CN1066318A - 组合式叶片旋转发动机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种带有偏心转子的单叶片组合式 旋转发动机，该机由至少一组结构相似的压气部分及 作功部分并接而成，并共用一根输出轴，压气部分吸 入气体压缩后经一导气道送至相临的作功部分燃烧 作功。该机的特点是：动力直接由叶片带动输出轴输 出，磨损小，耐久性强。相邻的作功、压气两部分可实 现最佳工作容积比，提高了能量的利用率，并易于组 织润滑及冷却，工作可靠。

Description

本发明属于一种组合式叶片旋转发动机，尤其是一种带有偏心转子的单叶片旋转发动机。

在现有技术中，叶片式旋转发动机与三角活塞式以及差速式发动机一起并列为旋转发动机的三种典型结构，而叶片式发动机本身也有不胜枚举的各类变形，其中的一类就是本发明所属的偏心转子叶片式旋转发动机。这种发动机的主要结构特征是：汽缸呈圆柱形，其轴线上设有一根横贯中心的轴，轴与汽缸内壁间沿径向设置有绕上述轴线转动的叶片，汽缸内偏心设置有一围绕上述中心轴且外壁与汽缸内壁相切的圆筒形转子，其上沿轴线开槽容叶片伸出，这样叶片、转子外壁以及汽缸内壁共同围成了一个随着叶片转动而变化容积的燃烧室，从而完成内燃机的工作循环。这类发动机可以是单叶片的，也可以有多叶片，例如美国专利US3132632、US2969049及US3289653中所描述的机型。

然而，旋转发动机之所以仍未能够大量投入到实际应用中去则是因为它存在着诸多致命缺陷有待改进，因而目前无法达到简单、可靠、高效的运转要求。以上述几篇该专利文献为例：对于如美国专利US3132632所公开的多叶片方案而言，由于在运转时多个叶片间的夹角在随时改变，因此不能将这些叶片全都固定在中心轴上，那么功率的输出就主要靠叶片推动偏心转子完成，这样在燃气爆发所产生的巨大压力与负载的相互作用下，会在叶片与伸出转子的槽之间造成极大的应力，从而很快导致其间的滑块或密封元件磨损，致使整机失效。而对于美国专利US2969049以及US3289653所公开的单叶片方案而言，虽然它们都采用叶片与中心轴固定在一起的动力输出方式，但是它们均存在着明显的缺陷。首先，对于前者，由于其结构所限，它必需设置一套专门的机构驱动偏心转子与叶片配合完成工作循环，因此，偏心转子是在驱动机构的作用下在气缸内壁上滚动，这不仅结构复杂，润滑密封困难，而且工作时叶片与转子之间同样也会出现类似于上述的应力导致密封元件受损，整机失效。另外上述两种方案均存在一个同样的问题，即由于发动机工作空间是狭长的月牙形，空间有限，因而在高速动转时很难将爆发冲程中的燃气能量充分利用（最大作用转角不超过叶片转角的180度），并且压缩与爆发冲程相等，这使得剩余能量被排出造成浪费，效率低下，而对于美国专利US3289653则可以看出它存在以下缺陷。一、结构不合理。由于采用内缸吸气压缩、外缸燃烧作功的方式，内外容积比很难取得最佳值;二、叶片前后、转子两端及外壁、叶片与转子之间均需很高的密封要求，因而密封复杂困难，可靠性差;三、由于内外两缸均是工作腔，其结构使得很难在腔间或者内部提供有效的润滑及冷却、四、压缩缸与作功缸之间有很长的压缩气导管，燃烧后其中的废气无法在排气冲程中全部排出，影响燃烧效率;五、气道由盘形旋阀启闭，结构复杂可靠性差。

本发明的目的在于克服上述缺陷与不足，提供一种结构合理、运转可靠、能量利用率高的组合式旋转发动机。

上述目的是通过下述方案实现的：本发动机包括压气部分、作功部分，相应的起燃、润滑、冷却系统，其特征在于：

（1）作功部分包括：至少一个圆柱形汽缸;位于汽缸轴线上的一根延伸至压气部分的输出轴;与输出轴相固接并沿径向延伸到汽缸内壁的相应单叶叶片;位于输出轴与汽缸之间偏置于气缸轴线并由轴承支承于汽缸侧壁上绕自身轴线转动的圆筒状偏心转子，其外壁与汽缸内壁相切构成密封;该偏心转子筒状壁上带有一供叶片伸出的长条形轴向开口，开口中设置有可让叶片相对于转子伸缩摆动的滑块;

（2）压气部分包括：至少一个与作功部分汽缸相邻并同轴的圆柱形汽缸，与上述输出轴伸入该汽缸中的部分相固接并径向延伸至汽缸内壁的单叶叶片以及设置在轴与汽缸之间偏置于汽缸轴线并由轴承支承于汽缸侧壁上绕其自身轴线转动的圆筒状偏心转子，其外壁与汽缸内壁相切构成密封;该偏心转子的筒状壁上带有一供叶片伸出的长条形轴向开口，开口中设置有可以让叶片相对于转子伸缩摆动的滑块;

（3）所述作功部分的汽缸壁上设置有排气口，而压气部分汽缸壁上设置有进气口，两相邻汽缸的壁上设置有相互连通的导气道，以便通过其将压缩后的气体从压气部分导至作功部分。

所述压气部分中由汽缸与转子围成的工作容积，可以按所需的比例小于作功部分的相应容积。

由于本发明的上述结构特征，使得其与上述现有技术相比具有如下明显的优点：

（1）由于两部分的偏心转子被轴承支承在汽缸侧壁上绕自身的轴线转动，因而压缩气体或燃气的作用力便由上述轴承承受而不产生力矩，从而避免了叶片与转子间出现较大的相互作用力，简化了结构，提高了耐久性;

（2）由于压气和作功由同一输出轴上的两套机构完成，偏心转子内部相互连通，很容易组织润滑及冷却，提高了可靠性;

（3）由于压气和作功部分是分开设置的，因此很容易精确确定其工作容积比，提高能量利用率。

下面参照附图对本发明的一个实施例进行详细说明：

图1是本发明实施例的轴侧图;

图2是该实施例作功部分的工作过程示意图。其中：图2a显示出爆发/排气冲程开始时的情形;图2b显示出爆发/排气冲程进行中的情形。

图3是该实施例压气部分的工作过程示意图。其中，图3a显示出压缩/吸气冲程结束时的情形，图3b显示出压缩/吸气冲程进行中的情形。

图1中所示是一种由两套压缩和作功部分串联而成的双缸四冲程组合式叶片转子汽油发动机，它们通过螺栓（13）沿轴向紧固成一体。其外部设备如化油器、进排气管等在此已被省略。

参见图1，压气部分包括一汽缸（33），带有两个圆柱形腔，每个腔中安置有一由轴承（36）支承的筒状偏心转子（23、26），中间由壁隔开。输出轴（10）为一根带花键的轴贯穿整个发动机的中心线，在与上述汽缸（33）相对应处的花键上安置有带花键槽的叶片（20），叶片（20）顶部沿轴向设有L型叶片条（21）。偏心转子（23、26）的外壁上设置有凹入的导气槽（22），本实施例中它呈楔形用于容纳被压缩的气体，偏心转子侧壁上设有环状密封圈（35）由轴向推力弹簧（34）推向气缸侧壁。转子开口处带有一对半圆柱形滑块。

作功部分包括两个汽缸（32、37），位于上述压气部分汽缸（33）的两侧，汽缸壁上安置有火花塞（24），汽缸中装有筒形偏心转子（14，28），转子中安置有从其开口伸出的叶片（19），转子外壁上开有凹入的燃烧室（18），侧壁上设有环形密封圈（2），由轴向推力弹簧（1）推向汽缸侧壁。转子由轴承（15）支承在汽缸侧壁以及盖在整机两端的罩壳（31，39）的壁上。叶片顶部同样带有L型密封条（16），与转子配合处（转子开口处）带有一对半圆柱形滑块（17）。输出轴（10）由轴承（9）支承在罩壳（31、39）中，轴承（9）由端盖（5）封住，端盖（5）中设有“0”型密封圈（6）。上述作功部分及压气部分的气缸壁上均带有相互连通的导气道（25），用以将压缩气导入燃烧室。

上述输出轴一端设置有带摩擦片（29）的飞轮（30），而另一端则带有一皮带轮（7）用以带动油泵（11）的皮带轮（8）及水泵的皮带轮（4），为发动机提供润滑及冷却。上述汽缸及罩壳部件中均带有冷却水套（3）并由“0”型密封圈（27、38）封住，另外，还带有润滑油路（12）。

参见图2和图3，它们显示了该旋转发动机作功及压气两部分的工作过程。图中轴（10）是带花键的轴，位于压缩汽缸（33）及作功汽缸（37）的中心，其上各装有叶片（20）和（19），滑块（17）和（46）为成对设置的半圆柱体，可摆动地安置在偏心转子（14）和（23）开口两侧的半圆柱形槽中，从两侧夹住叶片，并允许其伸缩。在转子开口上与其转向相对的半圆柱形槽中还设有轴向密封条（40）和（41），压气部分的汽缸周壁上开有进气口（42），作功部分汽缸周壁上开有排气口（43），转子轴承孔与转子内壁之间的侧壁上沿圆周开有一系列小油孔（45）用作滑油导流通道。

如图所示，叶片（19，20）及转子（14，23）沿顺时针方向转动，压气部分与作功部分叶片的角度差为70-90度，转子偏置于汽缸（33，37）的左上部，其外壁切入汽缸内壁1-3毫米，以便更可靠地构成密封，导气道（25）开在左上部的汽缸（33、37）壁内，开口于汽缸内周壁与转子形成的密封处。见图2a，作功部分的导气道下游相近位置设置着火花塞（24），导气道与火花塞的夹角为10-20度。凹入的燃烧室（18）设置在作功部分转子（14）临近叶片开口的上游侧（左侧），，这样当燃烧室转至与导气道相对时接受由导气道导入的压缩后的燃料空气混合气，而转至与火花塞对应点火时转子外壁已将导气道封住。排气口（43）开设在汽缸周壁的左下侧，这样从火花塞到排气口为燃烧过程提供了长达210-225度的作功转角，充分利用了燃烧能量。见图3a，压气部分导气道（25）的位置与作功部分的相同，进气口（42）开设在汽缸周壁的右上侧，这样为压气过程提供了200-210度的作用角度。在压气部分转子（23）临近叶片开口的上游侧（右侧）设有导气槽（22），用以容纳压缩气体。上述汽缸，转子及叶片等的经向尺寸是相同的，而实现最佳的压气与作功部分的工作容积比则是通过上述部件轴向长度的不同来实现，这种方式使该机便于加工制造，且容积比易于得到调整。目前最佳的轴向长度比为0.7∶1。

该机的工作过程如下：起动时输出轴（10）被旋转一周，压气部分的叶片将吸入的燃料空气混合气压缩至导气槽（22）中，当导气槽（22）与导气道（25）相对时，作功部分的燃烧室（18）正好也与导气道（25）相对，则混合气被导入燃烧室（18）中，当燃烧室（18）转至与火花室相对时，转子（14），已将导气道（25）通向作功部分的开口封死，而同时转子（23）也已将导气道（25）通向压气部分的开口封死，因而点火时燃气推动叶片（19）作功并排出上一次的废气，同时带动压气部分进行吸气/压缩过程。由于点燃时导气道被两个转子同时封住（两道密封），从而有效地防止了燃气向压缩部分的泄漏，而且又省去了现在技术中复杂且可靠性差的盘形阀，这也是本发明的明显特征之一。

另外，由于起动时在导气道内没有压缩气体，因而在头一转时作功部分工作腔内会产生负压导致起动困难，因此在作功部分的气缸壁相应于工作腔的部分（例如图2b的右下方）设置了一单向阀门（44），用以在腔内产生负压时吸入空气消减负压。该单向阀门可以是一个升阀（类似气门），由弹簧压在封闭位置。

Claims (9)

1、一种组合式叶片旋转发动机，包括压气部分、作功部分，相应的起燃、润滑、冷却系统，其特征在于：

(1)作功部分包括：至少一个圆柱形汽缸；位于汽缸轴线上的一根延伸至压气部分的输出轴；与输出轴相固接并沿径向延伸到汽缸内壁的相应单叶叶片；位于输出轴与汽缸之间偏置于气缸轴线并由轴承支承于汽缸侧壁上绕自身轴线转动的圆筒状偏心转子，其外壁与汽缸内壁相切构成密封；该偏心转子筒状壁上带有一供叶片伸出的长条形轴向开口，开口中设置有可让叶片相对于转子伸缩摆动的滑块；

(2)压气部分包括：至少一个与作功部分汽缸相邻并同轴的圆柱形汽缸，与上述输出轴伸入该汽缸中的部分相固接并径向延伸至汽缸内壁的单叶叶片以及设置在轴与汽缸之间偏置于汽缸轴线并由轴承支承于汽缸侧壁上绕其自身轴线转动的圆筒状偏心转子，其外壁与汽缸内壁相切构成密封，该偏心转子的筒状壁上带有一供叶片伸出的长条形轴向开口；开口中设置有可以让叶片相对于转子伸缩摆动的滑块；

(3)所述作功部分的汽缸壁上设置有排气口，而压气部分汽缸壁上设置有进气口，两相邻汽缸的壁上设置有相互连通的导气道，以便通过其将压缩后的气体从压气部分导至作功部分。

2、如权利要求1所述的旋转发动机，其特征在于：所述筒形转子切入汽缸内壁1-3毫米。

3、如权利要求1所述的旋转发动机，其特征在于：所述滑块为一对半圆柱体，可摆动地设置于转子开口侧壁上的两个相对半圆柱形凹槽中，从两侧夹住叶片并使之可进行相对伸缩运动。

4、如权利要求1或2或3所述的旋转发动机，其特征在于：在所述作功部分转子临近叶片的上游侧设置有一断面呈三角形的燃烧室;在所述压气部分转子临近叶片的下游侧设置有一断面为浅楔形的导气槽。

5、如权利要求1或2或3所述的旋转发动机，其特征在于：所述导气道位于汽缸壁内并且开口于相应汽缸内周壁上与转子相切的部位;所述进、排气口开设在汽缸周壁上;所述进气与作功部分中的叶片间夹角为90-30度;所述作功部分导气道与所述排气口之间沿叶片运转方向的夹角为325-265度，所述压气部分的进气口与导气道沿叶片运转方向的夹角为245-215度。

6、如权利要求1所述的旋转发动机，其特征在于：作功部分与压气部分具有相同的径向尺寸，而其轴向厚度比为1.7∶1。

7、如权利要求1所述的旋转发动机，其特征在于：所述叶片顶部带有“L”形密封条、转子侧壁上设有环形密封圈，开口处上游方向的半圆柱形凹槽中沿轴向设有密封条，用以在槽与半圆柱形滑块间提供密封。

8、如权利要求1所述的旋转发动机，其特征在于：所述起燃系统中带有至少一个火花塞，位于导气道下游临近处的气缸壁上，与导气道的夹角为25-19度。

9、如权利要求1所述的旋转发动机，其特征在于：在所述作功部分汽缸壁相应于工作腔的位置上设置有一单向阀门。

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