CN102235234A - 点燃式滚旋发动机 - Google Patents

Abstract

一种点燃式滚旋发动机，将转子连同主轴及两只活塞，配置于椭圆形气缸中，双流式旋转阀设于气缸两侧。具有内外燃功能，可用液体或气体多种燃料。转子每转完成四冲程工作循环作功一次，并能自行增压、中冷，其膨胀过程直接变为旋转运动，无往复运动质量及变角速运动的限制。采取燃油间隔喷射，分层稀燃，内外工作室结构使膨胀比大增，并将废气余热回收利用，获得很高热效率。滚动活塞阻力小，工作面积大，受热均匀，机械效率高。便于启动，运转平稳、振动轻微，工作可靠且耐久，呈现非常好的节能减排效果。

Description

点燃式滚旋发动机

技术领域：本发明是一种点燃式四冲程旋转发动机。

背景技术：中国专利，滚旋式内外燃压缩空气发动机(ZL200510039167X)，其点燃式机型具有体积小、重量轻的优点，适于用作动力伞、动力悬挂滑翔机，以及无人驾驶航空器的动力，为了提高其技术性能，便于制造及维修，作了重大改进，并增设加力器附件，以增强其动力性。对于汽车等机动车辆用该机作为动力更加适合，还可将其用于农业机具及工程建筑等方面。

小型航空器目前所常用的往复式二冲程发动机油耗高，排放有害气体严重，而且在工作过程中很不可靠，采用高性能的新型动力装置非常必要。

发明内容：本发明的任务在于，提供一种点燃式发动机，以汽油、醇类等液体或天然气、氢气等气体为燃料，将其用作汽车等各种机动车辆的驱动力，仍具有内外燃功能，外燃可便于启动和应急，并可使用多种燃料，燃料消耗率可降低34％～48％，排放污染达到欧IV标准以上，技术性能优良，使用可靠，且耐久，转速高、振动轻微，其产品的结构空间、总质量和制造成本等各项指标也比较先进。

为了达到上述目的所采取的具体措施是：将该机作为车辆的动力，以降低燃料消耗率，减少有害气体排放为主。发动机提高转速，适当增加进气压力及进气充量，采取燃油间隔喷射，分层稀燃，将废气中余热加以回收利用，以及其他节能措施，增加行驶里程。

当发动机启动以后，活塞从上止点开始在气缸中运行，截气门将内外工作室通道阻断，新鲜空气由主进气道经转子内干空腔分别对内外工作室进行充气，同时由设在缸体两侧的进气歧道及其截气阀经缸壁进气孔也对外工作室进行供气。当内工作室进气过程接近终了，主轴进气口开启，由中冷器将压缩空气通过冷进气道进行再次充气，同时喷油器将燃料随气流也一同喷射，随后内工作室中的混合气便被压缩，而外工作室的进气仍在继续进行，直到过程终了。转子旋转180°，内工作室完成进气和压缩两个过程，外工作室完成进气和排气两个过程。

当活塞再次到达上止点，截气门被锁定，火花塞已提前点火，主燃烧室中的浓混合气发火燃烧，火焰通过喉道涌入两侧副燃烧室，将其中稀混合气引燃，急剧膨胀，爆发气流经过通道向外喷发，猛烈扰动，因气流的冲击惯性使燃烧室的气压骤降，双叶逆止阀打开将热交换器供给的热空气输入气缸与燃气流汇合，这时进气口即将关闭，充气量有限。转子又旋转180°膨胀过程终了，旋转阀的排气口打开，经管道将废气导入热交换器，对压缩空气进行加热，随后排放。转子旋转360°发动机完成一个热力循环。随后继续进行下一个循环过程，从进气开始到压缩终了，活塞通过上止点于膨胀初始，由热交换器供给高压热空气大量进入气缸，经过燃烧室及工作室炙热壁面以及残余废气的加热，获得更多能量而作功，转子又旋转了360°完成又一个工作循环。如此，两个循环联合互补连续进行着动力的输出。

在进气过程新鲜充量，同时由转子气口和进气歧道流入气缸，进入外工作室的空气高速环流，当活塞抵达上止点以后，因其流动惯性，仍有空气从进气歧道被引进气缸，使充量增大。在膨胀过程活塞驱动转子的同时，又将外工作室中的新鲜空气压缩，经旋转阀的输气道将其中的小部分引进中冷器加以冷却，以保持对冷进气道的连续供气，其余大部分将被输进热交换器经过加热以后，再次输入气缸作功。

转子连同主轴分作两件，转子前档、外壳与主轴前段构成一件，转子后档、内干与主轴后段构成另一件，将外壳与内干套接用螺钉加以紧固，并在外壳下缘与转子后档外沿的接缝中装入销钉，从而做成一个整体。主轴前段兼作进气阀，主燃烧室设置其中，轴侧开有进气口可与进气道接通，火花塞装在主燃烧室的上口，处于主轴前端，主燃烧室通过喉道与两侧副燃烧室连通。在转子前档顶面开出油槽环绕一周，并以盖片封闭。润滑油从主轴中心油道穿过转子油孔，经两侧定位销上端钻孔流进油槽，通过转子前档分布的油路输送到各个部位，其中重点是对于活塞的冷却及其两端摩擦面的润滑。转子后档两侧设对称进气口与内干空腔相通，新鲜空气进入空腔对转子起冷却的作用，并将空气预热再输进气缸充气。在转子前后档与活塞两端的接触面上，加装减摩垫片，以便维修更换。扭簧绊扣与L形扁条末端焊牢，即增强其刚性又可限位。扭簧装在转子前后档的塞孔中，并在其两旁加钻油孔，将润滑油注入活塞内腔，随后从活塞另一端对应的油孔流出。

转子两侧凹坑前侧壁制成单件，其平面相互平行而对称，以定位销将其与转子前后档连接固定，在定位销中心设油道并从旁等距钻出油孔，通过油孔向壁面分布润滑油。在各油孔中置入园珠，以防供油过多及油气返流。

截气门设置于凹坑后侧，以其门轴与前后转子档联结，通过门轴中心孔道，以润滑油进行冷却和润滑，在其上下边缘设阻气片及弹簧。截气门大叶与小叶同体，大叶控制内外工作室通道气流，小叶封堵外工作室的供气口，其边缘呈弧形，在边缘的细槽中嵌入金属线条，以防漏气。逆止阀片设置在大叶背后，当内工作室进行压缩时，将进气口封闭，以免返流。

进气歧道及其截气阀设在缸体两侧，截气阀的阀体呈园柱形，沿轴线等距开孔一列，置入钢珠，精密配合，对应各个阀孔在气缸壁钻出大小气孔各一列，新鲜空气从这里进入气缸，增加进气充量。截气阀在气缸膨胀过程自动关闭，以防泄漏。

活塞为园柱体，两端设堵头，以塞环和塞圈密封，塞圈以耐热材料制成，并加装齿盘托持，齿盘还能将缝隙中的积碳及颗粒剔除，在堵头外底集油坑边沿设刮油环。

双流式旋转阀其阀轴前段与阀体分开，以螺纹连接，以便于其阀腔中的笛簧片及板托的装配，对于阀件铸造加工和维修也很有利。

槽管式热交换器，在其外筒中设置带有对流槽的内筒，对流槽呈凹凸状环列一周，气流在槽内外相间上下对流外筒与内筒的上沿周边严密焊接，构成壳体。叠片列管是将环形受热片叠加装在一组错开排列的短管上，短管两端分别与集气环管及进气环管相接并整体焊严，在进气环管周边的槽中充填石绵与内筒的内壁密合，既不漏气又可伸缩，从而构成燃烧室及炉膛。外部加热系统设在顶部，可以加快启动，在必要时还能增加发动机的驱动力。从气缸输出的压缩空气由外筒底部进气口通过盘形截流阀之后，先经过对流槽预热，再从进气环管的阀孔进入各列管中继续加热，随后汇合于集气环管输入气缸。从气缸排出的废气，通过环形消声器后，从燃烧室周边缝隙进入炉膛，穿过列管外的间隙，然后从废气道排放，废气道呈环形连接在外筒的凸缘上。将该机用作航空器的动力时，以加力器取代热交换器，使构件简化并减轻重量。

本发明的优点或积极效果有下述几点：

1、该机将膨胀过程直接转变为旋转运动，因而具有燃气轮机的优点，但其有效功率的获得是由气体对活塞的压力，热力循环的各个过程与往复式发动机相似，于是具有往复式发动机的基本优点，却排除了其固有的缺点，这是因为此种发动机没有曲轴连杆机构等往复运动件的质量影响，也无变角速运动的限制，并且消除了燃气轮机的泄漏、混流及再循环等项损失，以及部分负荷时燃料消耗率过高等难以解决的问题，所以具有很高转速和优良性能。

2、本发动机的转子为中轴式，其几何形状规则、均称，两只相同的活塞相对配置，所受各种作用力完全相等而且同时，方向相反，形成力偶，因而运转平稳、均衡，振动轻微，转子和活塞同步运转，其转动惯量足以保持稳定而均匀地转速，动平衡易于调整无须另外加装平衡块。

3、这种发动机的气缸具有内外工作室结构，在进排气和压缩过程内外工作室分隔，在内工作室压缩前再将经过冷却的压缩空气输入其中，从而提高进气密度，增大充量系数。在膨胀过程内外工作室畅通，膨胀比大增。采取燃油间隔喷射，利用无燃烧循环过程炙热壁面对进气再次加热，既减少了热能的散失，又减轻了机件的热负荷。分层稀燃，并于膨胀初始再将高温高压空气输入气缸，使燃烧更加充分，以及将废气的余热加以回收利用，从而使热效率大为提高，取得良好节能与减排效果。

4、该机转子每转完成进气、排气、压缩和燃烧膨胀各工作过程作功一次，与同等四冲程往复机比较功率高一倍，而且其机件数量也较少。

5、该机以其活塞侧壁的矩形面积进行工作，高温高压气体作用于不停滚动变换的活塞侧壁，因而受热均匀、便于冷却，而且滚动摩擦阻力较小，不易磨损，这比往复式发动机优越得多，因为同直径的活塞，圆形的面积比矩形的面积小很多，而且往复式发动机仅局限于活塞顶部承受高温高压气体的冲击，活塞与气缸壁为滑动摩擦，阻力大且受力不均，磨损相当严重。

6、此种发动机的活塞在作功同时并将进入气缸的新鲜空气进行压缩，自行实施增压并中冷，无须另设增压器。实施增压可提高发动机的容积效率，据测，容积效率提高1％，发动机的输出功率约提高3％左右，中冷也是一种很有效的措施，实验表明，在压缩空气进入气缸时的温度每降低10℃，燃料消耗率约下降0.5％，而发动机功率可提高2％～4％。

7、该机可采用外燃加热的压缩空气进行启动，因而不受气候影响和环境的限制。

附图说明：

图1和图2所示为点燃式滚旋发动机的基本结构

图3所示为该机火花塞及喷油器所设位置

图4和图5所示为该机转子的结构

图6所示为该机活塞的结构

图7和图8示出双流式旋转阀及其传动机构

图9和图10所示为槽管式热交换器的基本结构

图11是该机工作循环各个过程及其热交换器和中冷器的工作原理示意图

具体实施方式：

从图1和图2所见，本发明的基本结构是：在椭圆形气缸1中间设置一个转子3，在其两侧有两个工作空间，转子两侧的对称凹坑各与一只活塞5、5’啮合，从而将凹坑和两侧空间构成两个内工作室6、6’和两个外工作室7、7’。转子与主轴构成一体，主轴前段4又兼作进气阀，以轴环25等构件加以密封，其外设轴套26，主燃烧室16设置其中，分别由冷进气道13热进气道14通过进气口15供应冷、热压缩空气。火花塞31装在主轴前端。进气歧道18、18′及其截气阀19、19’设在缸体两侧，在气缸壁上开有大小气孔各一列。在主轴中设有油道27与转子内干的油孔28相通，以润滑油对转子进行冷却并输送到各部位进行润滑。在主轴两端装有轴承及其密封装置。旋转阀8、8’设置于气缸两侧的排气道上。前气缸盖2和后气缸盖2’将气缸两端封闭。冷进气道13和热进气道14设在前气缸盖上，并于热进气道的接口处设置双叶逆止阀24。主进气道44设置于后气缸盖上与环绕主轴承座一周的环形气道45相接，使其与后转子档10’两侧进气口始终保持贯通。密封环11、11’设于前后转子档10、10’园周上，密封片20、20’设于缸体两侧。

图3所示该机将火花塞31装在主轴前端主燃烧室16上口，喷油器32设于冷气道13上。

图4和图5所表达的转子连同主轴，将其分作两件，转子前档10，外壳21及主轴前段4为一件，转子后档10’内干22及主轴后段4’为另一件，将外壳与内干套接用螺钉加以紧固构成一体，并在转子前后档与活塞两端接触的摩擦面加装减摩垫片34。将转子凹坑前侧壁12分成单件，以便更换，用定位销29、29’将其安装定位，定位销中心设油道，并沿轴线开出油孔一列，在各油孔中置入园珠，以防供油过多及油气返流。截气门9、9’设于凹坑后侧，通过门轴与前后转子档联结，截气门大叶和小叶同体，在其大叶背后设逆止阀片23、23’防止进气返流。扭簧42安置于前后转子档内表面的塞孔中。副燃烧室17、17’设于凹坑底部，通过喉道与主燃烧室16连通。在转子前档顶面开有油槽33环绕一周，以盖片30加以封闭，并分设油路，将润滑油输送到活塞对其两端摩擦面进行润滑并喷入其内腔加以冷却，还将油液输送到截气门、凹坑前侧壁以及逆止阀片各处，使其得以润滑和降温。

图6所示的活塞为园柱体，其两端设园台状堵头35、35’，中心轴36贯穿其中，在堵头上设塞环37、37’和塞圈38、38’密封，并以齿盘43、43’托持。在堵头外底设集油坑39、39’。在集油坑边沿加装刮油环40、40’。碟簧41、41’装在堵头下面，使其与前后转子档接触面保持密合。扭簧42以其绊扣与集油坑壁紧贴，以限制活塞的跳动。

图7和图8所示双流式旋转阀，其阀轴前段46与阀体分开，以螺纹连接，以便铸造加工、装配和维修。在阀体上设有排气口55、输气道56、阀片60及阀环61。在输气道的入口设笛簧片57及板托58，用螺钉加以固定。在阀体外加装阀套59。旋转阀的传动机构，由装在主轴上的凸轮47通过滚子48驱动从动框49，在从动框两侧各装导轮50两个，在导轨51上往复移动，通过连杆52、52’与装在阀轴末端的摇柄53、53’带动两侧阀体同步作往复旋转。传动机构整体置于机匣54中，并不断喷洒润滑油对各活动部位加以润滑，从而使排气和输气得以连续进行。

图9和图10所示槽管式热交换器，在其外筒67中设置带有对流槽68的内筒，对流槽以金属薄板冲压而成，呈凹凸状套接在内筒外壁，外筒和内筒上沿周边严密焊接构成壳体，其中以叠片列管69、进气环管70及集气环管71构成燃烧室及炉膛，在其顶部由喷油器64、空气旋流器65及点火器66等件构成外燃加热系统。从气缸输出的压缩空气由外筒底部进气道通过盘形截流阀72进入后，先经过对流槽预热，再由进气环管的阀孔进入叠片列管中继续加热，此后汇合于集气环管输入气缸。从气缸排出的废气通过环形消声器63后，从燃烧室周边缝隙进入炉膛，再穿过列管外间隙，然后从废气道73排放。

图11示出的示意图按该机工作循环的各个过程顺序为：

1)、活塞从上止点开始沿气缸内壁滚动运行，新鲜空气从主进气道通过转子内干空腔由转子气口分别对内外工作室进行充气，同时设在缸体两侧的进气歧道通过进气孔也向外工作室供气，这时截气门将内外工作室通道阻断，外工作室进气的同时又将废气排出气缸，经管道输入热交交器62中。当内工作室进气终了，开始压缩，主轴进气口开启，中冷器74中的压缩空气通过冷进气道连同喷油器喷射的燃料一起注入主燃烧室；

2)、活塞即将再次到达上止点，进气、排气和压缩过程即将结束，火花塞提前点火，旋转阀输气道开通，开始输出压缩空气；

3)、在燃烧室中形成的混合气发火燃烧，并开始膨胀，这时截气门已被锁定，内外工作室畅通，活塞离开上止点，主轴进气口再次开启，与热进气道接通，此时因内部气压过大双叶逆止阀关闭，进气受阻，气缸中的压缩空气大量输出；

4)、膨胀加速进行，燃烧室气压骤降，逆止阀打开，通过即将关闭的进气口有少量压缩空气进入气缸，缸内的压缩空气仍在继续输出。

注：A-空气    B-压缩空气    C-燃气

Claims (8)

1.一种点燃式滚旋发动机，基本构件包括椭圆形气缸体、前后气缸盖，转子连同主轴、活塞、进排气道、旋转阀及密封装置，所述转子连同主轴配置于气缸中间，两侧形成两个工作空间，转子两侧对称凹坑各与其活塞啮合，将工作空间构成内外工作室，前后气缸盖将气缸两端封闭，进气道设在前后气缸盖上，排气道及其旋转阀设于气缸两侧，其特征在于：

(1)当发动机启动以后，活塞(5、5’)从上止点开始在气缸中运行，截气门(9、9’)将内外工作室通道阻断，新鲜空气由主进气道(44)经转子内干空腔分别对内外工作室进行充气，同时由设在缸体两侧的进气歧道(18、18’)及其截气阀(19、19’)经缸壁进气孔也对外工作室(7、7’)进行供气，当内工作室(6、6’)进气过程接近终了，主轴进气口(15)开启，由中冷器(74)将压缩空气通过冷进气道(13)进行再次充气，同时喷油器(32)将燃料随气流也一同喷射，随后内工作室中的混合气便被压缩，而外工作室的进气仍在继续进行，直至过程终了，转子(3)旋转180°，内工作室(6、6’)完成进气和压缩两个过程，外工作室(7、7’)完成进气和排气两个过程；

(2)当活塞(5、5’)再次到达上止点，截气门(9、9’)被锁定，火花塞(31)已提前点火，主燃烧室(16)中的浓混合气发火燃烧，火焰通过喉道涌入两侧付燃烧室(17、17’)，将其中稀混合气引燃，急剧膨胀，爆发气流经过通道向外喷发，猛烈扰动，因气流的冲击惯性使燃烧室的气压骤降，双叶逆止阀(24)打开，将热交换器(62)供给的热空气输入气缸与燃气流汇合，这时主轴进气口即将关闭，充量有限，转子又旋转180°膨胀过程终了，旋转阀的排气口(55)打开，经管道将废气导入热交换器(62)，对其中的压缩空气进行加热，随后排放，转子(3)旋转360°发动机完成一个热力循环，随后又继续进行下一个循环过程，当活塞(5、5’)再次通过上止点以后，由热交换器(62)供给的高压热空气大量进入气缸，经过燃烧室及工作室炙热壁面，以及残余废气的加热，获得更多能量而作功，转子(3)又旋转了360°完成又一个工作循环，如此，两个循环联合互补连续进行着动力的输出；

(3)在进气过程新鲜充量，同时由转子的气口和进气歧道(18、18’)流入气缸，进入外工作室(7、7’)的空气高速环流，当活塞(5、5’)抵达上止点后，因其流动惯性，仍有空气从进气歧道被引进气缸，使充量增大，在膨胀过程活塞(5、5’)驱动转子的同时，又将外工作室(7、7’)中的新鲜空气压缩，经旋转阀的输气道(56)将其中的小部分引进中冷器(74)加以冷却，以保持对冷进气道(13)的连续供气，其余大部分将被输进热交换器(62)经过加热以后，再次输入气缸作功。

2.根据权利要求1所述点燃式滚旋发动机其特征在于：转子连同主轴分作两件，转子前挡(10)、外壳(21)与主轴前段(4)构成一件，转子后挡(10’)、内干(22)与主轴后段(4’)构成另一件，将外壳(21)与内干(22)套接用螺钉加以紧固，并在外壳下缘与转子后档外沿的接缝中装入销钉，从而做成一个整体，主轴前段(4)兼作进气阀，主燃烧室(16)设置其中，轴侧开有进气口(15)可与进气道接通，火花塞(31)装在主轴前端主燃烧室的上口，付燃烧室(17、17’)设于凹坑底部，通过喉道与主燃烧室连通，在转子前挡顶面开出油槽(33)环绕一周，并以盖片(30)封闭，润滑油从主轴中心油道(27)穿过转子油孔(28)经两侧定位销上端钻孔流进油槽，通过转子前档分布的油路输送到各个部位，重点是对活塞(5、5’)的冷却和润滑，转子后档(10’)两侧设对称进气口与内干空腔相通，在转子前后档与活塞两端的接触面上，加装减摩垫片(34)扭簧绊扣(42)与L形扁条末端焊牢，并在其塞孔两旁加钻油孔，将润滑油从这里注入活塞内腔，随后从活塞另一端流出。

3.根据权利要求1所述点燃式滚旋发动机其特征在于：转子两侧凹坑前侧壁(12、12’)制成单件，其平面相互平行而对称，以定位销(29、29’)将其与转子前后档连接固定，在定位销中心设油道并等距钻出油孔，通过油孔向壁面分布润滑油，在各油孔中置入园珠，以防供油过多及油气返流。

4.根据权利要求1所述点燃式滚旋发动机其特征在于：截气门(9、9’)设于凹坑后侧，以其门轴与前后转子档联结，通过门轴中心孔道，以润滑油进行冷却和润滑，在其上下边缘设阻气片及弹簧，截气门大叶与小叶同体，大叶控制内外工作室通道气流，小叶封堵外工作室的供气口，其边缘呈弧形，在边缘的细槽中嵌入金属线条，以防漏气，逆止阀片(23、23’)设置在大叶背后，当内工作室进行压缩时，将进气口封闭，以免返流。

5.根据权利要求1所述点燃式滚旋发动机其特征在于：进气歧道(18、18’)及其截气阀(19、19’)设在缸体两侧，截气阀的阀体呈园柱形，沿轴线等距开孔一列，置入钢珠，精密配合，对应各个阀孔在气缸壁钻出大小气孔各一列，新鲜空气从这里进入气缸，截气阀在气缸膨胀过程自动关闭，以防泄漏。

6.根据权利要求1所述点燃式滚旋发动机其特征在于：活塞(5)为园柱体，两端设堵头(35、35’)，以塞环(37、37’)和塞圈(38、38’)密封，塞圈以耐热材料制成，并加装齿盘(43、43’)托持，齿盘还能将缝隙中的积碳及颗粒剔除，在堵头外底集油坑(39、39’)边沿设刮油环(40、40’)。

7.根据权利要求1所述点燃式滚旋发动机其特征在于：双流式旋转阀(8)其阀轴前段(46)与阀体分开，以螺纹连接，便于笛簧片(57)及板托(58)的装配。

8.根据权利要求1所述点燃式滚旋发动机其特征在于：槽管式热交换器(62)在其外筒(67)中设置带有对流槽(68)的内筒，对流槽呈凹凸状环列一周，气流在槽内外相间上下对流，外筒与内筒的上沿周边严密焊接，构成壳体，叠片列管(69)是将环形受热片叠加装在一组错开排列的短管上，短管两端分别与集气环管(71)及进气环管(70)相接并整体焊严，在进气环管周边的槽中充填石绵与内筒的内壁密合，既不漏气又可伸缩，从而构成燃烧室及炉膛，外部加热系统设在顶部，从气缸输出的压缩空气由外筒底部进气口通过盘形截流阀(72)之后，先经过对流槽预热，再从进气环管的阀孔进入各列管中继续加热，随后汇合于集气环管输入气缸，从气缸排出的废气，通过环形消声器(63)后，从燃烧室周边缝隙进入炉膛，穿过列管外的间隙，然后从废气道(73)排放，废气道呈环形连接在外筒的凸缘上。

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