CN116576020A - 一种迷宫环式转子发动机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种迷宫环式转子发动机，包括做功组件，设有轴承端密封盖和迷宫环式汽缸组成的缸体，转动支撑在缸体内的迷宫环式转子，设置在缸体上的燃烧室缸体；燃油供给组件，用于向燃烧室缸体供入燃油；进气排气组件，用于向燃烧室缸体供入增压空气，并排除缸体的废气；点火组件；启动组件，用于带动迷宫环式转子的启动；散热组件，用于对发动机进行冷却；所述迷宫环式转子外圆上等间隔的设有多个做功凹槽，能够在燃气的冲击力作用下带动迷宫环式转子进行旋转运动；迷宫环式转子与迷宫环式汽缸盖、迷宫环式汽缸均设有迷宫环式密封结构。该发动机高压燃气泄露量极少，能高效地将高压燃气的冲击力转换为迷宫环式转子的旋转力。

Description

一种迷宫环式转子发动机

技术领域

本发明属于发动机技术领域，特别是一种迷宫环式转子发动机。

背景技术

目前传统的发动机通常都是需要频繁点火，使用一次发动机需要若干次点火，长期使用导致点火装置需要更换，且现有的发动机通常结构复杂。点火时容易“爆震”损伤发动机，同时还振动大噪声大。点火时点火线圈需要通较大电流，不但消耗电能，还会形成很强的电磁干扰。传统的四冲程活塞往复式发动机是将缸套固定在机体上，把活塞的直线运动转化为曲轴的旋转运动。这种发动机的主要缺点是：1、结构复杂、体积大，热效率低，2、换气机构复杂，做圆周运动时存在死点，3、曲柄连杆机构中活塞的往复运动引起的往复惯性力和惯性力矩不能得到完全平衡。

传统的活塞发动机工作时把活塞的往复运动通过曲柄连杆机构转化为旋转运动，活塞运动变化和曲柄连杆运动的力臂变化是一条正弦曲线，点火爆燃时缸压最高但力臂很小，产生的扭距也小，活塞的运动特性使燃气爆发的能量不能及时释放，相当一部分能量是以热能的形式散发掉，效率不高。

节能环保是旋转活塞发动机领域追求的发展方向，燃油对置活塞旋转活塞发动机以活塞受力面积、压缩冲程、压缩比系数和独特的进排气方式成为燃油波槽活塞旋转活塞发动机研究发展的方向。

目前常用的旋转活塞发动机(旋转活塞发动机)都由机体、曲柄连杆机构、配气机构、冷却系统、润滑系统、燃油系统和点火系统等组成，工作过程分吸气、压缩、燃烧做功、排气四个冲程。这类旋转活塞发动机的传动机构使用的都是曲柄连杆机构，通过连杆将活塞的动力传递给曲轴，并将活塞的往复直线运动转变为曲轴的旋转运动。

但是，现有的旋转活塞发动机是靠活塞的直线运动和连杆的平面运动来压迫驱使曲轴作旋转运动，从而造成各运动副之间存在着较大的摩擦，导致旋转活塞发动机传动效率低。这些现有曲轴连杆型旋转活塞发动机还有如下主要缺点：体积大；连杆、曲轴上的不平衡离心力较大，容易拉缸；冲击大，振动大；并由此引起较大的机械磨损，使旋转活塞发动机寿命缩短，结构复杂，加工、制造、装配等都比较困难。

转子发动机是在燃烧室内产生的高温高压燃气推动活塞旋转以产生动力的内燃机，动力由主轴输出，自1876年德国人N.A.奥托发明往复活塞式内燃机后，人们就曾试图创制转子式内燃机，但都因转子密封问题而失败，虽然旋转活塞式泵和压缩机等已获得应用，但是旋转活塞式发动机直到1954年联邦德国工程师F.汪克尔在密封技术上有了突破之后才得以实现。他于1957年制成第一台旋转活塞式发动机，有人称之为汪克尔发动机。它经过改进具有功率高、振动小、运转平稳、结构简单轻小等优点。但这种发动机只适用于高转速，因燃料经济性差，低速性能不佳，排气性能也不太理想，故未能广泛使用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种迷宫环式转子发动机，利用燃烧室缸体里的高压气流冲击迷宫环式转子里的做功凹槽进行做功，使迷宫环式转子顺时针或逆时针高速旋转，并使用迷宫环式密封体阻挡高温、高压气流泄漏的动力装置。

实现本发明目的的技术解决方案为：

一种迷宫环式转子发动机，包括：

做功组件，设有轴承端密封盖和迷宫环式汽缸组成的缸体，转动支撑在缸体内的迷宫环式转子，设置在缸体上的燃烧室缸体；

燃油供给组件，用于向燃烧室缸体供入燃油；

进气排气组件，用于向燃烧室缸体供入增压空气，并排除缸体的废气；

点火组件，用于点燃燃烧室缸体的燃油以形成燃气；

启动组件，用于带动迷宫环式转子的启动；

散热组件，用于对发动机进行冷却；

所述迷宫环式转子外圆上等间隔的设有多个做功凹槽，能够在燃气的冲击力作用下带动迷宫环式转子进行旋转运动；

所述迷宫环式转子与迷宫环式汽缸盖、迷宫环式汽缸均设有相互嵌合形成迷宫环式密封结构，对燃气产生节流效应以实现阻漏作用。

本发明与现有技术相比，其显著优点是：

(1)该迷宫环式转子发动机的维修拆卸简单，加工成本低，其做功组件没有繁杂的类似活塞式发动机上的定时系统，工作时就一个运动零件，即一个能高速旋转的“迷宫环式转子”。

(2)该迷宫环式转子发动机中的“迷宫环式转子”能轻松达到上万转的转速，其高速旋转起来，就像一个转动惯量巨大的飞轮，具有非常强劲地扭矩。

(3)该迷宫环式转子发动机的做功组件具有体积小，动力足，可以像无刷电机一样远距离分布式安装，再配合减速齿轮箱加上螺旋桨或者直接配上涵道式螺旋桨，是飞行器的理想动力来源。当然，它还可以驱动发电机发电，能代替现有的活塞式发动机。

(4)该迷宫环式转子发动机可以单缸运转，也可多缸组合。它采用缸内直喷技术，就是直接将燃油喷入气缸内与进气混合的技术。其优点是油耗量低，功率大。

(5)该迷宫环式转子发动机结合了活塞式发动机与涡轴喷气式发动机的“优势基因”，具有扭矩大，高转速，耗油低，效率高，节能环保等优点。其做功组件中的燃烧室缸体里的高压燃气，是近距离对着迷宫环式转子里的做功凹槽进行做功。从做功效率来讲，比起活塞式发动机中汽缸里高压燃气的冲击力直接垂直地作用在活塞上的方式要差一些。但相比较涡轴喷气式发动机里的高压燃气，对着涡轮叶片来进行做功的方式要高出很多。

(6)该迷宫环式转子发动机的做功组件中的三个核心部件，即“迷宫环式汽缸”、“迷宫环式转子”、“迷宫环式汽缸盖”。设有多个环形凸台和多个环形凹槽彼此互相咬合而组成的迷宫环式密封体，采用了高压燃气在通过曲折迷宫的间隙时产生节流效应而达到阻漏的目的原理。该迷宫环式密封体不仅有废气排气孔能及时泄压，还有水冷式散热系统来强制降温，其内部的高温高压要比燃烧室缸体内部高温高压低很多。因此，加工该三个核心部件的材料可以选择较为便宜的材料来制作。现有的合金材料完全可以胜任其工作，并保证机件能够长时间运行。它们具有整体尺寸稳定性好；耐高压，耐磨损，耐高温；耐受大部分介质，抗化学性强；安装空间小，沟槽简单易加工，具有润滑腔。工作时该三个核心部件之间配合紧密，存在着极小的缝隙，高压燃气泄露量极少，能高效地将高压燃气的冲击力转换为迷宫环式转子的旋转力。再配上超高温润滑脂，能进一步阻挡高压燃气泄露以提高做功效能。

(7)该迷宫环式转子发动机的做功组件可以利用迷宫环式转子的空心轴，来使用水冷式散热系统进行强制性降温。由于目前的超高温润滑脂只能在300度以内才能保持机件的正常运转，所以采用水冷式散热系统或者降温效果更好的液氮冷却装置，让迷宫环式转子工作时的温度维持在300度以内是可行的。剩下的迷宫环式汽缸，迷宫环式汽缸盖，燃烧室缸体这三个主要零件是静止不动的，能更好地采用水冷式散热系统或者液氮冷却装置去降温。

附图说明

图1是迷宫环式转子发动机的六大组件爆炸图；

图2是迷宫环式转子发动机的主要结构爆炸图；

图3是迷宫环式转子发动机的三视图与立体图；

图4是做功组件爆炸图；

图5是做功组件立体图；

图6是做功组件三视图与立体图；

图7是做功组件整体尺寸图；

图8是迷宫环式转子剖视图与立体图；

图9是做功组件内部剖视图；

图10是做功组件进气与排气立体图；

图11是做功组件进气和排气示意图；

图12是燃烧室缸体剖视图与立体图；

图13是单个燃烧室缸体里的高压燃气对着迷宫环式转子里的做功凹槽进行做功示意图；

图14是两个燃烧室缸体里的高压燃气冲击着迷宫环式转子里的做功凹槽，使迷宫环式转子顺时针高速旋转示意图；

图15是迷宫环式汽缸和燃烧室缸体28之间配合燃烧室缸体静密封式垫片来达到密封目的示意图；

图16是迷宫环式汽缸和迷宫环式汽缸盖之间配合迷宫环式汽缸静密封式垫片来达到密封目的示意图；

图17是做功组件中的主要三大部件上的环形凸台和环形凹槽示意图；

图18是迷宫环式汽缸上的环形凸台、环形凹槽与迷宫环式转子上的环形凹槽、环形凸台相互咬合示意图。

图19是做功组件中的主要三大部件利用其上的从大到小排列的环形凸台和环形凹槽，并环环相扣形成迷宫环式密封示意图；

图20是做功组件利用多个环形凸台和多个环形凹槽彼此互相咬合而组成的迷宫环式密封体,高压燃气在通过曲折迷宫的间隙时产生节流效应而达到阻漏的目的原理示意图；

图21是采用水冷式散热系统来进行强制性降温示意图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的介绍。

结合图1-图21，本实施例的一种迷宫环式转子发动机的做功组件5的主要结构设有五个核心部件：一个能高速旋转的“迷宫环式转子26”；具有密封作用的“迷宫环式汽缸29”和“迷宫环式汽缸盖24”各一个；再加上两个给燃油燃烧爆炸的“燃烧室缸体28”。其它五大辅助组件是保证发动机的做功组件5能够正常地运行下去。

结合图1、图2、图3，本实施例的一种迷宫环式转子发动机的爆炸图、三视图与立体图，它主要设有六大组件，即图1中，燃油供给组件1，进气排气组件2，启动组件3，点火组件4，做功组件5，散热组件6。

图2中，所述燃油供给组件1的主要结构设有燃油箱17，燃料输送泵18，油管19，燃料喷射泵20。燃油箱17通过油管19依次与燃料输送泵18、燃料喷射泵20相连，将燃油箱17内的燃油泵送至燃烧室缸体28，燃料喷射泵20与燃烧室缸体28连接，数量与燃烧室缸体28一致。所述进气排气组件2的主要结构设有涡轮增压器7，排气管8。涡轮增压器7通过进气管用于向燃烧室缸体28输送增压空气，排气管8与迷宫环式汽缸29上的排气口连接。所述启动组件3的主要结构设有起动机9，起动机动力输出端3齿轮10。起动机9输出轴设有起动机动力输出端齿轮10，起动机动力输出端齿轮10与做功组件5的起动机动力输入端齿轮21啮合。所述点火组件4的主要结构设有磁电机11，火花塞12。所述散热组件6的主要结构设有水管13，机械密封件14，水泵15，散热器16。

结合图4、图5、图6、图7，本实施例的一种迷宫环式转子发动机的做功组件5的爆炸图、三视图与立体图。其整体尺寸约为长310mm，宽245mm，高300mm。图4中，做功组件5的主要结构设有起动机动力输入端齿轮21，轴承端密封盖22，轴承23，迷宫环式汽缸盖24，主壳体密封垫片25，迷宫环式转子26，燃烧室缸体密封垫片27，燃烧室缸体28，迷宫环式汽缸29，轴承23，轴承端密封盖22，主动力输出端齿轮30。

所述迷宫环式汽缸盖24与迷宫环式汽缸29相连，迷宫环式汽缸盖24与迷宫环式汽缸29之间设有主壳体密封垫片25，迷宫环式转子26通过轴承23支撑在轴承端密封盖22与迷宫环式汽缸29组成的缸体内，迷宫环式汽缸盖24和迷宫环式汽缸29上均设有轴承端密封盖22，迷宫环式转子26一端设有起动机动力输入端齿轮21，另一端设有主动力输出端齿轮30；燃烧室缸体28固定在迷宫环式汽缸29上，且与迷宫环式汽缸29之间设有燃烧室缸体密封垫片27，本实施例的燃烧室缸体28为两个，关于迷宫环式汽缸29对称设置；也可根据需要设置一个或其他数量的燃烧室缸体28。

图8中是本实施例的一种迷宫环式转子发动机的做功组件5中最重要的做功部件，即迷宫环式转子26。它的中心设有一个空心轴26-1，起到固定支撑及水冷式散热作用。左右两侧设有多个“环形凹槽26-2”和“环形凸台26-3”，用于阻挡高压燃气向左右两侧泄露。其圆形主体上圆周均等地设有11个“做功凹槽26-4”，其作用就是把高压燃气的冲击力能够持续不间断地转换为迷宫环式转子26的旋转力。

结合图9、图10、图11，本实施例的一种迷宫环式转子发动机的做功组件5的内部剖视图以及进气与排气示意图。通过涡轮增压器7持续地把外部的新鲜空气增压后进入燃烧室缸体28之中。做功完成之后的废气经迷宫环式汽缸29壳体上的多个的废气排出孔29-1，再通过排气管8排出到外界。同时排出的废气惯性冲力用来推动涡轮增压器7里的涡轮，让进气排气组件2能够周而复始地工作下去。

结合图12、图13、图14，本实施例的一种迷宫环式转子发动机的做功组件5中的燃烧室缸体28剖视图与立体图，以及高压燃气对着迷宫环式转子26里的做功凹槽26-4进行做功，使迷宫环式转子26顺时针高速旋转的示意图。燃烧室缸体28上设有燃料喷射泵安装孔28-1、火花塞安装孔28-2、高压空气进入孔28-3，分别用于安装燃料喷射泵20、火花塞12和进气管。工作时，燃料输送泵18把燃油箱17里的燃油经过油管19，输送到燃料喷射泵20里，通过燃料喷射泵20的强大压力直接将燃油喷入燃烧室缸体28中。再由磁电机11控制火花塞12点燃燃烧室缸体28中的燃油使之爆炸并持续不间断地燃烧起来，故而磁电机11和火花塞12也只需在发动机启动时工作一下即可，启动组件3带动迷宫环式转子26启动时的转动，迷宫环式转子26转动后，通过起动机9自带离合器进行分离。燃烧室缸体28中产生的高压燃气经过迷宫环式汽缸29上面的高压燃气喷射孔29-2，直接撞击在迷宫环式转子26中的“做功凹槽”气缸壁上。高压燃气喷射孔轴线与高压燃气喷射孔29-2轴线的夹角为55度，又和“迷宫环式转子26”中“做功凹槽”的气缸壁作用面始终接近垂直的角度，以获得最大的冲击力，进而能高效地将高压燃气P的冲击力转换为“迷宫环式转子26”的旋转力。最终使“迷宫环式转子26”顺时针高速旋转，从而轻松达到上万转的转速。

结合图15、图16，本实施例的一种迷宫环式转子发动机的做功组件5中有三个核心部件采用静密封方式，用金属垫片来阻止高压燃气泄露。其中迷宫环式汽缸29和燃烧室缸体28之间配合燃烧室缸体静密封式垫片27来达到密封目的；迷宫环式汽缸29和迷宫环式汽缸盖24之间配合迷宫环式汽缸静密封式垫片25来达到密封目的。

结合图17、图18、图19、图20，本实施例的一种迷宫环式转子发动机的做功组件5中有三个核心部件采用动密封方式，即“迷宫环式密封”，来阻止高压燃气泄露。“迷宫环式汽缸29”、“迷宫环式转子26”、“迷宫环式汽缸盖24”上面设有多个环形凸台和多个环形凹槽。迷宫环式转子26两侧的环形凸台和多个环形凹槽，分别与迷宫环式汽缸29上的环形凸台29-3和环形凹槽29-4以及迷宫环式汽缸盖24上的环形凸台24-1和多个环形凹槽24-2相嵌合。环形凸台与环形凹槽彼此相互咬合而组成的迷宫环式密封体M，利用高压燃气在通过曲折迷宫的间隙时产生节流效应而达到阻漏的目的原理。

“迷宫环式密封”再配合一种超高温润滑脂，就组成了阻漏效果更佳的“迷宫环式油封”。其在工作时，这些迷宫装置使油的流动阻力加大。使油流不出迷宫槽。另一方面，在迷宫槽中存有空气，这些空气对油的流动也起着阻滞作用。由于这两种作用，使润滑油不能流出而达到密封的目的。“迷宫环式油封”特点是非接触油封无磨轴现象，整体结构设计易于安装，无需压紧结构，密封效果好，使用寿命长。从理论而言，环形凸台和环形凹槽越多，密封效果会越好。

图20中，高压燃气P在密封前、后压差的作用下，从高压端流向低压端，通过密封齿和轴的间隙时，气流速度加快，压力和温度都降低。由间隙流入齿间空腔时，由于面积突然扩大，气流形成强烈的旋涡，在间隙容积大很多的齿腔空腔中气流速度几乎等于零，动能由于旋涡作用全部变为热量。高压燃气每从一个大的齿间空腔流经一个小的齿和轴间的间隙，再流入另一个大的齿间空腔时，压力就降低一次，而且随着流动气体比容的不断增加，通过间隙的速度不断加快，因而越到下游经过一个齿的压力降低得越多，即经过每个齿的压降是不一样的，越到下游经过齿的压降越大。

图21中，是迷宫环式转子发动机采用水冷式散热系统来进行强制性降温示意图。其主要结构设有散热器16，水泵15，迷宫环式转子26，水管13，机械密封件14。其中散热器16的作用是让水冷却下来。水泵15是让冷却的水在水管13内不断循环流动。两个机械密封件14连接着迷宫环式转子26空心轴26-1的两端，是属于动密封，用来阻止水的泄露。当水流通过迷宫环式转子26上的空心轴循环流动时，可以持续吸收带走迷宫环式转子26上的大部分的高温热量。此水冷式散热系统也可以为“迷宫环式汽缸29”、“迷宫环式汽缸盖24”、“燃烧室缸体28”进行强制性降温。当然，还可以采用降温效果更好的液氮冷却装置。因此，让迷宫环式转子26工作时的温度维持在300度以内是可行的，故而能让超高温润滑脂在高温300度以内不失效,并保持各个机件能长时间正常运转。超高温润滑脂是以复合皂稠化合成润滑油，并加有结构改善剂、抗氧添加剂及特殊抗磨添加剂而制成。

本发明的迷宫环式转子发动机的做功组件中的三个核心部件，即“迷宫环式汽缸”、“迷宫环式转子”、“迷宫环式汽缸盖”。设有多个环形凸台和多个环形凹槽彼此互相咬合而组成的迷宫环式密封体，采用了高压燃气在通过曲折迷宫的间隙时产生节流效应而达到阻漏的目的原理。该迷宫环式密封体不仅有废气排气孔能及时泄压，还有水冷式散热系统来强制降温，其内部的高温高压要比燃烧室缸体内部高温高压低很多。因此，加工该三个核心部件的材料可以选择较为便宜的材料来制作。现有的合金材料完全可以胜任其工作，并保证机件能够长时间运行。它们具有整体尺寸稳定性好；耐高压，耐磨损，耐高温；耐受大部分介质，抗化学性强；安装空间小，沟槽简单易加工，具有润滑腔。工作时该三个核心部件之间配合紧密，存在着极小的缝隙，高压燃气泄露量极少，能高效地将高压燃气的冲击力转换为迷宫环式转子的旋转力。再配上超高温润滑脂，能进一步阻挡高压燃气泄露以提高做功效能。

Claims (8)

1.一种迷宫环式转子发动机，包括：

做功组件，设有轴承端密封盖和迷宫环式汽缸组成的缸体，转动支撑在缸体内的迷宫环式转子，设置在缸体上的燃烧室缸体；

燃油供给组件，用于向燃烧室缸体供入燃油；

进气排气组件，用于向燃烧室缸体供入增压空气，并排除缸体的废气；

点火组件，用于点燃燃烧室缸体的燃油以形成燃气；

启动组件，用于带动迷宫环式转子的启动；

散热组件，用于对发动机进行冷却；

所述迷宫环式转子外圆上等间隔的设有多个做功凹槽，能够在燃气的冲击力作用下带动迷宫环式转子进行旋转运动；

所述迷宫环式转子与迷宫环式汽缸盖、迷宫环式汽缸均设有相互嵌合形成迷宫环式密封结构，对燃气产生节流效应以实现阻漏作用。

2.根据权利要求1所述的迷宫环式转子发动机，其特征在于，所述迷宫环式密封结构内设有润滑脂。

3.根据权利要求1所述的迷宫环式转子发动机，其特征在于，还设有散热组件，所述迷宫环式转子的转轴为空心轴，散热组件用于向迷宫环式转子的转轴通入冷却介质。

4.根据权利要求3所述的迷宫环式转子发动机，其特征在于，所述散热组件为水冷装置或液氮冷却装置。

5.根据权利要求1所述的迷宫环式转子发动机，其特征在于，所述进气排气组件包括：

涡轮增压器，用于将外部的空气增压后进入燃烧室缸体内，

排气管，用于将做功完成之后并经迷宫环式汽缸的废气排出，同时用来推动涡轮增压器里的涡轮。

6.根据权利要求1所述的迷宫环式转子发动机，其特征在于，所述燃油供给组件包括燃油箱，燃料输送泵，油管，燃料喷射泵；燃料输送泵用于将把燃油箱里的燃油经过油管，输送到燃料喷射泵里，通过燃料喷射泵直接将燃油喷入燃烧室缸体中。

7.根据权利要求1所述的迷宫环式转子发动机，其特征在于，所述燃烧室缸体的燃气喷射孔轴线与迷宫环式汽缸上的高压燃气喷射孔轴线的夹角为55度。

8.根据权利要求1所述的迷宫环式转子发动机，其特征在于，所述燃烧室缸体上设有燃料喷射泵安装孔、火花塞安装孔、高压空气进入孔，分别用于安装燃料喷射泵、火花塞和进气管。