CN111894731A - 一种步进式转子内燃机 - Google Patents

Abstract

一种步进式转子内燃机内燃机动力领域，具体涉及一种步进式转子内燃机。本发明拥有更小的体积，更少的零部件以及更低的制造和运行维护成本，有利于节能。本发明包括转子套、转子、第一定子和第二定子，其特征在于：所述转子套为空心圆柱体结构，所述转子通过中空螺栓配合安装在所述转子套外部，所述第一定子和所述第二定子结构相同并分别设置在所述转子的两端，所述转子可与所述第一定子和所述第二定子相对转动，所述第一定子和所述第二定子都与所述转子套滑动配合，所述第一定子和所述第二定子都设置有冷却腔，所述转子套内部相配合设置有转轴，所述转子外部设置有与所述第一定子和所述第二定子相配合连接的气缸外套，所述气缸外套设置有通气孔。

Description

一种步进式转子内燃机

技术领域

本发明属于内燃机动力领域，具体涉及一种步进式转子内燃机。

背景技术

内燃机是一种常见的提供动力装置，目前普及的内燃机为标准往复四冲程循环做功，分别是吸气、压缩、燃爆、排气。其主要特征是圆柱形活塞沿自身轴线做往复运动，通过曲柄曲轴将此往复运动转化成输出轴的圆周运动，供动力辅机使用。为了顺利完成四冲程循环动作，还需配有进、出气机构，火花塞（喷油嘴），冷却、润滑系统等。但由于现有的各种内燃机的结构形式已经普遍固定化，目前还是传统的并列往复四冲程内燃机为主要结构形式。一些针对内燃机的发明改造在克服某一弊端时又会导致新的问题，或者由于各种弊端或不可实现而没有被实际应用。因此，有必要设计一种可以取代传统并列往复四冲程内燃机，并且可以以更小的体积、更轻的重量、更少的零部件带来更低的制造成本和维护成本，并且运行平稳、减少能耗的新型节能内燃机。

发明内容

本发明就是针对上述问题，提供一种步进式转子内燃机；本发明具有传统内燃机的效率，与传统内燃机相比拥有更小的体积，更少的零部件以及更低的制造和运行维护成本，通过两缸四冲程的气缸原理，可以有更平稳的功率输出，并可以减少能耗，有利于节能。

为了实现本发明的上述目的，本发明采用如下技术方案，本发明包括转子套、转子、第一定子和第二定子，其特征在于：所述转子套为空心圆柱体结构，所述转子通过中空螺栓配合安装在所述转子套外部，所述第一定子和所述第二定子结构相同并分别设置在所述转子的两端，所述转子可与所述第一定子和所述第二定子相对转动，所述第一定子和所述第二定子都与所述转子套滑动配合，所述第一定子和所述第二定子都设置有冷却腔，所述转子套内部相配合设置有转轴，所述转子外部设置有与所述第一定子和所述第二定子相配合连接的气缸外套，所述气缸外套设置有通气孔。

优选地，所述冷却腔中设置有火花塞座，所述火花塞座的一端设置有一火花塞孔，所述火花塞座的另一端通过连接通道设置有打火孔。

优选地，所述第一定子和所述第二定子相对于所述转子的定子接触面和转子接触面上均包括特斯拉阀结构。

优选地，所述转子相对于所述第一定子和所述第二定子的转子接触面上设置有压缩气道。

优选地，所述转子的两端、所述第一定子的一端和所述第二定子的一端均为螺旋线形成的折返圆环结构。

优选地，所述转子套内部为内花键结构，所述转轴与所述转子套相配合部分为外花键结构。

优选地，还包括水冷套、第一端盖、第二端盖、进气管和排气管，所述水冷套为中空结构，所述转子、所述转子套、所述第一定子、所述第二定子、所述气缸外套和所述转轴的组合体置于所述水冷套的中心孔中，所述水冷套设置有进气孔和排气孔，所述进气管和所述排气管均通过螺钉与所述水冷套配合固定连接，所述进气管与所述进气孔相匹配，所述排气管与所述排气孔相匹配，所述第一定子和所述第二定子均设置有定子交换通孔，所述水冷套通过设置套交换孔与所述定子交换通孔相配合，所述第一端盖和所述第二端盖均与所述水冷套固定连接。

进一步地，所述第一端盖和所述第二端盖上均设置有水冷通道，所述水冷通道与所述冷却腔相配合连通，所述第一端盖与所述转轴的连接处设置有轴承。

优选地，所述转子和所述气缸外套的连接处设置有转子密封环，所述转子和所述转子套的连接处设置有转子套密封环。

优选地，所述第一定子和所述第二定子均设置有与所述气缸外套厚度相匹配的安装环槽。

本发明的有益效果。

本发明由于省去了配气机构，而且没有传统的连杆曲轴部件，使得在与传统内燃机相比同样输出功率的情况下，拥有更小的体积，更少的零部件以及更低的制造和运行维护成本，利用两缸四冲程的气缸原理，有更平稳的功率输出，特别在低转速下会有更好的扭矩表现，并且有利于节能。

附图说明。

为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及具体实施方式，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

图1是本发明的装配半剖视图。

图2是本发明主部件的结构示意图。

图3是本发明用于装配的水冷套局部剖面俯视图。

图4是本发明用于装配的第一端盖侧视图。

图5是本发明装配后的侧视图。

图6是本发明的转子、第一定子、第二定子的相同曲面形成关系图。

图7是本发明转子和定子的带有特斯拉阀结构的接触面示意图。

图8 是本发明沿圆周360度展开后的工作原理示意图。

图9是本发明的进气过程示意图。

图10是本发明的排气过程示意图

图11是本发明的压缩与点火部分沿圆周360度展开后的结构示意图。

图12是本发明中中空螺栓的结构示意图。

附图中1为转子套、2为转子、3为第一定子、4为第二定子、5为中空螺栓、6为冷却腔、7为转轴、8为气缸外套、9为通气孔、10为火花塞座、11为火花塞孔、12为连接通道、13为打火孔、14为特斯拉阀结构、15为压缩气道、16为水冷套、17为第一端盖、18为第二端盖、19为水冷通道、20为轴承、21为转子密封环、22为转子套密封环、23为进气管、24为排气管、25为定子交换通孔、26为套交换孔、27为安装环槽、28为进气孔、29为排气孔、30为气孔甲、31为气孔乙、32为气孔丙、33为气孔丁、34为第一边界、35为第二边界、36为第三边界、37为第四边界。

具体实施方式

一、本发明主要由六个主要部件组成。

如图2所示，其名称分别是：

气缸外套8：气缸外套8为一个厚度为t的薄壁零件，外半径为R+t,内半径为R。端面曲线与第一定子3和第二定子4的端面曲线重合。其作用是将本发明的第一定子3、第二定子4、转子2、转子套1按要求与它装配连接。在气缸外套8的合适部位开有通气孔9，使得内外壁之间可以进行气体交换。

第一定子3、第二定子4：第一定子3和第二定子4的结构相同，由内半径为r，外半径为R+t的圆柱制造而成。第一定子3和第二定子4均设置有厚度为t的安装环槽27。第一定子3和第二定子4在安装时沿轴线扭转90°形成相位差。设置有冷却腔6，冷却水可以在内燃机工作时在冷却腔6内循环，保证内燃机处于合适温度。

转子2：转子2的形状为与第一定子3和第二定子4同样的螺旋线形成的折返圆环结构。其外半径为R，内半径为r。两转子2接触面与第一定子3和第二定子4的定子接触面可重合匹配。转子2上有穿透厚壁的螺丝孔，以便和转子2套1通过中空螺栓5连接固定

转子套1：转子套1为内孔带有花键槽的钢管。外半径为r，内孔通过设置内花键和转轴7配合，外径与转子2内径配合处留有螺栓孔，以便固定转子2。

转轴7：转轴7通过外花键与转子套1连接，其作用是动力输出。

除以上六大部件以外，本发明还有为了内燃机正常运行的其他附属零部件，主要有水冷套16、第一端盖17、第二端盖18、进气管23、排气管24、轴承20等。

二、本发明部件的安装排布关系。

如图1所示，转子套1先套上第一定子3，平端向外。然后套上转子2。由于转子2两端的曲面形状完全一样，所以没有方向之分。然后用中空螺栓5将转子2固定在转子套1上，并保证螺栓的旋出部分不会阻挡花键在筒内的滑动。将气缸外套8套于转子2上，并推向第一定子3保证与第一定子3安装环槽27紧密结合。再将第二定子4平端向外，套在转子2套1上并与气缸外套8压紧。此时两个定子曲面的相位差为90°。

以上操作完成后会形成一个由气缸外套8，第一定子3、第二定子4、以及一个中间固定了转子2的转子套1的圆柱形整体。并且气缸外套8和转子套1之间会形成180°对面的两个空腔，在这两个空腔中，转子2可以绕中心轴转动并与转子套1一起沿轴向滑动。

将这个外表面为圆柱体的六件套结构，推入水冷套16的中心孔中。并且将水冷套16上的进气孔28和排气孔29与气缸外套8的通气孔9对装。将已经套装轴承20的转轴7沿着花键顺入转子套1中。然后加装第一端盖17和第二端盖18，并注意第一端盖17和第二端盖18的水冷通道19和火花塞的位置分别与第一定子3和第二定子4上的位置保持一致。加装进气管23和排气管24后，本装置安装完成。在整个过程中涉及的各种密封措施以及密封原件，部件的公差配合等要求并未详述。这些问题可以由实际的制造工艺解决。

作为内燃机，本发明的外部附属装置还包括：水泵及其换热器，启动电机及电瓶，进气的节气门以及油泵，排气的管路和消音器，尾气的净化装置等。如果驱动汽车可能还需要变速箱等机械装置。这些装置都与传统的内燃机使用的装置没有本质的区别，也不在本发明专利的保护条款中，故不列出并讨论。但在讨论本发明运行原理时，已经假定上述装置都存在并正常工作。

三、本装置的第一定子3、第二定子4、转子2、气缸外套8的接触面成型方程。

转子2的两端、第一定子3的一端和第二定子4的一端所构成螺旋线形成的折返圆环结构具体如图6所示，第一定子3和转子2、第二定子4和转子2的互贴合的接触面相当于一个内径为2r，外径为2R的圆柱体，在导程为±δ的条件下，以90°为拐点形成的弧线曲面，其表达方式为：

内弧线x=r*cos(θ)，y=r*sin(θ)，z=(±δ)*θ。

外弧线x=R*cos(θ)，y=R*sin(θ)，z=(±δ)*θ（90°转折）。

其中，θ为转角变量，导程δ可以依据不同的要求选取。其原则是由δ确定的两弧面夹角a不小于90°。由于第一定子3、第二定子4、转子2以及气缸套的接触面曲面都是使用上述同一柱面极坐标方程完成，因此在同一轴线安排放置后它们的曲面就回完全重合而不留间隙（未考虑机械加工误差）。

四、本发明所涉及的工作原理。

如图8所示，图的①、②两部分分别表示由两个定子以及气缸套和转子2内套隔成了两个空腔。如图8中的图①所示，在转子2运动过程中，由第一定子3和第二定子4在整个圆周方向隔开的两个空腔（气缸）被分隔成A\B\C\D四个分腔。其中每个腔的功能为：

A——吸气、B——压缩、C——爆发、D——排气。

分别是四冲程内燃机的4个做功过程。排气、吸气、压缩三个过程所需要的能量都由爆发过程提供。当转子2沿圆周方向旋转90°以后，上述四个过程结束。则气缸内的分隔各腔开始功能转换，如图8中的图②变成：

B——吸气、A——压缩、D——爆发、C——排气。

其中A-B空间功能互相转换，C-D空间功能互相转换。与传统的四冲程内燃机不同，同一气缸内必须分别完成吸气、压缩、爆发、排气四个功能才可以形成做功循环。在本装置中定子环绕圆周形成的两个腔体，其中一个永远完成爆发-排气的功能，可以称为热缸。图8中被标为C和D。另一个腔体永远完成吸气-压缩的功能，可以称为冷缸。图8中被标为A和B。转子2在热缸里的C、D两腔内交替爆发的推动下，每次爆发完成绕轴线的沿圆周方向90°转动和沿轴线的滑动，以此推动活塞转子2不停的绕轴旋转并输出能量。类似于人在走步时的左右脚交替运动，达到向某一方向运动的目的。这也是本装置名称中“步进”的由来。为了完成整个循环过程，在转子2（活塞）上有特殊的压缩气道15的结构设计，以保证该功能的实现，压缩气道15分布在转子2的沿径向对称轴线的两侧的曲面（接触面）上。

五、润滑、密封、进气与排气。

本发明主要的润滑面是转子2与气缸外套8自己建的旋转与滑动摩擦面以及第一定子3、第二定子4和转子2之间的滑动摩擦面。在图12中具体展示了转子2固定用的带有中孔的中空螺栓5，图1中显示了中空螺栓5的安装位置。当转子2工作时，旋转的离心力会把机油室内的润滑油通过这些小孔甩入转子2与气缸外套8之间的摩擦面，如图1所示，再通过转子2的沿轴向的滑动进行润滑。转子套1和第一定子3、第二定子4的内孔的润滑依靠转子套1和第一定子3的内孔、第二定子4的内孔的来回窜动完成。在这种来回窜动过程中，还会由机油留在第一定子3和转子2、第二定子4和转子2的摩擦表面，起到润滑作用。

在本发明的运行过程中，转子2与第一定子3、第二定子4以及转子2套1、气缸外套8之间必须做到密封才可以稳定工作。图1中给出了各个部位的密封环（转子密封环21、转子套密封环22）的位置。它们都是按整个圆周布置。与传统内燃机活塞环唯一的不同是在圆周方向，这些环是折线的结构，其他方面相同。在转子2与第一定子3、转子2与第二定子4之间，由于是一个扭曲的表面，不适合密封环密封，因此设计了特斯拉阀结构14，如图7所示，在第一定子3与转子2的接触面、第二定子4和转子2的接触面开有细小的沟槽。这种结构能最大限度的减少气体的溢出，起到单向气体密封作用。

本发明装置的进气排气功能依靠转子2与第一定子3和第二定子4的相对位置完成，并不需要气门阀等凸轮系统，原理显示在图9和图10中。在图9中的图①中，转子2按箭头方向运动。在第一边界34和第二边界35未接触之前，气孔甲30被转子2本身覆盖（气孔开在气缸外套8上）而A气室正在完成压缩冲程，气体无处泄露被压缩。同时相邻的B气室气孔乙31处于开放状态，完成其吸气过程，直到第一边界34和第二边界35接触。在图9中的图②中，当A气室完成压缩过程，转子2依箭头方向运动，气孔乙31被封堵，B气室开始进入压缩冲程，A气室透过气孔甲30吸气，直到第三边界36和第四边界37接触。在进气压缩环节，只要合理的设计甲乙气孔的位置和形状，就可以完成传统内燃机的气门配气系统的功能。爆发和排气功能分别在C气室和D气室中交替进行，如图10中的图①和图②所示，给出了爆发与排气两个冲程的气路情况，与进气压缩原理相同。

六、点火过程。

如图11所示，在转子2运动过程中，转子2的压缩气道15和第一定子3、第二定子4的打火孔13交替联通。随着转子2活塞的运动，在A腔中的油气被压入定子的打火孔13中。这里有安装在第一定子3和第二定子4上的火花塞放电极。一旦转子2的运动达到点火条件（由主轴位置编码器测出），就可以进入爆发冲程。而转子2与第一定子3和第二定子4的接触面通过特斯拉阀结构14密封。

可以理解的是，以上关于本发明的具体描述，仅用于说明本发明而并非受限于本发明实施方式所描述的技术方案，本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或等同替换，以达到相同的技术效果；只要满足使用需要，都在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种步进式转子内燃机，包括转子套（1）、转子（2）、第一定子（3）和第二定子（4），其特征在于：所述转子套（1）为空心圆柱体结构，所述转子（2）通过中空螺栓（5）配合安装在所述转子套（1）外部，所述第一定子（3）和所述第二定子（4）结构相同并分别设置在所述转子（2）的两端，所述转子（2）可与所述第一定子（3）和所述第二定子（4）相对转动，所述第一定子（3）和所述第二定子（4）都与所述转子套（1）滑动配合，所述第一定子（3）和所述第二定子（4）都设置有（6），所述转子套（1）内部相配合设置有转轴（7），所述转子（2）外部设置有与所述第一定子（3）和所述第二定子（4）相配合连接的气缸外套（8），所述气缸外套（8）设置有通气孔（9）。

2.根据权利要求1所述的一种步进式转子内燃机，其特征在于：所述冷却腔（6）中设置有火花塞座（10），所述火花塞座（10）的一端设置有一火花塞孔（11），所述火花塞座（11）的另一端通过连接通道（12）设置有打火孔（13）。

3.根据权利要求1所述的一种步进式转子内燃机，其特征在于：所述第一定子（3）和所述第二定子（4）相对于所述转子（2）的定子接触面和转子接触面上均包括特斯拉阀结构（14）。

4.根据权利要求1所述的一种步进式转子内燃机，其特征在于：所述转子（2）相对于所述第一定子（3）和所述第二定子（4）的转子接触面上设置有压缩气道（15）。

5.根据权利要求1所述的一种步进式转子内燃机，其特征在于：所述转子（2）的两端、所述第一定子（3）的一端和所述第二定子（4）的一端均为螺旋线形成的折返圆环结构。

6.根据权利要求1所述的一种步进式转子内燃机，其特征在于：所述转子套（1）内部为内花键结构，所述转轴（7）与所述转子套（1）相配合部分为外花键结构。

7.根据权利要求1所述的一种步进式转子内燃机，其特征在于：还包括水冷套（16）、第一端盖（17）、第二端盖（18）、进气管（23）和排气管（24），所述水冷套（16）为中空结构，所述转子（2）、所述转子套（1）、所述第一定子（3）、所述第二定子（4）、所述气缸外套（8）和所述转轴（7）的组合体置于所述水冷套（16）的中心孔中，所述水冷套（16）设置有进气孔（28）和排气孔（29），所述进气管（23）和所述排气管（24）均通过螺钉与所述水冷套（16）配合固定连接，所述进气管（23）与所述进气孔（28）相匹配，所述排气管（24）与所述排气孔（29）相匹配，所述第一定子（3）和所述第二定子（4）均设置有定子交换通孔（25），所述水冷套（16）通过设置套交换孔（26）与所述定子交换通孔（25）相配合，所述第一端盖（17）和所述第二端盖（18）均与所述水冷套（16）固定连接。

8.根据权利要求7所述的一种步进式转子内燃机，其特征在于：所述第一端盖（17）和所述第二端盖（18）上均设置有水冷通道（19），所述水冷通道（19）与所述冷却腔（6）相配合连通，所述第一端盖（17）与所述转轴（7）的连接处设置有轴承（20）。

9.根据权利要求7所述的一种步进式转子内燃机，其特征在于：所述转子（2）和所述气缸外套（8）的连接处设置有转子密封环（21），所述转子（2）和所述转子套（1）的连接处设置有转子套密封环（22）。

10.根据权利要求1所述的一种步进式转子内燃机，其特征在于：所述第一定子（3）和所述第二定子（4）均设置有与所述气缸外套（8）厚度相匹配的安装环槽（27）。

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