CN102032043B - 单列往复活塞式转子发动机 - Google Patents
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Abstract
单列往复活塞式转子发动机，属于动力机械领域。所述发动机由：主轴(1)；椭圆轨道槽盘体(2)；传动连杆(3)；定位U形叉(4)；圆筒形旋转缸体(5)；旋转缸体端盖(6)；变向杠杆(7)；传统单缸发动机机头(8)；活塞连杆(9)；活塞(10)；圆筒形机壳(11)等组成。传动连杆(3)下端装有轴承(21)插入椭圆轨道槽(12)中，传动连杆(3)的水平弯头穿过圆筒形转缸体(5)的筒壁。穿孔用轴封(13)密封。水平弯头与变向杠杆(7)一端用轴承连接，活塞连杆(9)与变向杠杆(7)的另一端也用轴承连接，变向杠杆轴(14)固定在转缸体(5)的底部，用轴承与变向杠杆(7)的另一端也用轴承连接，变向杠杆轴杆(7)定位连接。结构简单紧凑、部件少、重量轻、体积小、高效节能、维修方便、使用寿命长，既可制成汽油机，也可制成柴油机。
Description
一、技术领域
本发明涉及一种新型内燃发动机，属于动力机械领域。
二、背景技术
当今世界大量使用的内燃发动机，其核心技术要点就是必备一个变容机构，能产生一个足够合适的压缩比，能完成“奥托热功能循环”，对外输出扭矩做功，关键核心技术是在基元容积内活塞与气缸壁之间的密封问题，及节能、排放环保问题。
百余年来，一直占发动机领域统治地位的曲柄连杆活塞式内燃发动机已经非常成熟，近年来发动机又进入了“电子时代”，传统的曲机发展几乎到了“尽善尽美”的地步。但是，曲柄连杆传动机构自身结构带来的机构复杂、笨重、热效率低(汽油机只有28％，高效柴油机也只有42％)能耗高，高速往复惯性冲击力大、振动大、危害大，曲轴系统的扭转振动也同样令人头疼，这些都是发动机损坏事故的内因，都是“胎里带”问题，长期难以克服，是世人皆知的老问题。因此全世界许多科研机构、大专院校、军事装备机构、成千上万的专家学者都想突破传统发动机的结构，但是百余年来，均难突破。
逐渐成熟起来的“汪克尔”三角活塞旋转发动机，相对传统的“奥托机”而言，是省去了曲柄连杆气门、凸轮机构等，结构紧凑、重量轻、省材，更进步的是革掉了“奥托”机活塞上下高速直线运动产生的惯性冲击力。它将燃烧产生的膨胀力直接转化为主轴的旋转动力。因而它运转比较平稳、振动小、燥音低，但是它却一直不能取代传统的“奥托”机，这是由于其自身结构带来难以克服的缺点，有些是致命的。首先是(1)它的加工技术要求高，制造成本过高；(2)比传统发动机耗油量大、对节能环保不利，运转成本高。这是因为A：三角活塞旋转发动机的燃烧室设在三个旋轮面中部凹坑处，与椭圆形气缸内壁构成一个封闭燃烧室。此室形状、空间不利于燃烧，燃烧线路长；B：三角活塞的密封件设在三个角的顶处，密封性能差，不过关，压比小，也使燃烧不完全。(3)热功效率低，除了上述燃烧不充分的原因外，就是其燃烧室在主轴切线方向的有效截面积很有限，加上此处距主轴中心矩小，因此燃烧膨胀力作用在此面积上的合力小，产生的力矩就更小。其余大部分膨胀力的合力通过主轴中心，不能产生力矩被主轴吃掉、内消了。所以它的热功效率差。(4)使用寿命短，三角活塞的密封件在三个角的顶部，而它的支撑和动力输出是通过一对内啮合具齿轮来实现的。偏心的结构和齿轮啮合面及密封件的磨损，势必造成其间隙逐渐增大，进而改变运动部件的相对位置，随使用时间的延长，密封性能下降加快，使转子工作室内混合气的泄漏及工作室间的窜气增加，形成恶性循环。这样势必造成：A、燃油不能充分燃烧，油耗增加，排污增加；B、发动机动力性变差；C、发动机的使用寿命加速缩短；D、密封性差、压比小，只适于汽油机，而不能做压燃型的柴油机。
三、发明内容
针对上述现行发动机的弊病、缺陷和不足，我研究出一种结构简单、运转平稳、振动轻微、转速高、动力性强、部件少、重量轻、体积小、易加工成本低、高效、节能、减排、维修方便、使用寿命长的新机型：“单列往复活塞式转子发动机”进行更新换代。此目的是通过以下方式来实现的。单列往复活塞式转子发动机由主轴(1)、椭圆轨道槽盘体(2)、传动连杆(3)定位U形叉(4)圆筒形转缸体(5)转缸体端盖(6)变向杠杆(7)曲柄连杆活塞式发动机头(8)活塞杆(9)活塞(10)圆筒形机壳(11)组成，主轴(1)依次穿过椭圆轨道槽盘体(2)椭圆轨道槽长短轴的中心、圆筒形转缸体(5)转缸体端盖(6)圆筒 形机壳(11)端底的圆心，主轴(1)的轴心，椭圆轨道槽盘体(2)椭圆长短轴中心，圆筒形转缸体(5)、转缸体端盖(6)之圆心，圆筒形机壳(11)端底之圆心、五心同轴，主轴(1)依次与椭圆轨道槽盘体(2)用轴承(22)定位连接，与圆筒形转缸体(5)、端盖(6)用平键连接，与圆筒形机壳(11)端底用轴承(23)连接，传动连杆(3)下端装有轴承(21)插入椭圆轨道槽(12)中，传动连杆(3)腰部穿过定位U形叉(4)与之滑动接触，传动连杆(3)上部水平弯头穿过圆筒形转缸体(5)之筒壁，穿孔用轴封(13)密封，传动连杆(3)水平弯头与变向杠杆(7)的一端用轴承连接，活塞杆(9)与变向杠杆(7)的另一端也用轴承连接，变向杠杆轴(14)固定在转缸体(5)的底部，用轴承与变向杠杆(7)定位连接。
所述转缸体(5)的外部套装一圆筒形机壳(11)其一端固定在椭圆轨道槽盘体(2)的端面上，另一端底与主轴(1)用轴承(23)连接，机壳(11)内装有冷却润滑油，圆筒形转缸体(5)之筒壁上打通孔(20)，机壳(11)侧面打两个通孔，分别安装一进油阀(15)、排油阀(16)，两阀与油缸、油泵相通，并受电控单元ECU控制。椭圆轨道槽盘体(2)与机壳(11)之底部与机底座固定连接，所述机底座为发动机的固定和支撑构件。
所述转缸体(5)之底部对称固定安装2个、3个、或4个机头(8)，机头(8)之中心线处在主轴(1)转缸体(5)的切线方向上，每个机头(8)对应配套一个活塞(10)一个活塞杆(9)一个变向杠杆(7)、一个变向杠杆轴(14)、一个定位U形叉(4)；一个传动连杆(3)，连杆轴承(21)，和多个轴承(21)共用一个椭圆轨道槽(12)。
所述空心主轴(1)空心深度从起动端至圆筒形转缸体端盖对应处，油管(17)与油缸和油泵相通、气管(18)与气缸气泵相通，并由电控单元(ECU)控制，在内旋转密封管接头(19)内，主轴(1)空心端头处，设单点连续电子喷油器(24)气管节流喷气口(25)，在主轴(1)圆筒形转缸体(5)内对应机头(8)处打孔(26)，与机头(8)上的进气阀(27)用歧管(28)连通，并由电控单元(ECU)控制，机头(8)上另设火花塞(29)、排气阀(30)与排气流道环(31)连通、排气流道环(31)与装在圆筒形机壳(11)内壁上的流道密封环(32)滑动接触密封，对应排气流道环(31)在机壳(11)外壁设排气管(33)。
所述机头(8)在圆筒形转缸体(5)底部的方位，在主轴(1)起动端外圆面上铣出对应沟槽(34)、导线(35)埋在其中用纳米级石英粉密封胶(36)密封，导线(35)内端与执行元件相连，外端与设在主轴(1)起动端的磨擦环(37)相连，再通过电刷(38)分别与电源、电控单元(ECU)相连。
四、有益效果
本发明与传统的曲柄连杆活塞式发动相比：1、本发明机型无曲轴连杆机构、无气门、气门凸轮轴、挺杆气门摇臂、无飞轮及配气齿轮等部件。主要零部件数、重量、体积、制造成本大约都为同功率传统发动机的60％。零部件的减少对减少故障、增加工作可靠性、维修方便性、省才降低成本都带来极大好处。本发明可以概括为：结构简单、形体紧凑、零件少、重量轻、体积小、工作可靠、维修方便。
2、本发明的转缸体结构，便于实现自身的动静平衡，其迥转中心就是其自身的几何中心，和质量中心，不存在偏心问题，所以极易消除振动问题，消除了传统曲机的高速惯性冲击振动和曲轴扭转振动这两个大祸害。
3、本发明四冲程界限分明，又过渡平稳圆滑，另外本发明的转缸体(5)及转缸体端盖(6)的质量相对较大，其转动惯量可以起到飞轮的作用，故可取消现有的飞轮，极大减轻重量，圆滑传动不产生活塞直线运动加速度，也就去掉了气缸上止点附近加速磨损的危害。
4、本发明主轴每转一圈(360°)完成一次奥托循环，做功一次，比传统曲机主轴(曲轴)转两圈(720°)才能完成一次奥托循环做功一次。其效率整整提高了一倍，高效名符其实。
5、从上边(4)可知，本发明的主轴转速从理论上讲也应比传统曲机高一倍，高速性能也很突出。
6、在基元容积相同、燃烧室也相同、燃油消耗也相同、燃油燃烧产生的膨胀力也相同的条件下，本发明机型比曲柄连杆活塞式发动机的动力性大大加强，效果十分显著。
7、本发明直接将燃烧膨胀力传给转缸体转化成主轴的旋转动力，省掉了曲轴转换环节，又省掉了为克服曲轴、活塞上下止点时的高速惯性冲击力的能量损失，故本发明比传统曲机节能明显，依理推断节能在30％以上。
本发明与三角活塞旋转发动机(以下称三角机)相比：
1、本发明圆柱形活塞在气缸中有多道活塞环密封，这是一百多年来最成熟的密封技术，其效果远远好于三角机，不存在漏气窜烟问题，且使用寿命长。
2、由于本发明缸内密封条件好，传动机构力量大，所以能得到一个远远大于三角机的压缩比，燃烧充分迅速，本发明的燃烧室不受三角机的位置限制，可以设计制造成最适于燃烧的W型、球型、U型等最科学的燃烧室，有利燃烧，又有利于传递膨胀力，由于燃烧充分，所以减排，有利于环保。
3、本发明机头中心线处在转缸体底部的切线方向，燃油燃烧产生的膨胀力，除少量热能损失外，几乎全部都变成了推动主轴旋转的推动力，因此，其动力性极强，而三角活塞旋转发动机，由于其自身结构限制，其燃烧室设在三个旋轮面中央凹坑处，此处其切线方向上的有效截面积十分有限。这种燃烧室既不利于燃烧，又燃烧时产生的膨胀力，只有一部分作用在切线方向上变成推动主轴旋转的动力，而相当一部分其合力通过了主轴不能产生力矩，内耗掉了。本项与(2)相加，可以看出本发明与三角活塞旋转发动机相比，其节能效果更加显著。
4、本发明结构简，零部件易于加工，制造成本远远低于三角活塞旋转发动机，极具普及性。
5、本发明应用范围广，不仅可以制成汽油机，也可制成压燃型的柴油机。
6、本发明科学巧妙地吸收运用了曲机和三角机的优点，优势，科学原理，同时又克服了它们的缺点，和致命的危害，本发明运转平稳，圆滑无振动，冷却润滑方便到位，所有运动部件无强力接触，故本发明机型使用寿命比曲机、三角机都长。
五、附图说明
图1是本发明的结构示意图
图2是本发明机头8在圆筒形转缸体5底部固定方位。以及与传动连杆3、变向杠杆7、变向杠杆轴14、进气阀27、歧管28、排气阀29、排气流道环30、主轴1连接结构示意图。
图中：主轴1；椭圆轨道槽盘体2；传动连杆3、定位U形叉4；圆筒形转缸体5；转缸体端盖6；变向杠杆7；机头8；活塞杆9；圆筒机壳11；椭圆轨道槽12；轴封13；变向杠杆轴14；冷却润滑油进油阀15；排油阀16；供油管17；供气管18；内旋转密封管接头19；圆筒形转缸体筒壁通孔20；传动连杆下端轴承21；主轴轴承22、23；单点连续电子喷油器24；气管节流喷气口25；主轴内孔26； 机头气缸进气阀27；供油气歧管28；火花塞29；机头排气阀30；排气流道环31；流道密封环32；排气管33。
六、具体实施方式
以下结合附图说明和具体实施方式对本发明作进一步详细描述：
设计椭圆轨道槽之(长轴-短轴)÷2＝活塞行程S
设椭圆轨道槽盘体之椭圆轨道槽(12)之长轴处在垂直位置，下顶点为0°，按顺时针方向旋转作业，当起动机带动主轴(1)旋转时，圆筒形转缸体(5)带动定位U形叉(4)、传动连杆(3)、连杆下端轴承(21)一起同步转动，由于椭圆轨道槽的特定结构设计，轴承(21)带动传动连杆(3)的运动轨迹，随椭圆轨道槽(12)长短轴的位置而周期性变化，作向心的往复运动。0-90°时，轴承(21)受椭圆轨道槽(12)外壁向心的拉力作用，从距椭圆轨道槽中心最远外，滚动滑移到最近处，与此同时轴承(21)带动传动连杆(3)，作向心运动带动变向杠杆(7)作逆时针方向转动，带动活塞杆(9)作B方向移动，将活塞(10)从机头气缸中拉到最远处，气缸中出现真空度，进气阀及时打开，油汽混合体挤入气缸，完成吸气冲程工作。90°-180°进气阀关闭，轴承(21)从椭圆轨道槽短轴顶点被椭圆轨道槽内壁离心的推力作用，滚动滑移到椭圆轨道槽的长轴上顶点180°处，轴承(21)带动传动连杆(3)离心运动，带动变向杠杆(7)作顺时针方向转动、活塞杆(9)作A方向运动，将活塞(10)推向机头(8)气缸顶部，完成压缩冲程工作。从180°-270°、火塞(29)在点火提前准时点火，油气混合体在气缸中燃烧膨胀做功，推动转缸体(5)和主轴(1)顺时针旋转。轴承(21)从椭圆轨道槽长轴上顶点，被椭圆轨道槽外壁向心拉力拉动，从椭圆轨道槽中心最远处，滚动滑移到最近处，轴承(21)带动传动连杆(3)、向心运动带动变向杠杆(7)作逆时针方向转动，活塞杆(9)作B方向直线运动，将活塞(10)拉向机头(8)尾部，完成膨胀做功冲程。270°-360°排气阀(29)打开，轴承(21)受椭圆轨道槽内壁的推力作用，从距轨道槽中心最近处滚动滑移到最远处，回到长轴下顶点。轴承(21)带动传动连杆(3)，作离心直线运动，变向杠杆(7)作顺时针方向转动，活塞连杆(9)作A方向直线运动，将活塞(10)推回机头(8)气缸顶处，排气阀打开，排气冲程结束。发动机点火发动后，自身完全有能力完成四步冲程循环功能，起动机脱离停止工作，发动机开始新一轮循环，周而复始。
Claims (4)
1.一种单列往复活塞式转子发动机，所述发动机由主轴(1)、椭圆轨道槽盘体(2)、传动连杆(3)、定位U形叉(4)、圆筒形转缸体(5)、转缸体端盖(6)、变向杠杆(7)、曲柄连杆活塞式发动机机头(8)、活塞杆(9)、活塞(10)和圆筒形机壳(11)组成，主轴(1)依次穿过椭圆轨道槽盘体(2)和椭圆轨道槽长短轴的中心、圆筒形转缸体(5)和转缸体端盖(6)以及圆筒形机壳(11)端底的圆心，主轴(1)的轴心、椭圆轨道槽盘体(2)椭圆长短轴中心、圆筒形转缸体(5)和转缸体端盖(6)之圆心以及圆筒形机壳体(11)端底之圆心五心同轴，主轴(1)依次与椭圆轨道槽盘体(2)用轴承(22)定位连接，与圆筒形转缸体(5)、端盖(6)用平键连接，与圆筒形机壳(11)端底用轴承(23)连接，传动连杆(3)下端装有轴承(21)插入椭圆轨道槽(12)中，传动连杆(3)腰部穿过定位U形叉(4)与之滑动接触，传动连杆(3)上部水平弯头穿过圆筒形转缸体(5)之筒壁，穿孔用轴封(13)密封，传动连杆(3)水平弯头与变向杠杆(7)的一端用轴承连接，活塞杆(9)与变向杠杆(7)的另一端也用轴承连接，变向杠杆轴(14)固定在转缸体(5)的底部，用轴承与变向杠杆(7)定位连接，转缸体(5)的外部套装一圆筒形机壳(11)，其一端固定在椭圆轨道槽盘体(2)的端面上，另一端底与主轴(1)用轴承(23)连接，机壳(11)内装冷却润滑油，圆筒形转缸体(5)之筒壁上打通孔(20)，机壳两侧面打两个通孔，分别安装一进油阀(15)、排油阀(16)，两阀与油缸、油泵相通，并受电控单元ECU控制，椭圆轨道槽盘体(2)与机壳(11)之底部与机底座固定连接，所述机底座为发动机的固定和支撑构件。
2.根据权利要求1所述的单列往复活塞式转子发动机，其特征是：在圆筒形转缸体(5)之底部对称固定安装2个、3个或4个机头(8)，机头(8)之中 心线处在主轴(1)转缸体(5)的切线方向上，每个机头(8)对应配套一个活塞(10)、一个活塞杆(9)、一个变向杠杆(7)、一个变向杠杆轴(14)和一个定位U形叉(4)；一个传动连杆(3)、一个连杆轴承(21)和多个轴承(21)共用一个椭圆轨道槽(12) 。
3.根据权利要求1所述的单列往复活塞式转子发动机，其特征是：空心主轴(1)空心深度从起动端至圆筒形转缸体端盖对应处，油管(17)与油缸和油泵相通，气管(18)与气缸和气泵相通，并由电控单元(ECU)控制，在内旋转密封管接头(19)内、主轴(1)空心端头处，设单点连续电子喷油器(24)气管节流喷气口(25)，在主轴(1)上圆筒形转缸体(5)内对应机头(8)处打孔(26)，与机头(8)上的进气阀(27)用歧管(28)连通，并由电控单元(ECU)控制，机头(8)上另设火花塞(29)，排气阀(30)与排气流道环(31)连通，排气流道环(31)与装在圆筒形机壳(11)内壁上的流道密封环(32)滑动接触密封，对应排气流道环(31)在机壳(11)外壁设排气管(33)。
4.根据权利要求1所述的单列往复活塞式转子发动机，其特征是：根据机头(8)在圆筒形转缸体(5)底部的方位，在主轴(1)起动端外圆面上铣出对应沟槽(34)，导线(35)埋在所述沟槽(34)中用纳米级石英粉密封胶(36)密封，导线(35)内端与执行元件相连，外端与设在主轴(1)起动端的磨擦环(37)相连，再通过电刷(38)分别与电源、电控单元(ECU)相连。
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