专利名称：球形旋转发动机的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种发动机，用于将热能转化为机械能；当适当改变进气孔和排气孔位置工作时，也可以作为压缩机使用。
背景技术：
目前广泛应用的发动机是利用活塞的往复直线运动，压缩可燃气体，然后引燃气体，瞬间产生大量热能，通过推动活塞将热能转化为机械能，再利用曲轴输出扭矩。由于曲轴在做圆周运动时存在死点，同时活塞的往复直线运动存在很大冲击，需要布置多个气缸同时工作，导致运动机构复杂和零件数多，加工及控制十分困难，发动机体积庞大，空间利用率低，并且发动机效率也偏低。还有一种三角转子发动机，因为三角转子和缸体内表面接触为线接触，对密封和润滑条件要求很高，对材料要求也相当严格，同时缸体内表面和三角转子外表面都是特殊的异形曲面，加工异常困难，至今，也没有得到广泛应用。
发明内容
针对现有技术的缺点，本发明提供了一种发动机，结构上应用了球面上任何一段曲面绕任意通过该球心的轴转动，仍然是在该球面上的原理，解决了往复式发动机和三角转子发动机所存在的问题。
本发明的技术方案为一种球形旋转发动机，包括缸体，该缸体上设有进气孔、排气孔和点火孔，所述缸体的内表面是一个内球面，缸体内部有一个与缸体内球面同球心的小球体，在缸体上安装左转轴和右转轴，左/右转轴上分别通过多个第一联接结构联接多个左/右活塞片，并且对应的一对左/右活塞片之间通过第二联接结构联接，当左/右活塞片绕球心旋转时，带动左/右转轴旋转，同时左/右活塞片又绕第二联接结构的中心线转动，每相邻的两对左/右活塞片、缸体、小球体以及左/右转轴组成一个密封的工作空间。
所述缸体的内球面是完整球面或者球面的一部分。
所述的小球体是一个完整的球体或者是球体的一部分。
左活塞片、右活塞片的顶端和底端都是球面，顶端和缸体的内球面配合，底端和小球体配合。
左转轴和右转轴的中心线通过小球体的球心。
第一联接结构采用转动联接，其中心线通过小球体的球心，或者采用滑动联接，其装配基准面通过该转轴的中心线及对应第二联接结构的中心线。
第二联接结构的中心线通过小球体的球心。
所述的缸体上设有自动回火槽。
所述的缸体上设有一个孔，通过球心扩张，在缸体外安装转轴角度调整装置。
因为左/右转轴成一定夹角布置且通过第一联接结构联接左/右活塞片，而左/右活塞片之间又通过第二联接结构联接，每相邻的两对左/右活塞片、缸体、小球体以及左/右转轴组成一个密封的工作空间，即为一个气缸，多个密封的工作空间组成多个气缸。当左/右活塞片绕球心旋转时，即各气缸绕球心旋转时，气缸容积会随着在不同的位置而发生相应的变化。本发明第一联接结构提供有两套设计方案方案A第一联接结构采用连接销结构，转轴与对应活塞片实现转动联接，第一联接结构的中心线通过小球体的球心，当左/右活塞片绕小球体的球心旋转时，带动左/右转轴旋转，同时左/右活塞片绕第一联接结构的中心线转动，又绕第二联接结构的中心线转动，气缸容积随着在不同的位置发生相应的变化。
方案B第一联接结构采用在转轴上开设滑槽，转轴与对应活塞片实现滑动联接，该滑槽的设计要求其装配基准面通过该转轴的中心线，同时保证该转轴和活塞片装配后，此装配基准面通过该活塞片的第二联接结构的中心线，也即装配完毕后，转轴的中心线与对应活塞片的第二联接结构的中心线所构成的平面和其装配基准面共面。当左/右活塞片绕小球体的球心旋转时，带动左/右转轴旋转，同时左/右活塞片在装配基准面上或装配基准面平行面上和左/右转轴相对滑动，又绕其第二联接结构的中心线转动，气缸容积随着在不同的位置发生相应的变化。
本发明还提供了另外结构一种发动机，即采用本发明上述两种方案的一半结构来实现，包括缸体，该缸体上设有进气孔、排气孔和点火孔，该缸体的内表面是一个内球面的一部分，缸体内部有一个与缸体内球面同球心的小球体，在缸体上安装有一个转轴，转轴的中心线通过小球体的球心，转轴通过多个第一联接结构联接多个活塞片，活塞片通过第二联接结构和端面密封零件联接(在图2和图14的A平面处用端面密封零件密封)，第一联接结构的中心线通过小球体的球心，或第一联接结构的装配基准面通过转轴的中心线及对应第二联接结构的中心线，第二联接结构的中心线通过小球体的球心，活塞片的顶端和底端都是球面，顶端和缸体的内球面配合，底端和小球体配合，相邻的两个活塞片、缸体、转轴、小球体以及端面密封零件组成一个密封的工作空间，即为一个气缸，多个密封的工作空间组成多个气缸，当活塞片绕小球体的球心旋转时，带动转轴转动，同时，活塞片又绕第二联接结构的中心线转动，气缸容积随着在不同的位置发生相应的变化。
本发明和传统往复式发动机相比较因为本发动机消除了传统往复式发动机活塞的往复运动，转轴直接输出扭矩，不存在传统往复式发动机需要将往复运动转变为旋转运动而不可缺少的复杂动力转换构件，结构紧凑，体积小重量轻，空间利用率高，动力输出平稳畅顺；发动机进气和排气依靠活塞片本身的运动来控制，不再需要专门的配气机构，包括正时齿带、凸轮轴、摇臂、气门、气门弹簧等，大幅度减少所需要的部件；对于往复式发动机，活塞运动本身就是一个振动源，同时气门机构也会产生令人讨厌的机械噪音，本发动机由多个气缸连续工作，生成的旋转运动振动小，而且没有气门机构，因此能够更平稳和更安静的运行。与三角转子发动机相比较本发动机其数学模型可调整参数多，易于灵活实现不同设计要求的需要；无特殊的异形曲面，加工工艺简单；运动表面皆为面接触，密封可靠，润滑性好；做功行程长，燃气燃烧充分，更加节能环保；可在工作过程中在一定范围内实时调节发动机压缩比及排气量以获得更佳的动力性能及更低的油耗。
下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。
图1至图4是方案A工作示意图。
图5是方案A左活塞片结构示意图。
图6是方案A右活塞片结构示意图。
图7和图8是方案A左转轴的结构示意图。
图9至图1是方案A右转轴和小球体的装配示意图。
图12是转轴角度调整示意图。
图13至图16是方案B工作示意图。
图17是方案B左活塞片结构示意图。
图18是方案B右活塞片结构示意图。
图19至图21是方案B左/右转轴结构示意图。
具体实施例方式
请参阅图1至图21，本发明的缸体由半缸体1、半缸体2构成，本发明还包括左转轴3、右转轴4、小球体5、连接销6、左活塞片7、右活塞片8、转轴角度调整装置9等构成，同时缸体上加工有进气孔10和排气孔11、点火孔12以及自动回火槽13。半缸体1和2开有两个孔，两个孔中心线通过球心，二者夹角小于180°，该两个孔用于定位转轴，确保转轴安装后转轴中心线通过球心，并且保证转轴只能绕自己中心线做旋转运动。左活塞片、右活塞片的顶端为球面，它分别和半缸体1、半缸体2的内球面配合，底端为球面，和中间小球体配合。左/右活塞片的顶端和底端的球面上开设有润滑油槽和活塞环槽，分别用于储存润滑油和安装活塞环，以改善润滑和密封效果。
转轴定位在缸体上后，确保转轴中心线通过球心，转轴通过第一联接结构和活塞片联接，活塞片和缸体内球表面以及小球体球面配合良好。转轴上第一联接结构可在转轴上均匀分布，也可非均匀分布。左/右活塞片之间通过连接销连接，连接销中心线通过球心，保证左/右活塞片可绕连接销中心线灵活转动并密封良好。
方案A左/右转轴上的第一联接结构通过定位装置采用连接销和左/右活塞片实现转动联接，转轴上所有用于定位活塞片的定位装置中心线通过球心。安装完活塞片后，确保定位活塞片的连接销的中心线也通过球心。本例每个转轴上安装6个活塞片，呈均匀分布。连接销和活塞片之间要求密封良好，每个活塞片可以绕连接销中心线灵活转动。
方案B左/右转轴上的第一联接结构采用在转轴上开设滑槽和左/右活塞片实现滑动联接，该滑槽的设计要求其装配基准面通过该转轴的中心线，同时保证该转轴和活塞片装配后，此装配基准面通过该活塞片的第二联接结构的中心线，也即装配完毕后，转轴的中心线与对应活塞片的第二联接结构的中心线所构成的平面和其装配基准面共面。本例每个转轴上设有6个滑槽，用于联接6个活塞片，6个滑槽呈均匀分布，安装完活塞片后，保证滑槽与活塞片之间配合良好，密封可靠，活塞片能在装配基准面上或装配基准面平行面上灵活滑动。
安装完毕，要求左/右转轴中心线通过球心；左/右活塞片之间的连接销中心线通过球心；缸体内球面和小球体共球心；对于方案A还要求转轴上定位活塞片的连接销中心线通过球心。
以上结构设计，保证每相邻的两对左/右活塞片和缸体以及小球体和左/右转轴组成一个工作空间，也即一个气缸，当左/右活塞片绕球心旋转时，带动左/右转轴相应旋转，每一对左/右活塞片之间的连接销中心在同一平面(见图2和图14的A平面，在方案B中，在小球体上还设有一环形槽，用于限定左/右活塞片之间的连接销中心在A平面做旋转运动)绕球心做旋转运动。左/右活塞片旋转到不同位置，每一个气缸容积都会发生相应的变化。每一对活塞片绕球心旋转一周，都会使气缸容积完成由最大到最小再到最大的变化过程，本例有6个气缸顺序交替完成上述过程。缸体上加工有进气孔、排气孔、点火孔以及自动回火槽。当一个气缸刚越过最大容积状态(或某个中间状态)开始排气，其前一个气缸开始进气(也可提前进气，让新鲜压缩空气进气与废气排气时间上有一定重叠，尽量将上一个做功过程剩余废气排净，至排气封闭后再单独喷入燃油)过程并顺序完成压缩、点火、做功、排气各阶段；当前一个气缸连续完成进气、压缩、点火并开始做功过程，而邻近该气缸的后一个气缸刚越过最小容积状态，前一个气缸内高温余火通过自动回火槽将后一个气缸内的油气混合压缩气体点燃，完成点火，避免在压缩状态时每次需要用火花塞点火，并创造实现油气混合压缩气体稀薄燃烧的优越点火条件。
半缸体1上有一个孔通过球心扩张，在半缸体1外安装转轴角度调整装置9，以便可以实时调节两个转轴中心线之间的夹角，即调节单个气缸最大容积和单个气缸最小容积，也即在工作过程中，发动机压缩比及排气量可以在一定范围内实时调节以获得更佳的动力性能及更低的油耗。
本发明在结构上应用了球面上任何一段曲面绕任意通过该球心的轴转动，仍然是在该球面上的原理，活塞片的顶端和底端都是球面，顶端和缸体的内球面配合，底端和小球体配合，左/右转轴成一定夹角布置且通过第一联接结构联接左/右活塞片，而左/右活塞片之间又通过第二联接结构联接，第二联接结构的中心线通过球心，工作过程中左/右活塞片绕第二联接结构中心线转动，每相邻的两对左/右活塞片和缸体以及小球体和左/右转轴组成一个工作空间(若取本机构的一半工作，在图2和图14的A平面处用端面密封零件密封，则相邻的两个活塞片和转轴、缸体、小球体和端面密封零件组成一个工作空间)，也即一个气缸，当气缸绕球心旋转至缸体内不同位置，其容积会发生相应变化，因此，每个气缸旋转一周，各自完成发动机的进气、压缩、点火、做功、排气这几个过程，带动转轴旋转，将热能转化为机械能通过转轴输出。
有几个参数对发动机性能有影响转轴的形状，转轴中心线和转轴上定位装置的中心线夹角，两个转轴中心线之间的夹角，左/右活塞片之间的最大夹角，加上活塞片的形状、尺寸和数目都和发动机压缩比及排气量相关；在不引起机构干涉的前提下，通过在活塞片上加材料以减小每个气缸的最小容积，还可以进一步提高发动机压缩比；缸体的内球面直径和小球体直径和发动机排气量相关；除上述参数外，调整排气孔、进气孔的位置，也直接影响发动机性能。
由于影响发动机性能的相关参数较多，通过优化这些参数配置，可以显著提高发动机性能。
本发明可以用左转轴和右转轴双轴输出动力，也可以用一个转轴单独输出动力。本发明结构只要适当改变进气孔和排气孔位置，就可以实现压缩机功能。本文所说的左转轴和右转轴、第一联接结构以及第二联接结构等的中心线通过球心是指左转轴和右转轴、第一联接结构以及第二联接结构等的中心线通过球心或左转轴和右转轴、第一联接结构以及第二联接结构等的中心线的延长线经过球心。
另外本发明中缸体内的小球体可以是一个单独球体，也可以和其中一个转轴做成一体或者装配为一体；本发明的进气孔、排气孔和点火孔也可以根据需要设在发动机的不同位置；第一联接结构在转轴上分布可以是均匀分布，也可以是不均匀分布；用于和活塞片连接的连接销可以是圆柱形销，也可以是圆锥形销或者变形为其它形状，连接销可以是单独零件，也可将连接销和活塞片做成一体，或将连接销和其它零件做成一体；当不用某一转轴输出动力时，该转轴可以变形为静止轴，只要保证每个活塞片具有本文前面所述运动特性即可。
权利要求
1.一种球形旋转发动机，包括缸体，该缸体上设有进气孔、排气孔和点火孔，其特征在于，所述缸体的内表面是一个内球面，缸体内部有一个与缸体内球面同球心的小球体，在缸体上安装左转轴和右转轴，左/右转轴上分别通过多个第一联接结构联接多个左/右活塞片，并且对应的一对左/右活塞片之间通过第二联接结构联接，当左/右活塞片绕球心旋转时，带动左/右转轴旋转，同时左/右活塞片又绕第二联接结构的中心线转动，每相邻的两对左/右活塞片、缸体、小球体以及左/右转轴组成一个密封的工作空间。
2.如权利要求1所述的球形旋转发动机，其特征在于，所述缸体的内球面是完整球面或者球面的一部分。
3.如权利要求1所述的球形旋转发动机，其特征在于，所述的小球体是一个完整的球体或者是球体的一部分。
4.如权利要求1所述的球形旋转发动机，其特征在于，左活塞片、右活塞片的顶端和底端都是球面，顶端和缸体的内球面配合，底端和小球体配合。
5.如权利要求1所述的球形旋转发动机，其特征在于，左转轴和右转轴的中心线通过小球体的球心。
6.如权利要求1所述的球形旋转发动机，其特征在于，第一联接结构的中心线通过小球体的球心，或者第一联接结构的装配基准面通过该转轴的中心线及对应第二联接结构的中心线。
7.如权利要求1所述的球形旋转发动机，其特征在于，第二联接结构的中心线通过小球体的球心。
8.如权利要求1所述的球形旋转发动机，其特征在于，所述的缸体上设有自动回火槽。
9.如权利要求1所述的球形旋转发动机，其特征在于，所述的缸体上设有一个孔，通过球心扩张，在缸体外安装转轴角度调整装置。
10.一种球形旋转发动机，包括缸体，该缸体上设有进气孔、排气孔和点火孔，其特征在于，该缸体的内表面是一个内球面的一部分，缸体内部有一个与缸体内球面同球心的小球体，在缸体上安装有一个转轴，转轴的中心线通过小球体的球心，转轴通过多个第一联接结构联接多个活塞片，活塞片通过第二联接结构和端面密封零件联接，第一联接结构的中心线通过小球体的球心，或者第一联接结构的装配基准面通过转轴的中心线及对应第二联接结构的中心线，第二联接结构的中心线通过小球体的球心，活塞片的顶端和底端都是球面，顶端和缸体的内球面配合，底端和小球体配合，当活塞片绕球心旋转时，带动转轴旋转，同时活塞片又绕第二联接结构的中心线转动，每相邻的两个活塞片、缸体、转轴、小球体以及端面密封零件组成一个密封的工作空间。
全文摘要
本发明公开了一种发动机，包括缸体，该缸体上设有进气孔、排气孔和点火孔，所述缸体的内表面是一个内球面，缸体内部有一个与缸体内球面同球心的小球体，在缸体上安装左转轴和右转轴，左/右转轴上分别通过多个第一联接结构联接多个左/右活塞片，并且对应的一对左/右活塞片之间通过第二联接结构联接，当左/右活塞片绕球心旋转时，带动左/右转轴旋转，同时左/右活塞片又绕第二联接结构的中心线转动，每相邻的两对左/右活塞片、缸体、小球体以及左/右转轴组成一个密封的工作空间。
文档编号F02B55/02GK1673500SQ200510033928
公开日2005年9月28日 申请日期2005年4月5日 优先权日2005年4月5日
发明者雷激 申请人:雷激