CN106870124B - 一种凸轮转子内燃发动机动力系统设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种凸轮转子内燃发动机动力系统设计方法属于一种内燃发动机设计领域，特别是涉及一种凸轮转子内燃发动机设计方法。设计方法利用凸轮升程和回程造成凸轮轮廓面的尺寸变化，再利用内腔回转面构件的内表面、外回转面构件的外表面以及相应的端部构件将凸轮的其它表面以接触密封的关系包容起来，进而形成非均匀的环形间隙，并使凸轮随内腔构件和外回转面构件之一相对另外一个做定轴回转，再用一组凸轮从动件安装在未与凸轮固定的内腔构件或外回转面上。设计方法实现奥托循环经典四过程是采用容积变化实现，转速高低影响小。通过控制系统配合实现多种工作模式件的柔性转换，适应性高，系统可设计性好，尤其适合配合计算机进行柔性自动控制。

Description

一种凸轮转子内燃发动机动力系统设计方法

技术领域

本发明属于一种内燃发动机设计领域，涉及一种凸轮转子内燃发动机动力系统设计方法。

背景技术

活塞内燃机的特点是通过活塞在气缸内作往复直线运动，并通过曲柄滑块机构实现曲轴回转运动输出。在曲轴回转两周时活塞内完成一次奥托循环。由于活塞内燃机的奥托循环的进气、压缩、燃烧膨胀、排气四个工作过程是对应活塞的四段直线运动，因而分别称作进气冲程、压缩冲程、做功冲程、排气冲程。人们通常认为，活塞式内燃机热效率高、结构紧凑，机动性强，运行维护简便等优点，甚至认为活塞内燃机的动力装置，尤其是机械结构，已经达到登峰造极的程度。然而，活塞内燃机的曲柄回转两周，才能完成一次奥托循环，输出动力的做功过程只占四分之一，因而运动波动大。其间还需要通过凸轮控制的进、排气门进行配合，传动环节多。目前活塞式内燃机仍有许多不尽如人意之处，特别是其热效率只有40％左右。受曲柄滑块机构特性限制，做功冲程产生的化学能很难有效利用。如燃料爆发力最强大的时段，恰恰对应曲柄处于死点附近，爆发力变成内力主要作用于轴承上内耗掉了，最大力臂长度和活塞行程取决于曲柄长度，对应最大力臂处，燃料的爆发力以下降很多。这也是活塞内燃机效率难以提高的一个根本原因。

三角转子内燃机，又称三角活塞旋转式发动机、米勒循环发动机，它是目前唯一一个成功商业化的转子内燃机。这种内燃机由德国人菲加士·汪克尔发明，所以也叫汪克尔发动机。三角转子内燃机利用一个或多个具有等径特性的曲边三角形转子，在类似椭圆形的特定内腔廓型转子仓内作强迫行星运动，代替活塞的作用，将压力转化为旋转运动。完全不同于活塞内燃机的往复直线运动，转子在一个方向上连续旋转，而不是象活塞发动机中的活塞那样剧烈地改变方向。转子有三个面与缸壁正好可以形成三个燃烧室三角转子把汽缸分成三个独立空间。由于转子本身旋转时，即可有规律地露出进排气孔，所以不须象活塞内燃机一样配备专门的气门，三个空间各自先后完成进气、压缩、做功和排气，三角转子自转一周，发动机点火做功三次。三角转子内燃机精简结构，体积小，质量轻，运行安静,噪声小，具有均匀的扭矩特性。

三角转子发动机虽然较好地解决了端面密封和径向密封问题，并具有动力强劲等很多突出的优点，但仍存在核心件加工要求过高，对磨损过于敏感、压缩比调整困难、热效率低等关键问题，燃烧效率仍难提高。同时，类似于活塞内燃机，三角转子内燃机结构的可拓展性也是有限的。另外燃料产生的膨胀力在转化为输出轴的动力时，力的传递存在天然缺陷。膨胀力虽然能推动转子转动，但其作用合力对转子轴的力矩却很难提高，同样内耗比例过高。

发明内容

本发明为克服现有技术的缺陷，受凸轮机构在泵和马达结构中应用的启发，再针对内燃机奥托循环特殊要求进行改造，在突破的四个过程有序转换的关键技术以后，发明一种凸轮转子内燃发动机动力系统设计方法。凸轮转子内燃机直接将可燃气的燃烧膨胀力转化为驱动扭矩，转子内燃机有多种结构方案，原理差异也较大，但都是利用旋转的方式来改变工作腔容积，进而实现燃料气的热力循环。燃烧产生的动力直接作用于定轴回转的输出转子上，无需任何运动变换过程，从而运动传递环节短，有利于提高传动效率。系统可做到无任何偏心回转，系统平衡容易实现，因此运动平稳。加上无往复运动件，动力损耗小，系统震动小，可实现低噪音运行。可在统一结构中通过控制系统配合实现多种工作模式件的柔性转换，适应性极高，尤其适合配合计算机进行柔性自动控制。

本发明采用的技术方案是一种凸轮转子内燃发动机动力系统设计方法，其特征是，设计方法涉及动力系统中的内腔构件，外回转面构件、凸轮、端部构件、凸轮从动件、气门和气门控制装置；内腔构件的内表面有回转面；使凸轮随内腔构件和外回转面构件之一可相对另外一个做定轴回转；先通过内腔构件的内表面、外回转面构件的外表面以及相应的端部构件将凸轮包容起来，除凸轮轮廓面以外的其它表面均构成接触密封关系，借助凸轮升程和回程造成凸轮轮廓的尺寸变化，形成非均匀变化的环形间隙；再用一组凸轮从动件安装在未与凸轮固定的内腔构件或外回转面上，利用凸轮从动件与光顺凸轮轮廓面间的高副连接可构成接触密封的特性，将前述环形间隙沿周向分隔成多个密封腔室，它们的容积会随凸轮和从动件的相对运动而增大和减小交替变化；

用气门控制装置控制气门，连通各腔室的进排气口，有序地控制其中气体的流向；控制气门开关的时序，即可顺序完成奥托循环；膨胀做功过程将燃料燃烧产生的化学能以高压的形式作用在凸轮轮廓和凸轮从动件之间，从而使两者以相对回转运动形式输出机械能；动力系统方法包括如下步骤：

a.凸轮结构类型的选择

凸轮的形状有盘形凸轮和端面凸轮；

所谓盘形凸轮，是指构成凸轮机构的工作轮廓设置在回转体的回转面上，从而驱动其从动件在垂直于凸轮回转轴的平面内运动的凸轮；这里的回转体表面最常用的是圆柱面，也可以是其它任何平面曲线段作母线以同一平面内的一条直线作回转轴旋转形成的轨迹，锥台形、鼓形、腰鼓形、球面形属于此类；

所谓端面凸轮，是指构成凸轮机构的工作轮廓设置在回转体端面上，从而驱动其从动件在平行于凸轮回转轴的平面内运动的凸轮，如圆柱端面凸轮，圆锥端面凸轮，球截面凸轮属于此类；

不同的凸轮结构类型可适应不同的工作需求，也需要解决不同的密封、安装问题，因此应首先选定；

b.凸轮从动件的类型的选择

凸轮从动件的运动形式分为直动从动件、摆动从动件、或平面运动从动件，直动从动件又分对心直动和偏心直动两种，摆动从动件也可有定轴摆动和圆弧槽摆动的不同；运动形式不同安装方式差异较大，制造难易程度和结构强度也不同；

凸轮从动件与凸轮接触的工作端又分为尖顶、圆顶，磙子，和平顶等形式，这里绝对的尖顶和大尺寸的平顶结构是不适宜的，主要应采用顶端具有圆滑过渡的结构；从动件采用单体结构，或多片或多段的组合结构，或带小幅摆动头的组合结构，从动件工作端与凸轮轮廓宽度方向的接触也应处处满足密封要求；

c.凸轮从动件的数量选择及运动封闭形式的选择

凸轮从动件的数量将决定所设计的动力系统的密封工作腔室的数量，最少为两个；空间允许的情况下，采用较多的数量，虽然结构相对复杂，但有利于实现对动力系统进行柔性控制；运动封闭形式以力封闭方式较容易，封闭力采用弹簧力、液压力或电磁力，还可借用运转过程中产生的离心力或气压力；从动件数量少时，采用带变形补偿的几何封闭方式也是可选的；

d.凸轮从动件的运动规律选择及凸轮机构运动参数设计

主要包括凸轮突峰的数量，升程和回程的对从动件运动的控制规律，远近休止角的有无，其所对应的运动角的选择，升程的大小；升程和回程变化规律的设计原则应使从动件在运动时不产生刚性冲击，即无速度突变，有利于接触密封和提高寿命；升程的选择以及环形间隙结构参数的选择会影响进气量、压缩比，动力性能；

休止区的设置既有利于减少从动件的运动，有利于减轻接触部位的磨损，延长使用寿命，也可满足从动件控制转换时的需要；

e.设计动力输出的转动件

与凸轮固定相连的构件、与凸轮从动件相连的构件均可作为动力输出的转动件；端部构件在与两者均保持端部密封和使两者间相对定轴转动的前提下，可与两者之一固定为一体，也可相对两者独立；

f.密封结构设计

对需要密封处进行结构设计，满足使用中的密封要求并有足够的使用寿命；

g.气门控制装置结构及功能设计

气门控制装置选择电磁控制、液压控制或机械传动控制实现对气门的控制；前两者尤适于从动件数量较多场合；设计气门控制方案及相应的实现措施。

设计方法步骤d中在凸轮轮廓曲线中设置使凸轮从动件高副连接端有保持静止的远休止段或近休止段，实现凸轮从动件相对简单的运动规律，减小磨损；有确定休止区段的向心角的步骤。

设计方法还包括设置凸轮从动件擒纵装置的步骤，选择凸轮从动件擒纵装置的实现方式为电磁控制、液压控制或机械传动控制；依据所选方式，和使用要求并制定其控制规则，适时地卡住或放开凸轮从动件，以实现工作过程的柔性控制。

设计方法还包括设置点火装置或燃料加注装置的步骤，点火装置设置在混合气达到规定压缩比时燃烧室对应的位置，燃料加注入口设置在进气过程和压缩过程对应的区间内。

设计方法还包括成套化步骤，将所述动力系统单套或多套，配合其他辅助系统，包括润滑系统、冷却系统、配气系统、控制系统，构成完整的内燃机系统。

本发明的有益效果是设计方法实现奥托循环经典四过程是采用容积变化实现，转速高低影响小。通过控制系统配合可实现多种工作模式间的柔性转换，适应性极高，尤其适合配合计算机进行柔性自动控制。系统可设计性高，调节燃烧性能和动力性能的参数范围大，大幅度提高热效率。可做到无任何偏心回转，运动平稳，动力损耗小，系统震动小，可实现低噪音运行。体积小，易于实现扁平化和细长化，可适应不同的适用空间需求。结构简单，无需使用加工精度要求极高的叶轮和三角转子，因此制造成本低。活动件少，对磨损不敏感，易于实现自动补偿，可靠性高。可使用多种燃料，燃料燃烧产生的动力直接作用于定轴回转的输出转子上，无需任何运动变换过程，运动传递环节短，有利于提高传动效率。

附图说明

图1是采用本设计方法的一种动力系统的基本结构图，也是图2B-B的剖视图，图2是图1的A-A俯视图。其中，a01-内腔体构件安装滑块作转子仓，a02-凸轮和外回转面构件构成的转子，a03-凸轮从动件为直动滑块，a04-上端部构件，a05-带气门的进排气口，a06-点火装置，a07-弹簧，a08-下端部构件。

图3为带凸轮从动件控制装置的一种结构立体示意图，其中，b01-内轮廓凸轮和内腔体构件组合构成外转子，b02-外回转面构件作中心固定机架并安装凸轮从动件摆块，b03-凸轮从动件为摆动块，数量6个，b04-上端部构件，b05-带气门的进排气口，b06-燃料加注装置，b07-摆块擒纵装置，b08-气门联动控制装置，b09-下端部构件。

图4为用滑块凸轮从动件和凸轮内转子的一种结构立体示意图，其中，

c01-内腔为圆柱的转子仓构成机架，c02-作为外回转面构件的中心轴与外轮廓盘形凸轮结合为转子，c03-凸轮从动件为滑块，数量6个，c04-上端部构件，c05-带气门的进排气口，c06-点火装置，c07-滑块擒纵装置，c08-上端部构件。

图5为以圆柱端面凸轮为基础的系统结构实例剖视图，其中，d01-内腔为圆柱形的转子仓，d02-作为圆柱中心轴与圆柱端面凸轮结合为内转子，d03-凸轮从动件为轴向直动滑块，数量2个，d04-上端部构件，与转子仓固定，d05-带气门的进排气口，d06-点火装置，d07-下端部构件。

图6为以球结构为基础的系统结构实例剖视图，其中，e01-内腔为球形的转子仓，分上下剖分形式，下体兼做端部构件密封，e02-作为外回转面构件的中心轴e07与球截面空间凸轮结合为内转子，e03-凸轮从动件为球面摆动滑块，数量2个，e04-端部构件居球形内放置，与转子仓固定，e05-带气门的进排气口，e06-点火装置。

图7为图4结构的一种柔性控制工作过程说明图。

具体实施方式

下面结合附图和技术方案详细说明本发明的具体实施。

转子内燃机有多种结构方案，原理差异也较大，但都是利用旋转的方式来改变工作腔容积，进而实现燃料气的热力循环。转子内燃机直接将可燃气的燃烧膨胀力转化为驱动扭矩。由于转子内燃机通常无直线运动段与奥托循环的四个工作过程对应，故以下分别称为进气过程、压缩过程、燃烧膨胀过程、排气过程。

发明的基本设计思路是：利用凸轮升程和回程造成凸轮轮廓面的尺寸变化，再利用内腔回转面构件的内表面、外回转面构件的外表面以及相应的端部构件将凸轮的其它表面以接触密封的关系包容起来，而形成非均匀的环形间隙，并使凸轮随内腔构件和外回转面构件之一相对另外一个做定轴回转，再用一组凸轮从动件安装在未与凸轮固定的内腔构件或外回转面上，利用凸轮从动件与光顺凸轮轮廓面间的高副连接可构成接触密封的特性，将前述环形间隙沿周向分隔成多个密封腔室，并用气门在气门控制装置的控制下有控制地连通各腔室的进排气口，有序地控制其中的气体流向。工作腔容积增大时，如果打开进气口关闭排气口，则可实现进气过程，进排气口均关闭，则可满足做功过程的要求；工作腔容积减小时，如果打开排气口关闭进气口，则可实现排气过程，进排气口均关闭，则可满足压缩过程的要求；控制气门开关的时序，即可顺序完成奥托循环的进气、压缩、做功、排气四个过程。膨胀做功过程将燃料燃烧产生的化学能以高压的形式作用在凸轮轮廓和凸轮从动件之上，从而使两者以相对回转运动形式输出机械能。

凸轮可分为外表面凸轮和内腔凸轮、盘形凸轮、柱状凸轮、球面空间凸轮等，加上凸轮的轮廓形状、升程和回程变化规律、远近休止区有无以及数量等的不同，变化形式繁多，均可产生不同的设计结果。凸轮从动件包括直动从动件、摆动从动件，以及直动摆动复合的平面运动从动件几种形式。从动件与凸轮接触的工作端又可分尖顶、圆顶、平顶和磙子等形式。尽管这些因素都可采用相同的原理实现上述思想，但结构布置方式会有一定的差别，为了满足整个工作过程的密封性，从动件的工作端形状应与构成凸轮轮廓的母线相适应，一般采用组合结构。凸轮从动件与凸轮的接触可以通过比较容易实现的力封闭达到，如设置刚度适当的弹簧或引入的液压力、电磁例等，也可通过高精度的或带变形补偿的几何封闭形式实现。

与凸轮固定相连的构件、与凸轮从动件相连的构件均可作为动力输出的转动件。端部构件在与两者均保持端部密封和使两者间相对定轴转动的前提下，可与两者之一固定为一体，也可相对两者独立。

凸轮轮廓面的母线可采用直线、圆弧、样条曲线、正余弦曲线、多项式曲线、椭圆曲线等多种凸轮轮廓常用的曲线，或者由几种组合而成，应使与之构成凸轮机构关系的凸轮从动件在运动时不产生刚性冲击或柔性冲击，即，无速度突变和加速度突变。这样会有利于运转时凸轮从动件与凸轮轮廓间连接的稳定性，也避免接合面出现冲击磨损，从而提高使用寿命。

凸轮轮廓设置远休止段或近休止段，即，使凸轮从动件高副连接端有保持静止的凸轮轮廓段，以实现凸轮从动件相对简单的运动规律，减少其联接部位的相对运动，从而减小磨损。

凸轮从动件与凸轮的接触可以通过比较容易实现的力封闭达到，如设置刚度适当的弹簧或引入的液压力、电磁例等，也可通过高精度的或带变形补偿的几何封闭形式实现。根据必要性设置凸轮从动件擒纵装置，其作用是适时地卡住或放开滑块，以实现工作过程的柔性控制。凸轮从动件擒纵装置和气门控制装置可采用电磁控制或机械传动实现。另外，根据必要性设置点火装置，点火装置设置在混合气达到规定压缩比时燃烧室对应的位置。设置燃料加注装置，燃料加注入口设置在进气过程和压缩过程对应的区间内。

本发明所述单套或多套动力系统，配合其他润滑系统、冷却系统、配气系统、控制系统等其他辅助系统，即可构成完整的内燃机。

以下实施例的气门控制装置均可采用电磁控制或机械传动控制。通过检测输出转子与固定机架件的相位关系，向对应的气门发送气门开关信号。或根据凸轮从动件划分的工作腔的布局，利用相应的机械传动系统联接，适时地开关气门。

实施例一：

图1是采用本设计方法的一种动力系统的基本结构图，也是图2B-B的剖视图，图2是图1的A-A俯视图。动力系统包括转子仓，凸轮转子、直动滑块，上、下端部构件、弹簧、气门和气门控制器；转子仓a01的内腔为圆柱状，凸轮转子a02安装在转子仓a01内，转子仓的内回转面与凸轮转子的凸轮轮廓面间构成向径差有变化的环形间隙；上、下端部构件a04、a08分别安装到转子仓a01的两端，下端部构件a08与转子仓a01和凸轮转子a02构成下端部密封；上端部构件a04与转子仓a01和凸轮转子a02构成上端部密封；两个弹簧a07安装在转子仓a01的内腔和直动滑块a03中，凸轮从动件为直动滑块a03，转子仓a01上加工有对应滑槽,直动滑块a03与凸轮转子a02的接触是通过力封闭的或几何封闭的，直动滑块a03是单体的或由多片或段组合而成的，直动滑块数最少为两个；

凸轮轮廓为有一段远休止区和一段近休止区的外轮廓盘形凸轮，远休止区和进休止区均接近于180°。凸轮从动件为直动滑块a03，数量为2。凸轮与外回转体表面的心轴结合为一体，转子仓作为内腔回转体构件安装滑块。此例转子仓固定有利于方便实现配气。

实施例二：

见图3，内轮廓凸轮和内腔体构件组合构成外转子b01，内轮廓凸轮为直母线盘形，有两段远休止段和近休止区，周向对称布置，远休止段弧长向心角各约70°。近休止区向心角各约为90°。外回转面构件作中心固定机架b02安装凸轮从动件摆块b03，摆块数量6个均布，摆块安装槽除使摆块定轴摆动外，也与端部构件b04构成独立密封腔，可通入压缩气使摆块与凸轮轮廓实现力封闭；带气门的进排气口b05、燃料加注装置b06、摆块擒纵装置b07均设置在中心机架上，从内部进行相关控制；气门控制装置b08与外转子联动发送气门开关信号或驱动气门；动力输出端可利用外转子的外柱面部分或端部。

实施例三：

图4给出转子在内部并通过轴输出的凸轮转子内燃发动机动力系统的一种结构。内腔为圆柱的转子仓c01构成机架，通过径向滑槽安装直动滑块c03作为凸轮从动件，滑块数6个，圆顶，周向均布；外回转面构件的中心轴与外轮廓盘形凸轮结合为转子c02，凸轮有两段远休止段和近休止区，周向对称布置，远休止段弧长向心角各约70°。近休止区向心角各约为90°。滑块槽也与端部构件c04构成独立密封腔，可通入压缩气使摆块与凸轮轮廓实现力封闭；滑块擒纵装置c07设置在滑槽外侧面，带气门的进排气口c05、点火加注装置c06、滑块擒纵装置均设置在转子仓上，从外部进行相关控制；气门控制装置与内转子联动发送气门开关信号或驱动门。

实施例四：

图5为圆柱端面凸轮为基础的系统结构实例。圆柱内腔为转子仓d01，中心圆柱作与圆柱端面凸轮结合为内转子d02，凸轮有一段远休止区和一段近休止区，。凸轮从动件为沿轴向运动的滑块d03，数量2个，端部构件d04与转子仓上体固定并安装滑块，带气门的进排气口d05、点火装置d06也安装在端部构件d04上。

实施例五：

图6为以球结构为基础的系统结构实例。内腔为球形的转子仓e01，分上下剖分形式，下体兼做一侧端部构件密封，作为外回转面构件的中心轴e07与球截面空间凸轮结合为内转子e02，凸轮有一段远休止区和一段近休止区，向心角均略小于180°。凸轮从动件为球面摆动滑块e03，数量2个，对称布置，端部构件e04居球形内放置，与转子仓上体固定，带气门的进排气口e05、点火装置e06安装在端部构件e04上。

图7给出实施例三的一种工作模式片段。图7中用数字指示滑块的序号，每个滑块受滑块擒纵装置独立控制，6个滑块可组合成不同数量的工作腔。如，不用滑块擒纵装置控制任何滑块，可按6个几何工作腔使用；使用滑块擒纵装置，则根据被临时控制的滑块数不同分为5、4、3、2个工作腔等几种。

初始时每腔至少可对应两种不同的工作过程。容积增大时可对应进气或做功过程，减小时可对应压缩或排气过程，容积不变时可对应进气后或做功后休止过程，休止过程虽然容积不变，但伴随热交换过程。因而可组合出大量不同的工作模式。

图中所示为采用4腔工作控制模式，同时被卡住的滑块数为两个，相邻两个几何工作腔受控地组合使用，且初始时各腔按凸轮转动方向依次为进气、压缩、做功、排气。图中“脱控”表示滑块已被擒纵装置放开，“受控”表示滑块已被擒纵装置卡住，“入控”表示滑块被擒纵装置卡住的时机，“解脱”表示滑块被擒纵装置放开的时机。

一组进排气口用字母a、b、c、d、e、f示意，为区别，略长的为进气口，略短的为排气口。图中用小箭头示出气门的动作时机，不带箭头时为保持的状态。工作腔的工作过程简写为进(进气)、压(压缩)、功(做功)、排(排气)，“始”表始开始，“中”表示过程进行，“毕”表示过程完毕，压缩和做功转换中间有点火过程，未标出。假设转子仓固定，转子的回转方向为弧形箭头所示。进、排气路线用带箭头曲线表示。滑块“入控”和“解脱”均在上止点时完成，可避免滑块运动发生冲击。其中的“半压”是指工作介质仅压缩到半程，不再压缩，“剩排”是指燃烧室有废气剩余未排出。

工作过程如下：

序号1，a口对应工作腔独立，准备进气；滑块3和6受控未伸出，b和c口对应工作腔连通，准备压缩；d口对应工作腔独立，点火后即将做功；e和f口对应工作腔也连通，准备排气。

序号2，由于滑块1和4脱控，可在封闭力或几何结构因素作用下沿凸轮轮廓回程段伸出至近休止区，保持分腔边界。凸轮转子转动，各腔过程略进展，即a口腔容积被动扩大，进气；b、c口联合腔容积被动减小，压缩；d口腔做功，加速推动转子向前转动，容积增大；e、f口联合腔被动减小，排气；此时，滑块2和5处于脱控态与凸轮表面接触，保持分腔边界，且已缩回滑槽内，可以入控，而滑块3和6受控态回缩在滑槽内，因为不与凸轮接触，不构成分腔边界，也不可令其解脱伸出，否则会对凸轮造成敲击。

序号3，凸轮升程后沿达到滑块3和6处，并顺滑地与凸轮远休止区形成密封接触后，解脱，构建起新的分腔边界，且不会造成冲击，各腔过程又进展；现在，b、e口腔独立出来，呈六腔分立状态。此时滑块3从b口腔截获燃烧室内半压缩气体，滑块6堵截e口腔燃烧室未排的废气。滑块2和5仍保持缩回在滑槽中，稳定入控，便于下次转换。

序号4，凸轮继续转动，滑块2和5受控不再伸出，从而退出密封，因滑块3和6解脱已接手密封，a和b口对应腔连通重组，b口腔半压缩气合入进气过程，e和d口对应腔连通亦重组，e口腔剩排气混入做功过程，同时，c口腔独立执行做功、f口腔独立执行排气，各腔过程继续。

序号5，直到凸轮升程将滑块4和1刚推回滑槽中，a和b口对应腔完成进气，实现重组进气，提高了进气量；c口腔压缩结束，实现了合腔压缩可以点火；d、e结合完成做功，实现合腔做功，加大了做功行程；f口腔排气结束实现了合腔排气。

至此，开始时的四个过程均已完成，各腔将开始对应的下一过程，凸轮转角为120°。与序号1时比较，以此作初始状态，除角度位置与之相差负60°外，其余均相同，接下来的序号6与序号2也是如此；由此，可推出需经历如上六次类似的过程，亦即转子回转两周后会回到原初始状态，故不再完整展示。

由此可见，转子每转120°，整体即可完成一次奥托循环，而且做功过程伴随始终，每转可完成3次作功，工作过程会无限循环下去，无需飞轮等储能装置动力也会得到连续输出。

本例中可以看出，多数量可控制的凸轮从动件使工作腔的大小在使用中可调，增加了动力输出的柔性，也有利于提高工作腔的几何利用率和燃料能量的利用率，具有突出的优势。从实现滑块控制可操作性分析，滑块擒纵装置虽然可采用机械传动控制或液压传动实现，但采用电磁控制应属最为便捷。

通过以上实例说明了内燃机动力系统的构成、运行方、和使用特点。工作腔的数量可随需求而定。加上从动件控制装置对凸轮从动件的控制和气门控制装置对气门的控制，设计柔性和使用柔性均可充分体现出来。至于单腔容积、压缩比、燃烧室形状等可充分利用径向间隙和轴向长度加以解决。总之，该发明为转子发动机的研究开辟了广阔的空间。

Claims (4)

1.一种凸轮转子内燃发动机动力系统设计方法，其特征是，设计方法涉及动力系统中的内腔构件，外回转面构件、凸轮、端部构件、凸轮从动件、气门和气门控制装置；内腔构件的内表面有回转面；使凸轮随内腔构件和外回转面构件之一可相对另外一个做定轴回转；通过内腔构件的内表面、外回转面构件的外表面以及相应的端部构件将凸轮包容起来，除凸轮轮廓面以外的其它表面均构成接触密封关系，这样借助凸轮升程和回程造成凸轮轮廓的尺寸变化，形成非均匀变化的环形间隙；在此基础上用一组凸轮从动件均布地、以一致的方式安装在未与凸轮固定的内腔构件或外回转面上，利用凸轮从动件与光顺凸轮轮廓面间的高副连接可构成接触密封的特性，将前述环形间隙沿周向分隔成多个密封工作腔室，工作腔室的数量与凸轮从动件数相同，工作腔室的容积会随凸轮和从动件的相对运动而增大和减小交替变化；

用气门控制装置柔性地控制气门，连通各工作腔室的进排气口，有序地控制其中气体的流向；控制气门开关的时序，即可顺序完成包含奥托循环的进气、进后休止、压缩、做功、功后休止、排气6个过程；膨胀做功过程将燃料燃烧产生的化学能以高压的形式作用在凸轮轮廓和凸轮从动件之间，从而使分别与它们固连的内腔构件和外回转面构件以相对回转运动形式输出机械能；

动力系统设计方法包括如下步骤：

a.凸轮结构类型的选择

凸轮的形状有盘形凸轮和端面凸轮；

所谓盘形凸轮，是指构成凸轮机构的工作轮廓设置在回转体的回转面上，从而驱动其从动件在垂直于凸轮回转轴的平面内运动的凸轮；所述回转体表面是平面曲线段作母线并以同一平面内的一条直线作回转轴旋转形成的轨迹；

所谓端面凸轮，是指构成凸轮机构的工作轮廓设置在回转体端面上，从而驱动其从动件在平行于凸轮回转轴的平面内运动的凸轮；

不同的凸轮结构类型可适应不同的工作需求，也需要解决不同的密封、安装问题，因此应首先选定；

b.凸轮从动件的类型的选择

凸轮从动件的运动形式为直动形式、摆动形式或平面运动形式中的一种；运动形式不同安装方式差异较大，制造难易程度和结构强度也不同；

凸轮从动件与凸轮接触的工作端形式为尖顶形状、圆顶形状、磙子形状、平顶形状；凸轮从动件采用单体结构，或多片或多段的组合结构，或带小幅摆动头的组合结构，从动件工作端与凸轮轮廓宽度方向的接触也应处处满足密封要求；

c.凸轮从动件的数量选择及运动封闭形式的选择

凸轮从动件的数量将决定所设计的动力系统的密封工作腔室的数量，最少为两个；从动件运动封闭形式采用力封闭形式，所述力封闭的封闭力采用弹簧力、液压力、电磁力、运转过程中产生的离心力或气压力；

d.凸轮从动件的运动规律选择及凸轮机构运动参数设计

包括凸轮突峰的数量选择，为控制凸轮从动件运动对凸轮升程和回程轮廓曲线变化规律的选择，升程和回程所对应的运动角的选择，升程的大小的选择；升程和回程变化规律的设计原则应使从动件在运动时不产生刚性冲击，即无速度突变，有利于接触密封和提高寿命；升程的选择以及环形间隙结构参数的选择会影响进气量、压缩比，动力性能；

还包括远、近休止角的有无及其数量，在凸轮轮廓曲线中设置使凸轮从动件高副连接端有保持静止的远休止段或近休止段，实现凸轮从动件相对简单的运动规律，减小磨损；有确定休止区段的向心角的步骤；休止区的设置既有利于减少从动件的运动，有利于减轻接触部位的磨损，延长使用寿命，也可满足从动件控制转换时的需要；

e.设计动力输出的转动件

与凸轮固定相连的构件、与凸轮从动件相连的构件均可作为动力输出的转动件；端部构件在与两者均保持端部密封和使两者间相对定轴转动的前提下，端部构件与两者之一固定为一体，或端部构件相对两者独立；

f.密封结构设计

对需要密封处进行结构设计，满足使用中的密封要求并有足够的使用寿命；

g.气门控制装置结构及功能设计

气门控制装置选择电磁控制、液压控制或机械传动控制实现对气门的控制；设计气门控制方案及相应的实现措施，所述气门的柔性控制方案包括以下步骤：在某一个工作腔室容积减小阶段，将该腔在压缩过程和排气过程间进行一次柔性切换；在随后的工作腔室容积增大阶段，在进气过程和做功过程间也进行一次柔性切换。

2.如权利要求1所述的一种凸轮转子内燃发动机动力系统设计方法，其特征是，设计方法还包括设置凸轮从动件擒纵装置的步骤，选择凸轮从动件擒纵装置的实现方式为电磁控制、液压控制或机械传动控制；依据所选方式，和使用要求并制定其控制规则，适时地卡住或放开凸轮从动件，以实现工作过程的柔性控制；在步骤d中,设置远休止段或近休止段，并使其中之一的弧长向心角大于相邻两凸轮从动件间所夹的劣角，能使相邻两凸轮从动件同时处于完全收缩状态；

擒纵装置对凸轮从动件的控制包括以下步骤：步骤一，凸轮从动件处于完全收回状态时，被凸轮从动件擒纵装置卡住，使其脱离与凸轮轮廓的接触，暂时丧失分隔工作腔室功能；步骤二，被卡住的凸轮从动件再次与凸轮接触时，由凸轮从动件擒纵装置放开，使其恢复与凸轮轮廓的接触，恢复分隔工作腔室功能。

3.如权利要求2所述的一种凸轮转子内燃发动机动力系统设计方法，其特征是，设计方法还包括设置点火装置或燃料加注装置的步骤，点火装置设置在混合气达到规定压缩比时燃烧室对应的位置，燃料加注装置的燃料加注入口设置在进气过程和压缩过程对应的区间内。

4.如权利要求3所述的一种凸轮转子内燃发动机动力系统设计方法，其特征是，设计方法还包括成套化步骤，将所述凸轮转子内燃发动机动力系统单套或多套，配合包括润滑系统、冷却系统、配气系统、控制系统在内的辅助系统，构成完整的内燃机系统。

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