CN112664314B - 一种拓扑转子发动机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种拓扑转子发动机，属于发动机技术领域。包括设置于发动机内的第一传动机构、第二传动机构、配气机构、转子和汽缸，转子设置于汽缸的内腔，转子的横截面为曲边拓扑n边形；汽缸内腔的横截面为曲边拓扑n+1边形，其中n为大于等于4的偶数；转子外拓扑曲面啮合于汽缸内拓扑曲面；转子自转的同时以偏心量△e为半径绕汽缸轴线反向公转，并将汽缸分成n+1个独立腔室；汽缸设有n+1个喷油嘴和n+1个火花塞；喷油嘴、火花塞、转子和配气机构之间相互配合以使燃料在腔室内燃烧做功，并通过传动机构对外输出动力。本发明具有马力容积比高、压缩比大、运行稳定、燃料适用范围广、结构简单、体积小、重量轻、噪声低、传动效率高、使用寿命长等优点。

Description

一种拓扑转子发动机

技术领域

本发明属于发动机技术领域，更具体地，涉及一种拓扑转子发动机。

背景技术

发动机涉及到生活和经济社会中的方方面面，在国民经济中占有十分重要的地位。自19世纪60年代问世以来，活塞式发动机经过不断改进和发展，目前已成为现代生活中最为常用的发动机，但因其采用曲柄连杆机构进行动力传输而存在一些固有缺陷：(1)主轴每旋转两周，单个工作腔才完成一个四冲程工作循环，做功一次；(2)活塞的运动造成往复惯性力，且随转速升高呈平方式增长；(3)能量转化效率不高，在前1/4做功行程内，虽然活塞处于燃气高压作用下，但转动角较小，对外做功少；(4)活塞和气缸壁间存在着交变的侧压力，对活塞缸的磨损较严重且不均匀；(5)传动过程中存在上、下死点位置，易产生冲击振动。

目前，改善活塞发动机燃油经济性、提高热效率和降低排放的方法主要有两种：一是提高发动机对能源的利用效率并改善发动机的排放特性；二是开发无往复活塞的新型发动机。第一种方法利用各类辅机历经百余年的改进所能达到的各种技术指标已趋于极限，性能提升已无较大可能。因此，国内外研究者倾注大量精力和资金于第二种方法，然而该方法中也只有汪克尔发动机被小范围的应用在了马自达RX系列跑车以及无人机上。汪克尔发动机的三角转子自转一周，主轴旋转三周，发动机做功三次，具有较高的马力容积比，实践证明，其马力容积比较往复活塞式发动机有大幅度提升。但是，由于汪克尔发动机三角转子的结构及传动特点，使其具有较为明显的缺陷，如燃烧不充分、油耗高、污染重、寿命短等。虽然经历了半个世纪的改进，但还是存在着制造成本高、气密性差、润滑性不好、缸体震纹、耐久性低等一系列问题，故而导致其不能在实际应用中得到普及。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种拓扑转子发动机，由此解决传统活塞发动机以曲柄连杆和往复活塞为主的动力输出方式燃烧效率低、活动部件多的技术问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种拓扑转子发动机，包括设置于所述拓扑转子发动机内的第一传动机构、第二传动机构、配气机构、转子和汽缸，所述转子设置于所述汽缸的内腔，所述转子的横截面为曲边拓扑n边形，所述汽缸内腔的横截面为曲边拓扑n+1边形，其中n为大于等于4的偶数；

所述转子的外拓扑曲面啮合于所述汽缸内拓扑曲面；

所述转子自转的同时以偏心量△e为半径绕所述汽缸的轴线反向公转，并将所述汽缸分成n+1个独立的腔室；所述转子自转一周n+1个腔室各自先后完成n/2次进气、压缩、做功和排气，所述转子的公转速度是其自转速度的n倍，所述转子的公转速度与发动机输出的转速相同；

所述汽缸设有n+1个喷油嘴和n+1个火花塞，所述喷油嘴和所述火花塞与所述转子和所述配气机构之间相互配合以使燃料在所述腔室内燃烧做功，并通过所述第一传动机构和所述第二传动机构对外输出动力。

优选地，所述转子横截面圆倒角的半径等于所述汽缸内腔横截面圆倒角的半径。

优选地，所述汽缸内腔的外切圆半径为所述转子的外切圆半径与所述偏心量△e之差。

优选地，所述转子设有n/2对进排气道，所述进排气道的对数为所述转子横截面拓扑边数的1/2。

优选地，所述转子包括第一进排气道、第二进排气道、第三进排气道和第四进排气道；所述第一进排气道、所述第二进排气道、所述第三进排气道和所述第四进排气道均为L型结构，并且其两端分别设置于所述转子的端面与所述转子圆倒角的顶面。

优选地，所述第一进排气道与所述第二进排气道沿所述转子轴向对称设置；所述第三进排气道与所述第四进排气道沿所述转子轴向对称设置；所述第一进排气道与所述第四进排气道对称设置在所述转子两端；所述第二进排气道与所述第三进排气道对称设置在所述转子两端。

优选地，所述第一传动机构包括转子传动轴、第一轴承、第二轴承、第三轴承、第四轴承、第一输出轴、第二输出轴、第一配重盘、第二配重盘、第一输出轴支撑座和第二输出轴支撑座；所述转子传动轴的两端分别连接所述第一轴承和所述第三轴承，所述第一轴承设置于所述第一配重盘内，所述第三轴承设置于所述第二配重盘内；所述第一配重盘的一端设有所述第一输出轴，所述第一输出轴依次穿过设置于第一输出轴支撑座内的所述第二轴承和第一轴承定位盖；所述第二配重盘的一端设有所述第二输出轴，所述第二输出轴依次穿过设置于第二输出轴支撑座内的所述第四轴承和第二轴承定位盖；

所述第二传动机构包括第一内齿轮、第一外齿轮、第一内齿轮支撑座、第二内齿轮、第二外齿轮和第二内齿轮支撑座；所述第一外齿轮和所述第二外齿轮分别紧固装配于所述转子传动轴的两端；所述第一外齿轮啮合于所述第一内齿轮，所述第一内齿轮设置于所述第一内齿轮支撑座；所述第二外齿轮啮合于所述第二内齿轮，所述第二内齿轮设置于所述第二内齿轮支撑座；

所述配气机构包括第一配气盘、第二配气盘和配气室；所述第一配气盘和所述第二配气盘对称设置于汽缸的两侧，并分别与转子的两端面滑动配合。

优选地，所述第一配气盘与所述第二配气盘的结构相同，其在内部均设有配气室；所述第二配气盘沿圆周方向分别设有多个长圆孔配气槽，所述配气槽的数量与所述汽缸内腔室的数量对应一致；所述配气室通过所述配气槽与所述进排气道连通于所述汽缸内的腔室。

优选地，所述第一配气盘设有第一通气孔，所述第一通气孔用于使所述第一配气盘内的配气室与外部环境连通；所述第二配气盘设有第二通气孔，所述第二通气孔用于使所述第二配气盘内的配气室与外部环境连通。

优选地，所述第一内齿轮与所述第一外齿轮的齿数比为(n+1):n；所述第二内齿轮与所述第二外齿轮的齿数比为(n+1):n。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

1、本发明中转子与汽缸内壁面为曲面啮合，可使燃烧腔室具有良好的密封性能，进而保证燃料燃烧的充分性和均匀性，提高燃烧效率，节能减排，降低对环境的污染；

2、本发明中通过在转子上开设进排气道，在转子转动过程中，通过进排气道与配气盘、火花塞以及喷油嘴的配合可完成每个燃烧腔室的进气、压缩、做功和排气四个冲程，且转子自转一周，输出轴旋转n(n≥4)周，发动机做功n(n+1)/2次，因而具有较高的马力容积比和输出转速；

3、本发明的转子发动机摒弃了曲柄连杆和气阀机构，极大缩减了发动机活动部件，所以零部件数量少，结构简单、紧凑，体积小，升功率高，同时故障率也会极大降低；

4、本发明的转子发动机的做功过程不同于往复活塞式发动机的动力传递和转换机件，其全部做功效能直接作用于转子并输出，无惯性动能损耗，且做功动力曲线平顺，故而振动小、噪声低、燃油效率高；

5、本发明通过改变转子发动机汽缸内腔特定的燃烧室结构，可使相对固定的压缩比根据需求进行调整，提高燃烧效率，进而使其适应汽油、煤油、柴油、天然气、氢以及其他新能源燃料等，拓宽了发动机对燃料的适用范围；

6、本发明的拓扑转子发动机每个腔室设置有独立的喷油器和火花塞，可进行单独的燃烧做功，有效避免了发动机汽缸壁受交变侧压力的冲击和缸体冷热不均的问题，有利于延长发动机的使用寿命。

附图说明

图1是本发明的实施例中拓扑转子发动机的结构正视示意图；

图2是本发明的实施例中拓扑转子发动机的结构侧视示意图；

图3是本发明的实施例中转子进排气道分布示意图；

图4是本发明的实施例中配气盘的结构示意图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：第二输出轴1；第二轴承定位盖2；第二输出轴支撑座3；第二外齿轮4；第二配重盘5；第二内齿轮6；第二内齿轮支撑座7；第二配气盘8；汽缸9；喷油嘴10；火花塞11；腔室12；转子13；转子传动轴14；第一配气盘15；第一内齿轮支撑座16；第一内齿轮17；第一配重盘18；第一外齿轮19；第一输出轴支撑座20；第一轴承定位盖21；第一输出轴22；第二轴承23；第一轴承24；第一通气孔25；第一进排气道26；第二进排气道27；第三进排气道28；第四进排气道29；第二通气孔30；第三轴承31；第四轴承32；配气槽33。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，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例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1所示，本发明提出了一种拓扑转子发动机，包括设置于所述拓扑转子发动机内的第一传动机构、第二传动机构、配气机构、转子13、气缸9、喷油嘴10和火花塞11，所述转子13设置于所述气缸9的内腔，所述转子13的横截面为曲边拓扑n边形，其中n为大于等于4的偶数，所述气缸9的内腔横截面为曲边拓扑n+1边形，所述转子13的外拓扑曲面啮合于所述气缸9的内拓扑曲面。

更进一步的说明，在工作时，所述转子13自转的同时以偏心量△e为半径绕所述气缸9的轴线反向公转，所述转子13自转一周n+1个腔室12各自先后完成n/2次进气、压缩、做功和排气，所述转子13的公转速度是其自转速度的n倍，所述转子13的公转速度与发动机输出的转速相同。需要说明的是，偏心量△e为所述转子13轴线与所述气缸9轴线平行偏离的偏心量。所述转子13将所述气缸9内分成n+1个独立的腔室12，每个腔室设有一个所述喷油嘴10与一个火花塞11，燃料在所述喷油嘴10、火花塞11和转子13的相互配合作用下在所述腔室12内进行燃烧做功。

更进一步的说明，可在所述腔室12内燃烧的燃料包括汽油、煤油、柴油、天然气、氢或其他新能源燃料等。

更进一步的说明，根据燃料的燃烧性能，所述腔室12的压缩比可以任意调整以实现高压缩比的设计。

更进一步的说明，所述转子13的内部设有n/2对进排气道，所述进排气道的对数为所述转子13横截面拓扑边数的1/2。

更进一步的说明，如图2和图3所示，本发明的一个实施例提供了一种n＝4的拓扑转子发动机，包括转子13、气缸9、喷油嘴10以及火花塞11。所述转子13的横截面为圆倒角凹圆弧曲边拓扑四边形，所述气缸9的内腔横截面为圆倒角凸圆弧曲边拓扑五边形，所述转子13横截面圆倒角的半径等于所述气缸9内腔横截面圆倒角的半径。

具体的，所述气缸9内腔的外切圆半径为所述转子13的外切圆半径与所述偏心量△e之差。

具体的，所述转子13的转子端面到转子圆倒角顶面处开设有两对L型进排气道，所述转子13将所述气缸9分成五个独立的腔室12，所述转子13自转一周五个腔室12各自先后完成两次进气、压缩、做功和排气。更进一步的说明，所述转子13公转的速度是自转速度的四倍，发动机输出的转速与所述转子公转的速度相同。

具体的，如图3所示，两对L型进排气道分别为所述第一进排气道26、第二进排气道27、第三进排气道28和第四进排气道29，所述第一进排气道26和所述第四进排气道29为一对，沿所述转子13两端对称设置。所述第二进排气道27和所述第三进排气道28为一对，沿所述转子13两端对称设置。

具体的，所述喷油嘴10和所述火花塞11分别设有5个，所述喷油嘴10和所述火花塞11设置于所述腔室12的顶部。

更进一步的说明，如图1-4所示，本发明提供了一种拓扑转子发动机，还包括设置于所述拓扑转子发动机内的第一传动机构、第二传动机构和配气机构；所述第一传动机构包括转子传动轴14、第一轴承24、第二轴承23、第三轴承31、第四轴承32、第一输出轴22、第二输出轴1、第一配重盘18、第二配重盘5、第一输出轴支撑座20和第二输出轴支撑座3；所述转子传动轴14的两端分别连接所述第一轴承24和所述第三轴承31，所述第一轴承24设置于所述第一配重盘18内，所述第三轴承31设置于所述第二配重盘5内；所述第一配重盘18的一端设有所述第一输出轴22，所述第一输出轴22依次穿过设置于第一输出轴支撑座20内的所述第二轴承23和第一轴承定位盖21；所述第二配重盘5的一端设有所述第二输出轴1，所述第二输出轴1依次穿过设置于第二输出轴支撑座3内的所述第四轴承32和第二轴承定位盖2；所述第二传动机构包括第一内齿轮17、第一外齿轮19、第一内齿轮支撑座16、第二内齿轮6、第二外齿轮4和第二内齿轮支撑座7；所述第一外齿轮19和所述第二外齿轮4分别紧固装配于所述转子传动轴14的两端；所述第一外齿轮19啮合于所述第一内齿轮17，所述第一内齿轮17设置于所述第一内齿轮支撑座16；所述第二外齿轮4啮合于所述第二内齿轮6，所述第二内齿轮6设置于所述第二内齿轮支撑座7；所述配气机构包括第一配气盘15、第二配气盘8和配气室；所述第一配气盘15和所述第二配气盘8对称设置于汽缸9的两侧，并分别与转子13的两端面滑动配合。更进一步的说明，所述转子传动轴通过装配于其两末端处的径向轴承偏心安装于与汽缸同轴线的输出轴动平衡配重盘内，偏心量为前文所述转子轴线与汽缸轴线平行偏离的偏心量△e。

具体的，所述第一配气盘15与所述第二配气盘8的结构相同，其在内部均设有配气室；所述第二配气盘8沿圆周方向分别设有多个长圆孔配气槽33，所述配气槽33的数量与燃烧腔室的数量对应一致；所述配气室通过所述配气槽33与所述进排气道连通于所述汽缸9内的腔室12。

具体的，所述第一配气盘15设有第一通气孔25，所述第一通气孔25用于使所述第一配气盘15内的配气室与外部环境连通；所述第二配气盘8设有第二通气孔30，所述第二通气孔30用于使所述第二配气盘8内的配气室与外部环境连通。

具体的，所述第一内齿轮17与所述第一外齿轮19的齿数比为5:4；所述第二内齿轮6与所述第二外齿轮4的齿数比为5:4。

更进一步的说明，本发明的一个实施例提供了n＝4的四圆拓扑转子发动机，其工作过程为：所述转子13在所述汽缸9内做自转的同时以偏心量△e为半径绕所述汽缸9轴线反向公转，带动其上的两对进排气道(第一进排气道26、第四进排气道29和第二进排气道27、第三进排气道28)分别与两侧配气盘(第一配气盘15和第二配气盘8)上的所述配气槽33相连通，并配合所述喷油嘴10和所述火花塞11的动作，分别完成各个腔室12的进气、压缩、做功和排气四个冲程。两侧配气盘(第一配气盘15和第二配气盘8)上的配气室一侧为进气口，另一侧为排气口，当转子转向相反时，则两配气盘(第一配气盘15和第二配气盘8)上配气室的进排气方向反转。通过转子传动轴与输出轴的偏心安装方式可将转子的公转运动转化成输出轴的自转运动。转子自转一周五个腔室各自先后完成两次进气、压缩、做功和排气，且其公转速度是自转速度的四倍。因此，四圆拓扑转子发动机转子自转一周，其输出轴可转动四周，发动机可做功十次。根据不同燃料的燃烧性能，通过调整燃烧室的结构尺寸或是转子轴线与汽缸轴线平行偏离的偏心量△e，可改变燃烧室的压缩比，进而使四圆拓扑转子发动机可适用于不同种类的燃料，例如汽油、煤油、柴油、天然气、氢以及其他新能源燃料等。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种拓扑转子发动机，包括设置于所述拓扑转子发动机内的第一传动机构、第二传动机构、配气机构、转子(13)和汽缸(9)，所述转子(13)设置于所述汽缸(9)的内腔，其特征在于：所述转子(13)的横截面为曲边拓扑n边形，所述汽缸(9)内腔的横截面为曲边拓扑n+1边形，所述转子(13)横截面圆倒角的半径等于所述汽缸(9)内腔横截面圆倒角的半径，其中n为大于等于4的偶数；

所述转子(13)的外拓扑曲面啮合于所述汽缸(9)内拓扑曲面；

所述转子(13)自转的同时以偏心量△e为半径绕所述汽缸(9)的轴线反向公转，并将所述汽缸(9)分成n+1个独立的腔室(12)；所述转子(13)自转一周n+1个腔室(12)各自先后完成n/2次进气、压缩、做功和排气，所述转子(13)的公转速度是其自转速度的n倍，所述转子(13)的公转速度与发动机输出的转速相同；

所述汽缸(9)设有n+1个喷油嘴(10)和n+1个火花塞(11)，所述喷油嘴(10)和所述火花塞(11)与所述转子(13)和所述配气机构之间相互配合以使燃料在所述腔室(12)内燃烧做功，并通过所述第一传动机构和所述第二传动机构对外输出动力。

2.根据权利要求1所述的一种拓扑转子发动机，其特征在于：所述汽缸(9)内腔的外切圆半径为所述转子(13)的外切圆半径与所述偏心量△e之差。

3.根据权利要求1所述的一种拓扑转子发动机，其特征在于：所述转子(13)设有n/2对进排气道，所述进排气道的对数为所述转子(13)横截面拓扑边数的1/2。

4.根据权利要求3所述的一种拓扑转子发动机，其特征在于：所述转子(13)包括第一进排气道(26)、第二进排气道(27)、第三进排气道(28)和第四进排气道(29)；所述第一进排气道(26)、所述第二进排气道(27)、所述第三进排气道(28)和所述第四进排气道(29)均为L型结构，并且其两端分别设置于所述转子(13)的端面与所述转子(13)圆倒角的顶面。

5.根据权利要求4所述的一种拓扑转子发动机，其特征在于：所述第一进排气道(26)与所述第二进排气道(27)沿所述转子(13)轴向对称设置；所述第三进排气道(28)与所述第四进排气道(29)沿所述转子(13)轴向对称设置；所述第一进排气道(26)与所述第四进排气道(29)对称设置在所述转子(13)两端；所述第二进排气道(27)与所述第三进排气道(28)对称设置在所述转子(13)两端。

6.根据权利要求1所述的一种拓扑转子发动机，其特征在于：所述第一传动机构包括转子传动轴(14)、第一轴承(24)、第二轴承(23)、第三轴承(31)、第四轴承(32)、第一输出轴(22)、第二输出轴(1)、第一配重盘(18)、第二配重盘(5)、第一输出轴支撑座(20)和第二输出轴支撑座(3)；所述转子传动轴(14)的两端分别连接所述第一轴承(24)和所述第三轴承(31)，所述第一轴承(24)设置于所述第一配重盘(18)内，所述第三轴承(31)设置于所述第二配重盘(5)内；所述第一配重盘(18)的一端设有所述第一输出轴(22)，所述第一输出轴(22)依次穿过设置于第一输出轴支撑座(20)内的所述第二轴承(23)和第一轴承定位盖(21)；所述第二配重盘(5)的一端设有所述第二输出轴(1)，所述第二输出轴(1)依次穿过设置于第二输出轴支撑座(3)内的所述第四轴承(32)和第二轴承定位盖(2)；

所述第二传动机构包括第一内齿轮(17)、第一外齿轮(19)、第一内齿轮支撑座(16)、第二内齿轮(6)、第二外齿轮(4)和第二内齿轮支撑座(7)；所述第一外齿轮(19)和所述第二外齿轮(4)分别紧固装配于所述转子传动轴(14)的两端；所述第一外齿轮(19)啮合于所述第一内齿轮(17)，所述第一内齿轮(17)设置于所述第一内齿轮支撑座(16)；所述第二外齿轮(4)啮合于所述第二内齿轮(6)，所述第二内齿轮(6)设置于所述第二内齿轮支撑座(7)；

所述配气机构包括第一配气盘(15)、第二配气盘(8)和配气室；所述第一配气盘(15)和所述第二配气盘(8)对称设置于汽缸(9)的两侧，并分别与转子(13)的两端面滑动配合。

7.根据权利要求6所述的一种拓扑转子发动机，其特征在于：所述第一配气盘(15)与所述第二配气盘(8)的结构相同，其在内部均设有配气室；所述第二配气盘(8)沿圆周方向分别设有多个长圆孔配气槽(33)，所述配气槽(33)的数量与所述汽缸(9)内腔室(12)的数量对应一致；所述配气室通过所述配气槽(33)与进排气道连通于所述汽缸(9)内的腔室(12)。

8.根据权利要求7所述的一种拓扑转子发动机，其特征在于：所述第一配气盘(15)设有第一通气孔(25)，所述第一通气孔(25)用于使所述第一配气盘(15)内的配气室与外部环境连通；所述第二配气盘(8)设有第二通气孔(30)，所述第二通气孔(30)用于使所述第二配气盘(8)内的配气室与外部环境连通。

9.根据权利要求6所述的一种拓扑转子发动机，其特征在于：所述第一内齿轮(17)与所述第一外齿轮(19)的齿数比为(n+1):n；所述第二内齿轮(6)与所述第二外齿轮(4)的齿数比为(n+1):n。

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