CN102588089A - O型转子发动机 - Google Patents

Abstract

一种O型转子发动机，由压气机、动力机、分流器、压气机导流器、动力机导流器、动力轴组成。压气机与动力机具有相同的结构：都含有一个在中间隔开部分有两个相互内外错开的隔板导向孔的工形环状定子，两端有两个含有向环形槽内延伸的类梯形凸起(活塞)的转子，其中一个转子含有外导轨，另一个含有内导轨，分别与对侧活塞及其两侧环面夹紧隔板使隔板在隔板导向孔内轴向往复运动，将环形槽隔开为气密性良好的两部分。该发动机各部分相互配合使其能连续燃爆直接输出轴功，四个冲程在不同空腔内同时完成。该O型转子发动机功重比大、震动小、能量转换效率高、结构简单、加工制造容易，可用作航空发动机。

Description

O型转子发动机

技术领域：

本发明是关于一种直接输出轴功的内燃机，特别是关于一种结构简单、震动小、功重比高、效率高的转子发动机。

背景技术：

目前，投入实际应用的输出轴功的发动机主要有三种：往复式活塞发动机、三角转子发动机、燃气涡轮轴发动机。往复式活塞发动机结构简单，易扩展，但是它有几个缺点：第一，其依靠飞轮旋转时的惯性来维持各个冲程之间的连续性，导致需要加装重量大的飞轮而降低了发动机的功重比。第二，其燃料燃爆做功时间短从而部分燃料未充分燃烧就被排出，导致燃料燃烧效率低。第三，其需要通过曲轴将活塞的往复式运动转换为动力轴的转动，在这一过程中将损失掉部分机械能。第四，其曲轴转动时重心发生偏移而造成整机震动大，从而噪声也大。三角转子发动机克服了往复式活塞发动机在由活塞的往复式运动转换为动力轴转动过程中的机械能的损失。但是它也有几个缺点：第一，其需要靠复杂的机械装置将三角形转子的绕动力轴运动转换为动力轴的转动，不利于装配及维修。第二，其三角形转子需要在特种形状的缸体内运动，这种缸体的特殊形状及对气密性的要求很高导致加工生产困难。第三，其三角转子的绕动力轴运动造成的重心偏移导致整机震动大，噪声大。第四，由于部件复杂的几何形态，以及复杂的传动装置的，导致其功重比低。燃气涡轮轴发动机利用膨胀的燃气推动涡轮旋转，能直接输出轴功，且在旋转过程中无重心偏移部件，故震动小，噪声小，但是它有几个缺点：第一，燃气涡轮轴发动机排出的燃气仍然具有很高的速度和温度，造成能量转换效率低，耗油量高。其二，接触高温高压燃气的燃烧室、燃气涡轮、动力涡轮需要耐高温且在高温高压下具有强韧性的特种材料，制造工艺困难，造价高，难以普及推广。

发明内容：

上述三种投入实际应用的输出轴功的发动机中，功重比大、震动小、能量转换效率高、结构简单、加工制造容易这几个优点总是不能集中于一种发动机中，本发明的目的在于将上述优点结合到一起，提供一种结构简单、直接输出轴功、能量转换效率高、功重比大、震动小且加工制造容易的O型转子发动机。

为了达到上述目的，本发明提供的O型转子发动机包括：压气机及安装在压气机气流通道口以实现改组气流的压气机导流器，动力机及安装在动力机气流通道口以实现改组气流的动力机导流器，连接压气机导流器排气口与动力机导流器进气口且实现气流分配的分流器，连接压气机、动力机、分流器以及外界负载的动力轴，动力轴上固定各个装置使其不发生轴向移动的固定件及连接各个装置的螺钉、螺母。

压气机包括压气机定子、外导轨转子、内导轨转子、外隔板、内隔板。压气机定子是一个工形环状零件，其两端的环状槽型空间由一个扇环形外隔板导向孔及一个扇环形内隔板导向孔将其联通。外隔板导向孔与内隔板导向孔并列紧靠在一起，并有部分错开。外隔板导向孔的外侧向定子的外围延伸，内隔板导向孔的内侧向定子的内侧延伸，两个延伸部分分别向定子两端切割定子，形成外隔板槽和内隔板槽。位于隔板槽的两侧有四个两两对称，连通定子内外部的气流通道。外导轨转子是一个盘状零件，其上分布着密封环、外导轨、活塞，密封环是位于盘外沿的环状凸起，外导轨在密封环的内侧，是一个带有左右两端为螺旋面的类梯形缺口的环状凸起，活塞在外导轨的内侧，是一个左右两端为螺旋面的类梯形凸起。外导轨转子上的活塞与外导轨类梯形缺口关于外导轨转子的中心对称分布，且三个凸起同向。内导轨转子是一个盘状零件，其上分布着密封环、活塞、内导轨，密封环是位于盘外沿的环状凸起，活塞在密封环的内侧，是一个左右两端为螺旋面的类梯形凸起，内导轨在活塞的内侧，是一个带有左右两端为螺旋面的类梯形缺口的环形凸起。内导轨转子上的活塞与内导轨类梯形缺口关于内导轨转子中心对称分布，且三个凸起同向。压气机装配时，外隔板由外隔板槽和外隔板导向孔固定，且能够轴向滑动，内隔板由内隔板槽和内隔板导向孔固定，且能够轴向滑动，外导轨转子的活塞与内导轨转子的活塞成180度夹角相向插入定子带内隔板槽的一端和带外隔板槽的一端的环形槽中，且与环形槽接触封严。有固定件将内导轨转子与外导轨转子相对位置固定，避免其向定子两端移动。两个转子中心有动力轴穿过。在动力轴驱动两个转子转动时，内导轨转子的活塞壁以及其两侧的圆环面和外导轨转子的外导轨夹紧插入外隔板孔的外隔板沿外隔板槽轴向往复运动，使外隔板始终将内导轨转子与定子形成的空间截为气密性良好的两个空腔。外导轨转子的活塞壁以及其两侧的圆环面和内导轨转子的内导轨夹紧插入内隔板孔的内隔板沿内隔板槽轴向往复运动，使内隔板始终将外导轨转子与定子形成的空间截为气密性良好的两个空腔。压气机的四个空腔通过定子上的气流通道与压气机外部连通。

压气机导流器通过螺栓与压气机连接，压气机气流通道与压气机导流器相应通道接通，其中内隔板与外隔板附近动力轴旋转方向上的两个气流通道经过压气机导流器合流为压气机导流器进气口，内隔板与外隔板附近动力轴旋转的反方向上的两个气流通道经过压气机导流器合流为压气机导流器排气口。

动力机结构与压气机结构相同，动力机体积小于或等于压气机体积。

动力机导流器通过螺栓与动力机连接，动力机气流通道与动力机导流器相应通道接通，其中内隔板与外隔板附近动力轴旋转方向上的两个气流通道经过动力机导流器将流向改变为位于动力机导流器两侧的两个进气口，内隔板与外隔板附近动力轴旋转的反方向上的两个气流通道经过动力机导流器合流为动力机导流器排气口，动力机导流器两个进气口中有与外界连接的用于放置火花塞的点火孔，点火孔中固定着火花塞。

分流器由总管、分管、分流齿轮及传动齿轮组成。分流管将总管的气流分为两部分，两个分流管中心轴与总管中心轴等距，且共面。中心轴与两个分流管中心轴共面的分流齿轮将两个分流管截断为两部分，这两部分与分流齿轮接触封严。分流齿轮上有一个半圆扇环状开口，开口正对着分管断开处，宽度与分管内径相等，连接在动力轴上的传动齿轮驱动分流齿轮以与动力轴相同的速度同向转动，且当动力机转动到其内隔板平分外导轨转子与定子形成的空间的时候，截断通往该空腔的气流，接通通往内导轨转子与定子形成的空腔的气流。

压气机内导轨转子、压气机外导轨转子、动力机内导轨转子、动力机外导轨转子以及分流器都接到同一根动力轴上，且通过固定件固定每个零件的轴向位置。压气机导流器出口连接分流器总管，分流器的两个分管连接动力机导流器的两个进气口。压气机定子，分流器，动力机定子通过螺栓连接在一起。O型转子发动机工作时，压气机外导轨转子以及压气机内导轨转子在动力轴的驱动下，将来自化油器的空燃混合气沿压气机导流器吸入内隔板动力轴旋转方向上的空腔和外隔板动力轴旋转方向上的空腔中，完成吸气冲程。压气机内的另外两个空腔则将空燃混合气经过压气机导流器的排气口压入分流器总管，该气体经过分流器后，轮流进入动力机导流器的两个进气口，从空燃混合气经过动力机导流器进入动力机某空腔中的时刻起，到动力轴在此基础上旋转180度，同时分流器关闭向该空腔的供气为止，这段时间内压气机将两倍以上于该空腔的气体压入该空腔，且在该空腔体积随着动力轴旋转角度的增大而增大的同时，空腔内的压强也随着动力轴旋转角度增大而增大，这段时间内在该空腔和与该空腔连通的压气机相应空腔中完成压缩冲程。之后控制导流器上相应的火花塞点燃此空腔内的空燃混合气，压缩的空燃混合气燃爆，体积急剧增大，并推动相应活塞输出轴功。从关闭向该空腔内供气并点燃空燃混合气的时刻开始，到动力轴继续旋转180度为止的这段时间内，该空腔中完成了做功冲程。同时在与动力机导流器另一个进气口连通的空腔中完成了压缩冲程，准备进入做功冲程，故该O型转子发动机是连续做功的。在任何时刻，与压气机进气口连通的空腔总是进行着吸气冲程，与压气机排气口连通的压气机空腔及此时分流器接通的动力机空腔总是进行着压缩冲程，分流器停止向其中导入气体的空腔总是进行着做功冲程，与动力机导流器排气口连通的空腔总是进行着排气冲程，故该O型转子发动机的四个冲程是在不同的空腔内同时进行的。

综上所述，本发明提供的O型转子发动机结构简单，易于加工和生产。主要的旋转部件在旋转过程中没有重心偏移的现象，故整机震动小，噪声低。做功冲程持续半个圆周，故燃料能够得到比较充分的燃烧，燃料的燃烧效率较高。燃爆气体推动活塞直接输出轴功，因而输出功率大，能量转换效率高。该发动机能连续做功，故无需飞轮等惯性装置，且传动机构、连接机构少，有效工作空间所占比例大，因而功重比高。

附图说明：

图1：O型转子发动机装配图；

图2A：内导轨转子截面图；

图2B：内导轨转子正面立体图；

图2C：内导轨转子背面立体图；

图3A：外导轨转子截面图；

图3B：外导轨转子正面立体图；

图3C：外导轨转子背面立体图；

图4A：定子截面图；

图4B：定子含有外隔板槽一侧的立体图；

图4C：定子含有内隔板槽一侧的立体图；

图5：内隔板的三视图；

图6：外隔板的三视图；

图7：动力机轴向截面图；

图8：动力机法向截面图；

图9：压气机导流器内部结构透视图；

图10：动力机导流器内部结构透视图；

图11：O型转子发动机气道排列示意图；

图12：O型转子发动机轴向截面图；

图13：O型转子发动机法向截面图；

图14A：动力机剖体左视图；

图14B：动力机剖体右视图；

图15：O型转子发动机剖体图；

图16：O型转子发动机外形示意图；

图1-16中的元件：

1.压气机转子紧固螺钉 2.压气机内导轨转子 3.压气机内隔板 4.压气机定子 5.压气机导流器 6.压气机外隔板 7.压气机外导轨转子 8.齿轮固定件 9.压气机转子紧固螺母 10.动力轴 11.分流器 12.动力机转子紧固螺钉 13.动力机内导轨转子 14.动力机内隔板 15.动力机定子 16.第一火花塞 17.第二火花塞 18.动力机导流器 19.动力机外隔板 20.动力机外导轨转子 21.动力机转子紧固螺母 22.轴固定件 23.压气机导流器进气口 24.压气机导流器排气口 25.压气机导流器排气口通道 26.压气机导流器进气口通道 27.压气机a气流通道 28.压气机c气流通道 29.压气机b气流通道 30.压气机d气流通道 31.动力机a气流通道 32.动力机c气流通道 33.动力机b气流通道 34.动力机d气流通道 35.分流器进气口 36.分流器第二排气口 37.分流器第一排气口 38.动力机导流器第一进气口 39.动力机导流器第二进气口 40.动力机导流器排气口 41.动力机导流器第一进气口通道 42.动力机导流器第二进气口通道 43.动力机导流器排气口通道 44.内隔板导向孔 45.外隔板导向孔 46.定子c气流通道 47.定子a气流通道 48.定子d气流通道 49.定子b气流通道 50.分流齿轮 51.第二传动齿轮 52.第一传动齿轮 53.外导轨转子密封环 54.外导轨 55.外导轨转子活塞 56.内导轨转子密封环 57.内导轨转子活塞 58.内导轨 59.分流器第二分管 60.分流器第一分管 61.分流齿轮上半圆扇环状开口 62.第一点火孔 63.第二点火孔 64.外隔板槽 65.内隔板槽

具体实施方式：

O型转子发动机结构特征：

如图1所示。压气机转子紧固螺钉(1)、压气机内导轨转子(2)、压气机内隔板(3)、压气机定子(4)、压气机外隔板(6)、压气机外导轨转子(7)、压气机转子紧固螺母(9)分别与动力机转子紧固螺钉(12)、动力机转子(13)、动力机内隔板(14)、动力机定子(15)、动力机外隔板(19)、动力机外导轨转子(20)、动力机转子紧固螺母(21)具有相同的结构，在具体的实施中压气机的体积应该大于或等于动力机的体积，且压气机的体积比动力机的体积越大，其点火时刻燃料与空气混合气体的压缩比例越高。压气机与动力机都是由如图2A、图2B、图2C所示的内导轨转子，如图5所示的内隔板，如图4A、图4B、图4C所示的定子，如图6所示的外隔板，如图3A、图3B、图3C所示的外导轨转子以及紧固螺钉(1)、(12)，紧固螺母(9)、(21)组成。在装配时，外导轨转子的外导轨(54)抵住如图6所示的外隔板的一角，朝向定子具有内隔板槽(65)的一端使外隔板插入定子的外隔板导向孔(45)中并固定在外隔板槽(64)中。内导轨转子的内导轨(58)抵住如图5所示的内隔板的一角，朝向定子具有外隔板槽(64)的一端使内隔板插入定子的内隔板导向孔(44)中并固定在内隔板槽(65)中。外导轨转子的密封环(53)与内导轨转子的密封环(56)均插入与之相匹配的定子凹进部位，且外导轨转子的如图3B中所示的外导轨转子活塞(55)与内导轨转子的如图2B中所示的内导轨转子活塞(57)以定子中心轴为中心成180度夹角装配。之后用螺钉和螺母将内导轨转子和外导轨转子上的四个固定孔固定，形成O型转子。用螺栓将压气机导流器(5)固定在压气机外壁的相应位置，使如图9中所示的压气机导流器进气口通道(26)覆盖住如图11中所示的压气机a气流通道(27)、压气机c气流通道(28)，如图9中所示的压气机导流器排气口通道(25)覆盖住如图11中所示的压气机b气流通道(29)、压气机d气流通道(30)。将动力轴(10)较长的一端依次插入分流器(11)中如图13中所示的第一传动齿轮(52)、齿轮固定件(8)、压气机外导轨转子(7)、压气机内导轨转子(2)中。将分流器(11)的如图11中所示的分流器进气口(35)通过螺栓固定在压气机导流器(5)中如图9中所示的压气机导流器排气口(24)上。将装配好的动力机插入动力轴中，并用螺栓将动力机导流器(18)固定到动力机外壁的相应位置，使动力机导流器(18)中如图10中所示的动力机导流器第一进气口通道(41)覆盖住如图11中所示的动力机a气流通道(31)，动力机导流器第二进气口通道(42)覆盖住如图11中所示的动力机c气流通道(32)，动力机导流器排气口通道(43)覆盖住如图11中所示的动力机b气流通道(33)、动力机d气流通道(34)。用螺栓将分流器(11)中的如图11中所示的分流器第一排气口(37)、分流器第二排气口(36)分别固定在动力机导流器18中的如图10中所示的动力机导流器第一进气口(38)、动力机导流器第二进气口(39)上，然后将第一火花塞(16)、第二火花塞(17)分别固定在如图10中所示的第一点火孔(62)、第二点火孔(63)中。用螺栓将轴固定件(22)固定在轴的相应位置。再用螺栓固定住压气机定子(4)、分流器(11)、动力机定子(15)上的相应固定孔，完成整机的装配。

O型转子发动机的工作原理：

压气机与动力机的构造相同，这里仅以动力机来说明其转动过程。如图2A、2B、2C所示的内导轨转子与如图3A、3B、3C所示的外导轨转子通过螺钉相向地固定在如图4A、4B、4C所示的定子的相应凹槽内。如图5、图6所示的内隔板、外隔板分别固定在如图4A中所示的定子的内隔板导向孔(44)与外隔板导向孔(45)中，且内隔板的一边被内隔板槽(65)卡住，外隔板的一边被外隔板槽(64)卡住。装配好的动力机或压气机构造如图14A、14B所示，具体的轴向、法向截面如图7、图8所示。在内导轨转子与外导轨转子同步转动时，外导轨转子上的如图3B中所示的外导轨(54)与内导轨转子上的如图2B中所示的内导轨转子活塞(57)及其两侧的环面卡住如图6所示的外隔板使外隔板在如图4B中所示的外隔板槽(64)中做轴向往复运动，这样在任何时刻外隔板与内导轨转子总是将定子带有如图4B中所示的外隔板槽(64)的一端分为气密性良好的如图8中所示的2a、2b两个空腔。内导轨转子与外导轨转子同步转动时，内导轨转子上的如图2B中所示的内导轨(58)与外导轨转子上的如图3B中所示的外导轨转子活塞(55)及其两侧的环面卡住如图5所示的内隔板使内隔板在如图4C中所示的内隔板槽(65)中做轴向往复运动，这样在任何时刻内隔板与外导轨转子总是将定子带有如图4C中所示的内隔板槽(65)的一端分为气密性良好的如图8中所示的2c、2d两个空腔。上述2a、2b、2c、2d四个空腔中分别有如图4B、4C中所示的定子a气流通道(47)、定子b气流通道(49)、定子c气流通道(46)、定子d气流通道(48)，四个气流通道与外界连通。

动力轴驱动压气机内导轨转子与外导轨转子同时转动，面对发动机，动力轴逆时针转动时。压气机的如图13中所示的3a、3c两个空腔体积增大，压强减小，将来自化油器的空燃混合气通过如图9所示的压气机导流器(5)吸入该空腔，完成吸气冲程。压气机的如图13中所示的3b、3d的两个空腔体积减小，压强增大，将增压的空燃混合气经过如图9所示的压气机导流器(5)压入如图12中所示的分流器进气口(35)，分流器将该气体分流到如图13中所示的分流器第一分管(60)和分流器第二分管(59)中，两个分管被如图12中所示的分流齿轮(50)截断，如图13中所示的该分流齿轮(50)上有半圆形环状导通区域，在动力轴旋转时，通过第一传动齿轮(52)，第二传动齿轮(51)的驱动，使分流齿轮与动力轴以同样的速度同向转动，从而如图13中所示的分流器第一分管(60)和分流器第二分管(59)交替导通和截断。于是来自分流器进气口(35)的气流交替进入动力机的如图13中所示的2a、2c空腔中。装配时调整分流器的齿轮位置，使得当动力机内如图2B中所示的内导轨转子活塞(57)、动力机内如图3B中所示的外导轨转子活塞(55)、安装在动力机上的动力机导流器(18)三者运行到一条直线上的时候，分流器截断向体积较大的那个空腔供气，此时，该空腔内充满了至少两倍于该空腔容积的空燃混合气体，完成压缩冲程。点燃与该空腔内气体接触的火花塞，并导通与分流器另一个分管连通的空腔，使一个空腔进行做功冲程的同时，另一个空腔进行压缩冲程，形成连续不间断做功。如图13中所示的2b、2d两个空腔则始终进行着排气冲程。综上对O型转子发动机原理所述，可知该发动机能够连续做功，每个做功冲程持续半个圆周，且四个冲程同时进行，转动过程中重心不发生偏移，燃爆气体能直接推动活塞输出轴功。

Claims (7)

1.一种O型转子发动机，其特征在于，该转子发动机包括：一个在其中间隔开部分有两个相互内外错开的隔板导向孔的工型环状定子，在定子两侧有两个与其接触封严的盘状转子，这两个转子有向着环形槽内延伸的类梯形凸起活塞，两个活塞以定子中心轴为中心相差180度排列，其中一个转子的活塞外围连接着一个同心的环状凸起导轨，该导轨含有与对测转子的活塞互补的缺口，另一个转子的活塞内侧连接着一个同心的环状凸起导轨，该导轨含有与对测转子的活塞互补的缺口，两个转子的凸起部分均与定子环形槽内壁接触封严，两个转子的活塞以及活塞两侧的圆环面分别与对侧转子的导轨夹紧插入隔板导向孔内的相应的隔板轴向往复运动，始终将该侧定子的环形槽隔开为气密性良好的两部分，上述结构组成O型转子发动机的动力机构。

2.如权利要求1所述的O型转子发动机，其特征在于，有固定件将两个转子固定，避免其沿定子两侧移动。

3.如权利要求2所述的O型转子发动机，其特征在于，定子内壁有两条由隔板孔开始向着相反方向延伸的隔板固定槽，定子隔板孔的两侧有与外界相连的的气流通道。

4.如权利要求3所述的O型转子发动机，其特征在于，该发动机还包括：与动力机构结构相同，体积大于或等于动力机构的压气机构，该压气机构与动力的机构连接在同一根轴上。

5.如权利要求4所述的O型转子发动机，其特征在于，该发动机还包括：连接在动力机构气流通道外的导流器(18)。

6.如权利要求5所述的O型转子发动机，其特征在于，该发动机还包括：连接在压气机构气流通道外的导流器(5)。

7.如权利要求6所述的O型转子发动机，其特征在于，该发动机还包括：分流器(11)且该分流器与压气机构、动力构连接在同一根轴上，该分流器导管口与动力机构及压气机构的导流器进出口相连接。

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