CN1020297C - 柱塞旋转式发动机 - Google Patents

Abstract

柱塞旋转式发动机是一种可用做汽车动力或为其它设备提供动力的新型汽油发动机。

本发动机由包括进、排气门，气道、冷却油道在内的各个柱塞等连成一整体的旋转部分和包括缸筒和导轮等在内的往复部分及导向部分等构成。旋转的柱塞与沿导轨行走的缸筒之间按照四冲程发动机工作原理做往复运动，所产生的动力由位于转子中心下部的动力输出轴输出。

本机具有全机只一对配气凸轮、无曲轴、连杆结构等特点和功率大、体积小、转速高、结构简单、制造方便等优点。

Description

本发明涉及一种动力设备，特别涉及可用来为汽车和其它设备提供动力的新型汽油发动机。

往复式发动机已有百年历史，近20年新开发了三角活塞转子发动机，这种发动机比起往复式是有进步，但仍存在着低速性能差和经济性差等缺点。美国专利US    3，710，691公开了一种活塞式发动机，该机由转子、缸筒、往复式活塞以及定子等组成。转子包括转子轴和转子本体，转子围绕功率输出轴旋转，转子本体具有排列于旋转轴径向上的若干缸筒，每个缸筒具有封闭的内端与外端，在在每一个缸筒上有一个往复式活塞，每一个活塞在其二端之间带有一个插销，该插销在平行于旋转轴的方向上延伸，并且其端部伸出于在转子本体内径向延伸的槽外;定子具有一个或多个固定非线性无端椭园形轨道，该轨道处于与旋转轴垂直的平面上，该轨道与每一个活塞的插销端部如此地配合，以致插销与轨道随着转子的转动使活塞产生在缸筒中的往复运动，所说的转子具有与每一活塞结合的通道，导轨是控制活塞相对缸筒作往复运动的凹槽。这种设计虽然具有一定技术先进性，但是它的转子是一圆盘状物，处于定子外壳之中，这种结构的转子不利于缸筒散热;缸筒不易加工;同时活塞在转子内也不易安装。

本发明目的在于：提供一种旋转式发动机，该发动机的单个缸筒易于散热，缸筒易于加工，单位工作容积功率大，高效和高转速，并且气阀密封形式密封可靠。

本发明目的是这样达到的：提供一种柱塞旋转式发动机，具有转子、缸筒、外壳、动力输出轴和导轨，其中，作为旋转部分的转子是所有缸筒的柱塞和动力输出轴铸成一个整体或分别加工后再组装成一整体，形成一个整体转子，在每个柱塞内安装有一对进、排气门，进、排气道、弹簧、挺杆和飞轮，在柱塞内壁开有冷却油道，柱塞头外部镶有三道密封环，其中二道气环，一道油环;作为往复运动的各个分立的缸筒在其顶部装有能周期地与高压分电板接触的火花塞，在缸筒上、下侧边各有能安装作为工作导轮的滚柱轴承的轴和作离心导 轮的黄铜制成的离心滚轮的轴;所说的飞轮位于全机下部，飞轮与全机中央下端的动力输出轴之间用花键加螺母和销子或涨套连接，带轴肩的动力输出轴又通过沉头螺钉与转子连成一体;作为导向定位部分的导轨是两条结构形式完全一致，安装形位完全一致的环形导轨，它与机壳制成一体或安装在上、下机壳上，由耐热、耐磨材料制成，它是根据四冲程发动机各个冲程分配时间不等而制成的指定形状的环形轨道，安装在缸筒上、下侧边的工作导轮就沿该导轨滚动，发动机启动时离心导轮也沿该导轨滚动，高速转动的柱塞与沿导轨行走的缸筒之间按照四冲程发动机工作原理作往复运动，从动力输出轴输出动力，缸筒和柱塞之间做功一次，推动动力输出轴转动360度。

以下结合附图对本发明进行详细说明。

附图1是柱塞旋转式发动机主要结构图。

附图2是发动机的旋转与往复部分示意图。

附图3是柱塞内的进、排气门、气道布置图。

附图4是为本发明发动机的配电系统图。

附图5是以一缸为例的工作过程图。

附图6是冷却、润滑系统图。

附图7是机壳示意图。

从附图1可见，本发明柱塞旋转式发动机的主要特点是沿一指定曲线形轨道行走的缸筒（30）和高速旋转柱塞（31）之间作往复运动。该柱塞（31）和动力输出轴连成一体构成转子（6）。柱塞（31）和缸筒（30）之间的工作方式和工作腔的变化规律正好符合四冲程内燃机工作原理，发动机工作时，气体爆发压力直接推动柱塞（31）等带动与柱塞构成的转子（6）连在一起的、带轴肩的圆柱形动力输出轴（21），在缸筒（30）沿着按照发动机作功四冲程时间分配需要而设计的导轨（1）上行走一圈时，缸筒（30）和柱塞（31）之间正好作一次往复运动，完成一次做功的同时，也带动动力输出轴（21）转动一圈，以下详细说明：

A.本机的旋转部分：

从附图1和3可见，旋转部分的转子（6）是所有缸筒的柱塞（31）和动力输出轴（21）铸成一个整体或分别加工后再组装成一整体，形成一个整体的转 子，每一只柱塞内安装有进、排气门（41）（43）和进、排气道（42、44），冷却油道（45），大小气门弹簧（47）和挺杆（63）。在柱塞外部镶有三道密封环（46），即二道气环和一道油环。转子（6）还包括配电凸轮（5）、排气管（8）、冷却风扇（11）、套有起动齿圈（17）的飞轮（18）、动力输出轴（21）和机油泵齿圈（24）等。

由于采用柱塞形式，因此，可在柱塞内部设有进、排气门（41、43）和进、排气道（42、44），易于加工，同时又采用了传统式的进、排气门，因此，缸筒内的密封可靠，转子总成的各部件可分别加工，参见附图3。

附图3是柱塞（31）内部的结构图，3a是柱塞切面的正视图;3b是附图3a的俯视图;附图3c是附图3b内的A-A截面图。从附图3可见，在柱塞内部有进气门（41）、排气门（43）、进气道（42）、排气道（44）、冷却油道（45）、大小气门弹簧（47），在附图3b上从上看不见进、排气道（32、44），所以用虚线画出，只有从A-A线截切才可见如附图3c那样的形状。

飞轮（16）位于全机下部，它与全机中央下端的动力输出轴（21）之间，用花键（18）、锁紧螺钉（19）、销子或涨套直接连接，这是本机的一大优点。飞轮（16）在转子（6）开始转动时带动转子迅速旋转起来，在旋转过程中又保持转子的旋转平衡。

位于发动机上部的排气管（8）、转子（6）、带轴肩的圆柱形动力输出轴（21）是通过头部埋入轴肩圆孔内的大螺钉（2）连成一体的，为减少排气阻力及高温，排气管内可镶入耐高温瓷管（9），排气管（8）外套有通过键（7）连接的冷却风扇（11）和配电凸轮（5）。

本发明发动机的旋转部分还包括三个轴承的内圈，它们是用来支持转子（6）并防止转子（6）轴向和径向窜动的上滚柱轴承（4）、下滚柱轴承（23）的内圈以及装于动力输出轴（21）下部为防止动力输出轴（21）摆动的滚柱轴承（22）的内圈。

气门挺杆（63）的作用主要是驱动气门和承受较大的侧向力。因为凸轮（62）不动，转子体内的气门机构是围着凸轮（62）转，这样每一次将气门顶开时，就有一种向挺杆（63）杆身的侧向压力，所以气门挺杆（63） 比一般气门杆更粗和短些（参看附图5）。

本发明发动机的缸筒与柱塞数目依输出功率和转速等而定，因此，可以制成1、2、3……等任何一个数目的缸筒数，而不必象过去的发动机只能制成偶数缸，当然由于转速高，多缸应配备电子点火系统。

本机的旋转部分以第一、二道支承轴承固定在上、下壳中，作以动力输出轴（21）为轴心的高速旋转。

B.本机的往复部分：

作为往复部分的缸筒（30）（见附图1），其顶端装有能周期地与高压分电板（28）接触的火花塞（29），缸筒（30）两侧面各有二个轴，其中一个轴（2）能安装作为工作导轮的滚柱轴承（3）;一个轴（25）能安装由黄铜制成的离心滚轮（26）。轴（2）应尽量靠近缸筒的下部，以保证柱塞在缸筒运动时的稳定性，避免拉筒卡死。

工作导轮（3）（见附图1）从发动机启动起便带着缸筒（30）沿导轨（1）行走，因导轨（1）上各点与转子中心点的距离按发动机工作需要而设计，它是不断变化的，因而沿导轨（1）行走的缸筒（30）与其所套柱塞（31）之间也不断地变化着它们的相对位置，从而能完成四冲程做功。离心滚轮（26）装于缸筒（30）二侧，它仅仅在发动机启动一瞬间（几秒钟时间内）起作用和工作。这是因为在电动机带动发动机启动的瞬间，发动机的转速不高，缸筒的离心力不够，因而不能使每一对缸筒（30）和柱塞（31）之间得到必要的工作距离，发动机便不能自行工作，因而必须由离心导轮（26）增加缸筒（30）的离心力，强制拉开缸筒（30）与柱塞（31），实现必要的作功距离而开始工作。当发动机投入正常运行后，缸筒（30）已具有足够的离心力，使工作导轮沿导轨正常运行，离心导轮（26）便不再起作用与工作。停机时由于离心导轮（26）的存在，保证缸筒（30）不能自然下落，从而保持与柱塞（31）之间合理的距离，便于下次启动。

C.本机的导向定位部分（定子）：

导向定位部分由导轨（1）和驱动气门的中心凸轮（61）组成。

附图1和附图5可见本机的导轨（1），附图5是以一缸为例的工作过程图，正好是附图1的横截面。所说的导向用导轨（1）的两条结构形状完全一 致，安装形和位完全一致的环形轨道，它与机壳（14）制成一体或安装在上、下机壳上，由耐热、耐磨材料制成，它是根据四冲程发动机各个冲程分配时间不等而制成的指定形状的环形轨道，例如吸气和压缩行程及作功和排气各行程所占的最合理的时间是不同的，并且在各个行程的各个阶段的时间也是不均的，因而导轨（1）的形状不仅不是正圆或规则的椭圆，而且在导轨（1）的各段轨迹也是不同的，要经过仔细的计算、设计才能确定。导轨（1）的截面形状是根据材料机械强度、导轨磨损的需要和加工的经济性来综合设计的，安装在缸筒（10）上、下侧边的工作导轮（滚柱轴承）（3）沿导轨（1）滚动，发动机启动时离心导轮（26）也沿导轨（1）滚动。

配气凸轮（61、62）（见附图5）可以和下壳铸成为一体，但考虑到要安装第二道支承轴承，也所以可和下壳分别制造，然后连接在一起，形成与下壳成为一体不动，只有这样，转子体内的气门驱动挺杆（63）每旋转到某一凸轮（进气或排气凸轮）时，才可以把气门打开。

本发动机的配气系统可从附图5看清楚，该配气是靠装在下机壳上伸入到接近中心的套筒上一对进气凸轮（61）和排气凸轮（62）来控制，表面型线依配气过程需要而定，凸轮的进气角为120度左右，排气角为60°左右是适宜的，由全机只一对进、排气凸轮代替，显然比现有技术的进、排气系统的结构大为简化，而且安装方便，刚度也可大大提高，无疑有利于减小发动机的体积，提高发动机的寿命，降低造价，尤其有利于提高转速。

D.配电系统：

本发动机配电系统见附图4，配电系统由配电凸轮（5）、高压触点（52）、低压触点（51）、高压分电板（28）和火花塞（29）组成。本发明特征之一是缸筒顶部的火花塞（29）只在机壳（14）的高压分电板（28）一处点火。高压分电板（28）是固定不动的，每一个缸筒的火花塞旋转到点火位置与其接触后，这时在凸轮（5）的作用下，低压断开而高压接通，即可点火做功。本发明所有气缸均在一点点火，使结构简单，点火准确。虽然该火花塞（29）周期性地与装在机壳上的高压分电板（28）接触有较大的接触面和较长的接触时间，然而为了防止由于装在机壳内的油不洁净而导电，因此，高压电路的通、断不依赖机壳内的接点，而由机壳（14）与缸数相同的多角配 电凸轮（5）来控制机外接点的接通和切断。从附图4可见，配电凸轮（5）设于排气管（8）外，它间隔地与高压电路（52）和低压电路（51）相接，当高压电路（52）被接通时，低压电路（51）被切断。当本发动机的设计需要采用多缸转速时，应采用电子点火系统。

E.冷却与润滑系统：

附图6是冷却、润滑系统图。发动机的润滑与冷却常常成为发动机能否实现设计功率，甚至能否正常工作的一个重要问题。人们一直在为改进发动机的冷却、润滑耐努力，想办法改进设计，实现降低各个关键部件的温升，以增加出力，提高寿命。人们正在继续研制三角活塞转子发动机的润滑，冷却也还是一个有待进一步解决的问题。发明人对本发明结构构思时已十分注意润滑和冷却问题。

这里初步考虑有三个途径，即：

1.油冷却、润滑系统，见附图6，转动的机油泵齿圈（24）带动机油泵（71），泵出的机油经机外管道（24）、机油散热器（13）、上机壳铸件内的油槽（73）后分成两路，一种由柱塞油道经柱塞进、排油道（45），流入并沉积在发动机下壳（72）内，由于转子的转动又将机油带起，经机油导流板（27）激溅到导轨（1），工作导轮（3）以及缸筒（30）等上面，又返回机油泵（71），不断继续循环;另一路则经转子铸件（6）、动力输出轴（21）、配气凸轮（61、62）、气门挺杆（63）、下轴承（22），返回到机油泵（71）后再继续循环;

2.风冷系统：冷却风扇（11）鼓起的冷风冷却机油散热器（13）的机油后，经机壳外的导风罩（10）导向冷却机壳（14、16）;

3.由化油器带出热量：附图7是机壳示意图，从附图7可见，在上机壳（14）一侧经空气滤清器接口（83）不断地送入冷空气，上机壳（14）另一侧经化油器的接口（81）不断地抽出热空气，带走机内热量。

此外，机壳由带有定位结构的上、下壳（14、16）组成，加密封垫用螺钉连接，下机壳（16）下部设有进气管（82），该进气管与柱塞内的进气道相通。

从上述各部分结构看出，按照本发明方案构成的发动机是直立式，从下部 输出动力，很适合于汽车上安装使用;本发明发动机不仅可以制成任何缸数，而且转速高而平稳，结构简单;由于转子上的柱塞的形状，对散热有利;由于缸筒在柱塞外部，因而容易加工，散热容易;在缸尾部容易加工出完美的燃烧室;在转子高速旋转时，由于离心力的作用，使燃油晶体在燃烧室顶部靠近火花塞周围，形成不同密度的混合气层状，层状进气是一种最理想的进气形式;由于采用柱塞形式，可在柱塞内部设有进、排气阀门及进、排气通道，因此气缸内的密封可靠;转子总成各部件可分别加工制造而成，因此加工制造方便;所有气缸在一点点火，使点火系统简单，并有利于所有气缸的点火正时;所以用凸轨是因为：一般上、下机壳采用的是一般材料如铸铁、铸铝等，而本发明用耐热耐磨材料单独加工后再装在机壳上，作成凸轨的外圆上可行走离心导轮，该离心导轮在发动机起动时参加工作，使气缸拉开，而在发动机正常工作时，该离心导轮不再工作。由于以上优点，本发明必将取得很好的经济效益和社会效益。

本发动机如采用缸径80毫米，行程64毫米，K≈0.8，压缩比为1∶10，动力输出轴直径60毫米，长度约17毫米，功率可达100～140马力。可见本发明发动机由于导轨轨迹设计合理，因而可使各段行程时间最为合理分配，从而出力达到最大，爆燃倾向小，做功平稳柔和，燃料最省，排污最小，体积小，动力输出轴也比较短，比功率高。

Claims (6)

1、柱塞旋转式发动机，具有转子、缸筒、外壳、动力输出轴和导轨，其特征在于：作为旋转部分的转子是所有缸筒的柱塞和动力输出轴铸成一个整体或分别加工后再组装成一整体，形成一个整体转子，在每个柱塞内安装有一对进、排气门，进、排气道、弹簧、挺杆和飞轮，在柱塞内壁开有冷却油道，柱塞头外部镶有三道密封环，其中二道气环，一道油环；作为往复运动的各个分立的缸筒在其顶部装有能周期地与高压分电板接触的火花塞，在缸筒上、下侧边各有能安装作为工作导轮的滚柱轴承的轴和作离心导轮的黄铜制成的离心滚轮的轴；所说的飞轮位于全机下部，飞轮与全机中央下端的动力输出轴之间用花键加螺母和销子或涨套连接，带轴肩的动力输出轴又通过沉头螺钉与转子连成一体；作为导向定位部分的导轨是两条结构形式完全一致，安装形位完全一致的环形导轨，它与机壳制成一体或安装在上、下机壳上，由耐热、耐磨材料制成，它是根据四冲程发动机各个冲程分配时间不等而制成的指定形状的环形轨道，安装在缸筒上、下侧边的工作导轮就沿该导轨滚动，发动机启动时离心导轮也沿该导轨滚动，高速转动的柱塞与沿导轨行走的缸筒之间按照四冲程发动机工作原理作往复运动，从动力输出轴输出动力，缸筒和柱塞之间做功一次，推动动力输出轴转动360度。

2、按照权利要求1所说的发动机，其特征在于：旋转部分还包括排气管，配电凸轮和冷却风扇，机油泵驱动齿圈，所说的排气管位于全机上方中部，该排气气管通过大螺钉与转子、动力输出轴等连成一体，排气管内壁可套以耐热陶瓷管，排气管外套有冷却风扇、配电凸轮，并通过键连接;组成发动机的高压分电板与火花塞有较长的接触部位，而高压电路的接通时依靠与缸数一致的该多角配电凸轮来控制，当高压电路接通的同时，低压电路切断，当发动机多缸和转速高时，应使用电子点火系统。

3、按照权利要求1所说的发动机，其特征在于：在旋转部分还包括为支承转子并防止转子轴向和径向窜动的，上滚柱轴承、下滚柱轴承的内圈及安装在动力输出轴下端为防止轴摆动的滚柱轴承的内圈。

4、按照权利要求1所说的发动机，其特征在于：配气工作是靠装在下机壳上，并伸入到靠近转子中心套筒的一对进、排气凸轮来控制，其表面型线依配气过程需要而定的凸轮进气角为120度左右，排气角是60度左右。

5、按照权利要求1所说的发动机，其特征在于：机壳由带有定位结构的上、下壳组成，加密封垫用螺钉连接，下机壳下方设有进气管。

6、按照权利要求1所说的发动机，其特征在于：发动机的冷却、润滑系统是：

（1）机油从被转子上的机油泵齿轮带动的机油泵压出，经外接管道、机油散热器、上机壳铸件油槽后，分两路：一路从柱塞油道、柱塞、进气门油道、排气门油道流入发动机下机壳，机内转子的转动带动机油，通过机油导流罩激溅，实现润滑冷却柱塞和缸筒、工作导轮和导轨，然后返回机油泵循环;另一路机油经转子铸件动力输出轴、配气凸轮、气门挺杆、下轴承返回机油泵再循环;

（2）发动机的风冷系统是：冷却风扇鼓起冷风冷却机油散热器内的机油，又经过装于机壳外的导风罩导向冷却机壳;

（3）在上机壳的一端安装空气滤清器，不断输入冷空气，上机壳另一端安装的化油器不断抽出经过机壳空间而变热的空气，带出机内热量。

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