专利名称：切割曲线旋转内燃机的制作方法
技术领域：
本发明是一种旋转式内燃机。
目前各种内燃机中，曲柄连杆最为成熟，但由于它是将活塞的直线运动通过曲柄连杆转换为旋转运动。由于运动机理的制约该发动机克服不了冲击大，振动大，噪声大，做功频率低，效率也很难提高的缺点。另一方面，目前的旋转发动机却存在工艺复杂，制作难度大，其中一部分根本就无法制造，或制造出来一致性差，报废率高，甚至有的原理欠妥，无法实现转动，或转动效率低，或机构过于复杂等缺点。
本发明试图提供一种原理简明、结构简单、工艺性好；振动、噪声、功率和排放都有很大改善的旋转内燃机——切割曲线旋转内燃机。
本发明
如下图1是本发明示例的主剖视图A-A；图2是本发明示例图1的右剖视图B-B；图3是1∶n同步切割曲线绘制(n＝1)；图4是1∶n同步切割曲线绘制(n＝2)；图5是1∶n异步切割曲线绘制(n＝3，k＝1)；图6是1∶n异步切割曲线绘制(n＝3，k＝2)；图7是1∶n反向切割曲线绘制(n＝2)；图8是1∶n反向切割曲线绘制(n＝1)；图9是本发明示例图2经向密封组成剖视图D-D；图10是本发明示例离心水泵视图；图11是本发明示例端面密封组成视图；本内燃机的组成示例，如图1和图2。
一、做功转子(1)和过气转子(2)的截面形状为切割曲线。切割曲线的绘制如下1、同步切割曲线。
如图3所示，半径为R的圆盘(3a)和半径为r的切刀(1a)可转动，在圆盘(3a)和切刀(1a)的轴线上固定有齿数为1∶1的链轮副(4a)(可用过桥齿轮副代替)。当圆盘(3a)转动时，切刀(1a)在链轮副(4a)的驱动下就会在圆盘(3a)上切割出1∶1同步切割曲线(7a)。同样方法，用半径为R的切刀(5a)可以在半径为r的圆盘(2a)上切割出1∶1同步切割曲线(6a)。
如图4所示，改变链轮齿数比例为1∶n(可用1∶n的内齿轮副或过桥齿轮副代替链轮副)——n为整数，代表与半经为R的圆盘(10a)相连的齿数，用上述的方法，可以在大小圆盘上获得1∶n的同步切割曲线(14a)、(13a)。
如图3(或图4)，选在大小圆盘上获得的1∶n的同步切割曲线(7a)、(6a)(或(14a)、(13a))分别作为做功转子(1)和过气转子(2)的截面形状。做功转子(1)有一个，过气转子(2)有n个。做功转子(1)和过气转子(2)的相对位置如图3(或图4)所示。可选1∶n的链轮副、过桥齿轮副和内齿轮副作为正时组件(7)。再配于缸体(3)和其它部件。就组成了1∶n的同步切割曲线旋转内燃机(简称同步旋转内燃机)。
2、异步切割曲线。
如图5(或6)所示，把半径为r的切刀(15a)(或(22a))定为间隔转动，即当半径为R的圆盘(17a)(或(24a))在α角度范围内连续转动时，半径为r的切刀(15a)(或(22a))不转动；当半径为R的圆盘(17a)(或(24a))在β角度范围内连续转动时，半径为r的切刀(15a)(或(22a))连续转动半周(此时转速比为1∶n，n＝π/β；k(α+β)＝π，k为整数。)。当半径为R的圆盘(17a)(或(24a))连续转动一周时，就能在其上切割出1∶n的异步切割曲线(21)(或(28a))。同样方法，用半径为R的切刀(19a)(或(26a))可以在半径为r的圆盘(16a)(或(23a))上切割出1∶n同步切割曲线(20a)(或(27a))，因为半径为r的圆盘在180度范围内为连续旋转，所以仍为同步切割曲线。
控制间隔运动的机构如图5(或6)所示采用1∶n的内齿轮副传动，内齿轮与半径为R的圆盘(17)(或(24))同轴连接，小圆柱齿轮与半径为r的切刀(15a)(或(22a))同轴连接。内齿轮为间断齿，每一处间断齿的齿数(该齿数在内齿轮上所占角度为β)等于小圆柱齿轮齿数的二分之一，从而实现半径为R的圆盘(17a)(或(24a))转过β时，半径为r的切刀(15a)(或(22a))连续旋转半周。每一处间断齿，无齿部分为α，须满足k(α+β)＝π，k为整数。在内齿轮上设置凸台，在小圆柱齿轮上设置凹槽，凸台和凹槽的位置如图5(或图6)所示；其在内齿轮上所对应的弧度之和等于α。从而实现半径为R的圆盘(17a)(或(24a))转过角度为α时，半径为r的切刀不发生转动。
如图5(或图6)，选在半径为R的圆盘(17a)(或(24a))上获得的1∶n的异步切割曲线(21a)(或(28a))作为做功转子(1)的截面形状；选在半经为r的圆盘(16a)(或(23a))上获得的1∶n的同步切割曲线(20a)(或(27a))作为过气转子(2)的截面形状。做功转子(1)有一个，过气转子(2)有k个。做功转子(1)和过气转子(2)的相对位置如图5(或图6)所示。选1∶n内齿轮副(内齿轮为间断齿)作为正时组件(7)。配于缸体(3)和其它部件。就组成了1∶n的异步切割曲线旋转内燃机(简称异步旋转内燃机)。异步旋转内燃机由于存在间隔运动和冲击，只适用于低转速。但异步旋转内燃机的优点在于缸体尺寸相同的情况下，它的排量大于同步旋转内燃机。
3、反向切割曲线。
如图7(或图8)所示，半径为R的圆盘(31a)(或(35a))和半径为r的斧形切刀(29a)(或(33a))可转动。在圆盘(31a)(或(35a))和斧形切刀(29a)(或(33a))的轴线上固定有齿数为1∶n的齿轮副(30a)(或(34a))，n为整数，代表与半经为R的圆盘相连的齿数。当我们转动圆盘(31a)(或(35a))时，切刀(29a)(或(33a))在齿轮副(30a)(或(34a))的驱动下就会在圆盘(31a)(或(35a))上切割出1∶n反向切割曲线(32a)(或(36a))。
如图7(或图8)，选在半经为R的圆盘(31a)(或(35a))上获得的1∶n的反向切割曲线(32a)(或(36a))作为做功转子(1)的截面形状。选取斧形切刀(29a)(或(33a))的截面形状作为过气转子(2)的截面形状。做功转子(1)有一个，过气转子(2)有n个。做功转子(1)和过气转子(2)的相对位置如图7(或图8)所示。选1∶n的齿轮副(30a)(或(34a))作为正时组件(7)。再配于缸体(3)和其它部件。就组成了1∶n的反向切割曲线旋转内燃机(简称反向旋转内燃机)。
反向旋转内燃机的优点1、在缸体尺寸相同的情况下，它的排量可远远大于同步或异步旋转内燃机。2、过气转子和做功转子相对运动速度远远小于同步或异步旋转内燃机，且圆弧部分的相对速度可以设计为零。如图7所示，使切刀(29a)的半经与齿轮副(30a)的小圆柱齿轮的分度圆的半经相同，则可实现圆弧部分的相对速度为零。3、正时组件(7)由一对圆柱齿轮构成，结构简单。
反向旋转内燃机的另一特点是每完成一次做功可以把一部分高温废气带入压缩气体，这一特点有利于柴油机的着火和排放。
以下我们用1∶1的同步切割曲线旋转内燃机为例，介绍切割曲线内燃机。如图1和图2所示。
二、缸体(3)(如图2)气缸体(3)的工作腔由两相交空心圆柱组成，其的截面形状如图3所示，是由半经为R、r的两相交圆盘的并集组成。在气缸体(3)两空心圆柱的相交处进行倒角，做功部分的倒角从中央向两端逐渐减为零(称之为渐变倒角)。在渐变倒角中央最大处，安放火花塞。该处安放火花塞，火花嘴周围的废气可以较为彻底的被新鲜气体冲开，有利于着火。在小空心圆柱的对面开有进排气门。用于进气和排气。在进排气门的之间安放一组径向密封(5-3)，把进排气隔开。(如果把缸体上一个半经为r的空心圆柱、一个过气转子、一个火花塞、一对进排气门作为一个做功单元，则1∶n的同步、异步和反向切割曲线旋转内燃机，就会有n个或k(k为异步)个做功单元。这些做功单元均布在圆周上。)三、端盖(4)(如图1)端盖(4)主要是起支承作用。它上面安放有用于支承做功转子(1)和过气转子(2)的轴承(4-1、4-2)和其它一些密封件。它自身也用螺钉(4-3)固定于气缸体(3)上。
四、径向密封组件(5)(如图1和图2)有了径向密封组件(5)不仅实现了径向密封，避免各气室通过径向串气，保证了内燃机的正常旋转；而且可以降低切割曲线的加工要求。径向密封的一般结构如图9所示，由滑块、板簧和与之相对应的槽组成(类似于三角转子发动机的经向密封件)。借助板簧的弹力实现径向密封。借助摩擦力和气体压力差把滑块压向槽的一侧，从而实现侧向密封。如图2所示，安放在做功转子(1)上的径向密封(5-1)，由于转子半径大，转速高，那么离心力大。为了避免因离心力过大，造成摩擦力过大，采取把径向密封组件斜置。如果选取摩擦角适当，则可从理论完全克服离心力。如图2所示，安放在过气转子(2)上的径向密封(5-2)由于结构小，不便于设置板簧，从而只有靠滑块的离心力，进行径向密封；如图1所示，为了给滑块限位在两端加有套子(5-4)。为了有利于进排气和利用摩擦力，缸体(3)上的径向密封(5-3)也斜置。
五、端面密封组件(6)(如图1)端面密封组件(6)除了防止各气室端面串气以外，还有防止气体串出气室，以及外部机油串入气室。在做功转子(1)、过气转子(2)的两端布置有端面密封(6-1)、(6-2)，它们安放在端盖(4)上，不转动(也可安放在转子上随转子一起转动)。端面密封的一般结构如图11所示，由端面密封滑块、O形密封圈、锥波弹簧等组成。锥波弹簧相当于在碟簧的锥面上加工出波形，这样在压缩初期它保持自由锥形时，此时的轴向力远远小于碟簧。有了这一性能，可把正常工作时的变形量控制在自由锥形范围内，则轴向力很小，从而摩擦阻力也小，这样有利于减小摩擦损失。当在非自由锥形时，它变为波簧，此时能承受很大的轴向力，有了这一功能，能在装配或运转发生意外时，有效保护锥波弹簧的本身和恢复运转的正常进行。过气转子(2)(如图1和图2所示)本身起了端面密封的部分作用，又由于尺寸有限，所以把端面密封(6-2)后置。且接触处为梯形，有利于减小摩擦损失。
六、正时组件(7)(如图1)它主要实现做功转子(1)和过气转子(2)按切割曲线绘制原理正时旋转。根据做功转子(1)和过气转子(2)所选定的切割曲线，而选与之对应的正时组件。如图1所示，做功转子(1)和过气转子(2)选1∶1同步切割曲线，则正时组件(7)选齿数为1∶1两链轮(7-1)和链条(7-2)。两链轮(7-1)刚性固定于做功转子(1)和过气转子(2)的轴线上。也可选择过桥齿轮副。
七、冷却组件(8)(如图1、2)它的主要功能是冷却做功转子(1)、过气转子(2)、缸体(3)；同时也使冷弧和热弧区域温度尽量均匀(吸气、压缩区域为冷弧区；做功、排气区域为热弧区)，减小因温差而引起的热应力。冷却组件(8)由机械密封(8-2)、离心水泵(8-1)、水套内端盖(8-3)、水套外端盖(8-4)、油封(8-5)、和在气缸体(3)上加工出的水套、散热片组成。在缸体(3)的边缘，转子(1)、(2)的轴心，水套内外端盖(8-3)(8-4)之间，都分布有水套。水套内外端盖(8-3)、(8-4)分别用内六角螺钉(8-6)和普通螺钉(8-7)固定于缸体(3)上，在它们之间夹有耐油石棉橡胶纸(8-8)。散热片分布在缸体(3)和水套外端盖(8-4)上。离心水泵(8-1)的结构如图10所示，它的螺纹旋向为右旋与做功转子(1)的转向相反。在做功转子(1)的端部安放离心水泵(8-1)，也可按内燃机性能要求，安放在其它位置。对于端盖(4)及其上的零件的冷却，可利用润滑正时组件(7)的润滑油进行。
八、输出组件(9)(如图1)它由输出齿轮(9-1)和做功转子(1)上的花键组成，实现动能输出。由于内燃机的转速都很高，要经过变速才能使用。所以输出齿轮(9)的动能输出一般要进入变速器箱。变速箱应安放在冷弧区，如图2双点划线位置，双点划线框住的水套应去除。加上变速箱后，输出齿轮(9-1)、正时组件(7)就处于变速箱空腔内，根据变速箱所选润滑方式就能实现对输出齿轮(9-1)、正时组件(7)、端盖(4)和端盖(4)上的零件进行冷却和润滑。如果正时组件(7)采用过桥齿轮副，则输出组件(9)和正时组件(7)可以合并。此时正时组件(7)的过桥齿轮副的主动齿轮由输出齿轮(9-1)代替；过桥齿轮由变速器的初级从动齿轮代替；从动齿轮在过气转子(2)的轴线上增设。这样就以在过气转子(2)轴线上增设一个从动齿轮，就取代了链轮副，而且使正时更为可靠。(对同步、异步和反向切割曲线旋转内燃机都可以根据具体结构把输出组件(9)和正时组件(7)合并。)有了以上机构，再加上供气燃油系统、排气消声器、点火系统、变速器、离合器、磁电机等机构，该内燃机就能运转起来。如图2所示，由做功转子(1)、过气转子(2)、径向密封组件(5)把缸体(3)分为吸气、压缩、做功和排气四个室。做功转子(1)和过气转子(2)处于图示位置，设此时高压气体已经开始做功，则做功转子(1)在高压气体的推动下顺时针转动，过气转子(2)在正时组件(7)的带动下也做顺时针同步转动。两转子转动符合切割曲线绘制原理，不会发生干涉。此时吸气室空间变大，产生负压，进行吸气；压缩室空间变小，进行压缩；做功室气体膨胀进行做功；排气室空间变小，进行排气。从而实现四个冲程同时进行。当做功转子(1)做功部分转到排气口位置时，做功结束，做功室变为排气室，新的排气开始；当做功转子(1)做功部分转过进气口位置时，进气结束，新的进气室和压缩室形成，新的进气、压缩开始；当做功转子(1)压缩部分转至过气转子(2)时，压缩气体进入过气转子(2)，在过过气转子(2)内压缩气体着火燃烧，当转过过气转子(2)时，高压气体开始做功，新的做功室形成。从而又同时进行新一轮吸气、压缩、做功和排气。这样一轮接一轮地进行着，就实现了切割曲线内燃机的连续旋转。从以上正时运动可以看出过气转子(2)每转过一周时，实现两次点火做功。根据切割曲线绘制原理，那么对于1∶n的切割曲线内燃机，当做功转子(1)旋转一周时，过气转子(2)就会转过n(或k)周，也就有2n(或2k)次点火做功，且每一次点火都是n(或k)个过气转子(2)同时点火做功——n为同步旋转内燃机和反向旋转内燃机的过气转子(2)个数；k为异步旋转内燃机的过气转子(2)个数。图例1、2的内燃机为1∶1同步切割曲线，所以当做功转子(1)旋转一周时，只有一个过气转子两次点火做功。
不难看出切割曲线内燃机，由于四个冲程同时进行，大大提高了做功频率。且压缩和进排气所需要的动能直接从燃烧做功中获取，不象曲柄连杆式发动机靠惯性来完成。它的进排气门始终处于开放，靠做功转子(1)的旋转自动实时进行开启和关闭，不需另加任何配气机构，从而使结构大为减化，避免了像曲柄连杆式四冲程发动机那样复杂的气缸头。对于同步旋转内燃机和反向旋转内燃机在整个运动过程中完全处于旋转运动，既不存在偏心力，也不存在活塞往复直线运动，更没有气门冲击，加之进排气畅通无阻且气流接近于定常流动。所以它的功率、振动、噪声和排放等都会优于往复式内燃机。它的高速性能和低速性能也将会有更大的改善。
权利要求
1.切割曲线旋转内燃机由做功转子(1)、过气转子(2)、缸体(3)、端盖(4)、经向密封组件(5)、端面密封组件(6)、正时组件(7)、冷却组件(8)和输出组件(9)构成。其特征在于做功转子(1)和过气转子(2)的截面形状为切割曲线，该曲线可选不同比例(1∶n，n为整数)的同步、异步、反向切割曲线；燃烧气体直接推动做功转子(1)旋转做功；做功转子(1)、过气转子(2)在缸体中连续同步旋转，四个冲程同时进行；通过做功转子(1)上的输出齿轮(9-1)就能实现扭矩输出。
2.根据权利要求1所述切割曲线旋转内燃机，其特征在于在缸体(3)的内腔是由半径为R的空心圆柱和n(或k)个半径为r空心圆柱相交而成；空心圆柱相交处开渐变倒角；在渐变倒角中央处，安放火花塞；在缸体(3)的壁上开有进排气通道。
3.根据权利要求1、2所述切割曲线旋转内燃机，其特征在于可在1∶n切割曲线旋转内燃机缸体(3)上，均布n(或k)个做功单元。
4.根据权利要求1、2所述切割曲线旋转内燃机，其特征在于在做功转子(1)、过气转子(2)、缸体(3)上布置有径向密封组件(5)；径向密封由板簧、滑块构成；做功转子(1)上的径向密封组件(5-1)采用斜置。
5.根据权利要求1、2所述切割曲线旋转内燃机，其特征在于在做功转子(1)、过气转子(2)上装有与之对应的正时组件(7)；同步旋转内燃机的正时组件(7)可用过桥齿轮副、内齿轮副、链轮副；异步旋转内燃机的正时组件(7)可用内齿轮副(内齿轮为间断齿)；反向旋转内燃机的正时组件(7)可直接用齿轮副。
6.根据权利要求1、2所述切割曲线旋转内燃机，其特征在于在缸体(3)、做功转子(1)、过气转子(2)上和水套内外端盖(8-3)、(8-4)之间都安有冷却水套；在缸体(3)、水套外端盖(8-4)上布置有散热片；在做功转子(1)的端部安有机械密封(8-1)和离心水泵(8-2)；离心水泵(8-2)采用整体结构。
7.根据权利要求1、2所述切割曲线旋转内燃机，其特征在于端面密封由端面密封滑块、O形密封圈和锥波弹簧组成；锥波弹簧采用锥形和波形组合结构。
8.根据权利要求1、2所述切割曲线旋转内燃机，其特征在于输出齿轮(9-1)可直接和做功转子(1)相连；正时组件(7)可以和输出齿轮(9-1)合并。
全文摘要
切割曲线旋转内燃机是一种旋转式内燃机。主要由具有切割曲线工作面的做功转子(1)和过气转子(2)及缸体(3)和其它一些内燃机功能件组成。旋转做功时，同时进行吸气、压缩和排气；做功转子(1)和过气转子(2)通过正时组件(7)实现等角速同步旋转。动力由输出组件(9)输出。过气转子(2)每旋转一周做功两次。本发明做功频率高，连续旋转运动无冲击，振动和噪声小，热功转换率高，进排气充分，排放理想。
文档编号F01C1/00GK1407209SQ0110873
公开日2003年4月2日 申请日期2001年8月13日 优先权日2001年8月13日
发明者肖维富 申请人:肖维富