴和右轴与一个或多个笼式缸体转动连接，在笼式缸体外侧设置动力轮，所述左轴和右轴空心连通笼式缸体内部和外部，点火器和燃料喷嘴通过左轴进入笼式缸体内部，点火器和燃料喷嘴通过左轴进入笼式缸体内部，在左轴和/或右轴还设有助燃剂通道。

23、所述转轴包括左轴和右轴两个部分，所述左轴和右轴经过笼式缸体中心线对称设置在笼式缸体两端，所述左轴在笼式缸体外侧与基座固定连接，所述右轴在笼式缸体外侧与基座转动连接，所述左轴与一个或多个笼式缸体转动连接，所述右轴与一个或多个笼式缸体固定连接，右轴的基座外侧设置动力轮，所述左轴空心连通笼式缸体内部和外部，点火器和燃料喷嘴通过左轴进入笼式缸体内部，右轴空心连通笼式缸体内部和外部，右轴内部设置具有单向管结构的助燃剂通道，所述单向管结构为特斯拉阀结构，助燃剂通过右轴进入笼式缸体的阻力小于通过右轴流出笼式缸体的阻力。

24、所述转轴包括左轴和右轴两个部分，所述左轴和右轴经过笼式缸体中心线对称设置在笼式缸体两端，所述左轴与基座固定连接，所述左轴与多个笼式缸体转动连接，所述左轴与导流笼体固定连接，所述右轴与基座转动连接，所述右轴与笼式缸体固定连接，所述右轴与导流笼体转动连接，点火器和燃料喷嘴通过左轴进入笼式缸体内部，在左轴还设有助燃剂通道，所述右轴在基座外侧设有动力轮。

25、所述笼式发动机可以从最内层笼式缸体依次穿设于转轴制作，所述笼式缸体可以采用具有一定厚度的球体经过数控机床加工成型，包括叶片成型，叶片肋成型，用于转轴安装的孔等，在设置多个笼式缸体的笼式发动机的时候，外层笼式缸体可以采用半球形状套设于内层笼式缸体后焊接为一体，所述笼式缸体也可以采用铸造成型，所述笼式缸体也采用工业打印制作成型，采用铸造和工业打印的时候能够多个互相套设的笼式缸体一次成型制作。

26、所述笼式发动机平衡方法，在所述笼式发动机的笼式缸体设置平衡补丁，所述平衡补丁包括通过增量或减量设置，即增加平衡补丁所在位置的重量或减少平衡补丁所在位置的重量，进一步当所述笼式缸体具有多层的时候，首先加工制作最内层笼式缸体，通过平衡机旋转最内侧笼式缸体，寻找到平衡点，在平衡点设置平衡补丁，然后加工制作外层笼式缸体，再次通过平衡机旋转笼式缸体，寻找平衡点，在平衡点设置平衡补丁，依次设置多层笼式缸体的平衡补丁，使笼式发动机能够平衡运转。

27、所述笼式发动机工作过程为，燃料喷嘴向笼式缸体内部喷射燃料，助燃剂通过气泵压入笼式缸体或/和通过单向管结构吸入笼式缸体，点火器点燃或起爆进入笼式缸体的燃料和助燃剂的混合物，燃料燃烧或爆炸产生大量高温高压气体迅速向周围膨胀扩散，笼式缸体内充满高温高压的燃气，燃气作用于笼式缸体上同一方向倾斜的叶片而使笼式缸体转动输出动力并排出笼式缸体，笼式缸体的旋转会带动其内部燃料和助燃剂旋转迅速混合均匀分布，当燃料和助燃剂以燃爆的方式工作会产生膨胀波，膨胀波从笼式缸体中心向周围扩散使笼式缸体中心附近处于低压状态，因此可以从空心转轴吸入助燃剂或/和燃料继续工作，所述笼式发动机以燃爆的方式工作比较燃烧的方式工作效率更高，可以通过调节燃料和助燃剂的混合比例，调节点火时机等现有技术手段实现燃爆或燃烧的工作；燃料可以通过燃料喷嘴向笼式缸体内部喷射燃料或/和通过单向管结构吸入笼式缸体，助燃剂通过气泵压入笼式缸体或/和通过单向管结构吸入笼式缸体，单向管结构在燃料燃爆阶段因为其对于流体单向作用而阻止笼式缸体内部气体外泄，在燃料燃爆完成以后笼式缸体内部气压减少，笼式缸体经过单向管结构从外界吸入助燃剂；所述笼式发动机启动阶段利用气泵使适量的助燃剂进入发动机，有利于发动机启动，在笼式发动机所处外部环境有可以利用的助燃剂的时候，例如发动机在大气层内有足够的空气，利用单向管结构吸入空气工作以节约发动机携带的助燃剂，可以减少使用气泵的消耗，当所述笼式发动机进入外太空而没有外部空气可以利用的时候，利用气泵将携带的助燃剂提供发动机使用，以此增加所述笼式发动机适用范围，提高笼式发动机利用效率。

28、所述单向管结构包括至少一个单向管单元，所述单向管单元包括外管壁，内管壁和内管壁支架，所述外管壁为上下具有通孔的圆锥形空心结构，所述内管壁为上下具有通孔的喇叭形结构，内管壁通过内管壁支架悬挂于外管壁内部，外管壁和内管壁的上下通孔对齐并且相同轴线设置，构成所述单向管单元的逆向口和顺向口，逆向口和顺向口之间形成主通道，内管壁和外管壁之间形成“u”形分流通道，多个单向管单元首尾串联组成单向管，单向管具有设置于笼式缸体外部的进气口和位于笼式缸体内部的出气口，进气口对应单向管单元的顺向口，出气口对应单向管单元的逆向口。

29、一种飞行器，包括飞行器本体，所述飞行器本体前部设置发动机舱，在发动机舱内部固定设置所述的笼式发动机，朝向所述飞行器内部的方向笼式发动机的左轴内部设有连接所述飞行器点火系统和燃料供应系统的点火器和燃料喷嘴，所述笼式发动机朝向飞行器前进方向的右轴上固定设置螺旋桨，所述螺旋桨固定于右轴外部的法兰桨座上，发动机舱设置排气口，所述排气口经过飞行器本体侧面开口或/和在飞行器尾部开口，所述右轴内部为单向管结构的助燃剂通道，在助燃剂通道右端设有扩张器，所述扩张器为一端大口一端小口的喇叭形状，其小口一端连通助燃剂通道，所述扩张器设置外螺纹，与助燃剂通道上的内螺纹适配，扩张器旋紧固定于助燃剂通道，扩张器旋紧方向与螺旋桨转动方向相反，右轴转动带动螺旋桨转动；所述右轴外侧设置法兰桨座，所述法兰桨座上设置螺纹孔，螺旋桨套设于右轴外侧，螺栓穿过垫圈和螺旋桨的孔紧固螺旋桨于法兰桨座。

30、所述转轴为导电材料制作，所述点火器经过设置于转轴内的点火器管进入笼式缸体，所述点火器管为绝缘管，高压电线穿过点火器管内部与点火器正极电连接，所述点火器为火花塞，火花塞旋紧固定于转轴在笼式缸体内部一端的凹槽内，使火花塞负极电连接转轴，火花塞中心的正极插入高压电线一端的插孔而电连接高压电线，火花塞正极和负极之间绝缘。

31、进一步的，为了方便转轴及其内部设置的安装维修，所述转轴设置紧固帽和内嵌部，所述紧固帽为带有弯边的圆环状，所述内嵌部紧贴于转轴内侧，所述内嵌部用于容纳安装点火器，燃料喷嘴和助燃剂通道至少其中一个，所述紧固帽通过螺纹旋紧于转轴在笼式缸体外侧的一端，并将内嵌部压紧于转轴在笼式缸体内部的一端的收拢边。

32、所述转轴与笼式缸体通过轴承转动连接，所述轴承外圈与笼式缸体连接，所述轴承内圈与左轴和/或右轴连接，所述轴承侧面设置环形轴承挡圈，所述轴承挡圈固定于转轴或固定于笼式缸体，轴承挡圈可以采用焊接，铆接等常规方式固定；所述笼式缸体在设有轴承的位置与转轴之间留有缝隙，在缝隙处设有密封圈。

33、在所述笼式发动机外部附近设置氧传感器，用于检测所述笼式发动机排出废气的氧含量，在助燃剂通道设置节气门和节气门开度传感器，利用现有电控技术可以实现通过检测废弃氧含量而调节节气门开度而调节助燃剂数量。

34、在所述笼式发动机外部附近设置发动机温度传感器，检测所述笼式发动机外表温度，按照实验阶段确定的外表温度与内部温度的比例关系换算出内部温度，以此检测笼式发动机内部的温度，温度数据用于所述笼式发动机电子控制，包括传递数据给ecu控制器；所述笼式发动机在实验阶段可以用多个温度传感器检测所述笼式发动机内部和外部在不同工况下的温度变化，并生成两者之间的比例换算关系，在实际大批量生产和使用所述笼式发动机的过程中就可以只在所述笼式发动机外部设置温度检测，例如使用设置于基座的红外激光温度传感器检测所述笼式发动机外部温度，而不必在所述笼式发动机内部高温高压变化的恶劣环境检测温度。

35、所述笼式发动机设置ecu控制器，电连接设置于助燃剂通道的助燃剂温度传感器，助燃剂压力传感器，氧传感器，节气门开度传感器和发动机温度传感器，ecu控制器电连接各执行机构控制节气门，燃料泵，燃料喷嘴和点火器工作；对于ecu控制器与各部分之间的连接和控制可以参考采用现有内燃机控制技术实现。

36、所述笼式发动机通过转轴或在转轴设置动力轮或在笼形缸体一端设置动力轮输出动力。

37、所述单向管结构包括采用特斯拉阀原理在内的多种结构，特斯拉阀没有活动部件却对于从不同方向经过特斯拉阀的流体产生不同阻力作用，现有技术中其有多种变形，在此不再描述，本领域技术人员可以根据其原理理解实施。

38、除了采用本技术提供的不同于现有技术的连接和设置技术之外，本技术点火器，燃料喷嘴和助燃剂的连接和控制可以参考现有内燃机技术实现，例如点火器和燃料喷嘴与转轴的固定以及工作设置可以采用现有内燃机点火器和燃料喷嘴与缸体的固定以及工作设置。

39、发动机设置外壳具有保护和支撑作用，还具有对内部喷气的阻碍产生的反作用力，这些是发动机设置外壳的优点，也是现有技术发动机的常规设置，但是其同时产生重量的增加，以及内部喷气需要经过外壳的特定通道排放到外界而产生的阻滞阻力的问题，特别是在航空航天领域，发动机的功率重量比尤其重要，需要优先考量，经常需要设置牺牲发动机的部分效率也要保证其最高功率重量比，例如现有技术中的喷气式发动机，其工作效率不如活塞式发动机，但是其功率重量比远高于活塞式发动机，因此被应用于航空客机，战斗机等，本技术提供的技术方案中有实施例是省去外壳的结构，其工作效率比较设置外壳的结构的实施例根据具体环境不同可能有所不同，但是省去外壳的结构特别适用于航空航天领域，通过合理设置最终喷出的气体也因为没有外壳的阻挡而具有更高速度，可以产生一定的工作功率和提高整体发动机效率。

40、本技术的有益效果在于：

41、采用本技术所述的一种笼式发动机，具有以下优点：

42、现有技术的径向和轴向排列叶轮的发动机，由于其只在一个方向排出做功流体，其它方向和部分用于维持结构密闭，因此输出能量集中，对于活塞和叶轮叶片的材料和加工工艺要求非常高，本技术采用笼式缸体，在整个发动机本体内最大程度增加做功部位面积，使从其内部向外喷射的气体流体能够分散作用于除了靠近转轴附近很小的面积之外的几乎整个笼式缸体，推动笼式缸体转动，作用力分散于发动机笼式缸体而对发动机部件材料和加工工艺要求大幅度降低，便于加工生产，降低成本。

43、进一步的，现有技术为了提高效率和功率可以增加叶片长度，但是，现有技术的径向或轴向设置叶片受到气体垂直作用于其表面的作用力，在叶片长度增加的同时对叶片根部能够承受切向力的要求大幅度提高，限制了使用要求，本技术提供的笼式发动机叶片结构为圆弧形状，叶片本身既是动力转换装置又是缸体装置，当笼式发动机内部高压气体向外膨胀的时候，转化为叶片靠近转轴附近的根部的拉力，在使用现有常规材料的情况下其能够比较现有技术径向或轴向设置的叶片承受更大的力量，也可以制作更轻薄，减轻发动机重量，提高发动机瞬动性能和爆发力。

44、进一步的，本技术的技术方案比较现有技术的使用部件大幅度减少，结构简单，更加可靠，容易维护。

45、进一步的，本技术技术方案由于做功面积增加和部件大幅减少而大幅减少发动机的重量，提高发动机的功率重量比，配合采用不同的燃料和助燃剂供应方式，能够利用地球大气和外太空不间断工作，尤其适合航空航天领域。

46、进一步的，本技术的技术方案采用单向阀结构的进气或/和出气方式，克服现有活塞式发动机进气门和出气门的复杂机械结构，以及现有喷气发动机设置多级涡轮叶片辅助进气的复杂机械结构，并且因为没有活动部件而更加简单耐用。

47、进一步的，本技术的技术方案因为没有活塞和进出气配气机构等，不需要活塞密封，不使用润滑机油及其循环系统，没有活塞的固定行程限制，因此不担心爆震等危害而适合多种燃烧状态，相反对于本技术的发动机其内部燃烧越剧烈功率和效率越高，对于燃料要求极低，适用的燃料包括可燃气体，液体燃料和固体粉末燃料，即气相，液相和固相的燃料。

48、进一步的，本技术的技术方案的结构中，通过设置不同的转轴与笼式缸体连接方案以及转轴内部设置方案使多层结构笼式发动机共同向外传递力矩。

49、喷气发动机有等压燃烧和等容燃烧两者类型，其中等容燃烧效率更高，本技术的笼式发动机属于等容燃烧式发动机，如果采用爆燃工作方式，结合上述优势可以更好发挥本技术方案优点。