CN106988867A - 活塞旋转式内燃机 - Google Patents

Abstract

一种活塞旋转式内燃机，它是由两个内截面为半圆形的环形缸体组成一个内截面为圆形的环形气缸，该缸体内安装两对活塞，还有两个非圆齿轮和两对活塞通过传动机构分别装配为一体，与同一根功率输出轴上的两个偏心齿轮啮合，由偏心齿轮轴输出功率；还有专门的活塞环润滑机构和专门的活塞冷却系统；在燃烧膨胀做功段部分的缸体采用耐热材料制作的缸套，此段缸套与其他机体用隔热材料隔离，这样燃烧做功段的缸体始终保持在高温状态，更利于混合气的燃烧，混合气燃烧的更快更净，热效率更好；还有数种多套缸体串联、并联组合的设计方案，有数种非圆齿轮和偏心齿轮相啮合的设置方案，效率更高，输出功率更大。

Description

活塞旋转式内燃机

技术领域

本发明涉及一种内燃机，特别是一种活塞旋转式内燃机。

背景技术

现有往复式两冲程内燃机耗油量大、热效率低、污染大；四冲程内燃机进排气阀系统复杂、耗功大、活塞、活塞环和缸体始终处于侧摩擦状态，增加了摩擦而增大了功率的损失，同时它们复杂的曲轴连杆机构和活塞的往复运动不仅消耗了大量的功率，而且由于其复杂的惯性运动加大了各受力件动负荷和轴承的磨损，还增加了发动机的震动，严重影响着转速的提高，因而使进一步提高内燃机的性能受到很大的限制。现有专利号：200510072363.7旋转式内燃机，缸体和活塞环之间无法进行有效的润滑，没有有效的多组内燃机组合设计方案，没办法实现大功率动力机械的应用。

发明内容

本发明的目的是为了改进现有往复式内燃机的缸体活塞机构、配气机构和它的曲轴连杆机构，改进现有旋转式内燃机的齿轮箱结构、缸体机构、解决现有旋转式内燃机活塞环与气缸间无法有效润滑，解决多机组不能有效组合的问题而提供的一种新型活塞旋转式内然机。

本发明所提供的旋转式内燃机包括有燃料供给系统、缸体系统、转子系统、活塞系统、齿轮系统、启动系统、润滑系统、点火系统、喷油系统、冷却系统、传动系统；其特征是：它包括有环形缸体（28）的部位设置有专供活塞环润滑的油道（29）,在该油道段的缸体部位设置有梅花状分布的润滑孔（30）,润滑孔（30）用多孔材料填充。本结构非圆齿轮长轴径与短轴径的比例为1.3:1至2:1之间；本结构活塞（14）的弧长等于或者小于两个非圆齿轮的最小夹角(45)的角度。本结构多组内燃机组合时，多个非圆齿轮与其中一个偏心齿轮啮合，也可以每个非圆齿轮分别与一个偏心齿轮啮合；多组内燃机组合时，通过同一根功率输出轴（11）输出功率，也可以用联轴器（46）联接输出功率。将燃烧膨胀做功段部分的缸体采用耐热材料另外设置缸套（47），此段缸套与其他机体用隔热材料（48）隔离。

本旋转式内燃机与现有技术相比所具有的有益效果说明如下：

（1）本结构没有曲轴连杆机构，也没有凸轮气阀机构，结构简单、零件少、做功性能好，运动零件极少，故障少，维护方便，体积小、重量轻、升功率高、比重量小。与同排量往复式四冲程四缸机相比，特征部分零件减少50%以上，重量减轻50%以上，制造简单，生产成本低。

（2）本结构没有曲轴连杆机构、凸轮气阀机构的不平衡运动和活塞的往复运动造成的振动和噪音，相关结构都是按照同一个方向旋转，所有惯性都得到了充分的利用，特别是在两活塞间最小间隙点火时活塞的运行速度是活塞平均运行速度的85％，而且在任何转速下均可做到良好的平衡，运转平稳，有利于转速的大幅度提高。

（3）本结构的活塞牢固的固定在转子上，切始终按照同一个方向旋转，所以活塞与缸体完全没有摩擦，更没有往复机上活塞、活塞环和气缸体侧摩擦现象，不会因侧摩擦而加大功率损失和缸体磨损，更不会因侧摩擦使气缸失圆而造成密封不良。

（4）本结构每个活塞运动时同时做两种功：膨胀和排气，进气和压缩都由一个活塞同时完成，所以活塞环和缸体的摩擦减少50%。

（5）本结构没有气阀机构，也不受位置大小的限制，在进、排气位置可设置多个进、排气孔，其开孔面积足可达到理想的要求，大大降低了换气损失，提高了进气充量，也使废气排放更快更彻底。

（6）本结构在点火处可以设置多个喷油点和火花塞，有利于混合气的燃烧，有利于稀燃速燃技术的应用。

（7）本结构始终在一段没有经过气体燃烧的气缸部位进气及压缩，所以吸进的新鲜空气温度低、密度大，有利于加大压缩比和提高燃烧效率。

（8）本结构有专门供活塞环润滑的油路设置，活塞环与缸体间能得到良好的润滑。

（9）本结构的进气压缩与燃烧作功不在同一汽缸体位置，进气口与排气口也不在同一汽缸体位置，在作功过程中不会发生回火现象，避免了用氢气作为燃料时容易产生回火的难题，所以更适用于氢气燃料的应用。

（10）本结构的串联、并联组合的设计方案、结构紧凑体积小，输出功率更大，特别适合于航空和航海内燃机的应用。

（11）本结构做功段的缸体用耐热材料另外设置缸套，此缸套与其他机体用隔热材料隔离，燃烧做功段的缸体始终保持在高温状态，使混合气燃烧的更快更净，热效率更好，功率更高。

附图说明

图1是内燃机的总装外观图；

图2是图1的俯视图；

图3是图2 A-A位置的总装剖视图；

图4是气缸体的平视图；

图5是图4的俯视图；

图6是缸体上供活塞环润滑的梅花状布置的油路孔位置示意图；

图7是图6中K-K部位的剖视图；

图8是图7中梅花状布置的油路孔的展开图；

图9是缸体上供活塞环润滑的油道位置示意图；

图10是图9中B-B部位的剖视图；

图11是转子与缸体配合面的视图，也是图12未剖视的仰视图；

图12是图11中C-C部位的剖视图；

图13是转子与转子配合面的视图，也是图12未剖视的俯视图；

图14是转子上的密封块的示意图；

图15是图14的左视图；

图16是活塞示意图；

图17是图16的俯视图；

图18是图16的的左视图；

图19是图18中D-D部位的剖视图；

图20是燃烧室设置在活塞平面中间部位的示意图；

图21是图20 E-E部位的剖视图；

图22是活塞环的示意图，也是图24活塞环加工部件分割下来的35部分的侧视图；

图23是图22 F-F部位的局部剖视放大图；

图24是专供环形缸体使用的活塞环加工的部件图；

图25是两个非圆齿轮最小夹角时和两个偏心齿轮在齿轮箱体里面的状态图；

图26是各齿轮运行至如图25时四个活塞在缸体的状态图；

图27是内燃机做功中输出扭矩最大时各齿轮的状态图；

图28是各齿轮运行至如图27时四个活塞在缸体的状态图；

图29是各活塞在图26的基础上运行了一个做功循环时的状态图；

图30是转子轴的局部、转子以及活塞的剖面示意冷却液流经通道的示意图；

图31是齿轮箱设置在缸体一边的总装示意图；

图32是图31中同一视图中间部位的剖视图；

图33是如图1的两组内燃机并联时的总装示意图；

图34是图33的俯视图；

图35是图34 L-L位置的总装剖视图；

图36是两组内燃机并联时两个非圆齿轮与一个偏心齿轮啮合时的装配平面示意图；

图37是两组内燃机并联时非圆齿轮各与一个偏心齿轮啮合时的总装剖视图；

图38是两组内燃机并联时非圆齿轮各与一个偏心齿轮啮合时的装配平面示意图；

图39是两组内燃机并联时活塞在缸体里面的装配示意图；

图40是三组内燃机并联时三个非圆齿轮与一个偏心齿轮啮合时的装配平面示意图；

图41是三组内燃机并联时缸体的分布和活塞在缸体里面的装配示意图；

图42是两组内燃机另外一种方式并联时各齿轮分别啮合的装配示意图；

图43是两组内燃机另一种方式并联时缸体的分布和活塞在缸体里面的装配示意图；

图44是四组内燃机并联时非圆齿轮与偏心齿轮分别啮合时的装配平面示意图；

图45是四组内燃机并联时缸体的分布和活塞在缸体里面的装配示意图；

图46是齿轮箱设置在缸体一边时两个内燃机串联后的总装外观示意图；

图47是齿轮箱分别设置在缸体两边时两个内燃机串联时的总装外观图；

图48是内燃机在并联的情况下又串联的总装外观图；

图49是内燃机在并联的情况下通过联轴器串联的总装外观图；

图50是内燃机燃烧膨胀部分缸体另外设置缸套的示意图；

图51是图50H-H位置的剖视图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方法做进一步详细说明。

实施方法一：本结构包括由两个内截面为半圆形的环形缸体3、4组成一套内截面为圆形的圆环形气缸，缸体内也可以用镶嵌缸套办法设置，缸套外面按照冷却要求设计；齿轮箱设置在缸体的两边，如图1、2、3、4、5所示；缸体上设置有长条形状的进气孔20和排气孔21，进、排气孔的长条状是按照活塞旋转的方向设置的，进、排气孔在活塞前进方向的一头可以设置为圆弧形的，另一头可以是齐头的，以利于快速完成进排气的同时使活塞环能平滑的通过；特别是在排气口开始的地方，可以将排气口开的更宽大，这样可以尽量减少排气提前角的角度，以利于让燃气更充分燃烧，这样会使排气温度更低，对大气的污染更少；进、排气孔均不需要专门的阀门给予开启和关闭；依据缸径的大小和设计要求，一个缸体上可以设置一至五条这样的进气孔和排气孔，缸体内装配转子的地方设置有密封环槽19，如图5所示；密封环槽里装有密封环，密封环设置有弹簧功能（图中未示），以保证密封效果。缸体上在进气口的附近28的部位设置有专供润滑油流通的油道29，在该油道靠缸体内部位设置有按照梅花状分布的润滑油孔30，油孔30用多孔材料进行填充，以能使润滑油渗出，保证在活塞通过时对活塞环进行有效润滑，图中箭头是润滑油的流动示意，如图6、7、8所示；也可以在缸体上进气口的附近31的部位设置有专供润滑油流通的油道32，油道用多孔材料33进行密封，以能使润滑油渗出，保证在活塞通过时对活塞环进行有效润滑，如图9、10所示,图中箭头是润滑油的流动示意。缸体内装有两个转子12、13，如图11、12、13所示；该转子上设置有密封环槽18和密封块槽17，密封环槽里面装有密封环（图中未示），密封块槽里面装有密封块25，如图14、15所示，密封环和密封块设置有弹簧性能（图中未示），以保证密封效果；转子上还设置有供活塞冷却液流通的通道15、16，通道15、16用密封材料密封并设置有连接相联通道的通道孔（图中未示），密封块25上有联接转子通道16和活塞通道22相通的通道孔27，以保证冷却液流动畅通，如图11、12、13、14所示；如果冷却液采用润滑油类材料的话，密封块25可以用多孔材料制作，利于润滑油的渗出，以对转子间起到良好的润滑作用；冷却液的流动由冷却液泵来完成。两个转子的两端上牢固的装有四个相同的活塞14（A、B、C、D），活塞上设置有活塞环槽，上面装有专供环形缸体使用的活塞环35；活塞环上设置有一定距离的缺口26，缺口距离的大小依据两个转子合起来的厚度和设计要求确定的，专供圆环形缸体使用的活塞环的加工是依据圆环形缸体的内部形状为参数基础，依据活塞环的要求设计圆环形部件36，然后依据要求分割为标准活塞环35，依标准活塞环35的参数为基础进行活塞环的加工，如图22、23、24所示；因为活塞始终按照同一方向运行，所以活塞环前进方向一边的棱角34加工为弧形的，或者将前进方向一边设置具有一定斜角坡度（图中未示），以利于润滑油膜的成型和活塞环平滑的运行，如图22、23所示，图23是图22中F-F向截面的局部放大图，图中箭头所指是活塞前进方向。活塞上还有针对活塞冷却的冷却液通道22，通道用密封材料密封（图中未示），如图16、18、19所示；其中的一个转子轴上设置有供活塞冷却液流通的通道38，冷却液对活塞的冷却流径通道如图30所示，箭头指向是冷却液的流动方向；如果冷却液采用润滑油类材料的话，活塞上通道22的密封可以设置为活塞油环的形式，该活塞油环用多孔材料制作（图中未示），以利于润滑油的渗出，保证对缸体进行有效润滑。活塞的弧长是依据两个非圆齿轮7、8的最小夹角45的角度和环形缸体的周径为参数来确定的，活塞的弧长等于或者小于但绝不能大于最小夹角45的角度，但绝不能大于最小夹角45的角度；两个偏心齿轮的轴线与偏心齿轮的轴心和非圆齿轮的轴心线呈垂直位置时，两个非圆齿轮的夹角既是最小夹角，如图25所示；为了更有利于混合气的燃烧，每个活塞的做功面上设置有燃烧室23，如图16、17、18、19所示；当混合气用压燃方式点燃时，燃烧室也可以设置在活塞的平面24的部位，如图20、21所示；也可以在装配火花塞的地方设置小燃烧室，以利于更好点火燃烧。在两个非圆齿轮7、8呈最小夹角45时，以活塞排气终止时两个活塞的中间线位置为基准，一个活塞的弧长加上进气延迟角36即是进气孔结束的位置，一个活塞的弧长加上排气提前角37即是排气孔开始的位置，进气口开始的位置和排气口结束的位置依据进、排气重叠角的要求来设置的，如图26所示。还有两个非圆齿轮7、8分别安装在两根转子轴5、6上，其中一根转子轴心设置有润滑油道，润滑油道从两个转子的中间部位引出，使润滑油流出供两个转子间润滑（图中未示）；还有两个相同的偏心齿轮9、10，以相反的方向安装在同一根功率输出轴11上；其中非圆齿轮7通过转子轴5与转子13装配在一起，非圆齿轮8通过转子轴6与转子12装配在一起；非圆齿轮7与偏心齿轮9相啮合，非圆齿轮8与偏心齿轮10相啮合，如图3、25、27所示；非圆齿轮的周长是偏心齿轮的两倍，两个偏心齿轮用现有技术平衡处理，每个轴间转动的地方依据需要均设置有轴承。

实施方法二：设置有两个内截面为半圆形的环形缸体42、43，组成一套内截面为圆形的圆环形缸体，和齿轮箱盖41组合为一套内燃机缸体；齿轮都设置在缸体同一边，里面装有两个转子12、13，两根转子轴39、40分别安装在两个转子上；其中转子轴39是中空的，套在转子轴40上将非圆齿轮8和转子13联接装配为一体，转子轴40穿过转子轴39将非圆齿轮7和转子12联接装配为一体，如图31、32所示；还有，转子轴40的中心设置有润滑油道，润滑油道从两个转子的中间部位引出，供润滑油流出供两个转子间润滑（图中未示）；除此之外，其他设计均与实施方法一相同。

实施方法三：在实施方法一的基础上，将两组内燃机进行并联，设置有两个非圆齿轮7和两个非圆齿轮8，一个偏心齿轮9和一个偏心齿轮10，两个非圆齿轮共同与其中一个偏心齿轮啮合，通过一根功率输出轴输出功率；如图33、34、35、36所示，8个活塞分别装配在两个缸体里面，气缸体和活塞的分布如图39所示。

实施方法四：在实施方法一的基础上，将两组内燃机进行并联，设置有两个非圆齿轮7和两个非圆齿轮8，两个偏心齿轮9和两个偏心齿轮10，每个非圆齿轮分别与同一根功率输出轴上的一个偏心齿轮啮合，通过同一根功率输出轴输出功率，如图37、38所示；8个活塞分别装配在两个缸体里面，如图39所示。

实施方法五：在实施方法一的基础上，将三组内燃机进行并联，设置有三个非圆齿轮7和三个非圆齿轮8，一个偏心齿轮9和一个偏心齿轮10，每三个非圆齿轮共同与其中一个偏心齿轮啮合，通过一根功率输出轴输出功率；如图40所示；也可以设置三个偏心齿轮9和三个偏心齿轮10，每个非圆齿轮分别与同一根功率输出轴上的一个偏心齿轮啮合，通过同一根功率输出轴输出功率；12个活塞分别装配在三个缸体里面，如图41所示。

实施方法六：在实施方法一的基础上，用另外一种更紧凑的方式将两组内燃机进行并联，设置有两个非圆齿轮7和两个非圆齿轮8，两个偏心齿轮9和两个偏心齿轮10，每个非圆齿轮分别与同一根功率输出轴上的一个偏心齿轮啮合，通过同一根功率输出轴输出功率，如图42所示，8个活塞分别装配在两个缸体里面，如图43所示。

实施方法七：在实施方法一的基础上，将四组内燃机进行并联，设置有四个非圆齿轮7和四个非圆齿轮8，两个偏心齿轮9和两个偏心齿轮10，每两个非圆齿轮共同与同一根功率输出轴上的其中一个偏心齿轮啮合，通过一根功率输出轴输出功率；如图44所示。也可以设置四个偏心齿轮9和四个偏心齿轮10，每个非圆齿轮分别与同一根功率输出轴上的一个偏心齿轮啮合，通过同一根功率输出轴输出功率；16个活塞分别装配在四个缸体里面，如图45所示。

实施方法八：在实施方法一和实施方法二的基础上，运用串联的方式将两组以上的内燃机进行组合，通过同一根功率输出轴输出功率；如图46、47所示。

实施方法九：在实施方法三、四、五、六、七的基础上，在多组内燃机并联的基础上进行再串联，通过同一根功率输出轴输出功率，如图48所示。

实施方法十：多组内燃机串联时，或者多组并联后的内燃机再串联时，每组需要串联的内燃机间的功率输出轴可以通过联轴器46的联接方式联接，这样更有利于装配和维护，如图49所示。多组内燃机并联或者串联时，同一机组的两个偏心齿轮或者多组内燃机共用的两个偏心齿轮必须是以相反的角度（180°）安装在同一根功率输出轴上；不是同一个机组又不是多组内燃机共用的偏心齿轮的安装角度可以根据设计需要，分别采用多种角度的方式安装，但是每组内燃机应对的两个偏心齿轮必须是以相反的角度安装。

实施方法十一：将燃烧膨胀做功段部分的缸体采用耐热材料另外设置缸套47，此段缸套与其他机体用隔热材料48隔离，如图50、51所示，这样燃烧做功段的缸体始终保持在高温状态，更利于混合气的燃烧，混合气燃烧的更快更净，热效率更好，功率更高，除此之外，其他均与实施方法一相同。

本结构的作功原理是这样的：它是将四个活塞每两个设置为一对，每对活塞通过传动机构与一个椭圆齿轮装配为一体，两个非圆齿轮和两个偏心齿轮转角差的作用使两对活塞的转速产生转速差，使两对活塞在同一个圆环形气缸做前后追踪式的运动，从而使各活塞间的容积发生变化，完成进气、压缩、燃烧膨胀、排气一连贯的做功循环，在做功过程中，四个活塞和两个椭圆齿轮均始终按同一方向旋转；偏心齿轮组和飞轮在惯性作用下匀速旋转，通过偏心齿轮轴输出功率。它的程序如图3、25、26、27、28、29所示，图中非圆齿轮7与活塞B、D同轴，非圆齿轮8与活塞A、C同轴；当各活塞运行至如图26时，活塞A、B间已压缩完毕并开始燃烧膨胀做功，B、C间做功完毕；排气孔已经提前打开排气；C、D间已经将废气排尽处于进排气重叠角状态，开始进气的同时通过扫气程序进一步将废气排净；D、A间已经完成进气程序并开始压缩，但此时D、A间仍存在负压，所以进气孔未完全关闭，使充气量得到进一步增加；此时各齿轮的状况如图25所示，此时活塞B和D继续按顺时针作快速加速转动，A和C按顺时针继续作减速转动；当各活塞运行至如图28时，各齿轮的状况如图27所示，此时活塞A和C最慢，B和D最快，两个转子的转速差最大，此时由非圆齿轮7产生的扭矩最大；此时活塞A和C开始加速，B和D开始减速；此时活塞A、B间继续燃烧膨胀做功，B、C间继续排气，C、D间继续进气，D、A继续压缩；当个活塞运转至如图29的位置时，活塞A、B间完成一次膨胀作功，C、B间完成一次排气，D、C间完成一次进气，D、 A间完成一次压缩，此时各活塞间同时完成了一次排气、进气、压缩、燃烧做功循环；这样，当活塞每旋转一周时，即各活塞再转至如图26时同一位置时，共完成四个作功循环；这需要往复式四冲程四缸内燃机曲轴转动两周所作的循环。

在做功过程中，两个活塞间完成压缩时，混合气开始燃烧膨胀，尽管此时相邻两个活塞受到的反向力是对等的，但此时四个活塞和两个非圆齿轮均始终按同一方向快速旋转的；偏心齿轮组和飞轮在惯性作用下匀速旋转，特别是此时活塞的运行速度约是活塞平均运行速度的85％，在它们共同惯性作用下依然按照原方向快速前进，以及受到两组齿轮的相互作用，所以受到反向力的活塞不会因燃气膨胀的原因而反向旋转；同时相邻两个活塞受到的力通过齿轮组作用于功率输出轴的扭矩在瞬间发生巨大变化，两对齿轮作用于功率输出轴的扭矩差，即是做功活塞的实际输出功率，由实验测算得知，本结构非圆齿轮长轴径与短轴径的比例为2:1时最大扭矩差是50:1；长轴径与短轴径的比例为1.9:1时最大扭矩差约是35:1；长轴径与短轴径的比例为1.8:1时最大扭矩差约是24:1；比例为1.7:1时最大扭矩差约是17:1；比例为1.6:1时最大扭矩差约是12:1；比例为1.5:1时最大扭矩差约是8:1；比例为1.4:1时最大扭矩差约是6:1；比例为1.3:1时最大扭矩差约是4:1；所以，本发明因为反向力受到的损失是极小的。

除以上设置外，它还包括有燃料供给系统、启动系统、润滑系统、点火系统、喷油系统、冷却系统、传动系统……；这些都与现有旋转式内燃机和往复式内燃机相同。

Claims (8)

1.一种活塞旋转式内燃机，包括有燃料供给系统、缸体系统、转子系统、活塞系统、齿轮系统、启动系统、润滑系统、点火系统、喷油系统、冷却系统、传动系统；其特征是：它包括有在环形缸体（28）的部位设置有专供活塞环润滑的油道（29），在该油道段的缸体部位内设置有梅花状分布的润滑孔（30），润滑孔（30）用多孔材料填充。

2.一种活塞旋转式内燃机，包括有燃料供给系统、缸体系统、转子系统、活塞系统、齿轮系统、启动系统、润滑系统、点火系统、喷油系统、冷却系统、传动系统；其特征是：活塞（14）的弧长不能大于两个非圆齿轮的最小夹角(45)的角度。

3.如权利要求2所述的活塞旋转式内燃机，其特征在于：多组内燃机组合时，多个非圆齿轮与其中一个偏心齿轮啮合。

4.如权利要求2所述的活塞旋转式内燃机，其特征在于：多组内燃机组合时，每个非圆齿轮分别与其中一个偏心齿轮啮合。

5.如权利要求2所述的活塞旋转式内燃机，其特征在于：多组内燃机组合时，通过同一根功率输出轴（11）输出功率。

6.如权利要求2所述的活塞旋转式内燃机，其特征在于：多组内燃机组合时，功率输出轴用联轴器（46）联接输出功率。

7.如权利要求2所述的活塞旋转式内燃机，其特征在于：非圆齿轮长轴径与短轴径的比例为1.3:1至2:1。

8.如权利要求2所述的活塞旋转式内燃机，其特征在于：将燃烧膨胀做功段部分的缸体采用耐热材料另外设置缸套（47），此段缸套与其他机体用隔热材料（48）隔离。