CN1936297A - 圆弧轮转子机 - Google Patents

Abstract

一种圆弧轮转子机，其特征是在缸体内腔中装有与缸体内腔配合的转子，构成滑滚转子副，缸体内腔轮廓线采用与关键圆弧滑滚包络啮合形成的凹凸闭环曲线，转子由关键的圆弧面或关键的“滑块滚轮”构成整体圆弧转子或“滑块滚轮”转子，缸体内腔与转子共同限定出可变化的两个以上工作容积内腔，当转子旋转时，可完成进气、压缩、作功和排气过程；同时转子与传动机构运转有等速和变速关系；传动机构与动力设备或其它机构相联用以传递能量，设置合理的进出口，在缸体上设置相应的点火器或喷射器，与燃油燃气供给，进排气，润滑，冷却，电子电器控制等系统构成圆弧轮转子发动机，还可构成圆弧轮转子机包括泵、压缩机、变速机等动力机。

Description

圆弧轮转子机

技术领域

本发明属动力机械领域。

本发明涉及一种圆弧轮转子机，它结构简单，且具有纯滚或啮合滑滚特性。

背景技术

目前，世界上普遍使用的发动机还是往复式活塞发动机，工作时活塞在气缸里做往复直线运动，为了把活塞的直线运动转化为旋转运动，必须使用曲柄连杆机构，机构组成复杂，零件多，曲轴等零件结构工艺性差，活塞往复运动产生的往复惯性力造成系统振动，转化效率较低。转子机则不同，它将可燃气的燃烧膨胀力直接驱动形成旋转运动，转化效率较高；燃气轮机虽效率高，输出转速有限且结构复杂。相比，转子发动机机构相对简单，有输出转速高的潜能，适用范围较广。1954年，联邦德国工程师费利克斯·汪克尔(Felix Wankel)在前人研究的基础上解决了一些关键性的技术，从而发明了三角活塞旋转式发动机(简称汪克尔型转子发动机)。在得到专利许可后，60年代美国、日本、英国等相继研制汪克尔型转子发动机。由于在研制过程中普遍出现了如气缸壁的振纹问题(即使采用超硬材料也难以解决，致使成本增加)等有关的结构、材料的工作可靠性和使用寿命等一系列问题，于是各国放弃了研制推广。综合来说，转子发动机具有小的体积、轻的重量、简单的结构，有比同排气量往复活塞发动机更大的动力、动力平顺、振动与噪音都较往复式活塞发动机小，具有超高转速的潜力等。然而，目前还有极少数几家公司还在生产这种产品。由于其结构上固有的难以解决的缺陷，即使采用复杂而先进的“外围”技术，其性能也没有根本改善，注定其综合性能与往复式活塞发动机相比没有明显优势，难以推广。多年来工程人员还提出过许许多多其它转子发动机的创新结构，由于体制、工艺、结构等等多方面的因素，加上往复式活塞发动机性能有所提高，至今还没有一种转子发动机大面积推广。

发明内容

本发明提供一种新型结构型式的圆弧轮转子机(也称滑滚圆弧轮旋转式发动机)，本发明圆弧轮转子机其主体内腔和转子具有纯滚或啮合滑滚特性，由其结构功能扩展可构成的转子机包括发动机、泵马达、压缩机、变速机等动力机。可以根据功率大小，设计转子排量和转子数不同的内外燃连续燃烧转子发动机。

本发明解决其技术所采用的技术方案是

在缸体内腔中，装有与缸体内腔配合的转子，缸体内腔与转子构成转子付，缸体内腔轮廓线采用与圆弧包络啮合形成，转子上有两个或两个以上关键的圆弧面构成整体圆弧转子或有两个以上关键的“滑块滚轮”构成“滑块滚轮”转子，缸体内腔与转子共同限定出大小可变化的两个或两个以上工作容积内腔，缸体内腔中还装有与转子配合的传动机构，当转子旋转时，可完成进气、压缩、作功和排气过程；同时转子与传动机构运转有等速和变速的关系，在缸体或端盖上或中隔板(多转子发动机结构)设置与内腔相通的进出口，传动机构与动力设备或其它机构相联，用以传递能量，转子付各表面设有密封装置。

本发明圆弧轮转子机包括泵、压缩机、变速机等动力机；可利用外部燃烧或化学反应等装置产生的热能，蓄能装置的压能，自然界的清洁能，推动本转子付运转构成多种转子机：在缸体上设置相应的点火器和喷射器，与燃油燃气供给，进排气，润滑，冷却，电子电器控制等系统构成圆弧轮转子内燃发动机；由于转子具有纯滚或滑滚特性还可采用陶瓷等绝热材料制成绝热发动机。

本发明转子机的每一对转子付由内表面是“轨道面”的缸体和外表面由圆弧面或“滑块滚轮”和包络线或辅助多弧组合面而形成的转子组成，转子上的圆弧面或“滑块滚轮”与壳体内表面接触。壳体和转子表面包围着的2个以上工作容积，当转子旋转时，由于转子中心偏转而发生容积变化，从而完成进气、压缩、作功和排气过程。可以根据不同需要，设计转子排量和转子数不同的发动机。

本转子机的主要组成部分有缸体、转子、端盖、中隔板(多转子发动机结构)、传动盘以及可选配的转子传动齿轮和主轴等。转子付各相关面上需要密封：转子上圆弧面或“滑块滚轮”与内腔；转子端面与端盖；中隔板与内腔、端盖等，可采用紧压密封，间隙层密封，弹性密封，油密封，轴密封等。转子付各相关面上需要润滑和冷却，可设置润滑油道和冷却水道，为了便于理解本发明原理主结构，图中未详细画出全部结构。

本发明的有益效果是：结构简单紧凑，易制造，运转可靠，本发明内燃发动机可适应多种现有燃料及未来新型燃料，有助于开发和利用新的清洁燃料以缓解世界能源压力。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步说明

图1-1至图1-12是本发明圆弧轮转子机总原理图；

图2-1至图2-8是本发明圆弧轮转子内燃发动机(实施例一)横剖面图；

图3-1至图3-2是实施例一图2-1至图2-8中A-A，B-B剖面图；

图4-1至图4-8是本发明圆弧轮转子机(实施例二)横剖面图；

图5-1至图5-2是实施例二图4-1至图4-8中C-C，D-D剖面图；

图5-3是本发明圆弧轮转子机变速机(实施例三)同图4-1至图4-8中D-D剖面图；

图6-1至图6-6是本发明转子机整体式或组合式转子结构与内腔啮合示意简图；

图7-1至图7-8是本发明转子机传动机构结构示意简图

图8-1至图8-3是本发明转子机多转子结构示意简图。

图1-1至图1-12中，L0：缸体内腔轮廓线；L1：转子外轮廓线；m：传动机构总成；r：滑滚轮轮廓线；r1：转子工作关键圆弧线段；v1、v2、v3、v4、v5为各工作容积内腔；dj：“近距点”；dy：“远距点”。

本发明主要零部件和标识有：1：缸体；2：转子；3：滑滚轮；3’：圆弧滑滚块；4：喷嘴；5：火花塞；61、62、63、64：吸入口；71、72、73、74：压出口；61’：进气门；71’：排气门；8：传动轴；8’偏心轴颈；9：端盖；10：中隔板(多转子发动机结构)；11：传动齿轮(可根据需要选配，不是必需)；12：传动盘；13：配气机构。

具体实施方式

总原理图中，缸体内腔轮廓线L0采用与圆弧瞬时滑滚包络啮合形成是一条连续的凹凸闭环曲线，本发明称为“轨道线”，由“轨道线”形成缸体内腔“轨道面”，“轨道线”上的“点集”集合中距离主轴中心最近点称“近距点”，最远点称“远距点”。

有一对“近距点”dj，“远距点”dy的内腔轮廓线L0可与转子上两段圆弧r瞬时共轭：

有两对“近距点”dj，“远距点”dy的内腔轮廓线L0可与转子上三段圆弧r瞬时共轭；

有三对“近距点”dj，“远距点”d的内腔轮廓线L0可与转子上四段圆弧r瞬时共轭；

有四对“近距点”dj，“远距点”d的内腔轮廓线L0可与转子上五段圆弧r瞬时共轭；

以此类推“轨道线”上有n对“近距点”dj，“远距点”dy的内腔轮廓线L0可与转子上n+1段圆弧r瞬时共轭构成本发明转子付(以下简称为1.2型；2.3型；3.4型；4.5型；……n.n+1型各类型转子付)。“轨道线”都可由圆开始演化而形成，从而其平面曲线有多种方式(几何圆弧逼近、数学解析方程式、计算机编程等)方法可绘制。图1-1、图1-2、图1-3为1.2型转子付；图1-4、图1-5、图1-6为2.3型转子付；图1-7、图1-8、图1-9为3.4型转子付；图1-10、图1-11、图1-12为4.5型转子付，可以类推n.n+1型转子付原理图，结构图。

转子轮廓线由相应的关键圆弧r，r1和包络线L1或多弧替代线共同组合而成。可构成整体式滑滚转子和由转子上的圆弧线延伸可构成的“滑块滚轮”包括滚轮、滚柱、滚子、圆弧滑滚块等与相应转子结构构成的组合式“滑块滚轮”转子，包络线L1或多弧替代线与缸体内腔轮廓线L0之间应设有合理间隙，同一类型转子付中转子上圆弧r，r1具有相同的半径或直径并且在转子上等角均匀分布。

图1-1至图1-12中，图1-1、图1-2、图1-3为1.2型转子付，转子处在三个不同的位置情况，转子角度旋转α，则传动轴角度旋转2*α；图1-4、图1-5、图1-6为2.3型转子付，转子处在三个不同的位置情况，转子角度旋转α，则传动轴角度旋转3*α；  图1-7、图1-8、图1-9为3.4型转子付，转子处在三个不同的位置情况，转子角度旋转α，则传动轴角度旋转4*α；图1-10、图1-11、图1-12为4.5型转子付转子处在三个不同的位置情况，转子角度旋转α，则传动轴角度旋转5*α；随同转子旋转，v1、v2、v3、v4、v5腔中容积大小可变化，如逐渐增大，形成真空吸入流体；如逐渐减小，压缩流体。

图2-1至图2-8，图3-1至图3-2中，进气门61’，排气门71’，吸入口61、62，排出口71、72，喷嘴4，火花塞5；图4-1至图4-8、图5-1至图5-2中，吸入口61、62、63、64，排出口71、72、73、74位置设在以缸体内腔轮廓线“近距点”处的两边适当处，可设在缸体上，侧面端盖上，中隔板上，多吸入口，多排出口可组合。

各图中，传动机构与转子为偏心轴颈与孔动配合联接，与内腔运动可自限定转子与传动轴传动盘转速比，也可选配内外齿轮啮合(齿数比为1∶2；2∶3；3∶4；……；n：n-1)限定转子与传动轴的转速比，还可选配配对外齿轮啮合(齿数比为1∶1；2∶1；3∶1；……；n∶1)限定传动盘与传动轴的转速比，转子在内腔中为纯滚或滑滚运动，磨擦系数小，磨擦损失小，其运动规律为传动机构旋转一周，转子在内腔中可旋转1/n周(n取1、2、3、4、……)或一周，整机可同速变速输入输出。

转子机的转子中可装配滑动或滚动轴承与主轴轴颈相配合或转子上装配传动盘与输出轴相配合，转子相对于主轴轴心作偏心旋转运动。转子转一周，传动盘转一周或主轴转n周(n取1、2、3、4、……)，转子转速是主轴转速的1倍或1/n倍。

下面就本发明圆弧轮转子机的工作过程结合图例作进一步说明

转子偏心安装在缸体内腔中，把缸体内腔分割成两个以上密封腔，形成工作容积内腔，工作容积内腔随着转子的旋转，其容积大小发生周期性变化。工作容积内腔的容积由小到大，形成真空，则吸入流体，由大到小则压缩，(在压缩室燃烧气体可膨胀作功)，排出流体，由转子得到动力推动传动机构输出动能或传动机构得到动力推动转子，同时本机构具有定比变速功能，缸体外型可以为任何合适的形状。

一.圆弧轮转子内燃发动机(实施例一)：参见图1-1至图1-12、图2-1至图2-8、图3-1至图3-2中各图

1.进气过程：

转子上一圆弧r、r1或“滑块滚轮”3、3’越过内腔“近距点”dj，分别打开进气口61、62、63、64或由联动机构打开进气门61’时，净空气或空气和燃料混合气进入工作腔，也可经增压器增压进入工作腔。(1.2型转子付单转子内燃发动机需设置配气机构13装置，1.2型转子付双转子，2.3型、3.4型、4.5型……n.n+1型只需设置进气口，排出口)。

2.进气和压缩过程：

净空气或空气和燃料混合气继续进入直到转子相临另一圆弧r、r1或“滑块滚轮”3、3’关闭进气口为止。转子继续转动，腔内气体受压缩。

3.起动点燃连续燃烧作功过程：

在一压缩室当气体被压缩到接近最小体积时，由喷嘴4喷射需要的可燃燃料，与压缩空气形成可燃混合气，经火花塞5点燃而起动燃烧，产生的高温高压燃烧气体膨胀作功。推动转子继续转动，下一压缩室气体在被压缩到接近最小体积时，又由喷嘴4喷射需要的可燃燃料与压缩空气形成可燃混合气而可实现连续燃烧，进而连续推动转子转动。燃料有压燃性和点燃性之分，压燃性燃料原理上可不设置火花塞5，可在较高压缩比下产生的高温高压爆炸燃烧作功；点燃性燃料对不同压缩比具有不同的抗爆性，因此对不同燃料最好对应合适的压缩比，也可设置可变节气门，以实现不同燃料最佳燃烧效果。

4.排气过程：

排气口71、72、73、74分别打开或由联动机构打开排气门71’(1.2型单转子内燃发动机需设置配气机构13装置)时，废气由此排出，并可进入涡轮增压器等增压附件，提高进气压力以提高功率。

1.2型转子机的相位角为180度；2.3型转子机的相位角为120度；3.4型转子机的相位角为90度；4.5型转子机的相位角为52度；(n-1).n型转子机的相位角为360/n度。完成进气、压缩、作功和排气四过程原则上需要三个顺序工作腔来完成工作循环，1.2型单转子付可依靠两个工作腔按顺序交替来完成，2.3，3.4，4.5，……(n-1).n型转子机可依靠三个相邻工作腔来依顺序完成，就设置压缩燃烧室数量划分，1.2、2.3、3.4型单转子付可设置一个压缩燃烧室如图2-1、图2-2、图2-3、图2-4、图2-5、图2-6；3.4型转子付多有一个工作容积内腔，可利用该空闲容积内腔完成泵或压缩机工作，如图2-5、图2-6；4.5型转子付可设置两个压缩燃烧室完成热力循环如图2-7、图2-8；同理(n-1).n型转子付可视工作容积内腔数量来设置多个压缩燃烧室完成热力循环。1.2型单转子内燃发动机可类似往复式活塞发动机一样完成进气、压缩、作功和排气过程，需要配气机构，包括正时齿带、偏心轴或凸轮轴、摇臂、气门、气门弹簧等，2.3、3.4、4.5、……n-1.n型转子机，进气口和排气口依靠转子本身的运动来打开和关闭，1.2型双转子内燃发动机可一个转子完成进气、压缩过程，另一个转子完成作功和排气过程。

二.圆弧轮转子机：泵或压缩机等(实施例二)：参见图1-1至图1-12、图4-1至图4-8、图5-1至图5-2中各图

1.进气过程：

转子上一圆弧r、r1或“滑块滚轮”3、3’越过内腔“近距点”dj，分别打开进口61、62、63、64，流体进入工作容积内腔，各进口可组合。

2.进气和压缩过程：

流体继续进入，直至转子相临另一圆弧r、r1或“滑块滚轮”3、3’关闭进口为止。转子继续转动，腔内流体受压缩。

3.排气过程：

转子继续转动，排出口71、72、73、74分别打开，流体由此排出，各出口可组合。

三.本发明圆弧轮转子机整体式或组合式转子结构与内腔啮合示意简图：参见图6-1至图6-6中各图

图6-1为整体式转子与内腔啮合结构；图6-2、图6-3为圆弧滑滚块和相应转子架构成组合式转子与内腔啮合结构；图6-4、图6-5、图6-6为“滑滚轮”包括滚轮、滚柱、滚子和相应转子结构构成组合式转子与内腔啮合结构；圆弧或“滑块滚轮”与内腔啮合的传动压力角可为零或趋于零，运动与滚动轴承相当，如工艺需要转子还可以有其它合理划分的结构。

四.本发明圆弧轮转子机传动机构结构示意简图：参见图7-1至图7-8中各图

图7-1为单转子变速偏心轴颈输出轴；图7-2为两孔输出盘；图7-3为双转子变速偏心轴颈输出轴；图7-4为三孔输出盘；图7-5为三转子变速偏心轴颈输出轴；图7-6为四孔输出盘；以此类推有多转子变速偏心轴颈输出轴和多孔输出盘；图7-7为内啮合齿轮传动内部机构(可根据具体情况选配)；图7-8为外啮合齿轮传动外部机构(可根据具体情况选配)。偏心轴颈输出轴也可由偏心轮与轴紧固而构成。多孔输出盘与转子多孔对应采用偏心轴颈动配合相联接，1.2型双转子或多转子还可以采用偏心轴颈动配合联动。以上结构尺寸最佳是等角均匀分布以利于动平衡。

五.本发明圆弧轮转子变速机(实施例三)：参见图1-1至图1-12，图5-3

依据转子与传动机构运转有等速和变速的关系，传动盘与转子采用偏心轴颈联接可等速运转，从传动盘和输出轴分别输入输出构成变速机，1.2型转子付变速比为1∶2；2.3型转子付变速比为1∶3；3.4型转子付变速比为1∶4；4.5型转子付变速比为1∶5；n-1.n型转子付变速比为1∶n，原理上为无误差变速传动，高精度加工变速比非常准确。

六.本发明圆弧轮转子机可同型或不同类型多转子组合运行：参见图8-1至图8-3中各图

多转子可构成泵或压缩机如图8-1、内燃发动机如图8-3、变速机如图8-2等多转子机；

多转子还可构成泵或压缩机、内燃发动机、变速机等的多转子组合转子机。

Claims (5)

1.一种圆弧轮转子机，其特征是在缸体内腔中，装有与缸体内腔配合的转子构成滑滚转子付，缸体内腔轮廓线采用与圆弧瞬时滑滚包络啮合形成，是一条连续的凹凸闭环曲线，称为“轨道线”，由“轨道线”形成缸体内腔“轨道面”，转子由两个或两个以上关键的圆弧面构成整体圆弧转子或有两个或两个以上关键的“滑块滚轮”构成“滑块滚轮”转子，缸体内腔与转子共同限定出大小可变化的两个或两个以上工作容积内腔，缸体内腔中还装有与转子配合的传动机构，当转子旋转时，可完成进气、压缩、作功和排气过程；同时转子与传动机构运转有等速和变速的关系，在缸体或端盖上或中隔板上设置与内腔相通的进出口，传动机构与动力设备或其它机构相联，用以传递能量，转子付各表面设有密封装置，在缸体上设置相应的点火器或喷射器，与燃油燃气供给，进排气，润滑，冷却，电子电器控制等系统构成圆弧轮转子内燃发动机；由于转子具有纯滚或滑滚特性，可采用陶瓷等绝热材料制成绝热发动机。本发明还构成圆弧轮转子机包括泵、压缩机、变速机等动力机。

2.根据权利要求1所述的圆弧轮转子机，其特征是：每一对转子付由内表面是“轨道面”的缸体和外表面由圆弧面或“滑块滚轮”和包络线或多弧组合面而形成的转子组成，缸体内腔轮廓线采用与转子关键圆弧瞬时滑滚包络啮合形成，是一条连续的凹凸闭环封闭曲线，缸体内表面与转子的关键圆弧面或“滑块滚轮”接触。

3.根据权利要求2所述的圆弧轮转子机，其特征是：转子轮廓线由相应的圆弧和包络线或多弧替代线共同组合而成。可构成整体式滑滚转子和由转子上的圆弧线延伸可构成的“滑块滚轮”包括滚轮、滚柱、滚子、圆弧滑滚块与相应转子结构构成的组合式“滑块滚轮”转子。

4.根据权利要求1所述的圆弧轮转子机，其特征是：单转子、多转子可构成泵或压缩机、内燃发动机、变速机等转子机；多转子还可构成泵或压缩机、内燃发动机、变速机等的多转子组合转子机，设计转子机型(1.2型、2.3型、3.4型、4.5型……n.n+1型转子付)可从微型到大型系列化。

5.根据权利要求1、4所述的圆弧轮转子机，其特征是：转子机传动机构结构有变速偏心轴颈输出轴机构和多孔输出盘机构以及转子与转子联接机构。

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