CN204113458U - 一种螺旋端面圆柱形转子往复柱塞式转子发动机 - Google Patents

Abstract

一种螺旋端面圆柱形转子往复柱塞式转子发动机，由圆形缸筒，端盖组成外壳，装在缸筒中的输出轴与螺旋端面相对装在轴上的转子、柱塞构成发动机的工作气缸和能量转换输出机构，转子与输出轴连接为一体，转子与柱塞圆柱表面环槽内装有密封环，装在缸筒内壁上的滚轮伸入柱塞后端柱面上的轴向长条形方槽内，限制柱塞转动，装在输出轴上的主动伞齿通过从动伞齿驱动凸轮转动用以控制推动柱塞往复运动，输出轴转720°完成由吸气，压缩，做功，排气冲程组成的工作循环，由于本实用新型发动机吸气，做功冲程在工作循环中占比增大，且能量转换输出过程直接，所以具有高效低耗，制造工艺简单成本低的优点。

Description

一种螺旋端面圆柱形转子往复柱塞式转子发动机

技术领域

本实用新型属于内燃发动机，由其涉及一种螺旋端面圆柱形转子往复柱塞式转子发动机。

背景技术

现代主流发动机主要为往复四冲程活塞式内燃机，其工作特点是，在曲轴旋转二周完成的一个工作循环中，四个冲程占比相同不可改变，因此现代发动机配气机构采用多种复杂技术例如；多气门，可变气门正时，升程，以及涡轮增压来提高进气冲程进气效率，并通过提高压缩比和缸内直喷供油手段，使发动机效率和输出功率得到很大提高，但由于做功冲程无法加长，燃料燃烧产生的能量有很大部分随废气排出无法利用，另外连杆传力方向与曲柄迴转半径间变化的角度也使曲柄连杆机构的传动效率低输出波动，从而限制了发动机效率进一步提高，同时由于其构成零部件形状复杂，加工制造难度大成本高。

发明内容

本实用新型采用转子结构替代发动机曲柄连杆机构，并通过大幅提高进气和做功冲程在整个工作循环中占比，无需采用复杂技术即可使气缸进气充分，而加长的做功冲程可进一步提高燃料利用效率，并且气缸内燃料燃烧产生的膨胀力直接推动转子带动输出轴转动，减少能量转换输出过程中的损失，从而使发动机达到高效低耗的目的。

本实用新型目的通过以下技术方案完成

缸筒(1)和两个端盖(2)构成发动机主体外壳，缸筒(1)筒壁上开有一个与配气机构相通的圆孔，输出轴(3)连同装在其上的转子(5)柱塞(6)通过端盖(2)装在缸筒(2)中并与之同心；

装在输出轴(3)上的转子(5)柱塞(6)外形为与缸筒(1)内径相配的圆柱形，其圆柱表面均开有数道环槽装有密封环(11)，其相对的两个端面为以各自端面半径为线段绕自身轴线同方向，同螺距旋转360°形成的环状螺旋曲面，柱塞(6)后端圆柱表面开有两个间隔180°沿轴向的长条方槽(14)；

输出轴(3)为一根中段直径加粗的圆柱形，加粗段内部带有沿轴向环腔，并通过前后端面上的开孔与外相通，加粗段前端设有转子连接实缘，后端位于柱塞(6)内孔中的部位表面开有环槽装有密封环(12)，柱塞(6)内孔与输出轴(3)变径处形成的空腔内加有弹簧(13)，其后端的输出轴(3)上装有主动伞齿(9)，两个与之传动比为1∶1的从动伞齿(10)180°对称布置与主动伞齿(8)齿合，从动伞齿(9)转轴装在缸筒(1)壁上，两根转轴中心连线与主动伞齿(8)轴线垂直相交，每根轴上装有一个与从动伞齿(9)连接成一体同轴转动的凸轮(10)，凸轮外轮廓线为一段阿基米德螺旋线和一段连接其起点和终点的弧线组成，外轮廓线与柱塞(6)尾端相触，两个滚轮(7)伸入柱塞(6)表面长条方槽(14)内用以限制柱塞(6)转动并允许其沿向移动，其轮轴装在缸筒(1)筒壁上；

工作原理及过程

将转子(5)柱塞(6)相对的螺旋端面高低相错重合在一起，使转子(5)转过一个角度，综合各种因素本案取该角度为90度，同时保持柱塞(6)与转子(5)靠紧，此时柱塞(6)位于往复运动的左端极限位置，

取柱塞(6)螺旋端面高点对应周向位置为B，转子(5)螺旋端面高点所对应的位置为A，此时转子(5)与柱塞(6)位于BA段间的螺旋端面脱离重合，并与其间露出的输出轴(3)的表面和缸筒(1)内壁表面围成一个小空腔，将此空腔作为燃烧室，此时转子(5)柱塞(6)所在位置相当于往复发动机活塞上止点位置，柱塞(6)右端面此时与凸轮(10)外廓尖点相接触，将端面上接触点定为K，凸轮[10]转动方向为K点至其轴心距离减小的方向；

吸气冲程：在转子(5)顺时针由A转向B点过程中，受滚轮(7)的限制，柱塞(6)无法转动，便在转子(5)与弹簧(13)推动下右移，转子(5)与柱塞(6)螺旋端面脱离重合的部分逐渐增加，形成的气缸容积增大，产生吸力，配气机构进气门打开，吸入空气或可燃混合气，当转子(5)螺旋端面高点转至B点，转子(5)与柱塞(6)螺旋端面除高点相对外，其余部分分离，气缸空积达到最大值，柱塞(6)运动至右端极限位置，其右端面与凸轮(10)接触的K点，与凸轮(10)轴心距离为最小值，此转子(5)柱塞(6)所在位置相当于往复发动机活塞下止点位置；由转子(5)与柱塞(6)螺旋端面数学表达式H＝S/360°*θ式中S为设计取定的螺旋端面螺距值，θ为形成螺旋端面的线段由起点按螺旋运动转过的角度，0°≤θ≤360°，H为螺旋面上半径线段与起点半径线段间所对圆心角度为θ时两线段间的距离，与凸轮(10)外廓降程段的阿基米德螺旋曲线R_(α)＝R₍₀₎+S/360°*α，式中R₍₀₎为凸轮基圆半径，S为转子(5)或柱塞(6)螺旋端面的螺距值，α为以基圆半径做射线由螺旋线起点绕基圆圆心转过的角度，R_(α)为当射线转角为α时，螺旋线在该射线上的点到基圆圆心的值，相比可知转子(5)推动柱塞(6)右移与柱塞(6)依托凸轮(10)降程段右移的运动规律相同，一致相关，所以在整个过程中转子(5)和柱塞(6)相对的螺旋端面重合部分能够保持贴合状态；

压缩冲程：当转子(5)螺旋端面高点由B转向A时，配气机构关闭进、排气门，柱塞(6)右端面接触点K进入凸轮(10)外廓升程段，柱塞(6)在凸轮(10)推动下左移，气缸容积减少，气缸内的空气或可燃气被压缩，温度压力上升，转子(5)螺旋端面高点转至A点，压缩冲程完成；

做功冲程：压缩冲程完成的同时，点火系统通过火花塞(D)点燃气缸内的可燃混合气，或通过喷油嘴向缸内喷入雾化燃油，使其被气缸内高温空气引燃，气缸内燃料燃烧产生的高温膨胀压力推动转子(5)转动，通过输出轴(3)对外输出动能，当转子(5)螺旋端面高点转至B点时，做功冲程完成，此时凸轮(10)承受柱塞(6)传递的推力；

排气冲程：转子(5)与柱塞(6)凸轮(10)的运动与前述压缩冲程过程相同，此过程中配气机构打开排气门，气缸内的燃烧废气在余压和柱塞(6)的推动下排出气缸，完成一个完整的工作循环。

有益效果；本实用新型构成的发动机由于进气，做功冲程在整个工作循环中的占比大幅增加，无需采用复杂技术即可使气缸进气充分，加长的做功冲程提高了燃料热能利用效率，并且能量转换输出过程直接，损失小，因此与同排量往复式活塞发动机相比，具有高效低耗，输出功率大，构成零部件少，形状简单加工容易制造成本低的优点。

附图说明

图1为发动机主体内部构造俯视示意图，图2为图1位置转子与输出轴相互关系与半剖示意图，图3为图1位置柱塞与输出轴相互关系与半剖示意图，图4为凸轮外廓及与柱相互关系示意图。图5为滚轮构造示意图。图6为发动机由前向后的整体结构示意图，图7为右视的发动机整体结构示意图。

图中；1 为缸筒，2 为端盖，3 为输出轴，4 为轴承，5 为转子，6 为柱塞，7 为滚轮8，为主动伞齿，9 为从动伞齿，10 为凸轮，11 为转子柱塞密封环，12 为输出轴密封环，13 为弹簧，14 为柱塞表面长条方槽，Z为配气机构凸轮轴，M为缸盖与气门，D为火花塞。A，B点为吸气冲程开始时，转子，柱塞端面高点所在周向位置，K为柱塞后端面与凸轮外廓接触点。

具体实施方式

如图1所示，由缸筒(1)和两个端盖(2)构成发动机主体外壳，将带内孔的圆柱形转子(5)柱塞(6)螺旋端面相对装在输出轴(3)上，并通过输出轴(3)上的突缘将转子(5)与输出轴(3)连接为一体，将输出轴(3)连同装在其上的转子(5)柱塞(6)通过端盖(2)装在缸筒(1)中并与之同心；如图2，图3所示，转子(5)与柱塞(6)圆柱面开有环槽，槽内装有密封环(11)，柱塞(6)后部柱表面开有两个180度对称沿轴向的长条形方槽(14)，两个滚轮(7)分别伸入槽(14)中，用以限制柱塞(6)转动，滚轮(7)轮轴装在缸筒(1)筒壁上；

如图2，图3所示，输出轴(3)为一根中段直径加粗的圆柱体，加粗段内部带有沿轴向环腔，并通过前后端面上的开孔与外相通，其空腔用于通入冷却用润滑油，加粗段前端设有转子(5)连接实缘，后端位于柱塞(6)内孔中的部位表面开有环槽装有密封环(12)，柱塞(6)内孔与输出轴(3)变径形成的空腔内加有弹簧(13)；

如图3所示，柱塞(6)后端输出轴(3)上装有随其同转的主动伞齿(8)，两个与之传动比为1∶1的从动伞齿(9)，间隔180°对称布置与主动伞齿(8)齿合，从动伞齿(9)的转轴装在缸筒(1)筒壁上，两根轴心连线与主动伞齿(8)轴线垂直相交，每根轴上装有一个与从动伞齿(9)连接成一体同轴转动的凸轮(10)，凸轮(10)外轮廓线为图4所示的一段阿基米德螺旋线其对应的圆心角为270°和一段连接其起点和终点对应圆心角为90°的弧线组成，凸轮(10)外轮廓线与柱塞(6)尾端K点相触。

缸筒(1)筒壁上开有一个与配气机构相连的圆孔，孔的位置如图1中虚线圆所示，具体为取转子(5)与柱塞(6)螺旋端面高点相对，将缸筒(1)表面所对应的转子(5)螺旋面高点位置作为交点，以过交点左侧方向线和转子(5)转动方向的周向线作为孔的边界切线，孔的直径为1--1.2倍转子5螺旋端面的螺距值；

发动机压缩比的调整可通过减小凸轮(10)升程段所对应的圆心角度，或将转子(5)与柱塞(6)螺旋端面高点至由低点沿螺旋面向高点转动90度范围内的折线形端面改为如图1中虚线所示的弧形曲线过渡端面，以减小燃烧室容积使压缩比达到设计要求；

为减轻柱塞(6)质量，降低其往复运动惯性，柱塞(6)可由轻质铝材与强度和耐磨性好的其它金属材料组合而成，并做成空腔结构。

发动机整体构造如图6，图7所示。

Claims (7)

1.一种螺旋端面圆柱形转子往复柱塞式转子发动机，包括圆形缸筒(1)端盖(2)输出轴(3)转子(5)柱塞(6)主动伞齿(8)从动伞齿(9)凸轮(10)，其特征是：输出轴(3)通过端盖(2)装在缸筒(1)中并与之同心；外径相同带有内孔的圆柱形转子(5)柱塞(6)装在输出轴(3)上并与之同心，转子(5)与输出轴(3)连接为一体； 

转子(5)与柱塞(6)相对的端面为两个相同的可以高低相错重合在一起的螺旋状曲面，该曲面是以各自端面半径为线段绕其自身轴线同方向，同螺距旋转360°形成的螺旋状环形曲面； 

柱塞(6)后端的输出轴(3)上装有主动伞齿(8)，两个从动伞齿(9)180°间隔布置与主动齿(8)齿合，其转轴固定在缸筒(1)筒壁上，两个从动伞齿(9)轴心连线与主动伞齿(8)轴线垂直相交，两个凸轮(10)分别与两个从动伞齿(9)同轴安装并连为一体。 

2.如权利要求1所述一种螺旋端面圆柱形转子往复柱塞式转子发动机，其特征是缸筒(1)筒壁开有一个与配气机构相通的孔。 

3.如权利要求1所述一种螺旋端面圆柱形转子往复柱塞式转子发动机，其特征是输出轴(3)为一根中段直径加粗且内部带有轴向环形空腔的圆柱体，环形空腔通过前后端面上的开孔与外部相通，加粗段的前端设有转子(5)连接实缘，后端位于柱塞(6)内孔中部分的表面开有环槽并装有封环(12)。 

4.如权利要求1所述一种螺旋端面圆柱形转子往复柱塞式转子发动机，其特征是转子(5)与柱塞(6)圆柱表面开有数条环槽，槽内装有密封环(11)，柱塞(6)后端圆柱表面间隔180°对称开两个沿轴向的长条状方槽(14)。 

5.如权利要求4所述一种螺旋端面圆柱形转子往复柱塞式转子发动机其特征是柱塞(6)后端表面两个长条方槽(14)内各装有一个滚轮(7)其转轴固定在缸筒(1)筒壁上。 

6.如权利要求1所述一种螺旋端面圆柱形转子往复柱塞式转子发动机，其特征是：主动伞齿(8)与从动伞齿(9)之间传动比为1∶1。 

7.如权利要求1所述一种螺旋端面圆柱形转子往复柱塞式转子发动机，其特征是：凸轮(10)外轮廓线由一段阿基米德螺线和一段连接其起点与终点的弧线组成。