CN101963094A - 一种旋转活塞式发动机 - Google Patents

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和两个旋转体，两个旋转体在周向上各均匀分布有4个活塞，这两组活塞在气缸内相互间隔安装，它们把气缸分隔成8个可变容积的工作室，气缸上有两对进排气位置，有两个推杆(5和6)，两个曲轴(3和4)和一个转子(2)及一个输出轴(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曲轴铰链连接，转子上和曲轴连接的两个铰链点分布在转子的自转中心的两端，转子安装在输出轴的偏心孔内，输出轴的安装在固定的缸体上，两推杆之间的夹角对应于气缸内的三个工作室。

Description

一种旋转活塞式发动机

技术领域：本发明涉及一种发动机，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，再通过连杆和连杆把活塞的直线运动转化为连杆的旋转。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，直接通过转子在汽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。同时它也可以被用作为气泵、油泵之类的二冲程泵。

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和两个旋转体，两个旋转体在周向上各均匀分布有4个活塞，这两组活塞在气缸内相互间隔安装，它们把气缸分隔成8个可变容积的工作室，气缸上有两对进排气位置，发动机的主要运动件有：两个推杆，两个曲轴和一个转子及一个输出轴，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曲轴铰链连接，转子上和曲轴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缸体的转速和转子相对于输出轴的转速比为5∶-4，这个比例是通过一对内啮合齿轮保证的，其中外齿轮固定在固定的缸体上且它和输出轴转动中心同心，内齿圈固定在转子上且它和转子自转中心同心，外齿轮和内齿圈的齿数比为4∶5。

由于上述发动机的每个旋转体上有4个活塞时，让两个旋转体上的活塞相互间隔安装，它们共构成8个可变容积的工作室。输出轴匀速转动时，两个推杆之间的夹角，将在周向出现4个最大和4个最小值，且最小值和最大值在周向均匀间隔分布，如果让两个推杆分别与一个气缸内的一个旋转体刚性连接，这时两推杆之间的夹角变化就可以表现为气缸内的每个工作室的容积的变化，具体装配时，可以让两推杆之间的夹角和气缸内相邻的3个工作室在周向所占的角度相等。这样发动机的每个工作室的容积在周期性的变化的过程中实现了工作的四个冲程即进气、压缩、做功和排气四个冲程。

上述发动机结构，转子每旋转一圈时，带动两旋转体各旋转一周，输出轴旋转5转，发动机上的8个工作室的每个工作室完成8个冲程，若发动机为四冲程的话，每个工作室在转子转动一周的过程中将做功2次。

上述四冲程发动机共有8个工作室，在转子旋转一周中每个工作室做功2次，这样发动机在转子转动一周的过程中共完成做功16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输出轴转速的1/5，这样就大大减小了驱动转子转动的齿轮的载荷，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。

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，油泵等两冲程的机械，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为发动机的结构简图及工作时序图

图2为发动机的结构剖面图

图3为图2的B-B剖面图

图4为图2的C-C剖面图

图5为图2的D-D剖面图

具体实施方式：

如图1所示的结构中，在初始位置时AB和CD垂直，若输出轴1绕A点相对于固定缸体的转速、转子2绕B点相对于输出轴1的转速比为1∶-1，那么转子2相对于固定缸体的转速为零，所以转子上的两端点C和D点与B点的运动相似，都是做圆周运动。连杆3的长度为CE，连杆4的长度为DF，推杆6的长度为FA，推杆5的长度为EA，上述各点都是对应的两零件连接的铰链中心，且BD＝BC、CE＝DF、FA＝EA。输出轴和转子若连续转动时，转子将通过两连杆带动两个推杆在一定范围内来回摆动。转子运动到最右端时角∠FAE最大，运动到最左端时角∠FAE最小。设输出轴1的转速为v，若将上述所有运动件加上一个相对于缸体大小为v/4，方向和v相同，绕A点转速，即输出轴1的转速变为1.25×v，而其他运动件相对于输出轴1的转速不变。这样输出轴1绕A点相对于固定缸体的转速和转子2绕B点相对于输出轴1的转速比为5∶-4。在所有运动件以v/4的分速度绕A点转动一圈的过程中，输出轴1又以v的分速度转动了4圈，它通过转子及两个连杆带动两个推杆来回运动了4次即∠FAE出现了4个最大角和4个最小角。且这些角在周向间隔分布，最大和最小角之和为90度。

如图1所示(参见图3)，两个旋转体上在周向各均匀分布有4个活塞，且两组活塞间隔安装，每两个相邻活塞之间形成一个可变容积的工作室，则工作室共有8个。让两个相邻工作室的容积变化刚好相反，即一个工作室容积最大时另一个工作室容积恰好最小，且这两个工作室对应的夹角之和始终为90度。若让∠FAE对应于3个工作室，即∠FAE对应于①、②和③三个工作室，其中∠EAG对应于工作室①、∠GAH对应于工作室②、∠HAF对应于工作室③，由于∠GAH+∠HAF始终为90度，因此∠FAE最大时工作室①容积最大，∠FAE最小时工作室①容积最小，那么工作室①将随∠FAE在周向间隔出现4个最大容积和4个最小容积，从图1B→图1I分别顺序表示这8种状态，这样转子转动一圈，每个工作室将完成两个工作循环。

如图2所示，发动机的气缸为圆环形，气缸是通过固定缸体9、固定缸体10和两旋转体7和8装配而成。两旋转体的旋转中心和输出轴的转动中心相同，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2所示(参见图3和图5)曲轴3的连杆轴颈安装在推杆5的一端，曲轴3的两个主轴颈安装在转子2的一端及固定在转子上的内齿圈11上，曲轴4的连杆轴颈安装在转子2的另一端，曲轴4的两个主轴颈安装在推杆6和与之同步运动的虚约束杆件14上，两曲轴的曲柄半径相等。推杆5通过轴带动旋转体7转动，推杆6通过套筒带动旋转体8转动，推杆、旋转体和连接它们之间的套筒或轴的刚性连接，在结构上可以将推杆和套筒或轴和推杆做成一体后和旋状体插接或旋转体和套筒或轴和旋转体做成一体后和推杆插接或旋转体及推杆分别和套筒或轴一端插接。

如图2所示(参见图4)输出轴1安装在固定的外壳12上，转子2的外圆套在输出轴1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，且转子2上安装有一个内齿圈11，它和转子2的自转中心同心，并且该内齿圈将和固定的外齿轮13啮合，固定的外齿轮13以输出轴1的转动中心为中心，这样输出轴1转动时，转子2除了绕输出轴1转动外，还以一定的转速自转，由于内齿圈11和外齿轮13的齿数比为5∶4，这就保证了输出轴1相对于固定缸体的转速和转子2相对于输出轴1的转速比为5∶-4，负号代表转动方向相反，齿数比为4∶5的这一对内啮合齿轮安装在转子和气缸之间，其中外齿轮13固定在缸体10上，连接推杆和旋转体的套筒或轴从固定外齿轮的中心孔内通过，内齿圈11固定在转子2上。

如图5所示(参见图2)两推杆5和6，两曲轴3和4分布在转子的内孔内，它们都是具有两个铰链点的杆，只要距离和安装合适在结构上可以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的方式。

如图3所示(参见图1和图2)发动机的工作室最小角位置共有4个且相邻的两个位置间隔90度，在相邻的两个位置之一的附近用于安装火花塞或喷油器，另一个位置的两侧约15度的缸体上有两个通口，它们分别用于排气和进气。缸体9和缸体10的冷却既可以采用风冷方式也可以采用水冷方式。

由于该机的转子做偏心运动方式，它安装输出轴的偏心孔内，可以在输出轴的偏心套上钻孔减掉一部分重量，使机构运动完全平衡。

上述机械结构不仅可以作为四冲程发动机使用，也可以作为二冲程的泵使用如：油泵，压缩机，真空泵，水泵等。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 (10)

1.一种旋转活塞式发动机，它有一个圆环形气缸和两个旋转体，两个旋转体在周向上各均匀分布有4个活塞，这两组活塞在气缸内相互间隔安装，它们把气缸分隔成8个可变容积的工作室，气缸上有两对进排气位置，有两个推杆，两个曲轴和一个转子及一个输出轴，其中输出轴的安装在固定的外壳上，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曲轴铰链连接，转子上和曲轴连接的两个铰链点分布在转子的自转中心的两端，其特征在于：输出轴上有一个偏心孔，转子的外圆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，两推杆、两曲轴分布在转子的内孔内。

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：输出轴相对于固定缸体的转速和转子相对于输出轴的转速比为5∶-4，这个比例是通过一对内啮合齿轮保证的，其中外齿轮固定在固定的缸体上且它和输出轴转动中心同心，内齿圈固定在转子上且它和转子自转中心同心，外齿轮和内齿圈的齿数比为4∶5。

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：在气缸内的两个旋转体分别通过套筒和一个推杆刚性连接，两个推杆之间的夹角对应于气缸内相邻的3个工作室即两推杆之间的夹角和气缸内相邻的3个工作室在周向所占的角度时刻相等。

4.根据权利要求3所述的一种旋转活塞式发动机，其特征是：齿数比为4∶5的一对内啮合齿轮安装在转子和气缸之间，其中外齿轮固定在固定缸体上，连接推杆和旋转体的套筒或轴从固定外齿轮的中心孔内通过。

5.根据权利要求3所述的一种旋转活塞式发动机，其特征是：两推杆、两曲轴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。

6.根据权利要求3所述的一种旋转活塞式发动机，其特征是：推杆、旋转体和连接它们之间的套筒或轴的刚性连接，在结构上是推杆和套筒或轴做成一体后和旋状体插接或旋转体和套筒或轴做成一体后和推杆插接或旋转体及推杆分别和套筒或轴的一端插接。

7.根据权利要求3所述的一种旋转活塞式发动机，其特征是：在输出轴的偏心套上钻孔减掉一部分重量，以使机构运动完全平衡。

8.根据权利要求4所述的一种旋转活塞式发动机，其特征是：一个曲轴的连杆轴颈安装在一个推杆的一端，该曲轴的两个主轴颈安装在转子的一端及固定在转子上的内齿圈上，另一个曲轴的连杆轴颈安装在转子的另一端，该曲轴的两个主轴颈安装在另一个推杆和与之同步运动的虚约束杆件上。

9.一种二冲程泵，它有一个圆环形气缸和两个旋转体，两个旋转体在周向上各均匀分布有4个活塞，这两组活塞在气缸内相互间隔安装，它们把气缸分隔成8个可变容积的工作室，气缸上有四对进排气位置，有两个推杆，两个曲轴和一个转子及一个输入轴，其中输入轴的安装在固定的外壳上，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曲轴铰链连接，转子上和曲轴连接的两个铰链点分布在转子的自转中心的两端，其特征在于：输入轴上有一个偏心孔，转子的外圆安装在输入轴的偏心孔内，输入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，两推杆，两曲轴分布在转子的内孔内。

10.根据权利要求7所述的一种二冲程泵，其特征是：输入轴相对于固定缸体的转速和转子相对于输入轴的转速比为5∶-4，这个比例是通过一对内啮合齿轮保证的，其中外齿轮固定在固定的缸体上且它和输入轴转动中心同心，内齿圈固定在转子上且它和转子自转中心同心，外齿轮和内齿圈的齿数比为4∶5。

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