CN106948936A - 一种转子式发动机 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种转子式发动机，涉及先进发动机技术领域。包括三个功能级：压缩级、燃烧级和膨胀级，其特征在于，各级之间相互独立，通过主轴串联成一个整体，其中每一级都有一个或几个热力转化单元组成。所述热力转化单元在不同的功能级分别为压缩机、燃烧器和膨胀机，主要由主转子、辅转子、壳体和正时装置组成，主要部件都是回转体加工，其中主转子和辅转子外径相切且主转子外径是辅转子外径的2倍，辅转子的角速度是主转子角速度的2倍，所述壳体中包含固定进气口和排气口，所述正时装置是包含周向气口的圆柱片，所述正时装置和所述壳体通过梳齿进行密封处理。所述压缩机、燃烧器和膨胀机的核心部件都是正时装置。

Description

一种转子式发动机

技术领域

本发明涉及发动机技术领域，特别是一种高效率、低排放、大功率密度和高可靠性的发动机系统。

背景技术

经过一百年的发展，传统发动机的效率依然处于较低的水平，公认的内燃机的效率达到30％以上，但随着效率的提高，环保变得越来越难，去年出现的大众“排放门事件”便是一个事实；飞机或船舶上的燃气轮机，由于采用等压循环原理，其效率低，哪怕在地面上作为分布式能源发电，单个燃气轮机的效率也没有超过30％的，故燃气轮机一般采用蒸汽联合发电。

为了提高内燃机的热效率，传统往复式活塞内燃机对废气的能量进行再利用，一般是采用废气涡轮增压方式，如增压柴油机、增压汽油机等。然而，采用废气涡轮增压方式获得能量并未直接应用到热力系统循环做功中，而是用来提高进气压力，增加进气密度，以减少泵气损失和提高单位容积的功率密度来提高热效率。其次，尽管废气涡轮增压器结构紧凑，但废气能量回收采用叶片式涡轮机和叶轮式压缩机，其效率较低，转速高，噪声大。再次，废气通过涡轮机之后仍具有一定的能量，即温度和压力没有得到充分的利用。最后，传统往复式活塞内燃机由于燃烧局部温度较高(局部最高温度可达2800K)、油气混合不均匀、活塞环漏气、活塞环狭隙和体积淬熄等原因，致使其HC、CO(汽油机上)、PM、NOx(微粒，柴油机上)等有害污染物排放高。尽管目前科学界提出在往复式活塞内燃机上采用HCCI(均质压燃点火)方式可大大减少NOx和PM，但是不管在汽油机上还是柴油机上其实现的工况范围非常有限，应用性难以得到推广。

燃气轮机是一种以连续流动的气体作为工质、把热能转换为机械能的旋转式动力机械。在空气和燃气的主要流程中，只有压缩机、燃烧室和燃气透平这三大部件组成的燃气轮机循环，通称为简单循环。大多数燃气轮机均采用简单循环方案。因为它的结构简单，而且能体现出燃气轮机所特有的体积小、重量轻、起动快、基本不用冷却水等一系列优点，然而简单循环的燃气轮机排温高(900℃左右)，致使其热效率不高。虽然在简单循环的基础上增加了一些过程，包括压缩之间的冷却过程和排气换热等过程，其热效率有所提高。但是，传统的燃气轮机从外界吸入的空气全都要经压缩机增压，压缩机耗功大，约占膨胀功的1/2到2/3左右。其次，通过燃气透平的废气仍具有一定的能量，即温度和压力没有得到充分的利用。再次，燃气轮机在负荷变化的况情况下，热效率低。总之，传统燃气轮机的热功转化效率低。

很多年以来，人们一直希望找到一种高效率、大功率的发动机，即压缩、膨胀像活塞式内燃机一样，而运行像燃气轮机一样，要达到这个想法，必须结合活塞式内燃机和燃气轮机的优点。

发明内容

该发动机由三个功能级组成，第一级是压缩级，第二级燃烧放热级，第三级是膨胀做功级，不同功能级之间相互串联，形成一个完整的连续内燃发动机。每个功能级的主体结构都是回转体式且大致结构类似，以压缩级为例，主要包括主转子、辅转子和正时气口，其中主转子和辅转子外径相切且主转子外径是辅转子外径的2倍。当运转时，主转子在转动同时，辅转子也在同步齿轮的带动下同步旋转，至每个啮合位时叶片与凹槽啮合，主转子叶子就巧妙地绕过辅转子，通过恰当的气口布置和正时装置(图中没有表达)的正时控制，便可实现不断地进气压缩功能。此过程实现的核心是正时装置，正时装置是一种低气阻正时结构，不但能实现进排气正时，还可以大大降低进排气过程的流动损失。

压缩级实现气体容积式压缩，燃烧级实现连续定容燃烧，膨胀级实现气体容积式膨胀，不同功能级串联起来组成一台完整的发动机。

该发动机的优点有：

(1)由于发动机的主体是回转体结构，工质做功的方向与主轴输出的方向完全相同，因此所有的密封都可以采用间隙密封(不接触密封)，这样发动机对润滑和冷却的要求大大降低，可以大幅度减少摩擦损失和散热损失；由于机构可以实现连续定容燃烧，大大提高了燃烧效率；由于压缩和膨胀过程相互独立，可以很容易实现阿特金森循环，使燃烧后的工质充分膨胀做功；另外，由于采用正时装置，可以去除进排气阀门，大大降低了泵气和节流损失。综合起来，这种发动机技术更接近理论循环效率。

(2)由于该发动机结构实现连续定容燃烧，因此很容易采用稀薄燃烧技术。通过稀薄燃烧，燃烧温度控制在2000K以内，从源头上大幅度降低了NOx的产生，另外，通过混合气预混合，燃烧充分，也几乎无颗粒物产生，所以该系统一次排放很容易达到欧五(国五)排放标准，而且只需采用简单的排气后处理系统，即可达到国六(欧六)排放标准。

(3)由于发动机采用连续燃烧，其功率可以比肩于燃气轮机，而且由于不接触密封，发动机的转速可以设计得非常大，转速的提高也将大大提高发动机的比重量功率。跟四冲程内燃机相比，此发动机每转一圈(360度)，膨胀做功4次，而四冲程内燃机每转两圈(760度)才做功1次，因此该发动机的比重量功率远远大于传统四冲程发动机。

(4)由于发动机主体结构是回转体，没有复杂的结构组成，而且采用的零部件数目比传统内燃机大大减少，故结构比较简单、加工十分容易、造价低；由于发动机的密封摩擦小，不存在高温摩擦润滑问题，加上机构主要是旋转运动，不存在往复冲击力，故易损件极少，可连续可靠运行。

(5)叶片和转子轴平行，气体膨胀的力矩完全用于主轴做功，机械效率高。

(6)由于辅转子产生力偶作用，加上没有其他易冲击部件，故工作运行平稳、噪声低。

附图说明

图1为本发明转子式发动机系统示意图。

图2为本发明热力单元及正时装置示意图。

图3为本发明压缩机进气过程示意图。

图4为本发明压缩机压缩过程示意图。

图5为本发明压缩机排气过程示意图。

图6为本发明膨胀机进气过程示意图。

图7为本发明膨胀机膨胀过程示意图。

图8为本发明膨胀机排气过程示意图。

图9为本发明燃烧器结构示意图。

图10为本发明燃烧器工作过程A。

图11为本发明燃烧器工作过程B。

图12为本发明燃烧器工作过程C。

图13为本发明燃烧器工作过程D。

图14为本发明燃烧器工作过程E。

图15为本发明燃烧器工作过程F。

图16为本发明燃烧器工作过程G。

具体实施方式

结合图1和图2对发动机系统进行说明。

所述一种转子式发动机系统包括三个功能级：压缩级1、燃烧级2和膨胀级3，各级之间相互独立，通过主轴串联成一个整体，其中每一级都有一个或几个热力转化单元组成，所述热力转化单元在不同的功能级分别为压缩机(一级压缩机11、二级压缩机12)、燃烧器21和膨胀机31。所述一级压缩机11和所述二级压缩机12结构相同，都由第一组进气正时装置111、第一组排气正时装置112、第二组进气正时装置114、第二组进气正时装置113、第一辅动轮115、第二辅动轮116、动力轮119、壳体110组成，其中，所述第一辅动轮115、第二辅动轮116是带有凹槽(图中117和118特征)的回转体，所述动力轮119是带有两个凸起110的回转体。所述燃烧器21由第一组进气正时装置211、第一组排气正时装置212、第二组进气正时装置213、第二组排气正时装置214、第一辅助轮215、第二辅助轮216、第一辅助轮凹槽217、第二辅助轮凹槽218、动力轮210、动力轮凸起219、上喷油器2110、下喷油器2111和壳体2114组成，其中，壳体2114和动力轮凸起219构成初燃烧室2112、后燃烧室2113。所述膨胀机31由第一组进气正时装置311、第一组排气正时装置312、第二组进气正时装置314、第二组进气正时装置313、第一辅动轮315、第二辅动轮316、第一辅动轮凹槽317、第二辅动轮凹槽318、主动轮319和壳体310组成。发动机的主要结构都是由主转子、辅转子、壳体和正时装置组成，并且都是回转体加工，其中主转子和辅转子外径相切且主转子外径是辅转子外径的2倍，辅转子的角速度是主转子角速度的2倍。气流流动方向是：新鲜空气首先进入所述压缩级，压力得到提升，压缩后的空气进入所述燃烧级，此时燃料通过喷嘴喷入燃烧室，经过定容燃烧，燃烧后的工质进入所述膨胀级，进行充分膨胀做功，实现动力输出。

所述正时装置由所述壳体中包含的固定进排气口(图示41、44、46、48)、正时器43组成，其中，所述正时器43包含正时气口42和47，且正时器43和主动轮联动，运转速度相同。所述正时装置和所述壳体通过梳齿进行密封处理。通过主辅动轮的配合及正时装置的正时作用，所述压缩机实现回转体的内压缩过程，当压力大于排气背压时开始排气；所述燃烧器实现移动式等容燃烧并且连续燃烧；所述膨胀机实现回转体的内膨胀过程，并且通过正时实现工质充分膨胀。

结合图3-图5对压缩机工作过程进行介绍。

如图3所示，当正时器的气口与壳体的固定气口重合，此时低温低压的工质进入空腔，并充满环形气缸，此时，主动轮继续转动，当主动轮的凸起绕过壳体的固定气口(图4)，开始压缩进入空腔的工质，当正时器的气口与壳体的固定排气口重合，此时开始排气过程(图5)，并完成从低温低压的工质变为高温高压的工质的热力过程。以水平轴线为分界，主动轮转一转，吸气、压缩四次、排气四次，如此往复。

如图6所示，正时外壳、主转子叶片、辅转子共同构成环绕主转子的密封基元容积，当主转子和正时外壳一起转动时，正时外壳气口开始与壳体进气口重合，此时高温高压的工作介质进入基元容积，开始进气过程。

工质在基元容积中膨胀推动主转子转动输出功率。主转子和正时外壳同时旋转，当正时外壳气口开始与壳体排气口重合，环形气缸内的工质转到出气口后排出，开始排气过程。在主转子转动同时，辅转子在同步齿轮的带动下同步旋转。至每个啮合位时叶片与凹槽啮合，主转子叶子就巧妙地绕过辅转子，然后阴主转子又形成一个啮合点，主转子转动360度，吸气、膨胀四次、排气四次，如此往复。

进一步对燃烧器的结构和工作过程进行描述。

结合图9，燃烧器的主动轮和两个辅动轮的基圆相切，通过凸起和凹槽相互配合，形成相互独立的容积腔。主动轮基圆、主动轮凸起和壳体形成定容燃烧室(燃烧过程中燃烧室通过凸起与进排气腔隔离)，因为是回转体，通过设计尺寸以及加工精度，保持主动轮凸起和壳体采用不接触密封。在壳体上有固定的气口，气口布置有正时装置，用于进气和排气，进气和排气的角度约40～60度。喷嘴点火器，在燃烧装置工作过程中，进行连续燃料喷射，形成连续燃烧(燃料喷射量不显著随气缸压力变化而变化)；在燃烧装置里，各有两个容积腔在进行同样的过程(进气、燃烧、排气过程)。

图10中，主动轮凸起52与辅动轮组成的容积腔开始进气，主动轮凸起51与辅动轮组成的容积腔继续排气；图11中，主动轮凸起51与主动轮凸起52组成的容积腔继续进气；图12中，主动轮凸起51与主动轮凸起52组成的容积腔进气过程结束。

图13中，燃料开始喷入主动轮凸起51与主动轮凸起52形成的容积腔，由于此时容积腔温度已经达到着火温度，燃料一喷入容积腔便开始燃烧过程；图13到图14的过程，由于从燃烧开始到燃烧结束，主动轮凸起51与主动轮凸起52形成的燃烧室始终与进排气腔相隔离，容积不变，故为等容燃烧过程，燃烧角度大约45度，有效解决了内燃机中的燃烧点火提前和后燃问题；图14到图15的过程，主动轮凸起51刚通过喷嘴，主动轮凸起51与主动轮凸起52形成的容积腔结束燃烧，喷嘴把燃料喷入其相邻的容积腔，继续燃烧，即实现连续燃烧。

图14中，主动轮凸起51通过燃料喷射器，燃料停止喷入图示容积腔，燃烧过程结束，开始排气过程；图15到图16的过程中，主动轮凸起51继续把剩余的燃烧废气排出容积腔；图15中，主动轮凸起51与主动轮凸起52组成的容积腔排气过程结束。

Claims (10)

1.一种连续内燃发动机，包括三个功能级：压缩级、燃烧级和膨胀级，其特征在于，各级之间相互独立，通过主轴串联成一个整体，其中每一级都有一个或几个热力转化单元组成。新鲜空气首先进入所述压缩级，压力得到提升，压缩后的空气进入所述燃烧级，此时燃料通过喷嘴喷入燃烧室，经过定容燃烧，燃烧后的工质进入所述膨胀级，进行充分膨胀做功，实现动力输出。

2.如权利要求1所述的一种连续内燃发动机，其特征在于，所述热力转化单元在所述压缩级是指压缩机，在所述燃烧级是指燃烧器，在所述膨胀级是指膨胀机，其中，所述压缩机、膨胀机、等容燃烧器都是带正时装置的回转体加工，且相互运动部分采用不接触密封。

3.如权利要求1和权利要求2所述的一种连续内燃发动机，其特征在于，所述压缩机是带正时装置的容积增压结构，当压力大于排气背压时开始排气；所述燃烧器也带正时装置，实现移动式等容燃烧并且连续燃烧；所述膨胀机也是带正时装置的容积膨胀结构，通过正时装置，工质充分膨胀后才排出。

4.如权利要求1和权利要求2所述的一种连续内燃发动机，其特征在于，所述热力转化单元由主转子、辅转子、壳体和正时装置组成，主要部件都是回转体加工，其中主转子和辅转子外径相切且主转子外径是辅转子外径的2倍，辅转子的角速度是主转子角速度的2倍，所述壳体中包含固定进气口和排气口，所述正时装置是包含周向气口的圆柱片。

5.如权利要求1和权利要求2所述的一种连续内燃发动机，其特征在于，所述主转子包含沿径向方向的2片或4片凸起状叶片，所述辅转子包含沿径向方向的1片或2片凹槽，所述主转子的凸起状叶片和所述辅转子的凹槽间隙配合，实现密封效果。

6.如权利要求1和权利要求2所述的一种连续内燃发动机，其特征在于，所述正时装置和所述主转子同轴，同步旋转，所述正时装置装在壳体上，其气口和壳体的固定气口间歇性重合，形成间歇性进排气过程，实现配气正时。

7.如权利要求4和权利要求6所述的正时装置，其特征在于，端面通过梳齿进行密封。

8.如权利要求4所述的热力转化单元，其特征在于，所述主转子和所述辅转子往复间隙配合，与所述壳体、所述主转子中凸起状叶片形成密闭空间，其中，凸起状叶片与壳体不接触，实现间隙密封，工质在密闭空间中分别完成压缩过程、定容燃烧过程和膨胀过程。

9.如权利要求1和权利要求2所述的热力转化单元，其特征在于，包含两个对称的所述辅转子，所述辅转子对所述主转子产生的力形成力偶。

10.如权利要求1-6所述的一种连续内燃发动机，其特征在于，通过正是装置的配合，可以实现连续定容燃烧。