CN104047711B - 齿轮式转子发动机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种齿轮式转子发动机，包括具有圆柱形空腔的定子、具有至少两个轮齿的齿轮式转子、输出轴、拨板和启动系统，所述转子通过输出轴固定于定子内部，所述至少两个轮齿作为旋转活塞，使至少两个轮齿之间与定子之间形成至少两个封闭的气缸；在定子的内侧壁上、间隔分布有少于或等于气缸数目的启动系统，每个启动系统进一步包括排气口、燃料供给系统和点火系统，在排气口与燃料供给系统和点火系统之间设有所述拨板；启动系统开启时，拨板将排气口与燃料供给系统和点火系统隔开，燃料燃烧膨胀做工，推动所述至少两个轮齿转动并通过输出轴输出动能，燃料燃烧后的废气由排气口排出。该发动机的结构简单，能量转化效率高，震动噪音小，油耗低。

Description

齿轮式转子发动机

技术领域

本发明涉及一种动力设备及热工设备领域，尤其涉及一种齿轮式转子发动机。

背景技术

发动机是一种能够把其它形式的能转化为机械能的动力输出装置，其主要应用于车辆、飞机、船舶等领域，迄今应用广泛的发动机主要包括往复活塞式发动机和三角转子发动机，其中：

往复活塞式发动机：该种发动机在实际生活中的应用较为普遍，其主要是利用空气、燃油混合气燃烧产生压力，且该压力保存在气缸中，驱使活塞运动，并通过连杆和曲轴将活塞的来回运动转换成为汽车提供动力的旋转运动。然而，在现有技术中，其主要存在如下问题：

(1)发动机结构复杂，包括活塞、曲轴、连杆等往复运动部件，其自身重量大，因此造成能量消耗多；

(2)发动机中的曲轴与连杆进行动力输出时，其部件活塞接近上下止点时的有效力臂很小，因此能量转化率较低；

(3)发动机中的活塞主要做往复式运动，其引起的震动噪音较大。

三角转子发动机(又称汪克尔型转子发动机)：在三角转子发动机中，燃烧产生的压力保存在壳体和三角形转子(在该发动机中用来代替活塞)构成的密封室中。转子的行进路径与呼吸测量仪产生的轨迹类似，转子的顶点与壳体接触，从而形成三个独立的气室，转子不停地围绕燃烧室运动，三种体积的气体交替膨胀和收缩，这种膨胀和收缩将空气和燃料吸入发动机，然后对此混合气体进行压缩，并在气体膨胀时生成有用的动力，最后排出废气。其主要存在如下问题：

(1)该发动机内部的三角型转子偏心转动产生的震动噪音较大；

(2)转子发动机燃烧室的形状不利于完全燃烧，其内部的火焰传播路径较长，使得燃油和机油的消耗相对较大；

(3)转子发动机的加工制造技术高，成本比较贵，推广困难。

因此，如何解决现有技术中发动机结构复杂，能量转化效率低、震动噪音大和耗油多的问题，已成为当今人们亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种齿轮式转子发动机，该发动机的结构较为简单，能量转化效率高，震动噪音小，油耗低。

本发明的技术方案为：

一种齿轮式转子发动机，包括具有圆柱形空腔的定子、具有至少两个轮齿的齿轮式转子、输出轴、拨板和启动系统，其中，

所述转子通过所述输出轴固定于所述定子内部，所述至少两个轮齿作为旋转活塞，使所述至少两个轮齿之间与所述定子之间形成至少两个封闭的气缸；

在所述定子的内侧壁上、间隔分布有少于或等于气缸数目的启动系统，每个所述启动系统进一步包括排气口、燃料供给系统和点火系统，在所述排气口与所述燃料供给系统和点火系统之间设有所述拨板；

所述启动系统开启时，所述拨板将所述排气口与所述燃料供给系统和点火系统隔开，燃料燃烧膨胀做功，推动所述至少两个轮齿转动并通过所述输出轴输出动能，所述燃料燃烧后的废气由所述排气口排出。

进一步地，相邻的两个气缸做功、排气为交替进行。

进一步地，所述气缸为偶数个时，每两个所述气缸对称设置，并同时做功；所述气缸为奇数个时，每个所述气缸等间距分布，并同时做功。

进一步地，所述转子与所述定子同轴设置，且所述转子的上、下端面和侧部的轮齿均抵靠于所述定子的内壁上。

进一步地，所述燃料供给系统包括喷油嘴、气门顶杆和进气口，所述点火系统包括火花塞。

进一步地，沿所述定子内侧壁的轴向均匀且间隔分布有容置所述拨板的容纳槽，所述燃料供给系统和点火系统设置在所述容纳槽内，在所述容纳槽的侧开口处设有与所述拨板的固定端连接的固定轴，所述轮齿离开所述容纳槽所在位置时，所述进气口开启并向气缸内冲入压缩气体，所述压缩气体推动所述拨板的自由端脱出所述容纳槽，并抵于所述转子的法面上与其前方的轮齿形成做功区。

进一步地，所述定子包括上端盖和下端盖，所述上端盖和下端盖与每个所述拨板的相对处对应设有窄于所述齿槽横截面的限位槽，所述拨板的下端抵靠在所述下端盖的限位槽内，所述拨板的上端顶靠在所述上端盖的限位槽内，所述限位槽限制所述拨板移出所述限位槽。

进一步地，所述拨板为弧形面板，所述拨板绕固定轴转动而扫过的区域的形状与所述限位槽的形状相适配。

进一步地，所述轮齿的形状为鲨鱼鳍状。

进一步地，所述转子的上、下端面和法面与所述定子间设有转子密封件，所述拨板的上、下端和侧端与所述定子之间设有拨板密封件。

与现有技术相比，本发明所提供的一种齿轮式转子发动机，达到了如下的技术效果：

1、本发明所提供的发动机，没有压缩冲程，而是以旋转的部件(转子)与输出轴同轴相连实现能量转换，其有效力臂较大，且其包含部件少，减少了发动机在运行时因往复运动承载部件的重量所消耗的能量，具有大扭矩、能量转换效率高的优点。

2、本发明所提供的发动机中的转子为齿轮式的旋转部件，并置于定子中，其形状规则。转子齿数为偶数时，在转子的同一径向上相对设有两个气缸，并同时做功，该两个气缸产生的推力大小相等，方向相反，可以相互抵消偏心力矩。转子齿数为奇数时，各齿在圆周上均匀分布。全部汽缸同时以相同参数做功，也可以相互抵消偏心力矩，从而减小偏心震动和降低噪音。

3、本发明所提供的发动机，由转子置于定子中形成多个气缸，该多个气缸并联运行，当定子上的点火系统数量少于转子上的轮齿数量时，可实现相邻的两个气缸做功、排气可以交替进行，从而实现动力的不间断输出。

4、本发明所提供的发动机，在动力需求较小时，可关闭部分气缸，不影响发动机平稳运行，并且比活塞式发动机更容易实现快速启停，有效的节约了能源。

5、本发明所提供的发动机，其结构简单，生产、维护方便，比活塞式发动机更易于微型化。

附图说明

图1为本发明实施例一所提供的发动机移去上端盖的结构示意图；

图2为本发明实施例一所提供的发动机的上端盖的结构示意图；

图3、4、5、6为本发明实施例二所提供的发动机移去端盖后，转子转至四个不同位置时的俯视图；

图7为本发明实施例三所提供的发动机移去端盖后，开启两个气缸的俯视图；

图8为本发明实施例三所提供的发动机移去端盖后，开启六个气缸的俯视图；

图9、10为本发明实施例四所提供的发动机移去端盖后，转子转至二个不同位置时的俯视图。

具体实施方式

本发明提供一种齿轮式转子2发动机，属于内燃式发动机，其材质优选为铸铁或铸铝等。如图1-2所示，在结构上，该发动机主要包括定子1、转子2、输出轴3和拨板4；其中，上述的定子1外部形状例如但不限于为正六角柱形或圆柱形等，在定子1的内部具有用于容置转子2和输出轴3的圆柱形空腔，在定子1的上、下端还分别设有上端盖11和下端盖12，上、下端盖11、12与定子1之间采用螺杆紧固，以使定子1内部的空腔形成一个封闭的腔体。

上述的转子2为齿轮式转子，该转子2包括轮齿21和相邻两个轮齿间形成的齿槽22，其中，轮齿21至少为两个，作为旋转活塞，优选地，各轮齿之间为等间距分布，参阅图1，转子具有六个轮齿21，且各轮齿21均匀分布，轮齿21的形状相同，优选为鲨鱼鳍状。进一步地，转子2与输出轴3相连接并固定于定子1的空腔中，且该转子2的上、下端面和侧部的轮齿21均抵靠于定子1的内壁(包括内侧壁、内底壁和内顶壁)上，以使转子2的齿槽22(即相邻两个轮齿21之间)与定子1之间形成封闭的气缸5。

在沿定子1内侧壁的轴向、间隔分布有少于或等于气缸5数目的启动系统，该启动系统包括排气口61、燃料供给系统和点火系统，燃料供给系统进一步包括喷油嘴62和进气口、气门顶杆63，点火系统进一步包括火花塞64。

沿定子1内侧壁的轴向设有与启动系统数目相同的、用于容置拨板4的容纳槽7；优选地，容纳槽7与气缸5数目相等，各容纳槽7之间为均匀且间隔设置。在容纳槽7内设置有上述的燃料供给系统和点火系统。在容纳槽7的侧开口处设有固定轴8，该固定轴8用于固定拨板4，具体他，拨板4为弧形面板，在其容置于容纳槽7时，刚好与其临近的定子的内侧壁形成光滑的弧面，以使转子2可转过拨板；拨板4进一步包括固定端41和自由端42，其中，拨板4的固定端41与固定轴8连接，以使拨板4可绕固定轴8转动，此时，燃料供给系统和点火系统位于拨板4的同一侧，在拨板4的另一侧、且在定子1的侧壁上设置有排气口61。

在发动机做功时，上述拨板4的自由端42抵在转子2的法面上，以使拨板4将排气口61与燃料供给系统和点火系统隔开，特别地，拨板4隔开的两个区域间的气体无法交换。为了使拨板4将气缸5分隔呈两个互相独立的区域，且使拨板4在一定的范围内运动，在上、下端盖11、12上、与每个拨板4的相对处、对应设有窄于齿槽22横截面的限位槽111、121，限位槽111和限位槽121的个数均与拨板4相同，其形状优选为与拨板4绕固定轴8转动而扫过的区域的形状相适配。拨板4的下端抵靠在限位槽121上，其上端顶靠在限位槽111内，由于拨板4仅能在该限位槽111、121内运动，因此，限位槽111可限制拨板4移出限位槽111、121。

优选地，为了使转子2、定子1和拨板4之间具有良好的密封性，转子2的上、下端面和法面上与定子间均设有转子2密封件，拨板4的上、下端和侧端与定子之间均设有拨板4密封件(图中未示出)。

需要说明的是，上述的发动机所需要的润滑系统、散热系统、电气系统、供油系统和进排气系统等均采用现在技术，在此不再赘述。

本发明中发动机的运行原理为：当轮齿21刚好转过并离开容纳槽7时，启动系统开启，气门顶杆63控制进气口打开，气缸5内冲入压缩空气，压缩空气的推力推动拨板4的自由端42脱离容纳槽7，并抵于转子2的法面上，将排气口61与燃料供给系统和点火系统隔开，并且拨板4与其前方的轮齿21形成做功区，此时，喷油嘴62和火花塞64开启，燃料燃烧膨胀做功并推动转子2转动，而后转子2通过输出轴3输出动能；进一步地，上述的转子2转动，可推动拨板4绕固定轴8转至容纳槽7内，拨板4置于容纳槽时，拨板4与其相邻的定子1侧壁形成平滑的弧面，以使转子2能够转过拨板4，不受阻碍。此外，转子2在转动的过程中，能够将气缸5内燃料燃烧后的废气带至其前方的排气口61(以转子2转动的方向定为前方)处排出。

特别地，在上述的实施例中，由于发动机的气缸5在排气过程中是不做功的，因此，其在排气过程中存在一定时间的动力间断。为了实现发动机的动力不间断的输出，本发明所提供的发动机优选采用相邻两气缸为连续做功的运行方式，即，使该相邻的两个气缸做功、排气为交替进行，因此，保障了气缸动力的实时输出，实现了动力的不间断输出。

在另一个具体的实施例中，如图3-6所示，该发动机的定子的外部形状为正六角柱形，内腔为圆柱形。其具有6个均匀且间隔分布的启动系统和6个均匀且间隔分布的的气缸5，每两个气缸5之间的夹角为60度，该6个气缸5同时做功、同时排气。具体地，参阅图3，为转子2的轮齿21已经转过容纳槽7所在位置且其并未转动至位于容纳槽7前方的排气口61所在位置(以转子2的转动方向为前方)，此时，每个气缸5内均对应有一个启动系统，拨板4与其前方的轮齿21形成做功区，燃料供给系统和点火系统处于开启状态，燃料燃烧膨胀做功推动轮齿21沿逆时针方向旋转。参阅图4，轮齿21逆时针转动并转过其前方设置的排气口61所在位置，气缸5内燃料燃烧后的废气由排气口61处排出，与此同时，轮齿21转动推动拨板4绕固定轴8转动，并使拨板4的自由端42朝向容纳槽7运动。参阅图5，启动系统关闭，拨板4在轮齿21的推动下进入容纳槽7中，此时拨板4与其相邻的定子1侧壁形成平滑的弧面，以使转子2能够无阻碍地转过拨板4所在位置。参阅图6，轮齿21转过容纳槽7，启动系统开启，进气口打开，压缩空气进入气缸5并推动拨板4的自由端42脱离容纳槽7，使拨板4的自由端42抵于转子2的法面上，将排气口61与燃料供给系统和点火系统隔开，喷油嘴62和火花塞64开启，燃料燃烧膨胀做功，形成发动机的下个一工作循环。

在上述实施例的发动机中，由于6个气缸为均匀且间隔分布，每两个气缸5之间的夹角为60度，因此输出轴3每旋转60度，发动机完成一个工作循环，由于6个缸体同时做功，同时排气，所以当输出轴旋转720度时，发动机共做功72次。而传统的活塞式6缸发动机为，活塞式发动机中的输出轴每旋转720度，6个缸各做功一次，因此本发明的6缸发动机与活塞式6缸发动机相比，当转轴旋转相同角度时，其做功次数增加了12倍。

在第三个具体地的实施例中，如图7所示，该发动机的定子的外部形状为正六角柱形，内腔为圆柱形。该发动机具有六个气缸5，此时外界的动力需求不大，因此，在区域I、I’、III、III’处的启动系统始终处于关闭状态，由区域II与II’处的气缸5进行做功和排气，以实现动力输出。具体地，在区域II与II’处，转子2的齿轮已离开容纳槽7，此时，该处的气门顶杆63控制进气口打开，气缸5内冲入压缩空气，压缩空气的推力使拨板4脱出容纳槽7，当拨板4的自由端42抵于转子2的法面上时，喷油嘴62喷油，火花塞64点火，燃料燃烧膨胀做功，产生推力使转子2逆时针转动，并通过输出轴3输出动能，实现了发动机的动力输出。

特别地，区域I与I’处的气缸5、II与II’处的气缸5、区域III与III’处的气缸5分别为一组，每组气缸5对称设置，即位于同一直线上，并且每组气缸5的启动系统同时启动，同时关闭，以实现气缸5的同时做功、同时排气，由于每组气缸5产生的推力大小相等，方向相反，因此同组内的两个气缸可以相互抵消多余的偏心力矩，从而减小震动和噪音。如果动力需求大，如图8所示，六个区域处的气缸5可以同时打开，以增大功率。

在第四个具体实施例中，如图9-10所示，该发动机的定子的外部形状为正六角柱形，内腔为圆柱形。该发动机共具有四个启动系统，该四个启动系统等间距的分布在定子1的内侧壁上，转子2具有6个轮齿21和6个齿槽22，其中每个轮齿21的形状形同、并均匀的设置在转子2的本体上。

具体地，进一步参阅图9，区域II与II’处，转子2的轮齿216、213分别位于拨板41、43的后方(以转子2转动的方向为前方)，即轮齿216、213还未转动至拨板41、43所在位置，此时，轮齿216、213与其前方的拨板41、43之间为排气区；特别地，拨板41、43与其前方的轮齿211、214为做功区。进一步地，区域I与I’处，轮齿212、215分别位于拨板42、44的前方,即轮齿已转过拨板拨板42、44所在位置，此时，轮齿212、215与其前方的拨板42、44为做功区；特别地，拨板42、44与其后方的轮齿211、214为排气区。该发动机相邻两个气缸间的做功和排气是交替设置。

进一步参阅图10，转子2在做功区燃料燃烧膨胀做功的推动下，逆时针转动，因此，区域II与II’处，转子2的轮齿216、213已转过拨板41、43，即其位于拨板41、43的前方，此时，该处的气门顶杆63控制进气口打开，气缸5内冲入压缩空气，压缩空气的推力使拨板41、43脱出容纳槽7，当拨板41、43的自由端抵于转子2的法面上，轮齿216、213分别与拨板41、43之间形成做功区，喷油嘴62喷油，火花塞64点火，燃料燃烧膨胀做功，推动转子转动，特别地，拨板41、43与其后方的轮齿215、212之前形成排气区。区域I与I’处，轮齿212、215位于拨板42、44的前方，此时，轮齿212、215与其前方的拨板42、44为做功区；特别地，拨板42、44与其后方的轮齿211、214为排气区。因此，该发动机在转动中，其相邻两个气缸间的做功和排气仍是交替设置。

综上，该发动机在运行过程中，始终保持做功和排气是交替运行的，因此实现了该发动机的动力输出的不间断。然而，该发动机在转子2转动720度，汽缸的做功次数为48次，相对具有6缸的发动机其产生的功率相对较小，其适合安装在动力需求相对较小的车辆或机械设备上。

值得注意的是，以上所述仅为本发明的较佳实施例，并非因此限定本发明的专利保护范围，本发明还可以对上述各种零部件的结构进行等效的改进。故凡运用本发明的说明书及图示内容所作的等效结构变化，或直接或间接运用于其他相关技术领域均同理皆包含在本发明所涵盖的范围内。

Claims (10)

1.一种齿轮式转子发动机，其特征在于：包括具有圆柱形空腔的定子、具有至少两个轮齿的齿轮式转子、输出轴、拨板和启动系统，其中，

所述转子通过所述输出轴固定于所述定子内部，所述至少两个轮齿作为旋转活塞，使所述至少两个轮齿之间与所述定子之间形成至少两个封闭的气缸；

在所述定子的内侧壁上、间隔分布有少于或等于气缸数目的启动系统，每个所述启动系统进一步包括排气口、燃料供给系统和点火系统，在所述排气口与所述燃料供给系统和点火系统之间设有所述拨板；

所述启动系统开启时，所述拨板将所述排气口与所述燃料供给系统和点火系统隔开，燃料燃烧膨胀做功，推动所述至少两个轮齿转动并通过所述输出轴输出动能，所述燃料燃烧后的废气由所述排气口排出。

2.根据权利要求1所述的齿轮式转子发动机，其特征在于：相邻的两个气缸做功、排气为交替进行。

3.根据权利要求1所述的齿轮式转子发动机，其特征在于：所述气缸为偶数个时，每两个所述气缸对称设置，并同时做功；所述气缸为奇数个时，每个所述气缸等间距分布，并同时做功。

4.根据权利要求1-3中任一所述的齿轮式转子发动机，其特征在于：所述转子与所述定子同轴设置，且所述转子的上、下端面和侧部的轮齿均抵靠于所述定子的内壁上。

5.根据权利要求4所述的齿轮式转子发动机，其特征在于：所述燃料供给系统包括喷油嘴、气门顶杆和进气口，所述点火系统包括火花塞。

6.根据权利要求5所述的齿轮式转子发动机，其特征在于：沿所述定子内侧壁的轴向均匀且间隔分布有容置所述拨板的容纳槽，所述燃料供给系统和点火系统设置在所述容纳槽内，在所述容纳槽的侧开口处设有与所述拨板的固定端连接的固定轴，所述轮齿离开所述容纳槽所在位置时，所述进气口开启并向气缸内冲入压缩气体，所述压缩气体推动所述拨板的自由端脱出所述容纳槽，并抵于所述转子的法面上与其前方的轮齿形成做功区；该转子包括轮齿和相邻两个轮齿间形成的齿槽。

7.根据权利要求6所述的齿轮式转子发动机，其特征在于：所述定子包括上端盖和下端盖，所述上端盖和下端盖与每个所述拨板的相对处对应设有窄于所述齿槽横截面的限位槽，所述拨板的下端抵靠在所述下端盖的限位槽内，所述拨板的上端顶靠在所述上端盖的限位槽内，所述限位槽限制所述拨板移出所述限位槽。

8.根据权利要求7所述的齿轮式转子发动机，其特征在于：所述拨板为弧形面板，所述拨板绕固定轴转动而扫过的区域的形状与所述限位槽的形状相适配。

9.根据权利要求8所述的齿轮式转子发动机，其特征在于：所述轮齿的形状为鲨鱼鳍状。

10.根据权利要求9所述的齿轮式转子发动机，其特征在于：所述转子的上、下端面和法面与所述定子间设有转子密封件，所述拨板的上、下端和侧端与所述定子之间设有拨板密封件。