CN1085731A - 自举旋转发动机 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种自举旋转发动机，是属于热力发 动机领域中的一种新型旋转式内燃机，它是由摆动式 气缸、自举离合器和支承构件组成，构成摆动式气缸 的内外转子均为运动构件，其间形成的若干工作腔 室、每个工作腔室均相当于一般内燃机的一个缸、其 中设有进排气气门和火花塞、内外转子通过自举离合 器的作用，而作自举步进旋转运动，结构简单、无往复 件，其热动力学原理与一般内燃机同，可充分利用现 有成熟技术设计性能更佳的直接输出旋转力矩的发 动机。

Description

本发明涉及一种自举旋转发动机，是属于热力发动机领域中的一种新型的旋转式发动机。

现有技术中，内燃机的种类很多，其中已有一个世纪历史的往复活塞式内燃机至今占距绝对的优势，经过一个世纪的发展改进其各项技术指标已达到相当高的水平，是车辆、水上交通，农业和工程机械等方面的主要动力。然而往复活塞式内燃机有着自身固有的缺点，由于必须将活塞的直线往复运动转变为曲轴的旋转运动，使其结构复杂、工艺要求高，制造加工量大，运转时产生不平衡的力和力矩、振动大、气缸内爆发压力高，为保持零件的强度，尺寸必须加大而使机件加重等等。30年代开始的发展燃气轮机，50年代开始研制的各种旋转发动机都旨在革除内燃机的活塞、连杆、曲轴机构，然而这些发动机在取得显著进步的同时并不兼有往复活塞式内燃机的优点，在技术上性能上尚无取而代之的优势。

本发明的目的是：获得一种新型的旋转式发动机，它没有活塞、连杆和曲轴等带来往复式内燃机根本局限的往复运动件，而热动力学原理和工作方式均与往复式内燃机基本相同，具有一般往复式内燃机相同的吸入空气，燃料、压缩，压缩后的工质燃烧膨胀作功和排出废气的四个冲程，因而能充分利用现有成熟技术、并有所突破而获得更好的技术特性和指标的结构简单紧凑直接输出旋转力矩的新型发动机。

解决上述任务的方案是：新型内燃发动机的基本单元是由摆动式气缸、支承构件和自举离合器所组成。其主要结构及相互关系由图1示意。外转子1为一壳体，内装设有两只径向叶片3，内转子11为一筒状圆柱体，其上装设有两只径向叶片7、内转子置于外转子中，二者构成摆动式气缸，其间由叶片分隔而形成的A、B、C、D四个空腔由外转子叶片密封件2和内转子叶片密封件6及同轴旋转结合处必应有的密封件将其密封分隔，每个空腔即为发动机的一个工作腔室。在各腔室中内外转子叶片相趋近使其容积为最小的极限位置以外，内转子叶片根部处设有进气、排气气门、火花塞或喷油嘴。5、13、14、8为A、B、C、D各腔室的进气门分别称之为aj、bj、cj、dj，4、12、15、9为各腔室的排气门分别称为ap、bp、cp、dp。当发动机工作时摆动式气缸的内外转子相对往复摆动，各腔室的容积则相应增大或减小，发动机工作的进气、压缩、燃烧、膨胀、排气五个过程在每个工作腔室的容积变化、相应气门动作、火花塞顺序放电的过程中完成并重复循环。相当于一个四缸四冲程往复活塞式内燃机。固定轴18是机器的支承构件为一限定摆动式气缸只有旋转自由度的轴状体，构成摆动式气缸的内外转子同轴装置其上，可进行旋转运动和相对旋转摆动。固定轴中通道17示意向各腔室提供工质和排出废气的通道，二者分别以彼此隔离密封的旋转连通方式接入各腔室并由相应气门启闭控制。10是内转子自举离合器，16是外转子自举离合器，自举离合器是指现有技术中的各种超越离合器，棘轮机构或其他单向闭锁装置，用以联接转子和固定轴，10、16分别限定内外转子只能绕固定轴18作同一单向转动，设如图1中所示内外转子顺时针方向可超越转动，而逆时针方向则被止动。发动机工作时各工作腔室依次膨胀作功将使内外转子交替承受顺时针方向即期望运动方向力矩和逆时针方向即非期望运动方向力矩。当转子承受非期望运动方向力矩时，自举离合器将禁止其逆转，此力矩传递到自举离合器和固定轴，或经由其他传动系统变换后传递到自举离合器和固定轴，当转子承受期望方向力矩时，内外转子则交替作期望方向的旋转运动或交替以不同速度作期望方向的旋转运动、形成摆动缸的相对往复摆动，完成前述工作腔室的容积变化。因此在发动机工作过程中无进行往复动作的机件，而工质在进行其热动力学过程中将能量直接转换成内外转子的旋转机械能。这一方案的关键特征是：构成摆动式气缸的内外转子均为运动构件并通过自举离合器与支承构件联接而实现自举步进、进行相对往复摆动，因此命名为自举旋转发动机。

结合图2进一步说明自举旋转发动机主要构件的相互作用和机器的工作过程：图2中，1内转子叶片，2内转子，3火花塞;4外转子叶片;5外转子;6外转子超越离合器;7开启状态的气门;8固定轴，9内转子超越离合器。从2-1到2-4分别示意发动机工作过程中一个单循环所含的四种状态。初始过程略去。

2-1所示状态下气门bp，cj开启，其余为关闭常态，A腔点火、火花塞放电使其中工质燃烧膨胀，此时内转子承受逆时针方向力矩、自举离合器9使之不能逆转，而外转子承受顺时针方向力矩其运动不受影响，因此作顺时针方向转动，其结果：B腔容积减小其中废气经气门bp排出，c腔容积增大，通过气门cj吸入工质，D腔容积减小将其中工质压缩，直至外转子旋转达到2-2所示状态，即外转子相对内转子摆动一个设计限定的角行程，各个工作腔室均完成一个冲程。

2-2状态下气门ap，bj开启其余为关闭常态，D腔火花塞放电，使其中在前一冲程中压缩的工质燃烧膨胀，此时外转子由于其叶片构成D腔所处的位置而承受逆时针方向力矩，被其自举离合器6所制动，而内转子则承受顺时针方向力矩而转动，其结果：A腔容积减小废气经气门ap排出，B腔容积增大经气门bj吸入工质，C腔容积减小其内工质被压缩，直至内转子旋转至2-3所示状态，即内转子相对外转子继续向同一顺时针方向摆动同一角行程，各工作腔室又完成一个冲程。

同理，2-3状态下气门dp，aj开启其余关闭，C腔作功，A腔进气，B腔压缩，D腔排气至2-4状态，2-4状态下气门cp，dj开启其余关闭，B腔作功，A腔压缩，C腔排气，D腔进气回复到2-1所示状态。至此每个工作腔均完成进气、压缩、膨胀、排气四个冲程、依次循环下去发动机不停地工作。此上循环相对于发动机旋转方向而论，各工作腔室的作功先后是逆序而行的，事实上顺序而行即与旋转方向相同而排列各工作腔室的点火作功次序，其效果是等同的。也就是说如图2所示气门开启和点火的顺序均不改变而仅改变超越离合器6和3的单向闭锁方向使之限定内外转子均只能作逆时针转动，则发动机改变了运转方向。因此图示发动机的运转是可逆的，且能方便地通过改变自举离合器的单向闭锁方向而进行操纵。

由上述说明中可以看出发动机运转过程中，内、外转子是交替间歇地进行步进式旋转运动，这种独特的运转方式可以有特殊的用途，但并不通用，一般需要是由一个机件输出的连续转矩。为达到此目的可以增加一套传动装置，使一个转子所承受的顺向力矩经传动装置及自举离合器转换成另一转子的顺向力矩而补上其承受逆向力矩的运动或输出力矩的间歇期。图3示意一种使外转子在发动机工作过程中除每一冲程完成而进入下一冲程的交替点外始终承受期望方向力矩，相对于固定轴连续运转并输出力矩的装置，其中内转子作间歇止动或以外转子两倍速度步进旋转。事实上选用其他功能原理相同的传动装置，或使内转子作为连续运动机件都是可行的。

图3中外转子1充作行星架，其上装置圆锥行星齿轮5、与外转子超越离合器2上装置的圆锥齿轮6和内转子3一端装置的圆锥齿轮7共同组成一个ZUWGW型行星齿轮系。4是内转子超越离合器，其超越方向与2相同，外转子1以普通轴承9装置于固定轴8。若2、4选用一般单向闭锁装置则圆锥齿轮6和内转子3也应以轴承装置于固定轴8。图3仅示意主要构件之关系和传动副、其余同图1所示。

图3所示结构还可以作为另一种组合，即当发动机需要较大的功率时，可将多个单机组合在一起，以两个为例，将两个单机之外转子固联为一体，中间装置行星圆锥齿轮，而与两个内转子相邻一端分别装置的圆锥齿轮共组成一个ZUWGW型行星齿轮系，两内转子与固定轴间装置同一方向的单向闭锁装置即自举离合器，则外转子连续运转较为均匀地输出转矩。

由本发明构成两冲程的发动机，柴油机也是可行的只在配气、点火、喷油等设计上有差别，而这些成熟的内燃机技术均可对应移植到本发明的发动机设计中。本发明中摆动式气缸的工作腔室数即内外转子叶片数是可以增减的，并不限定是图示双叶片摆动式气缸，但工作腔室数应为所设计发动机冲程数或为其整倍，工作腔室数较多时每一冲程的角位移愈小，将改善发动机的低速特性。

本发明所提供的自举旋转发动机具有结构简单，无往复运动件直接输出旋转力矩等显著优点，同时具备一般内燃机的热机特性和技术优势，因此是一种极具发展潜力的新型发动机。此外由于本发明的发动机的多个工作腔室构成封闭环形，并依次转换工作冲程，极有利于拓展转阀配气而取代复杂的气门配气技术使发动机结构更趋简单、合理和可靠。

图4是一基本完整的自举旋转发动机，它包括起动机发动机本体和配气机构。是本发明的一个具体实施例。图5图6图7分别为图4的A-A、B-B、C-C视图，各部分主要构件统一标注，列举如下：

1固定轴        2起动机外转子        3外转子叶片

4叶片密封件        5E腔通道口        6内转子叶片

7叶片密封件        8F腔通道口        9起支机内转子

10F通道        11E通道        12密封件

13轴承        14起动机超越离合器        15密封件

16圆锥齿轮        17行星圆锥齿轮        18轴承

19轴        20圆锥齿轮        21轴承

22支承圈        23进气凸轮组件        24过桥齿轮

25密封件        26发动机外转子        27外转子叶片

28叶片密封件        29发动机内转子        30内转子叶片

31叶片密封件        32燃烧室        33气门

34密封件        35火花塞        36排气通道

37过桥齿轮轴        38过桥齿轮        39环形槽

40针齿        41行星针轮        42行星齿轮

43行星架        44弧形槽        45行星针轮轴

46中间齿轮        47气门顶杆        48太阳轮、排气凸轮组件

49中间齿轮轴        50发动机内转子超越离合器

51轴承        52排气通道        53太阳轮轴承

54齿圈        55角行程补偿构件        56弹簧

57拉簧        58死点引出器        59进气通道

60起动附加设备

由于本发明所提供的自举旋转发动机，其运转方式的特殊性，建立适于发动机工作的初始状态的起动过程是一般起动设备所难于达到的，因此本发明还包括一种起动机，其运转特性是与发动机相适应的。

起动机是将液压能转换为旋转机械能的自举步进式马达，由图4和图5示意。起动机外转子2为圆柱状壳体，向内装两径向叶片3、内转子9为筒状圆柱状，向外装两径向叶片6置于外转子中，二者构成一个双叶片摆动缸，其中由叶片分隔形成的四个空腔两两对称连通分别称为E腔和F腔如图5中标注，即为起动机进行能量转换的工作腔室。各腔室有通道口5和8、固定轴1中设有E腔通道11和F腔通道10分别以旋转连通方式连通相应腔室，用以供给和泄放液压介质。

发动机本体为前述基本形，由图4图6示意，两只内转子叶片30的两侧均有凹入的燃烧室32并装置有进排气气门和火花塞、进排气气门轴向装设于内转子29体中，分向两端由各气门顶杆47控制启闭，固定轴1中设有进气通道59和排气通道36，分别以旋转连通方式经各腔室相应气门连通各腔室的燃烧室，用以提供工质和排放废气，为防止发生串火或因高温使邻近腔室提前自燃、内外转子叶片设计有足够厚度和可靠密封，内外转子体及叶片内还可设计通入冷却介质用以降温。

起动机外转子2与发动机外转子26坚固联接为一体，并以普通轴承13和51安装于固定轴1，起动机内转子9，发动机内转子29分别以滚柱式超越离合器14和50安装于固定轴1，限定二者只能作同一单向旋转，且在超越方向上可起到滚柱轴承的作用。若使用双向超越离合器则使之同时受控换向，始终保持同一超越方向。

起动机外转子2与发动机外转子26联接的中间壳体有幅条连接安装支承圈22，壳体与支承圈间装设多个行星圆锥齿轮17。起动机内转子9和发动机内转子29相邻近一端分别紧固安装圆锥齿轮16和20，三者组成ZUWGW行星齿轮系使起动机，发动机内转子之间建立差动关系。起动机内外转子相对摆动的角行程与发动机内外转子间相对摆动的角行程相等，图中标注为α、而其相对摆动的相位则相反，例如图示起动机内转子叶片处于紧靠起动机外转子叶片顺时针方向侧的极限位置时，即F腔容积为最大时，发动机内转子叶片处于紧靠发动机外转子叶片逆时针方向侧的极限位置，即B、D腔容积为最大。起动机转子叶片形状设计使其在极限位置有缓冲作用，以避免叶片，尤其是发动机叶片在工作时相撞冲击。

由于本发明所提供的发动机的工作过程中，其状态与转子相对于固定轴的实际空间位置无关，因此为达到使发动机正常配气工作的目的，本发明同时提供一种配气机构由图4图7示意。

发动机外转子26端盖一侧，设有环形槽39，其两顶点槽中心线之间的夹角为发动机内外转子相对摆动的设计角行程α，或略小于α，环形槽中间等距装设若干针齿40，两端装置死点引出器58，其弹簧力迫使行星针轮41轴在一端进入环形槽的内圆弧槽中而在另一端进入环形槽的外圆弧槽中。行星针轮41与行星齿轮42固连同轴转动，由轴45装置于行星架43，轴45一端沿环形槽39运动使行星针轮41始终与针齿40啮合，同时轴45可沿行星架43的弧形槽44摆动使行星齿轮42始终与装置于行星架43上的中间齿轮46啮合，行星架43安装于发动机内转子29一端，并装有角行程补偿构件55，弹簧56使其基本上跟随发动机内转子运动。行星架与发动机内转子装置气门顶杆的端面之间安装有太阳轮48、太阳轮48以滚针轴承和止推轴承53安装于内转子29并与中间齿轮46啮合。以上便构成了一套行星针轮正时齿轮系，其传动比为26α/π，即发动机内外转子相对往复摆动一个周期，行星针轮轴45沿环形槽39运动一周，沿弧形槽44往复摆动一个周期，而太阳轮48相对于发动机内转子29转动半周，即180°。

由图6可见发动机各工作腔的进排气气门分向内转子29两端各4个，但4个气门在圆周上并非均布，因此两端气门顶杆47伸出内转了端面分为两组：同一直径上气门其顶杆伸出端面在同一圆周上，而相邻气门顶杆伸出端面处在不同直径的圆周上，如图8（a）所示。太阳轮48同时为排气凸轮组件，其相对排气气门顶杆伸出端面设有端面凸轮、凸出部分为二条略大于90°圆弧，二条圆弧的半径分别与上述气门顶杆伸出端面的圆周相应，如图8（b）所示。凸出圆弧略大于90°是与气阀叠开现有技术对应的。在内转子29的另一端设有与排气凸轮组件48完全对称相似的进气凸轮组件23，过桥齿轮24和38紧固装于穿过发动机外转子叶片内壁的转轴37并分别与23和48啮合使二者同步等速旋转，且安装使其凸轮相对位置符合设计正时顺序，同时排气凸轮组件48设置有分电盘或另由正时齿轮与48啮合并驱动分电盘。点火，进排气顺序设计如前文所述。而电气线路的设置是无特殊要求和易于实现的。

上述配气机构仅作为一个实例，其设计是可有多种，如前文所述本发明具有实施转阀配气的优势，若在上述机构中去掉气门，顶杆和凸轮而代之以转阀令转阀与太阳轮48同步转动，转阀孔与图8（b）弧形相应，或改变为径向弧形阀孔而将转阀套置于固定轴1的旋转通道与内转子体之间，阀孔扫过各腔室通道口即可达到正时配气的目的，其结构则更为简单可靠。

为使起动机得以工作，需附设一蓄能器，液压油箱和至少一个控制阀如图5所示起动附加设备60、控制阀为二位四通阀，由两端电磁铁控制换向，而两端电磁铁分别由发动机配气机构反馈的A、C工作腔之一点火作功和B、D、工作腔之一点火作功两组信号控制，起动机E、F腔交替充入和泄放压力介质、将迫使发动机内外转子相对往复摆动，在配气机构正时动作同时令起动机控制阀适时换向条件下、发动机各工作腔室完成进气、压缩、点火、排气各冲程直至进入正常工作运转状态。发动机正常工作后可交换起动机控制阀两端电磁铁的控制信号，则起动机内外转子在发动机工作的动力驱动下相对往复摆动，E、F腔交替吸入和压出压力介质，起动机工作在液压泵状态，向蓄能器充入压力介质以供下一次起动之用。若使起动机E、F腔通道直接连通并切除蓄能器和液箱，则起动机工作在轻载阻尼状态，使发动机工作更趋平稳。

如前所述本发明所提供自举旋转发动机可将往复活塞式内燃机的成熟的设计，工艺技术等大量应用，附属装置机构也是如此，如化油、排气净化、消音、冷却散热、高压电路、喷油装置等等。同时对于工质亦无特殊要求，所有能用于往复活塞式内燃机的燃料都可用同样的方式利用。

Claims (5)

1、一种自举旋转发动机，它基本是由摆动式气缸，自举离合器和支承构件组成，其特征在于：所述摆动式气缸是由能进行相对往复旋转摆动的运动构件-内、外转子所构成，内外转子间形成若干容积可变密封隔离的空腔，每个空腔即为发动机的一个工作缸，设有进人工质和排出废气的通道，启闭控制和点火装置，所述自举离合器是指现有技术中的各种超越离合器，棘轮机构或其他单向闭锁装置，上述内、外转子均通过自举离合器装设于支承构件并被限定只能作相同方向单向旋转运动，所述支承构件是指作为发动机的静止支承物、限定所述内、外转子只有旋转自由度，其中设置有供给工质排出废气通道并以旋转连通方式连通上述工作缸的构件。

2、根据权利要求1所述的自举旋转发动机，其特征在于：构成所述摆动式气缸的内、外转子均设有两只径向叶片，从而形成四个工作腔室，每个工作腔室的进排气气门和火花塞设置于所述内转子叶片凹入的燃烧室中，内转子通过自举离合器装置于支承构件，外转子上装设行星齿轮与内转子和另一自举离合器上装置的齿轮啮合、建立差动齿轮系，并以普通轴承装置于支承构件，所述支承构件是固定轴，上述内、外转子同轴装置其上。

3、根据权利要求1、2所述的自举旋转发动机，其特征在于：它同时设置有起动机，起动机为一自举步进式液压马达、其运动方式与发动机相同，并使其摆动角行程相等、起动机的动作交替步进换向受所述发动机配气机构正时控制。

4、根据权利要求1、2所述的自举旋转发动机，其特征在于：发动机的配气机构是由设置于所述发动机外转子一端的环形槽，环形槽为两段与外转子端面圆同心、直径不等的圆弧槽两端圆滑连接，两端槽中心线夹角等于发动机设计摆动角行程，环形槽中间设置的针齿，设置于所述发动机内转子上的行星架，行星架上装设的行星针轮行星齿轮和中间齿轮，行星针轮与行星齿轮同轴固连与上述针齿啮合而行星齿轮与中间齿轮啮合，和设置于所述发动机内转子上可自由转动并与上述中间齿轮啮合的太阳轮所构成的行星针轮正时齿轮系，其传动比为2α/π即所述内、外转子相对往复摆动一个周期则太阳轮相对所述内转子旋转180°。

5、根据权利要求1所述的自举旋转发动机，其特征在于：发动机各工作腔的进排气启闭装置是转阀。

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