CN103452654A - 圆环涵道转子发动机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种新型发动机，其结构包括：圆环涵道缸体、螺旋筋板、转动盘、耦合转子、喷射装置、点火装置、排汽装置、吸空气装置、压缩空气输送装置。其中圆环涵道缸体是一个有圆环形空腔的固定缸体，空腔的轴面剖视图为圆形。转动盘将圆环形空腔分隔成两个封闭的圆环形空腔，两条螺旋筋板分别位于两个封闭的圆环形空腔的圆弧面，并与圆环涵道缸体联成一体。耦合转子安装在转动盘上并位于圆环形空腔内。耦合转子的外圆与圆环形空腔内表面相接触，其转动轴线垂直于转动盘转动轴线并与圆环形空腔的圆环轴线相切。耦合转子上开有耦合槽，螺旋筋板可以穿过耦合槽，耦合转子随转动盘转动时，螺旋筋板与耦合槽的滑动啮合推动耦合转子围绕自身转动轴线自转。

Description

圆环涵道转子发动机

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功率的降低。

附图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。曲线ef为吸入空气，曲线fg为压缩空气，曲线ghi为燃烧做功，ie为排出废汽。在其中的ghi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。此时的作功效率最大或扭矩输出的功率最高，因此得出图2所示的输出轴旋转一周的扭矩变化曲线l₁。

图1所示的ghi曲线段在靠近燃烧室的上止点前后，缸内压力的瞬时值巨大，这就对缸体的密封性能要求很高，否则将对扭矩产生极不利的影响。

针对上述不足，本发明提供了一种优秀的技术方案，不仅具有往复式活塞发动机的简单可靠、重量轻、体积小的特点，也具有涡轮风扇发动机和燃汽轮机的高转速、高扭矩和大功率，同时可最大限度地将燃烧介质的能量转化为输出功率，其特点将更加节能，更加环保。关于本发明专利叙述中的名词解释：

1.转动轴线：转动体或旋转空间的转动轴线。如图3和图4中的转动轴线O。

2.轴面剖视图：与转动轴线相重合的平面上剖切所得的视图。如图3所示。

3.旋转面视图：与转动轴线相垂直的平面上投影所得的视图。如图5所示。

4.圆环轴线：轴面剖视图为圆形的三维体，其圆的环绕轴线，如图3和图5中的轴线Q。

发明内容：

本发明涉及一种新型发动机，其结构主要包括：圆环涵道缸体、螺旋筋板、转动盘、耦合转子、喷射装置、点火装置、排汽装置、吸空气装置、压缩空气输送装置。其中圆环涵道缸体是一个有圆环形空腔的固定缸体，空腔的轴面剖视图为圆形。转动盘将圆环形空腔分隔成两个封闭的圆环形空腔，两条所述螺旋筋板分别位于两个封闭的圆环形空腔的圆弧面，并与圆环涵道缸体联成一体。耦合转子安装在转动盘上并位于圆环形空腔内。耦合转子的外圆与圆环形空腔内表面相接触，其转动轴线垂直于转动盘转动轴线并与圆环形空腔的圆环轴线相切。耦合转子上开有耦合槽，螺旋筋板可以穿过耦合槽，耦合转子随转动盘转动时，螺旋筋板与耦合槽的滑动啮合推动耦合转子围绕自身转动轴线自转。两条螺旋筋板分别沿两个圆环形空腔的圆弧面分布，使得耦合转子随转动盘以均匀转速公转时，耦合转子围绕自身转动轴线以均匀转速自转。

两个封闭的圆环形空腔的一个作为动力输出缸体，另一个则作为压缩空气产生缸体。每个封闭的圆环形空腔被各自的螺旋筋板和耦合转子分隔为压力区和非压力区。动力输出缸体的螺旋筋板从转动盘的小直径处与耦合转子上的耦合槽啮合，旋转到转动盘大直径处脱离啮合。压缩空气产生缸体的螺旋筋板从转动盘大直径处与耦合转子上的耦合槽开始啮合，旋转到转动盘小直径处脱离啮合。动力输出缸体由小直径处形成压力区，压力区被充满压缩空气和燃烧介质，燃烧膨胀后产生的压力作用在螺旋筋板和耦合转子上，推动耦合转子在圆环形空腔内围绕转动盘转动轴心转动，从而带动转动盘转动向机构输出动力，并在大直径处排出废汽，压缩空气产生缸体由大直径处吸入空气，然后被耦合转子向小直径方向压缩，使得压力区不断缩小，空气不断被压缩，达到一定压缩比后，再通过压缩空气输送装置向动力输出缸体输出压缩空气。喷射装置、点火装置位于动力输出缸体的小直径处，排汽装置位于动力输出缸体的大直径处，吸空气装置和压缩空气输送装置分别位于压缩空气产生缸体的大直径处和小直径处。压缩空气输送装置包含压力控制装置，压缩空气暂存装置以及管路等。通过改变压力控制装置的压力设定值和动力输出缸体在点火之前的压力区体积，可以改变压缩空气的压缩比。螺旋筋板上装有筋板环，耦合转子上装有转子环，用以提高压力区的密封性。发动机可由一个或多个圆环涵道缸体组成，当由多个圆环涵道缸体组成时，每个缸体内的耦合转子在同一时刻处于不同的相互补偿的受力位置。

本发明涉及的发动机，耦合转子围绕转动盘转动轴心连续圆周转动，耦合转子受燃烧介质燃烧膨胀产生的压力直接是输出轴的扭力，如附图2所示的扭矩曲线l₂，曲线下方的覆盖面积为输出扭矩。动力输出缸体所承受的压力及最高温度都大幅降低，压力范围可以降到1500～2000kpa，而其输出扭矩却因作功行程长而增大，同时在耦合转子旋转2周720°范围内，存在两次同时发生的作功行程。见图中所示曲线l₃，因此，与现有技术相比其效率要更高。

整个系统没有曲轴、平衡轴、活塞及推杆，因此，无与此相关的润滑，支承机构变得简单，其重心大幅降低且无转动死角。在高转速条件下，机构噪音小、震动轻微，工作稳定性好，可靠性高，在同等扭矩输出条件下，比直线往复活塞发动机节约20％～50％的燃烧介质。

附图说明：

图1现有直线往复式活塞发动机扭矩图

图2本发明实施例之一与直线往复式活塞发动机对比的扭矩图

图3本发明实施例之一的剖视图

图4图3所示实施例转动盘示图

图5图3所示实施例的工作原理简图

图6装有转子环的实施例的局部剖视图

图7装有筋板环的实施例的局部剖视图

图8多缸体组合的实施例工作原理简图

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，图示只是用简明的方式对本发明实施例予以说明。

图3显示了本发明实施例之一的轴面剖视图，图4显示了转动盘和耦合转子组合体的三维视图。其结构包括圆环涵道缸体GT、螺旋筋板LJ和LJ′、转动盘P、耦合转子C以及喷射装置和点火装置PF、排汽装置PZ、吸空气装置XM、压缩空气输送装置XP，以及这些装置的位置。圆环涵道缸体GT是一个有圆环形空腔的固定缸体，其圆环形空腔的轴面剖视图形状为圆形，转动盘P将圆环形空腔分割成两个封闭的圆环形空腔K和K′，两条螺旋筋板LJ和LJ′分别位于两个封闭的圆环形空腔K和K′的圆弧工作面，并与圆环旋转缸体GT联结成一体。图4所示耦合转子C安装在转动盘P上，并位于圆环涵道缸体GT的圆环形空腔内，耦合转子C的外圆与圆环旋转缸体GT的圆环形空腔内表面相接触，其转动轴线与转动盘转动轴线相垂直，并与圆环形空腔的圆环轴线Q相切。耦合转子C上开有耦合槽，螺旋筋板LJ和LJ′可以分别穿过两个耦合槽，耦合转子C随着转动盘P围绕轴线0转动时，螺旋筋板LJ和LJ′与耦合转子C的耦合槽发生滑动啮合，并推动耦合转子C围绕自身转动轴线自转。螺旋筋板LJ和LJ′分别沿两个封闭圆环形空腔K和K′的圆弧面lmn和l′m′n′分布，使得耦合转子C随转动盘P以均匀速度公转时，耦合转子C因耦合槽与螺旋筋板LJ和LJ′的滑动啮合而围绕自身转动轴线以均匀转速自转。

封闭的圆环形空腔K为动力输出缸体，K′为压缩空气产生缸体。每个封闭的圆环形空腔被各自的螺旋筋板和耦合转子C分隔为压力区和非压力区。图3所示的l、n和l′、n′，分别是圆环形空腔K和K′圆弧工作面的转动盘P的大直径点位和小直径点位，m和m′为平均直径点位。作为动力输出缸体K的螺旋筋板LJ，从小直径n点位与耦合转子C的耦合槽开始滑动啮合，到达大直径l点位时脱离啮合，也就是图示的耦合转子C顺时针方向旋转。作为压缩空气的产生缸体K′的螺旋筋板LJ′，则从大直径l′点位与刚刚与螺旋筋板LJ′脱离啮合的耦合槽开始啮合，到达小直径n′点位时脱离啮合。

喷射和点火装置PF、排汽装置PZ分别位于动力输出缸体K的小直径处和大直径处。吸空气装置XM和压缩空气输送装置XP分别位于压缩空气产生缸体K′的大直径处和小直径处。因此，动力输出缸体K从小直径处开始形成压力区，压力区在充满压缩空气和燃烧介质后燃烧膨胀，产生的压力作用在耦合转子C上，推动耦合转子C在圆环形空腔内围绕转动盘P的轴心转动，从而带动转动盘向机构输出动力，并在大直径处排出废汽。压缩空气产生缸体K′从大直径处吸入空气，然后被耦合转子C向小直径方向压缩，使压力区不断缩小，空气不断被压缩，达到一定压缩比后，通过XP向动力输出缸体K输出压缩空气。

为了说明上述过程，用图5显示了螺旋筋板LJ和LJ′在圆环形空腔K和K′的圆弧工作面lmn和l′m′n′上沿周向展开一周的平面图。尽管空间的半圆弧面展开为一个圆形的平面会失去精确性，但可简明地显示其工作原理。图5-1所示，螺旋筋板LJ的起始端位于小直径的11点位，耦合转子C围绕轴线0顺时针方向旋转，其耦合槽从11点位与螺旋筋板LJ开始啮合，当耦合转子C转过1/4周，其耦合槽达到13点位时，压力区为11-12-13三个点之间的p区，12-13弧线是lmn弧线长度的1/4，耦合转子C转过1/2周，其耦合槽到达15点位时，压力区增加12-13-14-15四点之间的q区。耦合转子C转过3/4周，其耦合槽到达17点位时，压力区增加14-15-16-17四点之间的r区，耦合转子C转过一周，其耦合槽到达18点位时，压力区增加16-17-18-11四点之间的s区。14-15、16-17、11-18分别是lmn长度的1/2、3/4及全长。如耦合转子C转到15点位开始点火，则p、q区为压缩空气及燃烧介质喷入的区域，将11-18-13-19、13-19-15-20、15-20-17-21、17-21-18分别称为t、u、v、w区，则除p、q两个区域外，耦合转子C所经过的其它6个区r、s、t、u、v、w均为动力输出区，从p区逐步到s区，不仅是受力半径逐步变大的区域，也是耦合转子C受力面积逐步变大的区域。因此，从r到s的180°范围内，扭矩输出也非常流畅，且流畅性渐大。到耦合转子C转到t区时，耦合槽与螺旋筋LJ脱离啮合，同时耦合转子C的另一个耦合槽开始转到11点位，又与螺旋筋板LJ的起始端进入啮合状态，与本次循环相同，从11→13→15开始下一次点火。因此，当耦合转子C转到20点位时，下一个燃烧膨胀作功状态同时进行。前面提到的耦合转子C从11点位开始循环之时，本次的上一个工作循环已进入到t区和u区，因此不包括p、q区，每个作功循环都有近1^1/4至1^1/2周，也就是450°～540°的工作行程，到w区时已进入膨胀的尾期。在2周720°的旋转行程中，有360°的行程是两个燃烧膨胀作功同时进行。在耦合转子C的压力区一侧作功的同时，另一侧逐步变为非压力区，同时在排出废汽。这无需专门的排汽行程，因此与直线往复式活塞发动机相比，本实施例具有很高的效率和输出扭矩，这也是本发明与现有技术相比节约燃烧介质的一个重要原因。

图5-2为压缩空气产生缸体的螺旋筋板LJ′在圆弧工作面l′m′n′上的展开平面图。图示耦合转子C的耦合槽从18′点位开始与螺旋筋板LJ′的起始端啮合，依次旋转经过w′、v′、u′、t′、s′、r′、q′、p′各区。一方面，耦合转子C的非压力区一侧不断吸入空气，另一方面，耦合转子C的压力区一侧不断将上次吸入的空气压缩，随着压力区的缩小，空气的压缩比不断提高，压缩空气对耦合转子C的旋转阻力增大，但是从w′区到q′和p′区，是一个半径逐步减小的过程，尤其进入s′区后耦合转子C的受力面积迅速减小，因此，在无需增加扭矩的情况下就可以获得很高的压缩比，这也是本发明的又一个特点所在。耦合转子C的耦合槽与螺旋筋板LJ′相啮合的过程与动力输出缸体相反，整个压缩的过程顺序与螺旋筋板LJ的作功过程相反。

压缩空气输送装置XP包含有压力控制装置，压缩空气暂存装置以及管路等。通过调节压力控制装置的压力设定值以及动力输出缸体在点火前的压力区体积，可以改变压缩空气的压缩比。

图6所示为耦合转子上装有转子环的实施例之一的转子轴面剖视图。其安装方式、使用原理与直线往复式活塞发动机的活塞环相同，不再一一赘述。

图7所示为螺旋筋板上装有筋板环的实施例的轴面局部剖视图。图示筋板环安装在螺旋筋板的凹槽中，螺旋筋板与筋板环之间装有弹簧板，以使筋板环一直保持与转动盘P的接触，上述转子环和螺旋筋板环都是用以提高压力区的密封性能的。

图8显示了一种多缸组合的发动机的工作示意图。为了简明显示其工作方式，图示采用了在同一时刻每个缸体的耦合转子在各自圆环涵道缸体的圆环形空腔工作面上的展开平面图。其表示方式与图5相同。图8显示了三个圆环涵道缸体的同轴组合之中的三个动力输出缸体的耦合转子的工作状态。图示的阴影部分为各自压力区在某个同一时刻的范围，三个缸体中的耦合转子相互错位120°，处于不同的相互补偿的受力位置，使得动力输出平稳连续。

关于喷射装置、点火装置、排汽装置、吸空气装置、压缩空气输送装置及其压力控制装置、压缩空气暂存装置、输送管路、还有密封装置、润滑系统、燃烧介质的供应系统、冷却系统、起动系统等等，本领域的技术人员均已知晓，并在本领域广泛应用，不再在此一一赘述。

本发明所涉及的发动机，可以采用多种材料制造，例如各种金属材料、高强度合金材料以及陶瓷材料等等。

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 (8)

1.本发明涉及一种新型发动机，其结构包括：圆环涵道缸体、螺旋筋板、转动盘、耦合转子、喷射装置、点火装置、排汽装置、吸空气装置、压缩空气输送装置。

本发明所述发动机，其特征在于：所述圆环涵道缸体是一个有圆环形空腔的固定缸体，所述圆环形空腔的轴面剖视图形状为圆形；所述转动盘将所述圆环形空腔分隔成两个封闭的圆环形空腔，两条所述螺旋筋板分别位于两个所述封闭圆环形空腔的圆弧面，并与所述圆环涵道缸体联结成为一体。

所述耦合转子安装在转动盘上，位于所述圆环形空腔内，耦合转子外圆与所述圆环形空腔内表面相接触，其转动轴线与转动盘转动轴线垂直并与所述圆环形空腔的圆环轴线相切。耦合转子上开有耦合槽，螺旋筋板可以穿过耦合槽，耦合转子随转动盘转动时，螺旋筋板与耦合槽的滑动啮合推动耦合转子围绕自身转动轴线自传。

两条所述螺旋筋板分别沿两个所述封闭环形空腔的圆弧面分布，使得耦合转子随转动盘以均匀转速公转时，耦合转子因耦合槽与螺旋筋板的滑动啮合而围绕自身转动轴线以均匀转速自转。两个所述密闭圆环形空腔的一个作为动力输出缸体，另一个则作为压缩空气的产生缸体，每个所述封闭圆环形空腔被各自的螺旋筋板和耦合转子分隔为压力区和非压力区。

2.由权力要求1所述的发动机，其特征在于：所述动力输出缸体的螺旋筋板，从转动盘小直径处与耦合转子的耦合槽开始啮合，到达转动盘大直径处脱离啮合；所述压缩空气产生缸体的螺旋筋板，从转动盘的大直径处与耦合转子的耦合槽开始啮合，到达转动盘小直径处脱离啮合。

3.由权力要求2所述的发动机，其特征在于：所述动力输出缸体由小直径处形成压力区。压力区充满压缩空气和燃烧介质后燃烧膨胀产生的压力作用在耦合转子上，推动耦合转子在所述圆环形空腔内围绕转动盘转动轴心转动，从而带动转动盘转动向机构输出动力，并在大直径处排除废汽。所述压缩空气产生缸体由大直径处吸入空气，然后被耦合转子向小直径方向压缩，使得压力区不断缩小，空气不断被压缩，达到一定压缩比后，通过压缩空气输送装置向动力输出缸体输出压缩空气。

4.由权力要求2、3所述的发动机，其特征在于：所述喷射装置、点火装置位于动力输出缸体的小直径处，排汽装置位于动力输出缸体的大直径处；所述吸空气装置和所述压缩空气输送装置分别位于压缩空气产生缸体的大直径处和小直径处。

5.由权力要求2、3所述的发动机，其特征在于：所述压缩空气输送装置包含有压力控制装置、压缩空气暂存装置、以及管路等。

6.由权力要求5所述的发动机，其特征在于：通过改变压缩空气输送装置中的压力控制装置的压力设定值，以及动力输出缸体在点火之前的压力区体积，可以改变压缩空气的压缩比。

7.由权力要求1所述的发动机，其特征在于：所述螺旋筋板上装有筋板环，所述耦合转子上装有转子环。

8.由权力要求1所述的发动机，其特征在于：所述发动机可以是由一个圆环涵道缸体组成，也可以是由多个圆环涵道缸体组成。由多个圆环涵道缸体组成时，每个缸体内的耦合转子，在同一时刻处于不同的相互补偿的受力位置。

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