专利名称：自平衡的转子发动机的制作方法
技术领域：
本发明涉及转子发动机。更具体来说，涉及一种采用凸轮/滚子机构控制两个相互交差放置的转子在一个圆柱壳体内作与转轴同心转动的转子内燃机。
背景技术：
自从二十世纪五十年代汪克尔转子发动机运转成功以来，已经得到了广泛的研究。相对现有的往复式发动机而言，汪克尔转子发动机最明显的优点是输出功率比高，震动小，噪声低和可靠性高。可是汪克尔转子发动机与身俱来的较差燃烧效率和排放一直未得到明显的改善，特别是在低载荷范围内。这些缺点是阻止它得到广泛应有的主要原因。现代发动机所需要的是一种既具有汪克尔转子发动机的高输出功率比，低震动/噪声和高可靠性特征又具有高燃烧效率低排放的性能和结构简单造价低廉的优点。
从概念上讲，汪克尔转子发动机只是许多可行方案的转子发动机中的一种。目前已经提出的转子发动机概念基本上可分成四类。第一类，转子在一个曲面空腔内作偏轴心转动，又称偏心转动式，汪克尔转子发动机是其中的典型代表；第二类，两个相互交差放置的转子在一个空腔内作与转轴同心转动，又称剪刀运动式；第三类，外缸体作旋转运动时引起活塞作往复运动或转子转动，又称缸体旋转式；第四类，位于两个曲面沿轴向变化的凸轮之间的转子与转轴同心转动而位于转子外径的叶片同时作转动和轴向运动，又称轴向转动式。
由于本发明的发动机属于第二类，下面对相关的背景技术作进一步介绍。目前已经提出的剪刀运动式转子发动机的不同之处主要在于转子转动的机械控制方式上。第一种方式是采用行星齿轮，连杆机构或两者的组合，例如美国专利3144007(Kauertz，1964)，3356079(Rolfsmeyer，1967)，3592571(Drury，1971)，4068985(Baer，1976)，5433179(Wittry，1996)，5622149(Wittry，1997)，中国专利91201678(罗勇，1992)，97100254(伏伟，1998)，99251858(沈锦丰，2000)。这类机构共同的缺点是不具备承受过高载荷与冲击的能力因而可靠性差，其机械效率也值得怀疑。第二种方式是采用凸轮/滚子或类似机构，凸轮/滚子机构是一种正压接触装置，能减小振动和冲击因而改进可靠性和操作平稳性。采用凸轮/滚子或类似机构的剪刀运动式转子发动机的主要专利包括美国专利2734489(Tschudi，1956)，3221716(Careddu，1965)，3381669(Tschudi，1968)，5192201(Beben，1993)和5484272(Horn，1996)，中国专利88100255(朱根，1992)和91112754(朱根，1997)。这些采用凸轮/滚子或类似机构的转子发动机专利还是没有解决承受载荷过高引起的高摩擦力和严重磨损因而进一步引起的密封和机械效率问题。
另外，这些非汪克尔形式的转子发动机专利都没有提出一套理论上可行的解决密封，冷却，润滑，轴承和燃烧效率的方法。
提高发动机热效率最好的方法是在不降低机械效率的前提下尽可能地增大膨胀比，在不引起燃烧爆震的条件下尽可能地增大压缩比。增大膨胀比能让燃烧气体做功更完全，因而提高热效率；增大压缩比能减少燃烧气体对缸壁的热损失，因而提高热效率。能产生这种效应的发动机循环一般称为米勒循环(Miller Cycle)。在往复式发动机中，目前采用了三种方法来实行米勒循环。第一种方法是通过采用可变凸轮相位技术来改变进气门的关闭时间，但是这种方法受到很大限制；第二种方法是通过电磁控制进排气门的无凸轮系统来选择最佳的进排气门的开关时间；第三种方法是通过改变气缸结构并附加机械装置来改变燃烧室的体积(最小气缸体积)从而改变压缩比和膨胀比。这些方法大大地增加了发动机结构的复杂性和制造成本，因而很难得到广泛应用。
发明的内容本发明的目的是提供一种转子发动机，其结构简单，具体来说，总部件数和运动部件数大大减少，零部件制造简单，组装容易和维护方便；本发明的另一目的是提供一种转子发动机，其单位重量和单位体积输出功率比高及输出力矩均匀；本发明的另一目的是提供一种转子发动机，其发动机综合效率高，特别是在低载荷条件下维持较高的热效率和机械效率；本发明的另一目的是提供一种转子发动机，其排放和噪声低，具体来说，通过更完全的燃烧和膨胀来降低排放，通过降低排气压力，减少运动部件数和降低轴承载荷来减小噪声；本发明的另一目的是提供一种转子发动机，其造价低廉，通过减少总部件数，运动部件数和加工复杂部件数来降低成本；本发明的另一目的是提供一种转子发动机，其可靠性高，通过减少运动部件数和降低轴承载荷来提高机械可靠性。
为了达到上述目的，在机械原理上本发明的发动机采用的是剪刀运动方式。这种转子发动机内有两个转子，每个转子有四个伸出的扇形叶片。当两个转子相互交差同轴地放置在一起，并且转子外径上套上一外箱时形成了八个空腔或气缸。外箱上带有两个进气口，两个出气口和两个点火塞(对于汽油机火花点燃发动机)。当转轴转动时，两个转子与转轴作同一方向的转动，但是两个转子间有相对转动，前端转子加速时后端转子减速，前端转子减速时后端转子加速。这种不断重复的转子运动能使气缸体积不断重复从小变大再从大变小的过程，因而形成发动机循环所需的抽吸动作。这种发动机不需要气门机构就能完成四冲程发动机循环。转轴每转动一圈，每个气缸将完成两个循环，发动机总共完成十六个循环。
转子的转速是转轴转速和一个交替变化转速的叠加，这个交替变化转速是由一个独特的凸轮/滚子机构控制。在转子/箱体机构的两侧各装有一个凸轮/滚子机构。凸轮/滚子机构由一个双曲面的凸轮，两个摇臂，四个滚子和两个中间滚轴构成。在角落上装有滚子的摇臂与中间滚轴形成一个特殊的联动机构。两个中间滚轴和转子相连，摇臂的中心通过传动杆连接到转轴上。当转轴转动时，带动摇臂中心转动，在一个对角上的两个滚子在凸轮的一个曲面上滚动，另个对角上的两个滚子在凸轮的另一个曲面上滚动。这引起联动机构除与转轴同心转动外其形状还作周期性变化，即中间滚轴和转子相对转轴的位置和速度作周期性变化。由于连接后端联动机构和转轴的传动杆与连接前端联动机构和转轴的传动杆在圆周方向有45°角错位而前后端凸轮在圆周方向上是同位的，因此后端转子与转轴的相对位置和速度总是比前端转子与转轴的相对位置和速度滞后45°。这就实现了前后端转子所需的相对转轴的变速转动。凸轮轮廓线的曲线形式确定了转子的运动规律及气缸位置和体积的变化规律。一定的凸轮轮廓线的曲线形式能使两个转子惯性力矩传递到转轴后产生的力矩基本抵消，并且燃烧是在两个径向相反的燃烧室内同时进行，因此发动机在转动和燃烧过程中除了对转轴输出的有效力矩外其它的力和力矩都构成近似的自平衡。
燃烧室的密封分成转子中心的密封，分隔相邻气缸的转子叶片的密封以及转子两侧面的密封。转子中心的密封采用了两个封闭的圆锥形的密封环，每个密封环的圆锥面都与一个转子相接触并与转子无相对转动，两个密封环的平面相接触并有相对转动。转子叶片的密封采用了三节密封片。侧面的密封采用了靠弹簧压紧的封闭圆环。发动机冷却采用的方式是用水冷却外箱，用连续流动的润滑油冷却转子。凸轮/滚子机构和边箱-转子界面都有润滑油润滑。润滑油从边箱经侧面流进转子叶片，再经转子内径流进转轴内孔。润滑油流进转轴内孔后随转子转动的动能转换成压力，然后润滑油通过传动杆压进摇臂和凸轮/滚子机构内的动接触面。
为了提高发动机热效率，在外箱上用一个圆形气管连接压缩腔和进气腔来实现米勒循环，并且在气管上增加另一出气口，每个出气口131a、131b都装有一在发动机循环过程中或者开或者关的两状态简易气门。两个气门关闭和打开的组合可以提供3个不同的压缩比，当两个气门都处于开的状态，此时压缩比最低(比如8-10)；当一个气门关闭和另一气门打开时，压缩比居中(比如11-13)；当两个气门都处于关的状态，此时压缩比最高并与膨胀比相同(比如14-18)。
图1是说明转子/箱体机构工作原理的平面2说明了转子运动过程中气缸怎样完成一个发动机循环的平面3a和3b是两个不同角度的转子立体4是外箱的立体5是边箱的立体6是转子总体的部件分解7是转子/箱体机构的部件安装示意8是凸轮的前视9是摇臂的立体10是凸轮/滚子机构的部件分解11是动力传动机构的部件分解12显示了发动机本体的分解13a是发动机总体的轴向剖视图，图13b和13c是侧面密封和中心密封的局部放大图。
图14是应用到这个发动机中的一种凸轮轮廓线图15是前后端转子的速度相对转轴速度随转轴位置变化的曲线图16是在两个不同几何压缩比的气缸体积随转轴位置变化的曲线图17是转子中心密封环的剖视18是转子侧面密封环的剖视19a是实现米勒循环的气门关闭时的状态，图19b是实现米勒循环和气门打开时的状态图20a显示了一个气门关闭和另一气门打开时的状态，图20b显示了实现米勒循环的两个气门都处于开的状态，图20c显示了两个气门都处于关的状态。
具体实施例方式
图1是说明转子/箱体机构90工作原理的平面图。转子/箱体机构90内有两个相同的转子。前端转子50a有叶片4a、4b、4c、4d，后端转子50b有叶片59a、59b、59c、59d。当前后端转子50a、50b相互交差且同轴地安装在一起形成一个转子系统107时(见图7)，转子叶片4a、4b、4c、4d、59a、59b、59c、59d及外箱53间形成8个气缸60a、60b、60c、60d、60e、60f、60g、60h。外箱53上有进气口27a、27b，出气口28a、28b，还装有两个点火塞51a、51b(对火花点燃发动机而言)。当转轴83转动时，前后端转子50a、50b与转轴83作同一方向的转动，但是前后端转子50a、50b间有相对转动。这能使气缸体积从小变大再从大变小不断重复这种变化，因而形成发动机循环所需的抽吸动作。
图2说明了在前后端转子50a、50b运动过程中其中径向对称的两个气缸60a、60e怎样完成一个发动机循环。当前后端转子50a、50b在位置(a)时，气缸60a、60e刚开始进气。随后，前端转子50a减速而后端转子50b加速，导致气缸60a、60e的体积从小变大，因此气缸60a、60e进一步进气，在位置(b)时，气缸60a、60e进气过程已接近完成。然后，前端转子50a加速而后端转子50b减速，导致气缸60a、60e的体积从大变小，并且气缸60a、60e已经离开进气口27a、27b，因此气缸60a、60e开始压缩。在位置(c)时，气缸60a、60e已开始压缩；在位置(d)时，压缩过程已接近完成。压缩过程完成时点火塞开始点火，同时前端转子50a开始减速而后端转子50b开始加速，导致气缸60a、60e的体积再一次从小变大，因此气缸60a、60e的燃烧/膨胀过程开始。在位置(e)时，气缸60a、60e刚开始燃烧/膨胀；在位置(f)时，膨胀过程已接近完成。最后，前端转子50a再次加速而后端转子50b再次减速，导致气缸60a、60e的体积从大变小，并且气缸60a、60e分别与排气口28a、28b相通，因此气缸60a、60e开始排气。在位置(g)时，气缸60a已开始排气；在位置(h)时，排气过程已接近完成。到此，一个完整的发动机循环完成。当转轴83进一步转动时，气缸60a、60e将进入下一个发动机循环。转轴83每转动一周，每个气缸将完成两个完整的发动机循环，因而发动机的8个气缸60a、60b、60c、60d、60e、60f、60g、60h能完成十六个循环。这决定了这种发动机具有极高的输出功率比。由于进气过程，压缩过程，燃烧/膨胀过程和排气过程是在两个径向相反的气缸60a与60e、60b与60f、60c与60g、60d与60h内同时进行，因此发动机在工作过程中除了燃烧气体对转轴83产生的有效输出力矩外其它的力和力矩都构成近似的自平衡。这导致了很低的轴承载荷因而大大提高发动机的可靠性。
前后端转子50a、50b的几何形状相同。图3a和3b显示了两个不同角度的转子立体图。前端转子50a包括一个叶轮1，叶轮1的一侧连接有一个端面圆板3，四个位于叶轮外径上并且沿圆周方向均匀分布的扇形叶片4a、4b、4c、4d，在端面圆板3的侧部连接一个圆环5及两个从圆环端面向与叶片4a、4b、4c、4d不同方向伸出的圆柱杆6a、6b，这些要素既可以通过一个部件实现，如图3a和3b所示，也可以通过多个部件组合在一起(没有显示)。叶轮1有一内孔2与转轴83同心，前端面上有供安装中心密封环45a用的锥形槽11。叶片4a、4b、4c、4d的两侧面有构成燃烧室的凹腔7a、7b、7c、7d、7e、7f、7g、7h。叶片4a、4b、4c、4d长度是叶轮1长度的一倍，叶片4a、4b、4c、4d的外径上有供安装外密封条42a、42b、42c、42d用的槽8a、8b、8c、8d，内径上有供安装内密封条43a、43b、43c、43d用的槽10a、10b、10c、10d，伸出端上有供安装边密封条44a、44b、44c、44d用的槽9a、9b、9c、9d，后端面上有供安装冷却油隔板49a、49b、49c、49d用的槽13a、13b、13c、13d。并且槽13a、13b、13c、13d内有径向孔14a、14b、14c、14d以供冷却油流出，然后流入到转轴83的内孔81。端面圆板3的外圆周面12是燃烧室的侧面密封面，由侧面密封环56a、56b来密封。圆环5的内径上开有小孔15a、15b以供油流入圆柱杆6a、6b，然后从小圆孔16a、16b流出。圆柱杆6a、6b的主要作用是传递转子50a、50b和凸轮/滚子机构92a、92b之间的纽转力矩。为了增加中间滚轴46a、46b和圆柱杆6a、6b间的耐磨损性，耐磨环48a、48b紧套在圆柱杆6a、6b上与中间滚轴46a、46b的内表面形成滑动接触面。润滑油从小圆孔16a、16b流进接触面上。为了增加圆柱杆6a、6b的纽转刚性，在圆柱杆6a、6b的自由端装上一个端板47。这些都能从图6看出。
图4显示了外箱53的立体图。外箱53的基本结构是一个圆环形的壳体。其内表面18与转子叶片4a、4b、4c、4d、59a、59b、59c、59d的外表面相对应，可以采用耐高温金属镀膜，或套上一气缸套(没有显示)。壳体径向上开有两个径向上相反的进气口27a、27b，两个径向上相反的出气口28a、28b，两个径向上相反的供装点火塞用的孔19a、19b(对火花点燃发动机而言)，还开有供实现米勒循环用的进气口20a、20b和出气口21a、21b。轴向上开有冷却液孔22a、22b、22c、22d，油孔23a、23b、23c、23d，四个螺栓孔25a、25b、25c、25d及前后端定位孔29a、29b。两侧面内径上开有圆缺口26a、26b，以供侧面密封环56a、56b安装，这可从图7和图13b中看出。外箱53的两端各有一边箱54a、54b(见图7)。前后端边箱54a、54b的几何形状和功能相同。
如图5所示，边箱54a的基本结构也是一个圆环形的壳体。除了壳体轴向上开有与外箱53相似的冷却液孔36a、36b、36c、36d，油孔40a、40b、40c、40d，四个螺栓孔37a、37b、37c、37d及一个定位孔39外，壳体正上方开有两个油孔38a、38b，正下方开有两个油孔38c、38d。油孔38a、38b内开有径向孔34a、34b以供油从轴向孔35a、35b流出，然后流入到叶片油槽13a、13b、13c、13d内冷却转子叶片4a、4b、4c、4d。为了保证油连续流动，沿孔35a、35b开有圆环槽33。在圆环槽33的同一边开有另一圆环槽31，以供弹簧58a、58b、58c、58d和压力环57安装，这可从图7和图13b中看出。面向转子50a、50b的侧面30是轴向轴承面，任何迫使前后端转子50a、50b分开的轴向力将由前后端边箱54a、54b的轴向轴承面30承担。圆环外端凸台上有螺栓孔41a、41b、41c、41d，通过螺栓52a、52b、52c、52d把前后端边箱54a、54b固定到外箱53上，这也可从图7中看出。
前后端转子50a、50b的转速各由一个独特的凸轮/滚子机构92a、92b来控制。这两个凸轮/滚子机构92a、92b的构造完全相同并位于转子/箱体机构90的前后两侧(见图12)。图10显示了凸轮/滚子机构92a的构成，它包括一个凸轮73a，两个相同的摇臂74a、74b，四个滚子75a、75b、75c、75d和两个中间滚轴46a、46b。
图8是凸轮73a的前视图，其内表面有两个被圆环槽65分开的四凸角光滑曲面第一曲面63和第二曲面64。壳体轴向上开有与边箱84a相似的冷却液孔66a、66b、66c、66d，油孔67a、67b、67c、67d，四个螺栓孔61a、61b、61c、61d及一个定位孔62以把凸轮73a固定到箱体53，54a，54b上，壳体正上方和正下方各开有一油孔68a、68b。圆环槽65内的正下方开有一径向槽93与油孔68b相通，圆环槽65内的下方开有两个圆孔94a、94b分别与油孔67c、67d相通。图9显示了摇臂74a的立体图。摇臂74a上有滚动接触面70a、70b，滑动接触面69及滚轴孔72a、72b。另外，在接触面69和圆孔72a、72b间开有油孔71a、71b，以供从转轴83流出的润滑油进一步流入到滚轴76a、76b内来润滑滚子75a、75b和滚轴76a、76b间的接触面。
如图10所示，前端凸轮/滚子机构92a包括一个凸轮73a，两个相同的对向设置的摇臂74a、74b，每个摇臂的角处分别设有两个滚子75a、75b、75c、75d，两个中间滚轴46a、46b设置在两个摇臂之间，摇臂74a，74b与中间滚轴46a、46b之间形成一联动机构77a。中间滚轴46a、46b的内孔供紧套有耐磨环48a、48b的圆柱杆6a、6b插入以连接前端转子50a和前端凸轮/滚子机构92a，后端转子50b中的圆柱杆6a、6b插入后端凸轮/滚子机构92b中的中间滚轴46a、46b以连接后端转子50b和后端凸轮/滚子机构92b，在转轴83的前端有圆孔供前端传动杆84a、84b、85a插入，在转轴83的后端有圆孔供后端传动杆84c、84d、85b插入；前端传动杆的两端通过滑块86a，86b插入前端凸轮/滚子机构92a中摇臂74a、74b的接触面69内以连接转轴83和前端凸轮/滚子机构92a，后端传动杆的两端通过滑块86c，86d插入后端凸轮/滚子机构92b中摇臂74a、74b的接触面69内以连接转轴83和后端凸轮/滚子机构92b。
参见图9、10，在一个对角上的两个滚子75a、75c在凸轮73a的第一曲面63上作滚动接触，另一个对角上的两个滚子75b、75d在凸轮73a的第二曲面64上作滚动接触。即，在前端转子50a的转动过程中前端凸轮73a内的第一曲面63引导第一对滚子75a、75c的滚动，第二曲面64引导第二对滚子75b、75d的滚动。摇臂74a、74b的接触面70a、70b与连接前端转子50a的中间滚轴46a、46b间有相对滚动。摇臂74a、74b的接触面69与连接传动杆84a、84b、85a及转轴83的半圆柱形滑动块86a、86b间有相对滑动。图11显示了滑动块86a、86b、86c、86d，传动杆84a、84b、84c、84d、85a、85b和转轴83构成的动力传动机构91。靠近转轴83中间开有两油槽78a、78b，以供油从前后端转子50a、50b的圆孔14a、14b、14c、14d流入转轴内孔81。转轴83的前端开有一油槽79a，以供油从转轴内孔81流入发动机前端箱112(见图12)的受压油道；后端开有一油槽79b，以供油从转轴内孔81流入后箱117的受压油道；正中间开有一小圆孔82，以供油从转轴内孔81流入前后端转子50a、50b之间的间隙从而润滑两个中心密封环45a、45b间的密封面。转轴内孔81的两端用圆塞87a、87b塞住。转轴83上开有圆孔以供实心传动杆84a、84b、84c、84d和带油孔的传动杆85a、85b装入。润滑油从带油孔的传动杆85a、85b流入开有油槽80的滑动块86a、86b，86c，86d，然后流入摇臂74a、74b中。当转轴83转动时，引起联动机构77a的形状不断变化。更具体来说，与传动杆84a、84b、85a相连的转轴83每转一周，与中间滚轴46a、46b相连的前端转子50a相对转轴83的位置和速度将作4个周期变化。与此同时，后端凸轮/滚子机构92b内形成一个相似的联动机构77b。后端联动机构77b的运动和后端滚子在两个曲面上的滚动与前端相同，但是，后端转子50b与转轴83的相对位置和速度相对前端转子50b与转轴83的相对位置和速度滞后45°。也就是说，当前端转子50a相对转轴83加速时，后端转子50b相对转轴83减速；当前端转子50a相对转轴83减速时，后端转子50b相对转轴83加速。
转子/外箱机构90，凸轮/滚子机构92a、92b和动力传动机构91是这种发动机本体最基本的三个机械部分，又称RCD系统17。图12显示了发动机本体的分解图。在图12中，转子/箱体机构90已经与动力传动机构91组装在一起。通过让中间滚轴46a、46b插入两摇臂74a、74b之间同时让滑动块86a、86b滑入两摇臂74a、74b的接触面69中，前后端凸轮/滚子机构92a、92b就能够安装到转子/外箱机构90的两侧。前后端凸轮73a、73b在圆周方向相对箱体53的位置由定位销89a、89b固定。在外箱上，加上了一个进气管130连接上下两个进气口27a和27b和一个出气管127连接上下两个出气口28a、28b。
如图12，除了RCD系统17外，发动机本体还有前后端结构128、129来引导冷却液和润滑油的进入和流出，前后端油封(未示)来密封转轴83以防漏油及前后端轴承(未示)来承受转轴83上的径向载荷。前后端凸轮73a、73b与前后端边箱54a、54b及与前后端结构128、129间有垫平(未示)，后端出油管接头116通过油管118连接到前端出油管接头111。最后，通过四个加长螺栓119a、119b、119c、119d和四个螺母126a、126b、126c、126d把前后端结构128、129与RCD系统17固定在一起。图13a显示了安装在一起的发动机本体的轴向剖视图。
下面就本发明所涉及到的几个重要方面作进一步的阐述。RCD系统RCD系统17包括转子/外箱机构90，两个凸轮/滚子机构92a、92b和动力传动机构91。它们是这种发动机本体最基本的三个机械部分。每转16个发动机循环在转子/外箱机构90内完成，转子运动和气缸体积变化是由凸轮/滚子机构92a、92b来控制，燃烧气体所做的功经过凸轮/滚子机构92a、92b由动力传动机构91传递出去。在整个发动机机械运动过程中，前端联动机构77a中两摇臂74a、74b中心的连线，即传动杆85a，与两中间滚轴46a、46b中心的连线形成的角度构成了一个重要参数-转子相位角(τ)。转子转动角(ψ)是转轴转动角(θ)与交替变化的转子相位角(τ)之和；转子转速是转轴转速和交替变化的转子相位角变化率的叠加。因此转子相位角(τ)决定了转子50a、50b相对转轴83的位置和速度。最大的转子相位角也决定了每个气缸能张开的最大角度。一般而言，最大的转子相位角可取为10-15°。当转轴83转动时，转子相位角(τ)周期性地偏离90°，因而引起转子50a、50b相对转轴83的位置和速度作周期性变化。并且，每个气缸在一转内完成两个发动机循环要求转子相位角(τ)和转子速度一周内完成四个周期变化。由于后端传动杆85b相对前端传动杆85a在圆周方向有45°角错位而前后端凸轮73a、73b在圆周方向上是同位的，因此，后端转子50b与转轴83的相对位置和速度总是比前端转子50b与转轴83的相对位置和速度滞后45°。这就导致了这样一个结果当前端转子50a相对转轴83加速时，后端转子50b相对转轴83减速；当前端转子50a相对转轴83减速时，后端转子50b相对转轴83加速；当转子相位角(τ)等于90°时，前后端转子50a、50b的速度都等于转轴速度。转子运动规律和气缸体积变化规律是影响发动机动力性能，燃烧效率和排放的重要因素。只要凸轮轮廓线是一条四凸角光滑曲线(由于要求转子一周内完成四个周期运动)并且第二曲面64的轮廓线与第一曲面63的轮廓线保持对称关系(见图14)，RCD系统就能完成发动机循环要求的运动。这个简单的要求能够给发动机的设计提供大量的选择空间。也就是说，根据不同的应用要求，通过设计不同的凸轮轮廓曲线能够达到最佳的转子运动规律和气缸体积变化规律从而使发动机同时取得较好的动力性能，燃烧效率和排放。
图14显示了一种典型的凸轮轮廓线第一曲线120a和第二曲线120b。图14也显示了轮廓线的两条等距轴122a，122b和等距轴位置A、B、C、D构成的圆121。两条等距轴122a、122b之间形成90度角度。第一曲线120a与第二曲线120b关于任一等距轴122a、122b形成对称关系。图15显示了前后端转子50a、50b相对转轴83的速度曲线123a、123b。图16是气缸体积随转轴83位置变化的曲线124、125。曲线124代表了几何压缩比为10且最大气缸体积为1的气缸体积曲线，曲线125代表了几何压缩比为15且最大气缸体积为1的气缸体积曲线。燃烧室的密封前后端转子50a、50b的叶片4a、4b、4c、4d、59a、59b、59c、59d外表面和外箱53内表面之间形成的间隙由外密封条42a、42b、42c、42d来密封；前端转子50a的叶片4a、4b、4c、4d内表面和后端转子50b的叶轮1外表面之间及后端转子50b的叶片59a、59b、59c、59d内表面和前端转子50a的叶轮1外表面之间形成的间隙由内密封条43a、43b、43c、43d来密封；前端转子50a的叶片4a、4b、4c、4d伸出端和后端转子50b的端面圆板3之间及后端转子50b的叶片59a、59b、59c、59d伸出端和前端转子50a的端面圆板3之间形成的间隙由边密封条44a、44b、44c、44d来密封。对于高功率发动机，每个叶片4a、4b、4c、4d、59a、59b、59c、59d可能需要两组甚至三组密封条(没有显示)，才能达到密封效果。前后端转子50a、50b的叶轮1之间形成的间隙由两个中心密封环45a、45b来密封。图13c显示了中心密封的局部放大图，图17是中心密封环45a的剖视图。中心密封环45a有一个与转子槽11内圆锥面相静接触的密封面99，一个与后端中心密封环45b相动接触的密封面100和两个增加密封环柔性的槽101、102。槽101还能起到降低漏气的作用。前后端转子50a、50b的端面圆板3外表面和外箱53内表面之间形成的间隙由前后端侧面密封环56a、56b来密封。图13b显示了前端侧面密封的局部放大图，图18是侧面密封环56a的剖视图。侧面密封环56a有一个与外箱53相静接触的密封面104，一个与转子50a的端面圆板3外表面相动接触的密封面105，一个受压力环57作用的小圆锥面103和一个增加密封环柔性和降低漏气的槽106。发动机冷却与润滑如图12所示，当冷却液从进液管接头110进入后，轴向流过发动机前端箱112，前端凸轮73a，前端边箱54a，外箱53，后端边箱54b，后端凸轮73b和发动机后端箱117内的冷却液孔形成的两个轴向冷却液通道，进入发动机后端箱117；然后，从另一侧轴向流过发动机后端箱117，后端凸轮73b，后端边箱54b，外箱53，前端边箱54a，前端凸轮73a和发动机前端箱112内的另两个轴向冷却液通道，返回发动机前端箱112；最后，从出液管接头(未示)流出。由于轴向冷却液通道直接经过点火塞两侧的外箱53壳体，因此冷却液较好地冷却了外箱53壳体最热的区域。
当油从进油管接头109进入后，分两个路径流入发动机。第一条路径是油经过发动机前端箱112和前端凸轮73a的正上方油孔形成的轴向通道进入前端边箱54a的油孔38a、38b；接着，油经过前端边箱54a内的径向孔34a、34b，轴向孔35a、35b和圆环槽33流入到前端转子50a的叶片油槽13a、13b、13c、13d内冷却叶片4a、4b、4c、4d；然后，油流出叶片4a、4b、4c、4d经过前端转子50a的径向孔14a、14b、14c、14d流入转轴83的内孔81。第二条路径是油经过发动机前端箱112，前端凸轮73a，前端边箱54a，外箱53，后端边箱54b，后端凸轮73b和发动机后端箱117内的另两个上方油孔形成的轴向通道进入发动机后端箱117；接着，油从发动机后端箱117经过发动机后端箱117和后端凸轮73b的正上方油孔形成的轴向通道返回后端边箱54b；然后，与第一条路径相似，油进入后端转子50b冷却叶片59a、59b、59c、59d，再流入转轴83的内孔81。当油从前后端转子50a、50b进入转轴内孔81后，油的动能转化为油压。转轴内孔81中的受压油的一个重要功能是润滑前后端凸轮/滚子机构92a、92b内的动接触面。在前端凸轮/滚子机构92a内，油从带油孔的传动杆85a和滑动块86a、86b流入到两摇臂74a、74b中；然后，经过摇臂74a、74b内的油孔71a、71b进一步流入到滚轴76a、76b、76c、76d内以润滑滚子75a、75b、75c、75d和滚轴76a、76b、76c、76d间的动接触面；紧套在转子圆柱杆6a、6b上的耐磨环48a、48b与中间滚轴46a、46b间的接触面是由从转子圆柱杆6a、6b内流出的油来润滑的；在凸轮73a的下方油孔67c、67d内的受压油从小孔94a、94b喷射到联动机构77a上以增加滚子和凸轮曲面间的润滑。当油从接触面流出后，经过前端凸轮73a内的槽93流进由发动机前端箱112和前端凸轮73a的正下方油孔形成的轴向通道；然后，油从装在发动机前端箱112上的出油管接头111流出。后端凸轮/滚子机构92b内油的路径相似于前端凸轮/滚子机构92a内油的路径，当油从后端凸轮/滚子机构92b内的动接触面流出后由装在发动机后端箱117上的出油管接头116流进油管118，然后才能从前端的出油管接头111流出。另外，转轴内孔81内的受压油通过发动机前后端箱112、117内的径向孔与由发动机前端箱112，前端凸轮73a，前端边箱54a，外箱53，后端边箱54b，后端凸轮73b和发动机后端箱117内的另两个下方油孔形成的轴向通道相通。当这两个轴向通道和转轴内孔81内的油压过高时，装在前端箱盖上的受压油阀门115打开，让受压油流出从而降低油压。米勒循环与可变压缩比本发明的发动机由于其独特的工作原理，很容易实现米勒循环因而能提高发动机的热效率。在图7中已经显示了安装到外箱上的米勒循环机构32a、32b。图19a和19b是一个说明在这种发动机上实现米勒循环的平面示意图。一般而言，在这种类型的转子发动机上，米勒循环机构32a、32b只需要一气管95a、95b(参见美国专利5622149)。气管95a、95b用来连接压缩腔97a、97b和进气腔98a、98b以至于压缩腔97a、97b内的部份气体能返回进气腔98a、98b内，但不会导致进气腔98a、98b内的气体倒流。这相似于在往复式发动机中延迟进气门的关闭时间，从而降低实际的压缩比。如果设计的几何压缩比(比如14-15)比通常的奥托循环所需要的压缩比(比如8-10)高，那么膨胀比就能达到最理想的范围(比如14-18)，而实际压缩比能够通过让一部份气体返回进气腔98a、98b内降低到防止燃烧爆震出现的范围(比如8-10)。另外，高膨胀比能导致燃烧后的气体有更低的温度，因而降低一氧化氮的形成；同时高膨胀比能导致排出的气体有更低的压力，因而降低排气噪音。由于发动机在不同的运行条件下，不引起燃烧爆震的压缩比是不同的，因此还要求在发动机操作过程中改变压缩比。有两种方法能够实现在发动机操作过程中实际压缩比可变。第一种方法是在气管中加一由压力控制的气门96a、96b，通过调节气管的开启时间来保证压缩腔97a、97b内的最大压力维持在运行条件下不引起燃烧爆震的最高压力(参见美国专利5622149)。图19a和图19b分别显示了气门96a、96b关闭和打开时的状态。这种方法的缺点是发动机在高速运转条件下气门96a、96b的响应很难跟上，对于具有8个气缸的本转子发动机，更是困难。第二种方法是增加另一气管和另一出气口(没有显示)或在每个气管上增加另一出气口131a、131b(见图20)。每个出气口20a、131a、20b、131b都装有一在发动机循环过程中或者开或者关的两状态简易气门96a、132a、96b、132b，气门能够由磁铁或小马达来控制。如果增加另一气管和另一出气口，两个气门关闭和打开的组合可以提供4个不同的压缩比；如果在每个气管上增加另一出气口，两个气门关闭和打开的组合可以提供3个不同的压缩比。3-4个不同的压缩比基本上可以满足不同运转条件的要求。图20b显示了两个气门96a、132a、96b、132b都处于开的状态，此时压缩比最低(比如8-10)；图20a显示了一个气门96a、96b关闭和另一气门132a、132b打开时的状态，此时压缩比居中(比如11-13)；图20c显示了两个气门96a、132a、96b、132b都处于关的状态，此时压缩比最高并与膨胀比相同(比如14-18)。第二种方法实现容易并且能够适用于发动机高速运转条件，因此是本发明提出的实行米勒循环和改变实际压缩比的方法。由于发动机在不同的运转条件下，压缩比和膨胀比都能达到最佳，因此在不同的运转条件下都能维持高效率，这将显著改善燃油经济性和排放。
权利要求
1.一种自平衡的转子发动机，包括一外箱(53)、转轴(83)、前端转子(50a)有叶片(4a、4b、4c、4d)，后端转子(50b)有叶片(59a、59b、59c、59d)，前、后端转子的结构相同，前后端转子(50a、50b)相互交差且同轴地安装在转轴(83)上形成一个转子系统(107)，转子叶片(4a、4b、4c、4d、59a、59b、59c、59d)及外箱(53)间形成8个气缸(60a、60b、60c、60d、60e、60f、60g、60h)，前、后端转子(50a、50b)分别连接前、后端凸轮/滚子机构(92a、92b)，其特征在于前端转子(50a)包括一个叶轮(1)，叶轮(1)的一侧连接有一个端面圆板(3)，四个位于叶轮外径上并且沿圆周方向均匀分布的扇形叶片(4a、4b、4c、4d)，在端面圆板(3)的侧部连接一个圆环(5)及两个从圆环端面向与叶片(4a、4b、4c、4d)不同方向伸出的圆柱杆(6a、6b)；在外箱上设置有两个进气口(27a、27b)，两个出气口(28a、28b)，两个点火塞(51a、51b)(对于火花点燃发动机)，进气口\出气口以及点火塞分别径向对称设置，前端凸轮/滚子机构(92a)包括一个凸轮(73a)，两个相同的对向设置的摇臂(74a、74b)，每个摇臂的角处分别设有两个滚子(75a、75b、75c、75d)，两个中间滚轴(46a、46b)设置在两个摇臂之间，中间滚轴(46a、46b)的内孔供圆柱杆(6a、6b)插入以连接前端转子(50a)和前端凸轮/滚子机构(92a)，后端转子(50b)中的圆柱杆(6a、6b)插入后端凸轮/滚子机构(92b)中的中间滚轴(46a、46b)的内孔以连接后端转子(50b)和后端凸轮/滚子机构(92b)，在转轴(83)的前端有圆孔供前端传动杆(84a、84b、85a)插入，在转轴(83)的后端有圆孔供后端传动杆(84c、84d、85b)插入；前端传动杆的两端通过滑块(86a，86b)插入前端凸轮/滚子机构(92a)中摇臂(74a、74b)的接触面(69)内以连接转轴(83)和前端凸轮/滚子机构(92a)，后端传动杆的两端通过滑块(86c，86d)插入后端凸轮/滚子机构(92b)中摇臂(74a、74b)的接触面(69)内以连接转轴(83)和后端凸轮/滚子机构(92b)，后端传动杆(84a、84b、85a)相对前端传动杆(84c、84d、85b)在圆周方向有45°角错位。
2.根据权利要求1所述的自平衡的转子发动机，其特征在于所述的叶轮的前端面上有锥形槽(11)以供安装中心密封环(45a)。
3.根据权利要求1所述的自平衡的转子发动机，其特征在于在圆柱杆(6a、6b)和中间滚轴(46a、46b)间装有耐磨环(48a，48b)，在圆柱杆(6a、6b)的自由端装有一个端板(47)。
4.根据权利要求3所述的任何一个所述的自平衡的转子发动机，其特征在于叶片(4a、4b、4c、4d)的外径上有槽(8a、8b、8c、8d)以供安装外密封条(42a、42b、42c、42d)，内径上有槽(10a、10b、10c、10d)以供安装内密封条(43a、43b、43c、43d)，伸出端上有槽(9a、9b、9c、9d)以供安装边密封条(44a、44b、44c、44d)，后端面上有槽(13a、13b、13c、13d)以供安装冷却油隔板(49a、49b、49c、49d)油冷却叶片(4a、4b、4c、4d，59a、59b、59c、59d)，槽(13a、13b、13c、13d)内有径向孔(14a、14b、14c、14d)以引导冷却油流出转子。
5.根据权利要求1所述的自平衡的转子发动机，其特征在于靠近转轴(83)的中间开有两个油孔(78a，78b)以供从转子流出的油进入转轴，油的动能转变为油压，转轴(83)的前、后端开有油槽(79a，79b)以供转轴内的受压油与一接有压力油阀门(115)的油糟相通，油压过高时，压力油阀门打开，让受压油流出从而降低油压。
6.根据权利要求1所述的自平衡的转子发动机，其特征在于转轴(83)上开有圆孔以供带油孔的传动杆(85a、85b)插入，使润滑油从转轴流入开有油槽(80)的滑动块(86a、86b，86c，86d)，进而流入摇臂(74a、74b)中，然后经过摇臂(74a、74b)内的油孔(71a、71b)流入滚子(75a、75b、75c、75d)和滚轴(76a、76b、76c、76d)的间隙。
7.根据权利要求1所述的自平衡的转子发动机，其特征在于所述的外箱上设有实现米勒循环用的进气口(20a、20b)和出气口(21a、21b)，所述的进气口(20a、20b)和出气口(21a、21b)分别用气管(95a、95b)连接，每个出气口(21a、21b)都装有一在发动机循环过程中或者开或者关的两状态简易气门(96a、96b)。
8.根据权利要求1所述的自平衡的转子发动机，其特征在于外箱的轴向上开有冷却液孔(22a、22b、22c、22d)以冷却外箱壳体最热的区域，油孔(23a、23b、23c、23d)，至少四个螺栓孔(25a、25b、25c、25d)及前后端定位孔(29a、29b)，两侧面内径上开有圆缺口(26a、26b)以供安装侧面密封环(56a、56b)。
9.根据权利要求1所述的自平衡的转子发动机，其特征在于外箱(53)的两端各有一边箱(54a、54b)，通过螺栓(52a、52b、52c、52d)把前后端边箱(54a、54b)固定到外箱(53)上，以使边箱的面向转子的侧面(30)成为轴向轴承面。
10.根据权利要求7所述的自平衡的转子发动机，其特征在于所述边箱(54a)的基本结构是一个圆环形的壳体，壳体轴向上开有冷却液孔(36a、36b、36c、36d)，油孔(40a、40b、40c、40d)，至少四个螺栓孔(37a、37b、37c、37d)及一个定位孔(39)，壳体正上方开有两个油孔(38a、38b)，正下方开有两个油孔(38c、38d)，油孔(38a、38b)内开有径向孔(34a、34b)，沿孔(35a、35b)开有圆环槽(33)，在圆环槽(33)的同一边开有另一圆环槽(31)，以供弹簧(58a、58b、58c、58d)和压力环(57)安装。
11.根据权利要求1所述的自平衡的转子发动机，其特征在于是前、后端凸轮(73a，73b)的内表面有两个被圆环槽(65)分开的四凸角光滑曲面第一曲面(63)和第二曲面(64)，第一曲面的轮廓线(120a)与第二曲面的轮廓线(120b)关于轮廓线的任一等距轴(122a、122b)形成对称关系。
12.根据权利要求1所述的自平衡的转子发动机，其特征在于在前端转子(50a)的转动过程中前端凸轮(73a)内的第一曲面(63)引导第一对滚子(75a、75c)的滚动，第二曲面(64)引导第二对滚子(75b、75d)的滚动，在后端转子(50b)的转动过程中后端凸轮(73b)内的第一曲面(63)引导第一对滚子(75a、75c)的滚动，第二曲面(64)引导第二对滚子(75b、75d)的滚动。
13.一种转子发动机实现米勒循环和可变压缩比的方法，其特征在于在气管(95a、95b)上增加另一出气口(131a、131b)，每个出气口(131a、131b)都装有一在发动机循环过程中或者开或者关的两状态简易气门(132a、132b)，两个气门(96a、132a、96b、132b)关闭和打开的组合可以提供3个不同的压缩比，当两个气门(96a、132a、96b、132b)都处于开的状态，此时压缩比最低(比如8-10)；当一个气门(96a、96b)关闭和另一气门(132a、132b)打开时，压缩比居中(比如11-13)；当两个气门(96a、132a、96b、132b)都处于关的状态，此时压缩比最高并与膨胀比相同(比如14-18)。
全文摘要
本发明涉及两个相互交差放置的转子在一个外箱内作与转轴同心转动的转子内燃机。每个转子的转速由一个独特的凸轮/滚子机构控制。凸轮的轮廓线形式确定了转子的运动规律。每个转子有四个叶片，因而形成八个气缸。外箱上设置的两个进气口、两个出气口和两个点火塞(对于火花点燃发动机)径向对称设置，转轴每转动一圈，每个气缸将完成两个完整的发动机循环，因而发动机完成总共十六个循环。进气过程，压缩过程，燃烧/膨胀过程和排气过程是在两个径向相反的气缸内同时进行，因此发动机在工作过程中除了燃烧气体对转轴产生的有效输出力矩外其它的力和力矩都构成近似的自平衡。另外，提出了一套技术方案解决密封、润滑和冷却问题，还采用了米勒循环和可变压缩比技术来提高热效率。因此这种转子发动机具有结构简单，输出功率比高，排放和噪声低，综合效率高，造价低廉和可靠性高的特征。
文档编号F01C1/067GK1414214SQ0113421
公开日2003年4月30日 申请日期2001年10月26日 优先权日2001年10月26日
发明者张长春 申请人:张长春