CN1110758A

CN1110758A - 对流式旋转发动机

Info

Publication number: CN1110758A
Application number: CN95101299A
Authority: CN
Inventors: 云晓璎
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1995-01-27
Filing date: 1995-01-27
Publication date: 1995-10-25

Abstract

发动机输出旋转动力的内部构造分成两个关联的部分，分别有各自的储气室(燃烧室)、点火装置、处于同一轴心的转子与定子(缸套)之间形成的月牙形容积空间(两部分的月牙形容积空间呈错位反方向 180°角)、在转子或定子上呈180°角对置的两个可复位的活塞式挡板及半月形密封件、混合燃气入口、废气排出口、压缩气通道入口、压缩气通道出口，以及两个关联部分各自单向通往另一储气室的压缩气通道。此发明的热循环有类似内燃发动机所需的四冲程动作，并有四种基本形态的设计。

Description

所属技术领域：动力机械;

经中国专利信息中心1995年元月17日提供的检索资料查明，包括中国在内的世界各国的专利申请记录，尚没有同此发明有相同的发明或类似的发明。此外，大量的资料表明，目前世界各国的一些重要的有关研究机构，侧重研究的是Wankel发动机，即偏心转子式旋转发动机，并且在少数机械中应用了这种发动机（如：某一些赛车、锄草机等），普遍认为，偏心转子式旋转发动机是最有希望的旋转式发动机。而事实上，偏心转子式发动机自从在六十年代由德国工程师Wankel发明以来，一直没能进入实用阶段，其致命的问题在于：三角型转子的三个端点难以做到有效密封，即使一些类似的变种出现，亦未能很好地解决这一问题。因为一直未有更合理的设计，偏心转子发动机至今依然是普遍研究的对象。

我认为，偏心转子式发动机是毫无前途的研究对象，我的基本分析如下：1、偏心转子的端点与气缸壁的接触面由于运动型体的需要，无法增大，而事实上又无法找到一种既耐磨又耐高温，同时又可以实现良好密封的材料。从材料学的角度看，耐磨、耐高温恰恰同实现密封的材料在制造上是矛盾的，顾此失彼是根本的原因。因此，发动机转子与气缸壁必须有一个有效的接触面，这就是活塞式发动机得以存在的一个重要原因。

众所周知，发动机是一种热能转变为动能的机械，其转换过程中的一个基本的实现条件，是燃烧使气体膨胀，推动密封件作功，如活塞式发动机中的活塞。所以，能否实现良好的密封是一个首要的条件，否则就无法高效率地实现这种能量转换。偏心转子式发动机在这一点上的缺点是致命的。由此可以断言：偏心转子式发动机（Wanke发动机）永远不会成为一种实用型的发动机，在日益注重节约能源的今天与未来，这更加显而易见。

而活塞式发动机的缺点则在于：1、由于人们真正需要的大多是旋转的机械动力，而活塞式发动机在能量转换过程中，活塞的直线运动却有相当一部分能量变成了震动以及伴随的噪音。2、活塞式发动机存在着气阀问题，为了解决这个问题，大多数先进的活塞式发动机都以增加气阀的数量来解决，这无疑使发动机的机械构造更为复杂，运动机件增多，摩擦损耗加大;3、活塞式发动机为了得到均衡的动力，实现四冲程动作，不得不保证有一定数量的气缸，这是活塞式发动机构造复杂、运动机件多的又一个根本原因。

基于以上的理解与分析，我认为一种革命性的新型发动机的设计必须实现如下几项目标：1、产生动力的运动机件（如活塞、转子）必须与气缸壁有适当面积的接触，这是实现密封的一个重要条件;2、产生直接输出的旋转动力，因为只有如此才可消除机器的震动以及伴随的噪音;3、运动部件减少，这是减少摩擦消耗与易于制造的必要条件;4、有类似活塞式发动机的燃烧环境，即气体有被压缩过程;5、比功率增大，以较小的体积产生较大的功率;6、发动机不可是一种精巧的设计，它必须坚固，否则就不能产生较大的动力;7、必须可以实现有效的冷却循环;8、必须可以实现有效的润滑。

对流式旋转发动机的设计即可基本达致上述八个方面的要求。这也就是此项发明的目的。

对流式旋转发动机的工作原理基于几个特点：

1、转子与定子（气缸套）之间形成两个月牙形容积空间，与储气室（即燃烧室）成比例，这是压缩比参数的依据。

2、两月牙形容积空间互相独立密封，在运转时有单向的压缩气通道与另一储气室相通。意即：A的混合燃气被压缩进入B的储气室，B的混合燃气被压缩进入A的储气室，各自是单向流动，对流之称即源于此。

3、圆弧面与半圆面在转子或定子上的对合，发动机内腔的两个月牙形容积空间由此形成。

4、活塞式挡板在复位弹簧与圆弧面的作用下做往复运动，其特点有如活塞式发动机中气阀在凸轮作用下的运动。

5、可滑动半月形的密封件保持转子运转时更切合的密封。

对流式旋转发动机基于以上的特点，实际上出现四种基本形体的设计：

1、圆弧与半圆在转子上对合的定子对流方式。定子式设计的特点是定子（缸套）的内腔截面为整圆，储气室设计在定子上;对置的活塞式挡板安装于定子上;混合燃气入口与废气排出口不需要气阀。燃气膨胀压力作用在转子圆弧面。

定子对流方式出于密封条件的考虑，又可分为单转子设计和双转子设计（比较图2与图3）。

2、圆弧面与半圆面在定子上对合的对流方式（参见图4）。转子对流方式的特点是转子的截面为一整圆，储气室在转子拱形背上;对置的活塞式挡板安装在转子上;压缩气道亦在转子上，燃烧膨胀的压力作用于活塞式挡板;混合燃气入口与废气出口需要类似活塞式发动机中的气阀。

同样出于密封条件的考虑，又分为单转子设计和双转子设计。综合以上各点，为此四种基本设计命名为：

1、定子对流方式单转子旋转发动机（参见图1，图2）;

2、定子对流方式双转子旋转发动机（参见图1，图3）;

3、转子对流方式单转子旋转发动机（参见图4，比较图2）;

4、转子对流方式双转子旋转发动机（参见图4，比较图3）;

以上统称为对流式旋转发动机。其基本设计的特点如下：

1、各有两个储气室，两者之间密封隔绝;

2、各有两个在转子与定子（缸套）之间形成的月牙型容积空间，两者之间完全密封隔绝，两部分的月牙形容积空间呈错位反方向180°角。

3、各有两个大致在180°角对置的活塞式挡板;在定子对流方式中，活塞式挡板安装在定子上，其一分隔燃烧室与压缩气道入口，其二分隔混合燃气进口与废气排出口（参见图1）;而转子对流方式的设计，活塞式挡板的作用略有不同（参见图4，比较图1）。

4、定子对流方式每一转子的外形是半圆体与圆弧体的对接体（见图1）;转子对流方式，定子是半圆空腔与圆弧空腔的对接体，转子则为圆柱体（见图4）;定子对流方式中，转子上的两个圆弧面呈错位反方向180°角;转子对流方式中，月牙形容空间在同一水平位置上并列，中间完全密封隔绝。

5、每一月牙形容积空间与另一储气室之间有压缩气通道（单向通往另一储气室），运转时即出现A容积空间的被压缩燃气进入B储气室，B容积空间被缩燃气进入A储气室。

6、每一活塞式挡板与圆弧面之间，有一半月形滑动密封件（见图1、图4）;活塞式挡板和半月形密封件中间有可用于润滑油透过的细孔。

7、在定子对流方式中，转子的半圆面依次封闭压缩气通道入口、储气室、废气排出口及混合燃气进口;在转子对流方式中，定子的半圆面依次封闭压缩气通道入口、储气室，而月牙形容积空间始终处于圆桶型转子的密封状态中（比较图1、图4）。

8、定子对流方式，混合燃气进气口与废气排出口呈自然开启状态（闭合由转子半圆面完成）;转子对流方式，混合燃气入口与废气排出口有类似活塞式发动机的气阀装置。此外，定子对流方式，压缩气通道口、混合燃气入口及废气排出口，可以设在定子的侧面端盖或分隔层上，或者在定子的拱背上;转子对流方式中，压缩气通道口则只能在转子圆弧拱圆背上。

9、定子对流方式，储气室位置在定子内，月牙形容积空间在运转时做圆周运动;转子对流方式，储气室位置在转子的拱背上，运转时储气室做圆周运动，而月牙形容积空间则在定子弧形内腔位置不变化。

10、不论定子对流方式或转子对流方式，发动机气缸总容积等于两个月牙形容积空间的容积之和。

11、定子对流方式，转子的圆弧面为工作面，进行吸入混合燃气、压缩、受膨胀热气压力作功、排出废气;转子对流方式，运转时伸缩的活塞式挡板为工作面，进行吸入混合燃气、压缩、受膨胀热气压力作功、排出废气。

12、不论定子对流方式或转子对流方式，转子每运转一周，发动机均可完成两次热循环（即是两个容积空间内各自的热循环），进气、压缩、点燃作功、排气。

13、此发动机的定子冷却为水循环，转子冷却为油循环。

14、此发动机的润滑方式，转子侧面及轴承由通过转子空腔的润滑油实现，转子的圆弧面则由活塞式挡板及半月形密封件留有的细孔渗出实现润滑。

15、此发动机气体总容量的调整，通过增大转子直径、加大转子轴向的宽度，及设计调整圆弧面的弧度来增大或减少。

16、此发动机的端盖可以调整转子侧面的密封程度，转子圆弧面与活塞式挡板的密封，可由活塞式挡板的上盖来调整。

17、此发动机如是定子对流方式，紧挨储气室的活塞式挡板，在旋转方向上处于储气室之后;转子对流方式，紧挨储气室的活塞式挡板，在旋转方向上处于储气室之前。

18、此发动机运转中，两个部分各自完成如下动作：当A同时进行压缩、燃烧作功时，B正好处于储气室密封状态，并进行吸入混合燃气及排出废气，反之亦然（参见图1，图4）。

以上为此发动机的一些基本的设计特点。与现有的任何发动机的技术相比，它的优点在于如下几个方面：

一、围绕单一动力轴运转的两个动力产生部分，可以更加完美地实现热循环，不规则的燃烧空间可以使空气的扰动增加，燃烧将更为充分;

二、转子与定子基本处于同一轴心，转子布局的力学结构合理，完全可以做到定向的平稳运转，因此不会产生震动，进而消除现有活塞式发动机噪音的主要来源。

三、由于发动机的转子与定子（缸套）拥有设计可以调整得到的接触面，因此易于做到良好的密封;而目前认为最有希望的旋转式发动机（Wankel发动机）则无法从根本上解决这一点。同时，此发动机的密封程度，能做到补偿转子的磨损，得以实现更好的密封及延长转子的使用时间;

四、发动机的部件大大减少，尤其是活动的部件减少到最少程度，这就使得制造更加容易，同时做到减少了材料损耗、摩擦损耗及减少噪音的来源。

五、发动机的体积大大缩小，因而可以得到更大的比功率，在这种设计中，与现有技术实现的活塞式发动机相比，在气缸空间相同的情形下，其体积可以缩少到活塞式发动机的三分之一左右（气缸容积的大小是发动机动力大小的一个基本原因）。

六、由于形体的根本性变化，冷却方式更加简单。

七、由于运动部件的减少，润滑方式更加简单。

八、循此设计而制造的发动机不会是一种精巧的设计，它可以制造得更加坚固，进而产生强大的动力。不仅如此，由于此发动机的运行平稳，气缸的内壁与转子的圆弧面和半圆面如果采用耐磨擦的陶瓷材料，将会大大增加发动机的寿命，而目前的活塞式发动机则因处于剧烈的震动状态下，采用陶瓷材料难以做到。

以下为附图图面说明：

图一：上下两图分别是发动机（定子对流方式）两个实现热循环的圆截面，图面可见：主轴（1）;转子（2部分）;定子（2部分）;活塞式挡板（4）;储气室（2）;火花塞（2）;半月形密封件（4）;月牙形容积空间（2）;混合燃气入口（2）;废气排出口（2）;压缩燃气通道入口（2）;压缩燃气通道出口（2）;水套空腔等。图中可见两转子错位情形下对置的位置。

图二：为定子对流方式的双转子发动机截面图。图面可见：主轴（1）;轴承（2）;活塞式挡板（2）;储气室（2）;火花塞（4）;转子（2）;定子（2）;密封缸垫;A部通向B储气室的压缩气通道（1）;B部通向A储气室的压缩气通道（1）;水套空腔等;墙盖（2）;中间分隔层（1）;两转子之间的空间内，主轴上可安装涡轮叶片。

图三：为定子对流方式单转子，图面可见：主轴（1）;轴承（2）;活塞式挡板（2）;储气室（2）;火花塞（2）;活塞式挡板（2）;转子（1）;定子（1）;密封缸垫;水套空腔;端盖（2）;

图四：转子对流方式圆截面图，图中可见：主轴（1）;转子;转子上储气室（2）;火花塞（2）;活塞式挡板（4）;半月形密封件（4）;混合燃气入口（2）;废气排出口（2）;转子上压缩气通道入口（2）;转子上压缩气通道出口（2）;

注：1、转子式对流方式的截面图可参考图2、图3。

2、活塞式挡板由复位弹簧压迫，保持与转子圆弧面紧密接触。

对于上述发明的最佳实现方式：

1、定子与转子的制造可采用目前活塞式发动机通常的气缸制造方法。

2、为制造更为长寿的发动机，气缸及转子可加套陶瓷件。

以目前的机械制造能力，任何一间中型机械厂均可制造出此发动机的样机。

Claims

本发明所属的技术为动力机械领域。

本发明并非单一追求获得输出旋转动力，而是着重合理的力学结构，避免目前已在一定范围内应用的旋转发动机(wankel发动机)存在的密封不足的缺点，以全新的设计，形成一个前所未有的动力生成过程，得以实现类似内燃发动机所需的四冲程动作：吸入混合燃气-压缩-点燃作功-排出废气。

本发明特征在于：

发动机输出旋转动力的内部构造，分成在单一动力轴上并列的两个关联部分，分别有各自的储气室(燃烧室)、点火装置、处于同一轴心的转子与定子(缸套)之间形成的月牙形容积空间(两部分的月牙形容积空间呈错位反方向180°角)、在转子或定子上呈180°角对置的两个可复位的活塞式挡板及半月形密封件、混合燃气入口、废气排出口、压缩气通道入口、压缩气通道出口，以及两个关联部分各自单向通往另一储气室的压缩气通道，并通过此压缩气通道，使两个关联部分交替向对方补充压缩的燃气，点燃后膨胀热气体压力作用于转子圆弧面或活塞式挡板，在圆周运动中实现类似四冲程的动作，产生可直接输出的旋转动力。