CN1197158A - 三腔双转子内燃机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新的旋转内燃机设计方案。本发明的关键在于新的设计方案是由三个工作腔,双齿轮转子和一个独立的燃爆室组成。三腔一室之间借助气路和中、高压气阀连通。吸气、压缩冲程在压缩工作腔内完成,喷发和排气冲程在转子腔内完成。燃爆独立密闭完成,每一循环周期压缩与喷发同时进行。工作腔内压缩,吸气是由旋压转子实现,旋压转子偏心设置,依靠自由伸缩舌板完成空气压缩。转子腔内对称设置一对齿轮转子,借助小齿轮密封,大齿轮作功的方式完成喷发和排气冲程并向外输出功率。

Description

三腔双转子内燃机

本发明属于一种内燃发动机的新设计，具本地说是一种新的直接产生扭矩的转子内燃机的新设计。

往复活塞式内燃机的曲柄连杆结构决定了其机械效率的天然不足。几乎就在内燃机取代蒸气机成为交通运输上的主要动力的同时，发明家就开始寻求一个转子发动机的新技术方案，力求抛开曲柄连杆结构，以追求内燃式发动机的高效率。至今为止，曲柄连杆结构仍然在发动机行业上有着不可动摇的地位。尽管旋转发动机的方案提出了数百个，尽管实验室里做出了令人叹为观止的精巧样品，有的甚至做过小批量的试生产，但由于技术方案导至的工艺难度、价格成本及特殊材料需求而使得转子发动机至今仍无法推广应用到普通的运输工具上去。

本发明目的在于提供一种新转子发动机结构方案，力求做到结构紧凑、工艺制造简单、体积小、输出功率大但成本价格适中，利于推广应用到各种运输工具之上。

本发明所提出的是一个三腔双转子的暂新结构方案。吸压爆排过程全部包括，但吸压和爆排分别在不同工作腔内完成，而且是同时完成的，这就极大地提高了工作冲程的循环频率，为小体积输出大功率奠定了良好的基础。下面我们进一步描述本发明的具体技术方案。

象普通活塞式内燃机一样，本发明的主体结构中包括缸体、配套缸盖以及设置在缸体内的用以完成吸气、压缩、燃爆、排气并能输出扭矩的工作部件，以及配有与这些工作部件相匹配的供油系统、供气系统、点火系统、润滑系统、冷却系统以及控制各系统之间工作时序的同步机构(主要是油气门及点火开关等)，本发明的关键在于缸体内工作部件机构设计完全不同于现有活塞式或转子式内燃机的技术方案：

1、从整体结构上看，缸体具有三个工作腔，每个腔的横截面呈圆形，同轴向成品字形分布在缸体内。其中一个为空气压缩腔，横截面呈完整圆形。其中二个在空气压缩腔下对称分布为转子腔，其横截面呈两个相交圆环形，故又统称为连体状转子腔。在缸体中三腔之间设一个燃爆室。三个工作腔和燃爆室之间借助气路及气路之间的中压阀和高压阀相通，空气压缩腔与外设的供油、供气系统相连通。转子腔与机外排气管相连通。当然，如果采用柴油燃料，则供油系统直接燃爆室。很明显，吸气压缩冲程将在空气压缩腔完成，爆炸在燃爆室完成，而爆发冲击和排气实际上在转子腔完成，从而由转子轴输出扭矩。

2、各个工作腔之间的连通顺序是：空气压缩腔→中压阀→燃爆室→高压阀→转子腔。经空压腔压缩的空气(或空气、汽油混合气)在中压阀打开的时刻注入燃爆室，然后中压阀关闭。在燃爆室达到爆炸条件时点火(或喷油)，此时高压阀关闭状态，爆炸在完全密闭状态下进行，产生高压高温气体。爆炸结束后高压阀打开，高压气体从转子腔喷排口喷出推动转子做功，转子做功区间为旋转不小于270°，形成的废气在下一个循环中自然排出机外。

3、为实现以上设计目的在空气压缩腔内设置一个偏心空气旋压转子，空压腔的侧壁上设置进气口直通空气滤清器和化油器，另设置有压缩排气口，该排气口通过中压阀接通燃爆室。偏心旋压转子与腔内壁相切形成密封分界处，并以此为界将空压腔分为与排气口相通的压缩腔和与吸气口相通的吸气腔。空气旋压转子上设计了一个密封舌板，可随转子的旋转自由沿径向伸缩，其舌尖与空压腔侧壁相抵形成一个动态密封处，并以此来确定某一时刻压缩腔和吸气腔的动态分界线。当舌尖与旋压转子内壁上切点相重合时，整个空腔成为最大吸气腔而点舌尖通过排气口前瞬间将全部空气(或混合气)压进燃爆室。实质上燃爆室的容积大致等于压缩腔的最小容积。根据反复的实验计算，根据不同燃油状态，空压腔内的吸气腔容积，也称有效空气腔容积，与燃爆室容积比可以控制在7∶1-23∶1之间，根据不同类型内燃机而定。

4、燃爆室设置在空压腔和转子腔之间，是个耐高压和强冲击负荷的密闭空间。它通过中压阀与空压腔的压缩排气口相通，通过高压阀与转子腔的喷排口相通，在室内设置有火花塞(用汽油燃料时)或喷油头(用柴油燃料时)。燃爆是在高压阀关闭时密闭进行的，会产生很大的冲击负荷，为了进一步提高其承受能力和提高转换效率，本设计中将在燃爆室内增设一个由优质材质制造的蛋壳形内胆，在内胆和预留密封空间之间充填缓冲材料，采用内胆时气路直通胆内，火花塞(或喷油头)设在内胆之中。以上的结构能进一步提高热机效率，并极大地减少了震动和噪音。

5、转子腔是对称两部分组成的一个爆发与排气工作腔。其横截面呈相交圆环状，腔内设置两个齿轮转子呈精密啮合关系。在啮合处形固定密封界面将转子腔划分为与高压阀相连的喷排腔和机外排气管相通的排气腔，啮合的齿顶距离转子腔的侧壁留有一定间隙，是预留的转子腔有效工作空间。齿轮转子上还设置1-3个大模数翼齿。翼齿的齿顶与转子腔侧壁形成良好精确的滑动密封配合，并成为喷排腔与排放腔的动态分界面。翼齿的侧表面实质上等于承受冲击压力的工作面，另外翼齿之间也应承良好的配合关系，起到相应密封作用。齿轮转子与本机的功率输出轴直联并输出扭矩。具体到齿轮转子中的小模数齿轮可根据不同功率的需要采用1-3之间，大齿轮的模数选择根据功率和输出扭矩与转速限定可参照以下比例1∶8-1∶24来选择。转子腔与空压腔的容积应参照8∶1-4∶1的比例来设定。翼齿可选1-2-3个，翼齿的分布角β应小于90°。

下面结合附图进一步说明本发明的目的是如何实现的：

图1给出了本发明的结构示意图。

其中1代表空气压缩腔，2A、2B代表转子腔，3代表燃爆室，4代表中压阀，5代表高压阀，6代表缸体内气路，7代表机外排气管接口，8代表空压腔内的吸气口，9代表压缩排气口，10代表旋压转子，10A代表舌板，10B代表压簧，10C为旋压转子与空压腔内壁的密封相切处，10D为舌板与内壁的接触密封处。r角是压缩排气口和吸气口相对空压腔中心的张角。11代表火花塞(或喷油头)，12是转子腔内的喷排口，13代表小齿啮合处，14代表大模数翼齿，15为翼齿与转子腔内壁接触密封处，16代表喷排腔，17代表排放腔，18代表压缩腔，19代表吸气腔，20代表缸体，21代表齿轮转子轴，22代表齿轮转子，23代表与机外排气管相通的排气口，β为翼齿分布角。

从给出的附图可以看出本发明的设计为三腔(压缩腔1、转子腔2A、2B)两转子(齿轮转子2A、2B)结构，燃爆室3独立，中间靠气路6，中、高压阀4、5连通。旋压转子10、齿轮转子22和中、高压阀4、5以及点火触发(或喷油阀)均与同步机构相接，按同步时序完成动作。各腔与外界的伺服系统常规方式相连通。当旋压转子10的舌板10A通过吸气口8的同时开始空气压缩冲程。随着舌尖的位置移动，压缩腔18容积逐渐变小空气压缩比加大，当舌尖接近排气口9时，中压阀4打开，空气在舌尖通过排气口9前瞬间将全部被压入燃爆室且中压阀4在舌尖抵达排气口9前(提前角3-5°)关闭。此时间高压阀5处在关闭状态，压缩后的气体被密在爆燃室3之中。此时旋压转子继续旋转通过排气口时整个压缩工作腔1与吸气口相通完成吸气冲程的全过程。继而旋转转子10中的舌板10A顶端越过吸气口8位置新的一个压缩冲程开始。

当新的一次压缩冲程在压缩工作腔1开始后约迟后15-20°，燃爆室3内火花塞(或喷油头)11工作，在燃爆室3中产生高压高温气体，此时中压阀4与高压阀与都处于关闭状况。燃爆迟后5-10°左右，高压阀5打开，高压高温气体从转子腔(2A及2B)的喷排口喷出，产生工作压力作用在齿轮转子22的大模数翼齿14侧面上，并形成推力推动齿轮转子旋转，通过齿轮转子轴21向外输出功率。翼齿14的工作区间不小于270°，在此同时旋压转子10业已完成对下次工作气体的压缩工作，当翼齿14将喷排的气体带至排气口23后高压阀关闭，滞后5°-10°中压阀打开接收下一个循环的工作气体冲入燃爆室，此时爆发、排气冲程完成，并准备进入下个循环爆排。

照以上所述整个内燃机在每一单位时间内同时完成吸压和爆排不同的过程从而可以连续输出动力。以上叙述是以旋压转子10每转一周即旋转360°为一个循环，齿轮转子也是旋转360°按旋转角度来定位。齿轮转子的工作周期是270°，高压阀5开启时间也是270°与其对应。中压阀4的开启时间是78°，任何时刻不会中高压阀同开。其余迟后角度已经说明不再繁叙。

根据以上构思设计成的旋转式内燃机，结构简单、紧凑，具有体积小，输出功率大，转速高，扭矩大的显著特点，特别是其配套工艺简单，对原材料的要求一般，易损件更换方便，价格便宜，这将为转子发动机进一步的应用于普通运输业，开创了一条切实可行的道路。特别是本设计采用了双齿轮转子的结构使有效膨胀比大为提高，从而就可能极大地提高热机的效率和同等输出功率情况下的节油率，通过现行样机的测试可以证明，可比同功率下的内燃机膨胀比提高3-3.4倍，同样功率输出下的节油率达40.9％，所以本发明在技术上产生的效果将大大促进动力工业的发展。

Claims (6)

1、一种内燃机，由缸体(20)，配套缸盖以及设置在缸体(20)内用以完成吸气、压缩、燃爆、排气并输出扭矩的工作部件组成，并配有与这些工作部件相匹配的供油系统、供气系统、点火系统、润滑系统、冷却系统和控制各系统之间的工作时序的同步机构，其特征在于：

a、缸体有三个同轴向圆形工作腔：空气压缩腔(1)和两个呈连体状转子腔(2A、2B)，有一个燃爆室(3)，三个工作腔和燃爆室(3)之间借助气路(6)及设置在气路之间的中压阀(4)和高压阀(5)连通，空气压缩腔(1)与外设的供油、供气系统相连通，转子腔(2A、2B)与机外排气管相连通，采用柴油燃料时供油系统直接燃爆室(3)，

b、各工作腔、室的连通次序为：空气压缩腔(1)→中压阀(4)→燃爆室(3)→高压阀(5)→转子腔(2A、2B)，

c、空气压缩腔(1)内设置一个偏心空气旋压转子(10)，侧壁上设有吸气口(8)连通空气滤清器和化油器，侧壁上设有排气口(9)，其借助中压阀(4)接通燃爆室(3)，偏心设置的空气旋压转子(10)与腔内壁相切形成密封(10C)，并以此为界将压缩腔内空间分为与排气口相通的压缩腔(18)和与进气口相通的吸气腔(19)，空气旋压转子(10)上设置有密封舌板(10A)，其随转子(10)旋转并可沿径向自由伸缩，舌尖与压缩腔内壁相抵形成动密封处(10D)，并以此确定压缩腔(18)和吸气腔(19)的动态分界线，

d、燃爆室(3)设置在空压腔(1)和转子腔(2A、2B)之间，是个密闭空间，通过中压阀(4)与压缩腔排气口(9)相通，通过高压阀(5)与转子腔喷排口(12)相通，室内设置点火器(汽油机)或喷油头(柴油机)(11)，

e、转子腔(2A、2B)连体，其横截面呈相交的圆环状，腔内设置两个齿轮转子(22)呈精密啮合关系，啮合处形固定密封界面将每个转子腔(2A或2B)划分为与高压阀(5)相连的喷排腔(16)和与排气口(23)相通的排放腔(17)两部分，转子齿轮(22)上设置1-3个大模数翼齿(14)，其齿顶与转子腔内壁形成良好密封(15)，并成为喷排腔与排放腔的动态分界线，翼齿(14)部分也可形成精密的啮合关系，齿转转子(22)与本机功率输出轴直联，

f、旋压转子(10)、齿轮转子(22)、中、高压阀(4、5)、点火或喷油的触发机构均与同步机构相接，按同步时序完成动作或抵到指定位置。

2、根据权利要求1所说的内燃机，其特征在于旋压转子(10)与压缩工作腔(11)内壁相切密封处(10C)在排气口(9)和吸气口(8)之间，排气口(9)和吸气口(8)相对空压腔(1)中心的张角r小于15°。

3、根据权利要求1所说的内燃机，其特征在于旋压转子(10)上舌板(10A)位置设在穿过转子中心的径向方向上，内设压簧(10B)，舌板(10A)的舌尖从转子(10)的边沿伸出抵触在腔内壁上。

4、根据权利要求2或3所说的内燃机，其特征在于压缩工作腔(1)有效容积与燃爆室容积之比为1∶7-1∶23。

5、根据权利要求1所说的内燃机，其特征在于燃爆室(3)是预留在缸体中的密封空间，设有蛋款形内胆，在内胆与预留空间之间充填有缓冲材料，气路(6)直通内胆、火花塞(或喷油头)(11)设在内胆之中。

6、根据权利要求1所说的内燃机，其特征在于空气压缩腔(18)与转子喷排腔(16)的容积比为1∶4-1∶8，齿轮转子(22)上的密封齿模数在1-3之间，密封齿与翼齿(14)模数之比为1∶8-1∶24，翼齿分布角β应小于90°。

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