CN112065575B - 一种换腔式转子发动机 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种换腔式转子发动机，包括驱动轴、定子壳，还包括异形转子和若干分腔气门块，所述异形转子呈曲面，所述异形转子设置在所述定子壳内且固定在所述驱动轴上；所述分腔气门块沿所述驱动轴的轴向或径向布置，并且紧贴所述异形转子的曲面沿所述驱动轴的轴向或径向方向做受控往复运动。本发明的换腔式转子发动机通过本发明特定的异形转子和分腔气门块配合进行同步运动，减少了转子的磨损，实现了腔体转化和非对称压缩比技术，在节省燃油的同时大幅度提升了发动机的整体工作效率，克服了传统发动机的机械效率低和尾气能量损失大的问题。

Description

一种换腔式转子发动机

技术领域

本发明涉及转子发动机技术领域，尤其是涉及一种换腔式转子发动机。

背景技术

目前的活塞式发动机是依靠曲轴带动活塞上下受控往复运动，通过活塞缸内的体积变化完成传统的“吸气”、“压缩”、“燃烧做功”、“排气”一个循环过程。虽然其原理简单，但是由于存在四连杆机械效率低、进气气门角度小、压缩比不易提高等缺点，现行的活塞式发动机的整体效率只有40％左右。

同样的，三角转子发动机虽然在机械效率上解决了活塞发动机的机械效率低的问题，但是其压缩比同样受限，进气量虽相对活塞发动机提高但依旧存在缺陷。加之转子发动机的三角转子在实际中磨损情况较严重，容易在使用一段时间后出现漏气等现象，不易维护。同样，三角转子式发动机虽然提高了机械效率但是整体效率因为尾气能量损失问题依旧使得其整体效率在35-42％之间。

有鉴于此，特提出本发明。

发明内容

本发明的目的是提供一种换腔式转子发动机，以解决目前现有的转子发动机机械效率低、压缩比受限、转子磨损严重、尾气能量损失等问题。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种换腔式转子发动机，包括驱动轴、定子壳，还包括异形转子和若干分腔气门块，所述异形转子呈曲面，所述异形转子设置在所述定子壳内且固定在所述驱动轴上；所述分腔气门块沿所述驱动轴的轴向或径向布置，并且紧贴所述异形转子的曲面沿所述驱动轴的轴向或径向方向做受控往复运动。

进一步的，所述分腔气门块沿所述驱动轴的径向布置时，所述异形转子的径向圆周面呈非圆曲面，所述分腔气门块沿所述驱动轴的径向方向做受控往复运动。

进一步的，所述分腔气门块沿所述驱动轴的轴向布置时，所述异形转子的端面呈曲面，所述分腔气门块沿所述驱动轴的轴向方向做受控往复运动。

进一步的，还包括驱动机构以用于控制分腔气门块和所述异形转子同步；所述驱动机构由所述驱动轴驱动。

进一步的，所述驱动机构包括若干个凸轮或凸轮工作轮廓组成，所述凸轮工作轮廓控制所述分腔气门块配合所述异形转子的曲面运动。

进一步的，所述分腔气门块的上方设置有用于调节补偿的气门杆，所述气门杆的旁侧连接有滑块，所述滑块置于所述凸轮上。

进一步的，所述凸轮采用圆柱凸轮或盘形凸轮。

进一步的，所述异形转子在一个旋转周期内，有且仅有一次做功循环时，所述分腔气门块的数量为3个。

进一步的，所述异形转子的曲面的曲线形状是正弦曲线、余弦曲线、摆线曲线、等速螺线或摆动曲线中的任意一种。

进一步的，所述异形转子的数量可以为1个，也可以由多个异形转子串联或并联设置。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

本发明提供的换腔式转子发动机通过本发明特定的异形转子和分腔气门块配合进行同步运动，减少了转子的磨损，实现了腔体转化和非对称压缩比技术，在节省燃油的同时大幅度提升了发动机的整体工作效率，克服了传统发动机的机械效率低和尾气能量损失大的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提出的换腔式转子发动机的立体结构示意图；

图2为本发明提出的换腔式转子发动机的爆炸图；

图3为本发明提出的分腔气门块沿发动机的径向方向设计的原理示意图；

图4为本发明提出的驱动机构和异形转子同轴的结构示意图；

图5为本发明提出的驱动机构和异形转子不同轴的结构示意图；

图6为本发明提出的对称布置的换腔式转子发动机的结构示意图；

图7为本发明提出的对称布置的换腔式转子发动机的立体图；

图8为本发明提出的换腔式转子发动机吸气压缩过程示意图；

图9为本发明提出的换腔式转子发动机换腔点火过程示意图；

图10为本发明提出的换腔式转子发动机做功与二次吸气过程示意图；

图11为本发明提出的换腔式转子发动机做功终了过程示意图；

图12为本发明提出的换腔式转子发动机二次换腔排气过程示意图；

图13为本发明提出的换腔式转子发动机换腔细节示意图。

附图标记说明：

1-异形转子； 2-分腔气门块；

21-气门杆； 22-滑块；

3-驱动机构； 31-凸轮；

4-驱动轴； 5-定子壳。

10-可控气门a1； 20-可控气门a2；

30-排气口H1； 40-进气口H2。

具体实施方式

下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语"中心"、"纵向"、"横向"、"长度"、"宽度"、"厚度"、"上"、"下"、"前"、"后"、"左"、"右"、"竖直"、"水平"、"顶"、"底"、"内"、"外"、"顺时针"、"逆时针"等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语"第一"、"第二"仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有"第一"、"第二"的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本发明的描述中，"多个"的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。此外，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

参阅图1-图7所示，本发明提供的一种换腔式转子发动机，包括驱动轴4、定子壳5，还包括异形转子1和若干分腔气门块2，异形转子1的工作面呈特定曲面，异形转子1设置在定子壳5内且固定在驱动轴4上；分腔气门块2沿驱动轴4的轴向或径向布置，并且紧贴异形转子1的曲面沿驱动轴4的轴向或径向方向做受控往复运动。

当分腔气门块2沿驱动轴4的径向布置时，异形转子的径向圆周面呈非圆曲面，分腔气门块2就沿驱动轴4的径向方向做受控往复运动；当分腔气门块2沿驱动轴4的轴向布置时，异形转子1的端面呈曲面，分腔气门块2就沿驱动轴4的轴向方向做受控往复运动。当异形转子1的端面呈曲面时，可以是一端的端面为曲面状，也可两侧对称的端面同时设置曲面状。

需要注意的是，本实施例中的异形转子1是一端的端面为曲面状，曲面的曲线形状包括但不限于正弦曲线、余弦曲线、摆线曲线、等螺曲线或组合曲线中的任意一种。

本发明的换腔式转子发动机还包括驱动机构3，所述驱动机构由所述驱动轴驱动。驱动机构3用来控制分腔气门块2，使得分腔气门块2和异形转子1能够同步，驱动机构3和异形转子1可以同轴安装，也可以不同轴安装。本实施例中，驱动机构3和异形转子1同轴安装，具体而言，驱动机构3包括若干个凸轮31或若干个凸轮工作轮廓并列组成，凸轮31的工作轮廓用于控制分腔气门块2配合异形转子1的曲面运动。凸轮31可以采用圆柱凸轮或盘形凸轮，在本实施例中采用圆柱凸轮。作为优选，本实施例中，当异形转子在一个旋转周期内，有且仅有一次做功循环时，分腔气门块2和工作轮廓的设置数量均为3个，3个分腔气门块2在3个工作轮廓一对一的控制下，紧贴异形转子1的曲面沿驱动轴4的轴向运动做受控往复运动从而分别完成辅助压缩、辅助做功和进行换腔，可实现相互不等的压缩比与膨胀比功能。由于分腔气门块2和异形转子1是同步运动，因此对异形转子1的磨损会小很多，而且还能提高密封性。当驱动机构3和异形转子1不同轴安装时，凸轮31需要独立安装，但同样能达到目的；此时凸轮31亦可采用盘形凸轮。本发明中的驱动机构3并不局限于凸轮形式，也可以为其他轨迹控制的机构，比如四连杆结构。

本发明中定义的腔体是指在同一個转子发动机内，由发动机零部件分隔围绕形成的一个或若干个实施进气、压缩、点火、排气功能中一个或几个的封闭或仅与进气门、排气门相连通的不封闭空间，不含进气道空间和排气道空间。

本发明中定义的换腔是指助燃气体、燃料或其混合物在由转子分隔的相邻两腔体中从一个腔体转移到另一个腔体的情况。

本发明中定义的压缩比为转子机吸气压缩过程中终了空腔体积与起始空腔体积的比值。特别的，本专利中的压缩比不一定等于膨胀比。

本发明中定义的膨胀比为转子机点火燃烧过程中起始空腔体积与终了空腔体积的比值。特别的，本专利中的膨胀比不一定等于压缩比。

继续参阅图1-图7所示，分腔气门块2的上方设置有用于调节补偿的气门杆21，气门杆21连接有滑块22，滑块22置于凸轮31的工作轮廓上，凸轮31转动，从而带动滑块运动，可调节的气门杆21可以通过调节装置微调气门杆长度，从而实现微调初始安装位置和补偿气门块磨损损失的功能。

上述方案的基础上，异形转子的数量可以为1个，也可以由多个异形转子串联或并联设置。当串联设置时，其相应的凸轮31可以做成串联共享凸轮，或做成串联但不共享驱动凸轮；当并联设置时，其相应的凸轮31可以做成并联共享凸轮，或做成并联但不共享驱动凸轮。

本发明的换腔式转子发动机可以设计成对称式，使得整机重量更轻，径向尺寸更小，在这种情况下，转子在做功循环中产生的力内部抵消，各零件受力更均匀，工作更平稳。也不限于使用传统的石化类燃料，也可以使用诸如醇类、可燃气体类等其他燃料。如果水分解反应能得到极大的优化，氢动力能源将可使本发动机最大程度的发挥其优势。

以下阐述本发明的换腔式发动机的工作过程和原理。

实际上，本发明的换腔式转子发动机的分腔气门块2沿发动机的轴向方向运动涉及的整体运动是一个三维的空间运动，难以像传统的活塞式和三角转子式发动机那样用一个截面的平面图表示，故采用一种截面展开图方式来表示其原理。如图8-图13所示，将整个转子转动圆周沿径切面展开，依据此进行原理阐述。附图8-图13中有三个气门块C1、C2、C3；转子曲面形成的A、B凸起；两个腔体腔I、腔II；进排气孔H1、H2；可控气门a1、a2。网格状区域为燃烧做功气体，横条状区域为吸入未压缩气体，竖条状区域为压缩气体，斜条状区域为燃烧后气体，无色为类真空区域。箭头为转子运动方向。

1、吸气压缩过程：如附图8所示，这是该转子机上一个工作循环后，前一循环两次吸气被压缩(图中竖条状区域部分，以下简称此时被压缩的助燃气体为重压缩气体)时的状态。此时，转子截面B尚未达到极限压缩位置，而同时气门块C1紧贴转子截面，相对凸起B远离，一方面将前一循环的废弃从排气口H1挤出；另一个方面伴随气门块与凸起B、定子壳体构成的腔体体积变大，新鲜助燃气体从进气口H2吸入。这一过程中的吸气部分为第一次吸气过程，以下简称一次吸气，被吸入的气体简称一次气体。此时三个气门块状态分别为：C1紧贴转子曲面，C2保持在上死点位置不动(根据控制条件，C2也可能出于上死点位置附近的变速换向阶段)，C3紧贴转子曲面。可控气门a1，a2均保持打开。

这里有两种分支：

1.进气压缩比小的换腔式发动机(指压缩比不足以压燃燃料或刚好能压燃的发动机)此时进行燃料喷入，然后在后面的压缩过程中充分混合燃料与助燃气体(亦可在后面出现真空腔时喷入)。

2.进气压缩比大的换腔式发动机(指压缩比足以压燃燃料的发动机)此时不进行燃料喷入，而在形成腔腔体II真空时喷入。换腔细节如图13所示。

II.换腔点火过程(亦为压缩一次吸气过程)：如图9所示。在这个过程中，转子凸起A、B继续向右移动，腔体I中的助燃气体被压缩；气门块C1在最高点与转子凸起A顶部贴合，其左侧的燃烧后废气已排空；腔体I中一次气体此时开始被压缩，可控气门a2在转子凸起A封闭进气口H2之前保持关闭；转子凸起A左侧的腔体II此时与进气口H1连通，为避免出气管路中的气体回流，此时可控气门a1关闭；气门块C2右侧此时与转子凸起B、定子壳体形成点火腔体，考虑到燃火迟延的问题，点火时该腔体并未出去最小体积(最大压缩)状态。此时三个气门块状态分别为：C1紧贴转子曲面，位于转子凸起A顶部；C2紧贴转子曲面运动；C3保持在最高位不动。可控气门a1，a2均保持关闭。这一过程中，换腔、喷射燃料、点火过程细节参考图13所示：

1.如图13中第一张图所示，转子凸起B逼近气门块C3并开始封闭换腔辅助流道(槽)；气门块C3紧贴转子曲面将被压缩的助燃气体挤入定子壳体上预留的换腔辅助流道(槽)中；气门块C2位于最高位，但保持与转子曲面贴合。

2.如图13中第二张图所示，转子凸起B继续向右运动，并彻底封闭换腔辅助流道(槽)；气门块C3位于最高位开始保持不动；所有被压缩的重压缩气体此时几乎全部进存处于换腔辅助流道(槽)中；气门块C2此时已紧贴转子曲面开始向下运动，并与转子凸起B、定子壳形成类真空腔体(第二张图中注明的部分)；此时可向类真空腔体内喷射燃料。

3.如图13中第三张图所示，转子凸起B继续向右运动，其左侧开放换腔辅助流道(槽)，使得重压缩气体开始流入之前的类真空腔体；高压力的重压缩气体，进入类真空腔与之前喷入的燃料充分混合；如果为压燃类发动机设置，此混合过程在经过一个小的迟延角后，会在高压高温下发生压燃反应，自动点火；如果为点燃类发动机设置，此混合过程仅出现高压混合的过程，并在设定的迟延角位置由火花塞点燃混合气体。

Ⅲ.做功与二次吸气过程：如图10所示。这一过程中，转子凸起A、B继续向右；气门块C2与转子凸起B、定子壳体形成的腔体内此时点绕后的混合气体开始膨胀做功，推动转子凸起B继续向右运动；同时，气门块C2与转子凸起A、定子壳体形成的腔体内的一次气体被压缩，以下简称被压缩的一次气体为一次压缩气体；转子凸起A此时阻断腔体I与进气口H2的连通，可控气门a2打开，伴随由气门块C1与转子凸起A、定子壳体形成腔体体积的变大，新的助燃气体从进气口H2被吸入，称这一吸入过程为二次吸气，被吸入的助燃气体为二次气体；此时三个气门块状态分别为：C1、C2紧贴转子曲面运动，C3保持在最高位不动。可控气门a2打开，a1保持关闭。

Ⅳ.做功终了：如图11所示。此时，燃烧结束，膨胀做功结束；转子在惯性作用下，凸起A、B继续向右运动；前一过程中的一次气体继续被压缩，逼近最大压缩状态；凸起A左侧封闭一次吸气回流用换腔辅助流道(槽)，如图13中的三张图所示；气门块C3继续紧贴转子曲面运动，将被压缩的一次气体压入回流用换腔辅助流道(槽)；凸起A左侧的腔体二此时吸入的二次气体体积达到最大，可控气门a2关闭；凸起B封闭排气口H2，可控气门a1打开；此时三个气门块状态分别为：C1、C2紧贴转子曲面运动，C3保持在最高位不动。可控气门a1打开，a2关闭。

Ⅴ.二次换腔排气过程：如图12所示。这一过程中，转子在惯性作用下，凸起A、B继续向右运动；转子凸起A左侧开放回流用换腔辅助流道(槽)，一次压缩气体冲入二次腔体II中与二次气体混合；凸起B封闭进气口H2，可控气门a2打开；气门块C2保持停留在最高位，腔体II保持体积固定；

凸起B开放排气口H1，可控气门a1保持打开，凸起A右侧的废弃开始经排气口H1排除；在之后的运动中，当凸起A经过气门块C3后，C3开始紧贴转子曲面运动，二次压缩混合气体，形成重压缩气体。此时三个气门块状态分别为：C1紧贴转子曲面运动，C2保持在最高位不动，C2在凸起A经过后，紧贴转子曲面运动；可控气门a1，a2打开。保持此过程，发动机完成循环，回到过程I。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (9)

1.一种换腔式转子发动机，包括驱动轴、定子壳，其特征在于，还包括异形转子和若干分腔气门块，所述异形转子呈曲面，所述异形转子设置在所述定子壳内且固定在所述驱动轴上；所述分腔气门块沿所述驱动轴的轴向或径向布置，并且紧贴所述异形转子的曲面沿所述驱动轴的轴向或径向方向做受控往复运动；所述定子壳的内壁上开设有辅助流道；所述异形转子在一个旋转周期内，有且仅有一次做功循环时，所述分腔气门块的数量为3个。

2.根据权利要求1所述的换腔式转子发动机，其特征在于，所述分腔气门块沿所述驱动轴的径向布置时，所述异形转子的径向圆周面呈非圆曲面，所述分腔气门块沿所述驱动轴的径向方向做受控往复运动。

3.根据权利要求1所述的换腔式转子发动机，其特征在于，所述分腔气门块沿所述驱动轴的轴向布置时，所述异形转子的端面呈曲面，所述分腔气门块沿所述驱动轴的轴向方向做受控往复运动。

4.根据权利要求3所述的换腔式转子发动机，其特征在于，还包括驱动机构以用于控制分腔气门块和所述异形转子同步；所述驱动机构由所述驱动轴驱动。

5.根据权利要求4所述的换腔式转子发动机，其特征在于，所述驱动机构包括若干个凸轮或凸轮工作轮廓组成，所述凸轮工作轮廓控制所述分腔气门块配合所述异形转子的曲面运动。

6.根据权利要求5所述的换腔式转子发动机，其特征在于，所述分腔气门块上设置有用于调节补偿的气门杆，所述气门杆连接有滑块，所述滑块置于所述凸轮上。

7.根据权利要求5所述的换腔式转子发动机，其特征在于，所述凸轮采用圆柱凸轮或盘形凸轮。

8.根据权利要求1所述的换腔式转子发动机，其特征在于，所述异形转子的曲面的曲线形状是正弦曲线、余弦曲线、摆线曲线、等速螺线或组合曲线中的任意一种。

9.根据权利要求1所述的换腔式转子发动机，其特征在于，所述异形转子的数量可以为1个，也可以由多个异形转子串联或并联设置。

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