CN101818685A - 一种四角旋转活塞发动机 - Google Patents

Abstract

一种四角旋转活塞发动机，它由前缸盖、汽缸、后缸盖、轴承、活塞、传动活塞、主轴、密封件、小轴承、传动销、活塞销和弹簧片组成，其位置连接关系是：小轴承安装在活塞和传动活塞的内孔内，安装好小轴承的一对活塞和一对传动活塞组成一个类正方形件，活塞销穿过小轴承内孔，用传动销连接传动活塞和主轴；弹簧片分别放在活塞、传动活塞的矩形槽内，将密封件放在弹簧片上；轴承安装在前后缸盖的内孔内，将连接好的活塞、传动活塞、主轴、密封件、小轴承、传动销、活塞销、弹簧片形成一个转子总承放入汽缸内；将前后缸盖分别套进主轴的前后端，用螺丝和螺母将前后缸盖和汽缸紧密相连。本发明结构新颖，构思科学，是一种具有多种用途的新型发动机。

Description

一种四角旋转活塞发动机

技术领域

本发明涉及一种发动机，尤其涉及一种四角旋转活塞发动机，属于内燃机技术领域。

背景技术

通常意义上的转子发动机是指三角转子发动机，也叫汪克尔发动机，是由德国人菲加士·汪克尔所发明，他在总结前人研究成果的基础上，解决了一些关键性的技术问题，研制成功了第一台转子发动机。转子发动机采用三角转子旋转运动来控制压缩和排放。

这种三角转子发动机与传统的往复活塞发动机相比，振动大大减小，同时功率密度更高，没有直线往复运动的部件，没有复杂的进排气机构，减少了功率损失，结构相对简单、重量轻。但是该发动机之所以没有在民用领域大规模发展，原因在于几点：一是发动机的密封困难，磨损严重；二是发动机有一个2∶3的增速比，使得发动机的转速很高，而扭矩很小，不便于推广应用；三是部件加工、维护困难。而日本马自达公司在过去的几十年里，致力于攻克这些难关，使得密封和磨损问题得到了解决，但如扭矩小转速高这类转子发动机天生的缺陷是难以改变的，同时该发动机由于转子的偏心距的存在，仍然存在振动，为了平衡振动要设置平衡块，这更增加了发动机自身的重量，并且平衡效果并不理想，振动在所难免。

同样基于转子发动机这一特有的旋转活塞形式，为了彻底消除转子的振动，使转子活塞始终围绕其形心旋转，就产生了四角旋转活塞发动机，它从设计初期彻底的消除了运动件的振动(理论上讲)，同时它的结构型式更加简单，零件种类更少。并且转子活塞与主轴之间的转速比是1∶1，转速相对三角转子发动机来讲更低，扭矩则更高，解决了制约转子发动机大规模推广的瓶颈问题。在汽车等其他民用机械动力领域上有较好的应用前景。

发明内容

1.发明目的

本发明的目的是提供一种四角旋转活塞发动机，它应用四角旋转活塞彻底地取代往复直线运动活塞，克服了传统曲轴内燃机的振动大的不足，是一种可平稳地提供功率密度较高的做功能力、结构简单、零件种类少、功重比大和原理十分简单的新型发动机。

2.技术方案

如图1、图2和图3所示，本发明一种四角旋转活塞发动机，它由前缸盖1、汽缸2、后缸盖3、轴承4、活塞5、传动活塞6、主轴7、密封件8、小轴承9、传动销10、活塞销11和弹簧片12组成，其位置连接关系是：小轴承9安装在活塞5和传动活塞6的三个内孔内，安装好小轴承9的一对活塞5和一对传动活塞6组成一个类正方形件，活塞5和传动活塞6的凹面朝向类正方形件的内侧，活塞5和传动活塞6的上的小轴承9内孔分别同心对齐，将活塞销11穿过所有的小轴承9内孔，使得该类正方形件可以绕活塞销11自由变化为菱形；将主轴7的两个内孔与传动活塞6的大耳片上的内孔对齐，并位于两个大耳片的中间位置，用传动销10连接传动活塞6和主轴7；将弹簧片12分别放在活塞5、传动活塞6的矩形槽内，弹簧片12的凹面朝向矩形槽的外侧，将密封件8分别放在弹簧片12上，使密封件8的圆弧面一侧朝外；连接好的活塞5、传动活塞6、主轴7、密封件8、小轴承9、传动销10、活塞销11、弹簧片12形成一个单元体，即转子总承，如图3所示；将轴承4安装在前缸盖1和后缸盖3的内孔内，将转子总承放入汽缸2内，使密封件8的圆弧面与汽缸2内壁接触；将前缸盖1和后缸盖3分别套进主轴7的前端和后端，使前缸盖1和后缸盖3带有散热片的一侧朝向汽缸外侧，用螺丝和螺母将前缸盖1、汽缸2和后缸盖3紧密相连。

所述的前缸盖1如图4所示，由板状体、圆筒体和散热片三部分组成，板状体为一中间带圆孔的板状零件，四周设有11个通孔，通孔处板状体设有突起；板状体一侧与圆筒体同心相连，在圆筒体四周设有梯形散热片，梯形散热片的底边与侧边分别与板状体和圆筒体相连；

所述的汽缸2如图5所示，由类椭圆状筒体、散热片、点火口、进气口和排气口组成，类椭圆状筒体外壁的四周设有11个通孔，通孔处外壁设置突起；类椭圆状筒体外壁的四周设有若干个矩形块状散热片，类椭圆状筒体长径一侧设有带通孔的圆柱形点火口，相对另一侧设有带通孔的圆柱形进气口和排气口；

所述的后缸盖3如图6所示，由板状体、圆筒体和散热片三部分组成，板状体为一中间带圆孔的板状零件，四周设有11个通孔，通孔处板状体设有突起；板状体一侧与圆筒体同心相连，在圆筒体四周设有梯形散热片，梯形散热片的底边与侧边分别与板状体和圆筒体相连；

所述的轴承4是两面带密封圈的深沟球轴承，其内径为6mm，外径为15mm，厚度为5mm；

所述的活塞5如图7所示，为一弧形状柱体，柱体一侧设有两个耳片，该两个耳片外侧又设有矩形槽；柱体另一侧设有一个耳片；所有耳片上均设有通孔；

所述的传动活塞6如图8所示，为一弧形状柱体，柱体一侧设有两个耳片，该两个耳片外侧设置矩形槽；柱体另一侧设有一个耳片；所有耳片上均设有通孔；弧形状柱体的内凹面上设有两个半圆形大耳片，该半圆形大耳片上设有通孔；

所述的主轴7如图9所示，为一圆柱体，圆柱体的中间位置上设置一个与之垂直的腰子形摇臂，腰子形摇臂外侧设有两个通孔；

所述的密封件8为一矩形板块，矩形板块的一侧长边设置为圆弧状，其圆弧状与汽缸2的类椭圆状筒体内壁接触起密封作用；

所述的小轴承9为深沟球轴承，内径为1.5mm，外径为3mm，厚度为1mm；

所述的传动销10为一直径为3mm高度为13.5mm的圆柱体；

所述的活塞销11为一直径为1.5mm高度为13.5mm的圆柱体；

所述的弹簧片12为一凹状矩形条，厚度为0.5mm；其材料为合金弹簧钢；

其中，该轴承4的数量是2件；

其中，该活塞5的数量是2件；

其中，该传动活塞6的数量是2件；

其中，该密封件8的数量是4件；

其中，该小轴承9的数量是12件；

其中，该传动销10的数量是2件；

其中，该活塞销11的数量是4件；

其中，该弹簧片12的数量是4件；

其中，该前缸盖1、后缸盖3在圆筒体四周设有梯形散热片的数量各为10个。

如图10所示为该四角旋转活塞发动机的工作过程示意图，a图为进气过程，转子总承为逆时针旋转，仅考虑图中打剖面线的腔体，此时该腔体吸取由进气口进入的燃气混合气；b图为压缩过程，该过程腔体中的燃气混合气在密闭的腔体中被压缩；c图为点火过程，该过程腔体中的燃气混合气已具有足够的压强，在热火头的红热状态作用下，燃气混合气被点燃爆炸；d图为做功过程，爆炸的燃气混合气推动传动活塞6使其带动转子总承继续逆时针旋转，并使主轴为外界做功；e图为排气过程，该过程腔体内燃烧过的废气从排气口排出；以上分别叙述了转子总承旋转过程中每一个腔体的情况，而另外三个腔体只是相位依次向后推迟90度，因此形成了四个腔体依次吸入燃气混合气、依次压缩、依次点火、依次推动转子总承做功、依次排气的过程，从而连续地使转子总承做逆时针旋转。

其中前缸盖和后缸盖的材料用硬铝铸造加工；汽缸的材料可用硬铝或45#钢，用铸造加工；活塞和传动活塞的材料用超硬铝、45#钢或高强度合金；主轴材料用45#钢；传动销和活塞销的材料用45#钢；弹簧片的材料用弹簧钢加工；密封件用耐磨合金制造。

发动机使用的燃料为甲醇与蓖麻油以5∶1的比例配合而成，其中甲醇燃烧，蓖麻油用作部件的润滑。也可以使用乙醇与蓖麻油以5∶1的比例配合而成的燃料。汽缸2点火口处装有热火头，在启动时用锂电池通电，热火头的铂丝通电变红，产生较高的热量，这时用外力使主轴7转动，使汽缸2中的燃气混合气压缩，压缩到一定的压缩比后在热铂丝作用下点燃，点燃后发动机正常运转，平稳运转后，热火头撤掉通电，由于燃气自身的热量使铂丝持续的保持着红热状态，而使之后的每次点火都不需要外加电源。这种启动点火方式十分简单有效。

3.优点和功效

(1)运转平稳，无振动，噪声小。由于本发动机在运转过程中，活塞转子始终是围绕着转子总成的形心即质心旋转的，因此在忽略加工误差的情况下，可以认为发动机不存在振动，这使得发动机运转十分平稳，大大提高了整机的可靠性，并降低了由于振动产生的噪声。

(2)功率密度高，可提供连续的做功能力。该发动机转子活塞旋转一周四个封闭腔依次点火做功，因此在同等排量的情况下功率密度是普通四冲程发动机的八倍，与此同时活塞做功过程更密集，大大提高了做功的连续性，也降低了发动机对飞轮惯性的依赖。

(3)输出扭矩较大，转速适当。与以往的三角转子发动机相比该四角旋转活塞发动机转子旋转一圈主轴即旋转一圈，并没有增速降扭矩的过程，因此更适用于在汽车等机械上的应用，解决了制约转子发动机大规模应用的最关键问题。

(4)结构简单，零部件种类少，整机重量轻。由于其将燃料爆炸的能量转化为旋转运动所采用的特殊方式，导致其结构较为简单，转子为轴对称型式，零部件种类少；此外，由于省去了平衡块的应用，整机的重量也减轻很多。

(5)减少了往复件带来的功率损失，功耗小，经济性好。由于该发动机没有直线往复件，例如直线往复的活塞以及进气门排气门等，因此减少了有害的功率损失，功耗小，经济性好。

(6)对于新能源如氢气、乙醇等有较好的兼容性，适用于未来的新能源发动机应用领域。由于转子发动机固有的特性即进排气简单、燃烧前燃料和空气有较长时间的混合过程，这些都为氢气燃料以及乙醇燃料的应用提供了可能性，可以推测，该发动机只需做出较小的改动即能适用于各种新型能源。

附图说明

图1：为本发明四角旋转活塞发动机的爆炸视图

图2：为本发明四角旋转活塞发动机的外观立体图

图3：转子总承立体图

图4：前缸盖立体图

图5：汽缸立体图

图6：后缸盖立体图

图7：活塞立体图

图8：传动活塞立体图

图9：主轴立体图

图10：本发明工作过程示意图(a进气过程；b压缩过程；c点火过程；d做功过程；e排气过程)

图中符号说明如下：

1、前缸盖；2、汽缸；3、后缸盖；4、轴承；5、活塞；6、传动活塞；7、主轴；8、密封件；9、小轴承；10、传动销；11、活塞销；12、弹簧片；

具体实施方式

如图1、图2和图3所示，本发明一种四角旋转活塞发动机，它由前缸盖1、汽缸2、后缸盖3、轴承4、活塞5、传动活塞6、主轴7、密封件8、小轴承9、传动销10、活塞销11和弹簧片12组成，其位置连接关系是：小轴承9安装在活塞5和传动活塞6的三个内孔内，安装好小轴承9的一对活塞5和一对传动活塞6组成一个类正方形件，活塞5和传动活塞6的凹面朝向类正方形件的内侧，活塞5和传动活塞6的上的小轴承9内孔分别同心对齐，将活塞销11穿过所有的小轴承9内孔，使得该类正方形件可以绕活塞销11自由变化为菱形；将主轴7的两个内孔与传动活塞6的大耳片上的内孔对齐，并位于两个大耳片的中间位置，用传动销10连接传动活塞6和主轴7；将弹簧片12分别放在活塞5、传动活塞6的矩形槽内，弹簧片12的凹面朝向矩形槽的外侧，将密封件8分别放在弹簧片12上，使密封件8的圆弧面一侧朝外；连接好的活塞5、传动活塞6、主轴7、密封件8、小轴承9、传动销10、活塞销11、弹簧片12形成一个单元体，即转子总承，如图3所示；将轴承4安装在前缸盖1和后缸盖3的内孔内，将转子总承放入汽缸2内，使密封件8的圆弧面与汽缸2内壁接触；将前缸盖1和后缸盖3分别套进主轴7的前端和后端，使前缸盖1和后缸盖3带有散热片的一侧朝向汽缸外侧，用螺丝和螺母将前缸盖1、汽缸2和后缸盖3紧密相连。

所述的前缸盖1如图4所示，由板状体、圆筒体和散热片三部分组成，板状体为一中间带圆孔的板状零件，四周设有11个通孔，通孔处板状体设有突起；板状体一侧与圆筒体同心相连，在圆筒体四周设有梯形散热片，梯形散热片的底边与侧边分别与板状体和圆筒体相连；前缸盖1的材料是硬铝。

所述的汽缸2如图5所示，由类椭圆状筒体、散热片、点火口、进气口和排气口组成，类椭圆状筒体外壁的四周设有11个通孔，通孔处外壁设置突起；类椭圆状筒体外壁的四周设有16个矩形块状散热片，类椭圆状筒体长径一侧设有带通孔的圆柱形点火口，相对另一侧设有带通孔的圆柱形进气口和排气口；汽缸2的材料为硬铝。

所述的后缸盖3如图6所示，由板状体、圆筒体和散热片三部分组成，板状体为一中间带圆孔的板状零件，四周设有11个通孔，通孔处板状体设有突起；板状体一侧与圆筒体同心相连，在圆筒体四周设有梯形散热片；梯形散热片的底边与侧边分别与板状体和圆筒体相连；后缸盖3的材料是硬铝。

所述的轴承4是两面带密封圈的深沟球轴承，其内径为6mm，外径为15mm，厚度为5mm。

所述的活塞5如图7所示，为一弧形状柱体，柱体一侧设有两个耳片，该两个耳片外侧又设有矩形槽；柱体另一侧设有一个耳片，所有耳片上均设有内径为3mm的通孔；活塞5的材料是超硬铝。

所述的传动活塞6如图8所示，为一弧形状柱体，柱体一侧设有两个耳片，该两个耳片外侧设置矩形槽；柱体另一侧设有一个耳片，所有耳片上均设有内径为3mm的通孔；弧形状柱体的内凹面上设有两个半圆形大耳片，该半圆形大耳片上设有内径为3mm的通孔；传动活塞6的材料是超硬铝。

所述的主轴7如图9所示，为一圆柱体，圆柱体的中间位置上设置一个与之垂直的腰子形摇臂，腰子形摇臂外侧设有两个内径为3mm的通孔；主轴的材料为45#钢。

所述的密封件8为一矩形板块，矩形板块的一侧长边设有半径为1mm的圆弧；其圆弧与与汽缸2的类椭圆状筒体内壁接触起密封作用；密封件8的材料为锰钢。

所述的小轴承9为深沟球轴承，内径为1.5mm，外径为3mm，厚度为1mm。

所述的传动销10为一外径为3mm高度为13.5mm的圆柱体；传动销10的材料为45#钢。

所述的活塞销11为一外径为1.5mm高度为13.5mm的圆柱体；活塞销11的材料为45#钢。

所述的弹簧片12为一凹状矩形条，厚度为0.5mm；弹簧片12的材料为合金弹簧钢。

其中，该轴承4的数量是2件；

其中，该活塞5的数量是2件；

其中，该传动活塞6的数量是2件；

其中，该密封件8的数量是4件；

其中，该小轴承9的数量是12件；

其中，该传动销10的数量是2件；

其中，该活塞销11的数量是4件；

其中，该弹簧片12的数量是4件；

其中，该前缸盖1、后缸盖3在圆筒体四周设有梯形散热片的数量各为10个。

如图10所示为该四角旋转活塞发动机的工作过程示意图，a图为进气过程，转子总承为逆时针旋转，仅考虑图中打剖面线的腔体，此时该腔体吸取由进气口进入的燃气混合气；b图为压缩过程，该过程腔体中的燃气混合气在密闭的腔体中被压缩；c图为点火过程，该过程腔体中的燃气混合气已具有足够的压强，在热火头的红热状态作用下，燃气混合气被点燃爆炸；d图为做功过程，爆炸的燃气混合气推动传动活塞6使其带动转子总承继续逆时针旋转，并使主轴为外界做功；e图为排气过程，该过程腔体内燃烧过的废气从排气口排出；以上分别叙述了转子总承旋转过程中每一个腔体的情况，而另外三个腔体只是相位依次向后推迟90度，因此形成了四个腔体依次吸入燃气混合气、依次压缩、依次点火、依次推动转子总承做功、依次排气的过程，从而连续地使转子总承做逆时针旋转。

发动机使用的燃料为甲醇与蓖麻油以5∶1的比例配合而成，其中甲醇燃烧，蓖麻油用作部件的润滑。汽缸2点火口处装有热火头，在启动时用锂电池通电，热火头的铂丝通电变红，产生较高的热量，这时用外力使主轴7转动，使汽缸2中的燃气混合气压缩，压缩到一定的压缩比后在热铂丝作用下点燃，点燃后发动机正常运转，平稳运转后，热火头撤掉通电，由于燃气自身的热量使铂丝持续的保持着红热状态，而使之后的每次点火都不需要外加电源。这种启动点火方式十分简单有效。

实践证明，这种四角旋转活塞发动机具有广阔的应用和发展前景。

Claims (10)

1.一种四角旋转活塞发动机，其特征在于：它由前缸盖(1)、汽缸(2)、后缸盖(3)、轴承(4)、活塞(5)、传动活塞(6)、主轴(7)、密封件(8)、小轴承(9)、传动销(10)、活塞销(11)和弹簧片(12)组成；其位置连接关系是：该小轴承(9)安装在活塞(5)和传动活塞(6)的三个内孔内，安装好小轴承(9)的一对活塞(5)和一对传动活塞(6)组成一个类正方形件，该活塞(5)和传动活塞(6)的凹面朝向类正方形件的内侧，活塞(5)和传动活塞(6)的上的小轴承(9)内孔分别同心对齐后，将活塞销(11)穿过所有的小轴承(9)内孔，使得该类正方形件可以绕活塞销(11)自由变化为菱形；将主轴(7)的两个内孔与传动活塞(6)的大耳片上的内孔对齐，并位于两个大耳片的中间位置，用传动销(10)连接传动活塞(6)和主轴(7)；将弹簧片(12)分别放在活塞(5)、传动活塞(6)的矩形槽内，弹簧片(12)的凹面朝向矩形槽的外侧，将密封件(8)分别放在弹簧片(12)上，使密封件(8)的圆弧面一侧朝外；连接好的活塞(5)、传动活塞(6)、主轴(7)、密封件(8)、小轴承(9)、传动销(10)、活塞销(11)、弹簧片(12)形成一个单元体，即转子总承；将轴承(4)安装在前缸盖(1)和后缸盖(3)的内孔内，将转子总承放入汽缸(2)内，使密封件(8)的圆弧面与汽缸(2)内壁接触；将前缸盖(1)和后缸盖(3)分别套进主轴(7)的前端和后端，使前缸盖(1)和后缸盖(3)带有散热片的一侧朝向汽缸外侧，用螺丝和螺母将前缸盖(1)、汽缸(2)和后缸盖(3)紧密相连；

所述的前缸盖(1)，由板状体、圆筒体和散热片三部分组成，板状体为一中间带圆孔的板状零件，四周设有11个通孔，通孔处板状体设有突起；板状体一侧与圆筒体同心相连，在圆筒体四周设有梯形散热片，梯形散热片的底边与侧边分别与板状体和圆筒体相连；

所述的汽缸(2)，由类椭圆状筒体、散热片、点火口、进气口和排气口组成，类椭圆状筒体外壁的四周设有11个通孔，通孔处外壁设置突起；类椭圆状筒体外壁的四周设有多个矩形块状散热片，类椭圆状筒体长径一侧设有带通孔的圆柱形点火口，相对另一侧设有带通孔的圆柱形进气口和排气口；

所述的后缸盖(3)，由板状体、圆筒体和散热片三部分组成，板状体为一中间带圆孔的板状零件，四周设有11个通孔，通孔处板状体设有突起；板状体一侧与圆筒体同心相连，在圆筒体四周设有梯形散热片，梯形散热片的底边与侧边分别与板状体和圆筒体相连；

所述的轴承(4)是两面带密封圈的深沟球轴承，其内径为6mm，外径为15mm，厚度为5mm；

所述的活塞(5)，为一弧形状柱体，柱体一侧设有两个耳片，该两个耳片外侧又设有矩形槽；柱体另一侧设有一个耳片；所有耳片上均设有通孔；

所述的传动活塞(6)，为一弧形状柱体，柱体一侧设有两个耳片，该两个耳片外侧设置矩形槽；柱体另一侧设有一个耳片；所有耳片上均设有通孔；弧形状柱体的内凹面上设有两个半圆形大耳片，该半圆形大耳片上设有通孔；

所述的主轴(7)，为一圆柱体，圆柱体的中间位置上设置一个与之垂直的腰子形摇臂，腰子形摇臂外侧设有两个通孔；

所述的密封件(8)为一矩形板块，矩形板块的一侧长边设置为圆弧状，其圆弧状与汽缸(2)的类椭圆状筒体内壁接触起密封作用；

所述的小轴承(9)为深沟球轴承，内径为1.5mm，外径为3mm，厚度为1mm；

所述的传动销(10)为一直径为3mm高度为13.5mm的圆柱体；

所述的活塞销(11)为一直径为1.5mm高度为13.5mm的圆柱体；

所述的弹簧片(12)为一凹状矩形条，厚度为0.5mm。

2.根据权利要求1所述的一种四角旋转活塞发动机，其特征在于：该轴承(4)的数量是2件。

3.根据权利要求1所述的一种四角旋转活塞发动机，其特征在于：该活塞(5)的数量是2件。

4.根据权利要求1所述的一种四角旋转活塞发动机，其特征在于：该传动活塞(6)的数量是2件。

5.根据权利要求1所述的一种四角旋转活塞发动机，其特征在于：该密封件(8)的数量是4件。

6.根据权利要求1所述的一种四角旋转活塞发动机，其特征在于：该小轴承(9)的数量是12件。

7.根据权利要求1所述的一种四角旋转活塞发动机，其特征在于：该传动销(10)的数量是2件。

8.根据权利要求1所述的一种四角旋转活塞发动机，其特征在于：该活塞销(11)的数量是4件。

9.根据权利要求1所述的一种四角旋转活塞发动机，其特征在于：该弹簧片(12)的数量是4件。

10.根据权利要求1所述的一种四角旋转活塞发动机，其特征在于：该前缸盖(1)、后缸盖(3)在圆筒体四周设有梯形散热片的数量各为10个。

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