CN101936217A - 单螺杆发动机及其能量转换方法 - Google Patents

Abstract

单螺杆发动机包含发动机的机体、控制系统、燃料供给系统、点火系统、冷却系统、润滑系统和空气滤清系统，其特征在于还包含一根螺杆(1)和一根螺杆轴(3)、两个星轮(2)和两根星轮轴(15)。同传统的活塞往复式和三角转子式发动机相比，单螺杆发动机内没有压缩冲程。发动机的能量转换为三个冲程，吸气冲程是指吸气缸吸进自然状态的空气与燃料的混合气体，或吸进增压机提供的压缩空气与燃料的混合气体；燃烧冲程，点火装置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，热空气从排气缸排出。

Description

单螺杆发动机及其能量转换方法

技术领域

本发明涉及一种单螺杆发动机及其能量转换方法，属于内燃式发动机类，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，机体运转极不平稳，机械振动和噪声大，效率低，结构复杂。

另一种是三角转子发动机，它以旋转运动来控制气体的吸取、压缩、燃烧和排放。三角转子发动机的转子在气缸内做偏心转动，实质是一个套在主轴外缘上作偏心运动的大齿轮，而主轴轴颈相对较小，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时扭矩小的根本原因，也是转子发动机没有广泛应用的重要原因。

以上两种发动机都在结构上存在缺陷和不足。其实内燃式发动机的本质是燃烧的气体膨胀推动活塞移动，将热能转化为机械能的过程，因此，只要在一个封闭空间中，有一方向是可以移动的物块，在这个封闭空间里燃烧，膨胀的气体就会在所述方向推动物块移动做功，将压力能转化为机械能。根据这一原理，寻找内燃式发动机结构简单、受力均衡、运转平稳、效率高、震动小、噪音低并具有优良的扭矩特性的结构模式是本发明要解决的根本问题。

发明内容

为了克服以上所述内燃发动机的缺陷和不足，本发明公开了一种单螺杆发动机。单螺杆发动机是一种结构简单、受力均衡、运转平稳、效率高、震动小、噪音低并具有优良的扭矩特性的内燃式发动机，其技术方案如下：

本发明的单螺杆发动机，包含发动机的机体、控制系统、燃料供给系统、点火系统、冷却系统、润滑系统和空气滤清系统，其特征在于：该发动机还包括一根螺杆和一根螺杆轴、两个星轮和两根星轮轴，所述螺杆装设于螺杆轴上，螺杆轴经轴承支撑在机体内，所述两个星轮分别装设于星轮轴上，星轮轴经轴承支撑在机体内并装设于螺杆两边且与螺杆啮合。

该发动机的吸气缸是螺杆的螺槽与机体上的吸气口连通时，同星轮的齿和所述机体或安装在所述机体内的螺杆缸套构成的空间；燃烧缸是螺杆的螺槽离开吸气口后，同星轮的齿和所述机体或安装在所述机体内的螺杆缸套构成的封闭空间；排气缸是螺杆的螺槽与机体上的排气口连通时，同所述机体或安装在所述机体内的螺杆缸套构成的空间；吸气缸、燃烧缸和排气缸是随所述螺杆及其螺槽的转动和星轮在螺槽中的滑动按顺序循环转化的。

所述的星轮相对于螺杆有两种安装方式即斜向安装或垂直安装，斜向安装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；垂直安装是指两星轮的轴线共面，螺杆的轴线垂直星轮轴线所在的平面。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。

星轮的齿形是非偏心齿或偏心齿。非偏心齿是指对螺杆进行一次包络时，包络刀具在螺杆接触侧且落在星轮中心平面内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。偏心齿是指对螺杆进行一次包络时，包络刀具在螺杆接触侧且落在星轮中心平面内的母线分布在该星轮齿过星轮运转中心的中心线的两边，向同一方向偏离，或者是指对螺杆进行一次包络时，包络刀具在螺杆接触侧且落在星轮中心平面内的两条母线中的一条同该星轮齿过星轮运转中心的中心线重合。所述的包络刀具是圆柱面或圆台面，用圆柱面或圆台面做一次包络的产形面经一次包络生成螺杆的型面，再用螺杆的型面做产形面二次包络生成星轮的型面。

发电机的燃料喷嘴与吸气缸匹配，装设在吸气口或进气通道上，点火装置装设在所述机体上给燃烧缸点火的位置。

根据本发明的单螺杆发动机的能量转换方法，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。

所述的吸气冲程是吸气缸同机体上的吸气口联通时，吸进自然状态的空气与燃料的混合气体，或吸进增压机提供的压缩空气与燃料的混合气体，吸气缸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，螺杆连续旋转，燃烧缸经过机体上点火装置装设的部位，点火装置点燃燃烧缸中的含燃料混合气体，气体在燃烧缸中膨胀，推动螺杆继续旋转的过程。所述的排气冲程是经过燃烧冲程后，排气缸同机体上的排气口连通的工作过程，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发动机的能量转换方法，所述的增压机是一单螺杆压缩机，或是一离心式压缩机，或是一涡旋式压缩机或是其它类型的压缩机。

根据本发明的单螺杆发动机的能量转换方法，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单螺杆发动机示意图

图1a是星轮斜向安装的单螺杆发动机，图1b是星轮垂直安装的单螺杆发动机，图中1为发动机的螺杆，2为发动机的星轮，3为发动机的螺杆轴，4为发动机的机体，9为端盖，10为轴承，15为发动机的星轮轴。

图2单螺杆发动机点火装置安装示意图

图中1为发动机的螺杆，2为发动机的星轮，3为发动机的螺杆轴，4为发动机的机体，6为发动机的吸气缸，7为发动机的燃烧缸，8为发动机的排气缸，9为端盖，30为发动机的点火装置。

图3单螺杆发动机燃料喷嘴安装示意图

图中1为发动机的螺杆，3为发动机的螺杆轴，6为发动机的吸气缸，7为发动机的燃烧缸，8为发动机的排气缸，16为发动机的吸气口，17为发动机的燃料喷嘴，18为发动机的排气口。

图4单螺杆发动机螺杆和星轮啮合图

图中1为螺杆，2为星轮，A、A1、A2为星轮的齿的偏移量，3为星轮齿过运转中心的中心线。

图5带涡轮和单螺杆压缩机的单螺杆发动机结构图

图中1发动机的螺杆，2为发动机的星轮，3为发动机的螺杆轴，4为发动机的机体，9和19为端盖，15为发动机的星轮轴，16为发动机的吸气口，21为压缩机的螺杆，22为压缩机的星轮，24为压缩机的机体，25为压缩机的星轮轴，28为压缩机的排气口。

图6离心式压缩机增压的单螺杆发动机结构图

图中1发动机的螺杆，2为发动机的星轮，3为发动机的螺杆轴，4为发动机的机体，5为空气滤清器，9为端盖，10为轴承，14为进气管道，15为发动机的星轮轴，23为离心式压缩机的转子，29为离心式压缩机的机壳。

图7带涡轮和离心式增压机的单螺杆发动机结构图

图中1发动机的螺杆，2为发动机的星轮，3为发动机的螺杆轴，4为发动机的机体，5为空气滤清器，9为端盖，10为轴承，11为涡轮的转子，14为进气管道，15为发动机的星轮轴，23为离心式压缩机的转子，29为离心式压缩机的机壳，38为涡轮的机壳。

图8带废气能量回收涡轮的单螺杆发动机结构图

图中1发动机的螺杆，2为发动机的星轮，3为发动机的螺杆轴，4为发动机的机体，9为端盖，10为轴承，11为涡轮的转子，15为发动机的星轮轴，38为涡轮的机壳。

具体实施方式

根据图1、2和3所示的单螺杆发动机实施例，该单螺杆发动机由一根螺杆1、两个与螺杆啮合的星轮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。两个星轮2分别装设于星轮轴15上，星轮轴15经轴承支撑在机体4内并装设于螺杆1两边且与螺杆1啮合。该发动机机体上还包含两个吸气口16和两个排气口18，燃料喷嘴17与吸气口16匹配。

发动机的两个吸气缸6是螺杆1的螺槽同机体4上的吸气口16连通时，与星轮2的齿和所述机体4或安装在所述机体4内的螺杆缸套构成的空间；两个燃烧缸7是螺杆1的螺槽离开吸气口16后，与星轮2的齿和所述机体4或安装在所述机体4内的螺杆缸套构成的封闭空间；两个排气缸8是螺杆1的螺槽同机体4上的排气口18连通时，与所述机体4或安装在所述机体4内的螺杆缸套构成的空间；吸气缸6、燃烧缸7和排气缸8是螺杆1的螺槽随螺杆1的转动和星轮2在螺槽中的滑动按上述顺序循环转化。点火装置30装设在所述机体4上给燃烧缸7点火的部位。

发动机的星轮2相对于螺杆1有两种安装方式即斜向安装或垂直安装。两星轮2相对于螺杆1倾斜安装是指两星轮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；两星轮2相对于螺杆1垂直安装是指两星轮2的轴线共面，螺杆1的轴线垂直星轮2的轴线所在的平面。一公垂线同时穿过两星轮2的中心和螺杆1的中心，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。所述的吸气冲程是吸气缸6同机体4上的吸气口16联通时，吸进自然状态的空气与燃料的混合气体，或吸进增压机提供的压缩空气与燃料的混合气体，吸气缸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，螺杆1连续旋转，燃烧缸7经过机体4上点火装置30装设的部位，点火装置30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4继续旋转的过程。所述的排气冲程是经过燃烧冲程后，排气缸8同机体4上的排气口18连通的工作过程，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。

星轮2的齿形是非偏心齿或偏心齿。图4是单螺杆发动机的螺杆1和星轮2啮合图。非偏心齿是指对螺杆1进行一次包络时，包络刀具在螺杆1接触侧且落在星轮中心平面内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。偏心齿是指对螺杆进行一次包络时，包络刀具在螺杆接触侧且落在星轮中心平面内的母线分布在该星轮齿过星轮运转中心的中心线的两边，向同一方向偏离；或者是指对螺杆进行一次包络时，包络刀具在螺杆接触侧且落在星轮中心平面内的两条母线中的一条同该星轮齿过星轮运转中心的中心线重合。所述的包络刀具是圆柱面或圆台面刀具，用圆柱面或圆台面做一次包络的产形面经一次包络生成螺杆的型面，再用螺杆的型面做产形面二次包络生成星轮的型面。

图5带废气能量回收涡轮和单螺杆增压机的单螺杆发动机结构图。该单螺杆发动机由三个部分组成。一是发动机，发动机由发动机的螺杆1和发动机的螺杆轴3、发动机的两星轮2和发动机的星轮轴15、发动机的机体4组成；二是增压机，增压机由单螺杆压缩机的螺杆21、单螺杆压缩机的星轮22和单螺杆压缩机的星轮轴25、单螺杆压缩机的机体24组成；三是废气能量回收涡轮由涡轮机体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。所述的单螺杆压缩机和涡轮共用发动机螺杆轴3或所述三设备的三主轴同轴线。结合图2和3，经单螺杆压缩机增压的空气同燃料喷嘴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，点火装置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，气体由发动机的排气孔18经涡轮11排出。

图6是带离心式压缩机的单螺杆发动机结构图，该单螺杆发动机由一根螺杆1、两个与螺杆啮合的星轮2、螺杆轴3和星轮轴15、机体4、空气滤清器5、进气道14、离心式压缩机转子23、离心式压缩机的机体29等组成。所述的离心式压缩机共用发动机螺杆轴3。结合图2和3，空气经离心式压缩机增压后同燃料喷嘴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，点火装置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压缩机增压的单螺杆发动机结构图，该单螺杆发动机由一根螺杆1、两个与螺杆啮合的星轮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。所述的离心式压缩机和涡轮共用发动机螺杆轴3或所述三设备的三主轴同轴线。结合图2和3，空气经离心式压缩机增压后同燃料喷嘴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，点火装置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，气体从排气孔18经涡轮11排出。

图8是带废气能量回收涡轮的单螺杆发动机结构图，该单螺杆发动机由一根螺杆1、两个与螺杆啮合的星轮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，空气同燃料喷嘴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，点火装置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，气体从排气孔18经涡轮11排出。

本发明采用了空间共轭啮合副构造内燃式发动机，充分利用了单螺杆啮合副结构对称，受力平稳等特性，克服了现有活塞式发动机和三角转子式发动机存在的严重缺陷和不足，具有低噪音、高能效、体积小、重量轻等突出特点。

Claims (10)

1.一种单螺杆发动机，包含发动机的机体、控制系统、燃料供给系统、点火系统、冷却系统、润滑系统和空气滤清系统，其特征在于：该发动机还包括一根螺杆和一根螺杆轴、两个星轮和两根星轮轴，所述螺杆装设于螺杆轴上，螺杆轴经轴承支撑在机体内，所述两个星轮分别装设于星轮轴上，星轮轴经轴承支撑在机体内并装设于螺杆两边且与螺杆啮合；该发动机的吸气缸是螺杆的螺槽与机体上的吸气口连通时，同星轮的齿和所述机体或安装在所述机体内的螺杆缸套构成的空间；燃烧缸是螺杆的螺槽离开吸气口后，同星轮的齿和所述机体或安装在所述机体内的螺杆缸套构成的封闭空间；排气缸是螺杆的螺槽与机体上的排气口连通时，同所述机体或安装在所述机体内的螺杆缸套构成的空间。

2.根据权利要求1所述的单螺杆发动机，其特征在于：吸气缸、燃烧缸和排气缸是所述螺杆的螺槽随螺杆的转动和星轮在螺槽中的滑动按顺序循环转化。

3.根据权利要求1所述的单螺杆发动机，其特征在于：星轮相对于螺杆有两种安装方式即斜向安装或垂直安装，斜向安装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；垂直安装是指两星轮的轴线共面，螺杆的轴线垂直星轮轴线所在的平面；一公垂线分别与所述的两星轮的中心和螺杆的中心相交，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所述的单螺杆发动机，其特征在于：星轮的齿形是非偏心齿或偏心齿，非偏心齿是指对螺杆进行一次包络时，包络刀具在螺杆接触侧且落在星轮中心平面内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；偏心齿是指对螺杆进行一次包络时，包络刀具在螺杆接触侧且落在星轮中心平面内的母线分布在该星轮齿过星轮运转中心的中心线的两边，向同一方向偏离，或者是指对螺杆进行一次包络时，包络刀具在螺杆接触侧且落在星轮中心平面内的两条母线中的一条同该星轮齿过星轮运转中心的中心线重合；所述的包络刀具是圆柱面或圆台面，用圆柱面或圆台面做一次包络的产形面经一次包络生成螺杆的型面，再用螺杆的型面做产形面二次包络生成星轮的型面。

5.根据权利要求1所述的单螺杆发动机，其特征在于：发电机的燃料喷嘴与吸气缸匹配，装设在吸气口或进气通道上。

6.根据权利要求1所述的单螺杆发动机，其特征在于：发电机的点火装置装设在所述机体上给燃烧缸点火的位置。

7.根据本发明的单螺杆发动机的能量转换方法，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。

8.根据权利要求7所述的单螺杆发动机的能量转换方法，其特征在于：所述的吸气冲程是吸气缸同机体上的吸气口联通时，吸进自然状态的空气与燃料的混合气体，或吸进增压机提供的压缩空气与燃料的混合气体的工作过程，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，燃烧缸经过机体上点火装置装设的部位，点火装置点燃燃烧缸中的含燃料混合气体，气体在燃烧缸中膨胀，推动螺杆继续旋转的过程；所述的排气冲程是经过燃烧冲程后，排气缸同机体的排气口连通，热空气从螺槽中经排气管或废气能量回收装置排出的工作过程。

9.根据权利要求7和8所述的单螺杆发动机的能量转换方法，其特征在于：所述的增压机是一单螺杆压缩机，或是一离心式压缩机，或是一涡旋式压缩机。

10.根据权利要求7和8所述的单螺杆发动机的能量转换方法，其特征在于：所述的废气能量回收装置是一废气能量回收涡轮。

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