專利名稱：自舉旋轉發(fā)動機的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種自舉旋轉發(fā)動機，是屬于熱力發(fā)動機領域中的一種新型的旋轉式發(fā)動機。
現(xiàn)有技術中，內燃機的種類很多，其中已有一個世紀歷史的往復活塞式內燃機至今占距絕對的優(yōu)勢，經過一個世紀的發(fā)展改進其各項技術指標已達到相當高的水平，是車輛、水上交通，農業(yè)和工程機械等方面的主要動力。然而往復活塞式內燃機有著自身固有的缺點，由于必須將活塞的直線往復運動轉變?yōu)榍S的旋轉運動，使其結構復雜、工藝要求高，制造加工量大，運轉時產生不平衡的力和力矩、振動大、氣缸內爆發(fā)壓力高，為保持零件的強度，尺寸必須加大而使機件加重等等。30年代開始的發(fā)展燃氣輪機，50年代開始研制的各種旋轉發(fā)動機都旨在革除內燃機的活塞、連桿、曲軸機構，然而這些發(fā)動機在取得顯著進步的同時并不兼有往復活塞式內燃機的優(yōu)點，在技術上性能上尚無取而代之的優(yōu)勢。
本發(fā)明的目的是獲得一種新型的旋轉式發(fā)動機，它沒有活塞、連桿和曲軸等帶來往復式內燃機根本局限的往復運動件，而熱動力學原理和工作方式均與往復式內燃機基本相同，具有一般往復式內燃機相同的吸入空氣，燃料、壓縮，壓縮后的工質燃燒膨脹作功和排出廢氣的四個沖程，因而能充分利用現(xiàn)有成熟技術、并有所突破而獲得更好的技術特性和指標的結構簡單緊湊直接輸出旋轉力矩的新型發(fā)動機。
解決上述任務的方案是新型內燃發(fā)動機的基本單元是由擺動式氣缸、支承構件和自舉離合器所組成。其主要結構及相互關系由
圖1示意。外轉子1為一殼體，內裝設有兩只徑向葉片3，內轉子11為一筒狀圓柱體，其上裝設有兩只徑向葉片7、內轉子置于外轉子中，二者構成擺動式氣缸，其間由葉片分隔而形成的A、B、C、D四個空腔由外轉子葉片密封件2和內轉子葉片密封件6及同軸旋轉結合處必應有的密封件將其密封分隔，每個空腔即為發(fā)動機的一個工作腔室。在各腔室中內外轉子葉片相趨近使其容積為最小的極限位置以外，內轉子葉片根部處設有進氣、排氣氣門、火花塞或噴油嘴。5、13、14、8為A、B、C、D各腔室的進氣門分別稱之為aj、bj、cj、dj，4、12、15、9為各腔室的排氣門分別稱為ap、bp、cp、dp。當發(fā)動機工作時擺動式氣缸的內外轉子相對往復擺動，各腔室的容積則相應增大或減小，發(fā)動機工作的進氣、壓縮、燃燒、膨脹、排氣五個過程在每個工作腔室的容積變化、相應氣門動作、火花塞順序放電的過程中完成并重復循環(huán)。相當于一個四缸四沖程往復活塞式內燃機。固定軸18是機器的支承構件為一限定擺動式氣缸只有旋轉自由度的軸狀體，構成擺動式氣缸的內外轉子同軸裝置其上，可進行旋轉運動和相對旋轉擺動。固定軸中通道17示意向各腔室提供工質和排出廢氣的通道，二者分別以彼此隔離密封的旋轉連通方式接入各腔室并由相應氣門啟閉控制。10是內轉子自舉離合器，16是外轉子自舉離合器，自舉離合器是指現(xiàn)有技術中的各種超越離合器，棘輪機構或其他單向閉鎖裝置，用以聯(lián)接轉子和固定軸，10、16分別限定內外轉子只能繞固定軸18作同一單向轉動，設如圖1中所示內外轉子順時針方向可超越轉動，而逆時針方向則被止動。發(fā)動機工作時各工作腔室依次膨脹作功將使內外轉子交替承受順時針方向即期望運動方向力矩和逆時針方向即非期望運動方向力矩。當轉子承受非期望運動方向力矩時，自舉離合器將禁止其逆轉，此力矩傳遞到自舉離合器和固定軸，或經由其他傳動系統(tǒng)變換后傳遞到自舉離合器和固定軸，當轉子承受期望方向力矩時，內外轉子則交替作期望方向的旋轉運動或交替以不同速度作期望方向的旋轉運動、形成擺動缸的相對往復擺動，完成前述工作腔室的容積變化。因此在發(fā)動機工作過程中無進行往復動作的機件，而工質在進行其熱動力學過程中將能量直接轉換成內外轉子的旋轉機械能。這一方案的關鍵特征是構成擺動式氣缸的內外轉子均為運動構件并通過自舉離合器與支承構件聯(lián)接而實現(xiàn)自舉步進、進行相對往復擺動，因此命名為自舉旋轉發(fā)動機。
結合圖2進一步說明自舉旋轉發(fā)動機主要構件的相互作用和機器的工作過程圖2中，1內轉子葉片，2內轉子，3火花塞;4外轉子葉片;5外轉子;6外轉子超越離合器;7開啟狀態(tài)的氣門;8固定軸，9內轉子超越離合器。從2-1到2-4分別示意發(fā)動機工作過程中一個單循環(huán)所含的四種狀態(tài)。初始過程略去。
2-1所示狀態(tài)下氣門bp，cj開啟，其余為關閉常態(tài)，A腔點火、火花塞放電使其中工質燃燒膨脹，此時內轉子承受逆時針方向力矩、自舉離合器9使之不能逆轉，而外轉子承受順時針方向力矩其運動不受影響，因此作順時針方向轉動，其結果B腔容積減小其中廢氣經氣門bp排出，c腔容積增大，通過氣門cj吸入工質，D腔容積減小將其中工質壓縮，直至外轉子旋轉達到2-2所示狀態(tài)，即外轉子相對內轉子擺動一個設計限定的角行程，各個工作腔室均完成一個沖程。
2-2狀態(tài)下氣門ap，bj開啟其余為關閉常態(tài)，D腔火花塞放電，使其中在前一沖程中壓縮的工質燃燒膨脹，此時外轉子由于其葉片構成D腔所處的位置而承受逆時針方向力矩，被其自舉離合器6所制動，而內轉子則承受順時針方向力矩而轉動，其結果A腔容積減小廢氣經氣門ap排出，B腔容積增大經氣門bj吸入工質，C腔容積減小其內工質被壓縮，直至內轉子旋轉至2-3所示狀態(tài)，即內轉子相對外轉子繼續(xù)向同一順時針方向擺動同一角行程，各工作腔室又完成一個沖程。
同理，2-3狀態(tài)下氣門dp，aj開啟其余關閉，C腔作功，A腔進氣，B腔壓縮，D腔排氣至2-4狀態(tài)，2-4狀態(tài)下氣門cp，dj開啟其余關閉，B腔作功，A腔壓縮，C腔排氣，D腔進氣回復到2-1所示狀態(tài)。至此每個工作腔均完成進氣、壓縮、膨脹、排氣四個沖程、依次循環(huán)下去發(fā)動機不停地工作。此上循環(huán)相對于發(fā)動機旋轉方向而論，各工作腔室的作功先后是逆序而行的，事實上順序而行即與旋轉方向相同而排列各工作腔室的點火作功次序，其效果是等同的。也就是說如圖2所示氣門開啟和點火的順序均不改變而僅改變超越離合器6和3的單向閉鎖方向使之限定內外轉子均只能作逆時針轉動，則發(fā)動機改變了運轉方向。因此圖示發(fā)動機的運轉是可逆的，且能方便地通過改變自舉離合器的單向閉鎖方向而進行操縱。
由上述說明中可以看出發(fā)動機運轉過程中，內、外轉子是交替間歇地進行步進式旋轉運動，這種獨特的運轉方式可以有特殊的用途，但并不通用，一般需要是由一個機件輸出的連續(xù)轉矩。為達到此目的可以增加一套傳動裝置，使一個轉子所承受的順向力矩經傳動裝置及自舉離合器轉換成另一轉子的順向力矩而補上其承受逆向力矩的運動或輸出力矩的間歇期。圖3示意一種使外轉子在發(fā)動機工作過程中除每一沖程完成而進入下一沖程的交替點外始終承受期望方向力矩，相對于固定軸連續(xù)運轉并輸出力矩的裝置，其中內轉子作間歇止動或以外轉子兩倍速度步進旋轉。事實上選用其他功能原理相同的傳動裝置，或使內轉子作為連續(xù)運動機件都是可行的。
圖3中外轉子1充作行星架，其上裝置圓錐行星齒輪5、與外轉子超越離合器2上裝置的圓錐齒輪6和內轉子3一端裝置的圓錐齒輪7共同組成一個ZUWGW型行星齒輪系。4是內轉子超越離合器，其超越方向與2相同，外轉子1以普通軸承9裝置于固定軸8。若2、4選用一般單向閉鎖裝置則圓錐齒輪6和內轉子3也應以軸承裝置于固定軸8。圖3僅示意主要構件之關系和傳動副、其余同圖1所示。
圖3所示結構還可以作為另一種組合，即當發(fā)動機需要較大的功率時，可將多個單機組合在一起，以兩個為例，將兩個單機之外轉子固聯(lián)為一體，中間裝置行星圓錐齒輪，而與兩個內轉子相鄰一端分別裝置的圓錐齒輪共組成一個ZUWGW型行星齒輪系，兩內轉子與固定軸間裝置同一方向的單向閉鎖裝置即自舉離合器，則外轉子連續(xù)運轉較為均勻地輸出轉矩。
由本發(fā)明構成兩沖程的發(fā)動機，柴油機也是可行的只在配氣、點火、噴油等設計上有差別，而這些成熟的內燃機技術均可對應移植到本發(fā)明的發(fā)動機設計中。本發(fā)明中擺動式氣缸的工作腔室數(shù)即內外轉子葉片數(shù)是可以增減的，并不限定是圖示雙葉片擺動式氣缸，但工作腔室數(shù)應為所設計發(fā)動機沖程數(shù)或為其整倍，工作腔室數(shù)較多時每一沖程的角位移愈小，將改善發(fā)動機的低速特性。
本發(fā)明所提供的自舉旋轉發(fā)動機具有結構簡單，無往復運動件直接輸出旋轉力矩等顯著優(yōu)點，同時具備一般內燃機的熱機特性和技術優(yōu)勢，因此是一種極具發(fā)展?jié)摿Φ男滦桶l(fā)動機。此外由于本發(fā)明的發(fā)動機的多個工作腔室構成封閉環(huán)形，并依次轉換工作沖程，極有利于拓展轉閥配氣而取代復雜的氣門配氣技術使發(fā)動機結構更趨簡單、合理和可靠。
圖4是一基本完整的自舉旋轉發(fā)動機，它包括起動機發(fā)動機本體和配氣機構。是本發(fā)明的一個具體實施例。圖5圖6圖7分別為圖4的A-A、B-B、C-C視圖，各部分主要構件統(tǒng)一標注，列舉如下1固定軸2起動機外轉子3外轉子葉片4葉片密封件5E腔通道口6內轉子葉片7葉片密封件8F腔通道口9起支機內轉子10F通道11E通道12密封件13軸承14起動機超越離合器15密封件16圓錐齒輪17行星圓錐齒輪18軸承19軸20圓錐齒輪21軸承
22支承圈23進氣凸輪組件24過橋齒輪25密封件26發(fā)動機外轉子27外轉子葉片28葉片密封件29發(fā)動機內轉子30內轉子葉片31葉片密封件32燃燒室33氣門34密封件35火花塞36排氣通道37過橋齒輪軸38過橋齒輪39環(huán)形槽40針齒41行星針輪42行星齒輪43行星架44弧形槽45行星針輪軸46中間齒輪47氣門頂桿48太陽輪、排氣凸輪組件49中間齒輪軸50發(fā)動機內轉子超越離合器51軸承52排氣通道53太陽輪軸承54齒圈55角行程補償構件56彈簧57拉簧58死點引出器59進氣通道60起動附加設備由于本發(fā)明所提供的自舉旋轉發(fā)動機，其運轉方式的特殊性，建立適于發(fā)動機工作的初始狀態(tài)的起動過程是一般起動設備所難于達到的，因此本發(fā)明還包括一種起動機，其運轉特性是與發(fā)動機相適應的。
起動機是將液壓能轉換為旋轉機械能的自舉步進式馬達，由圖4和圖5示意。起動機外轉子2為圓柱狀殼體，向內裝兩徑向葉片3、內轉子9為筒狀圓柱狀，向外裝兩徑向葉片6置于外轉子中，二者構成一個雙葉片擺動缸，其中由葉片分隔形成的四個空腔兩兩對稱連通分別稱為E腔和F腔如圖5中標注，即為起動機進行能量轉換的工作腔室。各腔室有通道口5和8、固定軸1中設有E腔通道11和F腔通道10分別以旋轉連通方式連通相應腔室，用以供給和泄放液壓介質。
發(fā)動機本體為前述基本形，由圖4圖6示意，兩只內轉子葉片30的兩側均有凹入的燃燒室32并裝置有進排氣氣門和火花塞、進排氣氣門軸向裝設于內轉子29體中，分向兩端由各氣門頂桿47控制啟閉，固定軸1中設有進氣通道59和排氣通道36，分別以旋轉連通方式經各腔室相應氣門連通各腔室的燃燒室，用以提供工質和排放廢氣，為防止發(fā)生串火或因高溫使鄰近腔室提前自燃、內外轉子葉片設計有足夠厚度和可靠密封，內外轉子體及葉片內還可設計通入冷卻介質用以降溫。
起動機外轉子2與發(fā)動機外轉子26堅固聯(lián)接為一體，并以普通軸承13和51安裝于固定軸1，起動機內轉子9，發(fā)動機內轉子29分別以滾柱式超越離合器14和50安裝于固定軸1，限定二者只能作同一單向旋轉，且在超越方向上可起到滾柱軸承的作用。若使用雙向超越離合器則使之同時受控換向，始終保持同一超越方向。
起動機外轉子2與發(fā)動機外轉子26聯(lián)接的中間殼體有幅條連接安裝支承圈22，殼體與支承圈間裝設多個行星圓錐齒輪17。起動機內轉子9和發(fā)動機內轉子29相鄰近一端分別緊固安裝圓錐齒輪16和20，三者組成ZUWGW行星齒輪系使起動機，發(fā)動機內轉子之間建立差動關系。起動機內外轉子相對擺動的角行程與發(fā)動機內外轉子間相對擺動的角行程相等，圖中標注為α、而其相對擺動的相位則相反，例如圖示起動機內轉子葉片處于緊靠起動機外轉子葉片順時針方向側的極限位置時，即F腔容積為最大時，發(fā)動機內轉子葉片處于緊靠發(fā)動機外轉子葉片逆時針方向側的極限位置，即B、D腔容積為最大。起動機轉子葉片形狀設計使其在極限位置有緩沖作用，以避免葉片，尤其是發(fā)動機葉片在工作時相撞沖擊。
由于本發(fā)明所提供的發(fā)動機的工作過程中，其狀態(tài)與轉子相對于固定軸的實際空間位置無關，因此為達到使發(fā)動機正常配氣工作的目的，本發(fā)明同時提供一種配氣機構由圖4圖7示意。
發(fā)動機外轉子26端蓋一側，設有環(huán)形槽39，其兩頂點槽中心線之間的夾角為發(fā)動機內外轉子相對擺動的設計角行程α，或略小于α，環(huán)形槽中間等距裝設若干針齒40，兩端裝置死點引出器58，其彈簧力迫使行星針輪41軸在一端進入環(huán)形槽的內圓弧槽中而在另一端進入環(huán)形槽的外圓弧槽中。行星針輪41與行星齒輪42固連同軸轉動，由軸45裝置于行星架43，軸45一端沿環(huán)形槽39運動使行星針輪41始終與針齒40嚙合，同時軸45可沿行星架43的弧形槽44擺動使行星齒輪42始終與裝置于行星架43上的中間齒輪46嚙合，行星架43安裝于發(fā)動機內轉子29一端，并裝有角行程補償構件55，彈簧56使其基本上跟隨發(fā)動機內轉子運動。行星架與發(fā)動機內轉子裝置氣門頂桿的端面之間安裝有太陽輪48、太陽輪48以滾針軸承和止推軸承53安裝于內轉子29并與中間齒輪46嚙合。以上便構成了一套行星針輪正時齒輪系，其傳動比為26α/π，即發(fā)動機內外轉子相對往復擺動一個周期，行星針輪軸45沿環(huán)形槽39運動一周，沿弧形槽44往復擺動一個周期，而太陽輪48相對于發(fā)動機內轉子29轉動半周，即180°。
由圖6可見發(fā)動機各工作腔的進排氣氣門分向內轉子29兩端各4個，但4個氣門在圓周上并非均布，因此兩端氣門頂桿47伸出內轉了端面分為兩組同一直徑上氣門其頂桿伸出端面在同一圓周上，而相鄰氣門頂桿伸出端面處在不同直徑的圓周上，如圖8(a)所示。太陽輪48同時為排氣凸輪組件，其相對排氣氣門頂桿伸出端面設有端面凸輪、凸出部分為二條略大于90°圓弧，二條圓弧的半徑分別與上述氣門頂桿伸出端面的圓周相應，如圖8(b)所示。凸出圓弧略大于90°是與氣閥疊開現(xiàn)有技術對應的。在內轉子29的另一端設有與排氣凸輪組件48完全對稱相似的進氣凸輪組件23，過橋齒輪24和38緊固裝于穿過發(fā)動機外轉子葉片內壁的轉軸37并分別與23和48嚙合使二者同步等速旋轉，且安裝使其凸輪相對位置符合設計正時順序，同時排氣凸輪組件48設置有分電盤或另由正時齒輪與48嚙合并驅動分電盤。點火，進排氣順序設計如前文所述。而電氣線路的設置是無特殊要求和易于實現(xiàn)的。
上述配氣機構僅作為一個實例，其設計是可有多種，如前文所述本發(fā)明具有實施轉閥配氣的優(yōu)勢，若在上述機構中去掉氣門，頂桿和凸輪而代之以轉閥令轉閥與太陽輪48同步轉動，轉閥孔與圖8(b)弧形相應，或改變?yōu)閺较蚧⌒伍y孔而將轉閥套置于固定軸1的旋轉通道與內轉子體之間，閥孔掃過各腔室通道口即可達到正時配氣的目的，其結構則更為簡單可靠。
為使起動機得以工作，需附設一蓄能器，液壓油箱和至少一個控制閥如圖5所示起動附加設備60、控制閥為二位四通閥，由兩端電磁鐵控制換向，而兩端電磁鐵分別由發(fā)動機配氣機構反饋的A、C工作腔之一點火作功和B、D、工作腔之一點火作功兩組信號控制，起動機E、F腔交替充入和泄放壓力介質、將迫使發(fā)動機內外轉子相對往復擺動，在配氣機構正時動作同時令起動機控制閥適時換向條件下、發(fā)動機各工作腔室完成進氣、壓縮、點火、排氣各沖程直至進入正常工作運轉狀態(tài)。發(fā)動機正常工作后可交換起動機控制閥兩端電磁鐵的控制信號，則起動機內外轉子在發(fā)動機工作的動力驅動下相對往復擺動，E、F腔交替吸入和壓出壓力介質，起動機工作在液壓泵狀態(tài)，向蓄能器充入壓力介質以供下一次起動之用。若使起動機E、F腔通道直接連通并切除蓄能器和液箱，則起動機工作在輕載阻尼狀態(tài)，使發(fā)動機工作更趨平穩(wěn)。
如前所述本發(fā)明所提供自舉旋轉發(fā)動機可將往復活塞式內燃機的成熟的設計，工藝技術等大量應用，附屬裝置機構也是如此，如化油、排氣凈化、消音、冷卻散熱、高壓電路、噴油裝置等等。同時對于工質亦無特殊要求，所有能用于往復活塞式內燃機的燃料都可用同樣的方式利用。
權利要求
1.一種自舉旋轉發(fā)動機，它基本是由擺動式氣缸，自舉離合器和支承構件組成，其特征在于所述擺動式氣缸是由能進行相對往復旋轉擺動的運動構件-內、外轉子所構成，內外轉子間形成若干容積可變密封隔離的空腔，每個空腔即為發(fā)動機的一個工作缸，設有進人工質和排出廢氣的通道，啟閉控制和點火裝置，所述自舉離合器是指現(xiàn)有技術中的各種超越離合器，棘輪機構或其他單向閉鎖裝置，上述內、外轉子均通過自舉離合器裝設于支承構件并被限定只能作相同方向單向旋轉運動，所述支承構件是指作為發(fā)動機的靜止支承物、限定所述內、外轉子只有旋轉自由度，其中設置有供給工質排出廢氣通道并以旋轉連通方式連通上述工作缸的構件。
2.根據(jù)權利要求1所述的自舉旋轉發(fā)動機，其特征在于構成所述擺動式氣缸的內、外轉子均設有兩只徑向葉片，從而形成四個工作腔室，每個工作腔室的進排氣氣門和火花塞設置于所述內轉子葉片凹入的燃燒室中，內轉子通過自舉離合器裝置于支承構件，外轉子上裝設行星齒輪與內轉子和另一自舉離合器上裝置的齒輪嚙合、建立差動齒輪系，并以普通軸承裝置于支承構件，所述支承構件是固定軸，上述內、外轉子同軸裝置其上。
3.根據(jù)權利要求1、2所述的自舉旋轉發(fā)動機，其特征在于它同時設置有起動機，起動機為一自舉步進式液壓馬達、其運動方式與發(fā)動機相同，并使其擺動角行程相等、起動機的動作交替步進換向受所述發(fā)動機配氣機構正時控制。
4.根據(jù)權利要求1、2所述的自舉旋轉發(fā)動機，其特征在于發(fā)動機的配氣機構是由設置于所述發(fā)動機外轉子一端的環(huán)形槽，環(huán)形槽為兩段與外轉子端面圓同心、直徑不等的圓弧槽兩端圓滑連接，兩端槽中心線夾角等于發(fā)動機設計擺動角行程，環(huán)形槽中間設置的針齒，設置于所述發(fā)動機內轉子上的行星架，行星架上裝設的行星針輪行星齒輪和中間齒輪，行星針輪與行星齒輪同軸固連與上述針齒嚙合而行星齒輪與中間齒輪嚙合，和設置于所述發(fā)動機內轉子上可自由轉動并與上述中間齒輪嚙合的太陽輪所構成的行星針輪正時齒輪系，其傳動比為2α/π即所述內、外轉子相對往復擺動一個周期則太陽輪相對所述內轉子旋轉180°。
5.根據(jù)權利要求1所述的自舉旋轉發(fā)動機，其特征在于發(fā)動機各工作腔的進排氣啟閉裝置是轉閥。
全文摘要
本發(fā)明提供一種自舉旋轉發(fā)動機，是屬于熱力發(fā)動機領域中的一種新型旋轉式內燃機，它是由擺動式氣缸、自舉離合器和支承構件組成，構成擺動式氣缸的內外轉子均為運動構件，其間形成的若干工作腔室、每個工作腔室均相當于一般內燃機的一個缸、其中設有進排氣氣門和火花塞、內外轉子通過自舉離合器的作用，而作自舉步進旋轉運動，結構簡單、無往復件，其熱動力學原理與一般內燃機同，可充分利用現(xiàn)有成熟技術設計性能更佳的直接輸出旋轉力矩的發(fā)動機。
文檔編號F02B53/02GK1085731SQ9211156
公開日1994年4月27日 申請日期1992年10月12日 優(yōu)先權日1992年10月12日
發(fā)明者郭仁發(fā) 申請人:郭仁發(fā)