柱塞旋轉式發動機的製作方法

2023-10-17 21:31:39 2

專利名稱：柱塞旋轉式發動機的製作方法
柱塞旋轉式發動機屬於一種動力設備，可用來為汽車和其它設備提供動力的新型汽油發動機。
本發明以前所有的發動機除了少部分屬於還要繼續研製開發的三角活塞轉子發動機以外，幾乎全部都是已有近百年歷史的往復式發動機。這類發動機存在著一系列根本缺點，例如一臺四衝程發動機，曲軸要轉兩周(720度)才做功一次。並且由於發動機有曲軸、連杆等結構不僅使結構複雜化、機體龐大等而且也限制了發動機轉速的提高。近20年新發明的三角活塞轉子發動機雖然較往復式發動機有單位工作容積功率大，振動輕微、結構簡單、可燃低辛烷值汽油等一系列優點，但仍存在著低速性能差和經濟性差，啟動性能和耐久性有待改善等問題。本發明的目的是針對上述往復式發動機轉速不高、結構龐大、結構工藝複雜和三角活塞轉子發動機活塞工作的嚴酷性和全機經濟性不好等問題而研製本發明這種具有高效、高轉速、結構簡單的柱塞旋轉式發動機。
柱塞旋轉式發動機的主要特點是旋轉運動和往復運動的結合，即沿一特殊曲線環形軌道行走的缸筒與和動力輸出軸連成一體構成轉子的高速旋轉的柱塞之間做往復運動。柱塞和缸筒之間的工作方式和工作腔的變化規律正好符合四衝程內燃機工作規律。發動機工作時，氣體爆發壓力直接推動柱塞並帶動與柱塞構成的轉子連在一起的帶軸肩的園柱形動力輸出軸輸出動力。在缸筒沿著按照發動機作功四衝程時間分配需要而設計的軌道上行走一圈時，柱塞與缸筒之間正好作一次往復運動，完成一次做功同時也帶動動力輸出軸轉動一周。
下面結合附圖對本發明的構思進行描述。


圖1.柱塞旋轉式發動機主要結構2.發動機的旋轉與往復部份圖3.柱塞內進、排氣門，氣道布置圖4.配電系統圖5.以一缸為例的工作過程圖6.冷卻、潤滑系統圖7.機殼全機作功的主要部分是圖2所示旋轉部分中的柱塞[31]和做往復運動的沿導軌[1]運行的缸筒[30]。
全機(圖1)的旋轉部分除了由各個柱塞[31]鑄在一起形成的轉子[6]外還包括配電凸輪[5]、排氣管[8]、冷卻風扇[11]、套有起動齒圈[17]的飛輪[16]、動力輸出軸[21]和機油泵齒圈[24]等。
各個柱塞(圖3)內有進氣門[41]、進氣道[42]、排氣門[43]、排氣道[44]、大小彈簧[47]和挺杆。柱塞上還開有冷卻油道[45]、柱塞頭的外部鑲有三道密封環[46](即二道氣環、一道油環)。全機根據功率和轉速等需要而決定的幾個柱塞全部在根部被鑄成一體(稱轉子[6])。
位於發動機(圖1)上部的排氣管[8]、轉子[6]、帶軸肩的園柱形動力輸出軸[21]是通過頭部埋入軸肩園孔內的大螺釘[12]連成一體。為減少排氣阻力，排氣管內管可鑲入耐高溫陶瓷管[9]，排氣管外套有通過鍵[7]連接的冷卻風扇[11]和配電凸輪[5]。
端部有花鍵[18]的動力輸出軸[21]不需要很長便可用鎖緊螺釘[19]、銷子[20]或漲套直接與飛輪[16]連接是本機的一大優點。
本發明的發動機不需要曲軸、連杆結構可稱是發動機的一大革命，因為即使是現今正在繼續研製的三角活塞轉子發動機也並不能完全取消曲軸，只是在曲軸的型線上有所變化，本發動機取消了體積大、重量重、加工複雜、工藝要求高的曲軸連杆結構，還使軸的長度大大縮短，無疑使全機體積減小，重量減輕、增加出力、提高轉速等帶來一系列優點。
本發動機的旋轉部分(圖1)還包括三個軸承的內圈，即用來支承轉子，防止轉子軸向和徑向竄動的上、下滾柱軸承[4]、[23]的內圈和裝於動力輸出軸下部為防止動力輸出軸擺動的滾柱軸承[22]的內圈。
本發明的缸筒與柱塞數目依輸出功率和轉速等而定，因此可以製成1、2、3……各個缸數。
做為往復部分的缸筒(圖1)，其頂端裝有能周期地與高壓分電板[28]接觸的火花塞[29]，缸筒[30]兩側面各有一個能安裝做為作功導輪的滾柱軸承[3]的軸[2]和安裝由黃銅製成的離心滾輪[26]的軸[25]。軸[2]應儘量靠近缸筒的下部，以保證柱塞在缸筒運動時的穩定性，避免拉筒。
工作導輪(圖1)[3]從發動機啟動起便帶著缸筒[30]沿導軌[1]行走，因導軌上各點與轉子中心點的距離是按發動機工作需要而設計為不斷變化的，因而沿導軌行走的缸筒與其所套的柱塞之間也不斷的變化著相對位置，從而能完成四衝程做功。離心滾輪[26]僅僅在發動機啟動瞬間(幾秒鐘時間內)起作用和工作。這是因為在電動機帶動發動機啟動的瞬間發動機的轉速不高，缸筒的離心力不夠，因而不能使每一對缸筒和柱塞之間得到必要工作的距離，發動機便不能自行工作，因而必須由離心導輪增加缸筒的離心力，強制拉開缸筒與柱塞，實現必要的作功距離而開始作功。在發動機投入正常運行後，缸筒有足夠的離心力，而使工作導輪沿導軌正常運行。離心導輪便不再起作用與工作。停機時由於離心導輪的存在，保證缸筒不能自然下落，而保持與柱塞間合理的距離，便於下次啟動。
本發動機(圖1、圖5)的另一重要部件是分別與上、下機殼鑄成一體或分別安裝在上、下機殼上由耐熱、耐磨材料製成，結構穩定性很好的一對形狀一致位置對稱的導軌[1]。它是一個環形軌道，軌道形狀是依據四衝程發動機各個衝程時間分配需要而設計的。例如吸氣和壓縮行程以及作功和排氣各行程所佔的最合理的時間是不同的，並且在各個行程的各個階段的時間分配也是不均的，因而導軌的形狀的不僅不是正園或規則的橢園，而且在導軌的各段的軌跡也是不同的，要經過仔細的計算、設計才能確定。導軌的截面形狀是要根據機械強度、導軌磨損的需要和加工的經濟性等來設計的。
發動機的配電系統(圖4)是通過安裝在旋轉部分的排氣管[8]外的配電凸輪[5]來控制的。這是由於本發明中雖然裝在缸筒頂部的火花塞[29]周期的與裝在機殼上的高壓分電板[28]接觸有較大的接觸面和較長的接觸時間，然而為了防止由於裝在機殼內的油不清潔而導電，因此高壓電路的通、斷不依賴機殼內的接點，而由機殼外與缸數相同的多角配電凸輪來控制機外接點的接通、切斷。在高壓電路[52]接通時，低壓電路[51]切斷。當本發動機被設計使用轉速為7000轉/分以上時，必須採用電子點火系統以適應高速的需要。
本發動機的配氣(圖5)是靠裝在下機殼上伸入到靠近中心的套筒上的一對進氣凸輪[61]和排氣凸[62]來控制。兩凸輪的型線根據配氣過程需要來設計。進氣角和排氣角分別設計為120度左右和60度左右是適宜的。由全機只一對進、排氣凸輪代替現今使用的發動機的一對活塞、氣缸就有一對進、排氣凸輪的結構，顯然是很大的進步，新結構不僅簡單、安裝簡便、剛度也可以大大的提高，無疑有利於減小發動機的體積，提高發動機的壽命、降低造價，尤其是有利於發動機提高轉速。由於本發明中配氣凸輪不轉動，而是在柱塞內的氣門挺杆[63]圍繞凸輪轉動，因此在凸輪頂動氣門挺杆與氣門挺杆接觸的瞬間，氣門挺杆就會受到一個側向壓力或謂側向撞擊，有折彎挺杆的可能或影響挺杆壽命，故本發明中氣門挺杆應設計成短而粗的，這在本機的結構布置上是允許和可以辦到的。
發動機的潤滑與冷卻問題常常成為發動機能否實現設計功率，甚至能否正常工作的一個重要問題。人們一直在為改進發動機的冷卻、潤滑做努力、想辦法改進設計，實現降低各個關鍵部件的溫升，以增加出力，提高壽命。人們正在繼續研製的三角活塞轉子發動機的潤滑、冷卻問題也還是一個有待進一步解決的問題。發明人在對本發明進行結構構思時就已十分注意潤滑和冷卻問題。
這裡初步考慮有三個途徑，即1.油冷卻、潤滑系統(圖6)，轉動的機油泵齒圈[24]帶動機油泵[71]，泵出的機油經機外管道[74]、機油散熱器[13]、上機殼鑄件內的油槽[73]後分成兩路，一路由柱塞油道經柱塞進、排油道[45]流入並沉積在發動機下殼[72]內，由於轉子的轉動又將機油帶起經機油導流板[27]激濺到導軌[1]、工作導輪[3]以及缸筒[30]等上面，又返回機油泵[71]……再繼續循環。另一路則經轉子鑄件[6]、動力輸出軸[21]、配氣凸輪[61、62]、氣門挺杆[63]、下軸承[22]返回到機油泵[71]後再繼續循環。
2.風冷系統冷卻風扇[11]鼓起的冷風冷卻機油散熱器[13]的機油後又經機殼外的導風罩[13]導向冷卻機殼[14][16]。
3.由化油器帶出熱量在上機殼(圖7)一側經空氣濾清器接口[83]不斷地送入冷空氣，上機殼[14]另一側經化油器的接口[81]不斷地抽出熱空氣，帶走機內熱量。
本發動機的外殼由於受內部有旋轉部分的影響，只能由兩個扁扁的半園形或半橢園上下機殼[14][16]連接而成，當然機殼上要有定位結構，上、下機殼之間必須加密封圈經螺釘[15]連接。
本機的進氣管[82]位於機殼下方與柱塞內的進氣道相通。
從上述各部分結構構思看出，按照本發明構思完成的發動機應是直立式，從下部輸出動力，很適合於在汽車上安裝、使用。本發動機與現今使用的發動機相比取消了曲軸、連杆及配氣凸輪這些結構複雜、機械強度不高、影響轉速……的部件，本發動機不僅可以製成任何缸數(1、2、3、……)而且轉速高而平穩，結構簡單。又由於各缸各衝程工作時間的分配取決於導軌的軌跡，因而就可以使各段行程時間最為合理的分配，從而達到出力最大，燃料最省，排放汙染最小，作功平穩，體積小……。另外，初步估算，本發動機的動力輸出軸也相應短的多，例如與212發動機相比
儘管本發動機進氣管路較長、阻力較大，但從加大壓縮比，減小燃燒室容積或者使用增壓器是可以解決的。本發明的發動機還可以做成高轉速或低速大扭矩，並有可能根據輸出功率需要方便的形成系列產品等一系列優點，因此它能取代現今使用的效率不高，體積大，正趨於潛力挖盡的往復式發動機和正在研製尚不能理想使用的轉子發動機。它為內燃機的發展指出了一個新的方向。必將取得很好的經濟效益和社會效益。
權利要求
1.一種可為汽車和其他設備提供動力的汽油發動機其特徵在於高速轉動的柱塞與沿導軌行走的缸筒之間按照四衝程發動機工作原理做往復運動，與高速轉動的柱塞構成的轉子連成一體的動力輸出軸輸出動力，缸筒和柱塞之間做功一次，推動動力輸出軸轉動360度。
2.一種可為汽車和其他設備提供動力的汽油發動機其特徵在於它由高速旋轉的柱塞連成一體的轉子、動力輸出軸等構成的旋轉部分和包括缸筒、導輪等在內的往復運動部分及導向部分組成。
3.根據權利要求2.所述的發動機其特徵在於旋轉部分還包括排氣管、配電凸輪、飛輪和冷卻風扇、機油泵驅動齒圈等。
4.根據權利要求2.所述的發動機其特徵在於組成轉子的各個柱塞內有一對進、排氣門和彈簧、挺杆及進、排氣道，柱塞內壁開有冷卻油道，柱塞頭外部鑲有三道密封環(二道氣環，一道油環)。
5.根據權利要求3.所述的發動機其特徵在於位於全機上方中部的排氣管，通過大螺釘與轉子、動力輸出軸等連成一體，排氣管內壁可套以耐熱陶瓷管，排氣管外套有冷卻風扇、配電凸輪並通過鍵連接。
6.根據權利要求3.所述的發動機其特徵在於位於全機下部的飛輪與全機中央下端的動力輸出軸之間可用花鍵加螺母和銷子或漲套連接。帶軸肩的動力輸出軸又通過沉頭螺釘與轉子連成一體。
7.根據權利要求3.所述的發動機其特徵在於旋轉部分還包括為支承轉子並防止轉子軸向和徑向竄動在轉子上、下部安裝的兩個滾柱軸承的內圈和安裝在動力輸出軸下端防止軸擺動的滾柱軸承的內圈。
8.根據權利要求2.所述的發動機其特徵在於往復運動部分的各個分立的缸筒其頂部裝有能周期地與高壓分電板接觸的火花塞。缸筒上、下側邊各鑄有能安裝做工作導輪的滾柱軸承和做離心導輪的黃銅製成的滾輪的軸。
9.根據權利要求2.所述發動機其特徵還在於組成發動機的高壓分電板與火花塞有較長的接觸部位，而高壓電路的接通是依靠與缸數一致的多角配電凸輪來控制。高壓電路接通的同時，低壓電路切斷。當發動機設計轉速高於7000轉/分時，必須使用電子點火系統。
10.根據權利要求2.所述的發動機其特徵在於兩條結構形狀完全一致，安裝形、位完全一致的導向用導軌是與機殼製成一體或安裝在上、下機殼上，由耐熱、耐磨材料製成，根據四衝程發動機各個衝程分配時間不等而製成特殊形狀的環形軌道。安裝在缸筒上、下側邊的工作導輪(滾柱軸承)沿導軌滾動，發動機啟動時離心導輪也沿導軌滾動。
11.根據要求2.所述的發動機其特徵在於配氣工作是靠裝在下機殼上，伸入到靠近轉子中心套筒的一對進、排氣凸輪來控制;表面型線依配氣過程需要而定的凸輪的進氣角為120度左右，排氣角是60度左右是較適宜的。
12.根據權利要求2.所述的發動機其特徵在於機殼由帶有定位結構的上、下兩部分組成，加密封墊用螺釘連接，下機殼下方有進氣管。
13.根據權利要求2.所述的發動機其特徵還在於發動機的冷卻潤滑系統是(1)機油從被轉子上的機油泵齒輪帶動的機油泵壓出經外接管道、機油散熱器、上機殼鑄件油槽後分兩路，一路柱塞油道、柱塞、進氣門油道、排氣門油道流入發動機下機殼，機內轉子的轉動帶起機油，通過機油導流罩激濺，實現潤滑冷卻柱塞和缸筒、工作導輪和導軌，然後返回機油泵循環。另一路機油經轉子鑄件動力輸出軸、配氣凸輪、氣門挺杆、下軸承返回到機油泵再循環。(2)發動機的風冷系統是冷卻風扇鼓起冷風冷卻機油散熱器內的機油後又經裝於機殼外的導風罩導向冷卻機殼。(3)在上機殼的一端安裝空氣濾清器，不斷輸入冷空氣，上機殼另一端安裝的化油器不斷抽出經過機殼空間而變熱的空氣帶出機內熱量。
全文摘要
柱塞旋轉式發動機是一種可用做汽車動力或為其它設備提供動力的新型汽油發動機。本發動機由包括進、排氣門，氣道、冷卻油道在內的各個柱塞等連成一整體的旋轉部分和包括缸筒和導輪等在內的往復部分及導向部分等構成。旋轉的柱塞與沿導軌行走的缸筒之間按照四衝程發動機工作原理做往復運動，所產生的動力由位於轉子中心下部的動力輸出軸輸出。本機具有全機只一對配氣凸輪、無曲軸、連杆結構等特點和功率大、體積小、轉速高、結構簡單、製造方便等優點。
文檔編號F01B13/06GK1040850SQ8810612
公開日1990年3月28日 申請日期1988年8月26日 優先權日1988年8月26日
發明者顧永強 申請人:顧永強