CN101289960A - 一种转子发动机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种发动机，特别是转子发动机。它主要运动件包括驱动轴和转子，其中驱动轴采用双偏心方式即驱动轴包括输出轴和内偏心轴，内偏心轴(3)的主轴颈安装在输出轴的偏心孔内，转子(4)安装在内偏心轴的偏心轴颈上，转子相对于内偏心轴的转速比内偏心轴相对于输出轴的转速比输出轴相对于固定缸体的转速为3∶－6∶4。转子的形状近似于椭圆形，椭圆形转子在三弧形气缸内摆动，它将气缸内腔分割成两个可变容积的工作室，且转子摆动六次刚好自转一圈。

Description

一种转子发动机

技术领域：

本发明涉及一种发动机，特别是一种转子发动机。

背景技术：

传统往复运动式发动机，是使用曲柄连杆机构将活塞在气缸里的往复直线运动转化为驱动轴的旋转运动。这种发动机体积较大而且结构较为复杂。另外一种发动机是马自达公司生产的转子发动机，这种发动机直接将可燃气的燃烧膨胀力转化为驱动扭矩。与往复式发动机相比，该转子发动机取消了无用的直线运动，因而同样功率的情况下，该转子发动机尺寸较小，重量较轻，而且振动和噪声较低，具有较大优势。但是它也存在本身固有的缺陷，比如：耗油率高、低速扭矩不足等。

发明内容：

本发明目的是提供一种在同样功率输出的情况下具有更小的体积、更轻的重量、更大更均匀的扭矩输出的转子发动机。

本发明的目的是这样实现的，一种转子发动机，主要运动件有内偏心轴(3)、输出轴(1)和输出轴(2)和转子(4)，其中转子接近于椭圆形，它安装在内偏心轴的偏心轴颈上，内偏心轴安装在两个输出轴内的偏心孔上。转子相对于内偏心轴的转速、内偏心轴相对于两输出轴的转速和两输出轴相对于固定缸体的转速比为3∶-6∶4，负号代表转动方向相反。在初始位置时，若画出发动机的运动机构简图，输出轴的转动中心点和内偏心轴的自转中心点和转子的自转中心点在一条直线上且这条直线垂直于转子的两顶点连线，转子上两顶点的运动轨迹相同都为三弧形，其轨迹方程为x＝a×cos(θ)+b×cos(-θ/2)+c×cos(θ/4+90°)，y＝a×sin(θ)+b×sin(-θ/2)+c×sin(θ/4+90°)，其中a为输出轴内偏心孔的偏心量、b为内偏心轴上的偏心轴颈的偏心量、c为椭圆形转子的顶点到转动中心点的距离，θ为输出轴转过的角度，笛卡儿坐标原点设在输出轴的转动中心点。椭圆形转子4在这三弧形的气缸内腔内摆动，气缸内腔空间被转子分割成两个工作室。在一个工作室进行压缩混合气并点火的过程中，另一个工作室完成做功及换气等工作。两个工作室交替点火做功，转子转动一周，每个工作室点火做功3次，这样转子转动1圈，发动机完成6次点火做功，输出轴转动4圈。

为了保证上述输出轴、内偏心轴和转子的相对转速比，可以在转子内设计一对内啮合齿轮在转子每边各设计一对内啮合齿轮，转子内的一对内啮合齿轮的齿数比为1∶2，转子每边的一对内啮合齿轮的齿数比为2∶3。

内偏心轴上有两个齿轮且每个齿轮的两侧各有一个主轴颈，它们对应安装在两输出轴内的偏心孔内。内偏心轴中间支撑转子的两个偏心轴颈通过双弧状连接块(3i)连在一起，该双弧状连接块的内弧内和外弧外提供安装转子内的一对齿数比为1∶2的内啮合齿轮的空间。

每个输出轴上有两个轴颈，在每个轴颈内有一偏心孔，内偏心轴的主轴颈安装在该孔内，每个输出轴上的这两个轴颈之间通过双弧状连接块(2c)连接，该双弧状连接块的内弧内和外弧外提供安装转子一边的一对齿数比为2∶3的内啮合齿轮的空间。

转子安装在内偏心轴的两个偏心轴颈上，它在三弧形气缸内摆动并将气缸内腔分割成两个可变容积的工作室。转子内的一对内啮合齿轮中，齿圈(5)固定在转子上且与之啮合的齿轮(6)内有一个非圆形的内孔，有一根杆(7)，它恰好可以完全穿过该齿轮的内孔且能防止齿轮相对于该杆转动，它的两端安装在两输出轴内和齿轮(6)内孔的大小和形状相同的孔内，有多个圆柱形套筒，它们的内孔和齿轮(6)内孔的大小和形状相同且它们恰好能装入内偏心轴的中心孔内，这些套筒和齿轮(6)一起套入杆内，这样齿轮(6)和各套筒相对于外偏心轴不转动，且在杆(7)的中心有一个通孔，润滑油先从一个输出轴的上的孔流入该孔内，再分配到各个滑动轴承；在另一个外偏心轴上安装了一个油温感应开关。当发动机的油温过高时，油温开关自动关闭，润滑油流入转子内部、冷却转子再从两侧的回油室流回油底壳(15)；当发动机的油温较低时，油温开关自动打开，润滑油直接通过另一外偏心轴流回油底壳。

转子的两侧各有一个换气轮，它安装在输出轴上且与之同速转动，每个换气轮上有一个换气孔且每个换气轮的外侧各有一个环形道，新鲜气体先从气缸一侧的侧室上进气口汇集到进气环形道后，再经换气轮上的换气孔把废气扫出到排气环形道中，再从气缸另一侧的侧室上的排气口排出，实现发动机的换气过程。换气轮相对于输出轴的相位可以通过油压适当调节，固定在输出轴上的多个叶片将换气轮内和内偏心轴配合后形成的多个密闭的扇形空间分割成两室，每一室都有一个油的进出孔，通过控制两室的油压变化来改变换气轮相对于输出轴的相位，换气轮可以通过润滑油冷却。

上述二冲程转子发动机和传统的二冲程活塞往复式发动机有类似的工作过程，转子在摆动两次过程中，一个工作室完成一次工作循环。换气轮安装在输出轴上且与之有相同的转速，换气通道扫过整个工作室，完成换气，因此该发动机比传统的二冲程活塞往复式发动机具有更长的换气时间和更高的换气质量。

它和马自达转子发动机相比，转子的转速为输出轴转速的1/4，因此发动机更可靠、更耐久。转子每旋转一周发动机点火做功6次，这就决定了该转子发动机在整个速度范围内具有相当均匀的扭矩输出，即使是在单转子发动机的情况下，它的扭矩波动也与四冲程直列六缸往复式发动机或马自达双转子发动机具有相同的水平。因此在保证相同的输出功率水平前提下，该转子发动机的体积或重量将比马自达转子发动机减小近半，约为传统的往复式发动机的1/3。

附图说明：

图1为发动机的结构简图和工作时序图。

图2为发动机的内偏心轴的三维视图。

图3为发动机的输出轴的三维视图。

图4为发动机的椭圆形转子的二维图。

图5为发动机的正视图。

图6为发动机的A-A剖面图。

图7为发动机的B-B剖面图。

图8为发动机的C-C剖面图。

具体实施方式：

如图1所示，椭圆形转子4将这三弧形气缸空间分成两个工作室，每个工作室交替完成二冲程发动机的工作循环。③代表发动机的换气通道，它是由进气换气孔和排气换气孔组成。从图1B→图1K，①室正处于：达到气体最大压缩状态→燃烧气体膨胀做功→燃烧气体正好完成做功→正在换气→正好完成换气，气体开始进入压缩状态→气体继续被压缩→气体达到最大压缩状态并开始点火→气体膨胀做功→燃烧气体正好完成做功→正在换气，这几种状态，同时②室正处于：正在换气→正好完成换气，气体开始进入压缩状态→气体继续被压缩→气体达到最大压缩状态并开始点火→气体膨胀做功→燃烧气体正好完成做功→正在换气→正好完成换气，气体开始进入压缩状态→气体继续被压缩→气体达到最大压缩状态并开始点火，这几种状态，这样转子转动180度而输出轴转动720度。那么转子转动1圈，输出轴将转动4圈，发动机点火做功6次。

如图2所示(参见图5)，内偏心轴3一侧有一齿轮3a，在该齿轮的两侧各有一主轴颈3c和3d，内偏心轴3另一侧有一齿轮3b，在该齿轮的两侧各有一主轴颈3e和3f，这四个轴颈安装在两输出轴内的偏心孔内，内偏心轴3的中间的两个较大的轴颈3g和3h是用于支撑椭圆形转子4，它们之间通过双弧状连接块3i连在一起，该双弧状连接块的内弧内提供安装相对于输出轴不转动的齿轮6的空间，外弧外提供安装固定在转子上的齿圈5的空间，齿轮6以内偏心轴的自转中心为中心，齿圈5以转子的自转中心为中心，齿轮6和齿圈5的模数相等且齿数比为1∶2，它们相互啮合转动，以保证转子相对于内偏心轴的转速和内偏心轴相对于输出轴的转速比为1∶-2，其中负号代表转动方向相反。

如图3所示(参见图6和图8)输出轴2上有两个孔2d和2e，内偏心轴3上一边的两个主轴颈3e和3f安装在这两个孔内。输出轴2上的轴颈2a和2b安装在固定缸体上，这两个轴颈之间也是通过双弧状连接块2c连接，双弧状连接块2c的内弧内留有安装内偏心轴3上的齿轮3b的空间，齿轮3b以内偏心轴的自转中心为中心，外弧外留有安装固定齿圈8的空间，齿圈8和输出轴同心且它通过空心销14固定在侧室上，齿轮3b和齿圈8相互啮合且齿数比为2∶3，这就保证了内偏心轴3相对于输出轴2的转速和输出轴2相对于固定缸体的转速比为-3∶2，其中负号代表转动方向相反。在转子的另一边对应的输出轴1、齿轮3a和齿圈9也采用相同的装配方式。

如图4所示，安装在椭圆形转子4中心孔内的齿圈5由两半组合而成。装配时，先将这两半齿圈放在内偏心轴3的相应位置上，再将转子压入，两者采用过盈配合。齿圈5上有两个半圆形凸块5a和5b，将它安装在转子4上对应的半圆形槽内，以防止齿圈5相对于转子4转动。每个凸块上各有一通孔，孔5c的两端用螺钉13堵住，以防止润滑油流出。润滑油由转子轴承引入孔5c内，再通过转子内孔和齿圈外表面之间的多个通道流向孔5d内。孔5d的两端各安转一个油压开关，该开关由螺钉10、弹簧11及滑块12组成。螺钉10固定在转子上，弹簧11安装在滑块和螺钉之间。当油压升高时滑块12克服弹簧的阻力滑向内侧，润滑油从油压开关的喷射孔5e中喷出。这样当油压开关打开时，润滑油就不断的从孔5c流向孔5d，达到冷却转子的目的。从喷射孔5e喷出的润滑油喷入到转子内部，以润滑和冷却齿轮6和齿圈5并从内偏心轴3上的出油孔3j中流出。但在椭圆形转子4的长轴的两端的附近区域并没有润滑油冷却，为了防止该区域温度过高可以采用风冷方式即在该区域有数个通孔4a，换气通道③通过时气流流过通孔4a，起到冷却作用，同时通孔4a也能减轻转子的重量。

如图4所示，在椭圆形转子4的长轴的两端上设有槽4b，它是用于安装转子的顶端密封装置；在转子的两侧面各留有两个槽4d，它用于安装转子的侧面密封装置；在每个侧面和顶面槽交接处留有孔4c，它用于安装转子的转角密封装置。这些密封装置的密封原理和马自达转子发动机的密封原理类似。

如图6所示(参见图2和图4)，安装在内偏心轴3内部的正六边形杆7上套入内孔为正六边形的齿轮6和四个内孔为正六边形圆柱形套筒，这四个套筒相当于滑动轴承的轴瓦，它们恰好能装在内偏心轴3的转动中心孔内。由于正六边形杆7的两端安装在输出轴1和输出轴2内的正六边形孔内，这就使得正六边形杆7、齿轮6和4个套筒相对于输出轴不转动。当然该孔和杆7不一定要采用正六边形，也可以采用其他非圆形，只要能满足齿轮相对于输出轴不转动及装配需要即可。在正六边形杆的中间钻有孔，润滑油首先从输出轴1上的孔流入再流入六边形杆7的中间孔内，然后将它们分配到各个需要润滑油的地方，再经输出轴2上的孔2d或内偏心轴上的出油孔3j流出。输出轴2上的孔2d内安装有一油压控制器，当润滑油温度达到一定程度时，该控制器自动关闭，润滑油冷却转子后经油压开关上的喷射孔5e喷入转子内部，再经内偏心轴3上的出油孔3j流出到齿轮3a、3b和齿圈8、9上，再通过侧室回油槽流回油底壳15。当润滑油温度低时，该控制器自动打开，润滑油直接流回油底壳15。这样既能有效的控制转子3的温度又能对3对啮合定时齿轮进行冷却和润滑。

如图6所示(参见图1和图8)，从发动机两侧的进气孔流入的气体先汇集在进气换气轮16和侧室20之间的环形道内，再通过换气通道，使发动机实现换气。流出的废气先汇入排气换气轮17及侧室19之间的环形道内，再从发动机两侧的两排气孔排出。喷油器可以安装在三弧形气缸的每条弧边的中间位置，需要时在喷油器的两侧各安装一个火花塞，用作点火装置。

如图7所示(参见图6)，进气换气轮16安装在输出轴1上，它相对于输出轴1的相位可以通过油压调节。输出轴1内的两油孔1d和1e分别和插块29或30的两侧相通，这样通过油阀就可以控制进气换气轮16相对于输出轴1的相位。排气换气轮17安装在输出轴2上，它相对于输出轴2的相位也可以采用相同原理实现调节，进气换气轮16的相位可以改变发动机的压缩比，排气换气轮17的相位可以改变发动机的米勒效应，两轮的相位及相位差会很大的影响发动机的换气效率，可以通过对两轮的相位的控制，使发动机适用于各种工况的需要。

如图7所示(参见图6)，换气轮16或17也受到燃烧气体的热辐射，其中排气换气轮更为严重一些。为了防止换气轮温度过高，可将换气轮设计成中空结构且中间布满加强筋。当换气轮16温度过高时，由侧室20上的孔20a注入冷却后的润滑油。润滑油先停留在换气轮上和换气轮一起转动，当转过近180度时这些润滑油吸收热量后被倒回油底壳，换气轮17的冷却也采用相同原理。润滑油的一部分可以通过换气轮和气缸体之间的微小间隙或刻意留出的孔道流向换气轮靠近气缸的那一侧面，使转子的侧面得到润滑。换气轮的另一侧面则通过气体的压力紧紧靠在侧室19或20的定位面上。换气轮16或17的换气孔可以做成双弧状以提高换气效率。

如图6所示，由于该机采用了双偏心运动方式，对于单转子发动机而言，需要在两侧分别安装一个平衡块25和26，它们能平衡大约15/16的不平衡力而另外的1/16的不平衡力是由转子的转速决定的，要完全平衡这部分不平衡作用力，必须加载一个和整个不平衡重以转子转速运动所产成的不平衡力大小相同、方向相反的作用力，这可以通过安装平衡轴实现，其中平衡轴的转速和转子的转速相同且应为输出轴转速的1/4。对于多转子发动而言，发动机运动产生的多个不平衡作用力相互抵消，这时只需加装一对平衡重以消除转轴的不平衡扭动即可。

如图5所示(参见图6)，发动机的气缸体21可以采用冷却水冷却，即冷却水流入气缸体21后沿气缸体21内的环形通道周向旋转流动一周后流出，使气缸体21得到有效的冷却，当然对于小功率该发动机也可以采用风冷方式，即在气缸体21上增加许多散射片以提高散热效果。气缸体21、两侧室及两回油室通过定位销22、23定位并通过多个螺钉24连接。

Claims (11)

1、一种转子发动机，主要运动件包括驱动轴和转子，其特征是：驱动轴采用双偏心方式即驱动轴包括输出轴和内偏心轴，其中内偏心轴(3)的主轴颈安装在输出轴的偏心孔内，转子(4)安装在内偏心轴的偏心轴颈上，转子相对于内偏心轴的转速比内偏心轴相对于输出轴的转速比输出轴相对于固定缸体的转速为3∶-6∶4。

2、根据权利要求1所述的一种转子发动机，其特征是：在初始位置时，若画出发动机的运动机构简图，输出轴的转动中心点和内偏心轴的自转中心点和转子的自转中心点在一条直线上，转子上两顶点的运动轨迹相同都为三弧形，转子在这三弧形气缸内摆动，它将气缸内腔分割成两个可变容积的工作室，转子顶点的运动轨迹方程为x＝a×cos(θ)+b×cos(-θ/2)+c×cos(θ/4+90°)，y＝a×sin(θ)+b×sin(-θ/2)+c×sin(θ/4+90°)，其中a为输出轴内偏心孔的偏心量、b为内偏心偏心轴颈的偏心量、c为转子的一个顶点到其自转中心点的距离，θ为输出轴转过的角度，笛卡儿坐标的原点设在输出轴的转动中心点。

3、根据权利要求2所述的一种转子发动机，其特征是：内偏心轴的两偏心轴颈之间采用双弧状连接块连接，内弧以内提供安装相对于输出轴不转动的齿轮(6)的空间，该齿轮(6)以内偏心轴的转动中心为轴心，外弧以外提高安装固定在转子上的齿圈(5)的空间，该齿圈(5)以转子(4)的转动中心为轴心，该齿轮(6)和该齿圈(5)相互啮合且齿数比为1∶2，在内偏心轴的偏心轴颈的每一侧各有一个齿轮，在每个齿轮的两侧各有一个主轴颈，它们对应安装在输出轴的偏心孔内。

4、根据权利要求2所述的一种转子发动机，其特征是：输出轴(1)上有两个轴颈，在每个轴颈内有一偏心孔，内偏心轴的主轴颈安装在该孔内，输出轴上的这两个轴颈之间通过双弧状连接块(1c)连接，其中内弧以内提供安装内偏心轴上对应的齿轮(3a)的空间，外弧以外提供安装一个固定在缸体上的齿圈(9)的空间，该齿轮(3a)和该齿圈(9)相互啮合且齿数比为2∶3，该齿轮(3a)以内偏心轴的自转中心为轴心，该齿圈(9)以输出轴的转动中心为轴心。

5、根据权利要求4所述的一种转子发动机，其特征是：在相对于输出轴不转动的齿轮(6)内有一个非圆形的内孔，有一根杆(7)，它恰好可以完全穿过该齿轮(6)的内孔且能防止该齿轮(6)相对于该杆(7)转动，它的两端安装在两输出轴上和该齿轮(6)内孔的大小和形状相同的孔内，有多个圆柱形套筒，它们的内孔和该齿轮(6)内孔的大小和形状相同且它们恰好能装入内偏心轴的中心孔内，这些套筒和该齿轮(6)一起套入该杆(7)内，这样这个齿轮(6)和各套筒相对于输出轴不转动。

6、根据权利要求5所述的一种转子发动机，其特征是：在杆(7)的中心有一个通孔，润滑油先从一个输出轴的上的孔流入该孔内，再分配到各个需要润滑油的地方；在另一个输出轴上安装了一个油温感应开关，当发动机的油温过高时，油温开关自动关闭，润滑油流入转子内部、冷却转子，再从两侧的回油室流回油底壳(15)；当发动机的油温较低时，油温开关自动打开，润滑油直接通过这个输出轴流回油底壳。

7、根据权利要求3所述一种转子发动机，其特征是：固定在转子内的齿圈(5)由两半个齿圈组合而成，每半个齿圈上有一个凸块，将它安装在转子内孔上对应的槽内，以防止该齿圈(5)相对于转子(4)转动，两个凸块上各有一通孔，其中一个半齿圈的凸块上的孔(5b)的两端用螺钉(13)堵住，润滑油由转子轴承引入该孔(5b)内，再通过转子内孔和齿圈外表面之间的多个通道流向另一个半齿圈的凸块上的孔(5a)内，油压开关安装在这个孔(5a)的两端，当油压开关打开时，润滑油就不断的从前一个孔(5b)流向后一个孔(5a)，冷却转子后再从油压开关上的孔流入转子内部，润滑和冷却转子内的齿轮和齿圈后从内偏心轴上的出油孔流出，流向转子两边的两对啮合齿轮处，润滑和冷却这两对齿轮后，再通过回油室流回油底壳。

8、根据权利要求2所述的一种转子发动机，其特征是：发动机气缸被转子分割成两个工作室，一个工作室在压缩气体时，另一个工作室在做功及换气，转子每摆动一次，发动机做功一次，若发动机为点燃式发动机的话三弧形气缸的每段弧上的中间位置安装喷油设备，在该喷油设备的两边各安装一个火花塞；若发动机为压燃式发动机的话，可以省略这两个火花塞。

9、根据权利要求8所述的一种二冲程转子发动机，其特征是：转子(4)的两侧各有一个换气轮，每个换气轮的外侧各有一个环形道，换气轮安装在输出轴上且与之同速转动，每个换气轮上有一个换气孔，新鲜气体先从气缸一侧的侧室上进气口汇集到进气环形道后，再经过进气换气轮上的换气孔把废气从排气换气轮上的换气孔扫出到排气环形道中，再从气缸另一侧的侧室上的排气口排出，实现发动机的换气过程。

10、根据权利要求9所述的一种二冲程转子发动机，其特征是：换气轮相对于输出轴的相位可以通过油压适当调节，固定在输出轴上的多个叶片将换气轮内和输出轴配合后形成的多个密闭的扇形空间分割成两室，每一室都有一个油的进出孔，通过控制两室的油压变化来改变换气轮相对于输出轴的相位。

11、根据权利要求9所述的一种二冲程转子发动机，其特征是：换气轮中间布满板筋，当换气轮温度过高时，由侧室上的孔(20a)注入冷却后的润滑油，润滑油先停留在换气轮上和换气轮一起转动，当转过近180度时这些润滑油吸收热量后被倒回油底。

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