CN87102280A - 双偏心内轴式旋转活塞式机械 - Google Patents

Abstract

本发明是一种适用于内燃机、压缩机、膨胀机(气动马达)或旋转式蒸汽机的双偏心内轴式旋转活塞式机械。它由与主轴同心的圆形气缸和一个偏心驱动盘、一个偏心转子套、一个主旋转活塞、一个或多个副旋转活塞以及连杆、气缸盖等零件组成。它的特点是结构紧凑，工作平稳，机械效率高。

Description

本发明涉及一种内轴式旋转活塞式机械，特别是一种用于内燃机、压缩机、膨胀机（气动马达）或旋转式蒸汽机的双偏心内轴式旋转活塞式机械。

现有的旋转活塞内燃机中较成熟的是三角活塞旋转内燃机，即汪克尔（Wankel）发动机（科学出版社：《旋转活塞发动机》，上海人民出版社：《三角活塞旋转发动机》）。该机的气缸采用长短幅外旋轮线，传动机构采用内啮合行星齿轮。该机的气缸型线较复杂，润滑与密封较困难，而且在使用中气缸表面易出现震纹。现有的旋转式压缩机中，最简单的是偏心旋转的滑片式压缩机（机械工业出版社：《机械工程手册》第14卷）。滑片式压缩机的滑片在气缸内壁及转子槽内相对运动，产生的机械摩擦损失较大，机械效率低。现有技术中，在结构特征上与本发明较接近的是科学出版社《旋转活塞发动机》一书中表21，表23和日本《内燃机关》杂志1985年第3期第26页（译文载于《国外内燃机》杂志1986年第1期第13页）介绍的两种内轴式转动活塞机。这两种旋转活塞机都有一个固定的圆形气缸和一个偏心旋转的转子套，主轴与气缸同心，旋转活塞由转子套上的槽中伸出。但是它们都没有驱动盘和副旋转活塞，旋转活塞和转子套上的槽相对滑动，机械摩擦损失也比较大。

本发明的目的是提供一种结构紧凑、机械效率高、工作平稳、结构新颖的内轴式旋转活塞式机械，它适用于内燃机、压缩机、膨胀机（气动马达）或旋转式蒸汽机。

本发明的技术要点是在内轴式旋转活塞式机械上采用一个主轴和一个与主轴中心线同轴的园形气缸，该气缸可以采用空气冷却（风冷式）或液体冷却（水冷式）。气缸的两端分别用装有主轴承和偏心轴承的前、后气缸盖密封。机内有一个旋转的驱动盘，它的旋转中心O₁与气缸中心O的偏心距为e₁。工作中O₁的位置不变，也就是说，安装驱动盘的偏心轴承的位置是固定的。气缸内有一个旋转的转子套组件，它的旋转中心O₂与气缸中心的偏心距为e₂。e₁小于e₂。工作中O₂的位置不变，因此安装转子套组件的偏心轴承的位置也是固定的。该机有一个与主轴刚性连接的主旋转活塞（简称“主旋塞”），主旋塞可以用花键与主轴连接。该机有一个或多个以主轴中心线为旋转中心的副旋转活塞（简称“副旋塞”），副旋塞的数量最好是两个。副旋塞可以经轴承装在主轴上。主旋塞与驱动盘之间有机械连接，以便传递动力，可以采用由主旋塞上的活塞销经过主连杆和驱动盘上的曲柄销铰接的结构。副旋塞与驱动盘之间也有用于传递动力的机械连接，也可以采用副旋塞上的活塞销经过副连杆和驱动盘上的曲柄销铰接的结构。各种配合元件的运动为平行轴式。主连杆和副连杆两端的销孔中均装有轴承。以上各种主轴承、偏心轴承、连杆轴承都可以采用滚动轴承或滑动轴承。气缸壁上或前、后气缸盖上具有供工作流体流进或流出气缸的进、出口。进、出口的数量可以是两个或多个。当工作流体为气体时，该进、出口就是进气孔或排气孔。当工作流体为液体时，该进出口就是进、出水孔或进、出油孔。进、出口处可以安装由工作流体的压力自动启闭的单向阀，或者安装由机械装置或电磁装置控制的阀。

主旋塞或副旋塞与气缸接触的部分装有径向密封元件，该元件具有自动补偿径向磨损的功能。主旋塞和副旋塞与气缸盖端面接触的部分装有端面密封元件，该元件也有自动补偿磨损的功能。密封元件均采用减摩材料制造，以减少摩擦损失。

主旋塞和副旋塞通过转子套组件上的槽口伸出，转子套组件的槽口装有弧形板和密封件，装主旋塞的槽口处，弧形板用螺钉紧固在转子套上。装副旋塞的槽口处，弧形板不固定在转子套上，工作时，弧形板与转子套内壁有一定的相对滑动。主轴旋转时，主、副旋塞伸出转子槽的距离不断变化，主、副旋塞和槽口密封件之间有相对滑动。

主旋塞、副旋塞和转子套组件将气缸内的容积分隔成若干个互不相通的工作室，工作室的数量和旋塞总数相同。每个工作室相当于往复式活塞机械的一个气缸。主轴旋转时，每个工作室内的容积不断变化，因此本发明是一种变容式机器。各工作室的压缩比取决于偏心距e₁、e₂和气缸直径D之间的比例关系，偏心距越大，压缩比越大。本发明的压缩比可以根据需要设计为5～25。当需要在气缸壁、气缸盖或转子部件上制出适当的凹穴时，压缩比将相应地减小。

本发明作为内燃机使用时，气缸内可燃混合气燃烧产生的气体压力作用在旋转活塞上，推动旋转活塞绕气缸中心线旋转。作用在主旋塞上的动力矩，直接传给主轴，使主轴旋转，并可对外输出功率。副旋塞经过副连杆与驱动盘上的曲柄梢连接。作用在副旋塞上的气体压力，经过副连杆推动驱动盘旋转，然后再经主连杆和主旋塞推动主轴旋转。用作二冲程内燃机时，可利用气缸上的进、排气孔实现扫气过程，主轴旋转一周，各工作室内都完成一次二冲程工作循环。用作四冲程内燃机时，应在气缸壁上或气缸盖上安装由凸轮驱动的进、排气门。当主轴旋转二周时，每个工作室内依次进行进气-压缩-燃烧-排气四个工作过程，实现一个完整的四冲程工作循环。当这种内燃机用作火花点火的汽油机或煤气机时，要在气缸或气缸盖上安装火花塞。当这种内燃机用作柴油机或汽油喷射式发动机时，要在气缸或气缸盖上安装喷油器。

当双偏心内轴式旋转活塞机械作为膨胀机（气动马达）或旋转式蒸汽机使用时，高压气体或蒸汽由气缸进口进入气缸内，推动旋转活塞转动，动力矩的传动途径与内燃机相同。

当本发明作为压缩机使用时，由电动机或内燃机带动主轴旋转，然后推动旋转活塞转动，以提高进入气缸内的气体的压力。动力矩的传动途径与内燃机相反。用作压缩机时，在气缸的出口处装有排气单向阀。

本发明与现有技术相比所具有的优点是结构紧凑，传动机构简单可靠，运转平稳，密封性好，振动小，制造方便，使用耐久，工作寿命长。本发明和传统的往复活塞式内燃机及往复式压缩机相比，由于不采用传统的活塞作往复运动的曲柄连杆机构，因此在同样的气缸工作容积时，整机的体积小得多，其体积和三角活塞旋转发动机及滑片式压缩机相当。本发明采用的双偏心内轴式旋转活塞机械，主要传动零件为主轴、驱动盘、连杆和旋转活塞，各种零件结构简单，工作可靠。本发明采用圆形气缸，制造方便。主、副旋转活塞均以气缸中心线为旋转中心，没有往复运动惯性力，不平衡质量比三角活塞旋转发动机及滑片式压缩机更小。因此在高速运转时，工作平稳，振动很小。本发明在匀速旋转时，作用在旋转活塞上的气体压力（或液体压力）通过连杆和驱动盘传到主轴上。这时转子套组件槽口处的密封件不受侧压力。在加速或减速运转时，该密封件才受到由零件本身的惯性力所产生的侧压力。因而密封件和旋转活塞的磨损比滑片式压缩机小得多，所以零件的耐久性好，工作寿命长。同时，由于密封件和旋转活塞之间的侧压力小，在材料的摩擦系数及零件的润滑条件相同的情况下，本发明的磨擦损失小，机械效率高，不论作为动力机械或工作机械使用，都可以达到节能的效果。

以下结合附图说明本发明的几个实施例。

图1是一台双偏心内轴式旋转活塞式压缩机的横剖视图。图2是这台压缩机的纵剖视图。

在图1和图2中，气缸〔2〕和主轴〔1〕同轴，气缸〔2〕上有进气孔〔3〕和排气孔〔4〕，排气孔〔4〕处装有由排气压力自动启闭的单向阀〔5〕，气缸体上铸有冷却水腔。气缸的两端分别用装有主轴承〔6〕和转子套偏心轴承〔19〕、驱动盘轴承〔7〕的前气缸盖〔8〕和后气缸盖〔9〕密封。驱动盘〔10〕的旋转中心O₁与气缸中心O的偏心距为e₁。气缸内有一个旋转的转子套组件〔11〕，它的旋转中心O₂与气缸中心O的偏心距为e₂。e₂＝2e₁。主旋塞〔12〕用花键孔与主轴〔1〕上的花键轴连接。主轴是一个整体的锻钢件。副旋塞〔13〕套在主轴中央，副旋塞〔14〕与主轴铰接的部分制成叉形，套在副旋塞〔13〕两侧。驱动盘〔10〕上有三个按圆周均布的曲柄销〔15〕。每个旋转活塞上有一个活塞销〔16〕，主旋塞〔12〕上的活塞销〔16〕经过主连杆〔17〕和驱动盘上的曲柄销铰接。两个副旋塞〔13、14〕上均有活塞销，并经过副连杆〔18〕和驱动盘上的曲柄销〔15〕铰接。主连杆和副连杆两端的销孔中均装有薄壁铜套或粉末冶金套。主轴承〔6〕、转子套偏心轴承〔19〕和驱动盘轴承〔7〕均采用滚动轴承，以便减少摩擦损失和简化润滑系统。

在图1中，当压缩机的主轴〔1〕按顺时针方向转动时，低压气体由进气孔〔3〕吸入气缸内。旋转活塞转动时，工作室〔20〕的容积逐渐增大，当工作室容积达到最大值后，旋转活塞继续转动，工作室的容积逐渐减小，使工作室内的气体压力上升。高压气体经排气孔〔4〕和单向阀〔5〕排出。

在图1和图2中，主旋塞和副旋塞与气缸接触的部分装有径向密封条〔27〕，与气缸盖端面接触的部分装有端面密封条〔26〕，密封条下面装有弹簧，以改善密封性能并自动补偿密封元件的磨损。

主旋塞和副旋塞通过转子套组件〔11〕上的槽口伸出，槽口处装有弧形板〔28〕和密封件〔29〕。装主旋塞〔12〕的槽口处，弧形板用螺钉〔30〕紧固在转子套上。装副旋塞的槽口处，弧形板可以在转子套内壁上有一定的相对滑动。

主旋塞、副旋塞和转子套组件将气缸内的容积分隔成三个工作室，每个工作室相当于往复式压缩机的一个气缸。主轴旋转时，每个工作室的容积不断变化。同时主、副旋塞伸出转子槽的距离也在不断变化，三个旋转活塞之间的夹角在95°～150°之间变化。

图3是一台二冲程汽油机的工作过程示意图。图中工作室A中的可燃混合气被火花塞〔21〕点燃，燃烧气体的温度和压力迅速上升，推动主旋塞〔12〕顺时针转动。主旋塞〔12〕经主连杆〔17〕带动驱动盘〔10〕转动，然后再经副连杆〔18〕带动两个副旋塞转动。图中工作室B中，燃烧气体膨胀作功的过程已经完成，这时排气孔〔22〕已经打开，废气经排气孔向外排出。同时进气孔〔23〕也已开启，新鲜的可燃混合气由化油器〔24〕经扫气泵〔25〕进入进气孔内，进行扫气过程。副旋塞〔13、14〕转动时，工作室C的容积逐渐减小，该室中的可燃混合气被压缩。主轴旋转一周，三个工作室都完成了一次二冲程工作循环。

图4是一台膨胀机（气动马达）的示意图。图中高压气体由进气孔〔23〕进入工作室A，气体膨胀时推动旋转活塞转动，膨胀后的乏气由排气孔〔22〕排出。旋转活塞经连杆和驱动盘推动主轴〔1〕旋转，向外输出功率。旋转式蒸汽机的工作原理也可以用图4加以说明，首先将蒸汽通入工作室内，蒸汽膨胀作功后，排出乏汽。这种结构适用于利用中压中温蒸汽的中小功率旋转式蒸汽机。

Claims (7)

1、一种用于内燃机、压缩机、膨胀机(气动马达)或旋转式蒸汽机的内轴式旋转活塞式机械，它包括主轴[1]和一个与主轴中心线同轴的圆形气缸[2]，一个与主轴刚性连接的主旋转活塞[12]，一个偏心旋转的转子套组件[11]，以及气缸盖[8，9]和轴承，

本发明的特征在于：

a.有一个旋转的驱动盘，其旋转中心与气缸中心的偏心距e₁，e₁小于转子套组件的偏心距e₂，

b.有一个或多个以主轴中心线为旋转中心的副旋转活塞，

c.主旋转活塞及每个副旋转活塞与驱动盘之间均有机械连接。

2、根据权利要求1所述的内轴式旋转活塞式机械，其特征是主旋转活塞与主轴采用花键连接。

3、根据权利要求1所述的内轴式旋转活塞式机械，其特征是主旋转活塞经过主连杆〔17〕与驱动盘上的曲柄销铰接。

4、根据权利要求1所述的内轴式旋转活塞式机械，其特征是副旋转活塞经过副连杆〔18〕与驱动盘上的曲柄销铰接。

5、根据权利要求1所述的内轴式旋转活塞式机械，其特征是装有排气单向阀〔5〕，构成一台气体压缩机。

6、根据权利要求1所述的内轴式旋转活塞式机械，其特征是装有火花塞或喷油器，构成一台内燃机。

7、根据权利要求1所述的内轴式旋转活塞式机械，其特征是具有通入高压气体或蒸汽的气缸进口及排出低压流体的气缸出口，构成一台膨胀机（气动马达）或旋转式蒸汽机。

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