CN1175174C - 外压气式旋转活塞发动机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种由转子机、空气压缩机和压力调节器组成的外压气式旋转活塞发动机。一个同轴心、不具有压缩功能的转子机，借助于设置在它外部的空气压缩机所压缩的空气，与同时进入转子机气道(D)中的高度雾化的燃料混合后，共同进入转子机的燃烧室(G)中燃烧、爆发，推动转子(5)转动。转子(5)的圆柱面上开2～4个月牙形通槽，壳体(4)上对应地开出凹槽(C)，内装反作用板(7)，后者的前部是燃烧室，壳体(4)上还开出喷油嘴安装口(A)、高压空气进口(B)，并安装火花塞(11)。本发明实现二冲程过程，具有高的升功率、低速大扭矩、大的扭矩输出，结构简单，成本低，系列变型方便，可使汽车传动系统更加优化。本发明适用于各种摩托车、汽车和行走机械。

Description

外压气式旋转活塞发动机

(一)技术领域

本发明涉及一种内燃机，尤其是一种外压气式旋转活塞发动机。

(二)背景技术

目前内燃机主要有三种类型：

1)往复活塞式四冲程发动机

经过一百多年的发展，往复活塞式四冲程发动机的技术已经相当成熟，并建立了完整的、现代化的生产体系。

往复活塞式四冲程发动机的工作过程是：通过活塞的往复运动，实现吸气、压缩、爆发(膨胀、做功)和排气这四个工作行程，从而完成将燃料的热能转换成机械能。对于四冲程发动机，曲轴每转两圈做一次功，因此，它的功率密度和升功率低于二冲程发动机和汪克尔旋转活塞发动机。另外，往复活塞式四冲程发动机的扭矩特性是不理想的，不具有低速大扭矩的特性。从汽车的行驶特性要求来看，希望在发动机转速降低时，仍能输出较高的扭矩，以便使汽车在不中断动力的情况下，克服行驶阻力继续行驶。发动机的这种特性，会直接影响到汽车的动力性和燃料经济性。还有，往复活塞式发动机不是形成力矩的理想的力学机构。对于往复活塞式发动机，活塞向下的推力被分解成垂直于气缸壁的侧向分力和沿连杆中心线方向的轴向分力；在连杆轴颈上，后者又被分解为沿曲柄方向的径向分力和垂直于曲柄的周向分力；这个周向分力是产生发动机输出力矩的要素，周向分力的大小随曲柄位置的变化而变化，因而影响到发动机输出力矩的量值和特性。此外，当气缸中的气体压力最大时(爆发时)，恰是曲柄周向分力最小的时候；而曲柄周向分力最大时，又恰是气缸中的压力处于平均压力的状态。这对力矩的形成是不理想的。这种不理想的力学机构，对发动机的机械效率和扭矩特性产生很大的负面影响，并最终影响到汽车的动力性和燃料经济性。

2)往复活塞式二冲程发动机

传统型式的往复活塞式二冲程发动机曲轴转一圈做一次功。其优点是：功率密度大，升功率高，结构简单，零部件少，重量轻。但与四冲程发动机相比，二冲程发动机存在明显的缺点，如：容积效率不高，平均有效压力低，怠速性能差；压缩比较小，压缩终了压力不高，爆发压力低，总效率低，燃料经济性差，机油消耗多，排出的HC有害气体较高，等等。这些缺点使传统型式的往复活塞式二冲程发动机目前还主要应用于小排气量的摩托车上。

3)汪克尔旋转活塞式发动机

汪克尔旋转活塞式发动机和往复活塞式四冲程发动机相比，同样具有四个工作行程，其主轴每转一圈，发动机做三次功，因而功率密度大、升功率高，而且扭矩特性也较好。与往复活塞式二冲程发动机相比，同样具有结构简单、重量轻、体积小等优点。它的重大缺点是：三角活塞尖部的线速度比往复活塞式发动机活塞的线速度要高50％以上，造成密封条和缸体的快速磨损；密封条以极高的速度运转，并周期性、反复地作用在缸壁上，使缸壁极易形成振颤波纹，直接影响转子机的使用寿命。此外，它的燃料经济性也较差。因此，目前只有极少数车型还装用汪克尔旋转活塞发动机。

(三)发明内容

本发明针对现有发动机所存在的上述不足和缺点，提供一种功率密度大、升功率高、扭矩特性好、输出扭矩大、结构简单、成本低、寿命长、系列变型方便、进一步优化汽车传动系统结构和参数的外压气式旋转活塞发动机。

本发明的外压气式旋转活塞发动机主要由同轴心式转子机、空气压缩机和压力调节器三部分组成。

与往复活塞式四冲程发动机不同，本发明的特征是将进气、压缩、着火爆发和排气这四个工作行程分别在两个机构中进行：由单独的空气压缩机进行空气的进气和压缩，实现四冲程的前两个行程；由同轴心、不具有压缩功能的转子机实现着火爆发和排气，完成四冲程的后两个行程，即：一个同轴心、不具有压缩功能的转子机，借助于设置在它外部的空气压缩机所压缩的空气，与同时进入转子机气道中的高度雾化的燃料混合后，共同进入转子机的燃烧室中燃烧、爆发，推动转子转动，实现燃料的能量转换。由于采用空气压缩机压缩空气，使本发明从本质上实现二冲程过程，因而具有高的功率密度和升功率，并避免了传统的二冲程发动机的缺点。

本发明中的空气压缩机采用往复活塞式、回转式(滚动活塞式、旋转活塞式、旋叶式等)压缩机。采用回转式空气压缩机，在发动机运转过程中没有往复运动，因此明显地减少发动机的振动。

本发明中的压力调节器是一个带有压力调节阀的罐状容器，它位于空气压缩机与转子机之间。它是转子机所需空气的压力调节器，也是被压缩空气状态的平衡器、缓冲器；压力调节器能够储存相当数量的高压空气。在正常行驶工况下，高压空气经过压力调节器进入转子机，供燃料燃烧使用；当发动机因汽车阻力增大而引起转速降低时，压力调节器所储存的“剩余”高压气体，受电子装置的控制，向转子机提供一定数量的高压空气，并在此时加大燃料的供给，从而克服了短暂的发动机不稳定工况。压力调节器对转子机的低速动力性产生重大的影响。

与汪克尔旋转活塞发动机不同，本发明采用同轴心式转子机。所谓“同轴心”，就是转子的回转中心线与壳体孔的中心线相重合，转子在壳体的中心孔中进行转动，因此，它不具有压缩功能。

本发明中的同轴心式转子机主要由壳体、转子和一些必要的零部件组成。在转子机上设置2～4个燃烧室。燃烧室由转子圆柱表面上的月牙形通槽、壳体上的凹槽、摆动式反作用板和转动式气门共同形成。发动机起动时，由起动机带动转子转动，当转子月牙形槽的前峰面转到与壳体凹槽相对应的位置时，反作用板从初始位置迅速下降，靠到壳体凹槽的下背部，并与转子月牙形凹槽底部相接触。此时，在正时齿轮的带动下，转动式气门上的长方形孔与壳体上的长方形孔重合，于是，由空气压缩机压缩到压力调节器中的高压空气与由电脑控制的喷油嘴喷入气道中的高度雾化的燃料混合后进入燃烧室中。转子继续转动时，在正时齿轮带动下，转动式气门迅速越过壳体上的长方形孔，形成封闭的燃烧室。此时，位于壳体上的火花塞开始点火，于是，可燃混合气着火、爆发，高压气体作用到转子月牙形槽的前峰面上，推动转子转动。当高压气体膨胀到一定程度时，转子上的月牙形槽的前峰面，达到设在壳体上的排气口的位置，在转子月牙形槽后尾面的作用下，将绝大部分的废气排到大气中，于是完成一个工作循环。在一个循环过程中，两个燃烧室总共爆发四次；三个燃烧室则爆发9次。转子机的燃烧室比相同排气量的往复活塞式四冲程发动机燃烧室紧凑很多，燃料燃烧得更充分，导致燃料经济性的提高和废气中有害成分的减少。

同轴心式转子机的转子，具有不变的作用半径，因此，在爆发压力的作用下，转子机可以产生非常大的输出扭矩。同轴心式转子机是产生力矩的理想的力学机构，它明显地提高发动机的机械效率，并改变发动机的扭矩特性。计算结果表明，输出扭矩可以达到相同排气量往复活塞四冲程发动机的10几倍，这无疑会导致汽车变速器和驱动桥结构和参数的重大变化。

本发明所采用的空气压缩机的排气量仅是相同输出功率往复活塞式四冲程发动机排气量的一半，即四缸变成两缸、六缸变成三缸，这一特点不仅有利于汽车的总体布置，而且发动机的系列变型也将十分方便。

在转子机的壳体上安装节气阀，由驾驶员控制它的开度，以此调节进气量的大小。

在转子机的壳体上安装由电脑控制的喷油嘴，它根据节气阀的开度和汽车运行工况向气道喷出适量的燃料。

在转子机上设置必要的密封、冷却和润滑装置。

本发明还可以制成外压气式旋转活塞柴油机，它的结构系统与外压气式旋转活塞汽油机基本相同。在转子机壳体上汽油机安装火花塞的位置，安装柴油喷油嘴。为了实现Diesel过程，柴油转子机具有普通柴油机的结构特点，并能达到柴油自燃所要求的压缩终了压力和压缩终了温度；柴油转子机的所有零部件都达到柴油机工况的要求；供油系统也按照外压气式旋转活塞柴油机的要求来调整它的供油周期和喷油量。

本发明的外压气式旋转活塞发动机可以根据需要设计成不同的尺寸，功率可以从几千瓦到几百千瓦，它适用于各种摩托车、各类汽车和行走机械。

(四)附图说明

图1是外压气式旋转活塞发动机总体结构图

图2是外压气式旋转活塞汽油和多种燃料转子机横剖面图——进气、爆发位置

图3是外压气式旋转活塞汽油和多种燃料转子机横剖面图——排气位置

图4是外压气式旋转活塞柴油转子机横剖面图——进气、爆发位置

(五)具体实施方式

下面以两个燃烧室的外压气式旋转活塞汽油发动机为例，结合附图对本发明加以详细描述。

如图1所示，本发明的外压气式旋转活塞发动机主要由同轴心式转子机1、空气压缩机2和压力调节器3三大部分组成。

如图2所示，同轴心式转子机主要由壳体4、转子5、功率输出轴6、反作用板7、反作用板轴8、转动式气门9、节气阀10和火花塞11组成。转子5同轴心地装在壳体4的中心孔中。在转子5的圆柱表面上，沿轴线方向开出两个月牙形通槽，这个通槽的边界线为F、H和J。在壳体4上开出两个凹槽C，其上安装反作用板7、反作用板轴8和火花塞11，并开出进气道D、长方形进气口E。在壳体4上还开出喷油嘴安装口A、与压力调节器相连的高压空气接口B、冷却水套K和排气口M。反作用板7可以绕反作用板轴8摆动，反作用板7将转子5的月牙形槽分成两部分，前一部分为燃烧室G，后一部分为膨胀空间L。燃烧室G是由壳体4上的凹槽C、转子5的前峰面F、底面H和反作用板7形成的。

外压气式旋转活塞汽油发动机的工作程序是：由起动机带动转子5转动，当转子5的月牙形槽的前峰面F转到与壳体凹槽C相对应的位置时，反作用板7从最上部的位置迅速下降，靠到壳体4凹槽C的下背部，并与转子5月牙形凹槽底部H相接触。此时，在正时齿轮的带动下，转动式气门上的长方形孔与壳体4上的长方形孔E重合，于是，由空气压缩机2压缩到压力调节器3中的高压空气与由电脑控制的喷油嘴喷入气道D中的高度雾化的燃料混合后进入燃烧室G中。转子5继续转动时，在正时齿轮带动下，转动式气门9迅速越过壳体4上的长方形孔E，形成封闭的燃烧室G。此时，位于壳体4上的火花塞11点火，可燃混合气开始着火、爆发，高压气体作用到转子5的月牙形槽的前峰面F上，推动转子5转动。当高压气体膨胀到一定程度时，转子5上的月牙形槽的前峰面F达到设在壳体4上的排气口M的位置时(参见图3)，开始向大气中排出废气，在转子5的月牙形槽后尾面J的作用下，将绝大部分的废气排到大气中，于是完成一个工作循环。

产生动力的转子5，一方面通过功率输出轴6将功率输出，另一方面通过齿轮机构驱动空气压缩机2运转，从而源源不绝地向压力调节器3供气。压力调节器3中的高压空气经过压力调节阀、管路和节气阀10进入转子机1的气道D中，新的工作循环不断发生。

转子5转一圈发生的工作循环数与燃烧室G的个数有关，两个燃烧室总共爆发四次，三个燃烧室爆发9次，四个燃烧室则爆发16次。

本发明的外压气式旋转活塞柴油机，它的总体结构系统同样包括转子机1、空气压缩机2和压力调节器3，与外压气式旋转活塞汽油机基本相同，但系统中安装柴油供油系统。柴油转子机的结构见图4。在转子机壳体4上汽油转子机安装火花塞的位置，安装柴油喷油嘴12，其它零件除结构尺寸和强度外均与汽油机相同。

Claims (2)

1、一种外压气式旋转活塞发动机，它主要由同轴心式转子机

(1)、空气压缩机(2)和压力调节器(3)组成：其特征是：将进气、压缩、点火爆发和排气四个工作行程分别在两个机构中进行：由空气压缩机(2)完成空气的进气和压缩，由同轴心、不具有压缩功能的转子机(1)进行点火爆发和排气，从而完成整个工作循环；在同轴心式转子机(1)中，转子(5)同轴心地安装在壳体(4)的中心孔中，转子(5)上开出2个或2个以上的近似月牙形的槽，在壳体(4)上与转子(5)相对应地开出相同数量的凹槽(C)，在凹槽(C)内安装可绕反作用板轴(8)摆动的反作用板(7)，在壳体(4)的凹槽(C)部分，安装转动式气门(9)、节气阀(10)和火花塞(11)，并开出可燃混合气进口(E)；在壳体(4)上还开出安装喷油嘴的孔(A)、与压力调节器(3)相连的高压空气进口(B)、冷却水套(K)和排气口(M)。

2、根据权利要求1所述外压气式旋转活塞发动机，其特征是：在同心轴式转子机(1)的壳体(4)上安装火花塞的位置安装柴油喷嘴(12)。

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