CN2048112U - 二冲程三角转子发动机 - Google Patents

Abstract

本实用新型提出了一种三角转子与缸体配合运动的新方式，该方式特点是工作过程为二冲程。

主轴每旋转360°，就相当于两个二冲程往复机的工作过程。

滑动中的密封片与缸壁为面接触，每个工作行程的漏气时间为180°转角。

用柴油、汽油作燃料，结构方案改变不大。

Description

本实用新型为现有三角转子发动机的改动型，是轻便的动力用机。适合于摩托车、发电机组、背负式动力机具等。

本实用新型为二冲程三角转子发动机，现有三角转子发动机的工作过程为四冲程。它们的缸体型线是不同的。在三角转子的配合下，现有的三角转子发动机为三个工作室，而本实用新型只构成两个工作室。这种结构使得主轴每转360°，就相当于两个二冲程往复机的工作过程，而现有的三角转子发动机为一个工作过程。所以，同功率相比，本实用新型体积小，重量轻。

气体密封问题是转子机的关键。现有的三角转子发动机，密封片与缸壁的接触为线接触，密封片过缸壁通孔时有气体向相邻工作室泄漏现象；每个工作行程的漏气时间较长，转角为360°。相比之下，本实用新型滑动中的密封片与缸壁为面接触，过缸壁通孔时无气体泄漏现象，而且，每个工作行程的漏气时间较短，转角为180°。

本实用新型单工作室最小容积，在理论上趋于零，因而有较大的压缩比。用柴油作为燃料，结构方案改变不大。

以下结合附图对本实用新型作进一步的详细描述。

图1是本实用新型的缸体型线与转子形状图。

图2是本实用新型的缸体型线创成原理图。

图3是本实用新型的缸体实际型线图。

图4是本实用新型的密封片最大摆动角示意图。

图5是本实用新型的工作容积图。

图6是本实用新型的容积变化示意图。

图7是本实用新型的容积计算示意图。

图8是本实用新型的工作循环过程图。

图9是本实用新型的工作循环过程图。

图10是本实用新型的端面进气、周边排气示意图。

图11是本实用新型的作用于转子上的气体力图。

图12是本实用新型的扭矩计算示意图。

图13是本实用新型的转子结构图。

图14是本实用新型的主轴、轴臂计算示意图。

图15是本实用新型的密封片封气原理图。

图16是本实用新型的密封片形式比较图。

图17是本实用新型的缸内转子润滑与冷却示意图。

一、基本结构及形成原理

1、缸体形线及转子形状。

参照图1，以直线AB为半径，分别以A、B为圆心，且相交于C、D的两段圆弧所围成的缸体型线［1］。通过等边三角形三个顶点A、B、C的，并以A、B、C为圆心的三段圆弧所围成的转子形状［2］。缸体上并设有燃烧室［3］和压缩空气通道凹坑［4］。

据上所述，本实用新型是一种以等量圆弧做三角转子和它的等辐圆弧做缸体形线的三角转子发动机，转子在缸体内以两定点（A、B）为圆心交替摆动并作绕主轴旋转运动。这样一来，主轴相对于转子端面运动的轨迹，使得转子两端面要有对应相等的以圆弧围成的两个星形开口。

2、缸体理论形线。

创成半径R（等于直线AB）是决定缸体理论型线的基本参数，R确定则缸体型线确定。

参照图2，过缸体型线中心建立x－y直角座标系，那么缸体理论型线的方程，缸体型线上的点P，随主轴转角θ变化的方程式表示如下：

缸体理论型线方程式

当0≤θ≤π θ≠ (π)/2 时，

有方程式（1）

其中，k＝tgθ

当θ＝ (π)/2 时，无k值（斜率）

则方程x²＋（y＋ (R)/2 ）²＝R²有解为y＝ (R)/2 ；

当π≤θ≤2π θ≠ 3/2 π时，

有方程式（2）

其中，k＝tgθ

当θ＝ 3/2 π时，无k值（斜率）

则方程x²＋（y－ (R)/2 ）²＝R²有解为y＝－ (R)/2 。

3.缸体实际型线。

参照图3，为了实用，将转子三个顶角的尖点改作半径为a的圆弧，即以理论转子尖点为圆心，以a为半径作一圆弧；相应地将缸体理论型线加大，即以缸体理论型线的半径R加大a作为半径画出的圆弧线，就是缸体实际型线。

由于需要密封片在转子密封片槽内不产生径向运动，因而要考虑摆动角。

参照图4，又因缸体型线上各点的法线均过理论型线上的圆心，即与创成半径重合，所以密封片在缸体上滑动的过程中并不摆动，而只是在以理论型线上的圆心位置为圆心进行摆动。最大摆动角度为60°。

密封片厚度与最大摆动角度的关系；

由于最大摆动角度为60°，所以，要使密封片顶部圆弧与缸体实际型线保持接触，密封片厚度b必须满足如下条件：

b≥a

缸体实际型线方程式：

缸体实际型线与理论型线之间的关系如下：

（1）两条曲线在各点法线方向的相间距离为a，缸体实际型线为理论型线的等距曲线，两者在几何上并不相似。

（2）长轴长度L₁实际＝ $2\sqrt{\mathrm{(R+a)}{}^2\mathrm{-(}\frac{R}{2}{)}^2}$

短轴长度L₂实际＝R＋2a

（3）确定缸体理论型线及转子轮廓曲线，只要R参数即可；而实际型线则要R、a两个参数才能确定。

二、工作原理

1.工作室容积与压缩比

参照图5，三角转子的三个顶角通过密封片与缸体型面紧密接触，转子的弧面与缸体型面之间形成两个腔室。

单工作室的理论容积V，随主轴转角而变化，工作室的容积公式是：

V＝｛0.008725〔60－sin^－1（ (r)/(R) cosθ）〕R²｝B

式中B为转子宽度，r＝ $\sqrt{\chi {}^2\mathrm{+y}{}^2}$

公式推导如下：

参照图6，因为弓形Am′P的面积等于弓形AmP的面积，所以工作室容积等于扇形ABP的面积乘以转子宽度B。

而扇形ABP的面积随主轴转角θ变化的公式推导：

参照图7，∵AP＝AB＝R AO＝ (R)/2

∴∠OAB＝COS $\frac{\frac{R}{2}}{R}$ ＝COS 1/2 ＝60°

∴∠α＝∠CAB－∠β＝60°－β

又∵ (Sinβ)/(r) ＝ (Sin（90°＋θ）)/(R) （正弦定理）

∴Sinβ＝ (r)/(R) cosθ

∴β＝Sin^－1（ (r)/(R) cosθ）

并且 S_扇形＝ 1/2 αR²α＝0.01745（60－β）

∴S_扇形＝0.008725（60－β）R²

＝0.008725〔60－Sin^－1（ (r)/(R) cosθ）〕R²

因而得工作室容积公式：

V＝SB＝｛0.008725〔60－Sin^－1（ (r)/(R) cosθ）〕R²｝B

最大容积和最小容积：

当θ＝0时（转子位置相当于往复机上止点），单工作室理论容积最小，为0。

当θ＝π时（转子位置相当于往复机下止点），单工作室理论容积最大：

V_最大＝0.5235R²B

由于单工作室理论容积最小为0，因而单缸排量V_H等于单工作室理论容积V_最大，所以能有较大的理论压缩比。

实际压缩比：

由于转子三个弧形面上设有燃烧室凹坑，缸体内壁和转子弧形轮廓之间还留有空隙，还有缸体内壁的燃烧室，压缩气体通道凹坑等，因此，实际压缩比小于理论值。设所有这些容积之和为V_r，则实际压缩比

ε＝ (V_H+V_r)/(V_r)

即单工作室全容积（最大容积）与压缩空间容积（最小容积）的比，为实际压缩比。

2.工作过程

（1）以周边进气、端面排气说明工作过程：

第一冲程参照图8，当转子〔1〕自左向右以逆时针方向移动时，在转子关闭了右工作室排气孔〔5〕后，工作室内空气便受压缩，并通过压缩空气通道凹坑〔4〕进入燃烧室〔3〕。此时，左工作室〔2〕的空间在增大，刚好处于膨胀做功阶段。当转子到达右止点时，空气的压力和温度已相当高，右工作室喷油咀〔7〕喷油。雾化柴油即时燃烧，产生大量高温高压燃气，这样，该端工作室便完成一次压缩喷油过程。此时转子越过左工作室排气孔〔6〕，排气即行开始，气压迅速下降，进气阀〔8〕打开，增压空气向左工作室充气。如此一冲程，左右工作室共同完成了进气、压缩、膨胀做功、排气四个过程。

第二冲程参照图9，当转子向左以逆时针方向移动时，右工作室便进入膨胀做工过程，左工作室则进入压缩喷油过程。

就这样，转子不断向左、向右作旋转往返运动，两端工作室便交叉地完成压缩喷油和膨胀做功过程，周而复始地进行做功循环，转子往返始终在做功而无间歇。

（2）端面进气，周边排气。

参照图10，采用周边排气，由于排气门〔1〕处于气缸尖端位置，所以会有好的扫气效果。但排气门的开闭由气门机构控制，结构比周边进气、端面排气复杂。

3.扭矩

参照图11，转子与缸体构成两个工作室，设每个工作室中的气体压力是均匀分布的，则合力P₁、P₂分别作用于转子两边的中心，并沿各自周边的法线方向通过转子中心O_r。力P₁、P₂的大小等于工作室中气体压力P与它们所作用的转子有效侧面积S的乘积。而有效侧面积假定为常数，面积S≌（R＋ $\sqrt{3}$ a）B

则由气体压力ρ所施加在转子一周侧面上的合力P为：

P＝（R＋

a）Bρ

参照图12，力P₁、P₂对主轴中心O的对应力臂为：

L₁＝ (R)/2 － (R)/2 sinφ

L₂＝ (R)/2 － (R)/2 sin（120－φ）

其中φ的取值范围明显为30°－90°之间。

证明：设L₁为力P₁对主轴中心O的力臂，

L₂为力P₂对主轴中心O的力臂，

则∵AC＝OA·sin∠AOC

而：OA＝ (R)/2 AC＝ (R)/2 －CD

并且：CD＝L₁∠AOC＝∠φ＝90°－∠BOC

∴L₁＝CD＝ (R)/2 －AC＝ (R)/2 － (R)/2 sinφ

又有：∠COE＝120°

∠AOE＝∠COE－∠AOC＝120°－∠φ

同理：L₂＝ (R)/2 － (R)/2 sin（120－φ）

所以上述两个合力乘其对应力臂之和就是输出的扭矩，而气体压力作用在主轴上的瞬时总扭矩为：

Mei＝（R＋

）B｛ρ₁（ (R)/2 － (R)/2 sinφ）＋ρ₂〔 (R)/2 － (R)/2 sin（120－φ）〕｝

三、主要零件和结构

1.转子结构

参照图13，由主轴〔1〕、轴臂〔2〕、偏心轮轴〔3〕、偏心轮轴外齿环〔4〕、转子内齿圈〔5〕、燃烧室凹坑〔6〕、刮油条〔7〕、气封条〔8〕、密封肖〔9〕、密封片〔10〕、滑动轴承〔11〕构成的转子，其中，转子内齿圈齿数与偏心轮轴外齿环齿数之比、节圆直径之比均为2：1；偏心轮轴在外齿环内滑动；滑动轴承〔11〕不一定需要设置。

2.主轴、轴臂

参照图14，由于位置的限制，主轴直径只能在2（R－ $\frac{\sqrt{3}}{2}$ R）＝（2－

）R的范围内考虑，并且，此范围内还需有气封条的位置，因此，主轴直径的尺寸较小，与R之比是一个较小的比值。但在两个主轴承之间，双缸机仍用单缸机的跨度，跨度较小。因而，应用在某方面，主轴会有合适的刚度。

下面假定主轴直径与转子重心轨迹的短轴相等为合适，则：

主轴直径 D＝2（ 2/3 · $\frac{\sqrt{3}}{2}$ R－ 1/2 R）

＝ $\frac{2\sqrt{3}\mathrm{-\; 3}}{3}$ R＝0.1547005R

气封条位置d＝R－ $\frac{\sqrt{3}}{2}$ R－＝ $\frac{2\sqrt{3}\mathrm{-\; 3}}{6}$ R

＝ $\frac{\mathrm{9-5}\sqrt{3}}{6}$ R＝0.0566243R

轴臂基本长度：主轴中心到偏心轮轴轴心的距离

L＝ $\frac{\sqrt{3}\mathrm{-1}}{2}$ R＝0.3660254R

∵Q＝ 1/3 · $\frac{\sqrt{3}}{2}$ R＋ 1/2 · $\frac{2\sqrt{3}\mathrm{-3}}{3}$ R＝ $\frac{\sqrt{3}\mathrm{-1}}{2}$ R

i＝ 1/2 〔（ 1/3 · $\frac{\sqrt{3}}{2}$ ＋ 1/4 · $\frac{\sqrt{3}\mathrm{-1}}{2}$ ）R－（ 3/4 $\frac{\sqrt{3}\mathrm{-1}}{2}$ ＋ $\frac{2\sqrt{3}\mathrm{-3}}{6}$ ）R〕

＝ 1/2 · $\frac{\mathrm{9-5}\sqrt{3}}{\mathrm{12}}$ ＝ $\frac{\mathrm{9-5}\sqrt{3}}{\mathrm{24}}$

∴L＝ 1/2 D＋ 3/4 Q＋i＝ $\frac{\sqrt{3}\mathrm{-1}}{2}$ R＝0.3660254R

即主轴中心到偏心轮轴轴心的距离L与偏心轮轴外齿环节圆直径Q相等。

3.主轴转速与转子转速的关系

参照图14，可以看出，当转子从B转到B′位置即转子转角60°时，主轴转角已为180°。因此，主轴以角速度ω旋转时，转子实际是以角速度 (ω)/3 从同方向转动。

四、气体密封

1.径向密封

参照图15，密封片在槽中的摆动取决于相邻工作室的气体压力差。它的受力情况如忽略摩擦力的作用，则

（A）第一气密面上的压紧力F₁为：

F₁＝l〔P₂b－P₁（ (b)/2 ＋asinδ）〕＋ (W)/(g) (ω²)/(g) R＋F₃

第二气密面上的压紧力F₂为：

F₂＝l（hP₂－CP₁）

（B）第一、二气密面上的压紧力F₁、F₂分别为：

F₁＝l（P₃(b)/2 －P₃asinδ）

F₂＝l（hP₃－CP₂）

（C）第一、二气密面上的压紧力F₁、F₂分别为：

F₁＝l（ (b)/2 ＋asinδ）（P₃－P₁）

F₂＝l（hP₃－CP₁）

式中P₁、P₂、P₃——相邻工作室中的压力（P₂为间隙中的压力），

l——密封片长度，

ω——主轴旋转角速度，

h——密封片高度，

a——平移距，

(W)/(g) ——密封片及弹簧的质量，

R——创成半径，

C——密封片在槽中的突起高度，

b——密封片厚度。

参照图16，密封片密封比较，现有的为线接触，本实用新型滑动中的密封片为面接触。

2.端面密封

本实用新型沿用现有的三角转子发动机的形式。

五、机油密封

参照图13，由于位置的限制，本实用新型将刮油环改为刮油条。

六、缸内转子的润滑与冷却

参照图17，机油被压入主轴油道〔2〕，通过轴臂油道〔3〕，偏心轮轴油道〔4〕，偏心轮轴外齿环油道〔5〕，滑动轴承油道〔6〕而润滑各活动部分，然后流向转子内腔〔1〕冷却转子，再回到油底盘。另有：冷却油流向〔7〕刮油条凹槽〔8〕，端面气封条凹槽〔9〕，密封肖槽〔10〕，密封片槽〔11〕。

Claims (3)

1、一种以等量圆弧做三角转子和它的等辐圆弧做缸体型线的三角转子发动机，其特征是转子与缸体构成两个工作室，它的转子以两定点为圆心交替摆动并作绕主轴旋转运动，转子结构的两端面有对应相等的星形开口，内腔周边设有内齿圈，腔内有轴臂、偏心轮轴、偏心轮轴外齿环，它的缸体上设有压缩空气通道凹坑。

2、按照权利要求1所述的三角转子发动机，其特征是转子在运动在主轴、轴臂、偏心轮轴、偏心轮轴外齿环、转子内齿圈以及转子端面星形开口的相互关系控制下进行的。

3、按照权利要求1所述的三角转子发动机，其特征是压缩空气被逆向通过压缩空气通道凹坑压入燃烧室。

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