名称：多转子纯滚动内燃机

专利人： 刘少林

专利号：202010694884.0

技术领域

本发明属于发动机技术领域，具体涉及一种由多个转子组成的变容式发动机。

背景技术

目前，内燃机主要包括往复活塞式内燃机和三角转子发动机。三角转子发动机主要由“8”字形缸体和三角转子组成。转子旋转时，三个顶角将气缸分为三个独立空间，各自完成吸气、压缩、燃烧、排气四个过程。三角转子发动机输出轴转速是转子的3倍，转子每自转一圈发动机点火三次。与往复活塞式内燃机相比，由于改直线往复运动为旋转运动，省去曲柄连杆机构，体积小，振动小，噪声小，而且功率大。但是，转子发动机三角转子的三个顶角边工作时始终与气缸壁线接触，虽然在顶角上有类似活塞环一样的密封件，但密封件长期在无法良好润滑的条件下工作，磨损十分严重，转子寿命短。三角转子发动机转速高、密封易磨损，造成其燃烧不充分，污染较重。另一方面，三角转子发动机的结构形式决定了它的工作气室容积变化不大，与传统往复活塞式内燃机相比压缩比较小，一般无法采用压燃方式点火。较小的压缩比造成转子发动机热效率低，油耗高。

发明内容

本发明设计了一种发动机，目的是解决三角转子发动机以下缺点：

1、磨损严重，零部件寿命短。2、油耗高，污染重。

本发明所采取的技术方案是：

使用多个运动的转子围成一个横截面封闭的区域，在转子两端加装盖板形成气缸。转子在运动过程中，相邻转子之间以纯滚动的方式接触。去掉气缸侧壁，转子之间以纯滚动方式接触，使得磨损降至最低，提高了转子寿命。发动机工作时，通过齿轮组的转动，带动多个转子公转的同时自转，实现气缸容积的变化。转子每自转半圈，气缸体积由最小增至最大（参见附图1），转子自转一圈完成内燃机吸气、压缩、做功、排气四个过程。这种方式得到的压缩比理论可达39.3，较高的压缩比意味着较高的热效率，较低的油耗和污染。

为得到两个相互做纯滚动运动转子的轮廓线采取的技术方案：（参见附图2）

设轮廓线α绕点A以角速度ω1顺时针公转，同时绕自身中心H 以角速度ω2顺时针自转；轮廓线β绕点B以角速度ω1逆时针公转，同时绕自身中心E 以角速度ω2逆时针自转。α、β在t时刻相位角分别为φ1、φ2，公转半径均为r。其中ω1:ω2等于2:1，点A、B间距L。α、β绝对速度瞬心为P、Q，P与H关于点A中心对称，Q与E关于点B中心对称。P、Q连线中点S即为纯滚动接触点。在一个自转周期（2π/ω2）时间内取足够多个接触点（例如500个），将接触点的绝对坐标变换到与α（或β）相对静止的相对坐标系下，连接这些坐标点可得轮廓线α（或β）。轮廓线公转半径相同，且自转和公转周期分别相等时，轮廓α1线形状相同。

为实现多个转子围成密闭区域采取的技术方案：（参见附图3至附图7）

在求出t时刻转子轮廓线α、β之后，（t＋t0）时刻，α、β处在α0、β0位置（如图3）。其中，t0=Φ/ω2（Φ=2π/3）。将α0及点C（β0中心点）绕点B顺时针旋转Φ弧度，得到α1及点D。将α1沿点D到点E的方向和距离平移，得到α2，α2与β相切。图4中，将点F（α0中心点）及β0绕A点逆时针旋转Φ弧度，得到点G及β1，将β1沿点G到点H的方向和距离平移得到β2，β2与α相切。（t－t0）时刻α、β处在α3、β3位置（如图5）。将点J（β3中心点）及α3绕B点逆时针旋转Φ弧度，得到点K及α4，将α4沿着点K到点E的方向和距离平移得到α5，α5与β相切。图6中，将点M（α3中心点）及β3绕A点顺时针旋转Φ弧度，得到点N及β4，将β4沿点N到点H的方向和距离平移得到β5，β5与α相切。最后，将α、β2及β5沿AB方向向左平移3倍L，得到α6、β6及β7（如图7）。α2、β、α5、β7、α6及β6围成一个封闭区域（图7中阴影区域）。

随着t的变化，轮廓α2、β、α5、β7、α6、β6中心R''、E、T''、U''、V'、W''的公转轨迹呈圆形或椭圆形（参见附图8），边长为L的正六边形RBTUVW顶点为公转中心。为了确定转子中心的位置，作辅助点R'、T'、U'、W'。坐标系Oxy原点位于正六边形RBTUVW中心，且横轴与RW平行，其中：

RR'=BE=TT'=UU'=VV'=WW'=r，

RR'' =TT''=UU''= WW''=rsin(Φ)/cos(Φ/2)，

RR'、BE、TT'、UU'、VV'、WW'与x轴正方向夹角（逆时针方向为正）依次为：

(φ1-3Φ+ω1t)、φ2-ω1t、(φ1+3Φ+ω1t)、(φ2-3Φ-ω1t)、φ1+ω1t、(φ2+3Φ-ω1t)，

R'R''、T'T''、U'U''、W'W''与x轴正方向夹角（逆时针方向为正）依次为：

(φ2+0.5Φ-0.5π-ω1t)、(φ2-0.5Φ+0.5π+ω1t)、(φ1+0.5Φ-0.5π-ω1t)、(φ1-0.5Φ+0.5π+ω1t)，

α2、β、α5、β7、α6、β6绕各自中心旋转相位角（逆时针方向为正）依次为：

φ1-2Φ-ω2t、φ2+ω2t、φ1+2Φ-ω2t、φ2-2Φ+ω2t、φ1 -ω2t、φ2+2Φ+ω2t，

通过上述式子可以确定任意时刻转子中心位置及相位角。

若将Φ由（2π/3）改为（π/2），φ1=-0.34π，φ2=1.576π，其它条件不变，按照上述变换，α、β、α2、β2围成封闭区域，可形成四转子发动机（参见附图9）。

为实现转子的运动采取的技术方案：

首先，通过附图10和图11所示的齿轮组实现转子的圆轨道运动。传动曲轴2一端穿过固定齿轮3与输出齿轮4联结，另一端与输入齿圈1中心轴共线。输入齿圈1的头部凹槽将与转子输出轴联结。传动曲轴2以半径r旋转，带动输入齿圈1公转，同时输入齿圈1与固定齿轮3啮合。输入齿圈1与固定齿轮3的齿数比为2:1，输入齿圈1自转一圈，其中心轴绕固定齿轮3中心轴旋转两圈，从而实现转子的圆轨道运动。

通过附图12和图13所示的齿轮组实现转子的椭圆轨道运动。固定的齿圈11和固定的轴承10中心轴共线，传动曲轴9一端穿过轴承10与输出齿轮4联结，另一端与约束齿轮8中心轴共线。传动曲轴9旋转半径为r，固定齿圈11与约束齿轮8啮合，齿数比为2:1。输入齿轮5的头部凹槽与转子输出轴联结，同时与齿数相同的变速齿轮6啮合。变速齿轮6与传动齿轮7啮合，变速齿轮6与传动齿轮7的齿数比为4:3。传动齿轮7中心轴与约束齿轮8中心轴共线，并与穿过约束齿轮8的传动曲轴9一端联结。传动曲轴9旋转两圈，输入齿轮5沿椭圆轨道运动的同时自转一圈，即实现转子的椭圆轨道运动。

为将转子组两端密封采取的技术方案：

对六转子发动机，转子组两端输出轴的中心不断运动，要对转子组两端密封，需要随转子中心轴一起运动的开孔滑片（参见附图18）。大圆片14上开有六个大圆孔，大圆孔中心处于附图8中正六边形的顶角上。在大圆孔里填补上等大的小圆片15，在小圆片15上开偏心小圆孔15.1，小圆片15与小圆孔15.1圆心的距离为r。发动机工作时，转子17两端输出轴17.1穿过小圆孔15.1，带动小圆片15在大圆孔内旋转，同时大圆片14随着转子组一起滑动，使得转子组两端时刻保持密封状态。

对四转子发动机（参见附图21），采用开孔的密封片进行密封。一种方法是，首先在绝对坐标系下计算四个转子轮廓线中心的坐标，取四个坐标的平均值为相对坐标系原点的坐标（坐标轴方向不变）。工作时，四转子输出轴在相对坐标系下的轨迹即为开孔形状。

本发明取得的有益效果是：

与三角转子发动机相比，本发明不存在气缸侧壁，各转子之间以纯滚动的方式接触，无滑动摩擦。在齿轮组约束下，转子在接触点不受正压力作用。另一方面，齿轮组处于气缸外部，不受高温高压环境的影响，可以得到很好润滑，实现了降低磨损的目的。在压缩比方面，当r=0.21L，φ1=－0.34π，φ2=1.45π时，六转子发动机压缩比可达39.3，远高于转子发动机。一般来说，压缩比越高，热效率越高，油耗越小，污染越小，达到了设计目的。由于压缩比大幅提升，本发明可采用压燃的方式点火。

与直线往复式内燃机相比，本发明转子做旋转运动，振动和噪声较小。另外，本发明没有厚重的气缸侧壁和曲柄连杆机构，相同条件下可以得到较大的气缸容积，（例如六转子发动机，相邻转子公转中心间距L为10cm，转子高10cm时排量可达3.2L以上）整个发动机体积小、重量轻、排量大。在摩擦方面，避免了活塞与气缸侧壁的摩擦，提高了零件的寿命。

本发明的缺点在于，要实现多个转子的纯滚动，对齿轮组和转子组的加工精度要求较高。另外，齿轮组的磨损在一定程度上影响转子组密封的好坏，对齿轮的耐磨性有一定要求。