CN201269135Y - 一种旋转活塞式发动机 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种发动机，特别是一种旋转活塞式发动机，它有一个环形气缸和两个旋转体，每个旋转体上有多个活塞，这两组活塞在气缸内相互间隔安装，它们把气缸分隔成多个可变容积的工作室，转子(2)安装在输出轴(1)的偏心轴颈上，转子除了绕输出轴转动中心公转外还绕输出轴上的偏心轴颈(1a)中心自转，在转子上绕自转中心180度对置的两端和一个气缸内的两个旋转体分别可控连接，若输出轴及转子匀速转动时，两个旋转体将以周期性波动的转速转动，旋转体上的活塞随旋转体运动，两相邻活塞将不断的相互靠拢再分开，发动机的每个工作室相续完成发动机工作的四个冲程。

Description

一种旋转活塞式发动机

技术领域：本发明涉及一种发动机，特别是一种旋转活塞式发动机。

背景技术：传统的四冲程活塞往复式发动机是依靠燃料在燃烧室内燃烧推动活塞上下或水平往复运动，再通过连杆和曲轴把活塞的直线运动转化为曲轴的旋转。这种发动机的主要缺点是1.结构复杂，体积大、重量大。2.曲柄连杆机构中活塞的往复运动引起的往复惯性力和惯性力矩不能得到完全平衡，这个惯性力大小与转速平方成正比，使发动机运转平顺性下降，限制发展高转速发动机。3.由于四冲程往复式活塞发动机的工作方式为四个冲程中有三个冲程完全依靠飞轮惯性旋转，导致发动机的功率、扭矩输出非常的不均匀，尽管现代发动机采用了多缸和V型排列来减小这个缺点，但是不可能完全消除。

在20世纪50年代，德国工程师汪克尔在总结前人的研究成果的基础上，解决了一些关键技术问题，研制成功第一台转子发动机。这种发动机避免了活塞的往复运动，直接通过转子在汽缸内的旋转来带动发动机主轴旋转，且主轴每旋转一周发动机点火做功一次。因此它比往复式发动机体积较小、重量较轻、且结构较简单，在扭矩输出上也比较均匀而且可以达到较高的转速。但是由于该发动机的燃烧室不太有利于燃料的燃烧和扩散，因此耗油率高且尾气排放污染物较多，同时该发动机低速时扭矩输出不够理想，压缩比也不高，不适合用作于柴油机，这就严重限制了该转子发动机的推广和运用。

发明内容：本发明的目的是提供一种旋转活塞式发动机。同时它也可以被用作为气泵、油泵之类的产品。

本发明的目的是这样实现的，一种旋转活塞式发动机主要的运动件有：输出轴(1)、转子(2)、两旋转体(7和8)等。输出轴相对于固定缸体的转速和转子相对于输出轴的转速比为(n+1):-n(n为自然数)。转子上安装有两个曲轴(3和4)，它们180度对置，曲轴的曲拐轴颈安装在推杆的一端，推杆的另一端上的孔和输出轴同心安装。套筒用于连接两推杆和两旋转体，转子的运动通过两曲轴、两推杆、及两套筒转化为两旋转体的转动。每个旋转体上周向均匀分布有m个活塞且两个旋转体上的两组活塞相互间隔安装，每两个相邻活塞之间形成一个可变容积的工作室，2m个活塞共形成2m个工作室。为了使相邻的两个工作室具有相同的工作位置(即发动机的点火、进排气等位置)，n和m的比应为2p-1:1(p为自然数)。这样转子每旋转一圈时，输出轴旋转n+1转或n-1转，发动机上的2n/(2p-1)个工作室的每个工作室完成2n个冲程，若发动机为四冲程的话，该冲程数应为4的倍数即n应为偶数，也就是转子旋转一周带动两旋转体各旋转一周，该四冲程发动机的每个工作室做功n/2次。

上述旋转活塞式发动机中若输出轴以w₀+w₀/n的恒定角速度连续转动时，其中w₀为常数，两旋转体的运动可以分解成以w₀/n的自转角速度旋转的运动和一个以周期性波动的角速度在一定的转角范围内来回摆动的运动。第一组活塞和第二组活塞随两旋转体以周期性波动的角速度旋转，两相邻活塞不断的相互靠近再相互远离，在进气冲程时，两相邻活塞相互远离将混合气吸入气缸；在压缩冲程时，两相邻活塞相互靠近将混合气压缩；在做功冲程时，两相邻活塞相互远离将燃气压力转化为发动机的扭力输出；在排气冲程时，两相邻活塞相互靠近将废气排出气缸。

满足上述要求的n值对应的四冲程发动机有以下特性：发动机每个旋转体上有n/(2p-1)个均匀分布的活塞，两个旋转体上的两组活塞共形成2n/(2p-1)个工作室，转子旋转一周带动两旋转体各旋转一周，两组活塞在气缸内各运动n个周期，发动机的每个工作室点火做功n/2次。在输出轴绕A点相对于固定缸体的转速为v和转子绕B点相对于输出轴1的转速为-v的情况下，若所有运动件加上一个v/n的转速，则转子旋转一周，输出轴旋转n+1周。

在输出轴绕A点相对于固定缸体的转速为v和转子绕B点相对于输出轴1的转速为-v的情况下，若所有运动件加上一个v/n的转速，输出轴相对于固定缸体的转速和转子相对于输出轴的转速比为n+1:-n，它是通过一对内啮合齿轮保证的，其中内齿圈(13)固定在转子上且和转子自转中心同心，外齿轮(14)固定在固定的缸体上且和输出轴(1)的转动中心同心。

转子安装在输出轴的偏心轴颈上，转子的上的两端和一个气缸内的两旋转体可控连接是通过以下方式实现的：两个旋转体先和两个推杆通过两个套筒分别刚性连接，两推杆及两套筒安装在输出轴上，它们和输出轴同心转动，两推杆之间的夹角对应于气缸内的一个或三个工作室，转子的两端分别安装一个曲轴，曲轴的曲拐轴颈套在推杆上相应的孔内。

可以将两个相同形式的上述发动机组合起来，以提高发动机的输出，这时在输出轴的不同位置上将有两个绕转动中心180度对置的偏心轴颈，两个转子安装在这两个轴颈上，每个转子的两端和一个环形气缸内的两个旋转体分别可控连接，发动机将有两个环形气缸。

该四冲程发动机的转子的转速只有驱动轴转速的1/(n+1)，这样就大大减小了驱动转子转动的齿轮的载荷，提高了发动机的可靠性。

由于该四冲程发动机有2n/(2p-1)个工作室，在转子旋转一周中每个工作室做功n/2次，这样，在保证相同功率输出的情况下，该发动机的体积和重量较往复式发动机大幅降低，这不但为制造发动机节约了大量的材料，而且使发动机更加的小巧，更方便安装。

由于该发动机减少了曲柄连杆机构，且进气口和排气口依靠旋转体本身的运动来打开和关闭；不再需要配气机构，包括正时齿带、凸轮轴、摇臂、气门、气门弹簧等，这就使组成发动机所需要的部件大幅度减少。导致了发动机机构大为简化，零件减少。

由于该发动机旋转体上的活塞和圆环形气缸之间不直接接触，而是通过活塞环接触且活塞没有对缸体产生侧向作用力，这就使两者间的磨损大大减轻，从而提高了发动机的可靠性和使用寿命。

通过改变该发动机的活塞所占的角度的大小，就能使该发动机满足各种燃料所需的压缩比，这使得该发动机更通用化。

由于该发动机没有了活塞的直线往复运动和一系列高速运动的气门机构，这就大大减轻了发动机的振动和噪音，从而使该发动机运转更平稳、更安静。

由于该发动机的燃烧室比较适合于燃料的燃烧且散热面积较小，从而使发动机具有良好的燃油经济性和排放性能。

上述机构不仅可以用于作为四冲程发动机也可以用作于气泵，油泵等两冲程的机械，这时n值不仅可以取偶数也可以取奇数。

附图说明：

图1A至1I为发动机的结构简图及工作时序图

图2为发动机的正视图

图3为发动机的A-A剖面图

图4为发动机的B-B剖面图

图5为发动机的C-C剖面图

具体实施方式(1)：

如图1A所示的结构中，若输出轴1绕A点相对于固定缸体的转速、转子2绕B点相对于输出轴1的转速比为1：-1，那么转子2相对于固定缸体的转速为零，所以转子上的两端点C和D点与B点的运动相似，都是做圆周运动。曲轴3的长度为CE，曲轴4的长度为DF，推杆6的长度为FA，推杆5的长度为EA，上述各点都是对应的两零件连接的铰链中心，且BD＝BC、CE＝DF、FA＝EA。输出轴和转子若连续转动时，转子将通过两曲轴带动两个推杆在一定范围内来回摆动。转子运动到最右端时角∠FAE最大，运动到最左端时角∠FAE最小。

设输出轴1的转速为v，若将上述所有运动件加上一个相对于缸体大小为v/n，方向和v相反，绕A点转速，即输出轴1的转速变为[(n+1)/n]×v，而其他运动件相对于输出轴1的转速不变。这样输出轴1绕A点相对于固定缸体的转速和转子2绕B点相对于输出轴1的转速比为(n+1)∶-n。在所有运动件以v/n的分速度绕A点转动一圈的过程中，输出轴1又以v的分速度转动了n圈，它通过转子及两个曲轴带动两个推杆来回运动了n次即∠FAE出现了n个最大角和n个最小角。且这些角在周向间隔分布，最大和最小角之和为360/n。画出发动机的结构简图，转子上和两旋转体可控连接的两端点到转子自转中心点的距离相等，设它们都为b，转子的一个端点C点的运动轨迹方程为x＝a×cos(θ)+b×cos[1/(1+n)×θ+90°]，y＝a×sin(θ)+b×sin[1/(1+n)×θ+90°]，转子的另一个端点D点的运动轨迹方程为x＝a×cos(θ)+b×cos[1/(1+n)×θ-90°]，y＝a×sin(θ)+b×sin[1/(1+n)×θ-90°]，其中a为输出轴上偏心轴颈的偏心量，θ为输出轴转过的角度，坐标系为xAy，其中原点A为输出轴的转动中心点。

如图1所示(参见图4和图5)，两个旋转体上在周向各均匀分布有m个活塞，且两组活塞间隔安装，每两个相邻活塞之间形成一个可变容积的工作室，则工作室共有2m个。让两个相邻工作室的容积变化刚好相反，即一个工作室容积最大时另一个工作室容积恰好最小，且这两个工作室对应的夹角之和始终为360/m度。若让∠FAE对应于三个工作室①、②和③，其中∠EAG对应于工作室①、∠GAH对应于工作室②、∠HAF对应于工作室③，由于∠GAH+∠HAF始终为360/m度，因此∠FAE最大时工作室①容积最大，∠DCE最小时工作室①容积最小，那么工作室①将随∠DCE在周向间隔出现n个最大容积和n个最小容积，当然也可以让∠DCE只对应于一个工作室。工作室②和工作室①相邻，它和工作室①的容积变化恰好相反。设计时，应保证工作室②和工作室①具有相同的工作位置(发动机的点火位置、进排气位置等)。设工作室出现最小角或最大角时对应的角的平分线位置为工作室的最小角位置或最大角位置，则工作室①的最小角位置之一为k度，那么与之相邻的它的最大角在k+360/2n度位置，当工作室①达到最大角且在k+360/2n度位置时，对应的工作室②达到最小角且位置为k+360/2n+360/2m，若360/2n+360/2m的值为360/n的p倍(p为自然数)，就能保证工作室②和工作室①具有相同的工作位置。因此1/2n+1/2m＝p/n即n＝(2p-1)×m。若上述结构设为四冲程发动机则旋转体旋转一周每个工作室点火做功n/2次，其中n/2应为自然数，即n应为偶数。

取p＝1、n＝4，在输出轴1绕A点相对于固定缸体的转速为v和转子2绕B点相对于输出轴1的转速为-v的情况下，将所有运动件加上一个v/n的转速，且让两推杆之间的夹角∠FAE对应于三个工作室，介绍发动机的机械结构。

如图1所示，让∠FAE对应于三个相邻的工作室①、②、③，其中工作室①对应于∠EAG，工作室②对应于∠GAH，工作室③对应于∠HAF，工作室②和③对应的夹角之和始终为90度，这样∠FAE最大时工作室①容积最大，∠FAE最小时工作室①容积最小，在转子转动一周的过程中，工作室①将随∠FAE在周向间隔出现4个最大容积和4个最小容积，从图1B→图1I分别顺序表示这8种状态，这样转子转动一圈，工作室①将完成两个工作循环。

由于p＝1、n＝4所以每个旋转体上有4个均匀分布的活塞，两个旋转体上的两组活塞共形成8个工作室，转子旋转一周带动两旋转体各旋转一周，发动机的每个工作室点火做功2次，且转子旋转一周，输出轴1旋转5周。

如图3所示(参见图4)，发动机的气缸为圆环形，气缸是通过固定缸体9、固定缸体10和两旋转体7和8装配而成。两旋转体的旋转中心和输出轴的转动中心相同，且两旋转体上的活塞在过旋转体的旋转中心轴上的截面为圆形，该截面圆的半径略小于圆环气缸的圆半径，在每个活塞上都安装有活塞环。

如图3所示(参见图4和图5)推杆5通过套筒11带动旋转体7转动，推杆6通过套筒12带动旋转体8转动，套筒11的一端和旋转体7通过花键或齿连接，另一端通过花键或齿和推杆5连接。套筒12的一端和旋转体8通过花键或齿连接，另一端通过花键或齿和推杆6连接。套筒11、套筒12和输出轴1旋转中心同心安装，且套筒11安装在套筒12上，在套筒12安装在输出轴1上，在输出轴1内有内孔1a，润滑油就是通过该内孔输入各个轴承等需要润滑的地方。曲轴3的曲拐轴颈安装在推杆5的一端，曲轴3的主轴颈安装在转子上。曲轴4的曲拐轴颈安装在推杆6的一端，曲轴4的主轴颈安装在转子上。两曲轴的曲柄半径相等，转子上安装两曲轴的孔中心绕转子自转中心在周向180度对置并且它们到转子自转中心的距离相等。

如图3所示(参见图2和图5)输出轴1上有一个偏心轴颈1b，转子2安装在偏心轴颈1b上且转子2上安装有一个齿圈13，它和转子2的自转中心同心，并且该内齿圈将和固定的齿轮14啮合，固定的齿轮14以输出轴1的转动中心为中心，这样输出轴1转动时，转子2除了绕输出轴1转动外，还以一定的转速自转，由于齿轮14和齿圈13的齿数比为4：5，这就保证了输出轴1相对于固定缸体的转速和转子2相对于输出轴1的转速比为5:-4，负号代表转动方向相反。由于转子2的转动中心和输出轴1转动中心的距离固定，因此可以在转子2的另一侧的中心孔上安装一个偏心套15，偏心套15的外圆和转子的自转中心同心，内孔和输出轴1的转动中心同心且该孔套在套筒11上，这样转子除了通过输出轴1的偏心轴颈支撑外还有通过该偏心套支撑，在转子2上安装有两个曲轴3和4，曲轴的两边的主轴颈安装在转子上对应的孔内，为了方便曲轴的安装将转子上安装两个曲轴的4个孔中靠近内内齿圈13的两个孔采用剖分式组装即把孔沿孔的直径剖成两部分，当组装时先放入曲轴再将这两个部分通过螺钉紧固在一起。每个曲轴的曲拐轴颈安装在对应推杆5或6的孔内，该孔也是采用剖分式，以方便于曲轴的安装，两个推杆都安装在输出轴1上，它们都绕输出轴1转动中心转动，推杆6和套筒12通过齿或花键连接套筒12套在输出轴1上它的另一端和旋转体8通过齿或花键连接，推杆5跨在推杆6的两边且在靠近输出轴1偏心轴颈的一侧的孔直接安装在输出轴1上，另一侧的孔安装在套筒12上，而且这一侧和套筒11通过齿或花键相连，套筒11套在套筒12上且它的另一边和另一个旋转体7通过齿或花键相连。

如图4所示(参见图1和图3)发动机的工作室最小角位置共有4个且相邻的两个位置间隔90度，在相邻的两个位置之一用于安装火花塞(发动机为汽油机的情况下)，另一个位置的两侧约15度的缸体上有两个通孔，它们分别用于排气和进气。缸体9和缸体10的内部分别有一环形孔9a和10a，冷却水流入环形孔流动一圈后再流出，以冷却发动机。当然小功率发动机也可以采用风冷方式即在缸体9和10上加上许多散热片以加强散热。

如图3所示，在两旋转体上的配合面上可以开出对应的环形槽然后再装入相应的密封环，以提高密封的效果。在缸体9和旋转体8的配合面上和缸体10和旋转体7的配合面上也可以采用类似的方法提高密封效果。

由于该机的转子做偏心运动方式，它需要安装相应的平衡机构即在转子的两侧的输出轴上安装两个平衡块，它们随输出轴1一起运动，这两个平衡块能完全平衡单转子发动机各偏心运动部件所产生的不平衡力。

可以将多个上述相同的旋转活塞式发动机组合起来，以提高发动机的输出，在输出轴(1)的不同位置上将有多个绕转动中心周向均匀分布的偏心轴颈，多个转子安装在这多个偏心轴颈上，每个转子的两端分别和一个环形气缸内的一个旋转体可控连接，发动机将有多个环形气缸。

Claims (6)

1、一种旋转活塞式发动机，它有一个环形气缸和两个旋转体，每个旋转体上有n/(2p-1)个活塞，其中p为自然数，n为偶数，特别是p＝1、n＝4，这两组活塞在气缸内相互间隔安装，它们把气缸分隔成2n/(2p-1)个可变容积的工作室，其特征在于：转子(2)安装在输出轴(1)的偏心轴颈上，转子除了绕输出轴转动中心公转外还绕输出轴上的偏心轴颈(1a)中心自转，气缸内的一个旋转体和转子的一端可控连接，气缸内的另一个旋转体和转子的另一端可控连接，转子的两端绕其自转中心180度对置，若输出轴及转子匀速转动时，两个旋转体将以周期性波动的转速转动。

2、根据权利要求1所述的一种旋转活塞式发动机，其特征是：输出轴相对于固定缸体的转速和转子相对于输出轴的转速比为n+1∶-n，这个比例是通过一对内啮合齿轮保证的，其中内齿圈(13)固定在转子上且和转子自转中心同心，外齿轮(14)固定在固定的缸体上且和输出轴(1)的转动中心同心。

3、根据权利要求2所述的一种旋转活塞式发动机，其特征是：转子的两端和两个旋转体可以通过两个曲轴、两个推杆和两个套筒可控连接，其中两个曲轴的主轴颈安装在转子的两端，曲轴的曲拐轴颈安装在两个推杆的孔内，两个推杆安装在输出轴上且它们绕输出轴的转动中心转动，两个推杆分别和一个旋转体通过套筒连接。

4、根据权利要求3所述的一种旋转活塞式发动机，其特征是：每个曲轴上有两个主轴颈，它们分别安装在转子的每一端的两个孔内，这两个孔之一采用剖分式，曲轴的曲拐轴颈安装在推杆上孔内，该孔也采用剖分式。

5、根据权利要求3所述的一种旋转活塞式发动机，其特征是：两推杆安装在输出轴上，它们通过套筒和气缸上的旋转体连接，其中一个套筒(12)套在输出轴上，它的一端和一个旋转体(8)通过齿或花键连接，另一端也是通过齿或花键和一个推杆连接；另一个套筒(11)套在上述套筒(12)上，它和另一个旋转体(7)通过齿或花键连接，该套筒的另一端也是通过齿或花键和另一个推杆连接。

6、根据权利要求3所述的一种旋转活塞式发动机，其特征是：转子上套有一个偏心套(15)，该偏心套的偏心量和输出轴的偏心轴颈(1a)的偏心量相等，偏心套装在转子的自转中心孔内，偏心套的内孔套在一个套筒(11)上。

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