CN1070451A - 三冲程旋转球环发动机 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种三冲程旋转球环发动机，其特征 是至少两个互闭动力齿轮在至少两个球环的气缸内 每旋转一周完成吸、爆/排三冲程。由旋转阀门控制 和改变作功冲程与吸气冲程的长度比，可获得极高的 热效率，实现了功率的三极调控，正反转换向迅速。 偏心轴套可改变轴间距而无缝隙，缸盖能压进环形缸 体并由发条螺栓自动锁紧，缸内任何表面磨损后均能 自行弥合封严。中空转轴内安装强力涡轮桨扇可成 为大推重比高效高速轻型航空发动机，可作气液压 机、马达及泵等多用。

Description

本发明涉及一种内燃机和气动或液压马达及泵。

现有的往复式活塞发动机结构复杂，体积庞大，转速慢，效率低。活塞、连杆、曲轴等传动构件在往复循环过程中有较大的摆动，会引起强烈冲击和剧烈振动。连杆对活塞的有角度传动，造成活塞对气缸壁的强大挤压，使气缸及各传动构件的磨损加剧。在单缸四冲程两周一循环过程中，活塞在上下死角与最得力角度之间往返运动，将作八次变加速直线运动，引起动能的大量损失，造成发动机功率的内部损耗。发动机的进气口和排气口由进气阀和排气阀封闭，用凸轮、顶杆、弹簧等活动构件控制开闭，若转速很高时，由于进气阀和排气阀存在惯性，顶杆与弹簧不能使其即刻开闭复位，难以达到理想工作状态，限制了往复式活塞发动机的转速不能太高。由于压缩冲程的存在，活塞在燃爆作功之前必须先作负功而消耗能量，而且起动也很费力。压缩过程中压缩比又不能过大，否则会引起压燃，这又限制了燃油的种类。吸气冲程与作功冲程的长度相等且固定不变，燃油燃爆后不能充分膨胀，在排气时仍有很高的压强，燃气的内能没能充分利用，使得往复式活塞发动机的热效率始终不高，仅为三分之一左右。发动机功率的调节是用油门控制的，由于容积固定的气缸所能容纳的空气量是一定的，只靠改变进油量调节功率，加入的燃油往往超过缸内空气的氧化能力，出现燃油过剩，多余的燃油在高温高压下会裂解为各种烃类气体和固形碳化物，虽能增大压强，功率有所提高，却形成积碳，排放浓烟，造成严重的烟气污染。

本发明的目的是要彻底克服往复式活塞发动机的所有缺陷，代之以结构全新的三冲程旋转球环发动机，可消除振动，降低噪声，减少污染，提高热效率，并能根据不同工作需要，组合成各种形式，将动力按任意方向传输。

本发明的目的是这样实现的：改活塞的往复直线运动为动力齿轮的旋转圆周运动，气缸随之由直筒形改成球环气缸;去掉作负功的压缩冲程，采用吸气、燃爆作功/排气的三冲程循环作功方式;缸体底座设置圆弧形分气槽和调气瓦，用改变进气量的方式调节输出功率，同时改变作功冲程与吸气冲程的长度比，以利于燃气的充分燃烧和膨胀，最大限度地提高热效率;进气口和排气口由无跳动构件的旋转阀门控制，即时打开，瞬息关闭。同时增设能改变轴间距而无缝隙的偏心轴套和能自动弥合磨损间隙的活动缸盖以及自紧发条螺栓、密封环块等构件，以改善发动机的密封、润滑和冷却系统，使旋转发动机得以完善和广泛推广。

现结合附图对本发明作进一步详细说明：

图1是双环双轮平面式旋转球环发动机的主体结构示意图。

图2是发动机缸体底座的结构示意图。

图3是安放在缸体底座内的对换排气装置的结构示意图。

图4是发条螺栓的结构示意图。

图5是发动机的剖示图。

图6～10是本发明的几种实施例的结构示意图。

图11是本发明的基本单元-双环双轮球面式三冲程旋转球环发动机的结构示意图。

图12是各种系列旋转球环发动机相互演变的示意图。

现以本发明的最简单元-双环双轮平面式三冲程旋转球环发动机为例对本发明作具体阐述：

参照附图1，球环气缸（7）由双环形缸体（1）和其内安装的一对互闭啮合的动力齿轮（3）围成。两个动力齿轮（3）上各有一个动力齿（5）和一个深陷的让齿槽（4），让齿槽的底部开有圆弧形旋转槽（11），动力齿轮（3）的圆周布满密封齿（6），靠近边缘处装有密封环（12）。参见图2，缸体底座（2）中央嵌有密封块（21），底部有润油孔（20）与之相通，下面有润油管（29）输送润滑油为其润滑。密封块（21）两侧对称开有排气口（15），下面由换气管（23）控制（见图3），可以对换开闭。缸体底座（2）的轴孔内衫有偏心轴套（17）能够转动改变两轴心之间的距离而不出现缝隙。缸体（1）内壁也衫有偏心缸瓦（13）以改变缸心距离。缸体底座（2）两旁对称挖有圆弧形分气槽（16），里面装有调节瓦（9），调气瓦内开槽装有火花塞或电热丝（10），调气瓦（9）将分气槽（16）分成两段，前段为导气槽（18），后段为导热槽（19）。导气槽（18）前端开有进气口（8），进气口内设有单向遏流阀，与进气管（30）相连。调气瓦（9）在分气槽（16）内移动，能改变导气槽（18）与导热槽（19）的长度。缸体底座（2）两边的结构完全相同且关于中心对称，便于实现双向旋转。

三冲程旋转球环发动机的工作情况如下：两个动力齿轮（3）紧密啮合，将中央封闭，与动力齿（5）及双环形缸体（2）围成密闭的球环气缸（7）。两个动力齿（5）自啮合处向两旁背道而驰，球环气缸（7）容积不断扩大，形成低压区。随即，动力齿轮（3）上的旋转槽（11）和让齿槽（4）扫至导气槽（18）上方，将球环气缸（7）与导气槽（18）勾通，封闭在导气槽（18）内的混合油汽立即被吸入球环气缸（7）。旋转槽（11）在导气槽（18）上方扫过时，新鲜混合油汽自进气口（8）经由导气槽（18）、旋转槽（11）及让齿槽（4）不断进入球环气缸（7）进行吸气冲程。当旋转槽（11）转至导气槽（18）末端，被调气瓦（9）的前段封住，新鲜混合油汽被封在导气槽（18）内，与球环气缸（7）隔离，吸气结束。调气瓦（9）的位置不同，导气槽（18）的长度就不同，球环气缸就吸入不同量的新鲜混合油汽。随后旋转槽（11）扫至调气瓦（9）上方，球环气缸（7）内的混合油汽触及到调气瓦（9）内的红热电热丝（10），立即点燃引爆，产生的高温高压燃气推动动力齿（5）拖动动力齿轮（3）高速旋转作功。接着，旋转槽（11）便在导热槽（19）上方扫过，一部分高温燃气冲进导热槽（19），接触到电热丝（10）上，为电热丝加热，维持电热丝的高温恒热状态，为下一次点火准备红热的电热丝。动力齿轮（3）在高压燃气的推动下高速旋转，燃气迅膨胀，将燃气内能转化为动力齿轮高速旋转的机械能，由转轴（31）将动力向外输出。动力齿（5）转过排气口（15）时，燃气在球环气缸（7）内充分膨胀，压强已降至很低，并冲出排气（15）向外排气。随后，高速旋转的动力齿轮（3）靠惯性继续转动，带动动力齿（5）转过啮合处随即进入下一次循环，在转动功的同时由动力齿（5）将上一次循环产生的燃气推出排气（15）。就这样周而复始地进行吸气、燃爆作功/同时排气的冲程循环，源源不断向外输出动力。

本发明的输出功率是由旋转阀门控制的，通过改变进气的方式进行调节。旋转阀门包括：分气槽（16）、调气瓦（9）旋转槽（11）及让齿槽（4）。旋转阀门是这样工作的：调气（9）在分气槽（16）内移到某个位置后固定，导气槽（18）的长度随之确定。旋转槽（11）和让齿槽（4）旋转扫过导气槽（18）上方，将球环气缸（7）与导气槽（18）内的进气口（8）连通，新鲜混合油汽自进气口（8）经由导气槽（18）、旋转槽（11）和让齿槽（4）进入球环气缸（7），旋转槽（11）在导气槽（18）上方连续扫过时，球环气缸（7）不断吸入新鲜混合油汽，旋转槽（11）转到导气槽（18）末端即调气瓦（9）前端时被调气瓦（9）封住，吸气结束。调气瓦（9）位置不同，导气槽（18）的长度就不同，进入球环气缸（7）内的混合油汽的量便随之改变，燃烧后放出不同的热量，从而输出不同的功率。

本发明提供的发动机可以联接燃油压气机以提高进气压力，或与油门结合控制，用调节进油量、改变进气量和增大进气压三种方式调节功率，实现了功率的三极调控。为使发动机的动力均匀输出，转轴（31）上套装卵形齿轮（27），在不同的冲程按不同的传动比传动，例如在作功冲程时传动比增大，在吸气冲程时传动比减小，以保证输出的功率稳定，转速均匀。混合油汽中燃油与空气的混合比例适当，进气量任意改变均能恰巧燃尽。调气瓦（9）在总长度不变的分气槽（16）内移动，引起导气槽（18）和导热槽（19）的长度此增彼减，吸气冲程与作功冲程的长度比显著变化。燃油在相对较长的球环气缸内完全燃烧，充分膨胀，由高温高压一直降至常温常压，故热效率极高。排气时燃气压强已经很低，不会产生多大的气流冲击声，而且无浓烟，不易积碳，大大减轻了烟气污染。

两个排气口（15）的对换开闭由缸体底座（2）内的换气管（23）控制。参见图3，换气管（23）为一端开有半圆形豁口的中空圆管，下面与排气管（22）相通。转动换气管（23），排气管（22）和两个排气口（15）可以两两相通，也可以三者同时连通或封闭。发动机需要改换旋转方向时，只需旋拧换气管（23），将排气管（22）与两个排气口（15）对换接通，再将两个调气瓦（9）位置对换，即将调气瓦（9）移到导气槽（18）的最前端封住进气口（8），将另一个原来已封住进气口的调气瓦移开并调至适当功率的位置，即可迅速实现正反转换向。换向的过渡过程中，动力齿（5）前方空腔已被换气管（23）和进气口（8）内的单向遏流阀堵死，形成封闭的压缩腔。动力齿轮（3）因惯性继续转动，将前方的封闭气体迅速压缩，气体压强猛增并阻止动力齿轮向前转动，直到反推动力齿轮反向回转，随后压缩气体膨胀压强降低至负压，进气口（8）内的单向遏流阀打开，进气口开放，随即进行吸气和燃爆作功，恢复到正常的三冲程循环，反向高速旋转。

本发明的密封系统包括：密封环（12）、密封块（21）、密封齿（6）、缸盖（26）及发条螺栓（28）、偏心轴套（17）和偏心缸瓦（13）。密封环（12）包绕着整个动力齿轮（3），与密封块（21）一起围成双环形，将球环气缸（7）包紧封严，防止漏气，减少功率损耗。密封环（12）由弹力环压紧在分气槽（16）上方，与调气瓦（9）一起将导气槽（18）和导热槽（19）隔开封严，防止动力齿轮在高速转动时高温燃气引燃导气槽（18）内的新鲜混合油汽，避免炸缸。

动力齿轮（3）外缘布满密封齿（6），密封齿具有同步传动、密封和清除积碳的作用。密封齿（6）相互啮合传动，使动力齿（5）与让齿槽（4）同步旋转，保证让齿槽（4）准确让过动力齿（5）;动力齿（5）和让齿槽（4）的齿廓曲线为渐开线，摆线或双圆弧共轭齿廓曲线，动力齿与让齿槽作无侧隙和无顶隙啮合，在让齿过程中始终保持密封。密封齿（6）交错密排紧密啮合，构成屈曲弯道（见图1中央），球环气缸（7）内气体很难通过，不容易泄露跑气。动力齿轮（3）传动时，密封齿（6）相互挤压啮合，齿面间产生巨大压力，具有强大的密封作用，而且燃气压强越大，啮合越紧，密封越严。密封齿长期使用齿面大量磨损后，仍能啮合传动，齿面压力依然很大，密封作用丝毫不减;密封齿（6）啮合传动中，齿顶与齿槽、齿面与齿面相对滑动，相互磨擦挤压，将粘附在齿面上的碳黑磨掉，随燃气排出缸外，自行清除积碳。

参照附图5，缸盖（26）压进环形缸体（1）内，由发条螺栓（28）自动锁紧。发条螺栓的结构见图4所示，螺栓（25）外围缠绕着发条（24），发条另一端固定在缸盖（26）上。动力齿轮（3）长期运转，两个侧面严重磨损而出现间隙时，缸盖（26）对动力齿轮（3）的压力减小并低于正常值，发条（24）便会借自身贮存的弹力扭矩将螺栓（25）拧进缸体（1），缸盖（26）被压进缸体，重新贴紧动力齿轮（3），维持缸盖（26）对动力齿轮（3）的合适压力，使动力齿轮在长期工作中始终保持良好的密封。

环形缸体（1）内壁衫有偏心缸瓦（13），缸盖（26）及缸体底座（2）的轴孔内衫有偏心轴套（17），能改变两轴之间的距离。偏心轴套（17）由一个或多个偏心圆环套筒紧密套在一起构成，能够相对转动，使轴心在一定范围内移动而不出现丝毫缝隙，轴间距调整好后，偏心轴套便会自锁不动。偏心缸瓦（13）与偏心轴套（17）的工作原理相同。转轴（31）和动力齿轮（3）长期使用严重磨损后，会向两旁退让，轴间距增大，密封齿（6）啮合处出现较大缝隙，密封性明显下降。这时可以旋拧偏心轴套（17）缩小轴间距，使转轴（31）向中央靠拢，密封齿（6）又重新靠紧啮合，封严球环气缸（7）。同时，偏心缸瓦（13）也要作相应的调整，使球环气缸（7）中心与转轴（31）中心重合。偏心缸瓦（13）长期磨损后，内径会扩大，动力齿（5）能向外伸出，压紧偏心缸瓦（13），将球环气缸密闭封严。偏心轴套可广泛应用于其它传动机构的轴座上，以调整轴间距离。

上述密封系统使缸体和动力齿轮的任何表面出现磨损间隙后都能自动弥合封严，维持发动机的正常运转，保障功率的最大输出。

本发明提供的发动机不存在压缩冲程，并有自动点火装置，因此燃油种类不受限制，汽油、柴油、醇类等多种有机燃料均能使用。其中醇类作燃料，燃烧产物清洁，无烟气污染。目前开发醇类燃料为减轻世界空气污染已引起社会的普遍关注。用乙醇作燃料具有无可比拟的优点：乙醇的汽化温度很低，为78℃，低于沸水温度，气缸的余热就能使其汽化。利用乙醇汽化温度低的特点可以省去雾化装置，使发动机的结构大为简化;汽化的高压乙醇蒸汽压入气缸能增大混合汽的压强，大幅度提高功率;蒸汽温度高，点火也很容易;乙醇汽化时还能带走大量的热量，为缸体降温，用乙醇燃料兼作冷却液，在气缸周围及冷却孔（14）内循环流动能构成高效率的冷却系统。

本发明还可以作为燃油压气机，执行吸气和压缩二冲程，为进行作功和排气冲程的动力机提供压缩雾化燃油，成为吸气、压缩，作功、排气的双二冲程旋转球环发动机。

以上介绍的双环双轮平面式三冲程旋转球环发动机是本发明的最简实施例，现公开本发明的基本单元及由此推广续展的各种类型的旋转球环发动机：

参照图11，本发明的基本单元-双环双轮球面式三冲程旋转球环发动机-封闭在半径不同的同心球面围成的夹层空间内。一对互闭啮合的圆锥动力齿轮（3）的侧面与两球面贴合，动力齿（5）的齿根和齿顶端面旋转划过的双层环形回转面与两个同心球面围成球环气缸（7）。两个圆锥动力齿轮（3）自啮合处沿球面向两旁伸展，随着动力齿轮半径的增大，两轴之间的交角α逐渐增大，由0°连续变化至180°，球环气缸（7）所在平面之间的夹角随之改变，在0°～360°之间连续变化。两个同心球面的半径可以是任意的，若球面半径趋近于无穷大时，其上的部分球面就变成平面，形成平面式发动机。若其中一个球面半径为零，则成为一个球面，形成圆球式发动机，或称作动力球;圆锥动力齿轮（3）的锥顶角β可在0°～360°之间任意选取，当锥顶角β为0°时圆锥动力齿轮演变成外啮合圆柱动力齿轮，锥顶角β为180°时成为平板圆锥动力齿轮，锥顶角为360°时成为内啮合圆柱动力齿轮;圆锥动力齿轮（3）上有至少一个动力齿（5）和至少一个让齿槽（4），其齿廓曲线为渐开线、摆线或双圆弧等共轭齿廓曲线;动力齿轮（3）上的密封齿（6）的齿数可以是任意的，齿数为零时就成为无齿动力光轮了，需要联接同步齿轮，当多个动力齿轮串套在同一根转轴上时，动力齿和让齿槽顺次连接联成完整的齿轮，无须联接同步齿轮也可同步传动。

多个动力齿轮（3）在至少两个球环的气缸内互成0°～180°之间任意交角内、外啮合传动，将动力按不同方向传输。多个球环气缸（7）在同心球面夹层空间内可联成开链式或围成闭环式，如图6、图9和图10所示。每个球环气缸可同时内接或外接多个球环气缸，如图7、图8所示。参照图12，多个圆锥动力齿轮可密排围成一个圆圈，各个动力齿轮的轴线汇交于球心，形成圆锥形。圆锥的两条对称母线所夹的角为锥顶角β。各动力齿轮沿着球面同时上下移动，锥顶角β在0°～360°之间连续变化，成为星形滚针式发动机，如图12A处所示。在各个动力齿轮的内外或上下公切面套盖半径更大的圆锥动力齿轮，成为止推轴承式发动机，如图12B处所示。当锥顶角β接近零度或球面半径趋近于无穷大时演变为滚柱轴承式发动机，如图12C处所示。上述各种类型发动机结合起来，任意组合，可演变成为各种系列的旋转球环发动机。

本发明与现有技术相比具有如下特点：

1、突破了传统的四冲程循环方式，去掉了作负功的压缩冲程而采用吸气、作功/排气的三冲程循环方式，提高了功率，拓宽了燃油种类，起动也变得轻巧省力。

2、功率的调节一改以往的油门控制和外接燃油压气机形式，另外采用了旋转阀门控制改变进气量的方式，实现了功率的三极调控。

3、油耗低，热效率高。在调节进气量的同时，改变了作功冲程与吸气冲程的长度比，燃气可充分膨胀，由高温高压降至常温常压，实现了能量的最大限度转换，能以极低的耗油量获得极高的热效率。

4、密封性强。密封齿挤压啮合、动力齿径向微伸、偏心轴套改变轴间距而不出现缝隙、发条螺栓对缸盖自动锁紧，使得缸体及动力齿轮的任何表面出现磨损间隙时均能自行弥合封严。

5、作功方位广。动力齿轮和球环气缸可互成任意角度，能根据工作需要改换作功方位，组合成各种形式，转轴可互成任何角度输出动力。

6、转速高，比功率大。球环气缸为双环或多环形式，工作腔大，燃气沿最外围作功，扭转力矩大。无跳动构件，运行平稳，换向迅速。转轴中空，散热性好，空冷即可，而且结构轻巧，功率重量比大。

7、用途广泛。可用作各种内燃机车的发动机，应用于核电站、火力发电站可替代汽轮机发电，可作为潜水艇的推进器。双轮对旋时无自转力矩，极适于作航空发动机，可用作直升飞机的对旋螺浆发动机，垂直起落战斗机的升力风扇发动机。在中空转轴内安装强力涡轮螺浆风扇，可替代耗油巨大的喷气发动机成为大推重比的高效高速轻型航空发动机。在压缩气体或高压液体的驱动下可作为气动马达和液压马达。在原动机的拖动下可成为空压机、齿轮泵、输液泵等。可广泛应用于工农业生产、军事国防建设及航空、航海和陆路交通事业，具有广阔的发展前景。

Claims (11)

1、一种三冲程旋转球环发动机，包括缸体(1)、动力齿轮(3)、球环气缸(7)、分气槽(16)、调气瓦(9)、电热丝(10)、进气口(8)、排气口(15)、换气管(23)、卵形齿轮(27)、偏心轴套(17)、缸盖(26)和发条螺栓(28)，其特征在于：至少两个互闭啮合的动力齿轮在高压燃汽、压缩气体或液体的驱动下，在至少两个球环的气缸内互成任意交角同步旋转，通过旋转阀门控制和改变进气量来调节输出功率。

2、三冲程旋转球环发动机采用吸气、燃爆作功/排气的三冲程循环方式。

3、根据权利要求1所述的三冲程旋转球环发动机，其特征是球环气缸（7）由半径任意的同心球面（包括平面，相当于半径为无穷大的部分球面）和动力齿（5）齿顶端面旋转划过的环形回转面围成，至少两个球环的气缸在同心球面夹层空间内互成0°～360°之间任意角度联成开链式或围成闭环式。

4、根据权利要求1所述的三冲程旋转球环发动机，其特征是动力齿轮（3）为0°～360°之间任意锥度的内外啮合圆锥动力齿轮和圆柱动力齿轮，至少两个动力齿轮在至少两个球环的气缸内互成0°～180°之间任意交角啮合传动，动力齿轮可以内啮合或外啮合多个动力齿轮，多个动力齿轮可排成开链状或围成闭环状，其内外或上下公切面可套盖0°～360°之间任何锥度的内外啮合圆锥动力齿轮或圆柱动力齿轮。

5、根据权利要求1和权利要求4所述的三冲程旋转球环发动机，其特征是密封齿数任意的动力齿轮（包括无齿动力光轮）上有至少一个动力齿（5）和至少一个让齿槽（4），其齿廓曲线为渐开线、摆线或双圆弧等共轭齿廓曲线，动力齿轮（3）上开有旋转槽（11），动力齿可沿径向伸缩。

6、根据权利要求1、4和5所述的三冲程旋转球环发动机，其特征是动力齿轮（3）上装有密封环（12），缸体底座（2）中央嵌有密封块（21），有润油孔（20）与之相通。

7、根据权利要求1所述的三冲程旋转球环发动机，其特征是缸体底座（2）上设有圆弧形分气槽（16），分气槽内装有可移动的调气瓦（9），调气瓦内装有火花塞或电热丝（10）。

8、根据权利要求1所述的三冲程旋转球环发动机，其特征是排气口（15）的对换开闭由换气管（23）转动控制，换气管中空并开有豁口。

9、根据权利要求1所述的三冲程旋转球环发动机，其特征是缸体（1）内壁衫有偏心缸瓦（13），缸盖（26）和缸体底座（2）的轴孔内衫有偏心轴套（17），可以改变缸心距和轴间距而不出现缝隙。

10、根据权利要求1所述的三冲程旋转球环发动机，其特征是缸盖（26）或缸体底座（2）可以压进环形缸体（1），由发条螺栓（28）自动锁紧。

11、根据权利要求1所述的三冲程旋转球环发动机，其特征是旋转球环发动机作为燃油压气机完成吸气、压缩二冲程，为进行作功和排气冲程的发动机提供压缩雾化燃油，成为吸气、压缩，作功、排气的双二冲程旋转球环发动机。

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