CN111764998B

CN111764998B - 多转子纯滚动内燃机

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Publication number: CN111764998B
Application number: CN202010694884.0A
Authority: CN
Inventors: 刘少林
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2020-07-18
Filing date: 2020-07-18
Publication date: 2022-05-24
Anticipated expiration: 2040-07-18
Also published as: CN111764998A

Abstract

本发明公开了一种多转子纯滚动内燃机，属于发动机技术领域，主要结构包括：齿轮组、固定隔板、密封片、转子组。齿轮组转动时，带动多个转子公转的同时自转，多个转子围成横截面封闭的区域，两端加装盖板后形成气缸。工作时，相邻转子间以纯滚动方式接触，且在接触点无正压力作用，使磨损降至最低，提高了转子寿命。转子自转一圈，输出齿轮转两圈，气缸容积两次变大变小，完成吸气、压缩、做功、排气四个过程。发动机压缩比理论可达39.3，较高的压缩比意味着较高的热效率，较低的油耗和污染。本发明解决了三角转子发动机油耗高，污染重，零部件寿命短的问题，同时仍具有排量大，体积小的特点。

Description

多转子纯滚动内燃机

技术领域

本发明属于发动机技术领域，具体涉及一种由多个转子组成的变容式发动机。

背景技术

目前，内燃机主要包括往复活塞式内燃机和三角转子发动机。三角转子发动机主要由“8”字形缸体和三角转子组成。转子旋转时，三个顶角将气缸分为三个独立空间，各自完成吸气、压缩、燃烧、排气四个过程。三角转子发动机输出轴转速是转子的3倍，转子每自转一圈发动机点火三次。与往复活塞式内燃机相比，由于改直线往复运动为旋转运动，省去曲柄连杆机构，体积小，振动小，噪声小，而且功率大。但是，转子发动机三角转子的三个顶角边工作时始终与气缸壁线接触，虽然在顶角上有类似活塞环一样的密封件，但密封件长期在无法良好润滑的条件下工作，磨损十分严重，转子寿命短。三角转子发动机转速高、密封易磨损，造成其燃烧不充分，污染较重。另一方面，三角转子发动机的结构形式决定了它的工作气室容积变化不大，与传统往复活塞式内燃机相比压缩比较小，一般无法采用压燃方式点火。较小的压缩比造成转子发动机热效率低，油耗高。

发明内容

本发明设计了一种发动机，目的是解决三角转子发动机以下缺点：

1、磨损严重，零部件寿命短。2、油耗高，污染重。

本发明所采取的技术方案是：

使用多个运动的转子围成一个横截面封闭的区域，在转子两端加装盖板形成气缸。转子在运动过程中，相邻转子之间以纯滚动的方式接触。去掉气缸侧壁，转子之间以纯滚动方式接触，使得磨损降至最低，提高了转子寿命。发动机工作时，通过齿轮组的转动，带动多个转子公转的同时自转，实现气缸容积的变化。转子每自转半圈，气缸体积由最小增至最大（参见附图1），转子自转一圈完成内燃机吸气、压缩、做功、排气四个过程。这种方式得到的压缩比理论可达39.3，较高的压缩比意味着较高的热效率，较低的油耗和污染。

为得到两个相互做纯滚动运动转子的轮廓线采取的技术方案：（参见附图2）

设轮廓线α绕点A以角速度ω₁顺时针公转，同时绕自身中心H 以角速度ω₂顺时针自转；轮廓线β绕点B以角速度ω₁逆时针公转，同时绕自身中心E 以角速度ω₂逆时针自转。α、β在t时刻相位角分别为φ₁、φ₂，公转半径均为r。其中ω₁:ω₂等于2:1，点A、B间距L。α、β绝对速度瞬心为P、Q，P与H关于点A中心对称，Q与E关于点B中心对称。P、Q连线中点S即为纯滚动接触点。在一个自转周期（2π/ω₂）时间内取足够多个接触点（例如500个），将接触点的绝对坐标变换到与α（或β）相对静止的相对坐标系下，连接这些坐标点可得轮廓线α（或β）。轮廓线公转半径相同，且自转和公转周期分别相等时，轮廓α₁线形状相同。

为实现多个转子围成密闭区域采取的技术方案：（参见附图3至附图7）

在求出t时刻转子轮廓线α、β之后，（t＋t0）时刻，α、β处在α₀、β₀位置（如图3）。其中，t0=Φ/ω₂（Φ=2π/3）。将α₀及点C（β₀中心点）绕点B顺时针旋转Φ弧度，得到α₁及点D。将α₁沿点D到点E的方向和距离平移，得到α₂，α₂与β相切。图4中，将点F（α₀中心点）及β₀绕A点逆时针旋转Φ弧度，得到点G及β₁，将β₁沿点G到点H的方向和距离平移得到β₂，β₂与α相切。（t－t0）时刻α、β处在α₃、β₃位置（如图5）。将点J（β₃中心点）及α₃绕B点逆时针旋转Φ弧度，得到点K及α₄，将α₄沿着点K到点E的方向和距离平移得到α₅，α₅与β相切。图6中，将点M（α₃中心点）及β₃绕A点顺时针旋转Φ弧度，得到点N及β₄，将β₄沿点N到点H的方向和距离平移得到β₅，β₅与α相切。最后，将α、β₂及β₅沿AB方向向左平移3倍L，得到α₆、β₆及β₇（如图7）。α₂、β、α₅、β₇、α₆及β₆围成一个封闭区域（图7中阴影区域）。

随着t的变化，轮廓α₂、β、α₅、β₇、α₆、β₆中心R''、E、T''、U''、V'、W''的公转轨迹呈圆形或椭圆形（参见附图8），边长为L的正六边形RBTUVW顶点为公转中心。为了确定转子中心的位置，作辅助点R'、T'、U'、W'。坐标系Oxy原点位于正六边形RBTUVW中心，且横轴与RW平行，其中：

RR'=BE=TT'=UU'=VV'=WW'=r，

RR'' =TT''=UU''= WW''=rsin(Φ)/cos(Φ/2)，

RR'、BE、TT'、UU'、VV'、WW'与x轴正方向夹角（逆时针方向为正）依次为：

(φ₁-3Φ+ω₁t)、φ₂-ω₁t、(φ₁+3Φ+ω₁t)、(φ₂-3Φ-ω₁t)、φ₁+ω₁t、(φ₂+3Φ-ω₁t)，

R'R''、T'T''、U'U''、W'W''与x轴正方向夹角（逆时针方向为正）依次为：

(φ₂+0.5Φ-0.5π-ω₁t)、(φ₂-0.5Φ+0.5π+ω₁t)、(φ₁+0.5Φ-0.5π-ω₁t)、(φ₁-0.5Φ+0.5π+ω₁t)，

α₂、β、α₅、β₇、α₆、β₆绕各自中心旋转相位角（逆时针方向为正）依次为：

φ₁-2Φ-ω₂t、φ₂+ω₂t、φ₁+2Φ-ω₂t、φ₂-2Φ+ω₂t、φ₁ -ω₂t、φ₂+2Φ+ω₂t，

通过上述式子可以确定任意时刻转子中心位置及相位角。

若将Φ由（2π/3）改为（π/2），φ₁=-0.34π，φ₂=1.576π，其它条件不变，按照上述变换，α、β、α₂、β₂围成封闭区域，可形成四转子发动机（参见附图9）。

为实现转子的运动采取的技术方案：

首先，通过附图10和图11所示的齿轮组实现转子的圆轨道运动。传动曲轴2一端穿过固定齿轮3与输出齿轮4联结，另一端与输入齿圈1中心轴共线。输入齿圈1的头部凹槽将与转子输出轴联结。传动曲轴2以半径r旋转，带动输入齿圈1公转，同时输入齿圈1与固定齿轮3啮合。输入齿圈1与固定齿轮3的齿数比为2:1，输入齿圈1自转一圈，其中心轴绕固定齿轮3中心轴旋转两圈，从而实现转子的圆轨道运动。

通过附图12和图13所示的齿轮组实现转子的椭圆轨道运动。固定的齿圈11和固定的轴承10中心轴共线，传动曲轴9一端穿过轴承10与输出齿轮4联结，另一端与约束齿轮8中心轴共线。传动曲轴9旋转半径为r，固定齿圈11与约束齿轮8啮合，齿数比为2:1。输入齿轮5的头部凹槽与转子输出轴联结，同时与齿数相同的变速齿轮6啮合。变速齿轮6与传动齿轮7啮合，变速齿轮6与传动齿轮7的齿数比为4:3。传动齿轮7中心轴与约束齿轮8中心轴共线，并与穿过约束齿轮8的传动曲轴9一端联结。传动曲轴9旋转两圈，输入齿轮5沿椭圆轨道运动的同时自转一圈，即实现转子的椭圆轨道运动。

为将转子组两端密封采取的技术方案：

对六转子发动机，转子组两端输出轴的中心不断运动，要对转子组两端密封，需要随转子中心轴一起运动的开孔滑片（参见附图18）。大圆片14上开有六个大圆孔，大圆孔中心处于附图8中正六边形的顶角上。在大圆孔里填补上等大的小圆片15，在小圆片15上开偏心小圆孔15.1，小圆片15与小圆孔15.1圆心的距离为r。发动机工作时，转子17两端输出轴17.1穿过小圆孔15.1，带动小圆片15在大圆孔内旋转，同时大圆片14随着转子组一起滑动，使得转子组两端时刻保持密封状态。

对四转子发动机（参见附图21），采用开孔的密封片进行密封。一种方法是，首先在绝对坐标系下计算四个转子轮廓线中心的坐标，取四个坐标的平均值为相对坐标系原点的坐标（坐标轴方向不变）。工作时，四转子输出轴在相对坐标系下的轨迹即为开孔形状。

本发明取得的有益效果是：

与三角转子发动机相比，本发明不存在气缸侧壁，各转子之间以纯滚动的方式接触，无滑动摩擦。在齿轮组约束下，转子在接触点不受正压力作用。另一方面，齿轮组处于气缸外部，不受高温高压环境的影响，可以得到很好润滑，实现了降低磨损的目的。在压缩比方面，当r=0.21L，φ₁=－0.34π，φ₂=1.45π时，六转子发动机压缩比可达39.3，远高于转子发动机。一般来说，压缩比越高，热效率越高，油耗越小，污染越小，达到了设计目的。由于压缩比大幅提升，本发明可采用压燃的方式点火。

与直线往复式内燃机相比，本发明转子做旋转运动，振动和噪声较小。另外，本发明没有厚重的气缸侧壁和曲柄连杆机构，相同条件下可以得到较大的气缸容积，（例如六转子发动机，相邻转子公转中心间距L为10cm，转子高10cm时排量可达3.2L以上）整个发动机体积小、重量轻、排量大。在摩擦方面，避免了活塞与气缸侧壁的摩擦，提高了零件的寿命。

本发明的缺点在于，要实现多个转子的纯滚动，对齿轮组和转子组的加工精度要求较高。另外，齿轮组的磨损在一定程度上影响转子组密封的好坏，对齿轮的耐磨性有一定要求。

附图说明

图1是压缩比为39.3的六转子发动机气缸容积变化示意图。

图2是两转子纯滚动示意图。

图3是转子轮廓α₀位置变换示意图。

图4是转子轮廓β₀位置变换示意图。

图5是转子轮廓α₃位置变换示意图。

图6是转子轮廓β₃位置变换示意图。

图7是六转子轮廓围成封闭区域示意图。

图8是六转子运动轨迹示意图。

图9是压缩比为26.4的四转子发动机气缸容积变化示意图。

图10是实现转子圆轨道运动的齿轮组结构示意图。

图11是实现转子圆轨道运动的齿轮组装配示意图。

图12是实现转子椭圆轨道运动的齿轮组结构示意图。

图13是实现转子椭圆轨道运动的齿轮组装配示意图。

图14是压缩比为3.6的六转子发动机气缸气缸容积变化示意图。

图15是压缩比为3.7的四转子发动机气缸气缸容积变化示意图。

图16是压缩比为39.3的六转子发动机结构示意图。

图17是压缩比为39.3的六转子发动机齿轮组装配示意图。

图18是压缩比为39.3的六转子发动机转子和密封片装配示意图。

图19是压缩比为26.4的四转子发动机结构示意图。

图20是压缩比为26.4的四转子发动机齿轮组装配示意图。

图21是压缩比为26.4的四转子发动机转子和密封片装配示意图。

附图标记说明：1—圆轨道齿轮组输入齿圈，2—圆轨道齿轮组传动曲轴，3—圆轨道齿轮组固定齿轮，4—输出齿轮，5—椭圆轨道齿轮组输入齿轮，6—椭圆轨道齿轮组变速齿轮，7—椭圆轨道齿轮组传动齿轮，8—椭圆轨道齿轮组约束齿轮，9—椭圆轨道齿轮组传动曲轴，10—椭圆轨道齿轮组固定轴承，11—椭圆轨道齿轮组固定齿圈，12—圆形支架，12.1—轴承，12.2—连接块，12.3—齿轮，13—固定内齿圈，14—密封大圆片，14.1—气孔，15—密封小圆片，15.1—转子输出轴通过孔，16—固定隔板，16.1—气孔，16.2—连接块，16.3—转子输出轴活动孔，17—转子，17.1—转子输出轴，18—输入齿圈，19—输入齿圈，20—传动曲轴，21—传动曲轴，22—输入齿轮，23—传动曲轴，24—槽型支架，24.1—固定齿轮，24.2—固定齿轮，24.3—轴承，24.4—连接柱，24.5—连接块，25—连接块，26—转子，26.1—转子输出轴，27—密封片，27.1—转子输出轴通过孔，27.2—气孔，28—固定隔板，28.1—转子输出轴活动孔，28.2—气孔。附图中所有希腊字母表示转子轮廓线，所有英文字母表示点。

具体实施方式

下面通过附图和具体实施例对本发明的技术方案进一步说明。其中实施例一（如附图16至图18）和实施例二（如附图19至图21）分别是压缩比为39.3的六转子发动机和压缩比为26.4的四转子发动机。适当调节φ₁、φ₂和r/L，可以得到其它压缩比的发动机。例如：φ₁、φ₂和r/L依次为0、1.6π和23mm/100mm时，六转子发动机压缩比为3.6（如附图14），四转子发动机压缩比为3.7（如附图15）。连续调节φ₁、φ₂和r/L的值，可使压缩比为3.6~39.3（六转子）或3.7~26.4（四转子）之间的任意值。调节ω₁:ω₂的值为3:1、4:1、5:1等整数比时，转子形状将变为类似三角形、四边形、五边形等多边形的样子，也能组成四转子或六转子发动机。通过单纯的调节参数或其它未经过创造性的劳动，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对实施例进行各种改变或等效替换。本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，其他落入本申请的权利要求内的实施例都属于本发明保护的范围。

实施例一

一种六转子发动机包括：齿轮组、固定隔板、密封片、转子组。发动机上下两端的齿轮组、固定隔板、密封片是关于转子半高横截面对称的。齿轮组的作用是实现转子的运动，其中，输入齿圈（1）、传动曲轴（2）、齿轮（12.3）、输出齿轮（4），一起实现转子的圆轨道运动。输入齿轮（5）、变速齿轮（6）、传动齿轮（7）、约束齿轮（8）、传动曲轴（9）、固定内齿圈（13）、轴承（12.1）、输出齿轮（4）一起实现转子的椭圆轨道运动。齿轮组中各齿轮间齿数比与技术方案中所述的一致。齿圈（13.1）的功能和齿圈（11）是一样的，轴承（12.1）的功能和轴承（10）是一样的。齿圈（13）被连接块（12.2）和连接块（16.2）固定联结在圆形支架（12）和固定隔板（16）之间。六个输出齿轮（4）相互啮合，使四个椭圆轨道齿轮组和两个圆轨道齿轮组组成的大齿轮组运动自由度为1。六个转子（17）两端输出轴（17.1）穿过转子输出轴通过孔（15.1），带动密封小圆片（15）在大圆孔内旋转，同时密封大圆片（14）随着转子组一起上下滑动，使得转子组两端时刻保持密封状态。固定隔板（16）上面的转子输出轴活动孔（16.3）供转子输出轴（17.1）穿过，以便输出轴（17.1）与输入齿轮（5）或齿圈（1）联结。气孔（14.1）和气孔（16.1）一起组成燃气吸入或废气排出孔。转子（17）自转一圈，输出齿轮（4）旋转两圈，气缸容积两次变大变小，发动机四个冲程完成一次。

实施例二

一种四转子发动机，包括：齿轮组、固定隔板、密封片、转子组。输入齿圈(18)、传动曲轴 (20)、固定齿轮(24.1)、输出齿轮(4)一起实现转子圆轨道运动。输入齿圈(19)、传动曲轴(21)、固定齿轮(24.2)、输出齿轮(4)一起实现转子圆轨道运动。输入齿轮(22)、变速齿轮(6)、传动齿轮(7)、约束齿轮(8)、传动曲轴(23)、固定内齿圈(13)、轴承(24.3)、输出齿轮(4)一起实现转子的椭圆轨道运动。齿圈(13)被连接块(24.5)和连接块(25) 固定联结在槽型支架(24)和固定隔板(28)之间。连接柱(24.4)将槽型支架(24)和固定隔板(28)联结，起到加强支撑的作用。转子(26)输出轴(26.1)穿过密封片(27)上的转子输出轴通过孔(27.1)及固定隔板(28)上的转子输出轴活动孔(28.1)与输入齿圈(18) 或输入齿圈(19)或输入齿轮(22)联结。气孔(28.2)和气孔(27.2)组成吸排气孔。转子 (17)自转一圈，输出齿轮(4)旋转两圈，气缸容积两次变大变小，发动机四个冲程完成一次。

Claims

1.一种六转子发动机，其特征在于：其由齿轮组、固定隔板、密封片、转子组组成；相互做纯滚动运动的两个转子绕各自公转中心公转的同时自转，在已知公转中心距、各自公转半径和初始相位角的情况下，能够求得两个相互做纯滚动运动转子的轮廓线的形状，经过旋转和平移，得到围成封闭区域的六个转子截面轮廓曲线，从而得到六个做纯滚动运动的转子，形成转子组；在转子两端加装固定隔板形成气缸，同时在固定隔板和转子之间加装密封片用以密封；转子两端伸出转子输出轴，穿过密封片和固定隔板上面的通过孔，与自由度为1的齿轮组联结；齿轮组的作用是实现转子公转的同时又实现转子自转，其中，传动曲轴一端穿过固定齿轮与输出齿轮联结，另一端与输入齿圈中心轴共线，输入齿圈的头部凹槽将与转子输出轴联结，传动曲轴以半径r旋转，带动输入齿圈公转，同时输入齿圈与固定齿轮啮合，输入齿圈与固定齿轮的齿数比为2:1，输入齿圈自转一圈，其中心轴绕固定齿轮中心轴旋转两圈，从而实现转子的圆轨道运动；固定的齿圈和固定的轴承中心轴共线，传动曲轴一端穿过轴承与输出齿轮联结，另一端与约束齿轮中心轴共线，传动曲轴旋转半径为r，固定齿圈与约束齿轮啮合，齿数比为2:1，输入齿轮的头部凹槽与转子输出轴联结，同时与齿数相同的变速齿轮啮合，变速齿轮与传动齿轮啮合，变速齿轮与传动齿轮的齿数比为4:3，传动齿轮中心轴与约束齿轮中心轴共线，并与穿过约束齿轮的传动曲轴一端联结，传动曲轴旋转两圈，输入齿轮沿椭圆轨道运动的同时自转一圈，即实现转子的椭圆轨道运动；在密封片和固定隔板中间位置留有孔洞，以便燃气吸入或废气排出；转子每自转一圈，齿轮组中的输出齿轮旋转两圈，气缸容积先变大再变小，而后再变大，再变小，发动机依次完成吸气、压缩、做功、排气四个冲程。

2.根据权利要求1所述的一种六转子发动机，其特征在于：密封片的结构是，在大圆片(14)上开多个大圆孔，在大圆孔内填充与大圆孔半径相同的小圆片(15)，在小圆片(15)上开偏心的转子输出轴通过孔(15.1)。

3.一种四转子发动机，其特征在于：其由齿轮组、固定隔板、密封片、转子组组成；相互做纯滚动运动的两个转子绕各自公转中心公转的同时自转，在已知公转中心距、各自公转半径和初始相位角的情况下，能够求得两个相互做纯滚动运动转子的轮廓线的形状，经过旋转和平移，得到围成封闭区域的四个转子截面轮廓曲线，从而得到四个做纯滚动运动的转子，形成转子组；在转子两端加装固定隔板形成气缸，同时在固定隔板和转子之间加装密封片用以密封；转子两端伸出转子输出轴，穿过密封片和固定隔板上面的通过孔，与自由度为1的齿轮组联结；齿轮组的作用是实现转子公转的同时又实现转子自转，其中，传动曲轴一端穿过固定齿轮与输出齿轮联结，另一端与输入齿圈中心轴共线，输入齿圈的头部凹槽将与转子输出轴联结，传动曲轴以半径r旋转，带动输入齿圈公转，同时输入齿圈与固定齿轮啮合，输入齿圈与固定齿轮的齿数比为2:1，输入齿圈自转一圈，其中心轴绕固定齿轮中心轴旋转两圈，从而实现转子的圆轨道运动；固定的齿圈和固定的轴承中心轴共线，传动曲轴一端穿过轴承与输出齿轮联结，另一端与约束齿轮中心轴共线，传动曲轴旋转半径为r，固定齿圈与约束齿轮啮合，齿数比为2:1，输入齿轮的头部凹槽与转子输出轴联结，同时与齿数相同的变速齿轮啮合，变速齿轮与传动齿轮啮合，变速齿轮与传动齿轮的齿数比为4:3，传动齿轮中心轴与约束齿轮中心轴共线，并与穿过约束齿轮的传动曲轴一端联结，传动曲轴旋转两圈，输入齿轮沿椭圆轨道运动的同时自转一圈，即实现转子的椭圆轨道运动；在密封片和固定隔板中间位置留有孔洞，以便燃气吸入或废气排出；转子每自转一圈，齿轮组中的输出齿轮旋转两圈，气缸容积先变大再变小，而后再变大，再变小，发动机依次完成吸气、压缩、做功、排气四个冲程。

4.根据权利要求3所述的一种四转子发动机，其特征在于：密封片(27)上转子输出轴通过孔(27.1)的形状形成过程是，在绝对坐标系下计算四个转子轮廓线中心的坐标，取四个坐标的平均值为相对坐标系原点的坐标，同时保持相对坐标系坐标轴方向与绝对坐标系一致；工作时，四个转子输出轴在相对坐标系下的轨迹即为转子输出轴通过孔(27.1)的形状。