CN106481449B - 环缸式圆形转子发动机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种环缸式圆形转子发动机，它包括前缸盖(1)、气缸体(3)、后缸盖(2)组成的定子(14)和可在定子(14)中转动的圆形转子(13)。圆形转子(13)转动到一定的位置时，由动活塞头(5)、前缸盖(1)、气缸体(3)、后缸盖(2)、动活塞尾(6)、定活塞(11)围成气密的动态气缸(8)，通过吸气、压缩、做功、排气四个过程，由混合气燃烧的膨胀力推动圆形转子(13)连续转动而输出动能。本机使用液体和气体燃料时即为内燃机，结构略改动，可成为高压气体、高压液体发动机及气体压缩机和液体泵。在一个发动机上根据从各进气门进入的混合气或工作介质的不同可构成多种混合动力发动机。几个发动机同轴并联组成同种机组或异种机组，同种机组增大功率，异种机组有新功能。

Description

环缸式圆形转子发动机

技术领域

本发明涉及一种发动机，特别是涉及一种圆形转子发动机。

背景技术：

汽油机是应用很广的发动机，无论汽车、摩托车、发电机等很多机械都用到汽油机，汽油机从1876年诞生至今已有一百四十多年的历史了。在现有技术中的汽油机是由汽油与空气混合气燃烧的膨胀力推动活塞在气缸中做往复直线运动，通过曲轴连杆机构，经过四个冲程或两个冲程的循环，将活塞的往复直线运动转化为曲轴的连续旋转运动，从而把汽油燃烧后膨胀气体对活塞顶的压力转化为曲轴旋转的力矩(由于两冲程汽油机有诸多缺点，已很少使用，以下仅以四冲程汽油机为例进行说明)，这种带有曲轴连杆机构的汽油机是现有汽油机的重要标志。1954年，没有曲轴连杆机构的汪克尔三角转子发动机研制成功，也在日本马自达汽车上得到了应用，但由于排放、维修等原因，没有得到推广，目前仍然是带有曲轴连杆机构的四冲程汽油机独霸天下。

四冲程汽油机是活塞在气缸中做往复直线运动，通过吸气、压缩、做功、排气四个冲程完成循环做功的。其中压缩冲程是靠飞轮的惯性提供动力完成对混合气的压缩，由于克服摩擦和混合气被压缩温度升高，消耗的是前期储存在飞轮中的一部分能量，而且曲轴每转动两周就消耗一次能量，浪费了能源，降低了汽油机的热能转化效率；在压缩冲程末期还容易产生爆震现象，不但对汽油机造成损害，还会产生反向力的作用，也降低了汽油机的效率；还有曲轴连杆机构的运动主要作用是把活塞的往复直线运动转化为曲轴的旋转运动，所以曲轴连杆机构的运动及克服曲轴连杆机构的摩擦力所消耗的能量基本上是无用功，又进一步降低了汽油机的效率；在排气冲程中，活塞运动到上止点时，气缸上部还有一部分空间，致使一部分废气无法排出，影响了下一次充气后缸内混合气的纯净性，降低了下一次燃烧的效率。因此，在现有的技术中，四冲程汽油机效率较低，不利于节能减排。

四冲程汽油机的曲轴连杆机构在工作中受力很大，因此制造要求强度大、钢度大、精度高，增加了制造成本，同时也增加了重量，增大了体积。曲轴、连杆机构结构复杂且工作中受力不均匀，易发生故障。活塞在气缸中的受力是不均匀的，因此活塞、活塞环对气缸壁的压力也不均匀，从而加剧了活塞和气缸的磨损。

四冲程汽油机的活塞是做往复直线运动的，曲轴是做旋转活动的，曲轴受力大小和方向都在不断变化，输出的力矩大小也不断变化，所以运行不平稳，特别是在活塞运行到上、下止点时其受力的大小和方向更是变化突然，因此产生强烈的震动。虽然采用在曲轴上加装平衡块、在汽油机上加平衡轴、采用多缸技术等能够在很大程度上减小震动，但也增加了整机的重量和制造成本。以上是以汽油机为例进行说明的，除了汽油机之外，其它带有曲轴连杆机构的发动机也基本上存在上述缺点。

发明内容

本发明的目的是为了克服带曲轴连杆机构发动机的缺点，提供一种没有曲轴连杆机构而由燃料燃烧产生的膨胀力直接推动转子转动的发动机，其结构简单紧凑，运行平稳可靠，震动小、体积小、成本低、效率高。

本发明所提出的环缸式圆形转子发动机，包括前缸盖、气缸体、后缸盖组成的定子和圆形转子(也是飞轮)，气缸体上有以气缸体内表面所在的圆柱面的轴线亦即转动轴的轴线为对称轴按一定顺序成对安装的定活塞、进气门、压缩体、火花塞、排气口，气缸体的前端安装有前缸盖，气缸体的后端安装有后缸盖，前缸盖上有前轴承座孔并安装有前轴承，后缸盖上有后轴承座孔并安装有后轴承，前缸盖、气缸体、后缸盖围成圆饼形空腔。圆形转子安装在圆饼形空腔内，圆形转子与转动轴固定在一起，转动轴安装在前缸盖和后缸盖的轴承上，圆形转子的外缘上固定有以转动轴的轴线为对称轴成对的动活塞头和动活塞尾。圆形转子转动到一定的位置时由动活塞头后端面、前缸盖、气缸体、后缸盖、动活塞尾、定活塞组成的气密空间叫动态气缸，动态气缸的容积在圆形转子转动过程中随位置的相对变化而变化。定活塞可在气缸体上沿气缸体内表面半径方向平动，形成动态气缸后定活塞气密贴在动活塞尾上滑动。

做为定子的另一种形式是由前缸体和后缸体组成，前缸体是前缸盖和前半部分缸体组成的部件，后缸体是后缸盖与缸体的后半部分组成的部件。

所述的圆形转子也是飞轮，压缩体的压缩与回位、定活塞的打开与关闭、进气门的打开与关闭都需要飞轮的带动。所述的动活塞头的前端面和后端面所在的平面通过转动轴轴线，前端面的形状和大小要能够与前缸盖、气缸体、后缸盖三者围成的环槽形内壁气密配合，动活塞头的前端面可以是大半圆形，也可以是其它形状，如半圆加矩形等；动活塞尾可以是以转动轴轴线为轴线的圆柱形面，也可以是沿圆柱面开出的凹槽面，凹槽面的径向截面为半圆形、半圆加矩形等形状。动活塞头和动活塞尾的另一种改进形式是：沿圆形转子外缘等间隔地开出相同的凹槽，间隔的部分为动活塞头，凹槽的部分为动活塞尾，图2、图3即为该动活塞头、动活塞尾及圆形转子的示意图。所述的压缩体进入动态气缸内的部分是一段环形物体，其径向截面的形状和大小与动态气缸的径向截面的形状和大小相同，在进入动态气缸后能够与动态气缸气密接触，能封闭住一段动态气缸，压缩体还要紧贴定活塞安装，使压缩体进入动态气缸后压缩体与定活塞之间不留空隙，防止在压缩体和定活塞之间存留混合气，附图2中的压缩体和进气门位置关系只是用来说明工作过程的原理图，实际应用时可将进气门安装在侧壁上，以免占用压缩体的位置。

本发明所述的环缸式圆形转子发动机，通过吸气过程、压缩过程、做功过程、排气过程的工作循环，使转子连续转动而输出动能。

下面以汽油机为例，进行说明。

进气过程：关闭定活塞，动态气缸组成，随着动态气缸容积的增大，动态气缸内压强降低，打开进气门，从进气门吸入或喷入汽油与空气的混合气。

压缩过程：吸气过程末，关闭进气门，压缩体在飞轮的带动下快速进入动态气缸，混合气体被压缩，动态气缸内气压和温度升高。

做功过程：火花塞点火，混合气体被点燃，膨胀气体推动动活塞头并带动圆形转子绕转动轴转动而输出动能。

排气过程：动活塞头越过排气口，动态气缸内的废气排出，在飞轮的带动下打开定活塞、回位压缩体，动态气缸解体，动活塞尾部的软活塞将动态气缸内的残余废气扫出，汽油机完成一个工作循环。

当动活塞头越过下一个定活塞时，在飞轮的带动下该定活塞关闭，发动机进入下一个工作循环。

气缸体上的定活塞、进气门、压缩体、火花塞、排气口是与动活塞头和动活塞尾配合完成做功的，为了方便描述，将气缸体上述部件的组合命名为定子的一个做功配套组，一个做功配套组中可以是上述五个部件，也可以增加部件，还可以是其中几个部件。将一个动活塞头和一个动活塞尾组合命名为转子的一个做功极。一个做功极每经过一个做功配套组就做功一次。动态气缸起到了传统汽油机气缸的作用，为了表达发动机做功情况，这里引入气缸数的概念，气缸数是指同时做功的动态气缸的数量，因为做功极和做功配套组都是成对的，所以气缸数也是偶数。如，一对做功极和一对做功配套组组成的汽油机就有两个动态气缸在同时做功，所以叫双缸汽油机，转动轴转动一周做功4次，一对做功极和两对做功配套组组成的汽油机也有两个动态气缸在同时做功，所以也叫双缸汽油机，但转动轴转动一周做功8次，做功极数增加和做功配套组数增加都增加了转动轴转动一周做功的次数，输出的动力就加大了，所以与传统汽油机相比，本发明具有体积小、重量轻、功率大的优势。

为了表达环缸式圆形转子发动机的特征，采用系统命名法对环缸式圆形转子发动机进行命名，做功极数为m对、做功配套组数为n对的发动机，当m＞n时，命名为环缸式2n缸2m极2n组转子发动机，当m＜n命名为环缸式2m缸2m极2n组转子发动机，其转动轴转动一周做功2^(m+n)次。如两对做功极和一对做功配套组组成的汽油机m＝2，n＝1，因为m＞n，所以叫做环缸式双缸4极2组圆形转子汽油机，转动轴转动一周做功为2³＝8次。

本发明所提出的环缸式圆形转子发动机使用液体或气体燃料时即为内燃机，如用汽油做为发动机燃料即是汽油机，用可燃气体做为发动机的燃料，即为燃气发动机。结构略加改动后，可成为用高压气体和高压液体做工作介质的发动机，还可成为气体压缩机和液体泵。将气缸体上的火花塞和压缩体去掉，从进气门喷入高压气体或高压液体即为介质发动机。如，去掉火花塞和压缩体，从进气门喷入高压蒸汽，即成为蒸汽机；去掉火花塞和压缩体，从进气门喷入压缩空气，即为压缩空气发动机，从进气门注入高压水，即成为水力发动机。将气缸体上的火花塞和压缩体去掉，把气缸体上的进气门倒装，把转动轴安装到其它发动机上，使其逆运转，放在气体中即成为气体压缩机，放在液体中即成为液体泵。如，去掉火花塞和压缩体，倒装进气门，把转动轴安装到其它发动机上，使其逆运转，放在空气中，即成为空气压缩机；放在水中，即为水泵。一个发动机上每个做功配套组与每个做功极组成一个小发动机，根据从进气门进入的混合气或工作介质的不同，这些小发动机可以是不同种类，从各进气门进入不同的混合气或不同的工作介质或有的进入混合气有的进入工作介质均构成混合动力发动机。例如，在定子上第1和第3组吸入汽油与空气的混合气，则第1和第3组为汽油机，在第2和第4组喷入压缩空气，则第2和第4组为压缩空气发动机，整体的发动机就是汽油/压缩空气混合动力发动机。汽油机需要散热降温，压缩空气膨胀需要吸收热量来工作，二者正好互补。

本发明所提出的环缸式圆形转子发动机还可以同轴并联使用，同种发动机或气体压缩机或液体泵并联构成同种机组，增大功率。例如，两个相同的汽油机并联，汽油机组的功率是一个汽油机的二倍，两个相同的水泵并联，水泵组的功率是原来的二倍。异种发动机间并联、发动机与气体压缩机或液体泵并联组成的异种机组有新功能。如，汽油机与压缩空气发动机并联就成为汽油/压缩空气混合动力发动机组，同样，液化气发动机和压缩空气发动机并联为液化气/压缩空气混合动力发动机组；汽油发动机和空气压缩机并联，就组成汽油空气压缩机，汽油机也可以和水泵并联，成为汽油机水泵，此外还可以有其它并联方式。

本发明的环缸式圆形转子发动机只有几个零件组成，结构简单紧凑，工作时运动部件少，所以工作中震动小、噪声小，运行平稳，还可以通过增加做功极的数量和做功配套组的数量，使运行更加平稳，输出功率更大；燃料与空气的混合气燃烧产生的气体的膨胀力直接作用在动活塞头上推动圆形转子转动，而且气体的膨胀力作用在圆形转子圆周的切线上，所以膨胀力能够产生最大的转动力矩，在压缩混合气过程中所消耗的能量，并不像传统汽油机那样阻止曲轴的转动而浪费能量，而是能够促进圆形转子的转动，所以能量损失少，热能转化效率高，有利于节能减排；由于定活塞、压缩体、气门都是平动且受力均匀，所以磨损小、寿命长。

附图说明

图1是环缸式圆形转子发动机的外部结构示意图。

图2是环缸式圆形转子发动机的内部结构示意图。

图3、图4给出一种沿圆形转子外缘等间隔地开出相同的凹槽形式的动活塞头和动活塞尾的示意图。

图5到图8，给出了本发明环缸式圆形转子发动机的工作原理示意图。

具体实施方式：

参见图1和图2，从图1和图2中可以看出，本发明的环缸式圆形转子发动机包括前缸盖1、后缸盖2、气缸体3组成的定子14及圆形转子13，圆形转子13通过转动轴4安装在前缸盖1、后缸盖2、气缸体3围成的圆形空腔内。前缸盖1和后缸盖2是有轴承座孔的圆板，气缸体3是沿轴线有一定长度的环形体，它与前缸盖1与后缸盖2能气密安装在一起。气缸体3的内表面为以转动轴4的轴线为轴线的圆柱形面或环槽形面，定活塞11、进气门10、压缩体9、火花塞7、排气口15按照一定的顺序成对对称安装在气缸体3上。圆形转子13与转动轴4固定在一起，其外圈16与前缸盖1、后缸盖2气密接触，外圈16与转动轴4之间的环形体与前缸盖1和后缸盖2间留有一定的空隙，也就是外圈16与转动轴4之间的环形体轴向宽度比外缘窄，因此与前缸盖1、后缸盖2不接触。圆形转子13的外缘上固定动活塞头5，动活塞头5与圆形转子13的外缘一样宽，其两个侧面与前缸盖1、后缸盖2气密接触，其顶面与气缸体的内表面气密接触。图3和图4给出了另一种形式的动活塞头5和动活塞尾6，它是在圆形转子外缘上等间隔地开出相同的凹槽，间隔部分为动活塞头5，凹槽部分为动活塞尾6。定活塞11能沿气缸体3内表面半径方向平动，与前缸盖1、后缸盖2和动活塞尾6气密接触且能沿动活塞尾6滑动。当圆形转子13转动到一定的位置时，由动活塞头5后端面、前缸盖1、气缸体3、后缸盖2、动活塞尾6、定活塞11围成气密的动态气缸8，通过吸气过程、压缩过程、做功过程、排气过程的工作循环，使圆形转子连续转动而输出动能。

参见图5，进气过程：关闭定活塞11，动态气缸8组成，随着动态气缸容积的增大，动态气缸内压强降低，打开进气门10，从进气门10吸入或喷入燃料与空气的混合气。

参见图6，压缩过程：吸气过程末，关闭进气门10，压缩体9在飞轮13的带动下快速进入动态气缸8，混合气体被压缩，动态气缸8内气压和温度上升。

参见图7，做功过程：火花塞7点火，混合气体被点燃，膨胀气体推动动活塞头5且带动圆形转子13绕转动轴4转动而输出动能。

参见图8，排气过程：动活塞头5越过排气口15，动态气缸8的废气排出，在飞轮13的带动下打开定活塞11，压缩体9回位，动态气缸8解体，动活塞尾6上的软活塞12将动态气缸8残余废气扫出。

当动活塞头5越过下一个定活塞11时，在飞轮13带动下关闭该定活塞11，发动机进入下一个工作循环。

Claims (6)

1.一种环缸式圆形转子发动机，包括前缸盖(1)、气缸体(3)、后缸盖(2)组成的定子(14)和圆形转子(13)，其特征在于：气缸体(3)上有以气缸体内表面所在的圆柱面的轴线亦即转动轴(4)的轴线为对称轴按一定顺序成对安装的定活塞(11)、进气门(10)、压缩体(9)、火花塞(7)、排气口(15)，前缸盖(1)、后缸盖(2)和气缸体(3)围成圆饼形空腔，圆形转子(13)通过转动轴(4)和前缸盖(1)上的前轴承、后缸盖(2)上的后轴承安装在圆饼形空腔内，圆形转子(13)的外缘上固定有以转动轴(4)的轴线为对称轴成对的动活塞头(5)和动活塞尾(6)，圆形转子(13)转动到一定的位置时由动活塞头(5)的后端面、前缸盖(1)、气缸体(3)、后缸盖(2)、动活塞尾(6)、定活塞(11)围成气密的动态气缸(8)，通过吸气过程、压缩过程、做功过程、排气过程，使圆形转子(13)连续转动而输出动能；其中进气过程是：关闭定活塞(11)，动态气缸(8)组成，打开进气门(10)，从进气门(10)吸入或喷入燃料与空气的混合气，压缩过程是：吸气过程末，关闭进气门(10)，压缩体(9)快速进入动态气缸(8)，混合气体被压缩，做功过程是：火花塞(7)点火，混合气体被点燃，膨胀气体推动动活塞头(5)并带动圆形转子(13)绕转动轴(4)转动而输出动能，排气过程是：动活塞头(5)越过排气口(15)，动态气缸(8)内的废气排出，打开定活塞(11)，压缩体(9)回位，动态气缸(8)解体，动活塞尾部软活塞(12)将动态气缸(8)内的残余废气扫出；在一个发动机上从各进气门进入不同的混合气或不同的工作介质或有的进入混合气有的进入工作介质均构成混合动力发动机。

2.根据权利要求1所述的环缸式圆形转子发动机，其特征在于：所述定子(14)由前缸体和后缸体组成。

3.根据权利要求1所述的环缸式圆形转子发动机，其特征在于：所述气缸体(3)上以转动轴(4)的轴线为对称轴按一定顺序成对安装的定活塞(11)、进气门(10)、压缩体(9)、火花塞(7)、排气口(15)有一对或几对。

4.根据权利要求1所述的环缸式圆形转子发动机，其特征在于：所述圆形转子(13)外缘上固定的以转动轴(4)的轴线为对称轴成对的动活塞头(5)和动活塞尾(6)有一对或几对。

5.根据权利要求1所述的环缸式圆形转子发动机，其特征在于：所述的动活塞头(5)和动活塞尾(6)是由沿圆形转子(13)外缘等间隔地开出的相同的凹槽和间隔组成，间隔部分为动活塞头(5)，凹槽部分为动活塞尾(6)。

6.根据权利要求1所述的环缸式圆形转子发动机，其特征在于：所述的动活塞头(5)的前端面径向截面为半圆形加矩形、动活塞尾(6)的径向截面为半圆形加矩形。

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