CN201874679U - 椭圆轨道槽变向连杆活塞式旋转发动机 - Google Patents
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Abstract
椭圆轨道槽变向连杆活塞式旋转发动机属于动力机械领域。由：主轴(1)；椭圆轨道槽盘体(2)；传动连杆(3)；定位U形叉(4)；圆筒形转缸体(5)；转缸体端盖(6)；变向杠杆(7)；传统曲柄连杆活塞式单缸发动机机头油8)；活塞杆(9)；活塞(10)；圆筒形机壳(11)等组成；传动连杆(3)下端装有轴承(22)插入椭圆轨道槽(12)中，传动连杆(3)的水平弯头穿过圆筒形转缸体(5)的筒壁与变向杠杆(7)的一端用轴承连接，活塞杆(9)与变向杠杆(7)的另一端也用轴承连接，变向杠杆轴(14)固定在转缸体(5)的底部，用轴承与变向杠杆(7)定位连接。结构简单紧凑、部件少、重量轻、体积小、高效节能、维修方便、使用寿命长，既可制成汽油机，也可制成柴油机，适用多种燃料。
Description
技术领域
属于动力机械领域。
背景技术
当今世界大量使用的内燃发动机，其技术要点就是必备一个变容机构，能产生足够的压缩比，能完成“奥托热功循环”，对外输出扭矩做功。关键核心技术是在基元容积内活塞与气缸壁之间的密封问题，以及动力性、经济性和排放性等技术性能指标问题。一百多年来，一直占据发动机领域统治地位的“奥托”曲柄连杆活塞式内燃发动机已经非常成熟，近年来发动机又进入了“电子时代”，其发展进步几乎到了“尽善尽美”的程度，但是由曲柄连杆活塞式这种机构自身结构带来的弊病：(一)是结构比较复杂、笨重，零部件加工精度工求较高；(二)是振动大、噪声大、对机体损害大，这是由曲轴连杆活塞高速往复惯性冲击振动和曲轴连杆系统扭转振动，这两种振动源造成的；(三)是热效率低，汽油机25％-30％；柴油机30％-40％；增压柴油机40％-50％，也就是说只有25％-50％的热量变成了有用功，而50％-75％的热量以各种形式损失掉了，其中损失最大的是废气带走的热量，它占总热量的比例竟高达25％-50％，十分惊人，造成如此大量热能被废气带走的主要原因是曲柄连杆活塞这种机构本身消化吸收能力差造成的，主要表现在将活塞的直线运动转化成曲轴的旋转运动的过程中，其转化效率远远低于50％，而50％以上热量转化不了，无奈之下不得不变成废气被排出带走。(四)动力性差，输出扭矩较小。其主要原因是：曲轴连杆在将活塞接受的膨胀压力转化成曲轴的旋转动力时，有50％以上的膨胀压力不能转化成曲轴的旋转动力，所以旋转动力较小。其次是为了减少惯性冲击振动和扭转振动，曲轴廻转半径要尽可能设计短一些。这样较小的旋转动力乘以较小的旋转力臂，就只能得出较小的乘积，较小的乘积就是输出的扭矩，这个扭矩自然就比较小。
以上所述的这些弊病，都是传统曲柄连杆活塞式发动机自身结构造成的，长期难以克服，这是世人皆知的老问题；因此全世界许多科研机构、大专院校、军事装备机构，成千上万的专家、学者都想突破传统发动机的结构，但是一百多年一直未能成功。
逐渐成熟起来的“汪克尔”三角活塞旋转发动机，相对传统的“奥托机”而言，是省去了曲轴连杆、气门、凸轮机构等，做到了结构紧凑、重量轻、革掉了“奥托机”产生的两种振动，将燃烧膨胀力直接转化为主轴的旋转动力；因此它运转比较平稳、振动小、噪音低，这些性能特点是比传统的“奥托机”有很大进步；但是它却一直不能取代传统奥托式发动机，这是由于它自身结构带来严重的缺陷，有些甚至是致命的。首先是它难加工，制造成本高。二是比传统发动机耗油量大，热效率低、动力性差，对环保不利、运转成本高。因为三角活塞旋转发动机的燃烧室设在三个旋轮面中心凹坑处与椭圆形气缸内壁构成一个既封闭又不断变形的燃烧室。此室形状和空间不利于燃烧、燃烧线路长，使燃油消耗量增加、油耗增大，燃烧不完全、排放污染加重，对 环保不利；又由于该燃烧室在主轴旋转切线方向上的有效截面积很有限，因此接受传递膨胀力的能力小，产生的力矩也就小。所以它的热功效率低动力性差；三密封性难以可靠，使用性难以稳定、使用寿命不长；发动机的心脏工作在非常恶劣的高温、高压、高速环境下，为了确保发动机的动力性、经济性等主要技术性能指标良好，以及运转使用性能稳定可靠；发动机的密封性非常重要；三角活塞旋转发动机的密封系统由径向密封片和端面密封条、密封环两部分组成；相对而言，径向密封片是关键，它的任务更艰巨，而工作条件更恶劣；它的任务是把三个不断转动变化的工作腔隔开，三个工作腔的压力、温度是不断变化的、也是不相等的；而它自身仅仅是一个很窄的外旋轮弧面长条刮片；与它配合起密封作用的椭圆气缸内壁面的弧度是在不断变化的，在此情况下，密封片的密封效果就很难得到保障，更严重的是，它设在三角转子的三个顶上，而它的支撑和动力输出都是通过一对内啮合齿轮来实现的；偏心的结构，造成偏重的磨损、齿轮啮合面、密封片的磨损，势必造成其间隙逐渐增大，进而改变运动部件的相对位置，随使用时间的延长，密封性能下降加快，使转子工作室内混合气的泄漏及两室间的窜气增加，形成恶性循环；这样势必造成密封性不可靠，使用稳定性不可靠，使用寿命不长；另外，火花塞安放在三个旋轮面中心的凹坑中央，高温、高压的环境，极大地损害它的使用寿命，这也是三角活塞旋转发动机使用寿命短的一个重要原因。
发明内容
针对上述现行发动机的弊病、缺陷和不足，我研究出一种结构简单、运转平稳、振动轻微、转速高、动力性强、部件少、重量轻、体积小、易加工、成本低、高效、节能、减排、维修方便，使用寿命长的新机型：“椭圆轨道槽变向连杆活塞式旋转发动机”进行更新换代。此目的是通过以下方式来实现的：“椭圆轨道槽变向连杆活塞式旋转发动机”由主轴(1)、椭圆轨道槽盘体(2)、传动连杆(3)、定位U形叉(4)、圆筒形转缸体(5)、转缸体端盖(6)、变向杠杆(7)、传统曲柄连杆活塞式单缸发动机机头(8)、活塞杆(9)、活塞(10)、圆筒形机壳(11)等组成，主轴(1)依次穿过椭圆轨道槽盘体(2)；圆筒形转缸体(5)的筒底；转缸体端盖(6)；圆筒形机壳(11)的筒底圆心，实现四心同轴，主轴(1)依次与椭圆轨道槽盘体(2)用轴承(30)定位连接，与圆筒形转缸体(5)、转缸体端盖(6)用平键固定连接，与圆筒形机壳(11)的筒底用轴承(30)定位连接，椭圆轨道槽盘体(2)和机壳(11)的底部与机底座固定连接，所述机底座是发动机的支撑固定构件。
所述主轴(1)的前端设可燃混合气中心通孔(19)孔深至转缸体端盖(6)对应处，在主轴(1)穿入圆筒形转缸体(5)筒内对应机头(8)方位钻径向通孔(21)，通孔(21)与中心通孔(19)相通、歧管(25)一端与通孔(21)连接，另一端与机头(8)的进气簧片阀(23)连接。
所述传动连杆(3)下端装有轴承(22)插入椭圆轨道槽(12)中，传动连杆(3)腰部穿过定位U形叉(4)与之滑动接触，传动连杆(3)上部水平弯头穿过圆筒形转 缸体(5)之筒壁、穿孔用轴封(13)密封，传动连杆(3)水平弯头与变向杠杆(7)的一端用轴承定位连接；变向杠杆另一端与活塞杆(9)也用轴承定位连接，变向杠杆轴(14)固定在转缸体的底部，并用轴承与变向杠杆(7)定位连接。
所述圆筒形转缸体(5)的外部套装一圆筒形机壳(11)，其一端固定在椭圆轨道槽盘体(2)的端面上，另一端底与主轴(1)用轴承(30)定位连接；机壳(11)内装冷却润滑油，在机壳(11)上设冷却系统，圆筒形转缸体(5)的筒壁上钻六排通孔(29)；转缸体端盖(6)是辐射加强筋圆盘状，两加强筋之间开扇形孔，机壳(11)侧壁上分别安装进油阀(15)、排油阀(16)；两阀与油缸、油泵相连通，并受电控单元ECU控制。
所述圆筒形转缸体(5)的筒底部至少轴对称安装2个传统曲柄连杆活塞式单缸发动机机头(8)，机头(8)中心线处在主轴(1)、转缸体(5)的切线方向上，每个机头(8)对应配套一个活塞(10)、一个活塞杆(9)、一个进气簧片阀(23)、一个排气旋转阀(24)、一根歧管(25)、一个火花塞(26)、一个变向杠杆(7)、一个变向杠杆轴(14)，一个定位U形叉(4)、一个传动连杆(3)、一个连杆轴承(22)、多个轴承(22)共用一个椭圆轨道槽(12)，只要空间允许，可以轴对称安装3、4、5、6、8个机头(8)，本机相应就成了3、4、5、6、8多缸旋转发动机了。
所述主轴(1)前端安装一内旋转密封管接头(20)、管接头(20)前端内安装一个单点电子连续喷油器(17)，一个供气节流喷气头(18)、(17)、(18)分别与气缸、气泵、油缸、油泵相连，并由电控单元(ECU)控制。
所述圆筒形转缸体(5)与圆筒形机壳(11)之间设排气环形流道槽(27)排气旋转阀(24)与排气环形流道槽(27)相通，圆筒形机壳(11)内壁对应排气环形流道槽(27)设密封环(28)与排气流道槽滑动接触，在机壳(11)下部对应排气环形流道槽(27)设排气孔(31)接排气管(32)。
有益效果
本发明与现行传统发动机相比，有以下显著有益效果：
(一)在整体结构上有重大突破，对现行发动机的心脏进行了脱胎换骨的改造，不仅突破了(奥托式)曲柄连杆活塞式的结构，更突破了“汪克尔”的三角活塞旋转式发动机的结构，自主创新出一个全新的新机型，因此现行传统发动机自身结构造成的一切弊病都得到了根治，首先是本发明的转缸体结构，便于实现自身的动静平衡，其迥转中心就是其自身的几何中心和质量中心，不存在偏心问题，本发明四冲程界限分明，又过度平稳圆滑，所以极易消除振动，也就根治了曲轴连杆活塞高速往复惯性撞击振动和曲轴连杆系统产生的扭转振动这两个大祸害，与此同时，本发明转缸体和转缸体端盖的质量相对较大，其转动惯量足可以起到飞轮的作用，故可省掉笨重的飞轮，本发明结构简单，既去掉了笨重的曲轴连杆机构，也去掉了复杂的配气机构，零部件减少、重量减轻，对降低制造成本、减少故障、增加工作可靠性、维修方便性都带来极大的好处，本发明零部件数、重量、体积、加工成本都均为同功率传统奥托式 发动机的40％-50％。
(二)在发动机主要技术性能指标热功效率和动力性、经济性、排放性上有重大突破，大大突破了传统发动机热功效率一直低于50％的限值；本发明的传动机构，只承担变容工作，完成热功循环任务，不再承担力的传递和转换任务，本发明转缸体结构，机头安装在转缸体筒底切线方向上，除了少量热能损失外，能将燃烧膨胀力几乎全部直接转化成主轴的旋转动力，省掉了曲轴连杆转换环节，从力的转化传递方式上，本发明将传统发动机不能转换的力和能转换成有用功的力一起，都直接转换成了旋转动力，由此可以推断本发明的热效率比传统的发动机提高一倍以上；与此同时，由此也可以推断出本发明比传统发动机节能至少在50％以上，再加上本发明用进气簧片阀、排气旋转阀解决了传统发动机菌状气门惯性阻碍气流的问题，使发动机进排气流更为畅通，进排气功率消耗降低，充气效率排气效率提高，发动机燃烧将更充分，从而更有利于发动机降低燃油消耗，减少废气排放，这样节能效果更加显著实在；由此还可以推断出，在气缸容积相同，燃烧室相同，燃油消耗相同，燃油燃烧产生的膨胀力也相同的条件下，本发明比传统发动机的动力性能和输出扭矩都要提高一倍以上。
(三)在工作效率上有重大突破，本发明主轴旋转一圈完成(四冲程)热功循环做功一次，比传统发动机需曲轴旋转两圈才能完成(四冲程)一次热功循环做功一次，其工作效率整整提高了一倍，说它高效名符其实。
(四)在提高转速上有较大突破，大家都知道发动机输出功率与转矩和转速的乘积成正比；因此，提高发动机输出功率的有效途径之一就是提高转速；但是传统曲柄连杆活塞式(奥托式)发动机因受高速往复惯性冲击振动和扭转振动，活塞侧向推力，噪音零件磨损等多种条件影响限制，所以传统发动机转速有不再明显升高的趋势；本发明是转缸体结构，不存在高速往复惯性冲击振动和扭转振动及其产生的噪音，活塞不受侧向推力作用，故活塞环与气缸壁的接触不会出现偏重，周围受力均匀，加之本发明工作效率比传统发动机高一倍，又本发明活塞接收的膨胀力都直接传给主轴变为旋转动力，而此力又比传统发动机高出一倍，又本发明采用进气簧片阀、排气旋转阀取代传统奥托式四冲程发动机菌状气门，解决了菌状气门惯性阻碍气流的问题及发动机高速时气阀的密封问题，综合以上诸项有利条件，便使提高发动机转速限值得到突破，从理论上说本发明的转速也应比传统发动机高出一倍是合情合理的，完全可能的；转速提高，对提高单机功率十分有利，对铁路、公路运输、军事装备等提速都极为有利。
(五)用途广，既可以制成汽油机，也可制成柴油机；可以适用多种燃料、氢气、天然气、生物燃料等。
附图说明
图1是本实用新型的结构示意图
图2是传统曲柄连杆活塞式单缸发动机机头(8)在圆筒形转缸体(5)的筒底部布局固定方位示意图。
图中：主轴1、椭圆轨道槽盘体2、传动连杆3、定位U形叉4、圆筒形转缸体5、转缸体端盖6、变向杠杆7、传统曲柄连杆活塞式单缸发动机机头8、活塞杆9、活塞10、圆筒形机壳11、椭圆轨道槽12、轴封13、变向杠杆轴14、机壳冷却润滑油进油阀15、排油阀16、单点连续电子喷油器17、供气节流喷气头18、主轴前端可燃混合气中心通孔19、内旋转密封管接头20、主轴接歧管径向通孔21、传动连杆下端轴承22、机头进气簧片阀23、机头排气旋转阀24、歧管25、火花塞26、排气环形流道槽27、流道槽密封环28、转缸体通孔29、主轴轴承30、排气孔31、排气管32。
具体实施方式
以下结合附图说明和具体实施方式对本实用新型作进一步详细描述：
设计椭圆轨道槽之(长袖-短轴)÷2＝活塞行程S
设椭圆轨道槽盘体之椭圆轨道槽(12)之长轴处在垂直位置，下顶点为0°，按顺时针方向旋转作业，当起动机带动主轴(1)旋转时，圆筒形转缸体(5)带动定位U形叉(4)传动连杆(3)连杆下端轴承(22)一起同步转动；由于椭圆轨道槽的特定结构设计，轴承(22)带动传动连杆(3)的运动轨迹，随椭圆轨道槽(12)长短轴的位置而周期性变化，作向心的往复运动；0-90°时，轴承(22)受椭圆轨道槽(12)外壁向心的拉力作用，从长轴向短轴方向滚动滑移，带动传动连杆(3)作向心运动带动变向杠杆(7)作逆时针方向转动，带动活塞杆(9)作B方向直线移动，将活塞(10)从机头气缸顶部拉到尾部，气缸中出现真空度，进气簧片阀(23)及时打开，油汽混合体挤入气缸，完成吸气冲程工作；90°-180°，进气簧片阀关闭，轴承(22)从椭圆轨道槽短轴顶点受椭圆轨道槽内壁离心的推力作用，滚动滑移到椭圆轨道槽的长轴上顶点180°处，轴承(22)带动传动连杆(3)作离心运动，带动变向杠杆(7)作顺时针方向转动、带动活塞杆(9)作A方向运动，将活塞(10)推向机头(8)气缸顶部，完成压缩冲程工作；从180°-270°、火花塞(26)在点火提前角准时点火，油气混合体在气缸中燃烧膨胀做功，推动转缸体(5)和主轴(1)顺时针旋转；轴承(22)从椭圆轨道槽长轴上顶点，向短轴方向滚动滑移带动传动连杆(3)、向心运动带动变向杠杆(7)作逆时针方向转动，带动活塞连杆(9)作B向直线运动，将活塞(10)拉向机头(8)尾部，完成膨胀做功冲程；270°-360°排气旋转阀(24)打开，轴承(22)受椭圆轨道槽内壁的推力作用，从椭圆轨道槽短轴向长轴方向滚动滑移，回到长轴下顶点，轴承(22)带动传动连杆(3)，作离心运动，带动变向杠杆(7)作顺时针方向转动，活塞连杆(9)作A向直线运动，将活塞(10)推回机头(8)气缸顶处，排气旋转阀(24)关闭，排气冲程结束，完成一个奥托四冲程热功循环，做功一次；发动机点火发动后，自身储存的转动惯量完全有能力完成四步冲程循环功能，起动机脱离停止工作，发动机开始新一轮循环，周而复始。
Claims (7)
1.椭圆轨道槽变向连杆活塞式旋转发动机，其特征是由：主轴(1)；椭圆轨道槽盘体(2)；传动连杆(3)；定位U形叉(4)；圆筒形转缸体(5)；转缸体端盖(6)；变向杠杆(7)；传统曲柄连杆活塞式单缸发动机机头(8)；活塞杆(9)；活塞(10)；圆筒形机壳(11)等组成，主轴(1)依次穿过椭圆轨道槽盘体(2)，圆筒形转缸体(5)的筒底、转缸体端盖(6)、圆筒形机壳(11)筒底圆心，实现四心同轴；主轴(1)依次与椭圆轨道槽盘体(2)用轴承(30)定位连接，与圆筒形转缸体(5)转缸体端盖(6)用平键固定连接，与圆筒形机壳(11)的筒底用轴承(30)定位连接，椭圆轨道槽盘体(2)与机壳(11)的底部与机底座固定联接，所述机底座是发动机的支撑固定构件。
2.根据权利要求1所述的椭圆轨道槽变向连杆活塞式旋转发动机，其特征是：主轴(1)前端设可燃混合气中心通孔(19)孔深至转缸体端盖(6)对应处，在主轴(1)穿入圆筒形转缸体(5)筒内对应机头(8)方位钻径向通孔(21)，通孔(21)与中心通孔(19)相通、歧管(25)一端与通孔(21)连接，另一端与机头(8)的进气簧片阀(23)连接。
3.根据权利要求1所述的椭圆轨道槽变向连杆活塞式旋转发动机，其特征是：传动连杆(3)下端装有轴承(22)插入椭圆轨道槽(12)中，传动连杆(3)腰部穿过定位U形叉(4)与之滑动接触，传动连杆(3)上部水平弯头穿过圆筒形转缸体(5)之筒壁、穿孔用轴封(13)密封，传动连杆(3)水平弯头与变向杠杆(7)的一端用轴承定位连接；变向杠杆另一端与活塞杆(9)也用轴承定位连接，变向杠杆轴(14)固定在转缸体的底部，并用轴承与变向杠杆(7)定位连接。
4.根据权利要求1所述椭圆轨道槽变向连杆活塞式旋转发动机，其特征是：圆筒形转缸体(5)的外部套装一圆筒形机壳(11)，其一端固定在椭圆轨道槽盘体(2)的端面上，另一端底与主轴(1)用轴承(30)定位连接；机壳(11)内装冷却润滑油，在机壳(11)上设冷却系统，圆筒形转缸体(5)的筒壁上钻六排通孔(29)；转缸体端盖(6)是辐射加强筋圆盘状，两加强筋之间是扇形孔，机壳(11)侧壁上分别安装进油阀(15)、排油阀(16)；两阀与油缸、油泵相连通，并受电控单元ECU控制。
5.根据权利要求1所述的椭圆轨道槽变向连杆活塞式旋转发动机，其特征是：在圆筒形转缸体(5)的筒底部至少轴对称安装2个传统曲柄连杆活塞式单缸发动机机头(8)，机头(8)中心线处在主轴(1)、转缸体(5)的切线方向上，每个机头(8)对应配套一个活塞(10)、一个活塞杆(9)、一个进气簧片阀(23)、一个排气旋转阀(24)、一根歧管(25)、一个火花塞(26)、一个变向杠杆(7)、一个变向杠杆轴(14)，一个定位U形叉(4)、一个传动连杆(3)、一个连杆轴承(22)、多个轴承(22)共用一个椭圆轨道槽(12)，只要空间允许，可以轴对称安装3、4、5、6、8个机头(8)，本机相应就成了3、4、5、6、8多缸旋转发动机了。
6.根据权利要求1所述的椭圆轨道槽变向连杆活塞式旋转发动机，其特征是：主轴(1)前端安装一内旋转密封管接头(20)、管接头(20)前端内安装一个单点电子连续喷油器(17)，一个供气节流喷气头(18)、(17)、(18)分别与气缸、气泵、油缸、油泵相连，并由电控单元(ECU)控制。
7.根据权利要求1所述椭圆轨道槽变向连杆活塞式旋转发动机，其特征是：在圆筒形转缸体(5)与圆筒形机壳(11)之间设排气环形流道槽(27)排气旋转阀(24)与排气环形流 道槽(27)相通，圆筒形机壳(11)内壁对应排气环形流道槽(27)设密封环(28)与排气流道槽滑动接触，在机壳(11)下部对应排气流道槽(27)，设排气孔(31)接排气管(32)。
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| CN105352751A (zh) * | 2015-12-15 | 2016-02-24 | 山东大学 | 一种生物质气发电机组热效率及电效率测量系统与方法 |
| CN108843401A (zh) * | 2018-06-13 | 2018-11-20 | 中国科学院理化技术研究所 | 一种往复式膨胀机构 |
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2010
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