CN102305129B - 一种摆动翼式发动机 - Google Patents

Abstract

一种摆动翼式发动机，包括壳体、转子、与该壳体同轴安装的输出轴。输出轴的中部设有一偏心轴段，转子的内圆通过一转子轴承与偏心轴段连接，转子的一端面嵌入一内啮合相位齿轮，壳体的一端面与上端盖连接，而上端盖的内表面设有与内啮合相位齿轮啮合的外啮合相位齿轮，上端盖的内圆通过一轴承与输出轴连接，上轴承盖与上端盖连接；壳体的另一端面与一分配阀连接，分配阀的内圆通过另一轴承与输出轴连接，分配阀外端的内圆中设有一与输出轴连接的旋转阀，下轴承盖与分配阀连接；壳体与分配阀结合的端面、沿壳体内圆的周向设有多组驱动输出轴转动的摆动翼驱动机构；分配阀和旋转阀还设有提供摆动翼驱动机构动作的进、排气通道，上轴承盖还设有腔内气体溢出口。

Description

一种摆动翼式发动机

技术领域

本发明涉及发动机，尤其涉及一种利用流体（压缩空气、氢气、天然气、液体、燃料和空气混合形成的混合气等）的膨胀或压缩来推动驱动件（摆动翼，活塞或叶片等）运动进而使得从动件旋转的转子偏心运动的无曲柄回转式发动机（马达）。

背景技术

旋转式发动机主要有转子作偏心回转的发动机，其一般有活塞式和叶片式。活塞式偏多，特别典型的就是汪克尔发动机。其结构大体由特殊形状的活塞（转子）、偏心轴和具有特定轨道的壳体等组成。其工作原理是特殊形状的活塞(转子)相对于轴偏心布局，延着特定的轨道滚动来改变容积，实现吸气，压缩，作功和排气过程。这种发动机比往复发动机体积小、重量轻、结构简单，在扭矩输出上也比较均匀而且可以达到较高的转速。这种发动机普遍的共性不足：

1）从压缩口到爆发口的气路较长；

2）密封性差，摩擦损耗大，压缩比小，气体的动压能转换为输出转矩的变化效率较低；

3）有进、排气重叠现象出现，高压气体在气缸内没有经过膨胀就直接排到大气中，造成效率低；

4）活塞（转子）的形状和壳体的轨道复杂，加工制造困难。

发明内容

本发明为了解决现有旋转式发动机上述的技术问题，提出一种结构简单紧凑、噪音低、摩擦损耗极小、效率高和节能环保的摆动翼式发动机。

本发明提出的一种摆动翼式发动机，包括壳体、设于该壳体中的转子、与该壳体同轴安装的输出轴。该输出轴的中部设有一偏心轴段，所述转子的内圆通过一转子轴承与输出轴的偏心轴段连接，转子的一端面嵌入一内啮合相位齿轮，所述壳体的一端面与上端盖连接，而上端盖的内表面设有与所述内啮合相位齿轮啮合的外啮合相位齿轮，上端盖的内圆通过一轴承与输出轴连接，上轴承盖与上端盖连接；所述壳体的另一端面与进、排气的分配阀连接，该分配阀的内圆通过另一轴承与输出轴连接，该分配阀外端的内圆中设有一与输出轴连接的进、排气的旋转阀，下轴承盖与分配阀连接；所述壳体与分配阀结合的端面、沿壳体内圆的周向设有多组驱动所述输出轴转动的摆动翼驱动机构；所述的分配阀和旋转阀还设有提供摆动翼驱动机构动作的进、排气通道，所述的上轴承盖还设有腔内气体溢出口。

较优的，所述的摆动翼驱动机构包括：设于所述壳体端面的主级膨胀室，次级膨胀室，铰接于该主级膨胀室边的摆动翼，一弹簧压紧销由壳体的外圆伸入压紧该摆动翼的外表面，该摆动翼的内表面压紧所述转子的外圆，一火花塞由壳体的外圆伸入所述主级膨胀室。

其中，所述的压紧装置包括：锁紧螺母，套于锁紧螺母一端的弹簧，套于弹簧一端的压紧销，该压紧销的端部抵压着所述摆动翼的外表面。

所述摆动翼驱动机构的组数可以为偶数组，也可以为奇数组。

所述输出轴与旋转阀的连接为设于输出轴轴肩的嵌入牙与设于旋转阀端面的嵌入牙的嵌入式连接。

较优的，所述的进、排气通道包括：弧形设于所述旋转阀一端面的阶梯状的排气位，对称该弧形的排气位设置的弧形的进气通槽；还包括：设于所述分配阀体内的环形的排气集气室，连接该排气集气室和所述旋转阀的排气位的多条径向排气道，一端联通所述壳体上的主级膨胀室、另一端联通所述旋转阀上的排气位或进气通槽的进、排气分配通道；所述分配阀的外端面设有联通排气集气室和外部的排气口，所述的下轴承盖上设有进气口。

所述的分配阀和壳体中还设有与外部联通循环的冷却水道。

较优的，所述的冷却水道包括：设于所述分配阀体内的环形的水室，联通该水室和外部的进水口，设于分配阀内端面的联通所述水室的分配阀出水口；还包括设于所述壳体中的环形水道，设于两相邻的一级膨胀室之间的并与环形水道联通的壳体水室，设于壳体下部联通环形水道和外部的排水口，与所述分配阀出水口对接的并与环形水道联通的壳体进水口。

所述输出轴的输出端还设有一飞轮。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

本发明通过设置摆动翼驱动机构，建立了两级膨胀室（主级膨胀室和次级膨胀室），这样可以大大提高了流体动能的利用率，加快了排气效率，减少了高压气体的渗漏率和对轴承的腐蚀，提高了发动机的效率。摆动翼的小幅度摆动，摩擦损耗小，比较容易实现径向和平面密封配置，流体渗透到发动机腔内和体外漏气率低，同时减少了气体对零件和轴承产生腐蚀。通过摆动翼的配置而形成的膨胀室，使气体的流通路线短，耗气量小。合理设置进、排气分配阀，使结构简单紧凑，实现了在各个膨胀室和进排气旋转阀之间的交流。在进排气分配阀上设置冷却水室，可以达到因采用混合动力而进行混合燃烧释放热量的冷却。合理设置进排气旋转阀，使得进气和排气相对布局（即在一面开通一环形通槽，另一面开一环形沉槽），在一个阀上实现了进排气。即可以：

1）实现了单个膨胀室气体由单一通道进入进、排气旋转阀进行进排，通过间隔布局进、排气孔可以把流体引入后续主体中，这样可以达到了结构上合理配置，使其实现多体结构布局。双体或多体即发动机的输出轴是双偏心式或多偏心式。多体配置使发动机的功率达到最大化。

2）在进、排气旋转阀和轴连接处设置嵌入式连接结构，用来改变进、排气相位。达到进气充分，排气彻底。

3）进、排气旋转阀的进气和排气分开配置，进气阻力小，使工作膨胀室进气膨胀和排气都充分。避免了一般旋转和往复发动机进排气重叠现象。

4）对于单体发动机而言，如果为了排气充分，可以在发动机壳体适当位置设置排气孔。

通过合理配置把所有的排出气迂回至一处排除，在进气口和排气口中间可方便设置一进排气转换阀（未示）实现进排气的转换，发动机可实现正反转和无极变速。压紧装置保证进、排气时摆动翼和转子的贴合。内、外啮合相位齿轮组成周转轮系，实现发动机的转速定量输出，使发动机转子的转速以较大程度低于输出轴转速进行运转，这样大大减小了转子本身的摩擦损耗。输出轴偏心轴段支撑轴承的配置，可采用把轴承内圈直接置于偏心处，轴承外圈置于转子内圆的轴承座位上，采用间隙配合，这样结构简单化。输出轴偏心处也可以设置成合适厚度盘状，轴承偏心布置其上。通过合理配置，本发动机可以作为单纯的空气动力发动机，实现零排放。也可以实现混合动力，膨胀室变成了燃烧室，在壳体和进排气分配阀上布局强迫冷却水路，并设置火花塞点火，使发动机膨胀做功。这样可以在储存气体不够，又不能及时充气的情况下，提供了应急预案，延长了续航里程。在这种情况下，发动机可以单独连接一个压缩机给储气罐供气。另外本发动机可以用在其他新能源，节能环保领域，比如生物质能发电、太阳能集热发电、工业余热发电和制冷等领域。也可以用在工业动力输出源，空气动力汽车、摩托车、叉车、消防车和航空航天等方面。为了提高发动机功率，可以设置多个摆动翼驱动机构。还通过在输出轴端设置一飞轮，储存能量，减少机械运转过程的速度波动，使输出轴运转均匀。本发动机摩擦损耗极其小，漏气率低，效率高。

附图说明

图1为本发明较佳实施例的爆炸图；

图2为本发明较佳实施例的前视图；

图3为图2中A-A向的剖视图；

图4为本发明较佳实施例的后视图；

图5a为本发明较佳实施例的分配阀（不含水室）的主视图；

图5b为图5a中B-B向的剖视图；

图6a为本发明较佳实施例的壳体的俯视图；

图6b为图6a中C-C向的剖视图；

图6c为本发明较佳实施例的壳体的后视图；

图7a为本发明较佳实施例的旋转阀的主视图；

图7b为图7a中D-D向的剖视图；

图8a为本发明较佳实施例的转子的主视图；

图8b为图8a中E-E向的剖视图；

图9a为本发明较佳实施例的输出轴的主视图；

图9b为图9a的仰视图；

图10a为本发明较佳实施例的摆动翼的主视图；

图10b为图10a的俯视图；

图10c为本发明较佳实施例的摆动翼的立体图；

图11a为本发明较佳实施例的分配阀（含水室）的主视图；

图11b为图11a 中G-G向的剖视图；

图12a为本发明较佳实施例的壳体的前视图；

图12b为本发明较佳实施例的壳体的俯视图；

图12c为图12b 中H-H向的剖视图；

图13为本发明较佳实施例的旋转阀处于0度位置的示意图；

图14为本发明较佳实施例的旋转阀处于90度位置的示意图；

图15为本发明较佳实施例的旋转阀处于180度位置的示意图；

图16为本发明较佳实施例的旋转阀处于270度位置的示意图。

具体实施方式

下面结和附图及实施例对本发明作进一步的说明：

如图1~4所示，本发明实施例提供的一种摆动翼式发动机，其包括壳体25、设于该壳体中的转子21、与该壳体同轴安装的输出轴23。该输出轴23的中部设有一偏心轴段55（结合图9a），而转子21的内圆46通过一转子轴承8与输出轴23的偏心轴段55连接，转子21的朝上的端面嵌入一内啮合相位齿轮7，两者通过螺钉18和定位销19连接固定（结合图8a、图8b）。壳体25朝上的端面通过定位销10和螺钉11与上端盖17连接，而上端盖的内表面通过定位销13和螺钉12与外啮合相位齿轮9连接，该外啮合相位齿轮9与内啮合相位齿轮7啮合。上端盖的内圆通过一轴承16与输出轴23连接，上轴承盖15通过螺钉14与上端盖17连接。壳体25朝下的端面通过定位销2和螺钉3与进、排气的分配阀27连接。请结合图5a、图5b，该分配阀的内圆34通过另一轴承16与输出轴23连接，该分配阀27外端的内圆57中设有一与输出轴23连接的进、排气的旋转阀28，下轴承盖29通过螺钉1与分配阀27连接。壳体25与分配阀27结合的端面、沿壳体内圆的周向设有多组驱动输出轴23转动的摆动翼驱动机构。另外，分配阀27和旋转阀28还设有提供摆动翼驱动机构动作的进、排气通道。上轴承盖15还设有腔内气体溢出口31。

如图1、图2，图6a、图6b、图6c、图13和图10a图10b、图10c所示，本实施例提供的摆动翼驱动机构包括：设于壳体25端面的主级膨胀室40，次级膨胀室58，通过销柱39铰接于该主级膨胀室40边的摆动翼26，一压紧装置由壳体25的外圆伸入并压紧该摆动翼26的外表面m，该摆动翼的内表面n压紧转子21的外圆，替代丝堵20安装一火花塞由壳体25的外圆伸入主级膨胀室40。而压紧装置包括：锁紧螺母6，套于锁紧螺母一端的弹簧5，套于弹簧一端的压紧销4，该压紧销的端部抵压着摆动翼26的外表面m。在摆动翼26的g,h,I,j面采用密封装置，可以比较容易实现径向密封和平面密封，实现了其在混合燃烧达到高压缩比。摆动翼驱动机构的组数为六组，根据需要还可以设置其他组数，如，设置偶数组—2、4、8组等或奇数组—3、5、7、9组等。

如图3、图5a、图5b和图7a、图7b所示，本实施例提供的进、排气通道包括：弧形设于旋转阀28上端面左侧的阶梯状的排气位43，对称该弧形的排气位设置的弧形的进气通槽41。还包括：设于分配阀27体内的环形的排气集气室36，连接该排气集气室和旋转阀的排气位43的多条径向排气道33，一端联通壳体25上的主级膨胀室40、另一端联通旋转阀上的排气位43或进气通槽41的进、排气分配通道35，该分配通道35有六条，成射线状设置，每一条对应一个主级膨胀室40。分配阀27的外端面设有联通排气集气室36和外部的排气口32。而下轴承盖29上设有进气口30（如图2所示）。

如图9b和图7a、图7b所示，输出轴23与旋转阀28的连接为设于输出轴轴肩的嵌入牙56与设于旋转阀28端面的嵌入牙42的嵌入式连接。这种连接方式可以方便调整两构件相对转动后嵌入对接，以便改变进、排气相位，达到进气充分、排气彻底的效果。

如图11a、图11b、图12a、图12b、图12c所示，分配阀27和壳体25中还设有与外部联通循环的冷却水道。冷却水道包括：设于所述分配阀27体内的环形的水室48，联通该水室和外部的进水口47，设于分配阀27内端面的联通水室48的分配阀出水口49。还包括设于壳体25中的环形水道51，设于两相邻的主级膨胀室40之间的并与环形水道51联通的壳体水室50，设于壳体下部联通环形水道51和外部的排水口52，与分配阀出水口49对接的并与环形水道51联通的壳体进水口54。

为了储存能量，减少机械运转过程的速度波动，使输出轴23运转均匀，输出轴23的输出端还可以设置一飞轮（图中未示出）。

 本发明是这样工作的（结合图5a、图5b和图7a、图7b）：以气体作为代表工质来说明其工作原理。

第一种工作状态，输入非可燃压力气体作为原始动力来驱动发动机工作。，此时设于壳体25上的火花塞不工作，仅仅用作为丝堵20。

如图13所示，进、排气的旋转阀28处于0度位置时，对于a膨胀室(主级膨胀室40)，气体延着原进、排气通道35、36、33、32排放完毕，准备进气，b,c膨胀室处于进气膨胀阶段。而e,f处于排气状态，d膨胀室开始准备排气。e,f,d膨胀室的气体经过进、排气分配通道35进入进、排气的分配阀27和进、排气的旋转阀28，并流到排气集气室36，气体由该排气集气室汇集后，经径向排气道33和排气口32排到外部。整个过程中，压力气体由进气口30、旋转阀28的进气通槽41及分配阀的进、排气分配通道35进入a,b,c膨胀室，排出的气体从d,e,f膨胀室经分配阀27进入旋转阀28进入排气集气室36，再由排气口32排出。少量的气体进入次级膨胀室a’,b’c’，而进入次级膨胀室的气体将加快摆动翼26的收缩排气，提升了排气效率，则进一步提高了流体动能的利用率，以致提高了发动机的效率。进入次级膨胀室的气体可以通过上轴承盖15上的腔内气体溢出口31排出。这样，在气体本身动能的驱动下，摆动翼26以小角度摆动，施加力给转子21，转子21驱动输出轴23进行旋转。

若要使输出轴23反转，在排气口32和下轴承盖29上的进气口30之间加一气体输入转换阀（未示），通过其切换，改变原进气和排气的方向，实现设备特殊功能的需要，比如实现空气动力汽车的倒车等。这样可以消除复杂的变速系统，减少整车或设备的重量。

如图14所示，发动机输出轴23和进排气旋转阀28一起转过了90度，b膨胀室已经完全膨胀，a膨胀室进一步膨胀，f膨胀室进气。驱动摆动翼26摆动，进而推动转子21转动，从而驱动输出轴23进行继续旋转。c膨胀室开始排气，d膨胀室处于排气状态，e膨胀室排气基本结束。而少量的气体进入次级膨胀室a’,b’f’膨胀驱动转子21。 

如图15所示，进排气旋转阀28和发动机输出轴23转至180度位置，在这个过程中，a膨胀室已经进气膨胀结束开始准备排气，b膨胀室处于排气状态，c膨胀室排气基本结束。而f,e,膨胀室处于进气膨胀状态，d膨胀室开始进气。而少量的气体进入次级膨胀室f’,e’,d’膨胀驱动转子21。

如图16所示 ，进排气旋转阀28和发动机输出轴23转至270度位置，c，d膨胀室处于进气膨胀状态,e膨胀室已经达到完全膨胀。而少量的气体进入次级膨胀室c’,d’,e’膨胀驱动转子21。a,b,f膨胀室处于排气状态，b膨胀室气体排出已经基本完毕。

通过这样周而复始的进气膨胀排气，实现了发动机输出轴的连续旋转。

第二种工作状态，输入由燃料和空气混合形成的混合气体燃烧来驱动发动机工作，此时设于壳体25上的火花塞替代了丝堵20实现正常工作。

在排气口32和下轴承盖29上的进气口30之间加一气体输入转换阀（未示），改变原进气和排气的方向，可实现混合动力驱动。

请参阅图15，混合气体由原排气口32进入原排气集气室36，通过原圆周均布的径向出气口33进入旋转阀28的排气位43，通过分配阀28中的进排气分配通道35进入膨胀室40（燃烧室a,b,c）。a燃烧室进气开始，而b燃烧室处于进气压缩状态，而c燃烧室处于基本结束进气压缩状态，火花塞打火，点燃可燃混合气，开始膨胀做功。而d燃烧室膨胀做功基本完毕并开始准备排气，这样膨胀做功产生能量驱动摆动翼26小幅度摆动，摆动翼26摆动驱动转子21低速的转动，从而驱动输出轴23远远高于转子转速进行转动。e，f燃烧室处于排气状态，这样原进气口30为排气口。这样可以使发动机形成混合动力，以便增加发动机的续航里程。通过发动机带动压缩机还可以对储气罐进行供气，以备发动机使用。为了保证混合气压缩质量，达到高的压缩比，应该在摆动翼26上设置良好的径向和平面密封装置，减少混合气向次级膨胀室的渗漏。

如图11a、图11b、图12a、图12b、图12c所示，循环水由进水口47进入分配阀的水室48，再由分配阀的出水口49流进壳体的进水口54，然后经壳体的环形水道51和水室50，最后由排水口52排出，进行循环冷却。发动机壳体延着圆周采用强迫冷却水路实现了混燃时热量的散失，保证了发动机的正常运转。

以上接合较佳实施方式对本发明进行了具体描述，但是本技术领域内的技术人员可以对这些实施方式做出多种变更或变化，这些变更和变化应落入本发明保护的范围之内。

Claims (10)

1.一种摆动翼式发动机，包括壳体（25）、设于该壳体中的转子（21）、与该壳体同轴安装的输出轴（23），其特征在于，所述输出轴（23）的中部设有一偏心轴段（55），所述转子（21）的内圆通过一转子轴承（8）与输出轴（23）的偏心轴段（55）连接，转子（21）的一端面嵌入一内啮合相位齿轮（7），所述壳体（25）的一端面与上端盖（17）连接，而上端盖的内表面设有与所述内啮合相位齿轮（7）啮合的外啮合相位齿轮（9），上端盖的内圆通过一轴承（16）与输出轴（23）连接，上轴承盖（15）与上端盖连接；

所述壳体（25）的另一端面与进、排气的分配阀（27）连接，该分配阀的内圆通过另一轴承与输出轴（23）连接，该分配阀外端的内圆中设有一与输出轴（23）连接的进、排气的旋转阀（28），下轴承盖（29）与分配阀连接；所述壳体（25）与分配阀（27）结合的端面、沿壳体内圆的周向设有多组驱动所述输出轴（23）转动的摆动翼驱动机构；

所述的分配阀（27）和旋转阀（28）还设有提供摆动翼驱动机构动作的进、排气通道，所述的上轴承盖（15）还设有腔内气体溢出口（31）。

2.如权利要求1所述的摆动翼式发动机，其特征在于，所述的摆动翼驱动机构包括：设于所述壳体（25）端面的主级膨胀室（40），次级膨胀室（58），铰接于该主级膨胀室（40）边的摆动翼（26），一压紧装置由壳体（25）的外圆伸入压紧该摆动翼的外表面（m），该摆动翼的内表面（n）压紧所述转子（21）的外圆，一火花塞由壳体（25）的外圆伸入所述主级膨胀室（40）。

3.如权利要求2所述的摆动翼式发动机，其特征在于，所述的摆动翼驱动机构的组数为偶数组或奇数组。

4.如权利要求1所述的摆动翼式发动机，其特征在于，所述的进、排气通道包括：弧形设于所述旋转阀（28）一端面的阶梯状的排气位（43），对称该弧形的排气位设置的弧形的进气通槽（41）；还包括：设于所述分配阀（27）体内的环形的排气集气室（36），连接该排气集气室和所述旋转阀的排气位（43）的多条径向排气道（33），一端联通所述壳体上的主级膨胀室（40）、另一端联通所述旋转阀上的排气位（43）或进气通槽（41）的进、排气分配通道（35）；所述分配阀（27）的外端面设有联通排气集气室（36）和外部的排气口（32），所述的下轴承盖（29）上设有进气口（30）。

5.如权利要求1所述的摆动翼式发动机，其特征在于，所述输出轴（23）与旋转阀（28）的连接为设于输出轴轴肩的嵌入牙（57）与设于旋转阀（28）端面的嵌入牙（42）的嵌入式连接。

6.如权利要求2所述的摆动翼式发动机，其特征在于，所述的压紧装置包括：锁紧螺母（6），套于锁紧螺母一端的弹簧（5），套于弹簧一端的压紧销（4），该压紧销的端部抵压着所述摆动翼的外表面（m）。

7.如权利要求2所述的摆动翼式发动机，其特征在于，所述的分配阀（27）和壳体（25）中还设有与外部联通循环的冷却水道。

8.如权利要求7所述的摆动翼式发动机，其特征在于，所述的冷却水道包括：设于所述分配阀（27）体内的环形的水室（48），联通该水室和外部的进水口（47），设于分配阀（27）内端面的联通所述水室（48）的分配阀出水口（49）；还包括设于所述壳体（25）中的环形水道（51），设于两相邻的主级膨胀室（40）之间的并与环形水道（51）联通的壳体水室（50），设于壳体下部联通环形水道（51）和外部的排水口（52），与所述分配阀出水口（49）对接的并与环形水道（51）联通的壳体进水口（54）。

9.如权利要求1所述的摆动翼式发动机，其特征在于，所述的输出轴（23）的输出端还设有一飞轮。

10.如权利要求1所述的摆动翼式发动机，其特征在于，所述输出轴（23）的转速高于转子（21）的速度。

Images