CN1049215A - 步进式旋转活塞发动机 - Google Patents

Abstract

一种步进式旋转活塞发动机，由圆环形缸体型 腔，四个旋转活塞，通过连动盘连接成为对直两组，每 组连动盘内设有对称式方滑块传动轴与滚动套，与步 进机构所组成。在圆环形缸体型腔的上下死点设有 点火器和进排气筒，其特征：当步进转子(主轴)做匀 速运转时，其两组活塞则做步进式差速旋转，进行吸 压爆排工作。其特点是结构紧凑、简单、易密封、重量 轻、功率大、加工容易，应用现有技术加工便可实现。

Description

本发明属于：旋转内燃发动机

目前，往复式内燃发动机由于基本结构所造成的主要构件是作往复运动，因此存在结构不紧凑，体积大，比重量高，惯性力大，很难平衡，热效率低，制造成本高等不足。

继往复式之后，虽然世界上出现了不少结构新颖的内燃机，如Wankei三角转子式，Fairchid-Cami-nez四缸星形及差速式等，但通过实践来看，还是在基本结构上存在一些难以解决的缺点，如：三角转子式在运动上出现的转子顶部密封性不好，漏气量大，细长的燃烧室降低了燃料烧效果。四缸星形虽然结构紧凑一些，但出现的四级惯性力难以克服。差速式因输出功率机构而造成的结构复杂，活塞使用效率低等不足。因此就目前来看，还没有一种能在性能性优于往复式而得到普遍应用。

为了解决上速问题，本发明公开一种结构紧凑、重量轻、体积小、功率大、此重量可提高几倍至十几倍，零件少、热效率高、而且有很好密封条件的步进式旋转内燃机，能广泛应用于工农业、航空、交通运输和国防建设等部门。

图1（a）步进式旋转发动机结构图（中平衡式），与图2B-B剖视（b）与图1A-A剖视结构图

图2步进创成原理图

图3工作原理图

图4密封示意图

图5方园环型腔示意图

图6马蹄形园环型腔示意图

图7步进式旋转发动机、侧平衡式结构图。

本发明步进式旋转活塞发动机，主要是由一个圆环密封缸体型腔，在型腔内有四个旋转活塞，每相对直的为一组，通过步进式旋转机构使每组活塞按特定的步进式做吸压爆排工作。

以下结合附图详细说明：

步进式旋转发动机主要结构特征如图1（a）、（b）所示：主要是有一个图环形密封缸体型腔1、在圆环形型腔内有四个旋转活塞2，每相对直的两个为一组，分AB组，分别由活塞连动盘3连为一体，在每组的活塞连动盘3上设有对称滑道，滑道内设有方滑块传动轴4，每组上下两个、方滑块传动轴可在滑道内作纵向对称往复运动。每个滑块传动轴两端设有四个对称滚动套5，其中外端两个，是沿着对称的两个步进定位套7的特定曲线滚动运动。其内端两个是沿步进凸轮转子6对称的两个步进凸轮特定曲线滚动运动。步进凸轮转子6，即是发动机主轴，轴的两端用轴承固定在端盖8，这样每组活塞2A，2B，在作圆周运动时通过连动盘3带动同一组的传动轴4A和4B连作同步运动，这样：传动轴便同连接步进式旋转机构来同时工作。

以下是步进式旋转机构的创成原理。图2

步进式旋转机构的实现，主要在于有一个步进凸轮转子6，传动轴4，滚动套5和步进定位套7所组成。其机构创成主要参数取决于压缩极限角θ，角θ即是每个活塞尺寸在圆周上所占的角度，其活塞和步进凸轮转子内含的传动轴、套，所占的角度都必须等于或小于角θ，角θ也是实际极限压缩角，即是压缩燃烧室，角θ大小可根据实际压缩比等因素理想而定，一般在30°角左右，其它创形参数都是随内在质量而变化，可根据实际因素按理想而设计。

此创型是以步进凸轮转子（主轴）中心点为圆心O_R，在指定的上下止点Y₁、Y₂，作一垂直中心线，以Y₁、Y₂，垂直中心上作对称的角θ，在以R为半径作一圆D₁，以D₁圆的Y₁、Y₂中心线交出F点，以O₁为圆心，r为半径内切于D₁的F点作一圆d₁，此圆应在角θ内，定为步进凸转子的内含传动轴成套的外径。从O₂点到O₁圆心点;以R₂为半径交出d₁圆上的H，E两点，以H、E两点分别向外至A、B两点作一理想抛物线，在连接D₁和d₁圆的弧线即是步进凸轮的轮廓型线。以角θ上的O₃、O₄为圆心，r为半径切于凸轮外抛物线作两圆，d₃、d₄、此圆即是此时实际传动轴，或套的工作位置。以O₄为圆心，r为半径外切于D₁圆上的F点作一圆d₂，此圆即是步进定位套的上下死点Y₁、Y₂，在用弧线分别于D₁，d₃、d₂和D₁，d₄、d₂的外圆相切，便交出A、B两点，此弧线分别连接D₁，d₄的外弧线就是步进定位套内轮廓创成型线。因步进定位套与步进凸轮转子是在轴向上错开工作的，步进凸轮转子内含的轴，套径是指定的，所以其步进定位套轮廓线可随内含的轴套直径同时扩大，其创型原理不变。这样一个由压缩极限角θ为参数的步进式旋转机构便创成了，与圆环形型腔，活塞等便组成步进式旋转发动机。

以下再组合工作原理图3详细说明工作原理及主要特征：

1.一个曲密封园环形型腔内有四个活塞每相对直的两个为一组，分A、B两组，其每组在园环形腔内运动时，通过连动盘带动传动轴也作同步运动。由每组传动轴分别控制着每组活塞。当传动轴运至上下死点Y₁、Y₂时，其活塞在园环形腔内也分别处于此位置，活塞被步进机构的步进定位套所固定不动，此时便是园环形缸体的上下死点，因此便可以在上死点Y₁附近设点火器或喷油嘴G，在下止点Y₂的活塞两侧分别设常开式进气筒9和排气筒10（此时是按逆时针方向设计，则而反之）。这样活塞通过步进机构在园环形腔内可进行吸压爆排工作。

2.当活塞进行步进式旋转运动时，主要是按步进机构特定运动方式进行。步进凸轮转子和步进定位套分别控制一组传动轴、套与旋转活塞，与内含的一组与步进凸轮转子同步运动时而另一组则被步进定位套所固定，如图3（a），因B组活塞被固定在上下止点，此时园环形工作型腔就被活塞切为左右两个型腔VC，C腔即为爆排工作腔，V腔即为吸压工作腔，此时A组活塞处在V、C腔内，由A组活塞在V、C腔内切出四个工作室，即V₁、V₂、℃₁、℃₂，这时A组活塞同步进凸轮转子按逆时针方向旋转时，在V型腔内的A活塞便同时可进行双面工作，V₁室便可通过进气口吸进混合燃烧气体;而V₂室同时便可进行压缩工作，同时在C₁室内进行膨胀，℃₂室内进行排气工作。此时主要特征是B组活塞传动轴，套被步进定位套和步进凸轮转子的外国弧线所固定，即为创型的上下止点。

3.当旋转活塞A运动至B点时，如图3（b），活塞B开始运动。此时AB两组活塞便开始在β角内进行步进换位，同时A组活塞便开始在α角内由匀速运动作减速运动。B组也在α角内从零速开始加速运动。步进定位套的B点至Y点即为减速度角α₂，Y点至A点即为加速度角α₁，两角之和A至B点即是步进换位角β。其加减速度大小主要是由步进凸轮转子的内抛物线和步进定位套的内切弧线所决定（此线的创成应据其内含的质量按理想而设计），随着步进凸轮转子的匀速旋转其凸轮的抛物线便把传动轴、套以滚动的形式抛向步进定位套，此时传动轴的方滑块便在轨道内滑动、当A、B组活塞运动到θ时、此两组活塞最近，即是压缩极限角θ，如图3（b）所示，这时压缩爆燃空气被全部压缩到活塞的燃烧室内V₂，开始进行燃烧膨胀，推动活塞B做加速度运动并做功：同时阴止活塞A做减速运动并抵消其惯性力，此时活塞A的惯性力还可以通过媒介空气传导给活塞B，这时V₁室吸气完毕，C₁室膨胀完毕、C₂室排气完毕，此时其特征在于有一个压缩极限角θ，步进交换角β，加速度角α₁，减速度角α₂，由于步进凸轮转子的抛物线作用，此时便出现了步进凸轮转子与活塞的速度差、活塞作步进式差速运动，其步进转子主轴则可做匀速运动。

4.当活塞继续运动时，B组活塞其加速度由小逐渐加大，A组活塞其减速度则由大逐渐变小，由于A、B两组活塞存在运动速度差，此时活塞距离开始逐渐增大，当A组活塞运动到上止点Y₁时，其传动轴，套则被步进凸轮6的外圆弧线固定在步进定位套内，同时B组活塞也运动到换位角β的终点A、传动轴、套也被步进定位套7内弧线所迫进至步进凸轮转子的凸轮内，此时步进换位完成、B组活塞则与步进凸轮转子以匀速做同步运动。V₂腔在继续膨胀，V₁腔开始压缩，C₁腔排气、C₂腔开始吸气，当活塞继续运转时，便开始重复以上所速的步进式运动。其特征是：每组活塞运动180°角时，步进换位一次，步进凸轮转子（主轴）每转一圈，其每活塞各作一次吸压爆排工作，即为2n²。

5.实施例：（侧平衡式）图7所示。

由于小型机的圆环形缸体空间很小，很难设计步进机构，因此步进机构可做成侧平衡式。在连动盘3上加一个传动套11，在传动套上设一对称滑道，在滑道内设对称的方滑块滚动套14，套内按装传动轴4，传动轴两端按装滚动套5，套内有滚动轴承14，其两端设挡圈15，在传动套11和缸体之间按装活塞定径轴承12。其它均于上速图1原理一样，此种结构就是把每组活塞分别由一个步进机构控制，此种结因不受圆环缸体内的空间所限制，能制成纯滚动式。

6.密封系统示意图4所示

在连动盘3的三道径向端面上，可做多道圆环形气封和油封1，其圆环形活塞端面也可设多道密封环3，在密封环与端面气，油封之间可设径向密封条2，封其端面径向缝隙。此密封系统按现有技术便可实现。

7.圆环形型腔的端面有三种形势。

圆环型缸径图1，方型缸径图5，马蹄型缸径图6，均可应用。

8.其它说明：

本机的润滑系统，冷却系统，点火燃烧系统及起动系统，采用现有技术即可。

本步进式旋转发动机，基本理性如同步进走路一样，其步进凸轮转子（主轴）如同上体，做匀速运动，活塞如同走步，做步进差速运动。此结构简单，理性顺其自然，此主要运动结构是属完全对称式的圆周旋转式，因此为完全平衡式，不存在往复惯性力，结构紧凑，体积小，重量轻，功率大，按往复式的同等体积其功率可提高五至十倍以上。传动上属纯滚动和平衡传导式，密封系统不存在三角转子式的径向密封漏气问题，制造成本低，加工容易等优点，其缺点是步进机构为线型接触，易磨损，进排气系统为独立式避免了进气损失，具有四冲程发动机的优良经济性能，能广泛应用于工、农、交通、运输业尤其适用于对体积和功率要求严格的飞机坦克，舰船等国防工业的应用。

Claims (10)

1、步进式旋转活塞发动机，由圆环形缸体型腔、四个旋转活塞，通过连动盘连接成对直的两组，每组连动盘内设有对称式方滑块传动轴、套与步进机机构所组成，其特征在于：

2、如权利要求1所述有一个对称式的同步传动机构，由活塞、连动盘、方滑块传动轴、滚动套所组成。

3、如权利要求1、2所述，有一个对称式步进机构，由步进凸轮转子，步进定位套与传动轴套所组成，其特征在于：当步进凸轮转子做匀速旋转运动时，能使活塞做步进式运动工作，并含有加速度角，减速度和步进换位角，按特定步进运动方式所创型的步进结构。

4、如权利要求1、2、3所述的在特定的步进机构中含有上死点、下死点和压缩极限角，在缸体上死点处设有点火器和喷油嘴，下死点活塞两边分别设有进气口和排气口，在压缩极限角内的每只活塞的空间设有压缩燃烧室。

5、如权利要求1、2、3、4所述的，有一个对称平衡滚动式传动系统，由活塞连动盘，方滑块传动轴、滚动套、步进凸轮转子及滚动轴承所组成。

6、如权利要求1所述的，有一圆环形缸体型腔，其端截面可是方型、马蹄型、圆环型缸体工作腔。

7、如权利要求1、2、3、4、5所述步进式旋转发动机有两种结构：一、中平衡式;二、侧平衡式。

8、如权利要求1、2、3、4、5、6、7所述，在连动盘端面，活塞的圆周及连动盘径向，可设多道气封和油封。

9、如权利要求1、2、3、4、5、6、7、8所述，侧平衡式步进式旋转发动机，主要是有对称式侧面传动套、活塞定径轴承、侧平衡对称凸轮转子、转子内含的转动轴，差径滚动套及挡圈。

10、如权利要求1到9所述，步进式旋转活发动机的步进凸轮转子（主轴），工作时是作匀速旋转运动，其活塞在缸体内通过步进机构则作步进式旋转工作。本机圆环形缸体形腔可组合排列成多缸型。

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