CN1040655A - 内外转子同心同向旋转式发动机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种内、外转子同心同向旋转式发动机。这种发动机的内、外转子、端盖及机架一部分围成几个封闭的发动机工作空间。内、外转子由一齿轮组传动，这个齿轮组中有一对卵形齿轮，起变速比传动的作用，内、外转子可作同心、同向、异转速的转动，发动机工作的空间的容积也作周期性的变化，从而完成发动机的进气、压缩、做功、排气四冲程。这种发动机的变容积机构，也可用于各种液(气)体的“抽压机”、液(气)动机。

Description

本发明涉及一种由包括卵形齿轮对在内的齿轮组传动的内、外转子及机架、端盖等部件组成的旋转式发动机。这种机构也可用于液（气）体“抽压机”、液（气）动机、热气机。

在公知的发动机中，最普遍使用的是活塞往复运动的发动机。它往复运动的杆件具有惯性力，限制了转速的提高。而且活塞由于偏磨现象易于磨损。结构尺寸也偏大，比功率较低，冷却系统也较复杂。一些主要的汽车生产国抱着巨大的热忱，耗费巨资研制旋转式发动机。首先在日本，已为轿车用大量生产“汪克尔发动机”，即三角旋转活塞发动机。虽然有明显的优点，例如传动机构，零件只进行回转运动，结构尺寸和重量小，转速范围大，无自由惯性力等，但是“汪克尔发动机”的旋轮线气缸壁制造困难，起动困难，油耗较大，有害物质排放过多。

本发明的目的是提供一种结构更简单、比功率大、易于密封、起动性能好、转速范围宽广的旋转式发动机。

先简述一下“汪克尔发动机”的构造原理。“汪克尔发动机”即三角旋转活塞发动机，其三角旋转活塞不仅绕三角形的中心旋转，而且三角形的中心又绕一固定轴线旋转，于是三角形活塞的三个顶点的运动轨迹为一旋轮线，这个三角形活塞置于横截面为旋轮线的气缸中，三角形活塞的三个顶点通过密封条与气缸内壁密贴，将气缸内的空间隔成三个密闭空间，当三角形活塞旋转时，这三个密闭空间的容积作周期性的变化。在密闭空间中充入油气混合物，并在密闭空间容积最小时，即油气混合物被压缩终了时，点燃油气混合物，则油气混合物达到高温高压，并膨胀做功，推动三角形旋转活塞旋转，并通过与三角形旋转活塞相联结的摆线针轮减速器，带动需要动力的机器的轴旋转。

下面结合附图对本发明所公布的风冷旋转式发动机作详细描述。

图1是本发明内外转子同心同向旋转式发动机的剖面图。

图2是图1的A-A剖面图。

图3是图1所示的发动机中的卵形齿轮对在空间中的位置、转向与发动机内、外转子活塞在空间中的位置、转向的对应关系的表示图。

图1所示的发动机中，内转子轴（22）、外转子壳（21）与机架（18）之间、齿轮箱箱体（24）之间，置有轴承（13）、（12）、（26）、（27）、（28），机架静止不动，内转子轴及用花键联结于它上面的内转子楔形活塞（2）、（4）一起组成了内转子。外转子壳（21）及与之铸为一体的外转子楔形活塞（1）、（3）组成了外转子。内、外转子可相对于机架转动，也能彼此相对转动。内外转子都是绕内转子轴的中心线转动的。内、外转子活塞（1）、（2）、（3）、（4）与外转子壳（21）内转子轴（22）、发动机端盖（10）及机架的一部分围出了四个封闭空间，为发动机的工作空间。内转子活塞环（9）、密封件（14）、（25）、（17）都是为工作空间的密闭性能而设的。卵形齿轮（7）键联结于内转子轴（22）上。卵形齿轮（8）和圆形齿轮（6）键联结于变速轴（11）上。变速轴（11）上配有轴承（19）、（20），置于机架上，变速轴（11）可相对于机架转动。圆形齿轮（5）键联结于外转子壳（21）上。（23）为齿轮箱上盖，（24）为齿轮箱箱体，我们称内转子的转动方向为正转，与之相反的转动方向为反转。当内转子轴正转时，带动齿轮（7）正转，与齿轮（7）啮合的齿轮（8）反转，带动变速轴（11）及齿轮（6）反转，与齿轮（6）啮合的齿轮（5）正转，带动外转子正转。其中卵形齿轮（7）、（8）是一对大小形状完全相同的卵形齿轮。齿轮（5）、（6）是一对直径、模数都相同的圆形齿轮。反之，内转子轴反转时，则带动齿轮（7）反转，齿轮（8）、（6）正转，齿轮（5）及外转子反转。综上所述，内、外转子的转动方向总是相同的。又由于互相啮合的卵形齿轮（7）、（8）起变速比传动的作用，内、外转子的转动的角速度之比时时在改变，于是发动机各个工作空间的容积也就时时在改变，形成一种变容积机构。

下面我们结合图3详细说明图1所示的旋转式发动机。

图3的第一横行诸图，表示卵形齿轮（7）、（8）在一周的转动中，当两卵形齿轮的啮合半径（由啮合点到齿轮中心的距离）相等时，两卵形齿轮的相对位置及转向。图3的第二横行诸图是发动机内、外转子活塞在与第一行对应的时刻的位置及转向。

卵形齿轮的节曲线方程为γ (a(1-e)²)/(1+eCOS₂θ) 。两齿轮的中心距A＝2a，γ为节曲线半径，e为离心率，0＜e≦ 1/3 时，节曲线为凸形，e的具体数值可由设计者视其需要而定。我们采用的是二支卵形齿轮，卵形齿轮（7）、（8）的大小、形状完全相同，其设计、制造较简单。卵形齿轮可由数控插齿机YK5116型、YK53型、YK5332型和YK58型生产。在图3I中的θ′可由下式求出：θ′＝ 1/2 arcCOSe。在定轴距、变速比传动的各类非圆齿轮中，卵形齿轮具有节曲线可为光滑的封闭凸曲线，回转中心与齿轮的几何对称中心相重合的优点，可用于高速重载的工作场合，是定轴距、变速比传动其他类型齿轮，如对数齿轮、椭圆齿轮所不及的。其设计与制造可参看机械工业出版社1983年版《非圆齿轮与特种齿轮传动设计》。图3I中，齿轮7逆时针方向转动，齿轮8顺时针方向转动，相应的内、外转子活塞（1）、（2）、（3）、（4）逆时针转动，图3Ⅰ到图3Ⅱ的过程中，齿轮（7）转过2θ′角，齿轮8转过2θ角时，活塞2、4转过2θ′角，活塞（1）、（3）转过2θ角，θ′＞θ，2θ′+2θ＝180°，形成图3Ⅱ的情况。图3第一横行诸图中，两卵形齿轮的啮合半径都相等。当齿轮（7）、（8）由图3Ⅰ向图3Ⅱ转动过程中，齿轮（7）的啮合半径小于齿轮（8）的啮合半径，内转子转动的角速度等于齿轮（7）的转动的角速度，而圆形齿轮（5）（6）的直径相等，所以外转子转动的角速度等于齿轮（8）的转动角速度，而齿轮（7）、（8）转动的角速度与其啮合半径成反比，所以此时齿轮（7）转动的角速度大于齿轮（8）转动的角速度，所以内转子转动的角速度大于外转子转动的角速度。活塞（2）、（3）之间、（1）、（4）之间容积减小，活塞（1）、（2）之间、（（3）（4）之间容积增大。当卵形齿轮继续转动，由图3Ⅱ转到图3Ⅲ的时候，齿轮（7）转过2θ角，齿轮（8）转过2θ′角时，内转子活塞转过2θ角，外转子转过2θ′角，活塞（1）、（2）间、（3）、（4）间容积减小，（1）、（4）间、（2）（3）间容积变大。在图3Ⅰ到图3Ⅱ的过程中，活塞（1）由A→B，活塞（2）由B→C，活塞（3）由C→D，活塞（4）由D→A。在图3Ⅱ到图3Ⅲ的过程中，活塞（1）由B→C，活塞（2）由C→D，活塞（3）由D→A，活塞（4）由A→B。图3Ⅲ→图3Ⅳ，图3Ⅳ→图3Ⅴ的过程可完全类似上述分析。在图3Ⅰ→3Ⅱ的过程中，可将油气混合物由进气孔（16）吸入容积逐渐变大的活塞（1）（2）之间的空间中，则在图3Ⅱ→图3Ⅲ的过程中，活塞（1）（2）之间的油气混合物将被压缩，到图3Ⅲ所示的位置时，油气混合物在C、D间被压缩到体积最小。这时，电火花塞（29）点燃油气混合物，油气混合物发出高热，形成高温高压的燃气，高压燃气有自发地增大体积的趋势，迫使内外转子继续逆时针方向转动活塞（1）（2）之间的体积逐渐增大，燃气膨胀做功，在做功过程中，燃气消耗其自身的内能，温度逐渐降低。这是符合热力学第二定律的。这里还需要从力学的角度，详细分析为什么此时外转子不反转。燃气在活塞（1）（2）之间的密闭空间里压强处处相等，活塞（1）（2）沿径向的横截面面积也相等，所以燃气驱使活塞（2）正转的力矩与驱使活塞（1）反转的力矩是相等的。而活塞（1）（2）之间有齿轮传动，只能同方向转动，这在前面已叙述过了。由于圆形齿轮（5）（6）的直径相等，所以活塞（1）（2）所受的这两个等大但反方向的力矩被大小不变的传到卵形齿轮（7）（8）的啮合点。驱使活塞（2）正转的力矩，使得与内转子轴键联结的齿轮（7）正转，并要带动齿轮（8）反转，而齿轮（8）在外转子通过一对等大的圆形齿轮（5）（6）及变速轴传来的燃气对活塞（1）的力矩的作用下也要正转，并要带动齿轮（7）反转，但在图3Ⅲ→图3Ⅳ的过程中，齿轮（7）的啮合半径较齿轮（8）的啮合半径小，齿轮（7）（8）所受传来的燃气产生的力矩又大小相等，所以在啮合点处齿轮（7）推动齿轮（8）反转的推力较齿轮（8）推动齿轮（7）反转的推力为大。而且在啮合点处，齿轮（7）推动齿轮（8）反转的力臂（即齿轮（8）的啮合半径）也较齿轮（8）推动齿轮（7）反转的力臂（即齿轮（7）的啮合半径）为大，故齿轮（7）将保持正转，齿轮（8）在齿轮（7）的推动下将反转，从而迫使齿轮（6）也反转，齿轮（5）正转，外转子也正转。即内、外转子在燃气推动下，沿原方向转动，在此转动过程中，燃气体积增大，对外做功。从以上分析可知，迫使齿轮（7）正转的力矩与迫使齿轮（7）反转的力矩大小之比，与齿轮（7）（8）在该时刻啮合半径之比的平方成反比。而“汪克尔发动机”的起动力矩与偏心距（即三角活塞自转中心到公转中心的距离）有关，而偏心距又很小。所以本发明所公布的发动机的起动，远较“汪克尔发动机”容易。即使与往复活塞式发动机相比也不逊色。这里要注意两点：1、卵形齿轮受到两个反向的力矩，受力较大，所以齿宽要大一些，保证足够的强度。2、内、外转子的正转，将迫使机架反转，所以机架应牢固地联结在一稳固的基础上，如汽车底架上。

由图3Ⅳ到图3Ⅴ的过程中，活塞（1）（2）间容积逐渐减少，此时为排气冲程。

与往复式发动机类似，发动机只有在做功冲程中，将热能转化为机械能，其他冲程则靠惯性运行。

我们可类似分析其他工作空间的情况。

我们可按排每一个冲程的进行都在空间的某一固定位置进行。例如按排每一个工作空间的吸气冲程都总是在该工作空间两侧的活塞由A、B转至B、C进行，则压缩冲程总是在该活塞由B、C转至C、D时进行，工作冲程总是在活塞由C、D转至D、A时进行，排气冲程总是在活塞由DA转至A、B时进行。

我们看到，这种发动机中的所有四个封闭空间都处于进气压缩、工作、排气的某个状态中，没有往复式发动机活塞背面那种不能利用的“死空间”。所以图1所示的发动机相当于4缸4冲程发动机。如将内、外转子活塞各设置3个，则有6个工作空间，相当于6缸4冲程发动机，等等。

发动机的压缩比与θ′的大小有重要关系，当然与发动机内、外转子活塞厚度也有关系，但影响较小。θ′可由2θ′＝arcCOSe计算。图3所示诸图中，所示的各工作空间大小都为极值（极大或极小值）。

压缩比＝ (2θ′-转子活塞平均壁厚所对圆心角)/(2θ-转子活塞平均壁厚所对圆心角) θ′＝ 1/2 arcCOSe

2θ′+2θ＝180°。

当设计者选定一压缩比后，即可推算出θ的大小，并由上式决定e值的大小，选定一定e值的卵形齿轮，一定e值卵形齿轮可由数控插齿机生产。

这种发动机的外转子壳高速旋转时，外转子壳外表面附近的空气相对于外转子壳表面高速运动，起了强烈的风冷作用，所以这种发动机的冷却系统可省去或简化。

作为实施例之一，在图1中，去掉电火花塞（29），保留进气孔（16）、排气孔（15），并在其中装上进液（气）阀、排液（气）阀，内转子轴由其他动力机驱动，这种机构即成为液（气）体的压缩机或抽吸机。

作为实施例之二，在图1中，去掉电火花塞（29），保留进气孔（16）、排气孔（15），并在其中装上进液（气）阀、排液（气）阀，并将孔（16）接在压力液（气）动源上，这种机构即成为液（气）动机。这时压力液（气）体起的作用，相当于内外转子同心同向旋转式发动机中的燃气的作用。

Claims (2)

1、一种内外转子同心同向旋转式发动机，由燃料供给系、配气机构、点火系、润滑系、冷却系等组成，其特征是发动机的内转子轴(22)及内转子活塞(2)、(4)组成了内转子，发动机的外转子壳(21)与端盖(10)螺纹联结，机架(18)的一端有电火花塞(29)及进气孔(16)、排气孔(15)、与内、外转子及端盖(10)围成了发动机的几个封闭的工作空间，外转子壳的轴端的内孔配有轴承(27)，套在内转子轴(22)上，外转子壳轴端的外表面配有轴承(26)，置于齿轮箱箱体(24)上，端盖(10)配有轴承(12)，置于机架上，内转子轴(22)的一端配有轴承(13)，置于机架上，另一端配有轴承(28)，置于齿轮箱箱体(24)上，内、外转子的中心线重合，齿轮箱中有卵形齿轮(7)、(8)、圆形齿轮(5)、(6)，具有变速比传动的作用，内转子轴与卵形齿轮(7)键联结，外转子壳的轴端与圆形齿轮(5)键联结，内、外转子在齿轮(7)、(8)、(6)、(5)的传动下，围绕内转子轴的中心线作方向相同且角速度之比周期性变化的转动，使得发动机的工作空间和容积作周期性的变化，完成发动机的进气、压缩、作功、排气四冲程。

2、根据权利要求1所述的发动机，其特征是卵形齿轮（7）与另一形状、大小完全相同的卵形齿轮（8）啮合，卵形齿轮（8）键联结于变速轴（11）上，变速轴上套有轴承（19）、（20），置于机架（18）上，在变速轴（11）上，还用键联结着另一圆形齿轮（6），此圆形齿轮（6）与另一模数、直径都相等的圆形齿轮（5）啮合。