CN102007273A - 旋转活塞式内燃引擎 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种汪克尔型-旋转活塞式内燃引擎，其具有带有双弧外旋轮内周表面(14)的壳体(1)、可转动于端罩(3、4)中的轴(8)、偏心地安装在所述轴(8)上的转子(9)，该转子被齿轮啮合以轴(8)转速的三分之一的转速转动，由此工作室(34、35、36)形成在转子(9)的侧边和端罩(3、4)之间，所述室的体积随转子(9)转动而变化，转子(9)由通常闭合的冷却回路中的冷却介质所冷却，所述介质由循环泵(27)循环，其间通过端罩(3、4)中的连接通道(20、18)以及转子(9)中的内部通道(21)，并且经过外部冷却热交换器(24)，冷却介质为来自高压工作室的吹漏气，所述气体穿过转子侧密封(26)泄漏至转子冷却通道。

Description

旋转活塞式内燃引擎
技术领域
本发明涉及一种旋转活塞式内燃引擎。
更具体地，但不排它地，本发明涉及一种所谓汪克尔型(Wankel)引擎，其中旋转活塞或所谓转子在由转子壳体形成的腔内转动，所述腔的转子外周以及内周表面的形状适于使工作室形成于转子与内周表面之间，所述工作室的容积随转子转动而变化，所述腔设有进入和排出端口。在人们最熟知的此类引擎中，所述腔包括具有双弧外旋轮形腔的静止转子壳体、以及实质上三角形但具有凸的弓形侧边的转子、保持与转子壳体的腔的内周表面相密封接触的在转子顶点处的密封或所谓顶点密封件、以及保持与两个轴向间隔的端罩相密封接触的在转子侧面的密封件或所谓侧密封件，并且所述转子在所述腔内以行星方式转动。
背景技术
一种已知的冷却此类引擎的转子的方法是通过转子中的内部通道循环油料。该系统的缺点包括为了将油料密封于转动并且轨道运行的转子中而带来的相当大的设计复杂性、此类油料密封所需的空间禁止了更紧凑型的引擎的使用；并且一些能量以及热效率经过油料密封的摩擦而损失并伴随有所谓转子内部油料的鸡尾酒调制(cocktail-shaker)损耗。
冷却转子的已知的替代方法为使用空气作为冷却剂。这种方法具有构造简单、引擎更紧凑以及低机械摩擦损耗的优点。
一方面，一个或多个通道形成于转子中并且形成至引擎的工作室的部分吸入通道，从而使空气加燃料经由此抽取并且由此冷却转子。该系统的缺点是空气/燃料混合物在其流经转子的过程中被加热并且因此使引擎的容积率与功率输出受损。
为了部分地克服该缺点，已知的替代系统中仅吸入空气被经由转子抽取，随后在添加燃料之前所述空气经过通风室和/或中冷器，并且所述混合物随后被吸入所述工作室。然而，由于复杂吸入系统的压力损耗，以及由于中冷器的实际尺寸而无法将空气冷却至周围环境水平，这种引擎的功率低于油料冷却转子型引擎的功率。
此类旋转活塞式引擎的例子可参照专利号为GB 1385687以及GB1386811的专利。
已知的另一类具有空气冷却转子的旋转活塞式引擎使用方法以压迫经过转子的周围环境空气，并随后将空气直接排入大气中而不是由引擎吸入，被吸入工作室的空气为处于周围环境压力和温度下的空气的单独供应。替代的已知用于将空气压迫经过转子通道的方法包括引擎驱动离心式风扇的使用、或排气喷射泵的使用、或仅仅冲压空气的使用，此类冲压空气是由机器或交通工具的高速所产生，其中引擎安装在周围环境中。
此类旋转活塞式引擎可参照专利号为EP 0273653的专利。
通过这些方法，这些类型的引擎将提供比油料冷却转子类型引擎更高的功率输出，因为具有与油料冷却转子类型相同水平容积率的空气冷却转子类型引擎具有更高的机械效率。
此类将用过的转子冷却空气排入大气的引擎的缺点是，润滑转子内部轴承和摩擦表面的油料仅用来通过转子一次并随后被不可避免地与冷却空气一起排出。在此类引擎的一些应用中，例如无人驾驶飞行器的功能，湿油粒子的排放是可接受的，但是在多数陆地和航海应用中，这是不可接受的。其另一个缺点是油料消耗相对高，因为对于转子内部和内外旋轮周界表面都需要提供单独的油料供应，其中顶点密封件滑动于内外旋轮周界表面上。
为了解决这些问题，在另一类型的旋转活塞式引擎中，待排的转子冷却空气加油料在排放之前流通经过油料分离器，并因此一部分油料被采集并能够用于再利用。但是要确保油料分离器收集油料的100％的效率而又不会使流通经过油料分离器的冷却空气的压力损耗为高是困难的，因此需要使引擎驱动转子冷却风扇得到高功率输入。对此，将有效油料分离器的使用结合冲压空气或用于增强经过转子的空气的排气引射系统是不现实的。
在上述所有的具有空气冷却转子的旋转式引擎中，转子的冷却使系统需要仔细设计以避免在不利运转环境下产生的转子过热。
这些引擎的潜在应用在于不适于采用公知的空气冷却转子的方法而必须采用油料冷却转子系统的情况。例如，当相对于自然吸气引擎，输入转子的热量明显增加时，具有空气冷却转子的旋转活塞式引擎的使用不适于结合涡轮增压或其它增强吸入的方法。这种情况对于配备至飞机的引擎的涡轮增压的重要应用尤其是这样，此时飞机需要在较高的高度保持良好的飞行性能。涡轮增压的目的和作用是在低密度大气层中保持高功率，这将导致低密度空气冷却转子的能力下降而使持续高水平热量输入至转子。
发明内容
本发明提供了一种旋转活塞式内燃引擎，其包括具有双弧外旋轮内周表面的壳体、用于壳体的端罩、在所述端罩中转动的输出轴、处于所述壳体中的三侧边旋转活塞、冷却回路，所述三侧边旋转活塞偏心地安装在所述轴上并且被齿轮啮合以输出轴转速的三分之一的转速转动，由此工作室形成于所述转子侧边与所述壳体的内表面之间，所述转子具有侧密封件，所述侧密封件接合所述端罩的内侧面，冷却介质围绕所述冷却回路循环用以冷却转子，所述冷却回路包括至少一个设置于所述转子中的内部通道以及设置于每个端罩中的通道，所述转子的内部通道以及所述端罩的通道随着所述转子的转动相对准，并且所述冷却回路进一步包括冷却热交换器、循环泵以及连接管道，所述冷却介质由吹漏气提供，所述吹漏气从所述工作室经过所述转子的至少一个侧密封件泄漏至所述冷却回路。
可以理解，配置在转子侧面的所述侧密封件意在防止引擎的工作室与转子内部之间的任何气体的泄漏。实际上，密封效率并不是100％，而且存在一些吹漏气现象。
本发明具有三个优势。
第一，提供了没有湿油粒子从冷却回路中排出的引擎；第二，提供了具有增强的冷却能力的转子冷却系统，使得引擎适于包括配备有涡轮增压器的所有类型的用法；以及第三，提供了改进的转子内部润滑作用同时实现较低水平的油料消耗。
本发明的优势进一步由所附权利要求2至11中所限定的任意特征所实现。
附图说明
下面将参照附图描述本发明的实施例，其中：
图1为穿过本发明中的旋转活塞式引擎的示意性截面图；
图2为转子的图解性侧视图；
图3为类似图2的视图，但示出转过180°角的引擎输出轴。
具体实施方式
参照附图，引擎包括转子壳体1与端罩3和4，所述转子壳体1包括具有双弧外旋轮内周表面或内孔(bore)的腔14。引擎输出轴5通过分别处于端罩3和4中的滚动元件或其它轴承6与7而转动地滑动(journal)，并且轴5具有偏心轴颈8，转子9转动地安装于偏心轴颈8上。飞轮10与平衡配重11安装在轴5的两个相对端上。
转子9具有密封条13形式的顶点密封件，密封条13设置在转子9的三个顶点中的每个顶点处，当转子9以行星方式在腔14内旋转时，每个密封条13保持转子9的相应的顶点与内周表面14之间的密封接触。转子9以输出轴5速度的三分之一的速度转动，并且通过外齿固定齿轮15与安装在转子9中的内齿齿轮16相啮合来控制转子9。
一个端罩4具有入口通道19，入口通道19具有一个或多个设置在固定齿轮15的两侧上的开口20，所述开口20在形状上适于容纳在以下将描述的在转子9上的侧密封件26的转动的内包络面中，侧密封件26实现了转子5的侧面与端罩3和4之间的密封。具有入口通道19的端罩4为对于冷却介质流而言为上游的罩4。
另一个端罩3同样设有开口18与出口通道17。
冷却介质能够流经上游端罩4中的入口通道19，并且因此流经端罩4中的所述或每个开口20，流过转子9的内部，流到下游的另一端罩3的一个或多个开口18，例如在转子9的腹板(web)内设有一个或多个通道以允许气流流经其中。
另外，一个或多个通道22可形成于偏心轴颈8中以允许平行气流流经其中并且由此冷却输出轴5。
导管23将下游端罩3中的通道17连接至冷却热交换器24。另一导管25将冷却热交换器24的出口连接至冷却介质循环泵27，又一导管28将泵27的出口连接至上游端罩4中的通道19。在另一个实施例中，泵27能够根据需要置于热交换器24的上游一侧。
因此，通过上游和下游端罩4、3中相应的通道19、17、穿过转子5的一个或多个通道21(当穿过转子5的所述通道21或其中之一通道21对准上游端罩4中的所述或一个开口20以及下游端罩3中的一个或多个开口18时)、并通过导管23至热交换器24、通过导管25至泵27以及通过导管18返回至上游端罩4中的入口通道19，就形成了用于冷却介质的冷却回路。
减压阀32设于导管23至热交换器24的冷却回路中，也可位于冷却回路的其它部分。
吸入空气管29以及化油器30(或替代的燃料喷嘴31)被示出，它们中的任一个或两个均可被设置用于为引擎的吸入室提供用于燃烧的空气与燃料。
替代地，引擎可通过直接注入系统而被供应燃料使之进入引擎的工作室(未示出)。
所述转子9冷却回路被另外提供于用于转子壳体1(包括端罩3、4)的主冷却系统。一个或多个冷却通道42可设于转子壳体1中并且其它冷却通道40与41可设于端罩3、4中。这些通道40-42可包含用于常规的冷却系统(未示出)的液体冷却剂。
替代地，转子壳体1与端罩3、4可配置有外散热片，并且可被空气冷却以提供主冷却系统。
用于转子冷却回路的冷却介质由吹漏气(blow-by gasses)提供，其在压力下从引擎的工作室进入冷却回路。
图2示出穿过引擎工作室34-36与用于加压吹漏气的冷却回路之间的侧密封26的气体泄漏路径。每个转子顶点处的顶点密封件13滑动地接合于内周外旋轮表面14。侧密封件26通过所谓角螺栓33形成与顶点密封13的密封接合。
在该实施例中，侧密封件26(转子9的每侧处)在两个相继的顶点密封件13或角螺栓33之间沿着转子侧边围绕转子9延伸，从而在该实施例中，三个转子侧边中的每个侧边均具有侧密封件26，所述侧密封件26随后在转子9的每侧产生转子旋转的内包络面。
进入口43与排出口44被示出。
所示一个工作室34处于压缩冲程的开始，并且工作室34中的压力在此刻将与冷却回路中(至少在转子9中的一个或多个通道21中)冷却介质的压力具有相似值。因此很少或没有气体穿过侧密封26泄漏。所示另一个工作室35处于膨胀冲程的过程期间，并且此时腔35中的压力为高，并且将有一些气体穿过侧密封件26从工作室35泄漏至冷却回路，即，泄露至转子9中的所述一个或多个通道21。
所示另一个工作室36刚好完成排气冲程。腔36中压力相对低并且将有一些回流气体从加压冷却回路泄漏穿过相应的侧密封件26至排气工作室36。
在图3中，所示工作室37处于进气冲程过程期间。此处工作室37中压力为低，并且将有一些气体穿过相应的侧密封件26从冷却回路泄漏至工作室37。所示又一个工作室38接近压缩冲程结束。此时工作室38中压力为高并且将有空气燃料混合物从工作室38穿过侧密封件泄漏至冷却回路，并且因此泄漏至转子9的所述一个或多个通道或通道21。还示出再一个工作室39处于排气冲程期间，与图2所示工作室36相类似。
冷却热交换器24可以采用用于实现冷却回路中的冷却介质的冷却的任意适当类型。热交换器24的冷却能力不需要很高，因为注入所述种类的引擎中的转子9的热量仅等于输出轴5功率输出的大约10％。通常，热交换器24为气-气型，其中周围环境中的空气作为冷却剂。尽管如此，在航海环境中使用的引擎，例如驱动船只的引擎，冷却剂优选地为水。
冷却回路泵27可以采用任意适当的类型，但根据需要可以是由引擎的输出轴5或由电动机或由引擎排出气体驱动的涡轮机所机械地驱动的离心式风扇型。
如果发生如下情况，即，用于此类引擎的侧密封件被改进从而使在转子9侧面与端罩3、4之间的密封质量高到穿过这些密封件泄漏的气体令人满意地不足量从而将转子冷却回路中的冷却介质加压至所需水平，那么在排出口44打开前的短暂时间，一条例如经过小的低压区(该低压区被侧密封件26横贯)的路径将形成在端罩3、4中的任一个或两个中，由此有意允许吹漏气从高压工作膨胀室泄漏或额外泄漏，并且所需增压由此实现。
尽管参照图1描述的本发明示出单个转子9引擎，可以理解，对于具有两个或更多个转子的引擎同样可适用，其中用于多个转子的气体冷却流可被并联而非串联设置。
经侧密封件26泄漏的吹漏气的量将随引擎转速和负载而变化，但是已知对于此类引擎，该量为吸入气流量的大约1％至2％。
本发明利用该吹漏气来进行改进。在引擎被首次启动之前，用于转子9的闭路冷却回路将以周围环境压力封闭空气。当引擎运转后，一些来自压缩工作室(例如图3中的腔38)的吹漏气-燃料混合物、以及一些来自膨胀工作室(例如图2中的腔35)的吹漏燃烧气体将经过转子9的相应的侧密封件26泄漏并且进入闭合冷却回路，因此该回路中的压力将增大。进入冷却回路的气体可以是气体和燃料、二氧化碳以及其它部分燃烧的气体的混合物。
大部分进入闭合冷却回路的气体混合物可以是消耗的燃烧气体，因为可以预料，来自高压膨胀工作室35的吹漏气的量大于来自低压压缩工作室38的量。当引擎以高负载运转时，该气体泄漏将快速地对冷却回路加压至明显大于外界环境压力的值，如果需要，能达到高于环境压力几巴(bar)的压力。所达到的最大压力通常由减压阀32控制，减压阀32被选定和/或调整以提供所需级别的增压。减压阀32的定位与设计优选地应该确保没有油料经过该阀门流失。
从减压阀32释放的任何气体可被导入引擎吸入系统29，对于还在往复活塞型引擎中排出的吹漏气是正常的。
采用所述冷却回路(优选地完全密封而非内部泄漏，所述内部泄漏为经过侧密封26从引擎的工作室35、38等泄漏或泄漏至引擎的工作室35、38，以及从减压阀32排出的任何气体)，没有湿油粒子发散到大气中。还可以理解，正在穿过一个或多个内部转子冷却通道的较高压力及由此较高密度的气体比起先前已知的采用周围环境压力空气的配置具有较强的消除热量的能力。取决于引擎的应用，冷却回路中的气体的压力值可被选定为上至高于环境压力几个巴。例如，配备有涡轮增压器的引擎可利用更高水平的冷却回路增压，同时具有小的占空比的非涡轮增压引擎可采用较低水平的冷却回路增压。
润滑油可被供应至从计量泵M经过上游端罩4至邻近冷却回路中冷却介质进入转子9中所述一个或多个通道21的入口的一点的冷却回路。所述油料可由循环冷却气体携载以润滑转子9的内部摩擦表面、以及齿轮15、16和轴承6、7以及图1中B所指的转子轴承。大部分油料将随后穿出转子9、穿过外部管道23、穿过冷却热交换器24、以及泵27而穿出离开，并且随后返回至转子9的通道21以重新开始下一个循环。在引擎首次启动后，穿过转子9的油料的量将逐步增加并且该速率可大于由油料计量泵M正在提供的速率。
当正在向外逃逸并穿过转子侧密封件26进入工作室的油料的量等于从油料计量泵M供应的量时，正在经过冷却回路循环的油料的量将达到稳定，此处对于油料没有其它路径离开转子冷却回路。
从冷却回路经过侧密封件26流入工作室的油料将向端罩3、4内侧面(inner side face)向外移动，并且由此移动至转子壳体1的腔的内周外旋轮表面14上，由此在油料最终与热的排放气体从排出口44排出并通常被燃烧或蒸发之前，润滑顶点密封件13。
能够使同样的油料经过转子9多次的该系统取代了只能使油料经过一次的已知系统，将导致更高标准的引擎润滑；并且将使得油料计量泵M的流量设置值降低至最小值，从而使油料消耗低于没有采用本发明的现有技术中可比照的引擎。
如果需要，例如如果引擎倒置(相比于图1所示朝向)，润滑油将聚集在例如热交换器24中冷却回路的最低点。因此将形成用于此处聚集的油料的井。如果需要，可以设置用于此类油料的路径，使其在例如冷却回路中压力的作用下回流至油箱，油料泵M从该油箱处抽取油料。
以特有的形式、或以实现所公开的功能的装置、或获得所公开的结果的方法或步骤所限定的说明书或权利要求书或附图所公开的特征，适当地，可分别地或以所述特征的任何组合地用于以多种方式实现本发明。

Claims (10)

1.一种旋转活塞式内燃引擎，包括壳体、用于所述壳体的端罩、在所述端罩中转动的输出轴、处于所述壳体中的三侧边转动活塞、冷却回路，所述壳体具有双弧外旋轮内周表面，所述三侧边转动活塞偏心地安装在所述轴上并且被齿轮啮合从而以输出轴转速的三分之一的转速转动，由此在所述转子的侧边与所述壳体的内表面之间形成工作室，所述转子具有侧密封件，所述侧密封件接合所述端罩的内侧面，冷却介质围绕所述冷却回路循环用以冷却转子，所述冷却回路包括至少一个设置于所述转子中的内部通道以及设置于每个端罩中的通道，随着所述转子转动，所述转子的内部通道以及所述端罩的通道相对准，并且所述冷却回路进一步包括冷却热交换器、循环泵以及连接管道，所述冷却介质由吹漏气提供，所述吹漏气已经从所述工作室经过所述转子的至少一个侧密封件泄漏至所述冷却回路。
2.根据权利要求1所述的引擎，其特征在于，所述冷却回路大致闭合，并且在所述转子内部通道中的所述吹漏气在高于外部环境气压的压力下运转。
3.根据权利要求1或2所述的引擎，其特征在于，所述冷却回路包括减压阀，该减压阀用于控制所述冷却回路中的吹漏气的最大压力。
4.根据上述任一项权利要求所述的引擎，其特征在于，通过由油料计量泵供应润滑油至所述冷却回路内的吹漏气中，所述引擎被润滑。
5.根据权利要求4所述的引擎，其特征在于，所述轴由轴颈轴承支撑在端罩中，所述轴承中的一个为上游轴承，其邻近所述冷却介质从所述端罩中的通道而进入所述转子的内部通道所经过的位置，并且所述润滑油进入所述冷却回路的最初进入通过上游端罩中的轴颈轴承进行。
6.根据上述任一项权利要求所述的引擎，其特征在于，所述冷却回路的循环泵由所述引擎输出轴驱动。
7.根据上述任一项权利要求所述的引擎，其特征在于，所述转子包括第一、第二和第三顶点密封件，其中每一个都在所述转子转动时接合所述外旋轮内周表面，并且一个侧密封件从处于或邻近所述第一顶点密封件延伸至处于或邻近所述第二顶点密封件，第二侧密封件从处于或邻近所述第二顶点密封件延伸至处于或邻近所述第三顶点密封件，并且所述第三侧密封件从处于或邻近所述第三顶点密封件延伸至处于或邻近所述第一顶点密封件。
8.根据权利要求7所述的引擎，其特征在于，泄漏路径穿过所述侧密封件中的至少一个提供，以允许所述吹漏气从工作室穿过所述侧密封件泄漏至所述冷却回路中。
9.根据上述任一项权利要求所述的引擎，其特征在于，所述冷却热交换器由周围空气冷却，所述周围空气例如为冲压空气。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的引擎，其特征在于，所述引擎用于航海应用，所述冷却热交换器由水冷却。
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PB01 Publication
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SE01 Entry into force of request for substantive examination
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WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

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