CN101963093A

CN101963093A - 一种旋转活塞式发动机

Info

Publication number: CN101963093A
Application number: CN200910017163XA
Authority: CN
Inventors: 卢能才
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2009-07-23
Filing date: 2009-07-23
Publication date: 2011-02-02

Abstract

本发明涉及一种发动机，特别是一种旋转活塞式发动机，它有一个圆环形气缸，气缸内有两个旋转体，每个旋转体在周向上均匀分布有2个活塞，气缸内的两个旋转体上的两组活塞在气缸内相互间隔安装，它们把这个气缸分隔成4个可变容积的工作室，在气缸上有一对进排气位置，发动机主要部件有两个推杆(4和5)、两个连杆(6和7)、一个转子(3)、一个内轴(2)、一个输出轴(1)，其中每个推杆和输出轴同心转动，两个推杆分别和气缸内的一个旋转体刚性连接，两个旋转体和输出轴也同心转动，推杆的另一端和转子之间通过连杆铰链连接，转子上和连杆连接的两个铰链点分布在转子的自转中心的两端，转子安装在内轴的偏心孔内，内轴安装在输出轴的偏心孔内，输出轴的安装在固定的外壳上。

Description

一种旋转活塞式发动机

技术领域：本专利涉及一种发动机，特别是一种旋转活塞式发动机。

背景技术：传统的四冲程活塞往复式发动机是依靠燃料在燃烧室内燃烧推动活塞上下或水平往复运动，再通过连杆和曲轴把活塞的直线运动转化为曲轴的旋转。这种发动机的主要缺点是1.结构复杂，体积大、重量大。2.曲柄连杆机构中活塞的往复运动引起的往复惯性力和惯性力矩不能得到完全平衡，这个惯性力大小与转速平方成正比，使发动机运转平顺性下降，限制发展高转速发动机。3.由于四冲程往复式活塞发动机的工作方式为四个冲程中有三个冲程完全依靠飞轮惯性旋转，导致发动机的功率、扭矩输出非常的不均匀，尽管现代发动机采用了多缸和V型排列来减小这个缺点，但是不可能完全消除。

在20世纪50年代，德国工程师汪克尔在总结前人的研究成果的基础上，解决了一些关键技术问题，研制成功第一台转子发动机。这种发动机避免了活塞的往复运动，直接通过转子在气缸内的旋转来带动发动机主轴旋转，且主轴每旋转一周发动机点火做功一次。因此它比往复式发动机体积较小、重量较轻、且结构较简单，在扭矩输出上也比较均匀而且可以达到较高的转速。但是由于该发动机的燃烧室不太有利于燃料的燃烧和扩散，因此耗油率高且尾气排放污染物较多，同时该发动机低速时扭矩输出不够理想，压缩比也不高，不适合用作于柴油机，这就严重限制了该转子发动机的推广和运用。

发明内容：本发明的目的是提供一种旋转活塞式发动机，它具有体积小，重量轻，结构简单，制造容易，成本低廉，燃油经济性好等诸多优点。

本发明的目的是这样实现的，一种旋转活塞式发动机，它有一个圆环形气缸，气缸内有两个旋转体，每个旋转体在周向上均匀分布有2个活塞，气缸内的两个旋转体上的两组活塞在气缸内相互间隔安装，它们把这个气缸分隔成4个可变容积的工作室，在气缸上有一对进排气位置，发动机的主要零部件有两个推杆、两个连杆、一个转子、一个内轴、一个输出轴，其中每个推杆和输出轴同心转动，两个推杆分别和气缸内的一个旋转体刚性连接，两个旋转体和输出轴也同心转动，推杆的另一端和转子之间通过连杆铰链连接，转子上和连杆连接的两个铰链点分布在转子的自转中心的两端，转子安装在内轴的偏心孔内，内轴安装在输出轴的偏心孔内，输出轴的安装在固定的外壳上。

上述发动机的输出轴相对于固定外壳的转速、内轴相对于输出轴的转速和转子相对内轴的转速比为3∶-4∶2，其中发动机的输出轴相对于固定缸体的转速和内轴相对于输出轴的转速是通过一对齿数比为3∶4的内啮合齿轮来保证的，在这对齿轮中外齿轮固定在内轴上且它和内轴的自转中心同心，内齿圈固定在固定的外壳上且它和输出轴的转动中心同心；而内轴相对于输出轴的转速和转子相对内轴的转速是通过一对齿数比为1∶2的内啮合齿轮来保证的，在这对齿轮中外齿轮固定在输出轴上且它和内轴的自转中心同心，内齿圈固定在转子上且它和转子的自转中心同心。

上述发动机的两推杆，两连杆分布在转子的内孔内，转子的外圆套在内轴的偏心孔内，内轴安装在输出轴的偏心孔内，输出轴从转子的一侧输出动力，转子的另一侧为发动机的圆环形气缸，在气缸内的两个旋转体分别通过套筒和一个推杆刚性连接，且两个推杆之间的夹角对应于气缸内的1个工作室即两推杆之间的夹角和气缸内的1个工作室在周向所占的角度时刻相等。

上述发动机在初始位置画出发动机的结构简图时，输出轴及内轴在一条直线上，且这条直线和转子上两端铰链点的连线垂直。同时有一个滑块，它和输出轴同心转动，且它安装在转子上的滑槽内，滑块相对于转子在滑槽内来回运动。

上述发动机结构使得转子每旋转一圈时，带动两旋转体各旋转一周，输出轴旋转3转，内轴自转4转，发动机上的4个工作室的每个工作室完成4个冲程，由于发动机为四冲程发动机，每个工作室在转子转动一周的过程中将做功1次。

上述四冲程发动机共有4个工作室，在转子旋转一周中每个工作室做功1次，这样发动机在转子转动一周的过程中共完成做功4次，如此高的做功密度，使得该发动机在保证相同功率输出的情况下，体积和重量较往复式发动机大幅降低，这不但为制造发动机节约了大量的材料，而且使发动机更加的小巧，更方便安装。同时该发动机还有下面的几个显著的优点：

1、发动机的转子的转速只有驱动轴转速的1/3，这样就大大减小了驱动转子转动的机构的载荷，提高了发动机的可靠性。

2、发动机没有曲柄连杆机构，且进气口和排气口依靠旋转体本身的运动来打开和关闭；不再需要配气机构，包括正时齿带、凸轮轴、摇臂、气门、气门弹簧等，这就使组成发动机所需要的部件大幅度减少。导致了发动机机构大为简化，零件减少。

3、发动机旋转体上的活塞和圆环形气缸之间不直接接触，而是通过活塞环接触且活塞没有对缸体产生侧向作用力，这就使两者间的磨损大大减轻，从而提高了发动机的可靠性和使用寿命。

4、通过改变该发动机的活塞在周向所占的角度的大小，能根据需要在很大范围内设置发动机的压缩比，这使得该发动机更为通用化。

5、发动机没有了活塞的直线往复运动和一系列高速运动的气门机构，这就大大减轻了发动机的振动和噪音，从而使该发动机运转更平稳、更安静。

6、发动机的燃烧室比较适合于燃料的燃烧且散热面积较小，从而使发动机具有良好的燃油经济性和排放性能。

7、发动机的驱动轴采用双偏心机构，这使得发动机的每个工作室容积比采用单偏心方式时的工作室容积大得多，且发动机气缸内的燃气压力能更好的转化为发动机的扭矩输出，并且这种结构中发动机气缸内的燃气压力或活塞运动的惯性力通过推杆、连杆转化为对转子两端的作用力，它的大小接近相等，这就可以有效的消减燃气压力对控制转子转速的机构的作用力。

当然上述机构不仅可以用于作为四冲程发动机也可以用作于气泵，油泵等两冲程泵，同时作为二冲程泵时上述的发动机的输出轴可以作为泵的输入轴使用。

附图说明：

图1A-1I为该发动机的基本结构简图及时序图。

图2A-2E为发动机的结构简图及相应的工作时序图。

图3为发动机的结构剖面图。

图4为图3的A-A剖视图。

图5为图3的B-B剖视图。

图6为图3的C-C剖视图。

图7为图3的D-D剖面图。

具体实施方式：

如图1所示，画出发动机的结构简图，在初始位置时AB和BC在一条直线上且这条直线和FG垂直，若输出轴1绕C点相对于固定缸体的转速、内轴2绕B点相对于输出轴1的转速、转子3绕A点相对于内轴2的转速比为1∶-2∶1，且输出轴的偏心量即BC长和内轴的偏心量即AB长相等，那么A点将始终在一条水平线段上来回运动，该线段的两端点到C点的长度都为AB+BC长，所以可以设置一个静止的滑块，它可保证转子沿着这个滑块，在这条线段上来回滑动。由于转子相对于固定缸体的转速为零，所以转子上的两端点F和G也和C点运动相似，都是在一条线段上来回运动。连杆6的长度为DF，连杆7的长度为EG，推杆4的长度为DC，推杆5的长度为EC，上述各点都是对应的相连接的杆或轴的铰链点，且AB＝BC、CD＝CE、DF＝EG、FA＝GA。转子水平运动到最右端时角∠DCE最大，运动到最左端时角∠DCE最小，在输出轴1旋转一周的过程中角∠DCE从最大角逐渐减小到最小角再逐渐增大到最大角。

如图2所示(参见图1)，设输出轴1的转速为w₀，将上述所有运动件加上一个相对于固定缸体大小为w₀/2，方向和w₀相同，绕C点的转速，即输出轴转速变为w₀+w₀/2，而其他运动件相对于输出轴的转速不变。这样输出轴绕C点相对于固定缸体的转速、内轴绕B点相对于输出轴的转速、转子绕A点相对于内轴的转速比为3∶-4∶2，滑块以相对于固定缸体大小为w₀/2的转速和输出轴同心同向转动，因此它的转速为输出轴的转速的1/3。由于所有运动件上的点绕C点以w₀/2的速度运动的运动轨迹为以该点到C点的距离为半径，且以C点为圆心的圆。A点原来的运动轨迹为一线段，加入w₀/2的速度后运动轨迹为一个绕C点，周向均匀分布的4个瓣，每个瓣的顶点对应原来线段的端点。所以A点运动到每个瓣的顶点时对应的角∠DCE最大或最小，则在转子转动一周过程中，∠DCE在周向间隔出现2个最大角和2个最小角，且最大和最小角之和为180度，让∠DCE对应于气缸内的1个工作室即两推杆之间的夹角和一个气缸内的1个工作室在周向所占的角度时刻相等，那么发动机的每个工作室的容积将随∠DCE作周期性的变化，以此完成发动机工作的四个冲程。

如图2所示，由上分析可知发动机的每个旋转体上有2个均匀分布的活塞，两个旋转体上的两组活塞共形成4个工作室即工作室①、工作室②、工作室③和工作室④，转子旋转一周带动两旋转体各旋转一周，发动机的每个工作室点火做功一次，且转子旋转一周，输出轴旋转3周。

如图3所示(参见图5)，发动机的气缸为圆环形，气缸是通过固定缸体10、固定缸体11和两旋转体8和9装配而成。两旋转体和输出轴1同心安装，且两旋转体上的活塞在过旋转体的旋转中心轴上的截面为圆形，该截面圆的半径略小于圆环气缸的圆半径，在每个活塞上都安装有活塞环。

如图3所示，发动机的输出轴1相对于固定外壳12的转速、内轴2相对于输出轴1的转速和转子3相对内轴2的转速比为3∶-4∶2，其中发动机的输出轴相对于固定缸体的转速和内轴相对于输出轴的转速是通过一对齿数比为3∶4的内啮合齿轮来保证的，在这对齿轮中外齿轮固定在内轴2上且它和内轴的转动中心同心，内齿圈16固定在固定的外壳12上且它和输出轴的转动中心同心；而内轴2相对于输出轴1的转速和转子3相对内轴2的转速是通过一对齿数比为1∶2的内啮合齿轮来保证的，在这对啮合齿轮中外齿轮直接加工在一根固定安装在输出轴上的轴15上，且该外齿轮的中心和内轴的自转中心同心，内齿圈14固定在转子3上且它和转子的自转中心同心。

如图7所示(参见图3)，滑块13和输出轴1同心转动，且它安装在转子3上的滑槽内，滑块13相对于转子3在滑槽内来回运动。通过加入滑块13后可以有效分担控制转子转速的那对齿数比为1∶2的内啮合齿轮的受力，提高机构的受力性能。

如图6所示(参见图3和图5)，两推杆4和5，两连杆6和7分布在转子3的内孔内，转子3的外圆套在内轴2的偏心孔内，内轴2安装在输出轴1的偏心孔内，输出轴1从转子3的一侧输出动力，转子3的另一侧为发动机的圆环形气缸，在气缸内的两个旋转体8和9分别通过套筒和一个推杆刚性连接，且两个推杆4和5之间的夹角对应于气缸内的1个工作室即两推杆之间的夹角和气缸内的1个工作室在周向所占的角度时刻相等，推杆和旋转体以及连接它们之间的套筒结构上可以是推杆和套筒做成一体后和旋状体插接或旋转体和套筒做成一体后和推杆插接或旋转体及推杆分别和套筒一端插接。

如图4所示，输出轴1上有一段是呈双弧状结构，该双弧状的内弧内和外弧外提供安装齿数比为3∶4的内啮合齿轮的空间。

如图6所示，由于两推杆4和5、两连杆6和7是具有两个铰链点的杆结构上是曲轴或带有两个孔的杆或带有一个销和一个孔的杆或带有一个销和两个同心孔的杆或带有一个孔和两个同心孔的杆或带有两个销的杆或一个构件加一个虚约束构件。

如图5所示(参见图2和图3)，发动机的工作室最小角位置共有两个且这两个位置间隔180度，这两个位置之一的附近安装有火花塞或喷油器，距离另一个位置约20度的两侧的缸体上有两个通孔，它们分别是用于排气和进气。缸体10和缸体11的内部可以分别设置一环形水槽，冷却水通过水槽绕缸体流动一圈后再流出，以冷却发动机。当然小功率发动机也可以采用风冷方式即在缸体10和11上加上许多散热片以加强散热。

由于该机采用了双偏心运动方式，分别在输出轴和内轴的偏心套上钻孔减重，以使整个机构运动平衡。

上述发动机的两种机械机构不仅可以用于作为四冲程发动机也可以用作于气泵，油泵等两冲程泵，同时作为二冲程泵时上述的发动机的输出轴可以作为泵的输入轴使用。

Claims

1.一种旋转活塞式发动机，它有一个圆环形气缸，气缸内有两个旋转体，每个旋转体在周向上均匀分布有2个活塞，气缸内的两个旋转体上的两组活塞在气缸内相互间隔安装，它们把这个气缸分隔成4个可变容积的工作室，在气缸上有一对进排气位置，其特征是：有两个推杆、两个连杆、一个转子、一个内轴，一个输出轴，其中每个推杆和输出轴同心转动，两个推杆分别和气缸内的一个旋转体刚性连接，两个旋转体和输出轴也同心转动，推杆的另一端和转子之间通过连杆铰链连接，转子上和连杆连接的两个铰链点分布在转子的自转中心的两端，转子安装在内轴的偏心孔内，内轴安装在输出轴的偏心孔内，输出轴的安装在固定的外壳上。

2.根据权利要求1所述的一种旋转活塞式发动机，其特征是：发动机的输出轴相对于固定缸体的转速、内轴相对于输出轴的转速和转子相对内轴的转速比为3∶-4∶2，其中发动机的输出轴相对于固定外壳的转速和内轴相对于输出轴的转速是通过一对齿数比为3∶4的内啮合齿轮来保证的，在这对齿轮中外齿轮固定在内轴上且它和内轴的自转中心同心，内齿圈固定在固定的外壳上且它和输出轴的转动中心同心；而内轴相对于输出轴的转速和转子相对内轴的转速是通过一对齿数比为1∶2的内啮合齿轮来保证的，在这对齿轮中外齿轮固定在输出轴上且它和内轴的自转中心同心，内齿圈固定在转子上且它和转子的自转中心同心。

3.根据权利要求2所述的一种旋转活塞式发动机，其特征是：在初始位置画出发动机的结构简图时，输出轴及内轴偏心距相等且它们在一条直线上，这条直线和转子上两端铰链点的连线垂直。

4.根据权利要求2所述的一种旋转活塞式发动机，其特征是：有一个滑块，它和输出轴同心转动，且它安装在转子上的滑槽内，滑块相对于转子在滑槽内来回运动。

5.根据权利要求2所述的一种旋转活塞式发动机，其特征是：两推杆，两连杆分布在转子的内孔内，转子的外圆套在内轴的偏心孔内，内轴安装在输出轴的偏心孔内，输出轴从转子的一侧输出动力，转子的另一侧为发动机的圆环形气缸，在气缸内的两个旋转体分别通过套筒和一个推杆刚性连接，且两个推杆之间的夹角对应于气缸内的1个工作室即两推杆之间的夹角和气缸内的1个工作室在周向所占的角度时刻相等。

6.根据权利要求2所述的一种旋转活塞式发动机，其特征是：输出轴上有一段是呈双弧状结构，该双弧状的内弧内和外弧外提供安装齿数比为3∶4的内啮合齿轮的空间，而齿数比为1∶2的那一对内啮合齿轮中的外齿轮直接加工在一根固定安装在输出轴上的轴上，且该外齿轮的中心和内轴的自转中心同心。

7.根据权利要求2所述的一种旋转活塞式发动机，其特征是：两推杆、两连杆是具有两个铰链点的杆结构上是曲轴或带有两个孔的杆或带有一个销和一个孔的杆或带有一个销和两个同心孔的杆或带有一个孔和两个同心孔的杆或带有两个销的杆或一个构件加一个虚约束构件。

8.根据权利要求5所述的一种旋转活塞式发动机，其特征是：推杆和旋转体以及连接它们之间的套筒结构上是推杆和套筒做成一体后和旋状体插接或旋转体和套筒做成一体后和推杆插接或旋转体及推杆分别和套筒一端插接。

9.一种二冲程泵，它有一个圆环形气缸，气缸内有两个旋转体，每个旋转体在周向上均匀分布有2个活塞，气缸内的两个旋转体上的两组活塞在气缸内相互间隔安装，它们把这个气缸分隔成4个可变容积的工作室，在气缸上有两对进排气位置，其特征是：有两个推杆、两个连杆、一个转子、一个内轴，一个输入轴，其中每个推杆和输入轴同心转动，两个推杆分别和气缸内的一个旋转体刚性连接，两个旋转体和输入轴也同心转动，推杆的另一端和转子之间通过连杆铰链连接，转子上和连杆连接的两个铰链点分布在转子的自转中心的两端，转子安装在内轴的偏心孔内，内轴安装在输入轴的偏心孔内，输入轴的安装在固定的外壳上。

10.根据权利要求9所述的一种二冲程泵，其特征是：泵的输入轴相对于固定缸体的转速、内轴相对于输入轴的转速和转子相对内轴的转速比为3∶-4∶2，其中泵的输入轴相对于固定缸体的转速和内轴相对于输入轴的转速是通过一对齿数比为3∶4的内啮合齿轮来保证的，在这对齿轮中外齿轮固定在内轴上且它和内轴的自转中心同心，内齿圈固定在固定的外壳上且它和输入轴的转动中心同心；而内轴相对于输入轴的转速和转子相对于内轴的转速是通过一对齿数比为1∶2的内啮合齿轮来保证的，在这对齿轮中外齿轮固定在输入轴上且它和内轴的自转中心同心，内齿圈固定在转子上且它和转子的自转中心同心。