CN87102946A - 三转子活塞旋转式发动机 - Google Patents

Abstract

三转子活塞旋转式发动机是一种新型内燃机。它不同于三角活塞旋转式发动机。基本结构是由装在密封的端盖和气缸内的一个大转子(具有二个或三个转子角)，二个半径相同，和大转子紧密接触的小转子构成，大、小转子间采用一定传动比的齿轮联动。这种发动机具有以下优点：单位工作容积功率大，单位功率质量小，在相同功率下燃油消耗比其他类型发动机少，并且无气门机构，构造简单，制造和维修简易。

Description

一、概论：

三转子活塞旋转式发动机是一种新型结构的内燃机，它不同于三角活塞旋转式发动机，简称三转子发动机。

目前广泛应用的往复活塞式发动机各种指标都已达到相当高的水平，但其基本结构方案具有根本缺陷，即这种发动机存在许多往复运动质量，如活塞、气门机构等。在进一步提高发动机转速时，这些往复运动质量所产生的惯性力急剧增大，使轴承载荷显著增加，振动加剧;并有可能破坏气门机构的正常工作。是提高发动机单位工作容积功率、降低单位功率质量，使之向高速发展的严重障碍。为解决上述问题，人们制成了三角活塞旋转式发动机，此种发动机虽无气门机构，并具有单位工作容积功率大，单位功率质量小等优点，但由于其结构方案使其同时存在起动性差，不经济，缺乏耐久性，尤其低速动力性差。而且在不增加发动机体积下设计柴油机有很大的困难。因此特设计出三转子活塞旋转式发动机。

三转子发动机和往复活塞式发动机比较有以下优点：单位工作容积功率大，单位功率质量小，由于无复杂的往复运动零件，因此振动较微，结构简单、零件数量少、拆装方便，维修简易，在具有专有设备情况下生产工艺不算复杂。在设计为柴油机时，由于压缩末期燃烧室中气体将产生强烈涡流因此理论上可使用重柴油。在相同工作容积和压缩比下理论上输出扭矩较往复活塞式发动机大A倍（A＝R/r，R相当于大转子节元半径，r曲轴的曲柄半径）。故相同功率下燃油消耗少于往复活塞式发动机。

三转子发动机和三角活塞旋转式发动机比较有以下优点：燃烧室紧凑，设计为柴油机时发动机体积无明显增加，因此有利于发展汽车用柴油机。易于起动、具有良好经济性，因不存在进排气孔之间窜气，且有足够大的进气孔，采用进气效率好的周面布置气孔，使发动机在高速和低速情况下都具有良好的动力性;火花塞位于无压力差处，保证了点火性能。理论上相同工作容积和压缩此下输出扭矩较三角活塞旋转式发动机大A倍（A＝R/e，R相当于大转子节元半径，e偏心距）。其相同功率燃油消耗少于三角活塞旋转式发动机。

图一是双缸水冷汽油三转子发动机结构示意图。

小转子（循环机油腔没有画出）17半径为大转子2基元半径的三分之一，它们之间有齿轮12和11联动，其传动比为1∶3。

三转子发动机气缸1内壁为元弧型面，其两端由端盖5及中间隔板所封闭。气缸和端盖均为固定件。在端盖内面有循环机油槽6机油通过此槽进入大、小转子内腔16，冲刷转子内腔后流入对侧端盖机油槽。大转子上具有转子角18其作用相当于往复活塞式发动机的活塞;小转子凹陷部分23构成燃烧室，其顶部有通气孔21在混合气压缩到最小容积左右（相当于图示位置）和端盖5上的火花塞孔相通，通气孔还具有平衡小转子两端面气压的作用。转子轴4、10与转子之间采用花键联接，主动齿轮12和主轴即大转子轴之采用滑键联接，并有弹簧8使其保持和从动齿轮11间的齿合。轴环14具有阻止轴向移动作用，主轴支承于主轴承上，小转子轴两端配有平衡重13，支承于可沿大小转子轴心连线移动一定距离的小转子轴承座15上，杠杆7在弹簧8作用下将楔块9压入小转子轴承座孔和轴承座间的楔形间隙使冷态下大、小转子紧密接触，保持良好密封，暖机完成后，由转子热膨胀，使轴承座移动将楔块“挤出”，保证大、小转子间不会由于热膨胀而损坏。弹簧应具有足够的弹力和强度，不使小转子在起动和暖机过程中被燃气推离大转子。气缸1铸有冷却水腔3并有混合气进气孔19，空气进气孔20和排气孔22。

转子角顶和气缸内壁紧密接触，形成三个密封的工作腔。转子转动时，由于小转子的阻隔使工作腔容积发生变化，其变化规律正好符合四行程内燃机对气缸容积变化的要求。发动机工作时，空气由进气孔20开始进入气缸，当转子角转过混合气进气孔19后较浓的混合气开始进入气缸和气缸中的空气相混合。此时小转子凹陷开口已由气缸型面所封闭，因而“泵”到排气侧为纯空气。混合气经压缩后，在燃烧室23中被点燃，推动转子角18旋转，并通过主轴输出作功。同时，在主轴上的主动齿轮12驱动从动齿轮11使小转子以三倍于大转子的转速。在大转子表面滚动。燃烧室中残余废气，依靠扫气泵增压后的空气自一侧通气孔进入，经另一侧通气孔驱除，相应燃烧室底部制成特殊形状。对于排气侧小转子其容积应减小到最小程度，在相当于最小容积时通气孔和端盖上的扫气孔相通（不接扫气泵）以排出其内废气，不使其“泵”到进气侧。其小转子底部不制成特殊形状。

上述方案同样适用于柴油机。

在大转子是二转子角时，小转子半径为大转子基元半径的二分之一，相应大、小转子间传动比为1∶2，采用此方案，可使发动机体积不显著增加的情况下增加单腔工作容积，从而提高输出最大扭矩，燃烧室中残余废气，靠气缸内经压缩具有一定压力的空气驱除，不装设扫气泵。理论上两小转子轴心和大转子轴心在一条直线上，即180°，为提高进气容积，故将小转子位置向排气侧“移动”一定角度，此方案尤其适用于柴油机也可用于缸内直接喷油式汽油机。

二、三转子发动机工作原理：

三转子发动机工作原理和往复活塞式发动机相同，即由进气压缩、作功和排气四个过程组成。

图二为汽油三转子发动机工作原理示意图。如图所示：以A、B工作腔为例，在位置1、相当于往复活塞式发动机上死点位置。随着转子转动，在位置2开始进入空气。到位置3、转子角A转过混合气进气孔，开始进入较浓的混合气和气缸中空气混合。位置4示转子角B转过进气孔，并封闭进气孔（相当于往复活塞式发动机下死点时），完成进气行程。到位置5时混合气开始被压缩，位置6混合气被压缩于燃烧室中混合气体积达最小。（相当于往复活塞式发动机上死点）。混合气被点燃，开始膨胀。燃气推动转子角B旋转作功，到位置9转子角B转过排气孔完成作功行程，进入排气行程。位置10示转子角C对废气进行排除，到位置12排气行程结束。完成一个工作循环。此时主轴已转过600°。在AB工作腔完成一个工作循环的同时，AC和BC工作腔也分别完成一个工作循环。

综上所述三转子发动机工作原理和四行程往复活塞式发动机基本相同，只是对应各行程主轴所转过角度不同。柴油三转子发动机工作原理和汽油机基本相同。在大转子为二角时各行程对应主轴转过角度基本和四行程发动机相同。

三、转子外廓和气缸型线的创成

两个半径比为1∶3的元相外切并作纯滚动时，小元周上的两点在大元外所画出的两条形状相同，位置不同并相交的两条轨迹曲线便构成大转子角外廓型线，交点为转子角顶。以此点到大元心距为半径所划元弧和以大元心为顶点所夹120°角的两小元元弧便构成发动机气缸的理论型线。同理当大、小元半径为1∶2时便得到两工作腔（大转子为两转子角）发动机的理论型线。转子角顶点于小元周两点间画出的轨迹曲线构成小转子凹陷最小容积理论型线，其理论最小容积如图三右所示阴影部分。

由于转子角顶和小转子凹陷开口处理论上为一个点，应用于实际时当为一尖片，这样便会很快磨损而丧失密封性能。为改善这种情况，在相应的位置采用一定半径的元头密封片相配。故实际气缸型线大元弧部分为以理论型线6上的点作元心，作一定半径的无数小元，这些小元的外包络线5便是实际气缸型线，如图三左，所示。为使发动机冷态时转子角顶1密封片3不和小转子2凹陷开口处密封片4发生干涉，而将转子角顶密封片3向旋转方向倾斜一定角度，使密封片3最高点在小转子凹陷开口密封片4距转子角顶有相当距离时，提前进入小转子凹陷，避免发生干涉。

四、三转子发动机主要零件构造

1、转子：

三转子发动机具有一个大转子和两个小转子。大转子角相当于往复活塞式发动机的活塞作用;小转子具有阻隔并密封工作腔的作用。大、小转子和气缸及端盖起着共同密封发动机工作腔，承受高温燃气压力的作用，并通过大转子将燃气能量传给主轴。在转子上装有密封气体，机油的元件。

转子应使用高强度、低膨胀材料制成（如使用高强度合金铸铁，高强度稀土球墨铸铁或可锻铸铁），对作为燃烧室的小转子甚至使用耐热钢制造，以保证其可靠性和耐久性。大、小转子接触面及两端面需硬化处理、并精磨（如喷钢、高频淬火等），以达到较高精度，使其相互间具有良好配合，保证密封。

如图五-1所示，大转子1的转子角2宽度小于基元部分，侧面观呈阶梯状，基元部分端面不是单一的平面，转子外缘和高燃气接触，温度较高必须留有较大轴向间隙，才能保证转子不卡死在气缸内。中心部温度较低，为保证转子在气缸内运动时具有良好导向，要求有较小轴向间隙，因此油封环槽12以内部分较以外部分高出一定距离（约0.1mm左右）。为保证转子有足够的刚度和强度，内部布置有肋条，循环机油腔3通过端面的循环机油孔6和端盖上的循环机油槽相通。为防止机油通过端面间隙漏入工作腔特于端面安装有油环12。端面外缘和转子角2端面装有密封气体的密封条11和端面密封片10，其密封由密封销8和9所构成。转子角顶有密封片7，转子上还有和主轴联接的花键4。转子端面外缘虽有气体密封的元件，但仍难免漏气，为使两端面压力平衡，不使转子被压于一侧而磨损，特于端面钻有气压平衡孔5，图五-2为大转子为二转子角的结构图，图释同上述。

图六为小转子结构，端面通气孔6，并具有平衡气压作用，小转子1端面还有循环机油孔通循环机油腔5，小转子依靠花键2和小转子轴联接。端面有密封气体的密封环4及密封销8。密封机油的油环3。小转子凹陷开口部靠气体密封片7和密封销8和转子角端面密封元件共同构成对燃烧室的密封。

和其它发动机一样，转子温度过高会引起不正常燃烧和气封元件的失效，因此转子采用循环机油冷却。

2、气缸体和端盖

气缸体、端盖和大、小转子表面共同组成了密封工作腔。

气缸体和端盖始终和高温、高压气体接触，因此刚度要大（内腔设加强肋）而且导热要良好。可采用铝合金，摩擦表面需硬化处理（如镀铬、喷钢等），也可采用合金铸铁或球墨铸铁。

图七-1是汽油三转子发动机气缸结构示意图，为使气缸有适宜的温度分布在缸体1内铸有冷却水腔6，气缸和端盖间要严格密封，为此在气缸端面上加工出封闭的方形断面槽7，埋入铅条或橡胶条。气缸内壁大、小元弧交界处有径向密封片槽5，在气缸上还铸出混合气、进气孔2，空气进气孔3和排气孔4。图七-2为大转子为二角时相应气缸结构示意图。其结构和大转子为三转子角时基本相同，只是两小元弧元心位置不是120°，而是近180°。

图八是三转子发动机端盖外观示意图，（杠杆结构未画出），为使端盖有适宜的温度分布，在端盖体1中铸有冷却水腔2，和在气缸体的冷却水腔相通。并铸有循环机油道3和端盖内面的循环机油槽6相通。端盖中央有主轴承孔9装配有主轴承4。小转子侧端盖上有弹簧座5，杠杆支承座8和小转子轴承座孔11，小转子轴承座用固定板通过锣丝孔10用锣丝固定于端盖上，在相当于压缩终了时小转子通气孔对应位置有火花塞（或喷油嘴）孔7。端盖内面观同中间隔板（两气缸间的端盖）。

如图九所示，中间隔板体1中同样铸有冷却水腔2。其外观和端盖内面观相同。其外观并不是一个平面，而是适应于大、小转子端面而呈阶梯状。并在相当于大小转子循环机油孔位置加工出循环机油槽6，通过端盖的循环机油孔13和循环机油道12相通。在大、小转子相切接触处和气缸径向密封片槽对应处铸有气体密封片槽3，（应铸有耐热材料制成的护槽，改善磨损）。中央部位有主轴承孔，安装有主轴承8，在小转子侧，有小转子轴承孔，内装轴承座4，其铸出的内腔中有杠杆结构（包括楔块7（其对轴承座并具有轴向固定作用），杠杆支承轴9，杠杆10和弹簧11）。燃烧室小转子在凹陷开口被气缸型面所封闭左右通气孔和扫气孔、道5相通。排气侧小转子在相当于压缩终了时通气孔和扫气孔、道相通，故二者扫气孔位置不同。

图十是端盖上的杠杆结构图，杠杆10借支承轴9支承于端盖1上，卡环11对支承轴9具有轴向固定作用。弹簧8通过杠杆10将楔块7压入轴承座3和座孔间的楔形间隙内，使小转子轴5具有一定位移，将小转子压紧于大转子表面。小转子借花键和小转子轴5上的花键轴12实现联接，轴环13具有防止轴产生轴向位移的作用。轴承座依靠固定板2用锣丝固定于端盖上，其相互间应具有较高精度并保证轴承座能沿大、小转子轴心连线作自由滑动。发动机起动后转子受热产生膨胀使轴产生一定位移，（使转子间不发生干涉）通过轴承座将楔块“挤出”使轴承座直接支承于端盖上。杠杆结构则起辅助作用。因此对于弹簧8应具有足够弹力，以保证在起动和暖机过程中，小转子不被燃气作用力推离大转子。小转子轴承座上的油封环4具有密封气缸防止机油漏出的作用。6为循环机油槽。

3、主轴和小转子轴

三转子发动机采用强度较高的实心轴，轴颈必须具有很高的精度、表面光洁度和一定硬度。

主轴可用中碳钢锻造，也可用高强度球墨铸铁铸造，但作为燃烧室小转子的轴必须用中碳钢锻造，以保证良好的可靠性和耐久性。轴颈表面均应淬硬。

为防止轴的轴向移位，在轴上有轴环，也可用其他有效的措施阻止轴的轴向移位。由于小转子轴具有一定径向移位，可能使传动齿轮产生一定传动误差，为改善这种情况，传动齿轮用和轴心线具有一定夹角的斜齿，主动齿轮和主轴（大转子轴）/采用滑键3联接，并有适当弹力的弹簧6相配。使传动齿轮间具有良好齿合。如图十一B所示，装在小转子轴2上的从动齿轮5在发动机冷态时，对主动齿轮4产生挤压，使其滑动对弹簧产生压缩。发动机起动后，由于热膨胀使小转子轴产生径向移位，如图十一、A所示，弹簧6推动主动齿轮4滑动，保证传动齿轮的良好齿合，避免产生传动误差。小转子在旋转时会产生一定旋转惯性力（离心力），使发动机产生一定振动，需在小转子两端配平衡重，如图四所示，小转子4产生的离心力偶应和平衡重5及传动齿轮3上的配重造成的离心力偶，大小相等方向相反，在结构上保证发动机的动平衡。小转子轴1上的轴环2具有对小转子轴防止轴向位移作用。

五、三转子发动机的配气和气体密封

1、发动机的配气：

三转子发动机的配气和四行程往复活塞式发动机不同，是由转子角直接开闭进、排气孔的，因而简化了发动机结构。

三转子发动机、气孔布置采用进气效率较好的周面进气即气孔布置于气缸型面上，由于进气和排气孔分别布置在小转子的两侧因而避免了进、排气孔之间窜气的可能。汽油三转子发动机有两个进气孔。空气进气孔使发动机转子角和小转子间部分不致造成严重真空，转子角自小转子开始转过60°后方开启混合气进气孔，保证了混合气不被小转子“泵”到排气侧而造成浪费。空气和混合气节气门采用同步控制，以保证混合后混合气浓度适宜。在柴油机和大转子为两个转子角时由于发动机进入的是纯空气因此只在小转子处设一较大的进气孔。燃烧室中的残余废气对混合气的品质具有一定影响，因此在汽油机增设扫气泵，利用增压后的空气自一侧通气孔进入经另一侧通气孔对废气进行清除，相应燃烧室底部制成特殊形状。在柴油机和大转子为两转子角时，利用气缸内经压缩具有一定压力的空气通过通气孔对废气进行清除。在大转子为两角时，为增加进气容积特将小转子位置向排气侧““移动”一定角度（理论上两小转子轴心和大转子轴心在一条直线上，即180°）。

2、三转子发动机的气体密封：

三转子发动机的气体密封是依靠大、小转子的紧密接触，大、小转子和气缸、端盖上的密封元件共同构成。

如图十二所示，大转子1端面气体密封条3，转子角9端面气体密封条3和小转子端面气体密封条（也叫密封环）3及其密封销10、和14及15构成了大、小转子的端面密封。轴向密封片6构成对大小转子接触处，端面密封条和转子缘之间的间隙的密封（图A）。轴向密封片4对小转子端面密封条和端盖7之间的间隙构成密封（图B）。小转子处，依靠大、小转子的紧密接触和径向密封片5对工作控实现径向密封。转子角顶密封片16，使转子角顶对工作腔实现径向密封。端面密封片13密封大转子和端盖之间存在的间隙（图C）。以上各密封元件共同构成了对工作腔的密封。径向密封片12（顶部为四分之一元，底部两端部分借密封销11，不使其顶部超出小转子周面。），对燃烧室构成径向密封，端面密封由转子角的端面密封元件和密封销11共同构成（图D）。

由于密封片之间存在一定干涉，为减小这种干涉而将密封片磨擦面制成具有一定半径的元弧面，即元头密封片。且将密封片4、和6做的比较宽，对于转子角顶密封片16两端面和顶部都是元弧面。8为气缸体。

在气体密封条的底部和气体密封片的底部特装有波形弹簧17，密封销底部的弹簧18较薄，但必须能耐高温。密封销11和15分别适应于密封片12和13，特加工有一定深度的槽。密封片4和6在密封片槽内应具有一定径向移动度，以适应转子的热膨胀变化。

各密封元件对所密封面的压紧，主要依靠进入其底部的气体压力，装在其底部的弹簧也起一定作用。

六、三转子发动机的点火

点火在很大程度上关系到发动机的性能和运转稳定性。和四行程往复活塞式发动机相比，三转子发动机的火花塞工作条件更为严酷。为避免火花塞和小转子发生干涉，火花塞应位于端盖内面，这样就得不到新鲜混合气的冲刷和冷却，同时主轴每转过一周即点火2或3次，更增加了火花塞电极的温度，因此三转子发动机应采用炽热数较大的冷型火花塞。

和三角活塞旋转式发动机比较，由于火花塞位于无气压差处，因此火花塞孔可较大，且冷起动和低速时将无燃油吹落于电极上影响点火的缺点，保证了火花塞的点火性能，从而使发动机有良好的起动性和低速运转稳定性。

七、三转子发动机的润滑和冷却

和其他类型发动机一样，在发动机工作时，有很多零件作相对运动，需要不断地把洁净的机油送到需润滑的表面，以减小磨损。由于转子不断受高温燃气加热，温度很高，故采用大量机油冲刷转子内腔壁予以冷却。因此，润滑系还承担冷却转子的任务。主要包括机油泵，吸油器，机油散热器，机油滤清器和机油道等。

发动机工作时，机油泵从机油盘经吸油器吸入机油，把机油泵入机油散热器进行冷却，冷却后的机油流入机油滤清器进行滤清。机油节温器和散热器并联，温度较低时，机油不经散热器，经节温器阀门直接流入滤清器。在散热器和滤清器之间装设油压调节阀，在油压过高时，一部分机油通过油压调节阀流回机油盘。机油经滤清后进入端盖的机油道。在机油道和机油滤清器间并联有旁通阀，如果滤清器堵塞，机油将通过旁通阀直接进入端盖的机油道。在双缸发动机时，机油进入中间隔板的杠杆结构腔，然后分成两路分别进入大、小转子内腔。同时流向在中间隔板中的大、小转子轴承。机油冲刷受热的转子内腔壁后，流入端盖机油道并汇合流回机油盘。滤清的机油除流入端盖中的机油道外，有一部分通向端盖上的轴承，以及分电器和扫气泵等部位轴承，最后流回机油盘。另外，还有一部分机油通向计量油泵，其作用是按发动机的负荷和转速使一定数量的机油经化油器（或喷油***）进入气缸，以润滑密封元件及所接触的密封表面。也可不装计量油泵，而将机油按一定比例（（1/40～1/200）混入燃油中。

三转子发动机各受热零部件必须加以冷却，使发动机在最适宜的温度范围内进行工作。大、小转子采用循环机油冷却，已经阐述。气缸和端盖采用循环水冷却。

三转子发动机的水冷却系也是由水泵、散热器、风扇等组成。水循环方式可以是轴流式，也可采用环流式。但都应首先保证最受热区域的冷却，使各零、部件温度分布尽量均匀。冷却顺序为从进水口进入后首先到达燃烧室的小转子和火花塞孔区域，依次流经排气侧气缸和端盖，进气侧气缸和端盖，最后自出水口流出。气缸和端盖的冷却水腔内应设有布水肋，起布水和增加气缸和端盖刚度的作用。

Claims (19)

1、一种新型内燃机，其特点是基本结构由端盖、气缸和装在气缸内由一定传动比齿轮联动的两个小转子和与它们紧密接触的一个大转子(具有二个或三个转子角)所构成。

2、要求1在大转子为三转子角时：小转子半径为大转子基元半径的1/3，相应两者间传动比为3∶1;在大转子为二转子角时：小转子半径为大转子基元半径的1/2，相应两者间传动比为2∶1。

3、要求2大、小转子采用高强度，低膨胀材料制成（如采用高强度合金铸铁、高强度稀土球墨铸铁或可锻铸铁）;对于作为燃烧室的小转子，还应具有高的冲击韧性。

4、要求3的大转子角外廓型线必须符合小转子凹陷开口处点之轨迹，且角顶密封片采用一定半径的元头密封片，并向旋转方向倾斜一定角度。相应小转子凹陷底部型线基本符合转子角顶点之轨迹。

5、气缸内壁型线大元弧部分为转子角顶密封片元头半径加转子角顶到主轴心距离为半径的元弧;小元弧部分适应于小转子是稍大于小转子半径的元弧。

6、端盖内面必须适应于大、小转子为阶梯状。

7、气缸和端盖内铸有循环水腔并有布水肋;其冷却顺序为：燃烧室小转子周围-排气孔侧-进气侧气缸和端盖-出水口。

8、端盖内铸有循环机油道和扫气孔、道。小转子轴承座处具有杠杆结构;中间隔板的杠杆结构在其铸出的相应腔隙内。

9、要求8杠杆结构弹簧应有足够弹力和强度。相应杠杆结构和小转子轴承座用高强度（合金钢）材料制造，端盖和杠杆结构的楔块接触处必须镶铸有高强度合金钢材料。

10、要求1各磨接面和大小转子接触面需硬化处理并精磨。

11、要求3大小转子内必须铸有循环机油腔，端面有密封气体和机油元件，并钻有气压平衡孔;大小转子采用循环机油冷却。

12、大、小转子轴可用中炭钢锻造，也可用球墨铸铁制造，必须有阻止轴向移动的轴环或采用其他措施;作为燃烧室小转子的轴必须为实心用中炭钢锻造。

13、小转子轴两端需加配平衡重。

14、大、小转子间传动齿轮采用和轴心线具有一定角度的斜齿，主动齿轮和主轴间采用滑键装配，并有适当弹力的弹簧相配。

15、各气体密封片应镀铬，位于端盖上的密封片槽应有护圈，各密封片和密封面接触处为元弧面。

16、要求1为汽油发动机时使用炽热数较大的冷型火花塞。

17、汽油发动机气缸周面设二个进气孔，采用有三转子角的大转子，小转子底部制成特殊形状，并增设扫气泵。

18、端盖上具有火花塞（或喷油嘴）孔。

19、要求5在发动机为三工作腔时（即大转子为三转子角）两小元弧元心和大元弧元心连线夹角为120°;两工作腔时（即大转子为二转子角），两小元弧元心和大元弧元心连线所夹角近180°。

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