CN87102947A - 单元组合式滑块活塞内转子发动机 - Google Patents

Abstract

本发明单元组合式滑块活塞内转子发动机是内燃机设计新方案。缸体(A1)型线由两个不同半径划出的不同圆弧相切连接成弧线三角形；滑块(A5)型线是与缸体型线相同参数创成的近似椭圆形。该机主轴轴销(A6)在滑块轴销滑槽(A13)随滑块调头式转动做往复运动，这种运动在缸体内呈圆周运动轨迹，完成内燃机四行程工作循环，将热能转换成机械动力输出。该发动机几何尺寸匹配，单元组装，适用于各种交通工具和动力机械。

Description

本发明是内转子内燃机设计新方案。适用于点燃式发动机;压燃式发动机匹配的各种交通工具和动力机械。

目前较普遍使用的往复活塞式发动机，已有百年以上历史，性能虽已达到很高水平。但仍然存在着结构方案所造成的根本性缺陷，如往复运动机构多、质量大，进一步提高发动机转速时惯性力急剧增大，使轴承载荷显著增加，振动加剧，并可能破坏气门机构正常工作。这就是提高往复活塞式发动机单位工作容积功率、降低单位功率质量的严重障碍。人们为了开发更理想的新颖机型，经过不断努力，创造了转子发动机以取代往复活塞式发动机。

转子发动机具有单位工作容积功率大，单位功率质量小，没有往复运动零件。因此振动轻微，结构简单，零件数量少，拆装方便，维修简易;在相同的压缩比下可使用低辛烷值汽油;比往复活塞式发动机排气中NOx含量少得多等优点。

转子发动机有各色各样的设计方案，其中以西德人汪克尔（Fellx    Wankei）1957年发明的三角活塞旋转式发动机（以下简称三角发动机）最为成功。70年代日本已大批量制造;用三角发动机装配的轿车、赛车相继问世。并有各种规格、型号的三角发动机用作雪撬、小艇、飞机、战车、割灌机和手锄的动力在世界各地推出。三角发动机基本上已解决了往复活塞式发动机，机构多、质量大，自由惯性力大，振动急剧、单位功率质量大等缺陷。

然而转子发动机的最成功产品-三角发动机亦存在着基本结构方案所造成的根本性缺陷，使得该发动机低速动力性能，起动性能差，耐久性、经济性都不理想。以至造成它旺盛的发展趋势受阻，一直未能达到在内燃机领域中取代往复活塞式发动机的目的。

从探讨表明三角发动机存在的根本性缺陷有以下方面：

一.常处高温高压的封闭型燃烧室;

二.最大压缩比极限于10∶1;

三.活塞约占气缸全部空间63%，活塞运转时，同时存在着三个不同的工作空间。因此最大的充量工作空间只能达到气缸全部空间22%;

四.活塞角顶端截面小，使径内密封销片装置选择性受到限制;

五.径内密封销片与缸面润滑只能依靠混合燃油提供;

六.径内密封销片越过火花塞连通孔瞬间出现高压燃气窜漏，以至燃油吹落在火花塞电极上，使火花塞丧失点火功能;

七.火花塞常在高温高压的恶劣条件下工作;

八.径内密封销片常在高温高压气体作用下，处在高速半干摩擦的恶劣条件下工作;

九.润滑系统不完善，缸体受压受热不均，易使气缸型面产生振纹、变形。

鉴于旋转运动在动力学上突出的优点。旋转发动机外廓尺寸紧凑;零件少;惯性载荷小功质比大等优点。诚然它尚有缺陷，但这种旋转发动机仍然是人们追求的主攻方向。

为了达到克服上述各项缺陷的目的，本发明创造了一种新颖内转子发动机特殊结构和运动原理。

单元组合式滑块活塞内转子发动机（以下简称滑块发动机）缸体（A1）型线是分别以两个不相等半径R₁、R₂各作三段园弧间隔连接成的弧线正三角形。

滑块活塞（A5）（以下简称滑块）的外廓线是分别以创成缸体（A1）型线相同的两个半径为半径，各作两段园弧，间隔连接成的近似椭圆形，是缸体（A1）型线的内包络线;滑块（A5）长轴长等于缸体（A1）的通径R₁+R₂。

滑块上的轴销滑槽（A13）的宽与轴销（A6）直径相等，（应用时应选择动配合公差）滑槽（A13）长、短轴线与滑块（A5）长、短轴线重合，轴销滑槽（A13）长相等于滑块（A5）的长减去滑块（A5）的宽加上轴销（A6）的直径。

滑块发动机由弧线三角形缸体（A1），〔包括缸套（A14）〕（以下简称缸体）;前端盖（A2）;后端盖（A3）或者隔板（A4）组成发动机单元缸体总体，（图1、图3）

在缸体（A1）内装配有滑块（A5）;自由串销在滑块（A5）上开设的轴销滑槽（A13）中的轴销（A6）;轴销（A6）两端固定安装在前轴头（A8）、后轴头（A9）或者轴块（A7）上;前、后轴头（A8、A9）或者轴块（A7）安装在以前端盖（A2）、后端盖（A3）或隔板（A4）轴孔为轴承架的前滚动轴承（A10）、后滚动轴承（A11）或者滑动轴承（A12）中组成发动机单元动力结构总体。（图1、图3）

该发动机由设置在缸体（A1）周边各边的进气孔（B1）排气孔（B2），进气单向活门（B3），排气单向活门（B4），活门弹簧（B5），承插式进气道（B6），承插式排气道（B7），火花塞（F1），喷油器（F2）以及滑块（A5）等运动机构组成配气机构。

滑块发动机的密封结构是由以下几个部份组成：

滑块（A5）两顶端设置径向双密封销片（C1）和给该密封销片（C1）有径向压力的弹簧（C3），由双密封销片（C1）之间形成的封闭型润滑小油腔（D14）;在这个小油腔（D14）供油的傍通油道（D6）中设置有弹簧座的滚珠活门总成（C2）组成径向密封装置。径向双密封销片（C1）、小油腔（D14）完成滑块（A5）与缸体（A1）型线内壁密封任务。

当滑块（A5）顶端通过火花塞连通孔（F3）时，傍通油道（D6）中的滚珠活门总成（C2）的弹簧座顶起滚珠，封住火花塞连通孔（F3），并关闭傍通油道（D6）以达到①阻止高压侧燃气向低压侧窜漏;②消除高压燃气窜漏时将汇结到火花塞连通孔（F3）处的燃油吹落到火花塞（F1）电极上;③堵住傍通油道（D6）和封住火花塞连通孔（F3）使机油不窜入火花塞连通孔（F3）。（图7-1.2.3）以保证火花塞（F1）点火功能。④在滑块（A5）通过进气孔（B1）、排气孔（B2）时，傍通油道（D6）中的滚珠活门总成（C2）封住傍通油道（D6）防止机油泄漏。

滑块（A5）平面设置弓形密封条（C4）二至四条，以波形弹簧（C5）提供压力，在滑块（A5）顶端设置纬向密封销（C9），由弹簧（C10）提供纬向压力，与滑块（A5）与前端盖（A2），后端盖（A3）或者隔板（A4）的摩擦面间隙提供密封结构，并以滑块（A5）中的轴销滑槽（A12）起油封作用。（图1）

转轴的前轴头（A8），后轴头（A9），轴块（A7）上的油道（D2、D4、D5）两侧设置以波形弹簧为衬垫的胀圈（C6）二道，这套装置用来密封前轴头（A8），后轴头（A9）或轴块（A7）与滑动轴承（A12）的动配合间隙。并以它们之间的油道提供油封作用。（图1）

前端盖（A2），后端盖（A3）或者隔板（A4）与缸体（A1）结合面设置密封铅条（C8）二道加以密封。

以串缸罗杆（G1）紧固（图1、图3）

滑块发动机只有一套运动系统，也只有这一套运动系统的摩擦部位需要提供润滑。因此它的润滑系统过通轴块（A7）滑动轴承（A12）间的油道（D1、D2），轴销（A6）的油道（D4）轴销滑槽（A13），滑块（A5）顶端傍通油道（D6）组成。这套油道贯通整个运动摩擦面。它由外装机油箱（D7），吸油器（D8），机油泵（D9），粗、精机油滤清器（D11），供油管（D10），飞轮小油盘（D16），回油管（D15）组成完整的润滑循环系统。（图五）

本滑块发动机具有三套不同介质分别承担不同部位的冷却结构。

发动机可以水冷却、风冷却，鉴于该发动机缸体几何型线，适宜采用环流水冷却系统（图1）。进水口（E1）设置在缸体（A1）下方，全机贯通。各缸由下方总水道（E2）分左右两路水道（E3、E4）流经缸体（A1）各热区，环流至上方回水道（E5）经出水口（E6），水泵（E7）进入水箱散热冷却。（图1）

由润滑油冷却的缸内运动结构的油冷却系统。（图5）

由二次进气，排气行程完成的缸内腔空气冷却结构。（图2）

滑块发动机为了充分利用二次进气，排气结构发挥的优异功能。燃油与空气要在缸内腔进行混合雾化。因此该发动机采用直接喷油供油装置。

滑块发动机结构无论是应用于压燃式发动机还是点燃式发动机，为了精确预热和点火时间均宜采用电子点火装置。

滑块发动机是由滑块（A5）在缸体（A1）内腔作调头式运动时，滑块（A5）外廓面与缸体（A1）型线面之间形成的工作容积随运动周期性变化。这种周期性变化的工作容积，产生了缸内、外气压差。气缸内、外气压差控制进、排气孔（B1、B2）的单向活门（B3、B4）开、闭，从而完成发动机配气工作。

该发动机运动原理是五种不同的运动形式综合组成;

滑块（A5）在缸体（A1）内腔受力运动时，受缸体（A1）内腔弧线型面轨迹和轴销（A6）惯性的圆周轨迹同时制导，滑块（A5）是在作周期性调头式运动。（图2）

轴销（A6）紧配合销装在轴块（A7）或者前轴头（A8）、后轴头（A9）上，围绕轴圆心作圆周运动。（图2）

滑块（A5）沿缸体（A1）弧线型面轨迹作扇形面滑行。（图2）

轴销（A6）自由串销在滑块（A5）轴销滑槽（A13）内作直线往复滑动。（图2）

轴块（A7）或前轴头（A8），后轴头（A9）在滑动轴承（A12）前后滚动轴承（A10、A11）的支承下作圆周运动。（图1-图2）

以上五种不同的运动形式综合成一个完整的机械运动体系，形成缸体（A1）工作容积周期性变化的特殊压缩原理。

滑块发动机滑块（A5）在一个封闭的缸体（A1）内腔运动时形成A、B两个工作面（图2-1）。A、B面各自完成不同性质的任务，如A面工作腔进气时，B面工作腔在排气。（图2-2）因此进、排气两个行程是同步完成。同样的道理，A面完成压缩任务时，B面也在做另一个进气任务。（图2-3、4）A面完成爆发膨胀任务时，B面又在做一个排气任务（图2-5、6）。该发动机一个工作循环实际上包含着六个行程。这六个行程分别完成两类工作，即直接做功行程和间接做功行程两类。其中四个行程参与直接做功行程，即进气、压缩、膨胀、排气四个行程。两个行程是间接做功行程，即二次进气、排气行程。

必须说明，这个二次进气、排气行程不参与空气和燃油混合，作一次纯新鲜空气的进气、排气。这对于扫气、净化、冷却气缸内腔直接起作用。其功能不尽是使缸腔得到冷却、净化，重要的是扫气效果提高，使空气、燃油组织配合进一步合理化。从而改善了热循环性能，降低废气排放中的有害成份。所以这个二次进气、排气行程是该发动机的一个重要组成部份。

直接做功的这个工作循环，从效果来看是四个行程，即进气、压缩、膨胀、排气四个行程，因为进气与排气二个行程是同步完成。所以这个工作循环实际是三个行程。

该发动机滑块（A5）在缸体（A1）内腔完成一个行程，只是一个顶端沿缸体（A1）内腔运行弧线三角型面一边周面，即运行了120°。而转轴运转240°（图2）。因此一个三行程的工作循环，转轴运转720°，即运转两周。这和往复活塞式发动机的一个工作循环，曲轴运转两周相同。

滑块发动机四行程具体工作原理如下：

进气行程：滑块（A5）N顶端沿缸体（A1）缸面B运动，创成ABA工作腔（图2-3）。ABA工作腔内气压低于缸外大气压力，进气单向活门（B3）受大气压力作用开启。空气进入ABA工作腔。喷油器（F2）在最合理时刻喷射燃油与空气进行雾化混合。当滑块（A5）的另一个工作面B与缸体（A1）C面吻合时，进气行程完成。（图2-2）

压缩行程：进气行程终止的同时，压缩行程开始，滑块（A5）M顶端沿缸体（A1）缸面A滑行，ABA工作腔压缩，混合可燃气体被压缩。滑块（A5）A面与缸面B吻合时，压缩行程终止。（图2-4）

膨胀行程：压缩行程终止后在最佳时刻火花塞（F1）点火，混合可燃压缩气体燃烧膨胀，膨胀推力推动滑块（A5）运动作功，滑块（A5）N顶端沿缸体（A1）C面滑行。滑块（A5）与缸体（A1）A面吻合。此时排气孔单向活门（B4）受缸内高压燃气作用开启（图2-5）。

排气行程：膨胀行程终止时，轴销（A6）受滑块（A5）的推动，由于惯性轴销（A6）继续在轴销滑槽（A13）中作直线往复运动，并以圆周轨迹围绕轴圆心作圆周运动，从而驱使滑块（A5）M顶端沿缸体（A1）B面滑行。此时滑块（A5）A面压缩排气，而滑块（A5）B面在第二个工作循环中开始作进气行程工作。（图2-6、7、8）

在压缩和膨胀二个行程时，二个间接作功的进气、排气行程以同样的工作原理完成了一个二行程循环。（图2-4、5）

滑块发动机能形成六个行程是因为弧线三角形缸体（A1）的型线具备有创成三面工作腔的结构条件。其工作原理在于滑块（A5）的A、B两个工作面在缸体（A1）内腔运动时有相对两组工作腔;A面组可形成ABA，CAA、BCA三个工作腔;B面组可形成BCB、ABB、CAB三个工作腔。两组工作腔相对交替存在，从而实现六个行程的工作循环，（图2）

以上原理说明该发动机的一个完整工作循环是六个行程，可以说是一种六行程发动机。

从（图2）可以看出，滑块（A5）外廓型线与缸体（A1）内腔缸壁面完全吻合。从理论上讲可以创成无穷大的压缩比，实际应用时因为在压缩气缸B面上开设有火花塞连通孔（F6）和喷油器孔（F7）（图3）并存在着滑块（A5）两顶端径向双密封销片（C1）与缸面形成的间隙。因此滑块（A5）与缸体（A1）内壁吻合时留有以上三者的容积。压缩比有一定的极限。但这三者容积很小，并不影响压缩比的最大选择。

因为滑块（A5）是缸体（A1）弧线三角型线的内包络线，因此滑块（A5）在缸体（A1）内腔只占缸体（A1）内腔全部空间44%，其余的缸体（A1）内腔空间全部构成了充量工作空间，这个工作空间为56%。

本发明与三角发动机比较在结构上有以下特点：

一、压缩比选择范围大，能满足压燃式内燃机（柴油机）所需要的压缩条件。

二、相同的气缸空间，工作容积是三角发动机的2.5倍。

三、转速是三角发动机的三分之二。

四、燃烧室开放型。

五、径向密封销片设置有润滑小油腔，有专设的润滑结构。

六、径向密封结构，设置径向双密封销片，小油腔、滚珠密封活门总成。

七、省去内、外啮合齿轮装置。

八、改进了火花塞工作条件。

九、二次进气、排气工作循环。

十、使用纯汽油作汽油发动机燃料。

除上述以外，本发明结构特征创造了单元组合式的制造方法，相同的零件，单元组合组装不同，即可得到不同功率的动力机械。有利于系列化、标准化生产。

图6提供创成原理

决定参数R₁、R₂

一、通径：MN＝R₁+R₂

二、三个创成圆心距离：

O₁O₂＝O₂O₃＝O₃O₁＝R₁-R₂

三、轴销圆心O₂运转轨迹圆半径：

r₂＝（R₁-R₂）cos30°/3

四、轴销滑槽两端圆心距离：

O_AO_B＝MN-CD＝（R₁+R₂）-〔2R₁（1-

（cos30°）+2R₂cos

30°〕

＝R₂-R₁+2R₁cos30°

+2R₂cos30°

五、滑块活塞度：

CD＝2R₁（1-cos30°）+2R₂cos30°

六、轴销直径（滑块轴销滑槽宽）：

（k由所用材料强度决定）

七、滑块轴销滑槽长：EF＝O_AO_B-2r₃

八、主轴块半径：r₁＝r₂+r₃+p

九、主轴块圆心O重合于缸体弧线三角形几何中心。

实施例1：汽油机设计实例主要技术指标

一、四行程;二、水冷式（环流循环）;

三、组合式纵列六缸;四、压缩比9.5∶1;

五、单缸工作容积353.49;总容积2.121（L）总排放量4.242（L）（包括二次进、排气行程）;

六、有效功率：90pS;七、升功率：42.4pS

八、有效扭矩：140（N、m）

九、转速：5000（r/min）

（L）（ (R21π)/6 - (R² ₂π)/6 )Bi

式中：

R＝130mm（大弧半径）

R＝20mm（小弧半径）

B＝40mm（滑块厚）

i′＝6缸

图1《结构侧视图》

图2《工作原理示意图1-8》

图3《结构正视图》

图4《总装图》

图5《润滑结构系统图》

图6《创成原理图》

图7《滑块顶端密封装置剖视图1-3》

Claims (4)

1、单元组合式滑块活塞内转子发动机由缸体(A1)、滑块(A5)、轴销(A6)、轴块(A7)、前后轴头(A8、A9)、隔板(A4)、前后端盖(A2、A3)、以及滚动轴承(A10、A11)、滑动轴承(A12)，气门装置，密封装置和润滑装置构成动力输出机构。其特征在于：

a、发动机的缸体(A1)型线是分别以两个不相等半径各作三段园弧间隔连接而成的弧形三角形；滑块(A5)的外廊线是分别以创成缸体型线的两个半径为半径，各作两段园弧，间隔连接而成的近似椭园型；滑块(A5)长轴长等于缸体(A1)的通径R+R(两个半径之和)。

b、主轴由轴销(A6)、轴块(A7)及前后轴头(A8、A9)装配而成，主轴轴块(A7)园心重合于弧线三角形缸体(A1)几何中心，主轴轴心重合于缸体(A1)几何中心。

c、滑块(A5)设有长形轴销滑槽(A13)，轴销(A6)自由串销在轴销滑槽(A13)内，两端固定在轴块(A7)或前后轴头(A8、A9)；轴块(A7)组装在隔板(A4)上的轴孔内，并以滑动轴承(A12)与之接触；前后轴头(A8、A9)分别组装在前后端盖(A2、A3)上的轴孔内，并同时以滑动轴承(A12)和滚动轴承(A10、A11)与之接触。

d、滑块(A5)两顶端与平面设置有由弹簧提供压力的径向双密封销片(c1)纬向双向密封销(c9)和平面密封条(c4)，密封滑块(A5)与缸体(A1)的接触面；在前后端盖(A2、A3)与前后轴头(A8、A9)。隔板(A4)与轴块(A7)接触面的滑动间隙中，设置胀圈(c6)，将间隙加以密封。

e、滑块(A5)轴销滑槽(A13)经弓形密封条(c4)包络，由轴销油道(D3)提供润滑油，形成密封油腔，起平面油润滑密封作用；径向双密封销片(c9)之间形成的封闭小油腔(D14)，由旁通油道(D6)供给润滑油，起径向油润滑密封作用，在旁通油道孔(D6)内设弹簧滚珠活门总成(c2)；轴块(A7)隔板(A4)的接触面内，前后轴头(A8、A9)与前后端盖(A2、A3)的接触面内设有油道(D1、D2)、润滑接触面和密封接触面间隙，该油道(D1、D2)与轴销(A6)上设置的不贯通反向进、出口油道(D3)以及滑块(A5)上的轴销滑槽(A13)构成缸体(A1)的油循环通道。

f、轴销(A6)在缸体(A1)内作园周运动，滑块(A5)受轴销(A6)的作用和缸体(A1)周壁的限制、挤压、作调头式运转，轴销(A6)在轴销滑槽(A13)内作往复滑动。

2、根据权利要求1所述的发动机，其特征在于：

缸体（A1）理论型线面与滑块（A5）外廊线创成参数一致，压缩行程终止时，滑块（A5）外廊线与缸体（A1）型线面相吻合，理论上可造成无穷大压缩比。

3、根据权利要求1所述的发动机，其特征在于;滑块（A5）把缸体（A1）分隔成两个工作腔，分别进行各自的热循环，每个热循环周期实质上为六个行程，其中四个行程直接参与做功，另两个行程担任扫气、净化、冷却任务。

4、根据权利要求1所述的发动机，其特征在于：发动机是由缸体（A1），隔板（A4）或前后端盖（A2、A3）以及轴块（A7）或前后轴头（A8、A9）、轴销（A6），滑块（A5）等组成的单元结构串装而组成。

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