CN101289961A - 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，它和汪克尔转子发动机具有相同的转子外形和相似的密封原理及工作过程，不同的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，输出轴(2)内有偏心孔，内偏心轴(3)的主轴颈安装在输出轴的偏心孔内，三角形转子安装在内偏心轴的偏心轴颈上，三角形转子(4)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4∶－6∶3。三角转子把气缸分成三个独立空间，三个空间各自先后完成进气，压缩，做功和排气。转子转动一圈，输出轴旋转三圈，发动机点火做功三次。

Description

一种转子发动机

技术领域：

本发明涉及一种发动机，特别是转子发动机。

背景技术：

传统的四冲程活塞往复式发动机是依靠燃料在燃烧室内燃烧推动活塞进行上下或水平往复运动，再由连杆和曲轴将活塞的往复运动转化为曲轴的旋转运动。在20世纪50年代，德国工程师汪克尔在总结前人的研究成果的基础上，解决了一些关键技术问题，研制成功第一台转子发动机。

汪克尔转子发动机的运动特点是：三角转子的自转中心绕输出轴中心公转的同时，三角转子本身又绕其中心自转。在三角转子转动时，以三角转子中心为中心的内齿圈与以输出轴中心为中心的齿轮啮合，齿轮固定在缸体上不转动，内齿圈与齿轮的齿数之比为3∶2。上述运动关系使得三角转子顶点的运动轨迹(即气缸壁的形状)似″8″字形.三角转子把气缸分成三个独立空间，三个空间各自先后完成进气，压缩，做功和排气，三角转子自转一周，发动机点火做功三次。由于以上运动关系，输出轴的转速是转子自转速度的3倍，这与往复运动式发动机的活塞与曲轴1∶1的运动关系完全不同。

相对于往复式发动机的比较，汪克尔转子发动机有如下优点：体积小重量轻、结构精简、扭矩输出更均匀、运行更安静，噪音更小，更可靠和更耐久。但是由于该发动机压缩比不能提得太高，不然将使燃烧室过于狭小，不利于燃料的燃烧和扩散，也就不太适合用作柴油发动机，同时在低速时扭矩输出非常低，这就严重限制了该发动机在民用车辆上的推广运用。

发明内容：

本发明的目的是提供一种具有较高压缩比、较大扭矩输出、较高进排气效率和燃料燃烧效率的三角形转子发动机。

本发明的目的是这样实现的，一种三角形转子发动机，具有和汪克尔转子发动机相同的转子外轮廓形状和相似的密封原理，不同的是驱动轴由内偏心轴(3)和两输出轴(1和2)组成，内偏心轴安装在输出轴内的偏心孔上，内偏心轴的自转中心绕输出轴中心公转的同时，内偏心轴本身又绕其自转中心自转，三角形转子安装在内偏心轴的两个偏心轴颈上，输出轴相对于固定缸体的转速、内偏心轴相对于输出轴的转速和转子相对于内偏心轴的转速比为3∶-6∶4。在初始位置时，若画出发动机的运动机构简图，输出轴和内偏心轴的自转中心及三角形转子的自转中心及三角形转子的其中一个顶点在一条直线上。在发动机的运动机构简图中，三角形转子顶点的运动轨迹(即气缸壁的形状)似″O″字形，其轨迹方程为x＝A×cos(θ)+B×cos(-θ)+C×cos(θ/3)，y＝A×sin(θ)+B×sin(-θ)+C×sin(θ/3)其中A为输出轴内的偏心孔的偏心量，B为内偏心轴的偏心轴颈的偏心量，C为转子中心到转子顶点的距离，θ为输出轴转过的角度，笛卡儿坐标的原点设在输出轴中心点。三角形转子把气缸分成三个独立空间，三个空间各自先后完成进气，压缩，做功和排气。由于以上运动关系，转子转动一圈，输出轴旋转三圈，发动机点火做功三次。

输出轴相对于固定缸体的转速、内偏心轴相对于输出轴的转速和转子相对于内偏心轴的转速比为3∶-6∶4，这是通过三对齿轮的相互啮合实现的，即在转子每边各一对内啮合齿轮和在转子内的一对内啮合齿轮，转子内的一对内啮合齿轮的齿数比为2∶-3，转子每边的一对内啮合齿轮的齿数比为1∶-2。

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。内偏心轴中间支撑三角形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2∶3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三角形转子一边的一对齿数比为1∶2的内啮合齿轮的空间。

三角形转子安装在内偏心轴的两个偏心轴颈上，在三角形转子内的一对内啮合齿轮中，内齿圈(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自转中心孔内，这些套筒和齿轮(6)一起套入杆内，这样齿轮(6)和各套筒相对于输出轴不转动，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，润滑油喷入转子内部、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，润滑油直接通过这一输出轴流回油底壳。

由于三角形转子的顶点运动轨迹为“O”型使得该发动机和汪克尔转子发动机相比，在相同的转子大小和外形时，工作容积增加了近一倍(如图1所示)。这就使该发动机的压缩比增加了一倍多，当它用于汽油机时可以将转子上的凹坑设计得更深、更有利于燃料的燃烧和扩散。当它用于柴油机时可在保证燃料正常燃烧的情况下，满足柴油机所需的压缩比。

由于该种设计方式使得转子的顶点在两近距点附近移动速度为正值且接近于零，这样即使发动机的进气孔(13a)和排气孔(13b)都设置在气缸体上，也能使发动机的进气角和排气角的重叠很小或为零，从而简化了发动机进排气系统的设计，并有效的提高了发动机的进排气效率。

同时该发动机的点火或喷油位置可以比汪克尔转子发动机晚30度左右(如图5位置)，从而减小了燃料燃烧时间并增加了混合气形成时间，提高了发动机的做功效率。

同时由于(在做功冲程中)输出轴偏心孔的偏心量和内偏心轴的偏心轴颈的偏心量在垂直于燃烧气体作用力方向的分量之和(如曲线4所示)的最大值接近于相同转子大小和形状的汪克尔转子发动机输出轴上的偏心轴颈的偏心量在该方向上的分量的最大值(如曲线3所示)的2.17倍，且由于气体燃烧的平均有效压力的提高，使得发动机的输出扭矩更大，更均匀，以满足民用车辆的需要。

附图说明：

图1为本发动机的结构简图

图2为本发动机和相同转子大小和形状的汪克尔转子发动机的工作过程对比图，其中从图2A～图2F输出轴分别转过0度、90度、180度、270度、315度和360度。

图3为本发动机的内偏心轴的三维视图

图4为本发动机的主要运动件的装配图的正视图

图5为本发动机的主要运动件的装配图的A-A剖面图

图6为本发动机主要固定件的装配体的正视图

图7为本发动机主要固定件的装配体的B-B剖视图

图8为本发动机和汪克尔发动机在做功过程中垂直于燃气作用力方向的偏心分量随输出轴转角变化的曲线图

具体实施方式：

如图1所示，三角形转子4的顶点运动轨迹为“O”型，其上有四个拐点即进气侧远距点13d、排气侧远距点13e、排气侧近距点13f和压缩侧近距点13g。三角形转子4将该空间分成三个部分。三个空间各自先后完成进气，压缩，做功和排气，三角形转子4自转一周，发动机点火做功三次。图中点13c代表火花塞安装位置。

从图2A～图2F，输出轴分别转过0度、90度、180度、270度、315度和360度，由这些本发动机和相同转子大小和形状的汪克尔转子发动机的对比图可知，本发动机和汪克尔转子发动机一样通过三角形转子把气缸分成三个独立空间，三个空间各自先后完成进气，压缩，做功和排气。转子转动一圈，输出轴旋转三圈，发动机点火做功三次。当然本发动机合适的点火点可以比汪克尔转子发动机延后一定角度。

如图3所示(参见图5和图7)，内偏心轴3两侧各有一齿轮即齿轮5和齿轮7，且每个齿轮两侧各有一主轴颈即主轴颈3a、3b、3c和3d，中间的两个较大的偏心轴颈3e和3f用于支撑三角形转子4，且偏心轴颈3e半径较大，在上面有一凸出的孔3j，它是用于安装喷油装置，当三角形转子4温度过高时，润滑油从孔3j喷出，以达到冷却三角形转子4的目的。两偏心轴颈3e和3f通过中间的双弧状连接体3g连在一起。该连接体的内弧内提供了安装齿轮9的空间，外弧外则可以容纳一个由两半组成的内齿圈10，齿轮9和内齿圈10相互啮合。内齿圈10通过空心销安装在三角形转子4上，这些空心销除了用于固定内齿圈10外，还可以吸收三角形转子4上传递过来的冲击作用力，齿轮9以内偏心轴的自转中心为中心，内齿圈10以三角形转子的自转中心为中心，齿轮9和内齿圈10的齿数比为2∶3，这就使得三角形转子4相对于内偏心轴3的转速比内偏心轴3相对于输出轴2或1的转速为2∶-3，负号表示转动方向相反。

如图5所示(参见图4)，三角形转子4是通过内偏心轴3的两偏心轴颈支撑的，轴瓦16和17安装在三角形转子4上。中间位置用于安装齿轮9和内齿圈10。三角形转子4内部布满了加强筋，这除了可以提高三角形转子4的刚度和强度外，还能有效的增强三角形转子4的冷却效果。三角形转子4的三个顶端各有一条缝隙4f，这可用于安装顶面的密封装置。侧面的各个边也有两条缝隙4c和4d，它可用于安装侧面密封装置，侧面和顶面的缝隙交接处留有一圆孔4e用于安装转角密封装置。同时三角形转子4的每个侧面各有两个环状槽4a和4b，它可用于安装油封装置。装配后三角形转子4和两侧室之间留有间隙，内偏心轴3上支撑三角形转子4的轴颈3e和3f的外侧面则和两侧室的侧面直接接触定位。

如图5所示(参见图7)，在输出轴1和2内的偏心孔内分别安装有轴瓦18、19、20、21，支撑内偏心轴3的四个主轴颈3a、3b、3c和3d安装在这4个轴瓦上，它们一起构成这4个滑动轴承。输出轴2的主轴颈2a安装在固体在侧室23上的轴瓦31内，输出轴2的主轴颈2b安装在固定在回油室22上的轴瓦30内，这两个轴颈之间是通过双弧状连接块2c连接，该双弧状连接块的内弧内留有安装内偏心轴3上的齿轮7的空间，外弧外留有安装固定的内齿圈8的空间。内齿圈8是由两半边组合而成，它通过空心销24固定在回油室22和侧室23之间，齿轮7和内齿圈8相互啮合且齿数比为1∶2，这就保证了内偏心轴3相对于输出轴1或2的转速比输出轴1或2相对于固定缸体的转速为-2∶1，其中负号代表转动方向相反。在三角形转子4的另一边的输出轴1、轴瓦32、轴瓦33、侧室29、回油室28、齿轮5和内齿圈6也采用相同的装配方式。

如图5所示(参见图7)，以三角形转子4中心为中心的内齿圈10被分割成两半，以便于装配，它和以内偏心轴3的自转中心为中心且相对于两输出轴不转动的齿轮9啮合，内齿圈10与齿轮9的齿数之比为3∶2。内偏心轴3的一侧有一个以内偏心轴的自转中心为中心的齿轮5，它和固定在缸体上且以输出轴1的中心为中心的内齿圈6啮合且齿数比为1∶2，内偏心轴3的另一侧有一个齿轮7，它和固定在缸体上且以输出轴2的中心为中心的内齿圈8啮合且齿数比为1∶2，这样就保证了输出轴相对于固定缸体的转速、内偏心轴相对于输出轴的转速和转子相对于内偏心轴的转速比为3∶-6∶4。

如图5所示(参见图7和图3)安装在内偏心轴3内部的正六边形杆14上套入内孔为正六边形的齿轮9和四个内孔为正六边形套筒24、25、26、27，这四个套筒相当于滑动轴承的轴瓦，它们和内偏心轴3的内孔一起才组成4个滑动轴承。由于正六边形杆14的两端安装在输出轴1和2内的正六边形孔内，这就使得正六边形杆14、齿轮9和4个套筒相对于输出轴1或2不转动，当然该杆14和与之配合的孔不一定要采用正六边形，也可以采用其它的非圆形，只要能保证齿轮9和四个套筒相对于输出轴不转动即可。在正六边形杆14的中间钻有孔14a，润滑油首先从输出轴2上的孔2d流入再流入正六边形杆14内，然后将它们分配到各个轴承，再经输出轴1上的孔1c或内偏心轴上的孔3h和3i流出。输出轴1上的孔1c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，润滑油经内偏心轴3上的孔3j上安装的喷射器喷入三角形转子4内部，冷却三角形转子4，再经内偏心轴3上的孔3h和3i流出到齿轮5、7和内齿圈6、8上，再通过回油室22和28的回油槽流回油底壳35；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35。这样既能有效的控制三角形转子4的温度又能对3对啮合定时齿轮进行冷却和润滑。

如图7所示(参见图1和图6)，“O”型转子室的排气近距点的两侧留有两个孔13a和13b，分别用于发动机的排气和进气。在压缩侧近距点13g的下侧留有用于安装喷油器或火花塞的安装孔13c。在气缸体13的四周为冷却水套，其中间部分的水流流通截面最小，这将有利于加速水流在该区域的流速，增强该区域的冷却效果。侧室23和29的内部铸造成中空，并将该区域用板筋分割成两个部分，一部分覆盖了从排气侧近距点13f到进气侧远距点13d之间的区域。该区域和回油室22的出水孔直接连接，其他区域则和回油室22的进水孔连接。这样水流先从进水孔流入，流经侧室23、气缸体13、侧室29的高温区域，再从侧室29、气缸体13、侧室23的低温区域流回。这就有效降低了各室的不同区域的温差，降低了发动机的温度载荷。两回油室22和28、两侧室23和29、气缸体13之间通过螺钉34连接。各室和汽缸体13上还有两个定位孔36，用于各室和气缸体之间相互位置的定位。

如图8所示，横坐标表示输出轴的位置，纵坐标代表长度，曲线1的纵坐标值代表内偏心轴3的偏心量在垂直于燃烧气体作用力方向的分量，曲线2的纵坐标值代表输出轴1或2内的偏心孔的偏心量在垂直于燃烧气体作用力方向的分量，曲线4的纵坐标值代表输出轴偏心孔的偏心量和内偏心轴的偏心量在垂直于燃烧气体作用力方向的分量之和，曲线3的纵坐标值代表相同三角形转子形状和大小的汪克尔三角形转子发动机的偏心量在垂直于燃烧气体作用力方向的分量。由图可知曲线4的纵坐标最大值为32.5mm，而曲线3的纵坐标最大值为15mm。且曲线4的纵坐标最大值位置比曲线3的纵坐标最大值位置延迟了45度，当然该发动机的点火位置也相应延迟了约30度。

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40和41，它们能平衡大约8/9的不平衡力而另外的1/9的不平衡力是由三角形转子4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三角形转子4转速运动所产成的不平衡力大小相同、方向相反的作用力，这可以通过平衡轴上的平衡重提供，其中平衡轴的转速和三角形转子4的自转速度相同且应为输出轴转动速度的1/3。对于双转子发动机而言，发动机运动产生的两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。

可以将多个上述的单转子发动机相互串接，以组成多转子发动机，这时相互串接处的两个输出轴可以做成一体。

Claims (10)

1、一种转子发动机，它的三角形转子把气缸分成三个独立空间，三个空间各自先后完成进气，压缩，做功和排气，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，输出轴内有偏心孔，内偏心轴(3)的主轴颈安装在输出轴的偏心孔内，三角形转子(4)安装在内偏心轴的偏心轴颈上，三角形转子相对于内偏心轴的转速、内偏心轴相对于输出轴的转速和输出轴相对于固定缸体的转速比为4∶-6∶3。

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，输出轴中心和内偏心轴的自转中心及三角形转子的自转中心及三角形转子的其中一个顶点在一条直线上，三角形转子的每个顶点的运动轨迹相同，轨迹方程为x＝a×cos(θ)+b×cos(-θ)+c×cos(θ/3)，y＝a×sin(θ)+b×sin(-θ)+c×sin(θ/3)其中a为输出轴内的偏心孔的偏心量，b为内偏心轴的偏心轴颈的偏心量，c为转子自转中心到转子顶点的距离，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(3)的两偏心轴颈之间采用双弧状连接块连接，内弧以内提供安装齿轮(9)的空间，该齿轮(9)以内偏心轴(3)的自转中心为轴心且它相对于输出轴不转动，外弧以外提高安装内齿圈(10)的空间，内齿圈(10)以转子的自转中心为轴心且它相对于转子不转动，齿轮(9)和内齿圈(10)相互啮合且齿数比为2∶3，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(3)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连接，其中内弧以内提供安装内偏心轴(3)上的齿轮(5)的空间，外弧以外提供安装一个固定在缸体上的内齿圈(6)的空间，该齿轮(5)和内齿圈(6)相互啮合且齿数比为1∶2，齿轮(5)以内偏心轴(3)的自转中心为轴心，内齿圈(6)以输出轴(1)的中心为轴心。

5、根据权利要求3所述的一种转子发动机，其特征是：在齿轮(9)内有一个非圆形的内孔，有一根杆(14)，它的横截面和齿轮(9)内孔的大小和形状相同，它可以完全穿过该齿轮的内孔且能防止该齿轮相对于该杆转动，它的两端安装在两输出轴上和齿轮(9)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(9)内孔的大小和形状相同且它们恰好能装入内偏心轴(3)的中心孔内，这些套筒和齿轮(9)一起套入杆(14)内，这样齿轮(9)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(14)的中心有一个通孔(14a)，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，润滑油通过安装在内偏心轴(3)的偏心轴颈(3e)的内侧上的喷射器喷入转子内部，润滑和冷却转子及转子内部的一对啮合齿轮后，再从内偏心轴(3)的偏心轴颈内的出油孔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，通过回油室流回油底壳；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输出轴流回油底壳。

7、根据权利要求2所述的一种转子发动机，其特征是：转子在气缸内运动，在气缸体两侧各有一个侧室，气缸体和侧室内有相应的冷却水套，每个侧室外还装配有一个回油室，在回油室内有回油的通道，各室和气缸体之间通过定位销定位后，再由螺钉相互固定在一起。

8、根据权利要求3所述内齿圈，其特征是：它由两半个齿圈组合而成，再通过空心销安装在转子的内孔内。

9、根据权利要求4所述内齿圈，其特征是：它由两半个齿圈组合而成，再通过空心销安装在回油室和侧室之间。

10、根据权利要求2所述的一种转子发动机，其特征是：多个单转子发动机相互串接，可组成多转子发动机，这时相互串接处的两个输出轴可以做成一体。

Images