CN1085294C - 滚旋式内燃机 - Google Patents

Abstract

一种滚旋式内燃机，将转子连同主轴及两只活塞配置于椭园形气缸中，双流式旋转阀设于气缸两侧。其膨胀过程直接转变为旋转运动，无往复运动质量及变角速运动的限制，转子每转完成四冲程工作循环而作功一次。运转平稳、均衡，振动轻微，转速高而性能好，其结构紧凑、比重量小、升功率大。采取分层充气、自行增压并中冷，以提高其充气质量和容积效率，并以其活塞侧壁的较大工作面积及内外工作室加大膨胀比，从而提高其热效率和机械效率，降低燃料消耗率，减少排气污染。

Description

滚旋式内燃机

本发明是一种旋转式发动机，其热力循环由进气、排气、压缩和燃烧膨胀四个工作过程完成的新型原动机。

中国专利，滚动活塞旋转式发动机(ZL89109383.4)所述滚旋式内燃机，每转完成两个热力循环，因而使其热负荷过大，以致影响发动机的性能，而且其制造材料和冷却技术均要求较高以及必须采用增压器供气等，这些不仅对小型发动机不便应用，也不利于其成本的降低，更重要的是为提高发动机的充气质量和容积效率及其结构的优化，而提出新的方案。

旋转式发动机曾出现过各式各样的结构方案，其中包括文献(US03136304)所述旋转动力装置在内，都因其气体密封、气缸的均匀受热、转子的冷却及其滑动面的润滑等技术问题未能妥善解决或因其结构不够完善而没有能够成为正式的产品。

三角活塞旋转式发动机基本解决了气体密封的技术问题，现在虽已处于实用阶段，但因存在燃油经济性、排气污染以及使用寿命等难以解决的问题，而未能广泛应用。

本发明的任务在于：提供一种旋转式内燃机，使发动机不受往复运动构件惯性力的限制，在高速运转时振动轻微，而且使其噪声和排气污染保持在限制标准以下，燃料消耗率降低20～30％。并具有优良的可靠性和耐久性，其产品的结构空间、总质量和成本等各项指标也比较先进。

为了达到上述目的所采取的具体措施是：提高发动机的转速，并且每转完成一个热力循环，通过主轴输出一次功率，每一循环由进气、排气、压缩和燃烧膨胀四个工作过程相互重叠连续进行。

最初，从进气过程开始，活门前端弧面与活塞的侧壁密合，并一同外移，通过下止点后又一同内移，使内外工作室隔绝，转子旋转180°，其间，外工作室完成进气和排气两个过程，内工作室完成进气和压缩两个过程。

当对内工作室充入新鲜空气将近一半时，主轴进气口开启，贮存于中冷器内的压缩空气连同燃料一起注入主燃烧室，形成浓混合气，并有一部分燃料随气流进入内工作室与新鲜空气汇合，形成稀混合气，从而实现分层充气。

在活塞即将到达压缩终点时，主燃烧室中的浓混合气被点燃，随后通过喉道进入两侧付燃烧室引燃稀混合气，而迅速膨胀，此时活门被锁定，而与外移的活塞脱离，高温高压气流涌向外工作室，使活塞推动转子而作功，同时，活塞又将其背后的新鲜空气压缩，通过旋转阀的输气道输入中冷器内，直至膨胀过程终了，随后打开旋转阀的排气口，将废气排放。

活门装于转子凹坑后侧壁的滑槽内，其上设有弹簧、簧片阀、掣卡、阻气片及片簧等构件，并开有气槽和气孔使空气通过，向内外工作室进行供气。

在前后转子档园周各设密封环两道与气缸体两侧密封片构成连续气密线，密封环的横截面呈矩形、梯形或楔形。

在活塞两端设堵头，装在其中心轴上，堵头周边由塞环和塞圈密封，堵头呈园台状，在其内底设有碟簧，并于其外底设集油坑，将坑口内边缘突起，取2～3°角，构成刮油唇。

限位扭簧相对设置于前后转子档内平面近外缘处，并与活塞中心对应的中心线上，将扭簧绊扣与集油坑的内壁钻近，使其随着活塞的内外移动而往复摇摆。

双流式旋转阀设于气缸两侧的排气道上，在其阀体上设有排气口及输气道，并在输气道的入口处设笛簧片及勾状托，用螺钉加以固定，在阀体上还装有阀片、阀环和阀套，旋转阀随着转子每旋转180°，通过传动机构的驱动，而定时往复旋转，使废气由其排气口排放，压缩空气则从其输气道输入中冷器内。

双流式旋转阀的传动机构，由凸轮、从动框、导向轮、滚子、连杆和摆动夹构成，凸轮装在主轴上，从动框装在四只导向轮之间，由凸轮驱动从动框，而通过其两侧的连杆带动固定在阀轴上的摆动夹，从而使两侧的旋转阀同步作往复旋转。

付进气道和主进气道分别设于前后气缸盖上，主进气道环绕主轴承座一周构成环状气道，使其与转子档进气口始终保持贯通，付进气道将中冷器中的压缩空气连同燃料，通过主轴进气口输入主燃烧室内。

本发明的优点或积极效果有下述几点：

1、滚旋式内燃机将膨胀过程直接转变为旋转运动，因此具有燃气轮机的优点，但其有效功率的获得不是以气流驱动涡轮作功，而是依靠气体对活塞的压力，热力循环的各个过程与往复式发动机相似，因而具有往复式发动机的基本优点，却排除了其固有的缺点，这是因为这种发动机没有曲轴连杆机构等往复运动件的质量限制，也不存在变角速运动，并且消除了燃气轮机的泄漏、混流及再循环等项损失以及部分负荷时燃料消耗率过高等难以解决的问题，所以具有很高转速和优良性能。

2、该机的转子为中轴式，其几何形状规则、均称，两只相同的活塞相对配置，所受各种作用力完全相等而且同时，方向相反，形成力偶，因而运转平稳、均衡，振动轻微，转子和活塞同步运转，其本身的转动惯量足以保持稳定而均匀地转速，因而无须另外加装飞轮及平衡块。

3、该内燃机因具有内外工作室，在膨胀过程中内外工作室连通，气体从内工作室流向外工作室能得到充分膨胀，其膨胀比较大，又由于气流的强烈扰动使燃料得以完全而及时地燃烧，因而热效率较高。

4、该机采取分层充气，即是先将由主进气道供给的新鲜空气充入内工作室，当将近一半时，再将中冷器中的压缩空气连同燃料通过主燃烧室而形成的浓混合气给以补充，于是形成稀混合气，随后压缩时将有部分气体返流并使浓度有所增加，而介于浓稀之间，当主燃烧室中的浓混合气点燃以后，通过喉道迅速引燃两侧付燃烧室中的稀混合气，这样，依靠紧凑地燃烧室结构，较高密度的充量和适合压缩比以及气流的强烈混合运动，使燃烧速率提高，爆燃极限扩大，从而取得良好燃油经济性及低污染排放。

5、滚旋式内燃机结构紧凑，与同功率、同用途往复式发动机比较，其外形尺寸小、比重量小，而升功率大，机械效率也较高。

6、此种发动机以其活塞侧壁的矩形面积进行工作，高温高压气体作用于不停滚动变换的活塞侧壁，因而受热均匀，而且滚动摩擦阻力较小，不易磨损，这要比往复式发动机优越得多，因为同直径的活塞，园形的面积比矩形的面积小很多，而且往复式发动机仅局限于活塞顶部承受高温高压气体的冲击，活塞与气缸壁为滑动摩擦，阻力大，磨损也相当严重。

7、该内燃机在膨胀过程同时，对进入气缸的空气实施增压并进行中冷，而且无须另设增压器，实施增压可提高发动机的容积效率，据测，容积效率提高1％发动机的输出功率约提高3％左右，中冷也是一种很有效的措施，实验表明，压缩空气进入气缸时的温度每降低10℃，燃料消耗率约下降0.5％，而发动机功率可提高2％～4％。

本发明的细节和特征结合下列附图作进一步阐述：

图1和图2所示为滚旋式内燃机的基本结构

图3表达出转子体及其凹坑后侧壁设置的活门机构

图4和图5所示为双流式旋转阀及其传动机构

图6是该发动机进气及排气过程示意图

图7显示出该发动机进气、排气及压缩过程接近终了时的示意图

图8是该发动机点火燃烧并开始向中冷器输送压缩空气时的示意图

图9为该发动机燃烧膨胀过程进行的同时并继续向中冷器输送压缩空气时的示意图

从图1和图2所示本发明的基本结构可见，在椭园形气缸1中间设置一个装有主轴4的转子3，在其两侧形成两个工作空间，转子3两侧对称凹坑各与一只活塞5、5′啮合，从而将凹坑和两侧的工作空间构成两个内工作室6、6′和两个外工作室7、7′，两只活门9、9′装在两侧凹坑后侧壁的滑槽内，主轴分作前段4和后段4′分别与前后转子档10、10′构成一体，主轴前段4又兼作进气阀，以气封环18等构件加以密封，其外设轴套19，主燃烧室16设置其中，由付进气道14通过进气口15进行供气，在轴端装有火花塞21，在主轴中设有油道17与转子体的油孔13相通，润滑油从其中通过，对转子体进行冷却并输送到各润滑部位，在主轴两端装有轴承及其密封装置。旋转阀8、8′设置于气缸两侧的排气道55、55′上。气缸1两端由前后气缸盖2、2′封闭，主进气道30设置于后气缸盖2′上，并环绕主轴承座一周构成环状气道，使其与后转子档10′两侧进气口始终保持贯通。密封环11、11′设于前后转子档10、10′的园周上，密封片12、12′设于气缸体1两侧。在活塞5两端装有园台状堵头31、31′，中心轴32贯穿其中，并由塞环33和塞圈34密封，在其内底设有碟簧37，并于其外底设集油坑35，扭簧绊扣39与坑壁贴近，以限制活塞的跳动。

图3所表达的转子体其内腔29分为内外两部分，新鲜空气经转子档进气口进入转子内腔29，由内向外，然后通过活门的气槽27和气孔28分别流入内外工作室，在活门9上设有弹簧22、簧片阀23、掣卡24、阻气片25及其片簧26等构件。付燃烧室20设于凹坑底部，经喉道与主燃烧室连通。

图4和图5所示为双流式旋转阀及其传动机构，旋转阀8的阀体上设有排气口40及输气道41，并在其入口处设笛簧片42与勾状托43，用螺钉44加以固定，排气40控制废气的定时排放，输气道41则定时将新鲜空气输入中冷器56内，主轴4每旋转180°其气口作一次变换，阀体装在阀套47中，其轴向密封设阀环46，经向密封设阀片45，其两端的轴颈装在轴承中，并加以妥善密封。旋转阀的传动机构由凸轮48、从动框49、导向轮50、滚子51、连杆52及摆动夹53构成，由凸轮48驱动从动机构使两侧旋转阀8、8′同步作往复旋转，从而使排气和输气得以连续进行。

图6、图7、图8及图9为滚旋式内燃机工作原理示意图，该发动机每转完成一个工作循环，每循环由进气、排气、压缩及燃烧膨胀四个工作过程相互重叠连续进行。从图6及图7可见，最初，新鲜空气由主进气道30进入两侧转子内腔29、29′，通过活门9、9′充入内外工作室，当充气接近一半时，主轴进气口15开启，贮存于中冷器56中的压缩空气连同由喷咀57喷注的燃料一起进入主燃烧室16，并有部分燃料随气流进入内工作室6、6′，与新鲜空气混合而成稀混合气，这样，从进气过程开始到内工作室6、6′压缩过程终了，转子3旋转180°，同时，外工作室7、7′也完成了进气和排气两个过程。随后由图8和图9示出，当活塞5、5′到达压缩终点，压缩于主燃烧室16内的浓混合气已被火花塞21提前点燃，膨胀过程开始进行，同时，进入外工作室7、7′的新鲜空气被活塞5、5′压缩，通过旋转阀的输气道41、41′输入中冷器56内，直至膨胀过程终了，转子3又旋转180°，这样，一个热力循环的全过程进行完毕，作功一次，于是新的循环又将周而复始地继续进行下去。

注：a——空气；b——压缩空气；c——混合气；d——燃气。

Claims (8)

1、一种滚旋式内燃机，包括椭园形气缸体、前后气缸盖、转子、主轴、活塞、进排气道及密封装置，所述转子连同主轴配置于气缸中间，两侧形成两个工作空间，转子两侧对称凹坑各与其活塞啮合，将工作空间构成内外工作室，前后气缸盖将气缸两端封闭，进气道设在气缸盖上，排气道设于气缸两侧，其特征在于：

(1)活塞[5、5′]受扭簧[38]制约，紧贴转子凹坑前侧壁，在气体压力作用下沿气缸壁滚动运行，从而产生动力，转子[3]每转完成一个热力循环，通过主轴[4]作功一次，每一循环由进气、排气、压缩和燃烧膨胀四个工作过程相互重叠连续进行；

(2)最初，从进气过程开始，活门[9、9′]前端弧面与活塞[5、5′]的侧壁密合，并一同外移，通过下止点后又一同内移，使内外工作室隔绝，转子[3]旋转180°，其间，外工作室[7、7′]完成进气和排气两个过程，内工作室[6、6′]完成进气和压缩两个过程；

(3)当对内工作室[6、6′]充入新鲜空气将近一半时，主轴进气口[15]开启，贮存于中冷器[56]内的压缩空气连同燃料一起注入主燃烧室[16]，形成浓混合气，并有一部分燃料随气流进入内工作室[6、6′]与新鲜空气汇合，形成稀混合气，从而实现分层充气；

(4)在活塞[5、5′]即将到达压缩终点时，主燃烧室[16]中的浓混合气被点燃，随后通过喉道进入两侧付燃烧室[20]引燃稀混合气，而迅速膨胀，此时活门[9、9′]被锁定，而与外移的活塞[5、5′]脱离，高温高压气流涌向外工作室[7、7′]，使活塞[5、5′]推动转子[3]而作功，同时，活塞[5、5′]又将其背后的新鲜空气压缩，通过旋转阀的输气道[41、41′]输入中冷器[56]内，直至膨胀过程终了，随后打开旋转阀的排气口[40、40′]，将废气排放。

2、根据权利要求1所述滚旋式内燃机，其特征在于：活门[9]装于转子凹坑后侧壁的滑槽内，活门[9]上设有弹簧[22]、簧片阀[23]、掣卡[24]、阻气片[25]及片簧[26]等构件，并开有气槽[27]和气孔[28]使空气通过，向内外工作室进行供气。

3、根据权利要求1所述滚旋式内燃机，其特征在于：在前后转子档[10、10′]园周各设密封环[11、11′]两道与气缸体两侧密封片[12、12′]构成连续气密线，密封环[11、11′]的横截面呈矩形、梯形或楔形。

4、根据权利要求1所述滚旋式内燃机，其特征在于：在活塞[5]两端设堵头[31、31′]，装在其中心轴[32]上，堵头[31]周边由塞环[33]和塞圈[34]密封，堵头[31]呈园台状，在其内底设有碟簧[37]，并于其外底设集油坑[35]，将坑口内边缘突起，取2～3°角，构成刮油唇[36]。

5、根据权利要求1所述滚旋式内燃机，其特征在于：限位扭簧[38]相对设置于前后转子档[10、10′]内平面近外缘处，并与活塞[5]中心对应的中心线上，将扭簧绊扣[39]与集油坑[35]的内壁贴近，使其随着活塞[5]的内外移动而往复摇摆。

6、根据权利要求1所述滚旋式内燃机，其特征在于：双流式旋转阀[8、8′]的阀体上设有排气口[40]及输气道[41]，并在输气道入口处设笛簧片[42]与勾状托[43]，用螺钉[44]加以固定，在阀体上还装有阀片[45]、阀环[46]和阀套[47]，旋转阀安装在气缸体[1]两侧的排气道[55、55′]上，随着转子[3]每旋转180°，通过传动机构的驱动，而定时往复旋转，使废气由排气口[40]排放，压缩空气则从输气道[41]输入中冷器[56]内。

7、根据权利要求1或6所述滚旋式内燃机，其特征在于：双流式旋转阀[8]的传动机构，由凸轮[48]、从动框[49]、导向轮[50]、滚子[51]、连杆[52]和摆动夹[53]构成，凸轮[48]装在主轴[4]上，从动框[49]装在四只导向轮[50]之间，通过其两侧的连杆[52]带动固定在阀轴[54、54′]上的摆动夹[53]，从而使两侧的旋转阀[8、8′]同步作往复旋转。

8、根据权利要求1所述滚旋式内燃机，其特征在于：付进气道[14]和主进气道[30]分别设于前后气缸盖[2、2′]上，主进气道[30]环绕主轴承座一周构成环状气道，使其与转子档进气口始终保持贯通，付进气道[14]将中冷器[56]中的压缩空气连同燃料，通过主轴进气口[15]输入主燃烧室[16]内。

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