CN101852121A - 环缸转子发动机 - Google Patents

Abstract

一种环缸转子发动机，由转子与定子组成。转子与定子之间的空间为环形燃烧室，转子上安装有8个活塞且分为2组在环形燃烧室内做逐步交替换位转动，环形燃烧室被活塞分割成8个汽缸，运转时，当一组活塞前进时，另一组活塞静止。使环形燃烧室内一组汽缸容积在减小，另一组汽缸容积在增大。彼此间容积发生变化从而实现4个冲程。8个汽缸中，对置的2个汽缸冲程相同，膨胀力是通过转子内的连接构件传递给齿轮曲轴的，再由齿轮曲轴传递给输出轴从而使输出轴不断的旋转。

Description

环缸转子发动机

一技术领域

本发明涉及一种环缸转子发动机，尤其是涉及一种功率重量比大，无震动，且节省燃油，应用于大马力设备的发动机。

二背景技术

目前现有的发动机中，技术较成熟的发动机主要是车用的往复活塞式发动机及三角转子式发动机。航空用的发动机主要为应用于飞机的燃气轮机，应用于导弹的冲压喷射发动机及脉冲喷射式发动机。另外未被广泛应用的发动机有能量转化率高的斯特林发动机，运转时无震动的奎西发动机及节省燃油的六冲程发动机。

其中往复活塞式发动机经过了尽百年的改进，设计与制造已经达到了相当高的水平。不过还存在着很大的缺陷。比如使用任何方式排列汽缸，都使整机功率与重量比太小。复杂的进气阀门与排气阀门使发动机能量转化率降低，重量增加，体积与噪音增大。活塞的往复式运动所产生的惯性使整机极限转速降低。动力传动方式使整机扭力很小，当应用在重型设备上时，只能牺牲转速来提高扭力。做功过程中，曲轴的力臂变化使整机动力曲线呈余弦式，使整机能量转化率大幅度降低。

其中三角转子式发动机的极限转速较高，进气与排气不需要复杂的阀门机构，功率与重量比较往复式发动机出色，但其也存在着很大的不足。比如油耗过大，燃烧不充分。因为三角转子发动机使用的传动机构为内齿轮式，作用在转子侧面的膨胀压力被分为两个力。一个力推动输出轴旋转，而另一个力指向输出轴中心，从而导致整机的扭力极小。因为其汽缸狭长而使燃烧率过低从而导致转化率降低。再加上转子运转时产生的震动与使用特殊形状汽缸及密封问题都不同程度的增加了加工与生产的难度。所以推广不容易，且不能被用在民用车上，只能被使用在赛车上。

另外航空发动机是向后喷射高温高压气体产生动力，所以不能被安装在地面车辆上。斯特林发动机属于外燃机，虽然转化率高，但是其产生的扭力低的惊人。根本不能被用在实践生活中。奎西发动机，是利用爆震来工作的。虽然无震动且燃烧效率好，但是其扭矩低，还处于实验阶段。六冲程发动机是其中一个冲程喷水来做功，虽然节省燃油，但是使用一般材料很容易受腐蚀，整机耐久性弱，需要特殊的材料才能加工制作。

三发明内容

为了克服现有发动机的各种缺陷，本发明提供了一种全新结构的发动机。该发动机体积很小，但输出的功率与扭力却相当大，运转时不产生震动。适合安装于空间有限的大马力设备。该机运转过程中产生的摩擦力很小，活塞的压缩比高，且惯性可传递。汽缸形状与点火方式使气体燃烧充分。整机换气无阀门机构，且其密封、润滑、冷却都非常容易。该发动机做功曲线不同于以往发动机，能量转化效率高。整机结构紧凑，部件很少，不需要特殊材料很容易生产制造。

本发明解决其技术问题，采用的全新的技术方案。发动机由两大部分组成，一部分为转子总成，一部分为定子总成。运转时转子总成在定子总成内做无偏心转动并实现四个冲程的原理来构成发动机。当安装发动机时，只需将转子安装在上下两个壳体内部，并用螺栓将两个壳体固定即可。构成转子的部件包括，中心输出轴、套在输出轴上两个圆盘形活塞座、每个活塞座的外围用螺栓对称固定4个活塞、活塞座侧面对置180度打2个洞，并贯穿放置2个齿轮曲轴。齿轮曲轴与输出轴并行，它的上下两个端点被2个曲柄固定在输出轴上，并与壳体上的大齿轮相啮合。壳体大齿轮与齿轮曲轴的齿轮比为4∶1。转动时，齿轮曲轴带动输出轴公转的同时，自身自转。实现将活塞扭力传递给齿轮曲轴有4种构件。它们分别为滑轮式，直线轴承式，反转连杆式，正转连杆式，其中滑轮与直线轴承表现为扭矩较大。正反连杆式表现为转速较高。另外当增加输出轴长度，增加活塞座与活塞数量，并增加其他构件数量可将转子总成改为双转子，三转子或更多转子。构成定子的构件包括上下两个壳体，每个壳体上有与输出轴同轴的大齿轮，火花塞，由两个壳体拼合成的2对进气孔与排气孔。壳体内部有环形汽缸壁，壳体外围为发动机的散热片，可选择风冷或水冷。发动机的燃烧室由转子的环形外壁与定子的环形内壁构成，其形状为一个闭合的面包圈状的环形腔体，由位于活塞座与活塞上的多个密封环来密封。两组活塞将环形燃烧室分割成8个汽缸，活塞在环形燃烧室内做逐步交替换位转动，运转中活塞的运动只有前进与停止，无往复运动，使两组汽缸容积发生周期性变化从而实现4个冲程。整机中心部位为转动系，燃烧系位于传动系外围，并环绕转动系，冷却系在最外圈。

本发明显著的有益效果是。

1.转子在定子内做单方向无偏心转动，使整机几乎无震动。

2.汽缸密封是由活塞座与活塞上的密封环来密封，且密封环都为环形，转子上的活塞在燃烧室内的运动是无偏心转动使整机摩擦阻力极小，从而增加了能量转化效率。

3.本发明无需设计气门阀门机构，只需在壳体外围打孔来做进气孔与排气孔，且进排气完全正时，从而增加换气效率。

4.本发明活塞间的运动是逐步交替换位转动的，活塞在运动时惯性是可以传递的，从而增大能量转化效率。

5.在环形燃烧室内被安排了8个汽缸，汽缸的形状为弧形柱状，压缩后的气体通过2个火花塞来点火，所以燃料的燃烧相当充分，减少污染。

6 齿轮曲轴可以安装的转子内部，使体积大幅度减少。活塞的两侧都在做功，所以机械利用率高。当输出轴转动一周时，汽缸膨胀16次，每对置的2对汽缸同时膨胀，单转子发动机相当于直列16缸发动机，体积却比4缸发动机还小，所以本发明功率重量比很大。

7.壳体齿轮与齿轮曲轴的齿轮比为4∶1，单个活塞做工时，输出轴扭力是活塞扭力的4倍，因为对置的两个汽缸冲程相同，所以输出轴扭力是汽缸做功时扭力的8倍。1台本发动机的扭力相当于8台普通四缸发动机的扭力。

8.因为本发明采用了齿轮曲轴的公转与自转来传递动力，汽缸做工时，有效动力是气体作用在汽缸两侧活塞上动力的差值。汽缸两侧活塞的力臂是变化的，汽缸的有效力臂接近0时，力臂的长度是递减的。使发动机的动力曲线是连续的抛物线式，不同于现有发动机的余弦式。使本发动机能量转化率较比现有发动机高很多。

9.本发明的传动机构中，提供了4种不同传动方式，各有优势。当对应不同环境时，可以更换不同的传动方式来达到相应的目的。

10.本发明是由转子与定子两部分构成，所以安装与维修极其容易。

11.活塞是用螺栓固定在转子上的，当改变活塞的厚度时，可改变汽缸的压缩比，最高可达70∶1，所以本机可使用压燃动力，即柴油动力，为使用者节省使用费用。

12.本发明可设计成双转子，三转子，等多转子机型。使整机功率大幅度提升。双转子相当于32缸发动机，三转子相当于48缸发动机，从而应在于特殊环境。

13.当汽缸做压缩冲程时，气体并不接触火花塞孔，当气体压缩结束时，压缩气体才到达火花塞孔位置，所以火花塞可持续打火，并可以用火花塞孔在燃烧室内的位置来精确控制点火提前角，从而降低了点火提前角控制难度。

14.当改变转子的半径时，可改变活塞的行程距离，使转速增加。当改变活塞的半径或厚度时可改变整机的排量及压缩比，所以本发明调节排量容易，当增加材料强度时可将排量设计的更大来达到超大功率的目的。

15.本发明中传动系、燃烧系、与冷却系各系分部独立，传动系与燃烧系在壳体内部，由转子与壳体上的密封环来分隔，传动系呈柱状在中心部位，燃烧系成环状环绕传动系。冷却系在外部可使用风冷或水冷。所以本发明中润滑、换气、冷却各系统制造简单，控制容易。

16.本发明是四冲程原理的发动机，当将环形汽缸外围的进气门与排气门由2对改为4对时，可很容易的将发动机改为泵体或气动设备。

17.本发明启动容易，活塞的逐步交替换位转动与输出轴的匀速转动可以互逆，所以启动发动机时，直接转动输出轴即可。

18.本发明部件极少，要求精度较三角转子发动机低，生产与制造简单容易。

四附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1整机外观图

图2转子总成图

图3定子总成图

图4整机透视结构图

图5整机三大系统示意图

图6活塞与燃烧室关系顶视图

图7活塞座安装示意图

图8活塞座结构图

图9单个活塞结构图

图10转子总成剖面图

图11转子总成组装示意图

图12汽缸密封系统示意图

图13齿轮曲轴位于同侧示意图

图14齿轮曲轴位于内部示意图

图15双转子总成示意图

图16三转子总成示意图

图17活塞逐步交替换位原理图

图18活塞逐步交替换位原理表

图19滑轮式连接机构及齿轮比例图

图20滑轮式传动的整机内部图

图21直线轴承式连接机构及齿轮比例图

图22直线轴承传动的整机内部图

图23反转连杆式连接机构及齿轮比例图

图24反转连杆式传动整机内部图

图25正转连杆式连接机构及齿轮比例图

图26正转连杆式传动整机内部图

图27发动机四冲程做功原理图

图28发动机四冲程做功表

图29发动机动力曲线示意图

图中1.输出轴 2.输出轴曲柄 2a.组合式曲柄 2b 特殊曲柄 3.大星齿轮曲轴 3a.小星齿轮曲轴 4.活塞座 4a 上活塞座简图 4b 下活塞座简图 5.活塞 6.轴承螺栓 7.曲柄螺栓 8.壳体 9.火花塞 10.壳体螺栓孔 11.壳体螺栓 12.排气孔 13.进气孔 14.壳体内齿轮 14a.壳体太阳齿轮15.齿轮螺栓 16.定子轴承 17.壳体密封垫 18.散热器 19.壳体环形凹槽 20.壳体止推环 21.曲柄键槽 22.转子环形外壁 23.壳体环形内壁 24.传动系 25.燃烧系 26.冷却系 27.火花塞孔 28.汽缸 29.径向推力轴承 30.A组活塞 31.B组活塞 32.活塞座外侧壁 33.连接件螺栓孔 34.连接件凸头 35.活塞座内侧壁 36 内侧壁凹槽 37.活塞座边缘侧壁凹槽 38.活塞座空托 39.活塞座中心孔 40.曲轴洞 41.活塞侧裙 42活塞螺栓孔 43.活塞螺栓 44.活塞环凹槽 45.活塞气环 46.连杆小头孔 47.定子轴颈 48.键槽螺纹 49.输出轴键槽 50.输出轴螺纹 51.活塞座轴颈 52.曲轴连杆颈 53.轴承托 54.曲柄中心孔 55.曲轴孔 56.共用油环 57.共用气环 58.活塞座油环 59.活塞座气环 60.圆筒 61.滑轮轨道 62.组合式滑轮 63.连杆颈轴瓦 64.滑轮螺栓 65.直线导轨 66.组合式轴承座 67.直线滚珠轴承 68.轴承座螺栓 69连杆 70.连杆端盖 71.第一组齿轮比例 72.曲柄主件 73.曲柄端件 74.曲轴轴瓦 75端件螺栓 76.第二组齿轮比例。

五具体实施方式

1.环缸转子发动机的各种部件

如图1、2、3、4所示，本发动机由转子总成、定子总成、环形燃烧室三部分组成。图1为发动机整机、图2为转子总成、图3为定子总成、图4可看到转子总成与定子总成之间的环形燃烧室腔体。如图5所示，整机内部被密封环分割出两个系统，传动系(24)被封闭在内部中心部位成圆柱状，燃烧系(25)环绕传动系(24)，由转子环形外壁(22)与壳体环形内壁(23)组成的面包圈状环形腔体既是。冷却系(26)在整机的外部，由壳体外的散热片(18)构成。

如图10所示，构成转子总成的部件包括位于转子中心线处的输出轴(1)、输出轴上设置有轴承托(53)活塞座轴颈(51)输出轴螺纹(50)输出轴键槽(49)及键槽螺纹(48)，在输出轴两端，分别设置有定子轴颈(47)。输出轴上的轴承螺栓(6)及轴承托(53)之间固定了2个径向推力轴承(29)，此轴承可以将2个活塞座(4)对置并牢牢的固定在输出轴中心处。径向推力轴承(29)可以防止汽缸膨胀时两活塞座位移导致间隙过大从而产生的漏气的现象。输出轴两端设置有曲柄螺栓(7)用于固定输出轴曲柄(2)，此曲柄套在输出轴上且曲柄中心孔(54)内的曲柄键槽(21)与输出轴键槽(49)相契合使其不可绕输出轴转动。转子总成还包括套在输出轴上两个相互对置的活塞座(4)、如图7、8所示，每个活塞座外侧壁(32)上设置有连接件螺栓孔(33)连接件凸头(34)，当使用连杆式传动时，此凸头用于连接连杆小头孔(46)。活塞座的中心处设置有活塞座中心孔(39)，孔内设置有用于放置径向推力轴承(29)的活塞座孔托(38)，活塞座孔托用于将活塞座固定在输出轴上。每个活塞座的外围是1/4转子环形外壁(22)，转子环形外壁上间隔90度角放置了4个圆形活塞(5)，活塞用活塞螺栓(43)固定也可焊接在活塞座上。每个活塞上分别设置有活塞侧裙(41)形状为高出活塞一点，长度略小于活塞圆周的1/4。用于固定活塞时紧贴于活塞座上转子环形外壁(22)，活塞上还设有活塞螺栓孔(42)密封环凹槽(44)及活塞气环(45)。2个活塞座上的8个活塞可以被活塞座带动旋转，其运动轨迹线是一条闭合的环行线。转子总成上还包括与输出轴平行放置的2个齿轮曲轴，齿轮曲轴分大星齿轮曲轴(3)和小星齿轮曲轴(3a)，齿轮曲轴两端被曲柄固定，此曲柄分输出轴曲柄(2)与组合式曲柄(2a)。齿轮曲轴上设有对置180度的上下两个曲轴连杆颈(52)，并且齿轮曲轴上的齿轮外接位于壳体上的壳体内齿轮(14)，齿轮曲轴(3)可以通过输出轴曲柄(2)带动输出轴(1)旋转，并公转的同时，自身自转。如图13所示，齿轮曲轴的位置可以放在活塞座同侧，这时要在每活塞座上(4a)(4b)固定一个圆筒(60)，并将一个活塞座圆筒套在另一个活塞座圆筒上，将另一个活塞座圆筒套在输出轴上并用特殊曲柄(2b)固定，齿轮曲轴才方便动力输出。特殊曲柄(2b)形状依照齿轮曲轴位置而定，目的是固定齿轮曲轴，并使齿轮曲轴带动输出轴转动的同时外接位于壳体上的内齿轮(14)。如图14所示，为了减小整机体积，齿轮曲轴可以穿过活塞座，放在活塞座内部，这时两个活塞座(4a)(4b)并列套在输出轴上，每个活塞座要对置180度打2个曲轴洞(40)，使齿轮曲轴可以穿过，并使其在内部转动时不与活塞座相碰撞。如图7、8、12所示，在活塞座中心孔(39)处，分别被放置了径向推力轴承(29)，在两个活塞座内侧壁(35)上还对称设置了几排内侧壁凹槽(36)，凹槽内放置了用于密封且属于两个活塞座共用的共用油环(56)与共用气环(57)。另外在每个活塞座的外围与壳体接触的位置还分别设置了几排边缘侧壁凹槽(37)，凹槽内分别放置了用于密封的活塞座油环(58)与活塞座气环(59)。在活塞座的一侧活塞座外侧壁(32)上，还分别设置了连接活塞座(4)与齿轮曲轴(3)(3a)的用于动力传输的4种特殊构件如图19、图21、图23、图25，从而可以制作出四种不同类型的转子总成如图20、图22、图24、图26。以上所述的是单转子排列构成的转子总成。当大幅度提高整机功率时，可使用多转子排列，如图15双转子排列，如图16三转子排列。当使用多转子排列时，需要将输出轴加长，并增加活塞座轴颈数量等于转子数量乘2，增加输出轴曲柄数量为转子数量加1，需要增加齿轮曲轴长度，并增加连杆颈数量等于转子数量乘2.最后增加特殊连接件数量即可。

如图3、4所示，构成定子总成的部件包括上下两个对置的壳体(8)。每个壳体上包括一圈多个用于固定两壳体的壳体螺栓(11)及壳体螺栓孔(10)，壳体上设有固定转子总成的定子轴承(16)，固定转子时，定子轴承套在输出轴上的定子轴颈(47)上。壳体上还设有壳体密封垫(17)，壳体密封垫用于密封传动系。壳体外部为散热器(18)可用风冷散热或水冷散热，壳体内部边缘布置了1/4壳体环形内壁(23)。壳体内部还设有壳体环形凹槽(19)，及放置在凹槽内的壳体止推环(20)。壳体内部还设置有与转子总成上的齿轮曲轴相啮合的壳体内齿轮(14)或壳体太阳齿轮(14a)及固定齿轮的齿轮螺栓(15)。在壳体外部，对置180角分别放置了两套进气孔(13)与排气孔(12)，气孔无阀门，进气孔与排气孔是由上下两个壳体合并后拼合而成，且内部气孔间距要略大于活塞的厚度。壳体上对置180角分别放置了两套火花塞(9)一套两个，两个火花塞可先后打火或持续打火保证燃烧充分。使用持续打火时，控制火花塞孔(27)在燃烧室内的位置可以精确控制点火提前角。当转子总成使用多转子组合时，壳体被分割为多个段数并列排置，分割的段数为转子数量加一，壳体环形内壁(24)与转子环形外壁(22)所组成的燃烧室与转子数量一致，用螺栓将并列排置的壳体固定即可。当壳体外围的进气口(13)与排气口(12)由原来的两对改为间隔90度的四对时，可很容易的将发动机改为各种泵体及气动设备。

如图4、12所示，构成环形燃烧室的部件包括，转子环形外壁(22)，壳体环形内壁(23)形状为一个闭合环形的密封腔(24)，该腔体即为燃烧室。8个活塞在燃烧室内做单方向运动，使整个环形燃烧室被分割出8个空间即8个汽缸(28)，汽缸的形状为弧形柱状使气体燃烧充分，同时也可视为由8个收尾相连的汽缸组成一个闭合的面包圈状环形腔体，该腔体即为燃烧室。单个汽缸的容积可由活塞座的半径、活塞的厚度、及活塞的半径决定。环形燃烧室的密封系统由密封环来密封，密封环分为三类，第一类被放置在两个对置的活塞座的内部，此密封环为两个活塞座共用，分为共用油环(56)与共用气环(57)。第二类被放置在每个活塞座顶部边缘与壳体内壁接触的位置，分为活塞座油环(58)与活塞座气环(59)。第三类为壳体止推环(20)，被放置在壳体环形凹槽(24)内，其不光是密封作用，还有防止汽缸膨胀时活塞座产生轴向推力造成活塞座间隙过大而出现的漏气现象。如图6所示，8个活塞在环形燃烧室内分为A(30)B(31)两组前进，单个活塞组每隔90度停止一次，每隔90度前进一次，活塞组在即将停止时与即将前进的活塞组做位置替换，且停止的位置始终不变。两组活塞转动只有走与停，不逆向转动，使8个汽缸同时在做2组4冲程运动。当输出轴转动一周时，每个活塞组转动4次，停止4次，也转动一周，转动中活塞惯性在气体膨胀时可传递。此时环形燃烧室输出动力8次。并使动力曲线为连续的抛物线式。

如图20、26所示，实现此转动方式的构件包括位于壳体上与输出轴处于同轴的壳体内齿轮(14)或壳体太阳齿轮(14a)。固定在输出轴上的输出轴曲柄(2)或组合式曲柄(2a)。如图11所示，其中输出轴曲柄(2)为一个整体的三孔曲柄，曲柄中心孔(54)套在输出轴上，孔内设置有用于与输出轴键槽(49)相契合的曲柄键槽(21)，另两个为曲轴孔(55)位于中心孔两侧对置180度放置，用于固定齿轮曲轴(3)(3a)。如图25所示，组合式曲柄包括曲柄主件(72)、曲柄端件(73)、曲轴轴瓦(74)、端件螺栓(75)。其中曲柄主件(72)中心处设有曲柄中心孔(54)，两端对置180度设有用曲柄主件(72)及曲柄端件(73)构成曲轴孔。还包括由被曲柄连接平行于输出轴放置的大星齿轮曲轴(3)或小星齿轮曲轴(3a)。其齿轮都位于曲轴的两端。大星齿轮曲轴的齿轮位于轴颈内侧，小星齿轮曲轴的齿轮位于轴颈外侧。

用于将扭力专递给曲轴的4种连接装置分别为如图19轨道滑轮式、如图21直线轴承式、如图23反转连杆式、如图25正转连杆式。轨道滑轮构件包括，可以用螺栓固定在活塞座上的滑轮轨道(61)、组合式滑轮(62)，此滑轮为圆形由4个滑块拼合而成，内部设有连杆颈轴瓦(63)，由滑轮螺栓(64)固定。直线轴承构件包括，可以用螺栓固定在活塞座上的直线导轨(65)、组合式轴承座(66)此轴承座组合后是一个方块形，中心固定有连杆颈轴瓦(63)、边缘固定直线滚珠轴承(67)、由轴承座螺栓(68)固定。反转连杆构件包括，连杆(69)由螺栓固定的连杆端盖(70)，连杆颈轴瓦(63)，连杆末端为连杆小头孔(46)。正转连杆构件包括，连杆(69)，由螺栓固定的连杆端盖(70)，连杆颈轴瓦(63)连杆末端为连杆小头孔(46)。

如图20、22、24、26所示，组成的转子方法有4种，第一种包括，轨道滑轮构件、输出轴曲柄、大星齿轮曲轴、壳体内齿轮。第二种包括，直线轴承构件、输出轴曲柄、大星齿轮曲轴、壳体内齿轮。第三种包括，反转连杆构件、输出轴曲柄、大星齿轮曲轴、壳体内齿轮。壳体内齿轮与大星齿轮曲轴与输出轴曲柄半径比为4.2∶1∶3.2，此为第一种齿轮比例(71)。第四种包括，正转连杆构件、组合式曲柄、小星齿轮曲轴、壳体太阳齿轮。壳体太阳齿轮与小星齿轮曲轴与组合曲柄半径比为4∶1∶5，此为第二种齿轮比例(76)。其中当使用轨道滑轮构件或直线轴承构件时，发动机整机扭矩较大。当使用反转连杆构件或正转连杆构件时，发动机转速较高。

2.发动机的工作过程

当发动机工作时，壳体齿轮与转子处于同轴，使转子在定子内做单方向无偏心转动。如图6所示，单转子发动机的转子上分部有为A(30)与B(31)两组活塞，每组活塞都固定在活塞座外围。活塞座是套在输出轴上的，并可以绕输出轴转动。两组共8个活塞将环形燃烧室分为8个汽缸，A与B两个活塞组是呈逐步交替换位转动的，活塞组的运动只有前进与停止，当一组活塞停止时，其活塞组上的一对活塞停止的位置刚好在进气口与排气口中间，另一对活塞停止的位置在火花塞孔处，且没露出火花塞孔。每个活塞形状都是圆形柱状或圆形饼状，并且带一点点弧度以适应在环形汽缸内转动，汽缸是由两个活塞座外壁与两个壳体内壁相互组合来构成的，其形状为闭合的面包圈状环形腔体，正是因为其形状为环形，所以转子只需绕中轴线转动即可，汽缸的密封由两个活塞座内部的密封环及活塞座与壳体接触位置的密封环来密封，因为密封环都为圆环状，所以在转子转动时，并没有类似三角转子的刮汽现象。活塞上的密封环类似传统往复活塞发动机上的活塞环。不过，因为活塞两侧都是压缩气体的作用，并不像往复发动机为一侧压缩气体，一侧为机械传动，所以活塞上只安装气环即可，无需安装油环。因为整机是无偏心转动做功，又因为其特殊的缸体形状与密封系统，所以转动时的摩擦阻力非常小。环形汽缸上对置180度分别被安排了进气孔与排气孔。使整个汽缸体上有两个进气孔与两个排气孔。气孔是没有阀门的，制造气孔只需在壳体打洞即可。因为活塞的特殊运动使进气与排气完全正时，换气更顺畅。发动机的排量是汽缸的容积决定的，其容积是可以调节的，当改变转子的半径时，环形汽缸的环绕半径改变，使单个汽缸行程距离改变，可以达到改变容积的目的。当改变活塞的半径时，环形汽缸的缸体半径改变，使整个汽缸的容积改变，也可以达到改变容积的目的。当改变活塞的厚度时，有利于调整汽缸运动时的最小容积值。当活塞达到一定厚度时，活塞与活塞间的夹角可以非常小，使汽缸内的气体因压力过大而自燃，最高压力可到达70∶1，所以本发动机也可作为压燃动力的机型。发动机在工作时，整个环形汽缸内分割出的8个缸体，容积是分为2组进行变化的，当一组容积变大时，另一组容积变小。并且对置的汽缸所做的冲程相同，容积变大的汽缸在做吸气与膨胀过程，容积变小的汽缸在做排气与压缩过程。整个发动机在做2组4冲程运动。环形汽缸上对置180度分别被安排了2对火花塞，每个火花塞安装在对应的壳体上，当发动机转动时，可燃气体在压缩时并不接触火花塞孔，当活塞组进行交替换位时，压缩的气体才接触火花塞孔，此时压缩的气体压力最高。所以可以将火花塞设为持续打火，并通过改变火花塞孔在燃烧室内的位置来精确控制点火提前角。

转动过程中，转子匀速转动一周时，两组活塞做逐步交替换位转动，即转动4次，静止4次，每次转动90度，即转动一周。实现此转动方式的重要部件为齿轮曲轴，齿轮曲轴是与输出轴平行放置的，并被曲柄固定在输出轴上。齿轮曲轴上的齿轮与壳体上的齿轮相啮合，齿轮比为1∶4，使齿轮曲轴在带动输出轴公转的同时自身自转，当其带动输出轴匀速绕转一周时其自身自转4周。在曲轴上设有连杆颈，连杆颈与活塞座连接，所以当汽缸做功时，活塞带动活塞座转动，活塞座通过4种连接件将扭力传递给曲轴，从而实现了此特殊转动，并将动力传递给输出轴。输出轴匀速转动一周时，环形缸体内活塞间共输出功8次。因为对置的汽缸冲程相同，2个汽缸同时做功，所以此发动机相当于16缸直列式发动机，且输出轴扭力为单个活塞扭力的8倍。当使用双转子构成转子总成时，整机相当于32缸直列式发动机，当使用三转子构成的转子总成是，整机相当于48缸直列式发动机，体积却只有8缸发动机大小。当气体膨胀时，因为汽缸是由2个活塞夹角形成的，所以膨胀力有正方向与反方向两个力，其两个力的变化是根据活塞的力臂决定的。活塞的力臂是周期性变化的，当两个值相等时，两个活塞组刚好处于交替换位转动的位置交换处，单个汽缸中的冲程都刚刚结束，此时转子靠惯性前进，且这个时间是瞬间的。当其中一个值大于另一个值时，活塞间产生力臂差值，单个汽缸中的冲程又处于下个冲程的开始阶段。活塞在运动中所产生的惯性是可以通过膨胀传递给下一组活塞的。发动机采用齿轮曲轴与4种特殊连接件使得这两个力的差值在接近0时，是一个递减函数。如图29所示，所以本发动机的输出动力曲线为连续抛物线式(曲线1)，不同于现有的往复式发动机做功曲线(曲线3)与三角转子式发动机做功曲线(曲线2)的余弦式。当改变连杆长度或活塞座侧壁上的凸头位置时，可得到更好的运动效果。

发动机不工作时，当转动输出轴，其内部的活塞组在齿轮曲轴的带动下会做同样的逐步交替换位转动。活塞组的运动与输出轴的运动是可以互相逆转的。所以当启动发动机时，只需要将输出轴连接启动设备即可，另外输出轴还可以连接发电设备，或用于控制火花塞点火的测速器，飞轮、散热风扇等设备。在安装发动机时只需直接将转子安装在定子内部，用螺栓将构成定子的两个壳体固定即可。所以发动机的安装与维修极其容易。

3.动作原理

逐步交替换位原理

如图17所示，当输出轴转动90度时，A组与B组活塞都转动90度，即可视为转子是一个整体，转子内部有输出轴、A组活塞与B组活塞。

如图表18所示，输出轴由0度转动到45度时，A组活塞转动90度，B组活塞几乎静止。当输出轴由45度转动到90度时，A组活塞几乎静止，B组活塞转动90度。输出轴转动90度过程中，A组活塞转动一次，停止一次。B组活塞转动一次，停止一次，使其都转动90度。转动中，当其中一组活塞即将碰撞到另一组活塞时，另一组活塞开始移动，并将原来的位置让出，让给即将接近的活塞，使交换的位置适中不变，所以活塞间的转动称为逐步交替换位转动。

汽缸的做功原理

如图27所示，在环形燃烧室内设置了8个活塞，将环形燃烧室分割成8个汽缸。其中每4个活塞分为一组，使8个活塞分为A与B两组。两组活塞使8个汽缸也分为两组汽缸，每组汽缸容积发生周期性变化。当其中一组汽缸容积在变大时，另一组汽缸的容积在变小。当汽缸容积在变大时，汽缸完成膨胀与吸气过程，当汽缸容积在变小时汽缸完成排气与压缩过程。在单转子发动机的环形燃烧室内，汽缸间同时进行着2组4冲程运动。即同时在进行吸气、压缩、膨胀、排气、吸气、压缩、膨胀、排气8个过程。

如图表28所示，假设A组活塞分别为A1 A2 A3A4，B组活塞分别为B1 B2 B3 B4，A组用直线表示，B组用折线表示。当输出轴转动45度时，A1，B1膨胀，B1，A2压缩，A2，B2进气，B2，A3排气，A3，B3膨胀  B3，A4压缩  A4，B4进气  B4，A1排气。当输出轴转角由45度转到90度时，A1，B1排气，B1，A2做功，A2，B2压缩，B2，A3进气，A3，B3排气  B3，A4做功A4，B4压缩  B4，A1进气。当输出轴转角由90度转到135度时依次类推，输出轴转动一周，在整个环形汽缸内每个冲程都进行16次。

Claims (10)

1.一种环缸转子发动机包括，构成转子的中心输出轴、输出轴曲柄、被输出轴曲柄固定的齿轮曲轴，上下两个活塞座、每个活塞座上固定了四个活塞，及4种连接构件，分别为滑轮构件、直线轴承构件、正转连杆构件、反转连杆构件；构成定子的上下两个壳体、壳体齿轮、2对气门与2对火花塞；还包括转子与定子之间的环形燃烧室；转子上固定的8个活塞将燃烧室隔成8个汽缸；两组活塞绕中轴线做逐步交替换位转动，实现4个冲程，构成发动机。

2.根据权利要求1所述，其特征在于由输出轴、2个活塞座、2个曲柄、2个齿轮曲轴、8个活塞、4种连接构件中的任意一种构成转子；由两个壳体对置安装组合成定子；由转子的环形外壁与定子的环形内壁之间的空间组成燃烧室，形状为一个闭合的面包圈状环形腔体；整机转子在定子内做单方向无偏心转动。

3.根据权利要求1所述，其特征在于环形燃烧室内的8个活塞分为2组，每组4个，两组活塞之间进行逐步交替换位转动；实现此转动方式的构件包括，壳体上与输出轴同轴的内齿轮或太阳齿轮，输出轴两端的输出轴曲柄或组合式曲柄，被曲柄连接与输出轴平行的大星齿轮曲轴或小星齿轮曲轴，曲轴上的齿轮与壳体上的齿轮相啮合，传递动力的4种连接构件分别为轨道滑轮式、直线轴承式、反转连杆式、正转连杆式；轨道滑轮构件包括轨道、滑轮，直线轴承构件包括直线导轨、轴承座、直线轴承，反转与正转构件包括连杆；所组成的转子方法有4种，第一种包括轨道滑轮构件、输出轴曲柄、大星齿轮曲轴、壳体内齿轮，第二种包括直线轴承构件、输出轴曲柄、大星齿轮曲轴、壳体内齿轮，第三种包括反转连杆构件、输出轴曲柄、大星齿轮曲轴、壳体内齿轮，此3种的壳体内齿轮与大星齿轮曲轴与输出轴曲柄半径比为4.2∶1∶3.2；第四种包括正转连杆构件、组合式曲柄、小星齿轮曲轴、壳体太阳齿轮，此种的壳体太阳齿轮与小星齿轮曲轴与组合曲柄半径比为4∶1∶5。

4.根据权利要求3所述，其特征在于所述的齿轮曲轴与壳体齿轮比为1∶4，使两个活塞座交替转动，运转时活塞座通过连接构件带动齿轮曲轴转动，齿轮曲轴通过曲柄带动输出轴转动，齿轮曲轴运动形式为绕中轴线公转同时自身自转，输出轴转动一周时齿轮曲轴绕中轴线公转1周自转4周，每个冲程进行16次，对置的汽缸同时做功，环形燃烧室输出动力8次，并使动力曲线为连续的抛物线式。

5.根据权利要求1所述，其特征在于所述的发动机气门与火花塞分别设置2对，整机壳体及气门由上下2个半壳体对置拼合由螺栓固定而成；壳体外围间隔180度设置2对气门，间隔180度设置2对火花塞，设置气门只需在壳体上打孔即可，无需设计复杂的阀门机构。火花塞可持续打火，点火提前角由火花塞孔在燃烧室内的位置来决定。

6.根据权利要求1所述，其特征在于所述的活塞可用螺栓固定于活塞座上，也可直接焊接在活塞座上；汽缸的排量及压缩比可用活塞的厚度、活塞的半径及活塞座半径来控制；本发动机汽缸的压缩比高达70∶1，可使用压燃动力。

7.根据权利要求1所述，其特征在于所述的齿轮曲轴可以安排在转子同侧，也可以安排在转子内部；当安排在同侧时，活塞座与圆筒连接，一个活塞座圆筒要套在另一个活塞座的圆筒上，另一个活塞座的圆筒要套在输出轴上，并用特殊曲柄将齿轮曲轴固定即可；当安排在转子内部时，两活塞座并列套在输出轴上，并要在活塞座侧向对置180度打两个洞用于齿轮曲轴穿过，曲柄位于输出轴两端来固定齿轮曲轴。

8.根据权利要求2所述，其特征在于所述的转子、定子、及燃烧室可多个并列设置来改为多转子发动机，如双转子发动机，三转子发动机；当使用多转子发动机时，需增加输出轴长度，增加曲柄数量，增加活塞座数量，增加活塞数量，增加连接件数量，增加曲轴连杆颈数量，增加环形燃烧室数量，并将定子改为多段式并列排置。

9.根据权利要求1、2所述，其特征在于所述发动机的传动系在发动机中心部位呈柱状，由壳体密封垫、壳体止推环、活塞座内侧与边缘上的油环与气环来密封；燃烧系由转子环形外壁与壳体环形内壁组成，形状为闭合环状，位于传动系外圈并环绕传动系；冷却系由壳体构成，形状为闭合环形面，位于最外圈并环绕燃烧系与传动系，可用风冷或水冷。

10.根据权利要求1所述，当发动机气门数量由对置180度2对改为间隔90度的4对时，可将发动机改为泵及气动设备。

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