CN102661195A

CN102661195A - 圆周旋转式活塞发动机

Info

Publication number: CN102661195A
Application number: CN2012101200650A
Authority: CN
Inventors: 刘勇
Original assignee: 袁丽君
Priority date: 2012-04-20
Filing date: 2012-04-20
Publication date: 2012-09-12

Abstract

本发明涉及一种新型发动机，其结构主要包括：圆环缸体、转动盘、活塞、耦合转子、喷射装置、点火装置、排汽装置。圆环缸体是一个有环形空腔的固定缸体，与转动盘形成一个封闭的圆环形空腔。活塞位于封闭的圆环形空腔内，并与转动盘联结成转动体。活塞可以在圆环形空腔内作环绕运动，并与圆环缸体形成机械公差配合。耦合转子安装在圆环缸体上，并随转动盘和活塞同时转动。耦合转子与活塞将圆环形空腔分为施压区和卸压区，燃烧介质在施压区内燃烧膨胀，产生压力作用在活塞上，推动活塞在圆环形空腔内作环绕运动，并带动转动盘转动，向机构输出动力。耦合转子上设有缺凹，当活塞在圆环形空腔内作环绕运动时，与耦合转子的缺凹进行啮合，使得活塞穿过耦合转子。

Description

圆周旋转式活塞发动机

发明领域：

本发明涉及一种新型发动机。

发明背景：

本发明涉及一种新型发动机，可广泛应用于交通运输行业、工程机械、火车和发电机组、大型轮船、民航客机、极速赛车等国民经济领域。

现有普遍采用的直线往复式活塞发动机，一般是直线往复四冲程工作形式。在四个冲程中只有一个冲程是动力输出状态，其它三个冲程均为动力损耗状态。作为燃烧室产生动力的施压区和作为吸入空气、压缩空气、排出废汽的三个动力损耗的卸压区，都在同一个缸体内交替出现。活塞及其推杆处于不断加速、减速、停止、再加速、减速、停止的间歇性循环中，燃烧介质的燃烧量、燃烧时间，难以做到完美。燃料的能量不能最大限度地转变为发动机的有效功率和输出扭矩。同时当其转速，即活塞的往复频率达到一定限度时，发动机将产生巨大的噪音和强烈的震动，并伴随燃料燃烧效率的降低和动力输出效率的降低。

图1显示了现有直线往复式活塞发动机的缸内压力值在四个冲程过程中的变化情况。ef为吸入空气，fg为压缩空气，ghi为燃烧做功，ie为排出废汽。在其中的做功冲程中，缸内的压力要分解成活塞推杆的推力F₀，F₀再分解成曲轴的曲柄方向作用力F₂和垂直于曲柄的扭力F₁。只有F₁才是推动曲轴转动并向机构输出动力的扭力。在图1中可见，当缸内压力为最大值时(约3000-5000kpa)。活塞推杆与缸体轴线的夹角很小，分解到的扭力F₁的力值很低。只有交角增大，至F₂的力值为零时，F₁＝F₀。此时的做功效率最大或输出的扭矩最高，因此得出图2所示的输出轴旋转一周的扭矩变化曲线1。

针对上述不足，本发明提出一种全新的解决方案：圆周旋转式活塞发动机。其活塞处于连续流畅的圆周运动中，燃烧介质或膨胀介质的压力直接是输出的扭力。从图2的扭矩曲线2可以看出，缸体内的压力值直接等于输出轴的扭力值，缸体承受的压力及最高的温度大幅降低。没有曲轴曲柄、平衡轴，无传动死角，因此无需与此相关的润滑，机构变得简单，其重心也大幅降低。在高转速情况下，机构噪音小，震动轻微。整个机构的稳定性、可靠性得以提高，在同等功率输出的条件下，比直线往复式活塞发动机节约20％-50％的燃烧介质或膨胀介质。

发明内容：

本发明涉及一种新型发动机，其主要结构包括：圆环缸体、转动盘、活塞、耦合转子、喷射装置、点火装置、排汽装置。圆环缸体是一个有环形空腔的固定缸体，与转动盘形成一个封闭的圆环形空腔。活塞位于封闭的圆环形空腔内，并与转动盘联结成转动体。活塞可以在圆环形空腔内作环绕运动，并与圆环缸体形成机械公差配合。耦合转子安装在圆环缸体上，并随转动盘和活塞同时转动。耦合转子与活塞将圆环形空腔分为施压区和卸压区，燃烧介质在施压区内燃烧膨胀，产生压力作用在活塞上，推动活塞在圆环形空腔内作环绕运动，并带动转动盘转动，向机构输出动力。耦合转子上设有缺凹，当活塞在圆环形空腔内作环绕运动时，与耦合转子的缺凹进行啮合，使得活塞穿过耦合转子。

圆环缸体和转动盘形成的密封圆环形空腔和活塞的轴面剖视图的形状可以是圆形、矩形或其它形状。活塞的旋转面剖视图形状与耦合转子上缺凹的旋转面剖视图形状相啮合。活塞上可以装有活塞环用以提高施压区的密闭性以及改善活塞与圆环缸体之间的润滑。耦合转子由机械正时齿轮控制，也可以用其它方式控制。耦合转子可以由另一个同样的圆环形缸体替代，并形成双圆环缸体。两个缸体的活塞足够长，使得任何一个缸体输出动力时，另一个缸体的活塞起到耦合转子的作用，两个缸体的转动盘由正时齿轮联动。发动机可以是单个缸体形成或两个缸体组合形成。多个缸体组合时，其中的部分缸体可以用于产生压缩空气。多个缸体向机械输出动力时，每个缸体的活塞在同一时刻处于不同的相互补偿的受力位置。喷射装置向圆环缸体内喷射燃烧介质和压缩空气，喷射装置和点火装置位于耦合转子的施压区一侧，排汽装置位于耦合转子附近的卸压区一侧。

在本说明及权利要求书中用的专业名词解释如下：

转动轴线：转动体或旋转空间的转动轴线。如附图3-2的轴线O₁。

旋转面剖视图：在与转动轴线相垂直的平面上剖切所得的视图。如图3-1。

轴面剖视图：与转动轴线重合的平面上剖切所得的视图。如图3-2。

附图说明：

图1直线往复式活塞发动机扭矩图

图2本发明的实施例之一扭矩图

图3本发明第一实施例剖视图

图4活塞装有活塞环的实施例局部视图

图5本发明第二实施例剖视图

图6本发明的双圆环耦合缸体实施例之一剖视图

图7多圆环缸体组合的实施例之一工作简图

在本发明专利的附图说明中，图示的零部件的结构、尺寸及形状并不代表实际的零部件的结构、尺寸及形状，也不代表零部件之间的实际大小比例关系，附图只是用简明的方式对本发明实施例予以说明。

图3显示了本发明第一实施例的剖视图，其中图3-1，3-3为发动机的旋转面剖视图。图3-2，3-4为轴面剖视图。从图示可以看出：发动机由圆环缸体GT₁、转动盘P₁、活塞H₁、耦合转子C₁、喷射、点火装置PF₁、排汽装置PZ₁组成。圆环缸体GT₁是一个有环形空腔的固定缸体，与转动盘P₁形成一个封闭的圆环形空腔K₁。图3-2所示圆环形空腔的轴面剖视图是圆形，活塞H₁与转动盘P₁联结成一个转动体，H₁位于圆环形空腔K₁之中，并可以在K₁中作环绕运动，H₁与圆环缸体形成机械公差配合。

耦合转子C₁安装在圆环缸体GT₁上，并随转动盘P₁和活塞H₁同时转动。图3-1所示：耦合转子C₁与活塞H₁将圆环空腔K₁分隔为施压区和卸压区。喷射装置喷射燃烧介质和压缩空气，点火装置使燃烧介质燃烧，此时活塞H₁受燃烧介质燃烧膨胀的压力，在圆环形空腔K₁内作环绕运动，并带动转动盘P₁作逆时针方向旋转，并向机构输出动力；与此同时，活塞H₁又将上一个工作循环产生的废汽向前推动，并通过排汽装置PZ₁排出。耦合转子设有缺凹，当活塞H₁在圆环形空腔内环绕，并逐渐靠近耦合转子C₁时，耦合转子C₁的缺凹沿顺时针方向转向圆环空腔K₁，并与活塞H₁进行啮合。如图3-3，3-4所示，活塞H₁逐渐穿过耦合转子C₁，从卸压区进入施压区开始下一个工作循环。活塞的旋转面剖视图形状与耦合转子缺凹的旋转面剖视图相啮合。

图4所示为活塞上装有活塞环的实施例的旋转面局部视图。活塞H₂上装有三道活塞环，活塞运动方向的后侧的两道环Q₁、Q₂，可以是气环，第三道环Q₃可以为油环。在活塞H₂与转动盘P₂的联结处，环槽和活塞环可以贯通。每条活塞环的环侧面与活塞的运动方向成θ角，这样的设计有利于活塞通过耦合转子进入施压区时，活塞环能够顺利进入而不会出现卡环现象。活塞环的安装方式以及与圆环缸体、环槽的尺寸配合公差与直线往复式活塞发动机相同。本专业技术人员均已知晓，在此不再一一赘述。本发明的实施例均可以安装活塞环，用以提高施压区的密闭性，并改善活塞与圆环缸体的润滑。

图5为本发明第二实施例的轴面剖视图，其旋转面剖视图与图3-1所示实施例相同。活塞、转动盘P₃、圆环缸体GT₃、耦合转子C₃、喷射装置、点火装置、排汽装置的工作方式与第一实施例相同。不同的是圆环缸体GT₃与转动盘P₃所形成的圆环形空腔以及活塞、耦合转子的轴面剖视图形状为矩形。

图6所示为本发明的双圆环耦合缸体实施例之一的旋转面剖视图，其结构主要包括双圆环缸体GT₅，转动盘P₅、P₅’、活塞H₅、H₅’以及喷射、点火装置PF₅、PF₅’、排汽装置PZ₅、PZ₅’的位置等。本实施例的耦合转子由圆环缸体所替代，两个圆环缸体的结构相同或相近，并具有相同的圆环形空腔。活塞H₅、H₅’足够长，以使得当活塞H₅和转动盘P₅在膨胀介质的压力下向机构输出动力时，H₅’则起到耦合转子的作用，如图6-1。同样当活塞H₅’和转动盘P₅’向机构输出动力时，H₅则起到耦合转子的作用。H₅逆时针方向旋转，H₅’则顺时针方向旋转。图6-2显示：活塞H₅结束一个循环内的动力输出状态，准备进入耦合转子状态。而活塞H₅’结束了一个循环内的耦合转子状态，准备进入动力输出状态，在此时的对接过渡状态。转动盘P₅和转动盘P₅’由正时齿轮或其它控制方式联动。本专业技术人员容易做到，在此不再赘述。

图7显示了一种本发明的多缸组合的发动机实施例之一。图示为6个圆环缸体组合的发动机在同一时刻，每个缸体的活塞、耦合转子的工作状体。为了简明地说明本实施例的组合特征，仅对每个缸体的活塞、耦合转子的缺凹，及圆环缸体与转动盘形成的圆环形空腔作了图示，省略了发动机上的其它零部件。本实施例的每个缸体的转动轴线是重合的，每个转动体按逆时针方向旋转，耦合转子按顺时针方向旋转。其中图7-1、7-3、7-5显示的圆环缸体GT₇、GT₈、GT₉为动力的输出缸体。图7-2、7-4、7-6显示的圆环缸体GT₇’、GT₈’、GT₉’为压缩空气的产生缸体，并通过压力控制装置及管路分别向缸体GT₇、GT₈、GT₉输送压缩空气。圆环缸体GT₇’、GT₈’、GT₉’在图示下侧靠近耦合转子的位置JA安装有吸入空气装置。在图示的上侧靠近耦合转子的位置S安装有压力控制装置及向相应的动力输出缸体输送压缩空气的输送管路。通过调整H₇’、H₈’、H₉’相对于H₇、H₈、H₉的供气角度位置、及压力控制装置的压力设定值，动力输出缸体可以得到所需要的压缩空气的压缩比例。同时采用合理的活塞及耦合转子缺凹的形状，可以不断提高压缩空气的输送效率，与直线往复式活塞发动机一样，三个动力输出缸体的活塞在同一时刻处于不同的相互补偿的受力位置。6个缸体的活塞相互交替工作，使得发动机的动力输出平稳连续。

图6所示的双圆环耦合缸体也可以采用多缸体组合的方式，压缩空气的产生与动力输出分别采用不同的双圆环缸体，也可以在同一个缸体内一个活塞用于输出动力，而另一个活塞用于产生压缩空气，其组合灵活多样，本专业技术人员容易实施，不再一一赘述。

本发明所述的圆环缸体与转动盘形成的密封圆环形空腔的轴面剖视图的形状，不局限于上述实施例，还可以采用其它的形状，本专业的技术人员根据其形状变化方式容易变更相应的零部件的设计。

关于喷射装置、点火装置、排汽装置、耦合转子的机械、电控及其他控制方式，作为压缩空气发生缸体的吸空气装置，排出压缩空气装置、压力控制装置、空气的输送管路、润滑系统、燃烧介质的供应系统、冷却系统、起动系统等，本领域的技术人员均已知晓，并在本领域广泛应用，不再一一赘述。

本发明可以单独用膨胀介质，如蒸汽作为动力源，则无需点火装置。

上述实施例以图示的方式说明了本发明，但是以图示方式说明的上述实施例，不是对本发明的限制，本发明由权利要求限定。

Claims

1.本发明涉及一种新型发动机，其主要结构包括：圆环缸体、转动盘、活塞、耦合转子、喷射装置、点火装置、排汽装置。本发明所述发动机，其特征在于：所述圆环缸体是一个有环形空腔的固定缸体，并与所述转动盘形成一个封闭的圆环形空腔；所述活塞与所述转动盘联结成转动体，并位于所述圆环形空腔内。活塞可以在圆环形空腔内作环绕运动，并与圆环缸体形成机械公差配合。所述耦合转子安装在圆环缸体上，并随转动盘和活塞同时转动，耦合转子与活塞将所述圆环空腔分隔为施压区和卸压区，燃烧介质在施压区内燃烧膨胀，或膨胀介质在施压区内膨胀产生的压力作用在活塞上，推动活塞在圆环形空腔内作环绕运动，并带动转动盘转动，向机构输出动力。同时耦合转子上设有缺凹，当活塞在圆环形空腔内作圆环运动并逐渐靠近耦合转子时，耦合转子上的缺凹同时转向圆环空腔并与活塞进行啮合，使活塞穿过耦合转子从卸压区进入施压区开始下一个工作循环。

2.由权利要求1所述的发动机，其特征在于：所述圆环缸体与所述转动盘形成密闭圆环形空腔，所述圆环形空腔以及活塞的轴面剖视图的形状可以是圆形，或者矩形，或者其它形状。

3.由权利要求1所述的发动机，其特征在于：所述活塞的旋转面剖视图的形状与所述耦合转子的缺凹的旋转面剖视图相啮合。

4.由权利要求1所述的发动机，其特征在于：所述活塞上装有活塞环，用以提高施压区的密封性和改善活塞与圆环缸体之间的润滑。

5.由权利要求1所述的发动机，其特征在于：所述耦合转子由机械正时齿轮控制运转，也可以由其它方式控制运转。

6.由权利要求1所述的发动机，其特征在于：所述耦合转子由另外一个圆环缸体替代，所述替代圆环缸体与所述圆环缸体同样具有转动盘，与转动盘联结成转动体的活塞、喷射装置、点火装置、排汽装置，以及同样的圆环形空腔。所述替代圆环缸体和所述圆环缸体的活塞长度足够长，以使所述圆环缸体输出动力时，所述替代圆环缸体的活塞起耦合转子的作用；所述替代圆环缸体输出动力时，所述圆环缸体的活塞起耦合转子的作用。

7.由权利要求6所述的发动机，其特征在于：所述替代圆环缸体的转动盘与所述圆环缸体的转动盘之间由机械正时齿轮联动。

8.由权利要求1和6所述的发动机，其特征在于：所述发动机可以是单个圆环缸体形式，也可以是多个圆环缸体共轴组成。多个圆环缸体组合时，其中部分数量的圆环缸体可以作为压缩空气的产生缸体，并向动力输出的圆环缸体提供压缩空气。

9.由权利要求8所述的发动机，其特征在于：所述发动机可以有多个圆环缸体向机构输出动力。每个输出动力的圆环缸体的活塞，在同一时刻处于不同的相互补偿的受力位置。

10.由权利要求1所述的发动机，其特征在于：所述喷射装置向圆环形空腔内喷射燃烧介质和压缩空气，喷射装置和点火装置位于耦合转子附近的施压区一侧，所述排汽装置位于耦合转子附近的卸压区一侧。