CN101265839A - 转子发动机 - Google Patents

Abstract

一种转子发动机，属旋转活塞式发动机，由定子总成和转子总成组成；定子上间隔90度分别开有进、排气以及位于二者中点开有火花塞孔；转子总成由转子体、转子主轴、曲轴组成；转子体内沿径向设有气缸孔，活塞及连杆装入其中，曲轴经轴承安装在水平的曲轴孔上，曲轴的曲拐与活塞连杆连接，曲轴上的两曲轴齿轮分别与定子内腔内的两内圆齿轮环相啮合，二者传动比为1∶2，两个转子主轴经轴承安装在定子的左、右端盖上，两主轴固联在转子体上；气缸孔上有气体密封机构。它去配气系统，从根本上解决了气门正时和气门行程的问题，具有结构简单，体积更小，高压缩比的特点。

Description

转子发动机

技术领域

本发明涉及内燃发动机，特别是旋转活塞式发动机即转子发动机制造领域。

背景技术

传统往复活塞式发动机已有100多年的发展历史，发展到现在广泛使用的活塞式凸轮配气发动机，不论是从发动机的气密性、润滑性、散热性，还是在这三性基础上的可靠性、耐久性都已经相当完善成熟。但是在全球温室效应危机和能源紧张的今天，作为使用量非常巨大的汽车发动机和其它形式使用的内燃机，是造成这些危机的重要原因之一，因此，增效与节能减排已经对内燃式发动机提出了更高要求，这些要求对活塞式凸轮配气发动机有如下几方面问题需要得到解决：

1、气门开度问题：气门开度及其相关的气门正时和气门行程的问题。

气门开度是指排气门或进气门的最大开启量，现有的传统活塞式凸轮配气发动机的气门开度不会超过气缸直径的50％，这就限制了进、排气量不能满足发动机在各种转速工况下的需要，因此，不论是从节约能源，减少废气排放，还是功率的充分发挥，现有的传统活塞式发动机都必须尽可能解决气门正时和气门行程的问题，事实上现在还没哪一款发动机能完全同时解决好这两方面的问题，即便是有些很先进的发动机采用动态偏转凸轮转角来满足不同转速时的气门正时，由于凸轮偏转只可能是单向的，单向就意为着，气门提前开启，当然也提前关闭，反之亦然。因此，先进的发动机同时采用了分段式(分不同转速阶段切换长短凸轮)改变气门行程，使气门开启持续时间延长，这必然有三个问题：(1)、分段就不可能是连续的，但转速变化是连续的；(2)、凸轮的凸臂越长，气门的相对开度越大，气门行程就越长，但是凸臂越长，凸轮的圆半径也越大，因此，有效工作点凸轮头的线速度也越快，所以，切换后的长程凸轮改变气门开启持续时间是有限的；(3)、改变气门正时和气门行程，必然产生排气和进气叠加，虽然产生叠加较不产生叠加时排气回程阻力大和进气不足相比，产生排气和进气叠加还是相对有利，但决对不利的是排气时间提前，就是做功行程提前结束，更严重的是燃烧提前终止，因为人们总是希望，做功行程更长；燃烧时间越长燃烧越充分，排放更洁净；排气回程通畅无阻力；进气行程充足。产生这些问题的原因都是因为气门开度有限，并且，当发动机转速越高留给排气和进气的时间就越短，气开度问题就越明显。

2、冲程力消耗的问题：

现有的传统活塞式凸轮配气发动机至少有如下二方面大量消耗冲程力，但又是用于维持发动机再运转必须消耗的动力，实质是部分能源消耗在非有效功率上。

(1)、配气机构所消耗的动力：驱动整套凸轮机构包括凸轮是非圆形体运转(阻力)，凸臂使气门开启的扭力要克服气门所对应的众多气门回位弹簧力外，还包括液压方式或其它方式驱动的气门正时机构和气门行程机构消耗的动力。此外，凸轮与顶杆或摇臂之间为点接触或线接触，凸轮机构存在零部件易磨损的问题。

(2)、气门向气缸内打开方式所耗用的冲程力：当爆破行程结束时，气缸内压力达到最大值，即气缸内单位面积压强达到极大值，此时欲向气缸内推开排气气门，必须耗用与排气气门在气缸内的单位面积压强相等的冲程力，所以，(对包括多气门形式气缸)排气气门在气缸内的面积总和越大，所被消耗发动机功率就越多。但是排气气门在气缸内的面积总和越大，对充分排气减少回程阻力越有利，这就是功率与能源消耗的矛盾。

(3)、压缩比的问题：

气门向气缸内打开方式，必然占用一定空间，限制了压缩比的极值，没有发挥出还应有的燃值效率(正文中详述)；通常加大压缩比有两种方式，一是增加气缸工作容积；二是增加更多的燃油混合气量(如涡轮增压：是以废气冲力作涡轮动力，通过涡轮旋转在进气行程时强制向气缸内压入更多的空气和燃油混合气量)，但这两种方式都会消耗更多的燃油；

(4)、制造成本高、制造工艺复杂性问题：

制造现有的传统活塞式发动机，必须配套制造精密配气机构，并且耗用大量的优质钢材和财力；

(5)、现有的传统活塞式发动机的优点：

作为广泛使用的活塞式凸轮配气发动机，由于在其方式上解决了气密性、润滑性、散热性对发动机的基本三性要求，在此基础上的可靠性、耐久性不容置疑。因此，在这种背景技术下，要提出更高性能的发动机，必须在结构上完全解决气密性、润滑性、散热性对发动机的基本三性要求。

中国专利文件公开的“一种转子发动机”(CN1828028A)以及其它转子发动机如CN1478991A，CN1490495A等。上述转子发动机在结构上各有不同，从总体上看，它们在发动机的润滑性、气密性以及散热性等适用性方面尚缺乏完善的配套设计。

发明内容

本发明的目的是提供一种转子发动机，从根本上解决现有活塞式凸轮配气发动机存在气门正时和气门行程的问题，使气门开度达到缸径的100％，使冲程力完全用于发动机转子的动力输出，从而大幅节省燃油，并在气缸总容积一定条件下，提高发动机压缩比，发挥出活塞发动机应有功率和烧气效率，提高废气排放质量；使发动机结构更为简单紧凑、体积更小。

本发明的目的是这样实现的：一种转子发动机，主要由定子总成和设置在定子内的转子总成组成，定子总成主要由定子和左、右端盖组成，定子的圆形内腔前、后位置上固定安装有两只内圆齿轮环，定子的圆形内腔中线圆上沿径向水平方向的上方和下方，间隔90度分别开有进气孔和排气孔以及位于进气孔和排气孔中点相对面的火花塞孔；转子总成主要由转子体、转子主轴、曲轴组成；转子体上沿径向设有气缸孔，活塞及连杆装入其中，沿轴向水平中线下方设有曲轴孔，曲轴经轴承安装在曲轴孔上，曲轴的曲拐与活塞连杆连接，曲轴上安装有两个曲轴齿轮，两曲轴齿轮分别与固定在定子上的两只内圆齿轮环相啮合，二者的传动比为1∶2，作为动力输出轴的两个转子主轴分别经轴承安装在定子的左、右端盖上，且两主轴内端分别固联在转子体左、右端面上；转子体的气缸孔外端开口位置上还设置有气体密封机构。

本发明的有益效果是：

1、作为新一代发动机，完全解决了气门开度的问题，以及气门正时和气门行程的问题，即：进、排气门达到理想开度，使气门开度达到缸径的100％，因而不需要再解决气门正时和气门行程的问题。

2、去配气机构，将冲程力完全用于发动机转子动力输出的运转，从而大幅节约燃油；去配气机构还使发动机运转更安静、更顺畅。

3、在不增加燃烧室体积和不增加燃气的条件下，根据需要设计发动机的压缩比，使发动机发挥出应有的更大效率(与传统发动机相比较)。另外，高压缩比可以满足低转速或怠速时，低流速的燃油与空气充分混合问题，以及低温燃气迅速升温的问题。

4、制造发动机结构更为简单，制造成本大幅降低，体积更小；以单元总成方式组装发动机，对发动机部件的更换和维修变得更简捷。

5、在继承活塞和曲轴连杆运动的润滑方式外，对转子发动机燃烧室高要求的气密性，以及转子体润滑性，散热性提出了全新的，可靠的解决方案。

6、整个发动机的重心比现有往复活塞式发动机的重心低，高速运转中更为平衡。

本发明新一代发动机的优势将在后文结合对发动机工作周期过程的叙述进一步具体阐述。

附图说明

图1-1、图1-2、图1-3、图1-4、图1-5分别是定子的(沿轴心线中点纵剖)主视图、(沿水冷腔纵剖)主视图、俯视图和(沿进气孔和火花塞孔剖切)底视图以及立体图；

图2-1、图2-2、图2-3分别是转子总成的主视图、左视图和俯视图；

图3-1、图3-2、图3-3、图3-4分别是转子体的主视图、左视图、俯视图和立体图；

图4是本发明总体装配图(从图1-2所示定子进气口中线轴向剖视)；

图5是本发明总体装配图(从图1-2所示定子轴向垂直剖视)；

图6是本发明总体装配图(沿定子径向中线剖视)；

图7-1、图7-2、图7-3分别是张力型气环瓦的主视图、左视图和俯视图；

图7-4是图7-1所示气环瓦从自由张开状至压缩状的示意图；

图8-1、图8-2、图8-3、图8-4分别是张力型气缸口气环的主视图、左视图、俯视图和立体图；

图8-5是图8-3所示张力型气缸口气环的自由张开状态图；

图9-1是转子体的主视图；

图9-2是图9-1所示转子体上嵌设气环瓦和气缸口气环后的结构图；

图9-3是气环瓦环向断面图；

图10-1、图10-2、图10-3分别是转子主轴的主视图、左视图和俯视图；

图11是图3-4所示转子体安装曲轴支架和曲轴后的立体图；

图12-1、图12-2分别是曲轴支架的主视图和立体图；

图13-1、图13-2、图13-3分别是图6-1所示气环瓦与图8-1所述气环配合的主视图、左视图和俯视图；

图14-1、图14-2、图14-3分别是图13-1所示气环瓦、气环安装在图3-1所示转子体上的主视图、左视图和俯视图；

图15图16分别是本发明转子发动机可发挥压缩比极值效应的两种示意图；

图17-1、图17-2、图17-3分别是扫油环的主视图、右视图和俯视图(装配压缩状态)；

图18-1、图18-2、图18-3、图18-4分别是转子体上设置动力推杆的主视图、左视图、俯视图和立体图；

图19-1、图19-2分别是定子上的进气孔和排气孔为椭圆异形时的平面展开图和进、排气孔与气缸口气环的俯视图；

图19-3、图19-4分别是定子上进、排气孔为椭圆异形时的剖面图和立体图；

图19-5是定子上进、排气孔为椭圆时的立体图；

图20～27分别是转子总成在定子体中沿顺时针方向转动时，气缸活塞的不同时点的工作过程示意图；

图28是串联直列四缸转子发动机的结构图。

具体实施方式

转子发动机的定子和转子结构与作用，及其密封，润滑，散热方式：

1、发动机的定子结构：定子总成由定子和左、右端盖组成，左、右端盖经螺栓固定在定子上。参见图1(图1是指图1-1、图1-2、图1-3、图1-4等编号为1开头的所有图。下同)。

(1)、定子形状和工作区域：如图1中侧视图，定子圆的水平和垂直线，正好把发动机定子分为4个区域，我们以时钟零点为起点0度，且当发动机是按顺时针方向旋转时：0度到90度为压缩行程，90度到180度为爆破做功行程，180度到270度为排气行程，270度到360度为进气行程。

(2)、进孔1和排气孔2：

定子的圆形内腔的中线圆上相隔90度，分别开有进气孔和排气孔以及位于进气孔和排气孔中点位置开有火花塞孔。具体来说，排、进气孔分别在225度方向为排气行程中线和315度方向为进气行程中线方向开孔，排、进气孔形状相同，其开孔形状如喇叭状，外小内大；定子圆内大开孔的形状为圆形或椭圆形的或椭圆形异形，圆形时，其口径等于气缸直径；椭圆形时，椭圆长径长度等于：气缸口静止在180度时气缸口前进端与气缸口静止在270度时气缸口后端之间的矩离，长径开口方向在转子转动方向上，长径的目的是使进、排气行程更充分；椭圆短径等于气缸直径，短径的目的是防止在任何时气缸口密封气环在转动方向上扫过排气、进气口时，气缸口密封气环的前端沿口抬起与排气、进气口的边缘发生碰撞；椭圆异形开孔由上述椭圆形与两翼形组成，两翼形的前圆弧沿口2b的直径与气缸口直径相同，且两翼形中部设有一鼻梁2c。如图19，椭圆异形孔与上述椭圆开孔的长、短径相同，椭圆前方(气缸口来向)的两翼沟道之间的圆弧沿口为气缸口径的投影大小，称为：前圆弧沿口2b(以排气孔2为例，进气孔相同)。椭圆异形沟道两侧弧形沿口，称为：中间圆弧沿口2d，椭圆后方(气缸口去向)椭圆弧沿口称为：后圆弧沿口2e；椭圆异形两侧沟道中间的鼻梁2c作用是使气缸口气环能顺利跨过椭圆异形沟道。

椭圆异形排气口的形状功能有两方面作用：1、当爆破(做功)行程结束，排气行程开始，气缸口中线正对180°时，气缸口的运动方向前沿口并没有打开，当气缸口扫过排气口前圆弧沿口2b时，使得气缸口在排气行程一开始时，就有较大的开启量(月牙形)，使得排气回程初期在最短时间内释放出气缸内活塞回程压力；2、排气口的“后圆弧沿口2e”和“中间圆弧沿口2d”，当气缸口气环与环形气环瓦随时扫过这两条圆弧线时，圆弧线的边沿口能起到刮出转子外圆积炭的作用，积炭会随排气流带走。同时，由于气缸口气环与环形气环瓦在运转中与定子内圆壁摩擦，也会将定子内圆壁的积炭带往排气口，也由两条圆弧线沿口清除。

小开孔大小根据发动机排气量任意设置大小。

定子外圆表面进、排气口上为进气接口1a、排气接口2a。

(3)、火花塞17设置在进，排气孔相对的压缩行程和爆破做功行程交界的水平中线上，这正好是压缩行程终点和爆破行程的起点。

(4)、定子上内圆齿轮环3a、3b：如图1(设置在定子的圆形内腔的前、后位置上)：

在定子圆内内圆壁上进，排气开孔径向两侧分别设有两只内圆齿轮环3a、3b，且固定在定子内圆壁上，作为转子旋转的作用力轨道，其大小为：内齿轮环的外圆与定子内圆相等，齿轮环内圆为曲轴齿轮外圆的2倍大小(图2中曲轴齿轮15)，即：转子上曲轴齿轮的节圆与定子上内圆形齿轮环的节圆为1∶2的关系，由于转子上曲轴齿轮与定子上内圆齿轮环是配套使用(相啮合)的，所以，这两个齿轮是模数相同，齿数比为1∶2的关系。

(5)、定子上泄油孔4(4a、4b)：如图1、图5，

在定子内圆底部轴向中线上，在定子中两只内圆齿轮环3a、3b两侧(从下跨过两侧)下，各开有一垂直向下且穿通定子壁的长圆形泄油孔4a、4b。

(6)、水冷孔：

在定子的整个外圆体圆周上，都开有水冷孔5，可通过外接管道进、出冷却液循环。

(7)、油底槽接口6：如图1中定子底视图：

定子整个底部为油底槽接口6，从定子内泄油孔4(4a、4b)泻出的润滑油流进油底槽接口6下的油底槽(外接的油底槽不在本文中)并带出热量，通过油底槽冷确降温再泵回到发动机内循环。

(8)、定子两端的端盖应包括为发动机定子类：如图4

定子两端的端盖7a、7b以及端盖中的轴承8，作用是架设整个转子见图2：转子-总成图中的-转子主视图)在端盖轴承8中以滚动摩擦方式转动，同时限制转子左右摆动。

2、转子的结构

(1)、发动机转子：参见图2。

转子体形状结构：参见图3转子体三视图和立体图。

转子体垂直径向圆孔为气缸孔9，活塞及连杆装入其中；轴向水平中线下方圆通孔为曲轴孔10，用于放置(经轴承安装)曲轴，曲轴的曲拐与气缸孔中的活塞连杆相连；曲轴孔10两端，即圆孔旁的缺口11，用于放置曲轴支架12(见图12、图11)曲轴13从曲轴支架12中的轴承14穿出体外，体外曲轴13上再装上(两个)曲轴齿轮15(见图2)，作为活塞动力输出齿轮。曲轴齿轮15与转子的曲轴孔10之间必须保持一定距离，保证润滑油能流进、流出曲轴孔。

曲轴支架12为蝴蝶结形状(见图12)，将曲轴支架12放入(见图3)曲轴孔外端旁缺口11(转子体的曲轴孔10开口两端设置有缺口11，轴承14安装在曲轴支架12上，蝴蝶结形状的曲轴支架12经螺钉固定在转子体的缺口11上，曲轴13经轴承14安装在曲轴孔10上，且曲轴支架放入曲轴孔中形成上、下各一用于润滑油流进和流出的扁形通孔16)，便形成上下各一扁形通孔16(见图11)。其目的是便于润滑油流进和流出扁形通孔16(该通孔可以是其它形状的，只要能使润滑油流进、流出即可)，润滑曲轴与活塞。当然，曲轴支架的形状可以是多样的，只要能支撑曲轴和轴承，并能使润滑油流动即可。

(2)、张力型环形密封气环瓦和张力型气缸口密封气环的形状及其作用

①、张力型环形密封气环瓦18的形状：以下简称“密封气环瓦”，如图6密封气环瓦-三视图：

密封气环瓦圆孔19是为安放压缩后的张力型气缸口密封气环20，密封气环瓦18加工成形后其缺口为张开状，(见图7)张开与压缩图；

图7中：密封气环瓦18上圆外两侧的长圆形销子为定位保持销21。

②、张力型气缸口密封气环20的形状：以下简称“气缸口密封气环”，(如图8)气缸口密封气环-三视图及立体图：

气缸口密封气环20虽然形状如“马鞍”形，见图8立体图，但它的内圆和外圆是正圆形的：加工成形后其缺口为张开状，见图8中原始状态图，压缩后先放入也是被压缩后的密封气环瓦18接口上带圆形凹槽24的圆孔19内，参见图13，再一并放入见图9气缸口圆形槽22内使其自然张开，自然张开时其内圆直径不小于气缸直径。

①、气缸口密封气环20的作用：

气缸孔顶端气缸口圆形凹槽22，如图9，该圆环凹槽22直径大于气缸孔直径，其深度为气缸口密封气环20下端伸入凹槽内，为密封气环可上下移动的活动接口，当密封气环被顶时，始终保持其下端在凹槽内为宜。用于安放气缸口密封气环20。如配合图9：气缸口密封气环20下端伸入气缸口圆形凹槽22内，由于自身的张力，使其能紧贴气缸口槽壁：气缸口气环20上端外圆沿口

形肩部23参见图8立体图，是放置在介于它与转子外圆之间的密封气环瓦18中

形内圆形沿口凹槽24上，图9、参见图13，气缸口密封气环20被密封气环瓦18的张力从气缸内向外顶起，使气缸口密封气环20能与定子内圆壁始终保紧密接触，达到对气缸密封的目的。

②、密封气环瓦18和其中的“定位保持销21”的作用，如图7

转子体外圆表面沟道凹槽26旁边的两侧销子凹槽25见图3立体图，用于放置密封气环瓦18见图14、参见图6、图9，密封气环瓦18是包围在转子体外圆表面沟道凹槽26中的，转子体外圆表面沟道凹槽26直径线上两侧各有一对销子槽25，对应放入密封气环瓦18外圆两侧直径线上各有一对突出的长圆形销柱(长圆形是为增加其强度)定位保持销21(装配时，气环瓦上的定位保持销卡入转子体上的销子槽中)；

密封气环瓦18的张力作用有两点：一是向转子圆外顶起气缸口密封气环20，使转子上气缸口与定子内圆壁保持紧密接触，保证气缸口的密封性；二是使整个转子外圆保持弹性与定子内圆接触：一方面保证转子工作中转子外圆的热膨胀与定子内圆壁之间的间隙补偿；另一方面保证转子运转中使定子上进、排气孔保持隔离。

定位保持销21，其作有两点：一是使张力型环形密封气环瓦向四周均匀张开使弹力与定子内壁保持均匀接触，因为：定位保持销21在相应转子上的销子槽25内，限制了密封气环瓦18在转子体外圆表面沟道凹槽26内的圆外偏移，其张力只能向转子上的销子槽25开口外方向张开，当密封气环瓦18沿销子槽口向外张开时，密封气环瓦18的整个外圆同时均匀变大(圆的直径变大时，圆周变大)，所以能使其与定子内壁保持均匀接触。二是使密封气环瓦18与转子同步转动。

(3)、扫油环槽27如图3、图5和张力型弯曲状(马鞍状)扫油环28如图17：

在转子体外圆表面沟道凹槽26两侧外圆上，各设置有一弯曲(马鞍形状)的扫油环环槽27，用于放置张力型弯曲状(马鞍状)扫油环28。由于转子只能转动不能水平移动，为了屏闭转子外圆和密封气环瓦与定子间有过量润滑油进入，弯曲状(马鞍形状)的张力型扫油环28，能随转子转动的同时，紧贴定子内壁水平来回摆动，起类似活塞扫油环的作用。

参见图18，转子体上加力推杆26a的作用：在转子体外圆表面沟道凹槽中，与定位销子槽相同的水平方向各设有两个加力推杆孔，将圆柱形状的加力推杆以及弹簧一并放入其中。其作用有两点：1、当设计的发动机转子外圆尺寸较大时，转子外圆中的张力型环形气环瓦的自身张力，由于要用于顶起气缸口气环和自身张开紧贴在定子内圆壁而产生张力不足，由加力推杆助力，增强气环瓦向圆外的张力；2、由于张力型气环瓦在转子体凹形沟道中向外张开后，自然会与转子体圆表面产生间隙，此间隙不利于转子体内热量向外的传递，由于受弹簧作用力加力推杆向圆外顶住气环瓦，因此能起到将转子体内热量向外传递的作用。

(4)、转子支撑柱29，如图10(主轴端上的圆内齿为动力输出连接口)：

在转子体轴向，并穿过转子体的两根柱体，称为：转子支撑柱29(该支撑柱也可以采用螺纹连接或者焊接方式与转子体左、右端面固联)，两柱宽度相距跨过气缸孔直径如(图二)侧视图所示；这两根柱体与伸出转子外的曲轴13，形成三柱，呈三角形设置：见图11，将主轴30的三个脚孔套(相当于三个套筒)套在其上、与其固联，构成转子转动轴，参见图2。主轴三脚间的空隙用于润滑油流动，当转子旋转时，由喷淋来的润滑油，通过主轴三脚间空隙流入，并由于旋转离心力使润滑油沿转子体径向侧表面流向曲轴支架旁扁形通孔16进入转子体内(图11)，润滑曲轴和活塞。

3、转子发动机的密封，润滑，散热方式：

从上面发动机的定子结构和转子的结构及其作，可以看出转子发动机的密封方式、润滑方式和散方式：

密封方式、润滑方式和散热方式是相互关联、相互作用的，概括起来：气缸上端的气缸口密封气环，由包围在转子圆外沟道凹槽中的密封气环瓦的向外张力(包括加力推杆的助力)顶起，同时，气缸口密封气环在气缸内还受到一定的(气缸口密封气环气环下端与气缸接口间隙处，即：气环下圆口截面与气缸内接口面，所受压力与气缸内各处压力相等，大于气缸外压力，当气缸内压力增时，圆口截面压力也会增加)作用力，使气缸口密封气环也有向外的作用力：还包括气缸口密封气环在转子旋转时所自身离心力，这三方面作用力使气缸口密封气环在转子旋转中始终能紧贴定子内圆壁，达到对气缸的可靠密封。

转子发动机在运转过程中，由(需另设两根外接油管至发动机定子腔内，在转子体的轴向两侧同时喷淋。外接管道不在本文中)喷淋来的润滑油，在转子体的轴向两侧表面，由于离心力使润滑油四处扩散，部分沿转子体的轴向两侧表面，通过主轴三角间的空隙从曲轴孔外，扁形通孔16(图11)。流进和流出扁形通孔16，曲轴孔内由于曲轴离心力，润滑曲轴与活塞；部分润滑曲轴齿轮15(图2)、曲轴支架轴承14和主轴端盖轴承8(两个转子主轴30分别经轴承8安装在定子的左、右端盖7a、7b上)：部分飞淺到定子内圆壁上，此时，转子上扫油环〔扫油环28见图17，在(图5)中扫油环槽27为扫油环28的安放处)起到隔离润滑油流入转子外圆表面的作用，由于带张力的扫油环28的弯曲状(马鞍形状)，能随转子转动的同时，紧贴定子内壁水平来回摆动，起类似活塞扫油环的作用，部分润滑油仍然能扩散到转子外圆表面，起到润滑在旋转中紧贴定子内壁的密封气环瓦和气缸口密封气环，使转子在定子中运转的可靠性、耐久性达到高要求的实用水平。

喷淋来的润滑油四处扩散后，带走转子体上热量，最终流回到泄油孔4(4a、4b)：如图1、图5，并流进油底槽接口6(图1)下的油底槽，通过油底槽冷却降温再泵回到发动机内循环；润滑油作为冷却媒体，与定子上水冷腔中的冷却液，通过定子内圆壁把热量间接的传递给冷却液冷却发动机；同时，包围在转子圆的密封气环瓦和扫油环，由于与定子内圆壁保持始终接触，也传导出部分热量给冷却液。

转子发动机的工作原理及其优势

1、转子发动机的工作原理：

如(图4图5)转子发动机-总成-主视图、(图6)转子发动机-总成-侧视图：发动机转子体两端的主轴(也是动力输出主轴)30，是架设在发动机定子两端的端盖轴承8中转动的(主轴1经其内端上的三个脚孔套(三个套筒)固联在转子体的两个转子支撑柱29和曲轴13上)。转子体内的气缸与活塞与转子主轴轴向垂直的，转子体内活塞下端的曲轴13是与主轴方向平行的，并且曲轴13从偏离转子体轴中心线下端，通过架设在转子体侧两端上的曲轴端盖中的滚针轴承中，分别向两端伸出转子体外，在伸出的曲轴两端各设有一只活塞动力输出外圆齿轮(称为曲轴齿轮15，见图2)，该齿轮与固定在定子内圆壁上相应位置的两只内圆齿轮环相啮合，这样形成，当曲轴转动时，转子上的曲轴齿轮与固定在定子中的内圆齿轮环上啮合滚动，通过曲轴齿轮转动扭力推动转子向曲轴齿轮滚动方向旋转。

曲轴上的外圆齿轮与定子中的内圆齿轮的大小关系是：曲轴齿轮与定子齿轮的节圆半径比是1∶2，两齿轮模数相同，所以齿数比也是1∶2。

即：曲轴齿轮(也是曲轴)转动两周，刚好在固定的定子内圆齿轮上滚过一周；

曲轴由活塞推动，曲轴每半转完成一个冲程，四个冲程曲轴完成两周，曲轴齿轮在定子的内圆齿轮上旋转两周，推动转子转动一周。转子上的气缸口也扫过定子内圆壁一周，这样就形成了气缸口自然开闭过程，因此，转子每转过90度，活塞完成一个冲程。即转子转动一周内分别完成：进气、压缩、爆破(做功)、排气四个行程。

总之，从转子发动机动转整体看，转子转动是由转子体中活塞推动活塞下端曲轴旋转，并通过伸向转子体外的曲轴齿轮自身旋转与定子上固定的内圆齿轮环相互作，由曲轴齿轮转动的反作用力，推动转子向曲轴齿轮运动方向转动，同时，由于曲轴齿轮与定子上固定的内圆齿轮环是1∶2的关系，活塞运动一个行程，即曲轴转动180°，转子正好转动90°，转子外圆上的气缸口也转动90°，所以在转子转动一周内，转子外圆上的气缸口按时扫过定子内圆壁的不同方向，自然形成排、进气通道的开闭，转子转动方向与活塞运动各个行程同步，分别完成：进气、压缩、爆破(做功)、排气四个行程。

需说明一点：由于曲轴齿轮半径为活塞做功动力输出的有效半径，曲轴齿轮外圆作用力是在与比它节圆半径大一倍的定子内圆齿轮啮合点上；就转子而言，推动转子转动的作用力半径也在曲轴齿轮与定子上内圆齿轮节圆的啮合点上，因为，转子圆心到两齿轮节圆啮合点半径等于曲轴齿轮节圆直径，所以，曲轴齿轮有效力臂长度为曲轴齿轮转动半径，扭动了比自身力臂半径大一倍的转子力臂半径，因此，活塞做功时输出的动力，通过曲轴齿轮到转子旋转主轴动力输出时，其转子扭力是曲轴扭力的一倍，但转子转速只是曲轴转速的一半，这就为转子动力输出储备了曲轴输出的动力。其动力可以在下级换速比中被释放。

2.、转子发动机运转周期过程及其优势：

我们以转子向顺时针方向旋转，并且以时钟零点为起点0度，(不论转子中气缸口在运转中任何方向，我们都称圆外方向气缸口为气缸上端。同时我们也称曲轴的曲拐远离气缸底端为下止点，靠近气缸底端为上止点)

(1)、压缩行程：如图20、图21、图22

转子上气缸口中心线从0度转到90度为压缩行程：

如图20，这时转子中气缸内活塞处于气缸的下止点，随着转子按顺时针方向转动。曲轴齿轮15在与定子内圆齿轮相互作用下随之转动，活塞向气缸上端运动直到曲轴转过半周，活塞到达气缸上端，转子转过90度，完成压缩行程。

从图中可以看出，火花塞设置在压缩行程和爆破行程的交界点上(如图22，这时转子中气缸活塞处于气缸的上止点)，因此在这个过程中，转子上气缸口的一部分已经提前进入火花塞所在位置，转子发动机点火正时，是根据不同转速，由转速传感器，通过电子控制火花塞点火提前量。(对于高速转子发动机还可以在小于90度方向内，在制造时以靠近90度部位，再重复设置一只火花塞，加大点火提前量范围。

如图4可以看出转子发动机没有专门的配气机构，在气缸内没有如传统发动机的气门向内打开所被占用空间，转子发动机在设计制造时可以使活塞上止点更靠近压缩极限，当然压缩极限不是无限的，我们称这个极限值为压缩比极值。

如图16，(压缩比极值效应示图1)从示图比较中可以看出，9个单位体积容量的气缸压缩到2.5个单位体积，其压缩比9∶2.5＝3.6倍；气体在同样密度条件下，只要压缩点向极值靠近，图中：8个单位体积容量的气缸压缩到1.5个单位体积，其压缩比8∶1.5＝5.33倍；压缩点进一步向极值靠近，7个单位体积的气体压缩为0.5个单位体积，其压缩比7∶0.5＝14倍。压缩点向极值靠近，在减少燃气量的情况下，压缩比反而增加。

如图18，(压缩比极值效应示图2)，在相同容积情况下，

增加其可比性。图中，都是9个单位容积量：

图中右边一组，其他情况不变，其压缩比9∶2.5＝3.6倍；

中间一组，曲轴增加0.5个单位长度半径，活塞上下差增加一个单位长度行程，即活塞上止点向极值靠近了一个单位，其压缩比9∶1.5＝6倍，同时扭矩增加了0.5个单位半径；

左边一组，曲轴增加一个单位长度半径，活塞上下差增加二个单位长度行程，即活塞上止点向极值靠近了二个单位，其压缩比9∶0.5＝18倍，同时扭矩增加了1个单位半径。

产生这种状况的前提条件是要有向极值靠近的环境空间，传统发动机由于气门向气缸内打开的工作方式，占用了进一步提高压缩比的空间，无法使燃油发挥出应有的效益。

这说明转子发动机可以发挥压缩比的极值效应，发挥出活塞式发动机应有的效益；还说明可以根据需要，设计出高压缩比的转子发动机；同时也说明，转子发动机可以用于类似如柴油压燃的工作方式。

同时必须指出，发动机的热效率不完全取决于燃烧前的压缩比，而主要取决于燃烧后的膨胀比，在压缩比一定时，取决于混合气体浓度，过稀容易造成失火，过浓容易造成爆燃(爆燃反而使燃烧增量受阻)，过稀、过浓都会引起发动机工作失常。

是不是进一步提高压缩比，就会产生如爆燃等不利发动机工作的现象呢？回答是否定的。就以实际应有中的涡轮增压就可以证明：当气缸工作容积、燃烧室容积一定时，额外向气缸内强制压入更多的空气燃油混合气体，相当于气缸工作容积增加(容纳更多的燃气量)，也相当于燃烧室容积因为工作容积容量增加而相对减少(压缩比增大)，实际情况是发动机动力大幅提高。说明进一步增加压缩比不会发生爆燃使燃烧效率增量减少现象。反过来说，转子发动机不增加额外的混合气量，只减少燃烧室容积，实际是增大了工作容积，岂不是能进一步发挥原有的混合燃气应有的效能。

在不增加工作室体积和不增加燃气量(如涡轮增压)条件下，用绝对方式增加压缩比，实际上是提高了燃气的投入产出效率和减少了废气排放。

活塞的上止点向压缩比极值靠近能有效的大幅提高发动机压缩比，提高可燃气体的压缩密度，一方面使将要膨胀爆炸气体分子间距离更紧密，使爆炸时气体膨胀倍数更大，在气体浓度范围内爆炸更猛烈，进一步充分发挥可燃气体潜能，提升发动机动力；另一方面可以再提高爆炸前可燃气体燃爆温度，使其燃烧爆炸更迅速更充分，提高废气排放质量。

(2)、爆破作功行程：如图22、图23、图24

转子上气缸口中心线从90度转到180度为爆破作功行程：

随着转子通过90度方向继续转动，活塞由气缸上止点向气缸下端运动，曲转再转过半周，曲轴外齿轮与定子内圆齿轮相互作用，推动转子从90度转到180度，完成爆破作功行程。在爆破过程中，活塞顶端所受燃烧气体膨胀压力与气缸壁和气缸口所对定子内壁所受压力相等，随着气缸口向前进方向移动，定子内壁相对气缸口是向相反方向运动，进入气缸口的定子内壁与消失的定子内壁其作用力面积大小相等，不形成任何压力差，即不会对转子转动造成任何阻力。

3、如图24、图25、图26，转子的气缸口中心线从180度转到270度为排气行程；当活塞运动到气缸下端，曲轴转过下止点，开始排气行程。

从转子的气缸口中心线越过180度起，转过45度，曲轴转过90度，到气缸口中心线达到225度时，气缸口正对排气口中线，扫过的气缸口已处于完全打开状态，即气缸口径的100％处于打开状态，(相比较传统凸轮式气门发动机，也是曲轴从下止点起再转过90度为气门最大开度，包括凸轮式气门有一定凸轮偏转打开气门提前量，也就是曲轴转过90度，凸轮转过45度时间范围内，凸轮气门式四冲程发动机排气门的最大开启量不会超过气缸口径的50％。由此可知，转子发动机从正点开始排气(无需提前量)，曲轴转过90度时间范围内，排气量从零到最大值，由于本身的排气方式，转子发动机排气量升速(气缸口从关闭状态到100％完全打开，排气量上升速度)远远大于凸轮式气门排气方式。因此，转子发动机不再需要解决如凸轮式配气发动机，由于气门开启量有限，需要根据不同转速通过动态调整凸轮偏转角，来调整气门正时所匹配的提前量，以减小气缸回程阻力的问题，以及相关的气门行程(延长气门开启持续时间)延长排放时间问题。转子发动机由于排气升速快，气门开启完全，能够满足发动机任何转速工况下，活塞回程无阻力排放要求。在排气行程开始前不需要提前量，使爆破做功行程完全充分，延长了气缸内燃烧时间，燃烧也更充分，动力更足，排放更洁净。并且，由于转子发动机没有传统发动机一整套配气机构的负担，排气行程继承的冲程力，可以完全转化为转子的有效动力输出。

4、进气行程：如图26、图27、图20，转子上气缸口中心线从270度转到360度为进气行程。

如排气行程状况一样，只是活塞由气缸上端向下运行，也由于进气门打开的升速快和气缸口气门开启完全。所以，近气行程开始时也不需要有按转速要求提前打开气门。即能够满足转子发动机转子在高速运转时对进气量充分的要求。但在低速和怠速时，也要求燃油和空气充分混合的问题。转子发动机在低速和怠速运转时气门打开升速快，气门开启量很大，表面上看容易造成混合气体流速过慢，但是，转子发动机气门形式是在转动过程中转子上气缸口扫过静止的进气口，进气流方向随着转子的气缸口旋转方向的改变而改变，形成两次相反方向的绕流：在进气早期，进气流向着先到达的气缸口方向流动，随着气缸口旋转方向的改变，进气流也在改变方向，当气缸口完全打开，气流随活塞下行大量进入，转子继续转动，进气流完全改变方向，并随着气缸口扫过进气口逐渐变小，进气流也逐渐加速，形成进气后期反方向快速绕流，加速了燃油和空气的混合。所以，在低速和怠速运转时也能满足燃油和空气充分混合的要求。再加上紧随的压缩行程，在转子发动机高压缩比状态下，使相对低温的混合气体进一步混合并迅速升温。因此，转子发动机能在各种转速工况下提供良好的工作环境。

以上所述为本发明的单缸四冲程转子发动机的原理和结构，在汽车设计中(像现有活塞往复式多缸发动机一样)完全可以将其制作为多缸转子发动机，如四缸、六缸、八缸、十二缸，使发动机的工作更平稳。图28为串联直列四气缸转子发动机示例，其每缸相差90°相位，保持每一周内无间断做功。转子发动机可以直列串联，也可以双列关联。

Claims (10)

1、一种转子发动机，其特征是：主要由定子总成和设置在定子内的转子总成组成，定子总成主要由定子和左、右端盖(7a、7b)组成，定子的圆形内腔前、后位置上固定安装有两只内圆齿轮环(3a、3b)，定子的圆形内腔中线圆上沿径向水平方向的上方和下方，间隔90度分别开有进气孔(1)和排气孔(2)以及位于进气孔和排气孔中点相对面的火花塞孔；转子总成主要由转子体、转子主轴(30)、曲轴(13)组成；转子体上沿径向设有气缸孔(9)，活塞及连杆装入其中，沿轴向水平中线下方设有曲轴孔(10)，曲轴(13)经轴承安装在曲轴孔(10)上，曲轴的曲拐与活塞连杆连接，曲轴上安装有两个曲轴齿轮(15)，两曲轴齿轮分别与固定在定子上的两只内圆齿轮环(3a、3b)相啮合，二者的传动比为1∶2，作为动力输出轴的两个转子主轴(30)分别经轴承(8)安装在定子的左、右端盖(7a、7b)上，且两主轴内端分别固联在转子体左、右端面上；转子体的气缸孔(9)外端开口位置上还设置有气体密封机构。

2、根据权利要求1所述转子发动机，其特征是：所述定子上的进气孔(1)和排气孔(2)的位置为：以时钟零点为起点0度，当转子总成按顺针方向旋转时，排气孔和进气孔分别设置在225度和315度位置处；火花塞孔相应设置在90度位置处；转子总成在旋转中气缸的工作过程是：0度到90度为压缩行程，90度到180度为爆破作功行程，180度到270度为排气行程，270度到360度为进气行程。

3、根据权利要求2所述转子发动机，其特征是：所述转子体上开有沟道凹槽(2b)和销子槽(25)，转子体的气缸孔(9)顶部开有圆形凹槽(22)；所述气体密封机构由张力型密封气环瓦(18)和张力型气缸口密封气环(20)组成，该气环瓦包围在转子体外圆周表面的沟道凹槽(2b)上，且其上长圆形的定位保持销(21)卡入转子体上的销子槽(25)中，该气环下端伸入转子体的圆形凹槽(22)内、紧贴于气缸口槽壁，气环上端外圆沿口

形肩部放置在气环瓦的

形内圆沿口上。

4、根据权利要求3所述转子发动机，其特征是：所述转子体的左、右端面上分别固定有与曲轴(13)呈三角形设置的两个转子支撑柱(29)；两转子主轴(30)经其内端上的三个脚孔套固联在转子体的两个转子支撑柱(29)以及曲轴(13)上。

5、根据权利要求4所述转子发动机，其特征是：所述转子体的曲轴孔(10)开口两端设置有缺口(11)，轴承(14)安装在曲轴支架(12)上，蝴蝶结形状的曲轴支架(12)经螺钉固定在转子体的缺口(11)上，曲轴(13)经轴承(14)安装在曲轴孔(10)上，且曲轴支架放入曲轴孔中形成上、下各一用于润滑油流进和流出的扁形通孔(16)。

6、根据权利要求5所述转子发动机，其特征是：所述定子中的进、排气孔(1、2)形状如喇叭状、外小内大，该大开孔的形状为圆形或椭圆形或椭圆异性，当为圆形时，其直径等于转子体气缸孔(9)直径；当为椭圆形时，椭圆长径等于气缸口静止在相隔90度的两个位置时，后一位置气缸口前端与前一位置气缸口后端之间的距离，椭圆短径等于气缸口直径；当为椭圆异形时，由上述椭圆形与两翼形组成，两翼形的前圆弧沿口(2b)的直径与气缸口的内径相同，且两翼形中部设有一鼻梁(2c)。

7、根据权利要求1～6任一权利要求所述转子发动机，其特征是：所述定子的进气孔(1)和排气孔(2)上分别设置有进气接口(1a)和排气接口(2a)；所述转子体外圆表面沟道凹槽上设有加力推杆(26a)。

8、根据权利要求7所述转子发动机，其特征是：所述转子体外圆的表面沟道凹槽(26)两侧各设置有一马鞍状弯曲的扫油环槽(27)，还具有用作放置在扫油环槽(27)中的张力型弯曲状扫油环(28)。

9、根据权利要求8所述转动发动机，其特征是：所述定子的整个外圆体圆周上设置有水冷孔(5)，定子中从下跨过两内圆齿轮环(3a、3b)处各开有一垂直向下且穿通定子壁的长圆形泄油孔(4a、4b)以及定子底部设有油底槽接口(6)。

10、根据权利要求9所述转子发动机，其特征是：所述火花塞孔上设有火花塞(17)；定子上火花塞(17)转子总成行程前邻近位置上还设有一只火花塞。

Images