CN100360774C - 对旋转子内燃发动机 - Google Patents

Abstract

对旋转子内燃发动机，它由增压器、燃烧器、膨胀器和传动装置组成，增压器和膨胀器的壳体中各安装有一对相对转动的转子，其特征在于柱型转子的横截面形状为在360°内均匀分布的三瓣花形，花瓣顶部的曲率半径小于增压器和膨胀器内壁的曲率半径，增压器的进气口大于排气口，在增压器的排气口处设有压力缓冲装置，膨胀器的排气容积大于增压器的吸气容积。它是基于涡轮发动机机的工作原理工作的转子式发动机，因此它具有比活塞发动机更高的功率输出，同时结构简单、制造成本较低。

Description

对旋转子内燃发动机

技术领域

本发明是一种内燃发动机，具体说是一种对旋转子式内燃发动机。

背景技术

原有的内燃发动机包括活塞式内燃发动机和涡轮式内燃发动机两种。古老的活塞式内燃发动机由于其结构简单和制造成本低而一直被广泛使用于汽车、轮船等交通运输工具上。但是因为活塞式内燃发动机的结构所限，它的功率满足不了高速飞行的飞行器的要求。因此，人们研制出具有更大功率的涡轮式内燃发动机。涡轮式内燃发动机可以提供比活塞式内燃发动机更大的功率。但是它的昂贵的制造成本却是普通的交通运输工具所无法承受的。正是由于以上原因，人们开始研制具有较大功率输出、同时价格低廉的发动机。转子活塞式发动机的出现即是迎合这一需求。现在专利文献中公开了很多有关转子活塞式发动机的专利技术。例如专利号为93241596号的实用新型专利。之所以称之为“转子活塞”式发动机，是因为虽然发动机的运动部件由原来的直线往复运动改为转动，但其仍然遵循的是往复式活塞发动机的工作原理：即在相对封闭的空间内增压、燃烧和膨胀做功，而最终实现间歇式的功率输出。所以这种转子活塞式发动机依旧保留着往复式活塞发动机的缺点：转子与转子之间及转子与气缸内壁之间存在着滑动摩擦，在运动的过程中不可避免的产生较大的温度升高和机械磨损，使机械部件之间的运转和密封受到影响，导致功率输出降低。间断的功率输出使它在运转的过程中会产生较大的机械振动，及功率输出值较低且不平稳等。

发明内容

本发明的目的是提供一种新型的内燃发动机，它可以克服现有技术中所存在的缺点，它的工作原理与涡轮发动机相同，所以可以提供较大的功率输出，功率输出值平稳，同时成本低，结构简单。

本发明的目的是这样实现的：它由增压器、燃烧器、膨胀器和传动装置组成，增压器和膨胀器的壳体中各安装有一对相对转动的转子，其特征在于柱型转子的横截面形状为在360°内均匀分布的三瓣花形，花瓣顶部的曲率半径小于增压器和膨胀器内壁的曲率半径，增压器的进气口大于排气口，在增压器的排气口处设有压力缓冲装置，膨胀器的排气容积大于增压器的吸气容积，这样内燃机的膨胀做功才能大于增压空气消耗的功率。

本发明以一种采用非线性渐开线函数设计的转子的新型增压器和膨胀器替代涡轮内燃发动机中轴流式或离心式增压器及涡轮膨胀器。该转子与增压器及膨胀器壁之间的接触是线接触，气体的增压、燃烧和膨胀空间是贯通的，在这个贯通的空间内，气体被连续增压、燃烧及膨胀做功，所以功率的输出是连续的。因此本发明与现有的转子活塞发动机相比，实现了本质上的突破。本发明的工作原理与涡轮发动机相同，而结构比涡轮发动机简化，成本比涡轮发动机降低了许多。由于本发明在增压器的排气口设置了压力缓冲装置，阻尼增压器内被增压的气体在进入燃烧室前的瞬间产生负压脉动效应，其空气线性增压至燃烧室入口，与燃烧室内部的压力基本一致，保证火焰在稳定的气流下连续平稳地燃烧。由于增压器是连续不间断地吸入并增压气体，而后气体在燃烧室内连续地被加热并输送至膨胀器，膨胀器连续膨胀做功，所以功率的输出是连续稳定的。因此本发明可以实现大功率连续输出，彻底克服了活塞式内燃发动机输出功率的瓶径。另外本发明采用转子式增压器和膨胀器不仅结构简单而且具有单级高增压比和单级高膨胀比，代替涡轮发动机的轴流式或离心式增压器及涡轮膨胀器，所以使设备的结构得到较大的简化，随之而来的是设备的生产成本大幅度的降低。由于本发明与活塞式内燃发动机相比，可以在体积相同的情况下，得到较大的功率输出，或者在相同的功率输出的情况下大大的减小设备的体积，并具有较低的成本，所以可以被广泛的应用于各行各业。

附图说明

图1是本发明的最佳实施例的结构剖面示意图。

图2是增压器中的三种压力缓冲装置的结构示意图。

图3是空心式空气冷却膨胀转子的结构示意图。

图4是叠片式空气冷却膨胀转子的结构示意图。

图5是离心泵式循环液体冷却膨胀转子的结构示意图。

图6是叠片螺旋轴泵式滚冷循环冷却膨胀转子结构示意图。

图7所示是以轴动力输出方式输出的发动机中的传动装置的结构。

图8是本发明采用双通道喷气推进输出方式输出的发动机双推进器与传动装置结构示意图。

图9是单向可异步传动机构的结构示意图。

图10是轴功率输出气冷式内燃机构造外形图。

图11是轴功率输出液冷式内燃机构造外形图。

图12是双通道直列式结构的气冷式喷气推进发动机的结构外形图

图13是增压器转子运动示意图。

图14是膨胀器转子运动示意图。

具体实施方式

下面结合具体的实施方式，对本发明做进一步详细的说明。

如图1所示，A为增压器，B为燃烧室，C为膨胀器。在增压器和膨胀器中各安装有一对相对转动的柱型转子1，该转子的横截面形状为图中所示的在360°内均匀分布的三瓣花形，其外轮廓线采用一种非线性渐开线函数曲线，设计要求花瓣形转子顶端的曲率半径小于壳体内壁的曲率半径，本实施例为尖形，转子1与发动机的壳体2之间为线接触，以保证气流通道的连续性。增压器的壳体中前段为吸气区A₁，后段为增压区A₂，增压区内设有压力缓冲装置6，它的具体结构有如图2a中所示的通道式结构，即有一个细小的通道5将增压区与燃烧室连通。当随着转子的转动，燃烧室与增压器的增压区A₂通过细小的通道5连通，由于燃烧室中的压力大于增压区中的压力，所以燃烧室中的气体通过通道5进入增压腔，使增压腔中的压力提高，接近燃烧室内的压力，所以当增压区内的气体进入到燃烧室中时，不会对燃烧的火焰有大的压力波动冲击，可以保证燃烧室中的燃烧稳定。压力缓冲装置还可以采用如图2b所示的缝隙式结构10和图2c、d所示的螺旋转子式结构，其中c为螺旋转子的断面图，d为螺旋转子的侧面图。缝隙式和螺旋转子式结构的压力缓冲器的工作原理与通道式缓冲装置一样。燃烧室B中7为喷油器，4为点火器，在燃烧室的进气口一侧设有涡旋流动气流发生器3，被增压的气体进入到燃烧室中时经过涡旋流动气流发生器，使气体在燃烧室中产生涡流，并与燃烧室中的火焰稳定器8配合，使火焰充分稳定的燃烧。在燃烧室壁上开有许多通气的小孔9，冷却空气通过小孔进入到燃烧室中，冷却火焰的周围，并控制和调节火焰及气流的温度。

由于膨胀器是连续膨胀做功的，为了保证膨胀器输出的功率大于增压器损耗的功率，本发明要求膨胀器的排气容积大于增压器的吸气容积，只有这样才能保证膨胀器转子的表面积大于增压器转子的表面积，内燃机内部高压气体作用于膨胀器转子的力矩大于高压气体作用于增压器转子的力矩。

本发明的发动机转子可以采用多种加工方法：最普通的加工方法是采用挤压或拉伸的方法将转子外型制成型材，然后切断，加工转子端面即可。对于要求转子具有较轻的重量的喷气推进的飞行器来说，转子可以采用薄壳成型法制造。这种方法制造的转子如图3所示，其中a为薄壳成型法制造的转子的端面图，b为这种转子的侧面图。该加工方法是用模具将薄板挤压成转子的外形，然后与空心的转子轴固定组装在一起。如果是作为工作温度较高的膨胀器转子使用，则可以在空心轴壁上和薄壳转子上开有通气孔11，冷却气体由空心轴进入，然后通过轴壁上和转子薄壳上的通气孔11排出，降低膨胀器转子的温度。对于形状较复杂的转子，如螺旋转子，可以采用叠片成型法加工。如图4所示，转子由很多冲压成形的薄板13叠加在一起，两端各设一个较厚的夹板12，然后用螺栓14紧固。这种转子的冷却如图所示，除将转子轴15制成空心轴外，还可以在薄板13上面开出散热通道16，如果在每一个薄板上开出一条散热通道，那么六个薄板就有六条散热通道，即可以辐射转子的全部表面。这样在整个转子上有许多散热通道通过冷却气体来实现膨胀器转子的冷却。

膨胀器工作在高温、高压的条件下，转子和壳体都需要进行散热冷却。由于壳体是固定的，所以将其置于冷却水箱中或是表面进行风冷即可达到降温的目的。对膨胀器转子的冷却就比较复杂。除前面已经叙述过的图3和图4所示的两种气冷式散热膨胀器转子外，本发明还提供如图5和图6所示的膨胀器转子的循环式液体冷却装置。它是采用传动齿轮箱35中的润滑液作为冷却介子。在转子轴15的一端带有离心叶片18，冷却液从转子轴中心通道19通过，带走转子的热量，从泵体排出，经散热器20冷却后，返回箱体继续循环使用。图中17是轴承。

图6所示的结构与图5所示的结构的区别在于转子轴内的通道21为螺旋式通道。转子由图6b的薄片叠加而成，在每一片薄片的中心冲压出图6b中22所示的孔，各薄片上的孔在冲压加工时，依次有一个小角度的旋转偏移量，当许多薄片叠加起来形成柱体转子时，位于轴中心的孔即形成一个螺旋式通道。当转子旋转时，螺旋式通道能更好的吸收转子体内的热量，同时具有泵压的作用，比图5所示的结构具有更好的效果。

图7-图9是本发明中的传动装置的结构示意图。图7所示是以轴动力输出方式输出的发动机中的传动装置的结构。在增压器A的两个转子轴之间安装有一对啮合的齿轮25，膨胀器C的两个转子轴之间装有一对啮合的齿轮26，上述相互啮合的直齿轮是用于对旋转子的同步转动。在增压器的主动轴和膨胀器的被动轴之间安装有单向可异步传动机构23，它采用如图9所示的棘轮结构。图9a是单向可异步传动机构的侧视图，图9b是图9a的左视图。单向可异步传动机构用于将膨胀器转子产生的功率传递给增压器和油泵，补偿其损耗的功率，保证内燃机的持续工作。在增压器和膨胀器之间采用可异步传动机构，主要是为了解决本发明的对旋转子的启动问题。本发明要求膨胀器的排气容积大于增压器的进气容积，并在燃烧室加热空气时，仍能保证有足够的高压气流驱动膨胀器转子连续膨胀做功。但是当内燃机由静止状态启动时，如果增压器与膨胀器同步转动，这样增压器的进气将少于膨胀器的排气，燃烧室内将出现负压。这样的环境非常不利于内燃机燃烧室的点火。因此本发明采用了上述单向可异步传动机构。当内燃机启动时，电动机仅带动增压器转子转动，而膨胀器转子只能靠燃烧室流出的有压力的空气推动转动，所以膨胀器转子与增压器转子不同步转动。只有当燃烧室点火燃烧，加热空气，使进入膨胀器之前的热空气有足够的压力，在膨胀器中连续膨胀做功。当膨胀器输出足够的轴功率，驱动增压器和油泵及其它发动机附件工作时，膨胀器的转子即带动增压器的转子同步转动。图7中的24是启动电动机。

图8是本发明采用双通道喷气推进输出方式输出的具体实例的示意图。为了尽量减少空气流动阻力，将增压器A、燃烧室B和膨胀器C依次连接并在同一条轴线上，在膨胀器的输出端安装有喷气通道27。单向可异步传动机构23的两侧各有一个从动齿轮28，分别与增压器和膨胀器主动轴上的主动齿轮29相啮合，实现增压器和膨胀器之间的可不同步转动。

图10是轴功率输出气冷式内燃机构造外形图。图11是轴功率输出液冷式内燃机构造外形图。其中a是侧面视图，b是a的右视图。

图中31是增压器出口端盖，32是冷却气体通道，37是膨胀转子端盖。由图可见，上、下两条冷却气体通道32将增压器出口的气体接通到膨胀器转子，用来降低膨胀器转子的温度。图中33是点火器引线，34是内燃机传动主轴，35是传动机构的机箱，38是增压器进气口，39是膨胀器排气口，40是进油管，41是燃油泵，45是散热器，46是冷却散热器风扇。

图12是双通道直列式结构的气冷式喷气推进发动机的结构外形图，其中a是正视图，b是a的右视图，c是a的俯视图。

图中51是增压器，52是单向异步传动装置箱体，53是膨胀器，54是进气通道，55是尾部喷气管，56是燃烧室，57是冷却气体通道，58是燃油管，59是点火器引线，60是启动电机，61是进油管，62是燃油泵的传动机构，63是传动机构，64是膨胀器壳体冷却器进气口，66是膨胀器散热通道，65是离心式风扇，67是燃油泵，68是膨胀器转子端盖，69是进油管。

图13是增压器的转子转动示意图。图14是膨胀器转子转动示意图。图13和图14中的a-d分别是增压器转子及膨胀器转子在初始位置以及转动30°、60°和90°时的位置示意图。

Claims (9)

1、对旋转子内燃发动机，它由增压器、燃烧器、膨胀器和传动装置组成，增压器和膨胀器的壳体中各安装有一对相对转动的转子，其特征在于柱型转子的横截面形状为在360°内均匀分布的三瓣花形，花瓣顶部的曲率半径小于增压器和膨胀器内壁的曲率半径，增压器的进气口大于排气口，在增压器的排气口处设有压力缓冲装置，膨胀器的排气容积大于增压器的吸气容积。

2、根据权利要求1所说的发动机，其特征在于所说的传动装置中包括一套采用棘轮结构的单向可异步传动机构。

3、根据权利要求1所说的发动机，其特征在于增压器中的压力缓冲装置可以采用缝隙式结构或通道式结构或螺旋柱型转子的结构形式。

4、根据权利要求1所说的发动机，其特征在于增压器和膨胀器转子可以制成薄壳式结构，转子轴为空心轴。

5、根据权利要求1所说的发动机，其特征在于增压器和膨胀器转子由薄板叠加组成叠片式结构，薄板叠加以后用螺栓紧固。

6、根据权利要求4所说的发动机，其特征在于转子轴和薄壳上开有通气孔。

7、根据权利要求5所说的发动机，其特征在于在薄板上开有散热通道，转子轴为空心轴。

8、根据权利要求1或4或5所说的发动机，其特征在于转子轴为空心轴，空心轴的内腔与传动机构的机箱连通；在转子上固定有离心叶片，或者转子的空心轴内为螺旋式通道。

9、根据权利要求6或7所说的发动机，其特征在于在增压器的出口和膨胀器转子空心轴之间连接有冷却气体通道。

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