CN101922346A - 单螺杆转子发动机及其能量转换方法 - Google Patents

单螺杆转子发动机及其能量转换方法 Download PDF

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Abstract

单螺杆转子发动机由一螺杆转子(1)和一螺杆轴(3)、两星轮(2)和两星轮轴(15)、一机体(4)、燃油雾化器或燃气喷嘴(17)和火花塞装置(30)组成，同传统的活塞往复式和三角转子式发动机相比，单螺杆转子发动机内没有压缩冲程。发动机的能量转换为三个冲程，三个冲程是吸气冲程，吸气缸吸进自然状态的空气与燃油或燃气的混合气体，或吸进增压机提供的压缩空气与燃油或燃气的混合气体；燃烧冲程，火花塞点燃燃烧缸中含燃油或燃气的混合气体，气体受热膨胀推动螺杆旋转；排气冲程，燃烧完成后螺槽即成为排气缸，热空气从排气缸中排出。

Description

单螺杆转子发动机及其能量转换方法
技术领域
本发明涉及一种转子发动机及其能量转换方法，其转子是一根螺杆，所以叫做单螺杆转子发动机，属于发动机类，用于工业、农业、动力、电力、水陆交通及运输甚至航空航天等任何需要动力源的行业和领域。
背景技术
一般发动机是往复运动式，工作时活塞在气缸里做往复直线运动，为了把活塞的直线运动转化为旋转运动，必须使用曲柄连杆机构。由于活塞上下运动时加速度的改变，造成对曲轴的冲击，机体运转不平稳，机械振动和噪声大，效率低，结构复杂。
转子发动机则不同，它直接将燃烧膨胀力转化为驱动扭矩。与往复式发动机相比，转子发动机取消了活塞的直线运动，因而同样功率的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。
三角转子发动机是目前唯一已实用的转子发动机，它以旋转运动来控制气体的吸取、压缩和排放。三角转子发动机是由转子直接与螺杆轴接触驱动螺杆轴转动的，转子自身在气缸内进行偏心转动，是一个套在螺杆轴外缘上作偏心运动的大齿轮，而螺杆轴轴颈相对较小，因此就形成了大齿轮驱动小齿轮的驱动方式，使得其扭矩大大降低，这就是造成转子发动机低速扭矩低的根本原因，也是转子发动机不能广泛应用的重要原因。
中国专利200810188256.4给出了斜向星轮单螺杆压缩机。一根螺杆和装设于所述螺杆两边并分别与所述螺杆啮合的两斜向星轮的组合具有良好的受力平衡特性。星轮轴与螺杆轴空间交叉交错的布置方式使星轮齿的齿型接近长方体，在星轮与螺杆共轭的条件下，星轮自身的力平衡性能良好，气体压力在星轮齿侧面的法向分力的合力较小，理想状况时接近于零或等于零。
本专利在发掘斜向星轮单螺杆压缩机的优点以及克服活塞式发动机和三角转子发动机的缺点的基础上发明了单螺杆转子发动机。
发明内容
本发明的目的在于提供一种新的转子发动机，即单螺杆转子发动机。该发动机具有受力均衡、运行平稳、震动小、噪音低、体积小和效率高等优点。
根据本发明的单螺杆转子发动机的一个方面，该转子发动机包含一螺杆和一螺杆轴、两星轮和两星轮轴、一机体、设置在机体上的吸气口和排气口。发动机的螺杆装设于螺杆轴上，所述的螺杆轴经轴承支撑在机体内。两星轮斜向装设于螺杆两边并分别与所述螺杆啮合。其特征在于：该发动机还包含燃油雾化器或燃气喷嘴和火花塞装置；发动机的吸气缸是所述星轮的齿在所述螺杆的螺槽中滑动时与所述螺杆的螺槽、所述机体或安装在所述机体内的螺杆缸套构成的空间；燃烧缸是所述星轮的齿在所述螺杆的螺槽中滑动时与所述螺杆的螺槽、所述机体或安装在所述机体内的螺杆缸套围成的封闭空间；排气缸是所述螺杆的螺槽与所述机体或安装在所述机体内的螺杆缸套构成的空间。火花塞装置装设在所述机体上给燃烧缸点火的部位。其特征还在于：该转子发动机的螺杆转子只有一根，是一种单螺杆转子发动机。
根据本发明的单螺杆转子发动机的另一个方面，其特征也在于：所述的斜向星轮是指两星轮的轴线之间以及两星轮的轴线与螺杆的轴线之间空间交叉交错，两两互不共面；一公垂线分别与所述的两星轮的轴线和螺杆的轴线相交，所述的两星轮轴的轴线与公垂线的交点分别到所述的螺杆轴的轴线与公垂线的交点的距离相等。
根据本发明的单螺杆转子发动机的第三个方面，一种非偏心齿星轮装设于螺杆两边，所述的非偏心齿星轮的齿左、右两侧的母线对称分布在该星轮齿过星轮运转中心的中心线的两边。
根据本发明的单螺杆转子发动机的第四个方面，一种偏心齿星轮装设于螺杆两边，所述的偏心齿星轮的星轮齿左、右两侧母线位于过星轮运转中心的中心线两侧，向同一方向偏离，并且左、右两侧的母线不对称于星轮齿过星轮运转中心的中心线，使得这种齿部分偏离中心位置。
根据本发明的单螺杆转子发动机的第五个方面，一种偏心齿星轮装设于螺杆两边，所述的偏心齿星轮的星轮齿左、右两侧母线中的一条母线偏向一边而另一条与星轮齿过星轮运转中心的中心线重合，使得这种星轮齿完全偏离中心位置。
根据本发明的单螺杆转子发动机的第六个方面，发动机的辅助运转系统包含冷却系统、润滑系统、空气滤清系统和润滑油过滤系统等。
根据本发明的单螺杆转子发动机的能量转换方法的一个方面，单螺杆转子发动机包含一根螺杆、两个星轮、一螺杆轴、两星轮轴和机体、设置在机体上的吸气口和排气口。发动机的螺杆装设于螺杆轴上，所述的螺杆轴经轴承支撑在机体内。两斜向星轮装设于螺杆两边并分别与所述螺杆啮合。其特征在于：该单螺杆发动机的能量转换过程包括吸气冲程、燃烧冲程和排气冲程。所述的吸气冲程是所述星轮的齿在所述螺杆的螺槽中滑动时与所述螺杆的螺槽、所述机体或安装在所述机体内的螺杆缸套围成的空间构成的缸吸缸同机体上的吸气口联通时的工作状态。吸气缸吸进自然状态的空气与燃油或燃气的混合气体，或吸进增压机提供的压缩空气与燃油或燃气的混合气体，螺槽离开吸气口则吸气过程完成。所述的燃烧冲程是吸气过程完成后，所述星轮的齿在所述螺杆的螺槽中滑动时与所述螺杆的螺槽、所述机体或安装在所述机体内的螺杆缸套围成的完全封闭的空间(即燃烧缸)的工作状态。燃烧缸经过火花塞装置部位时，火花塞点火点燃燃烧缸中的含燃料混合气体，气体在燃烧缸中膨胀，推动螺杆旋转。所述的排气冲程是经过燃烧冲程后，所述星轮的齿脱离所述螺杆的螺槽，螺槽同机体构成的封闭空间一端面打开后，开口同机体上的排气口联通的空间(即排气缸)的工作状态，排气缸中的热空气从螺槽中经排气管或废气能量回收装置排出。
根据本发明的单螺杆转子发动机的能量转换方法的第二个方面，所述的增压机是一单螺杆压缩机。
根据本发明的单螺杆转子发动机的能量转换方法的第三个方面，所述的增压机是一离心式压缩机。
根据本发明的单螺杆转子发动机的能量转换方法的第四个方面，所述的增压机是一轴流式压缩机和一离心式增压机。
根据本发明的单螺杆转子发动机的能量转换方法的第五个方面，所述的增压机是一涡旋式压缩机。
根据本发明的单螺杆转子发动机的能量转换方法的第六个方面，所述的废气能量回收装置是一废气能量回收涡轮。
附图说明
图1单螺杆转子发动机结构图
图2单螺杆转子发动机点火装置安装结构图
图3单螺杆转子发动机燃油雾化器或燃气喷嘴安装结构图
图4单螺杆转子发动机螺杆和斜向星轮啮合图
图5带废气能量回收涡轮的单螺杆压缩机增压的单螺杆转子发动机结构图
图6离心式增压机增压的单螺杆转子发动机结构图
图7带废气能量回收涡轮的离心式增压机增压的单螺杆转子发动机结构图
图8带废气能量回收涡轮的单螺杆转子发动机结构图
图9为斜向星轮啮合状态比较图
根据图1、2和3所示的单螺杆转子发动机实施例，该单螺杆转子发动机由一根螺杆1、两个与螺杆啮合的斜向星轮2、螺杆轴3、星轮轴15和机体4等组成。由于螺杆转子1只有一根所以是一种单螺杆转子发动机。螺杆1装设于螺杆轴3上，螺杆轴3经轴承10装设于机体4内。该发动机机体上还包含两个吸气口6、燃油雾化器或燃气喷嘴17与吸气口6匹配。发动机的两个吸气缸6是所述星轮2的齿在所述螺杆1的螺槽中滑动时与所述螺杆1的螺槽、所述机体4或安装在所述机体4内的螺杆缸套(未示出)构成的空间；两个燃烧缸7是所述星轮2的齿在所述螺杆1的螺槽中滑动时与所述螺杆1的螺槽、所述机体4或安装在所述机体4内的螺杆缸套围成的封闭空间；排气缸8是所述螺杆1的螺槽与所述机体4或安装在所述机体4内的螺杆缸套(未示出)构成的空间。火花塞装置30装设在所述机体4上给燃烧缸7点火的部位。发动机的两星轮2的轴线之间以及两星轮2的轴线与螺杆1的轴线之间空间交叉交错，两两互不共面。一公垂线分别与所述的两星轮2的轴线和螺杆1的轴线相交，所述的两星轮轴15的轴线与公垂线的交点分别到所述的螺杆轴3的轴线与公垂线的交点的距离相等。
单螺杆发动机的能量转换过程包括吸气冲程、燃烧冲程和排气冲程。所述的吸气冲程是所述星轮2的齿在所述螺杆1的螺槽中滑动时与所述螺杆1的螺槽、所述机体4或安装在所述机体4内的螺杆缸套(未示出)围成的空间构成的缸吸缸6同机体4上的吸气口16联通时的工作状态。缸吸缸6吸进自然状态的空气与燃油或燃气的混合气体，或吸进增压机提供的压缩空气与燃油或燃气的混合气体，螺槽离开机体4上的吸气口16则吸气过程完成。所述的燃烧冲程是吸气过程完成后，所述星轮2的齿在所述螺杆1的螺槽中滑动时与所述螺杆1的螺槽、所述机体4或安装在所述机体4内的螺杆缸套(未示出)围成的完全封闭的燃烧缸7的工作状态。燃烧缸7是一封闭空间，燃烧缸7经过火花塞装置30的部位时，火花塞30点火点燃燃烧缸7中的含燃料混合气体，气体在燃烧缸7中膨胀，推动螺杆1旋转。所述的排气冲程是经过燃烧冲程后，所述星轮2的齿脱离所述螺杆1的螺槽，螺槽同机体4构成的封闭空间一端面打开后，开口同机体4上的排气口18联通的排气缸8的工作状态，排气缸8中的热空气从螺槽中经排气管或废气能量回收装置排出。
图4是单螺杆转子发动机螺杆和斜向星轮啮合图。图4a是非偏心齿星轮2与非偏心齿螺杆1的啮合状态图，所谓的非偏心齿是指齿左、右两侧的母线对称分布在该星轮齿过星轮2运转中心的中心线的两边；图4b是部分偏心齿星轮2与部分偏心齿螺杆1的啮合状态图，所谓的部分偏心齿是指齿左、右两侧母线位于过星轮2运转中心的中心线两侧，向同一方向偏离，并且左、右两侧的母线不对称于过星轮运转中心的中心线；图4c是完全偏心齿星轮2与完全偏心齿螺杆1的啮合状态图，所谓的完全偏心齿是指齿左、右两侧母线中的一条母线偏向一边而另一条与过星轮2运转中心的中心线重合。
图9为斜向星轮与螺杆啮合状态比较图，图4中三种齿型的啮合状态变化在该图中示出。单螺杆转子发动机的星轮斜向装设于螺杆两边，非偏心齿星轮和非偏心齿螺杆与偏心齿星轮和偏心齿螺杆用不同线型表示。首先，当星轮直径相等时如φ＝d2时，带斜向星轮的单螺杆转子发动机的螺杆1a比单螺杆转子发动机的螺杆1b啮合深度增加Δr。其次，当螺杆直径相等时，带斜向星轮的单螺杆转子发动机偏心齿型与非偏心齿型相比，星轮直径可以增加Δd2，右齿角仍然能同时脱离螺杆而不会滞后。Δd2用下式计算：
式中
Figure G2010100012265D00052
其中
Figure G2010100012265D00053
是星轮倾斜角α的函数，即
Figure G2010100012265D00054
①、式(1)是带斜向星轮的单螺杆转子发动机部分偏心齿啮合状态的Δd2。
②、当式(1)中的A1＝0时即为有斜向星轮的单螺杆转子发动机的完全偏心齿啮合状态的Δd2，其值为：
Figure G2010100012265D00055
③、当式(1)中的时即为斜向星轮与螺杆啮合的特例即星轮的轴线与螺杆的轴线垂直交错，单螺杆转子发动机的偏心齿啮合状态的Δd2，其值为：
Figure G2010100012265D00057
图5带废气能量回收涡轮的单螺杆压缩机增压的单螺杆转子发动机结构图。该单螺杆转子发动机由三个部分组成。一是发动机，发动机由螺杆1和螺杆轴3、两斜向星轮2和星轮轴15、机体4组成；二是增压机，增压机由螺杆21、星轮22和星轮轴25、机体24组成；三是废气能量回收涡轮由机体38和涡轮11组成。单螺杆压缩机的排气孔28同发动机的进气口16相联通。所述的增压机和涡轮共用发动机螺杆轴3。结合图2和3，空气经单螺杆压缩机增压后同燃油雾化器或燃气喷嘴17送来的燃料混合后进入发动机的吸气缸6。吸气缸6封闭后即构成燃烧缸7，火花塞30点燃燃烧缸7里的气体，气体在燃烧缸7内膨胀做功，推动螺杆1旋转。燃烧完成后，气体过排气孔18经涡轮11排出。
图6是带离心式增压机的单螺杆转子发动机结构图，该单螺杆转子发动机由一根螺杆1、两个与螺杆啮合的斜向星轮2、螺杆轴3和星轮轴15、机体4、空气滤清器5、进气道14、离心式增压机转子23、增压机机体29等组成。所述的增压机共用发动机螺杆轴3。结合图2和3，空气经离心式增压机增压后同燃油雾化器或燃气喷嘴17送来的燃料混合后进入发动机的吸气缸6，吸气缸6封闭后即构成燃烧缸7，火花塞30点燃燃烧缸7里的气体，气体在燃烧缸7内膨胀做功，推动螺杆1旋转。燃烧完成后，气体经排气孔18排出。
图7是带废气能量回收涡轮的离心式增压机增压的单螺杆转子发动机结构图，该单螺杆转子发动机由一根螺杆1、两个与螺杆啮合的斜向星轮2、螺杆轴3和星轮轴15、机体4、空气滤清器5、增压机转子23、增压机机体29、涡轮机体38和涡轮11等组成。所述的增压机和涡轮共用发动机螺杆轴3。结合图2和3，空气经离心式增压机增压后同燃油雾化器或燃气喷嘴17送来的燃料混合后进入发动机的吸气缸6，吸气缸6封闭后即构成燃烧缸7，火花塞30点燃燃烧缸7里的气体，气体在燃烧缸7内膨胀做功，推动螺杆1旋转。燃烧完成后，气体过排气孔18经涡轮11排出。
图8是带废气能量回收涡轮的单螺杆转子发动机结构图，该单螺杆转子发动机由一根螺杆1、两个与螺杆啮合的斜向星轮2、螺杆轴3和星轮轴15、机体4、涡轮11、涡轮机体38等组成。所述的涡轮共用发动机螺杆轴3。结合图2和3，空气同燃油雾化器或燃气喷嘴17送来的燃料混合后进入发动机的吸气缸6，吸气缸6封闭后即构成燃烧缸7，火花塞30点燃燃烧缸7里的气体，气体在燃烧缸7内膨胀做功，推动螺杆1旋转。燃烧完成后，气体过排气孔18经涡轮11排出。
本发明的核心是由一螺杆和与其啮合的两斜向星轮构成的单螺杆转子发动机，所有图例仅用于举例，不同的组合将构成不同的单螺杆转子发动机的结构，如与螺杆斜向啮合的星轮都可以用垂直啮合方式代替。发动机的辅助运转系统包含冷却系统、润滑系统、空气滤清系统和润滑油过滤系统等。

Claims (18)

1.一种转子发动机，包含一螺杆和一螺杆轴、两星轮和两星轮轴、一机体、设置在机体上的吸气口和排气口。发动机的螺杆装设于螺杆轴上，所述的螺杆轴经轴承支撑在机体内。两星轮斜向装设于螺杆两边并分别与所述螺杆啮合。其特征在于：该发动机还包含燃油雾化器或燃气喷嘴和火花塞装置；发动机的吸气缸是所述星轮的齿在所述螺杆的螺槽中滑动时与所述螺杆的螺槽、所述机体或安装在所述机体内的螺杆缸套构成的空间；燃烧缸是所述星轮的齿在所述螺杆的螺槽中滑动时与所述螺杆的螺槽、所述机体或安装在所述机体内的螺杆缸套围成的封闭空间；排气缸是所述螺杆的螺槽与所述机体或安装在所述机体内的螺杆缸套构成的空间；火花塞装置装设在所述机体上给燃烧缸点火的部位。其特征还在于：该转子发动机的螺杆转子只有一根，是一种单螺杆转子发动机。
2.根据权利要求1所述的单螺杆转子发动机，其特征在于：两星轮的轴线之间以及两星轮的轴线与螺杆的轴线之间空间交叉交错，两两互不共面。
3.根据权利要求1所述的单螺杆转子发动机，其特征在于：一公垂线分别与所述的两星轮的轴线和螺杆的轴线相交，所述的两星轮轴的轴线与公垂线的交点分别到所述的螺杆轴的轴线与公垂线的交点的距离相等。
4.根据权利要求1所述的单螺杆转子发动机，其特征在于：燃油雾化器或燃气喷嘴装设在所述机体上吸气缸部位。
5.根据权利要求1所述的单螺杆转子发动机，其特征在于：燃油雾化器或燃气喷嘴装设在所述机体上吸气缸的进气设备上。
6.根据权利要求5所述的单螺杆转子发动机，其特征在于：所述的进气设备是指联接吸气缸进气口的进气通道。
7.根据权利要求5所述的单螺杆转子发动机，其特征在于：所述的进气设备是指联接吸气缸进气口的增压机。
8.根据权利要求7所述的单螺杆转子发动机，其特征在于：所述的增压机是一单螺杆压缩机。
9.根据权利要求7所述的单螺杆转子发动机，其特征在于：所述的增压机是一离心式压缩机。
10.根据权利要求7所述的单螺杆转子发动机，其特征在于：所述的增压机是一轴流式压缩机和一离心式增压机的组合。
11.根据权利要求7所述的单螺杆转子发动机，其特征在于：所述的增压机是一涡旋式压缩机。
12.根据权利要求1所述的单螺杆转子发动机，其特征在于：该发动机还包含发动机运行所必需的辅助系统。
13.根据权利要求12所述的单螺杆转子发动机，其特征在于：所述的辅助系统包含润滑系统。
14.根据权利要求12所述的单螺杆转子发动机，其特征在于：所述的辅助系统包含冷却系统。
15.根据权利要求12所述的单螺杆转子发动机，其特征在于：所述的辅助系统包含空气过滤系统。
16.根据权利要求12所述的单螺杆转子发动机，其特征在于：所述的辅助系统包含润滑油过滤系统。
17.一种单螺杆转子发动机的能量转换方法，其特征在于：发动机的能量转换过程包含吸气冲程、燃烧冲程和排气冲程。吸气冲程是吸气缸吸进自然状态的空气与燃油或燃气的混合气体、或吸进所述增压机提供的压缩空气与燃油或燃气的混合气体。燃烧冲程是火花塞点燃燃烧缸内含燃油或燃气的混合气体，气体受热膨胀推动螺杆旋转。排气冲程是排气缸向外排去螺槽里的废气或经能量回收装置排去螺槽里的废气。
18.根据权利要求17所述的单螺杆转子发动机的能量转换方法，其特征在于：所述的能量回收装置是一废气能量回收涡轮。
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