偶式叶轮转子发动机的制作方法

本发明涉及发动机技术领域，尤其是涉及一种偶式叶轮转子发动机。

背景技术：

发动机是一种能够把其它形式的能转化为机械能的机器。汽车发动机是将燃料混合气体燃烧产生膨胀压力通过传动机构传输到汽车的驱动机构，其过程分为四部分：吸气、压缩、膨胀做功和排气。

传统的汽车发动机为四冲程曲轴往复式发动机(下称四冲程发动机)，四冲程发动机的往复直线运动，其力作用在曲轴颈上，再做圆周运动，首先是能量的损耗及转速限制，其次是力矩太小，能量利用值小，即曲轴颈/车轮比值。所以，增大力矩是转子发动机优势，同时转子结构也更容易获得高转速，即更高的功率输出。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种偶式叶轮转子发动机，以转子结构的圆周运动代替传统发动机曲轴的直线-圆周运动，减少能量损耗，以偶式叶轮结构，代替曲轴结构，以获得更大的扭矩并提高功率输出。

本发明提供的一种偶式叶轮转子发动机，包括：转子和定子；

所述定子上设有两个燃烧室、两个排气口和两个进气口，两个所述燃烧室、两个所述进气口和两个所述排气口分别相对于所述转子的中心呈中心对称；所述转子上设有两个气缸和两个叶轮区，两个所述气缸、两个叶轮区分别相对于所述转子的中心呈中心对称，所述转子通过行星内曲轴机构与所述气缸的活塞连杆连接，所述叶轮区包括多个间隔开设于转子外周的叶轮，所述叶轮的顶部与定子内壁间隙配合且具有一定的密封性。

进一步地，该偶式叶轮转子发动机还包括第一轴承座和第二轴承座，所述定子与第一轴承座、第二轴承座共同构成偶式叶轮转子发动机的静态壳体，所述第一轴承座对应设置于所述转子的功能端，所述第二轴承座对应设置于所述转子的输出端；所述第一轴承座和所述第二轴承座内侧均设置有用于连接所述定子的台阶和用于压装纵环的台阶。

进一步地，所述行星内曲轴机构包括太阳齿轮、第一行星齿轮、第二行星齿轮、齿圈以及一个用于同时带动两个所述活塞连杆做往复移动的曲轴；所述齿圈安装于所述第一轴承座内，所述第一行星齿轮与所述第二行星齿轮同轴固定设置，所述第一行星齿轮与所述齿圈啮合，所述第二行星齿轮与所述太阳齿轮啮合，所述太阳齿轮安装于所述曲轴的左侧。

进一步地，在所述转子上设有配重块，所述配重块与所述第一，二行星齿轮相对于所述转子的中心呈对称设置。

进一步地，所述太阳齿轮与所述齿圈的传动比为1:2。

进一步地，该偶式叶轮转子发动机还包括由所述滚柱和所述纵环构成的密封结构，所述纵环、滚柱和定子的内壁共同配合形成气缸密封区和叶轮密封区。

进一步地，所述纵环包括外环和内环，所述外环与内环之间形成面密封；所述外环与所述定子的台阶为静配合，与所述转子外台阶为动配合；所述内环设有与所述滚柱端部的台阶连接的孔，所述内环与定子、转子均动配合，随所述转子和所述滚柱转动；

所述滚柱的轴向外圆与定子内壁线性相接，且在所述滚柱的两端设有台阶，用于与所述纵环的内环上的孔相接；所述滚柱采用模块镶嵌式，其中，在模块下装有弹簧；以滚动线性密封代替径向密封片的滑动线性密封，杜绝了共振

进一步地，该偶式叶轮转子发动机还包括轴式旋转气门，所述轴式旋转气门设置在所述燃烧室与燃烧室喷口之间，所述轴式旋转气门在其轴体中部设置有用于气体通过的通孔。

进一步地，所述轴式旋转气门的一端连接有气门摆臂；所述轴式旋转气门相对设置有所述气门摆臂的另一端设置有回位簧以及限位块。

进一步地，该偶式叶轮转子发动机还包括安装于所述转子上气缸区侧面且与气门摆臂配合的气门凸轮片，所述气门凸轮片上表面为凸曲面；当所述气门凸轮片转动到所述气门摆臂的位置与所述气门摆臂接触，所述气门摆臂沿所述气门凸轮片上表面运动，带动所述轴式旋转气门旋转。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明提供一种偶式叶轮转子发动机，以转子结构的圆周运动代替传统发动机曲轴的直线-圆周运动，减少能量损耗，以偶式叶轮结构，代替曲轴结构，以获得更大的扭矩并提高功率输出。以现有技术而言，该偶式叶轮转子发动机具有巨大的优势，具体体现在如下几方面：

一、该偶式叶轮转子发动机的气缸和燃烧室分开设计，及转子连续圆周运动(无活塞做功换向运动)，从根本上避免了爆震。

二、该偶式叶轮转子发动机采用正圆转子偶式结构，虽有四冲程过程，但其通过密封结构，将燃烧冲程和排气冲程，移至定子上，使气缸处于低负荷状态，同时使燃烧室膨胀气流得以切向作用于转子叶轮上——达到转子直接圆周做功目的。且一周两次对称做功，单转子即具备四冲程发动机的四缸效果，且无震动，结构、体积都具明显优势。

三、该偶式叶轮转子发动机的叶轮力矩与四冲程发动机的曲轴力矩相比，差距非常明显，以转子直径300mm算，基本是同缸排量汽油机的八倍，同缸排量柴油机的四倍，也避开了压缩比与力矩的限制，为不同燃料应用，提供了可能。

四、该偶式叶轮转子发动机设计简约，尤以转子气缸叶轮一体设计，旋转气门气门凸轮片配气机构，行星内曲轴机构。机加工适应性强，具有极强的成本、市场潜力。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种偶式叶轮转子发动机的侧视剖面图；

图2为图1中M的放大图；

图3为图1中A-A剖视图；

图4为图3中N的放大图；

图5为本发明实施例提供的一种偶式叶轮转子发动机的旋转气门结构示意图。

附图标记：

100-转子； 101-气缸； 102-活塞连杆；

103-叶轮； 104-循环水道； 200-定子；

201-燃烧室； 202-排气口； 203-进气口；

204-第一轴承座； 205-第二轴承座； 300-齿圈；

301-曲轴； 302-功能端主轴； 303-输出端主轴；

304-功能端桥区 400-太阳齿轮； 401-第一行星齿轮；

402-第二行星齿轮； 403-配重块； 500-外环；

501-内环； 502-滚柱； 600-轴式旋转气门；

601-通孔； 602-气门摆臂； 603-气门凸轮片

604-燃烧室喷口。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1-5所示，本实施例提供一种偶式叶轮转子发动机，包括：转子100和定子200。

其中，对于定子200而言，在定子200上依次设有两个燃烧室201、两个排气口202和两个进气口203，两个燃烧室201、两个进气口202和两个排气口203分别相对于转子100的中心呈中心对称；

其中，对于转子100而言，转子100上设置有两个气缸101、两个叶轮区，两个气缸101、两个叶轮区分别相对于转子100的中心呈中心对称，每个气缸101的活塞连杆102通过行星内曲轴机构与转子100连接，以转子结构的圆周运动代替传统发动机曲轴的直线-圆周运动，减少能量损耗；转子100位于两个气缸101之后的外周边缘具有叶轮区，叶轮区包括多个间隔开设于转子100外周的叶轮103，多个叶轮103的顶部与定子200内壁间隙配合且具有一定的密封性，以偶式叶轮结构代替曲轴结构，以获得更大的扭矩并提高功率输出。

更加具体地，下面针对本实施例中的各个部件进行详细描述。

对于转子100与定子200部分，本实施例采用转子100/气缸101/叶轮103一体设计；气缸100、燃烧室201、叶轮103分开设计；进排气分离设计。

优选地，定子200的内壁呈正圆形，在定子200的顺时针0/180度方向上对称设置有燃烧室201及燃烧室喷口604，在定子200的顺时针15/195度方向上对称设置有排气口202，定子200的顺时针30/210度方向上对称设置有进气口203。其中，燃烧室201为分体硬性连接，便于加工与后期维护。

优选地，转子100，即飞轮体，为圆环形状的中空腔体,其外圆与定子200同心动配合。气缸101是关于转子100中心对称设置，其底与转子100的外圆一致。在气缸101的底部设置有孔，用于将压缩气体导入燃烧室喷口604进入燃烧室201，同时在进气口203将新鲜空气通入气缸101。气缸101的内部设置有与活塞连杆102连接的活塞，具有气环和油环。活塞连杆102的一端连接活塞，另一端连接行星内曲轴机构。气缸101、活塞和活塞连杆102形成气缸总成，不参与系统的燃烧做功与排气冲程，只是将压缩空气输送到燃烧室201内，该过程为低强度工作。燃烧室201内气体燃烧膨胀做功在叶轮区的叶轮103上，从而直接实现转子100的圆周运动。

具体地，在转子100的转动过程中，气缸101和叶轮区103随着转子100转动。气缸101在进气口203完成吸气并随着转子100继续转动，转动过程中，活塞连杆102由行星内曲轴机构带动对气体进行压缩。当气缸101经过燃烧室喷口604时将被压缩的气体输送至燃烧室201内，而后转子100继续转动，当叶轮区转至燃烧室喷口604时，燃烧室201中被点燃的膨胀气体喷向叶轮区的叶轮103上，推动转子100转动。当气缸101经过进气口203时叶轮区经过排气口202。气缸101的底部设置有孔，用于在合适的点位将压缩气体输送到燃烧室201内。

可见，相较于传统发动机曲轴的直线-圆周运动，本实施例提供的偶式叶轮转子发动机减少了能量的消耗，使发动机获得了更大的扭矩，还提高了功率的输出，同时更容易使系统获得高速。

为了保证从燃烧室201喷出的气体能尽可能做最大的功到叶轮103，燃烧室201到燃烧室喷口604的通道的方向应与此时转子100的向心力方向成一定角度。且该角度越大，燃烧室201喷出的气体作用方向越接近于此处转子100的切线方向。因为垂直方向作用在叶轮103上的力最大，即此处转子100的切线方向。

此外，在气缸101的两侧和叶轮区设置有内循环水道104，通过管道连通功能端主轴302内的双深孔。以及输出端主轴303内的单深孔，通行星内曲轴机构的机油内循环。当然，除此之外，本领域技术人员还可以做其他适应性修改，此处不再一一赘述。

为了使整体结构更加完善，本实施例还包括第一轴承座204和第二轴承座205，定子200与第一轴承座204、第二轴承座205共同构成偶式叶轮转子发动机的静态壳体，第一轴承座204对应设置于转子100的功能端，第二轴承座205对应设置于转子100的输出端；第一轴承座204和第二轴承座205内侧均设置有用于连接定子200的台阶和用于压装纵环的台阶。

第一轴承座204与第二轴承座205为圆形，两者的内侧外圆设置有用于连接定子200的台阶，将定子200放置在上述台阶上，将定子200与第一轴承座204和第二轴承座205连接起来共同组成偶式叶轮转子发动机的静态壳体。将壳体分为定子200、第一轴承座204和第二轴承座205三个部分，便于后期维护的安装与拆卸。第一轴承座204对应设置于转子100的功能端，第二轴承座205对应设置于转子100的输出端。

本实施例中的行星内曲轴机构包括太阳齿轮400、第一行星齿轮401、第二行星齿轮402、齿圈300以及一个用于同时带动两个活塞连杆102做往复移动的曲轴301；齿圈300安装于第一轴承座204上，第一行星齿轮401与第二行星齿轮402同轴固定设置，第一行星齿轮401与齿圈300啮合，第二行星齿轮402与太阳齿轮400啮合，太阳齿轮400安装于曲轴301的左侧。曲轴301的两端分别以轴承连接安装在功能端主轴302和输出端主轴303内端，形成独立运转系统。曲轴301只负责带动活塞连杆102运动完成吸气与压缩气体的功能，不参与系统燃烧做功。

需要说明的是，功能端主轴302通过功能端桥区304与转子100桥式硬性连接，方便行星内曲轴机构和配重块403的安装，输出端主轴303与转子100是法兰硬性连接连接，整体要求同心。在转子100上设有配重块403，配重块403与第一行星齿轮401相对于转子100的中心呈对称设置。

需要说明的是，经过转子100、齿圈300、第一行星齿轮401、第二行星齿轮402和太阳齿轮400的传动，齿圈300与太阳齿轮400传动比为1:2。这样的传动比使得转子100转一周，曲轴301转动两周。即，转子100旋转一周，气缸101吸压冲程两次，偶式就是四次。此外，这种传动比的设置并不唯一，可根据实际需要灵活设置。例如：行星机构另一种模式：齿圈和太阳轮最终传动比为1：1。这种模式就是转子一周，气缸吸压冲程一次，偶式两次。涉及发动机额定转速，以适应不同应用需要。

为了提高本实施例的密封性能，本实施例还包括由滚柱502和纵环构成的密封结构，纵环、滚柱502和定子200的内壁共同配合形成气缸密封区和叶轮密封区。

优选地，纵环包括外环500和内环501，均为无开口环。外环500与内环501之间形成面密封；外环500与定子200的台阶为静配合，与转子100外台阶为动配合；内环501设有与滚柱502端部的台阶连接的孔，内环501与定子200、转子100均动配合，随转子100和滚柱502转动。左右两侧的纵环靠左右轴承座(第一轴承座204和第二轴承座205)相应台阶压装在定子100的纵环台阶内，并保证动态环自由。

优选地，滚柱502的轴向外圆与定子200内壁线性相接，且在滚柱502的两端设有台阶，用于与纵环的内环501上的孔相接；滚柱502采用模块镶嵌式，其中，在模块下装有弹簧。该滚柱502与弹性模块镶嵌式连接，在模块下装有弹簧，方便加工装配及维修。滚柱502的轴向外圆与定子200的内壁线性接触。当转子100转动时，滚柱502在弹性和离心力的作用下，沿定子200的内壁滚动从而形成线性密封，与动态纵环形成静态面密封，与外环500形成动态面密封，提高发动机的寿命。通过滚柱502的排布，将转子100的外周分为气缸区和叶轮区。

具体地，滚柱502的排布为2-1-1的方式，具体结构如图3所示，在气缸101、叶轮103所在区域对应的位置分别依次按照2-1-1的方式设置滚柱502，从而将转子100的外周分为气缸区和叶轮区。具体地，在气缸区沿转子100圆周方向的顺时针方向一侧设置的滚柱502为两个一组，防止滚柱502跨燃烧室喷口604导致高压气体泄露；而在叶轮区沿转子100圆周方向两侧设置的滚柱502为单个一组，这是因为叶轮103的特殊结构，其自身具有一定的密封功能。

本实施例还包括轴式旋转气门600，轴式旋转气门600设置在燃烧室201与燃烧室喷口604之间，当然，轴式旋转气门600同样为两个且对称设置。而且，轴式旋转气门600在其轴体中部设置有用于气体通过的通孔601。优选地，该通孔601为长腰孔，通燃烧室201和燃烧室喷口，在气门摆臂602作用下旋转，轴体实体部分关闭燃烧室201和燃烧室喷口604，达到关闭压缩气体目的。轴式旋转气门600能够在恰当的时刻让气缸101中的压缩气体输送到燃烧室201内或者在恰当的时刻让燃烧室201内的膨胀气体喷射到叶轮区的叶轮103上。

本实施例还包括安装于所述转子100上气缸区侧面且与气门摆602配合的气门凸轮片603，所述气门凸轮片603上表面为凸曲面；当所述气门凸轮片603转动到所述气门摆臂602的位置与所述气门摆臂602接触，所述气门摆臂602沿所述气门凸轮片603上表面运动，带动所述轴式旋转气门600旋转。

具体地，当气缸101达到上止点，气门凸轮片603触动气门摆臂602，关闭轴式旋转气门600；当叶轮区103进入燃烧室喷口604的位置，气门摆臂602在气门凸轮片603上走完行程，回复簧作用使其恢复，打开轴式旋转气门600的通道。

现就本实施例的运动过程作以详细分析说明：

一.在惯性作用下，转子100顺时针旋转至0/180度时，活塞连杆102带动活塞位于上止点，气缸101刚好完成压缩充气冲程。此时的轴式旋转气门600在气门摆臂602与气门凸轮片603的作用下处于关闭状态，燃烧室103完成充气。转子100继续顺时针旋转，活塞连杆102运动带动活塞下行吸气，气缸101底部暂时封住排气口202，减少废气的吸入。

二.转子100继续顺时针旋转至15/195度时，气缸101进入进气区，气缸101开始吸气冲程。此时，气门摆臂602在气门凸轮片603上走完行程，配合回位簧，轴式旋转气门600处于打开状态。叶轮区正好处于燃烧室喷口604的位置，燃烧室201喷油点火，气体膨胀做功喷射到叶轮区103，推动转子100转动。此时，气缸101的吸气冲程继续，轴式旋转气门600处于开放状态直至下一周期。

三.转子100继续顺时针旋转至30/210度时，叶轮区处于排气口202位置，燃烧后的废气由排气口202排出，吸气冲程继续一直持续到当转子100转到90/270度。

四.转子100继续顺时针旋转至90/270度时，活塞连杆102带动活塞处于下止点，气缸101走完进气区完成吸气冲程。转子100继续顺时针旋转，活塞开始上行，气缸101进入定子压缩区-完整内壁区，与滚柱502和纵环形成气缸密封区，开始做压缩冲程。

五.转子100继续顺时针旋转至165/345度时,气缸101处于燃烧室喷口604位置，开始将压缩后的气体输送到燃烧室201中，直至转子100转到180/360度。

六.转子100继续顺时针旋转至180/360度时,活塞到达上止点，气缸101完成压缩充气冲程，此时轴式旋转气门600关闭。

至此，本实施例一个系统做功完成，转子100继续旋转，系统进入下一个循环。可以看出，由于本实施例的气缸101、叶轮区、进气口203、排气口202、燃烧室201都是两两中心对应设置，而齿圈300与太阳齿轮400的传动比为1:2，即转子100旋转一周，整个系统做四次功，成倍增大了动力的输出。

综上，本发明提供一种偶式叶轮转子发动机，以转子结构的圆周运动代替传统发动机曲轴的直线-圆周运动，减少能量损耗，以偶式叶轮结构，代替曲轴结构，以获得更大的扭矩并提高功率输出。与现有技术而言，该偶式叶轮转子发动机具有的优势巨大，具体体现在如下几方面：

一、该偶式叶轮转子发动机的气缸101和燃烧室201分开设计，及转子连续圆周运动(无活塞做功换向运动)，从根本上避免了爆震。

二、该偶式叶轮转子发动机采用正圆转子偶式结构，虽有四冲程过程，但其通过密封结构，将燃烧冲程和排气冲程，移至定子200上，使气缸101处于低负荷状态，同时使燃烧室201膨胀气流得以切向作用于转子100的叶轮103上——达到转子100直接圆周做功的目的。且其一周两次对称做功，单转子即具备四冲程发动机的四缸效果，且无震动，结构，体积都具明显优势。

三、该偶式叶轮转子发动机的叶轮103的力矩与四冲程发动机的曲轴力矩相比，差距非常明显，以转子100直径300mm算，基本是同缸排量汽油机的八倍，同缸排量柴油机的四倍，也避开了压缩比与力矩的限制，为不同燃料应用，提供了可能。

四、该偶式叶轮转子发动机设计简约，尤以转子100、气缸101、叶轮103一体设计，轴式旋转气门600气门凸轮片603配气机构，行星内曲轴机构。机加工适应性强，具有极强的成本、市场潜力。

五、该偶式叶轮转子发动机是一种燃烧室201高频做功，叶轮103高扭矩输出，转子100主轴中低转速的发动机。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。