CN101333962B - 新型旋转活塞式发动机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型旋转活塞式发动机，它主要由机壳、主传动轴、活塞组轮组成；所述的活塞组轮套接在主传动轴上，套接有活塞组轮的主传动轴可旋转的安装在机壳的内腔；所述的活塞组轮由旋转飞轮和至少一组燃烧室组成，所述的至少一组燃烧室均匀设置在旋转飞轮圆周表面上且位于同一横截面上；在机壳上对应旋转飞轮上的燃烧室处设置至少一组由排气门、火花塞、喷油气嘴组成组成的气门组。由于本发明取消了活塞式内燃机复杂的曲轴结构和取消复杂的凸轮结构及其复杂的配气机构，使得本发明结构更加简单、燃料利用率高、运转速度范围宽、操控简单，运行性能优异，包括燃料利用率及输出转矩等均能在最佳状态下运行。

Description

新型旋转活塞式发动机

技术领域

本发明涉及一种内燃机(发动机)领域，特别是涉及一种新型旋转活塞式发动机。

背景技术

现有内燃机分为以下几种：往复活塞式发动机、旋转活塞式发动机和燃气轮机等几种。

往复活塞式发动机若按燃料分，又可分为汽油机、柴油机及其它型，汽油机和柴油机应用最为广泛；按工作行程又主要分为二冲程和四冲程内燃机。内燃机从1876年发明初期的结构简单、体积大和功率小，发展到今天的结构复杂、体积小和功率大的现代内燃机，已成为当今世界一种重要的动力装置。然而由于其结构特性，其活塞往复运动、复杂的曲轴结构、复杂的凸轮轴结构及其配气机构以及其控制系统，使其转速、转矩、燃料的能量利用率均不高，其制造成本、加工工艺等较高，而且其噪音大，有害气体排放大，其运转可靠性及耐久性亦较差。

旋转活塞式发动机由汪克尔发明，其与活塞式内燃机相比，体积小、功率大、重量轻，但由于其结构特点，其制造难度大、精度高、材料要求高、故障率高、耐久性差、燃油利用率低等，使其应用受到较大的限制，目前只在较少的汽车等设备上应用。

燃气轮机由于其结构特点，因其没有活塞式内燃机中设有的气门之内的阻隔器件，所以其具有较高的气体流通率，能够在单位时间内燃烧跟多的燃料而输出更大的功率。基于这一特点，其体积小及重量轻，这就使其更利于用于飞行器。但由于其工作特性，使其运行便工况性能差、燃料利用率低、制造用材料要求高。

尽管近来有了活塞式内燃机与燃气轮机相结合的废气涡轮增压内燃机，使其性能有所提高，但同时使其结构更为复杂化、制造成本更高、使用可靠性及耐久性更差。在当今能源日趋紧张、环境日益恶化的前提下，内燃机的燃料利用率及有害气体的排放性能更为重要，其中燃料利用率汽油机不超过30％、柴油机不超过45％。

发明内容

本发明的目的在于提供一种结构简单、燃料利用率高、运转速度范围宽、操控简单、启动容易、运行性能优异的新型旋转活塞式发动机。

为实现上述目的，本发明的技术解决方案是：

本发明是一种新型旋转活塞式发动机，它主要由机壳、主传动轴、活塞组轮组成；所述的活塞组轮套接在主传动轴上，套接有活塞组轮的主传动轴可旋转的安装在机壳的内腔；所述的活塞组轮由旋转飞轮和至少一组燃烧室组成，所述的至少一组燃烧室设置在旋转飞轮圆周表面上且位于旋转飞轮同一横截面上；在机壳上对应旋转飞轮上的燃烧室处设置至少一组气门组，该气门组由排气门、火花塞、喷油气嘴组成，所述的喷油气嘴、火花塞、排气门顺主传动轮旋转方向依次布置。

所述的燃烧室由燃烧腔、活塞环和活塞弹簧组成；所述的燃烧腔的内腔呈犁形，活塞环呈桶形，活塞环活动套置在燃烧腔内腔，在活塞环的下端与燃烧腔内腔的底部之间设置活塞弹簧。

所述的燃烧室由燃烧腔、活塞块、移动活塞弹簧、活塞环、活塞弹簧组成；所述的燃烧腔的内腔呈犁形，活塞环呈桶形，活塞环活动套置在燃烧腔内腔，活塞块活动套置活塞环内，在活塞块的下端与活塞环内腔的底部之间设置移动活塞弹簧，在活塞环的下端与燃烧腔内腔的底部之间设置活塞弹簧。

在活塞组轮圆周上均匀设置有四个燃烧室，每个燃烧室的中心轴与燃烧组轮外缘切线成一定夹角。

在机壳上对应旋转飞轮上的燃烧室处设置有四组气门组。

本发明还包括油封、轴承、凸轮正时轮、主传动轮；在主传动轴上、活塞组轮的两侧分别套接轴承，主传动轴通过该轴承可旋转的安装在机壳的内腔的轴承座上且其一端伸出机壳外与主传动轮套接，构成主传动轴的动力输出段；在两轴承的外侧、机壳内腔的两出口处分别安装油封；所述的凸轮正时轮套接在主传动轴上且位于动力输出端的油封和轴承之间。

所述凸轮正时轮组结合气门组对应于燃烧室，且凸轮顶柱为同凸轮轴方向同向可移动触动对应燃烧室的凸轮突起部位。

在机壳上水腔处安装有对活塞组轮进行喷淋冷却的喷水嘴；在机壳上油腔处安装有对主轴进行润滑的喷机油咀。

在机壳排气门处安装有排气管，排气管中装有油气路热交换器，还串接有废气涡轮增压机系统。

所述的活塞组轮旋转飞轮的外缘与机壳内腔壁之间设有高耐磨油水封。

采用上述方案后，本发明具有以下优点：

本发明取消了活塞式内燃机复杂的曲轴结构和取消复杂的凸轮结构及其复杂的配气机构，使得本发明结构更加简单、燃料利用率高(超过现有内燃机)、运转速度范围宽、操控简单，运行性能优异(不论是低速还是超高速情况下均能达到优异的输出性能)，包括燃料利用率及输出转矩等均能在最佳状态下运行。

由于没有了活塞式内燃机的高压缩阶段，因此其启动所需功率要比活塞式小得多，启动更加容易。

本发明是集现有发动机优点于一身，是现有活塞式发动机的革命性改进。

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的说明。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明第二个实施例的结构示意图；

图3是本发明第三个实施例的结构示意图；

图4是本发明活塞组轮第一个实施例的剖视图；

图5是本发明活塞组轮第二个实施例的剖视图；

图6A是本发明活塞组轮燃烧室第一个实施例的剖视图；

图6B是本发明活塞组轮燃烧室第二个实施例的剖视图。

具体实施方式

如图1所示，本发明是一种新型旋转活塞式发动机，它主要由机壳1、主传动轴2、油封3、轴承4、活塞组轮5、主传动轮6、凸轮正时轮7组成。

所述的活塞组轮5套接在主传动轴2上且位于机壳1的内腔，在主传动轴2上、活塞组轮5的两侧分别套接轴承4。主传动轴1的大部分通过该轴承3可旋转的安装在机壳1内腔的轴承座上，主传动轴2的一端伸出机壳1外与主传动轮6套接，构成主传动轴2的动力输出段。在两轴承4的外侧、机壳1内腔的两出口处分别安装油封3；所述的凸轮正时轮7套接在主传动轴2上且位于动力输出端的油封3和轴承4之间。所述凸轮正时轮7组结合气门组53对应于燃烧室52，且凸轮顶柱为同凸轮轴方向同向可移动来触动对应燃烧室52的凸轮突起部位。

在机壳1上水腔处安装有喷水嘴11，喷水嘴11对活塞组轮5进行喷淋冷却的；在机壳1上油腔处安装有喷机油咀12，该喷机油咀12对主传动轴2需润滑位置进行润滑。

在机壳1排气门处安装有排气管13，排气管13中装有油气路热交换器，还串接有废气涡轮增压机系统，该废气涡轮增压机系统为机电废气涡轮组合或机械废气涡轮组合系统。

在活塞组轮5旋转飞轮51(如图4所示)的外缘与机壳内腔壁之间设有高耐磨油水封8，高耐磨油水封8的设置可如图1和图3两种形式。

如图4参考图1所示，所述的活塞组轮5由旋转飞轮51四组的燃烧室52和一组气门组53组成。所述的四组的燃烧室52均匀设置在旋转飞轮51圆周表面上且位于同一横截面上；在机壳1上对应旋转飞轮51上的燃烧室52处设置了一组气门组53，该气门组53由排气门531、火花塞532、喷油气嘴533组成，所述的喷油气嘴533、火花塞532、排气门531依主传动轮6旋转方向依次布置。

如图5所示，气门组53有四组，四组气门组53均匀布置在机壳1上，处于同一横截面，与旋转飞轮51上的燃烧室52相对应。

所述的燃烧室有两种结构，第一种结构如图6A所示，燃烧室52由燃烧腔521、活塞环522和活塞弹簧523组成。所述的燃烧腔521的内腔呈犁形，活塞环522呈环形，活塞环522活动套置在燃烧腔521内腔，在活塞环522的下端与燃烧腔521内腔的底部之间设置活塞弹簧523。在本结构中，桶形密封活塞环522下活塞弹簧523要满足密封要求。

第二种结构如图6B所示，燃烧室52’由燃烧腔521’、活塞块522’、移动活塞弹簧523’、活塞环524’、活塞弹簧525’组成。所述的燃烧腔521’的内腔呈犁形，活塞环524’呈杯形，活塞环524’活动套置在燃烧腔521’内腔，活塞块522’活动套置活塞环524’内，在活塞块522’的下端与活塞环524’内腔的底部之间设置移动活塞弹簧523’；在活塞环524’的下端与燃烧腔521’内腔的底部之间设置活塞弹簧525’。在该结构中，燃烧室521’移动活塞下弹簧523’弹力要求在进气压力和排气压力之间，且同时还要兼顾离心力的作用。

此外，本发明在结构上还做了以下改进：

1、配气机构为凸轮正时轮组、可移动(机电组合控制挺柱)、摇臂及气门组等。凸轮正时轮对应于燃烧室，机电控制组合挺柱意即其可根据发动机运行需要任意控制挺柱的动作。

2、机壳1排气门531处安装有排气管，排气管中装有油气路热交换器534，还串有废气涡轮增压机系统。进气路有空气过滤器536、机电组合控制涡轮增压机535、热交换器等。燃油油路9有燃油过滤器91、燃油泵92、机电控制喷油器93及热交换器94等。主传动轮6上还配有机油泵、水泵、散热风扇及发电机等。

3、在冷却水路中串有热交换水箱，若不采用主活塞组轮5自带水轮叶，就需另加水泵30(如图2所示)。同样在润滑油路中有机油过滤器、，若不采用主活塞组轮5自带油泵叶，就需另加机油泵40。若不将机油泵40及冷却水泵组合在活塞组轮5上，高耐磨油水封8就可取消。

4、燃油的转换，在燃油的供给系统上可安装转换装置，同时由于各种燃油的燃点不同，可同步控制加入燃烧室的空气压力。燃烧组轮的数量可根据功率需要多个组合。空气加压涡轮机采用废气涡轮与电驱动相结合，以弥补速度不定而影响空气压力。

5、对于小型的、要求不高的发动机，可取消电路部分，采用纯机械控制方式，亦可达到一般要求。机电组合控制涡轮增压机采用机械驱动与废气涡轮驱动相结合以满足要求。

本发明的工作原理：

发动机的启动(如图4参考图6A所示)：对于纯机械控制发动机，启动时直接转动主驱动轴，活塞组轮5随同旋转，机械废气涡轮组合驱动涡轮增压机535启动旋转，然油泵等亦随同工作，当达到启动所需空气压力同时活塞组轮5旋转到进油气门位置时开始进油气......对于机电组合控制发动机，启动时，首先接通电源，同时启动机电组合增压机为发动机所需高压空气加压，再接通启动马达，活塞组轮5启动旋转......。

发动机的运行：当燃烧室52运转到喷油气咀533位置时，高压空气经热交换器交换热量后的中热空气进入燃烧室52，同时，燃油经热交换器后的中温高压燃油通过喷油气咀533喷入燃烧室52；当燃烧室52运转到火花塞532位置时，火花塞532点火，油气混和物迅速燃烧，燃烧室52内温度及压力迅速升高，当燃烧室52运转到排气门531位置时，排气门531打开开始排气，由于排气门531是较狭长的排气门531，因此排气时间相对较长，这对排气有利；随着活塞组轮5惯性运转直到燃烧室52运转到下一喷油气咀533位置时继续下一轮燃烧循环。

因燃烧室分了两种，另一种带移动活塞块的燃烧室(如图4参考图6B所示)，当燃烧室52’运转到喷油气咀533位置时，经预热后的高压油气喷入燃烧室52’，由于燃烧室52’带有移动活塞块522’，移动活塞块522’将其后移动活塞弹簧523’压缩，燃烧室52’体积扩大，燃烧时可充入更多的高压油气。当排气时，由于燃烧室52’内压力迅速降低，当小于其后移动活塞弹簧523’弹力及惯性力的综合力时，移动活塞弹簧523’推动移动活塞块522’移动，将燃烧室52’体积压缩到最小，这样既有利于排气又增加了燃烧室52’体积。在发动机启动成功后，当其在怠速状态下运行，可只给一个燃烧室52’供气及减少燃油供给；当在中速或中负载时可两燃烧室或更多供气及燃油，当大负载或高速时可全燃烧室供气及燃油，同时可根据速度及负载情况自动调节燃烧室的供气量及燃油量。

稳速及负载变化的调节(如图2所示)：当速度需增加或负载加大时，中央控制器10控制凸轮顶杆组20延其轴向运动，启动更多燃烧室工作，当情况相反时其凸轮顶杆组20动作相反。同时中央控制器10还联动控制发动机的供油气。

由于该发动机的结构特点，①使得该发动机的体积相对于活塞式发动机小得多，且结构也简单得多，其运行速度范围亦较活塞式发动机宽得多，无论是高速还是低速其输出性能均能达到最佳；②可使该机完全处于稀薄空气燃烧状态，其尾气排放指标将远优于现有活塞式发动机；③使得该发动机将燃料的能量利用率达到极致。

以上所述，仅是本发明结构较佳实施例而已，并非对本发明的技术范围作任何限制，故凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何细微修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (8)

1.一种新型旋转活塞式发动机，其特征在于：它主要由机壳、主传动轴、活塞组轮组成；所述的活塞组轮套接在主传动轴上，套接有活塞组轮的主传动轴可旋转的安装在机壳的内腔；所述的活塞组轮由旋转飞轮和至少一组燃烧室组成，所述的至少一组燃烧室设置在旋转飞轮圆周表面上且位于旋转飞轮同一横截面上；在机壳上对应旋转飞轮上的燃烧室处设置至少一组气门组，该气门组由排气门、火花塞、喷油气嘴组成，所述的喷油气嘴、火花塞、排气门顺主传动轮旋转方向依次布置；所述的燃烧室由燃烧腔、活塞环和活塞弹簧组成；所述的燃烧腔的内腔呈犁形，活塞环呈环桶形，活塞环活动套置在燃烧腔内腔，在活塞环的下端与燃烧腔内腔的底部之间设置活塞弹簧。

2.一种新型旋转活塞式发动机，其特征在于：它主要由机壳、主传动轴、活塞组轮组成；所述的活塞组轮套接在主传动轴上，套接有活塞组轮的主传动轴可旋转的安装在机壳的内腔；所述的活塞组轮由旋转飞轮和至少一组燃烧室组成，所述的至少一组燃烧室设置在旋转飞轮圆周表面上且位于旋转飞轮同一横截面上；在机壳上对应旋转飞轮上的燃烧室处设置至少一组气门组，该气门组由排气门、火花塞、喷油气嘴组成，所述的喷油气嘴、火花塞、排气门顺主传动轮旋转方向依次布置；所述的燃烧室由燃烧腔、活塞块、移动活塞弹簧、活塞环、活塞弹簧组成；所述的燃烧腔的内腔呈犁形，活塞环呈杯形，活塞环活动套置在燃烧腔内腔，活塞块活动套置活塞环内，在活塞块的下端与活塞环内腔的底部之间设置移动活塞弹簧，在活塞环的下端与燃烧腔内腔的底部之间设置活塞弹簧。

3.根据权利要求1或2所述的新型旋转活塞式发动机，其特征在于：在活塞组轮圆周上均匀设置有四个燃烧室，每个燃烧室的中心轴与燃烧组轮外缘切线成一定夹角。

4.根据权利要求1或2所述的新型旋转活塞式发动机，其特征在于：在机壳上对应旋转飞轮上的燃烧室处设置有四组气门组。

5.根据权利要求1或2所述的新型旋转活塞式发动机，其特征在于：它还包括油封、轴承、凸轮正时轮、主传动轮；在主传动轴上、活塞组轮的两侧分别套接轴承，主传动轴通过该轴承可旋转的安装在机壳的内腔的轴承座上且其一端伸出机壳外与主传动轮套接，构成主传动轴的动力输出段；在两轴承的外侧、机壳内腔的两出口处分别安装油封；所述的凸轮正时轮套接在主传动轴上且位于动力输出端的油封和轴承之间。

6.根据权利要求1或2所述的新型旋转活塞式发动机，其特征在于：在机壳上水腔处安装有对活塞组轮进行喷淋冷却的喷水嘴；在机壳上油腔处安装有对主轴进行润滑的喷机油咀。

7.根据权利要求1或2所述的新型旋转活塞式发动机，其特征在于：在机壳排气门处安装有排气管，排气管中装有油气路热交换器，还串接有废气涡轮增压机系统。

8.根据权利要求1或2所述的新型旋转活塞式发动机，其特征在于：所述的活塞组轮旋转飞轮的外缘与机壳内腔壁之间设有高耐磨油水封。

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