一种摆块配合内腔凸轮转子内燃发动机动力系统的制作方法

本发明属于内燃发动机领域，涉及一种摆块配合内腔凸轮转子内燃发动机动力系统。

背景技术：

活塞内燃机是最早问世的内燃机。其特点是活塞在气缸内作往复直线运动，通过曲柄滑块机构实现曲轴回转运动输出。在曲轴回转两周内气缸内完成一次完整的进气、压缩、做功、排气四个工作过程，即奥托循环。人们通常认为，活塞式内燃机具有热效率高、结构紧凑，机动性强，运行维护简便等优点，甚至认为活塞内燃机的动力装置，尤其是机械结构，已经达到登峰造极的程度。然而，活塞内燃机输出动力的做功过程只占其中的四分之一，因而运动波动大，必须依靠飞轮维持工作过程连续，特别是其热效率只有40％左右。活塞内燃机结构，形式单一，缺乏可变性，只有通过增大尺寸或多套系统并联提高动力；而且，受曲柄滑块机构特性限制，做功冲程产生的化学能很难有效利用：如燃料爆发力最强大的时段，恰恰对应曲柄处于死点附近，此时爆发力主要以内耗为主，因力臂接近于零，并不能产生最大驱动力矩；最大力臂长度和活塞行程取决于固定的曲柄长度，对应最大力臂处，燃料的爆发力已下降很多，活塞内燃机动力机构的构成先天地决定其不可能充分地转化燃料的化学能。这也是活塞内燃机效率难以提高的一个根本原因。

三角转子内燃机(又称三角活塞旋转式发动机)是目前唯一成功商业化的转子内燃机。三角转子内燃机有一个或多个具有等径特性的曲边三角形转子，有类似椭圆形特定内腔廓型的转子仓作汽缸；转子有三个面与缸壁正好可以形成三个独立空间，即燃烧室。通过曲轴和齿轮啮合，使转子在汽缸内作强迫行星运动，转子运动时，有规律地露出进排气孔，不须像活塞内燃机一样配备专门的气门三个燃烧室即可各自先后完成奥托循环。转子代替活塞的作用，将压力转化为旋转运动输出。转子在一个方向上连续旋转，而不是剧烈地改变方向的往复直线运动。三角转子自转一周，发动机点火做功三次。三角转子内燃机较好地解决了端面密封和径向密封问题，精简结构，体积小，质量轻，运行安静，噪声小，具有均匀的扭矩特性。但仍存在核心件加工要求过高，对磨损过于敏感、压缩比调整困难、热效率低等关键问题，燃烧利用率仍难提高。同时，类似于活塞内燃机，三角转子内燃机结构的可拓展性也是有限的。另外燃料产生的膨胀力在转化为输出轴的动力时，力的传递存在天然缺陷。膨胀力虽然能推动转子转动，但其作用合力对转子轴的力矩却很难提高，同样内耗比例过高。

现有内燃机所用燃料种类很多，如汽油、柴油、煤油、天然气、石油气、煤气、氢气等。在内燃机工作过程中动力系统的燃料供给方式有两种：一种是燃料气化或雾化与氧化剂(通常是空气)混合后一起进入燃烧室，另一种是燃通过加注装置单独加注，不与氧化剂同步进入燃烧室。燃料点燃方式也有两种：一是利用火花塞等点火装置引燃，另一是通过压缩升温后自燃，如柴油。

技术实现要素：

受凸轮机构在泵和马达结构中应用的启发，再针对内燃机奥托循环特殊要求进行改造，在突破的四个过程有序转换的关键技术以后，提出一种基于组合凸轮机构的转子内燃机动力装置构成原理。

基本设计思路是：将凸轮定轴地安装在柱体的内部，利用凸轮远休止区和近休止区向径差异，形成有变化的环形间隙，再用一组从动件将该环形间隙周向分隔成多个密封腔室，并用气门控制各腔室的气体工作状态，只要实现合理的径向密封和端面密封，就能够实现利用活塞发动机的相同的工作过程。况且，三角转子发动机已为径向密封和端面密封提供了很好的先例。

根据凸轮机构设计的灵活性，凸轮从动件的运动形式包括直动从动件、摆动从动件，以及直动摆动复合的平面运动从动件几种形式。从动件的工作端又可分尖顶、圆顶、平顶和磙子等形式。凸轮本身也可区分为外表面凸轮和内腔凸轮、盘形凸轮、柱状凸轮、球面凸轮等，加上凸轮的轮廓形状、升程和回程变化规律、远近休止有无以及数量等的不同，均可产生不同的设计结果。尽管这些因素都可采用相同的原理实现上述思想，但结构布置方式会有一定的差别。

本发明公开的结构为内腔凸轮和摆块即摆动从动件组合的结构方案。

基本设计方案是：将内腔凸轮构件通过端部构件定轴地安装在中心构件上，端部构件与内腔凸轮构件和中心构件构成端部密封；内腔凸轮构件的内壁为平面平滑曲线段绕中心轴回转形成的内腔凸轮轮廓面，形成过程中母线上各点的向径同步变化，其端面轮廓是处处光顺的封闭平面曲线；中心构件的外表面也为回转面，从而与内腔凸轮构件构成向径差有变化的环形间隙。中心构件外部和内腔凸轮轮廓面之间还安装有若干中间件，中间件为摆动块，摆块作为凸轮从动件，一端与中心构件上制出的连接结构连接，连接处沿整个连接长度有密封性，另一端与内腔凸轮轮廓面间构成可密封的高副连接，从而将环形间隙分隔成若干隔离段；摆块与端部构件和/或中心构件的端部连接处也构成密封，使内腔凸轮轮廓面、中心构件的外表面和摆块之间形成若干个彼此分隔密封的工作腔室，这些密封腔室可随内腔凸轮构件和中心构件间的相对运动而发生容积变化。

在这些工作腔室内有进气口和排气口开口，在气门控制器控制的气门配合下可控制气体的流动方向，从而在每个工作腔室内依次完成奥托循环的进气过程、压缩过程、点火膨胀做功过程、以及排气过程，膨胀做功过程将燃料燃烧产生的化学能转化为内腔凸轮构件相对中心构件以回转运动形式输出的机械能。

内腔凸轮构件和中心构件均可作为回转输出的转子，端部构件在与两者均保持端部密封和使两者间相对定轴转动的前提下，可与两者之一固定为一体，也可相对两者独立。

内腔凸轮构件的内腔和中心构件的外表回转面的母线可为直线、弧线等简单平面曲线或其组合，内腔凸轮构件垂直于转轴的截面轮廓应使与之构成凸轮机构关系的摆块在运动时不产生刚性冲击和/或柔性冲击，即，无速度突变和加速度突变。这样会有利于运转时凸轮从动件与内凸轮轮廓间连接的稳定性，也避免接合面出现冲击磨损，从而提高使用寿命。

内腔凸轮轮廓应尽量避免局部断续处，否则，应设法保证从动件在此处接触时的密封性。

内腔凸轮轮廓可采用直线、圆弧、样条曲线、正余弦曲线、多项式曲线、椭圆曲线等多种凸轮轮廓常用的曲线，或者由几种组合而成。

内腔凸轮轮廓最好设置近休止段和/或远休止段，即使凸轮从动件高副连接端在距离凸轮轴最远和最近处位置保持静止的凸轮轮廓段，以实现凸轮从动件相对简单的运动规律，减少其与中心构件的相对运动，从而减小磨损。

摆块安装在中心构件上制出的相应的摆块槽中，与内腔凸轮轮廓面接触的伸出端形状与内腔凸轮构件回转面母线形状一致。

摆块与凸轮的接触可以通过比较容易实现的力封闭达到，如摆块槽底部设置刚度适当的弹簧或液压力，也可通过高精度的或带径向变形补偿的几何封闭形式实现。

为补偿摆块端面磨损，增强密封性，摆块可制成有补偿的形式，如采用多分段组合结构，中部端面为配合的斜接口对接，达到通过小量轴向错位以实现端面密封补偿；也可采用多片叠合方式补偿端部密封和增强径向密封等。

进气口和排气口在中心构件、摆块间和内腔凸轮构件间构成的工作腔内适当位置开口，并分别通过气门控制其开闭。

内腔凸轮构件和中心构件相对转动时，被摆块分隔的工作腔室的容积不断变化。

根据必要性设置摆块擒纵装置，其作用是适时地卡住或放开摆块。

另外，根据使用燃料的必要性设置点火装置，点火装置应设置在混合气达到规定压缩比时燃烧室对应的位置。如果燃料加注的时机不与空气等氧化剂同步，燃料加注装置的燃料加注入口应设置在进气过程和压缩过程对应的区间内。

本发明所述单套或多套动力系统，配合其他润滑系统、冷却系统、配气系统、控制系统等其他辅助系统，即可构成完整的内燃机。

本发明公开的凸轮转子内燃发动机动力系统，作为内燃发动机的核心至少存在以下可见的优势：

1.燃烧产生的动力直接作用于定轴回转的输出转子上，利用伴随转子连续定轴回转而发生容积变化的工作腔，直接吸收燃料燃烧产生的压力能，无需任何运动变换过程，从而运动传递环节短，有利于提高传动效率。

2.无论在燃料爆炸产生最大爆发力处，还是在燃烧后期，均可保持作用力的力臂不变，因此爆炸压力能够得到充分利用。

3.系统可做到转子无偏心回转，系统平衡容易实现，因此运动平稳，加上无往复运动件，动力损耗小，系统震动小，可实现低噪音运行。

4.可在统一结构中通过控制系统配合实现多种工作模式件的柔性转换，适应性极高，尤其适合配合计算机进行柔性自动控制，还可实现正反转控制。

5.系统可设计性极高，调节燃烧性能和动力性能的参数范围大，可望大幅度提高热效率；可设计成外转子或内转子输出形式。

6.结构简单，无需使用加工精度要求极高的叶轮和三角转子，因此制造成本低。

7.实现奥托循环经典四过程使采用容积变化实现，高低转速作业均可适用。易于实现单转多次做功，进气量大小和做功行程长短均可实现调节，可实现低速大扭矩输出。

8.体积小，易于实现扁平化和细长化，可适应不同的使用空间需求。活动件少，对磨损不敏感，易于实现自动补偿，可靠性高。

9.可使用多种燃料

附图说明

图1，为摆块配合内腔凸轮转子内燃发动机动力系统基本结构主视图，也是图2中B-B剖视图，凸轮具有单个近休止区，凸轮从动件摆块数量为2，输出方式为齿轮输出。

符号说明：e01-内腔凸轮构件，e02-中心构件，e03-摆块，e04-端部构件，e05-带气门的进排气口，e06-点火装置

图2，为摆块配合内腔凸轮转子内燃发动机动力系统基本结构俯视剖面视图，对应图1中A-A剖视图。

符号说明：e01-内腔凸轮构件，e02-中心构件，e03-摆块，e04-端部构件，e05-带气门的进排气口，e06-点火装置

图3，为内腔凸轮构件具有单个近休止区，凸轮从动件摆块数量为2时的工作过程图。

图4，为内腔凸轮构件具有单个近休止区，凸轮从动件摆块数量为3时的第一种工作过程图。

图5，为内腔凸轮构件具有单个近休止区，凸轮从动件摆块数量为3时的第二种工作过程图。

图6，为内腔凸轮构件具有2个近休止区，凸轮从动件摆块数量为6且受摆块擒纵装置控制时的柔性控制工作过程图。

具体实施方式

以下结合附图和技术方案及具体实例来进一步说明其基本构成。由于存在太多的变化，首先用最简单的一个例子来演示工作原理。

为便于准确理解，先重申几个凸轮机构的相关定义：摆块向远离凸轮中心轴方向运动的过程称为升程，反之，摆块向接近凸轮中心轴方向运动的过程称为回程。对应摆块在距离中心轴较远处保持静止的凸轮轮廓区段叫远休止区，对应摆块在距离中心轴较近处保持静止的凸轮轮廓区段叫近休止区。

实施例一

见附图3，假设中心构件为固定的圆柱体，内腔凸轮构件为转子，有一段近休止区和一段远休止区的盘式凸轮腔，近休止角和远休止角均略小于180°。摆块的数量为2个，对称布置。装配总体密封关系如前，不再重述，摆块中心处有较小的圆柱面配合，自由端也设置部分同心的密封柱面。进气口和排气口各两个，设在中心构件的内部，分居于两摆块之间，均用开关表示表示气门，其中柄上带小圆圈的为进气门。一对进、排气口为一组，沿空心箭头指示的内腔凸轮转动方向，同组内进气口居前，排气口不限。点火装置设置两个。

两摆块将中心构件和内腔凸轮之间形成的环形间隙分成上下两个工作腔，内腔凸轮转动时两腔容积同时变化，一个变大的同时，另一个减小。且容积变大时工作腔可对应进气和膨胀做功两个过程，而容积减小时又可分别对应排气和压缩两个过程。因此可出现四种组合状态。

下面先按开始时进气--压缩组合讨论：

开始时，上腔进气，同时下腔压缩。工作过程中的气门状态、腔内工作状态见下表。

接下来的第(9)阶段与第(1)阶段相同，即回到循环初始状态，可见是一个无限循环过程。

由于本例的特殊参数关系，如果循环从图中第(3)阶段开始，则是对应压缩和做功组合；如果循环从图中第(5)阶段开始，则是对应排气和做功组合；如果循环从图中第(7)阶段开始，则是对应排气和进气组合。因而本例初始组合的不同没有任何差别。但后面的实例将表明，初始组合设置的不同有时会产生不同的应用效果。

本例中，在内腔凸轮转子两周内，有两次连续的做功过程，每次做功持续约180°角，总做功动力输出角约一周，即一半周期有做功动力输出。单独使用时，转子同向连续回转，有一定的储能效果，可实现连续运转，但配合飞轮使用更有利于运动平稳。如果采用多套系统串联或并联使用，并使各套系统的无输出动力区和有动力输出区合理组合，可以免去专门的飞轮等储能装置。与活塞内燃机相比，虽然奥托循环同是在输出轴两转内完成，但本例却完成两次做功过程，动力输出角度增大了一倍。

本例仅是在给定关系情况下所具有的表现，参数改变会引起更复杂的变化，那时的初始组合状态可能对应完全不同的循环过程，会出现多个做功阶段的叠合、接续或分离模式。这一点在摆块数和凸轮波峰数多时表现尤为突出。

这里凸轮的远、近休止角只使摆块的运动比较单纯，并不是必要的，只要能引起工作腔容积变化并实现所需压缩比的内腔凸轮均可使用，只是容积变化的规律更复杂。本例中进排气口均在中心构件内柱面设置，也可采用适当的方式设置在摆块上或内腔凸轮构件端面上。甚至因中心构件旋转等因素必须设置在内腔凸轮柱面上时，只需进一步解决摆块与凸轮接触点位于气口位置时相邻工作腔间的密封问题，如可采用摆块的密封面宽度足够同时遮盖住气口的前后沿的方式实现。

顺带指出，进气口靠前，使得进气初段逆向进气，气流方向与凸轮表面摩擦滚动，有利于燃料和空气混合。做功过程初段也存在气体转移，有利于充分燃烧。

实施例二

以下再通过图4和5演示略复杂的情形。

中心构件固定，有内腔凸轮轮廓的内腔凸轮构件作转子。中心构件上设有三个摆块，将其外表面均匀地划分成三段，摆块采用等效的圆弧槽摆块形式，内腔凸轮轮廓有一个近休止区和一个远休止区，休止角大体如图，即内腔凸轮轮廓的近休止区与两摆块间对应的圆心角相近，两摆块间的空间即为工作腔或燃烧室。图4和5中示出内腔凸轮构件转子不同位置时对应的气门状态和腔内工作过程。同前例，有三个工作腔，初始时每腔有两种可能的工作过程，因而有8种不同的组合工作模式。此处仅示出输出特征不同的两种，其余不再一一展开讨论。

第一种模式：

图4是从左腔开始进气、右腔开始压缩、下腔做功后始休止这三种状态组合开始。所谓休止过程，即工作腔容积保持不变的过渡状态。图4中示出本例经历12个阶段，内腔凸轮构件转子完成两周，并回到初始状态。

接下来的第(13)阶段回到循环初始状态，与第(1)阶段相同。

进气口靠前，使得进气过程有逆向气体转移过程，易于提高混合均匀性，进气后和做功后均有一段休止过程，有利于热交换。本模式中，在内腔凸轮构件转子回转两周内完成一个工作周期，三腔各完成一次做功过程，每次做功持续约120°，两次做功之间间隔120°，能量输出总角度约为360°，无动力输出区也约为360°，其特点是一半周期有动力输出，动力输出稳定性高，波动性小。

第二种模式：

图5是从左腔开始进气、右腔开始压缩、下腔开始进气后休止这三种过程组合态开始。图中示出本例经历12个阶段内腔凸轮构件转子完成两周，并回到初始状态。

接下来的第(13)阶段回到循环初始状态，与第(1)阶段相同。

本模式中，在内腔凸轮构件转子回转两周内完成一个工作周期，三腔各完成一次做功过程，每次做功持续约120°，两次做功之间无间隔，接续做功360°，无动力输出区也为连续的一周。其特点是一半周期有动力输出，动力输出强，但相对第一种模式波动性较大。

另外，此例单独使用时，内腔凸轮连续回转，有一定的储能效果，可实现连续运转，但配合飞轮使用更有利于运动平稳；如果采用多套系统串联或并联使用，并使各套系统的无输出动力区与其他系统的又动力输出区对应，不仅可以免去专门的飞轮等储能装置，而且动力性更强。

实施例三

图6进一步展示变化性。

只要周向空间足够大，摆块的数量和内凸轮突峰(如近休止区)的数量可任意增加。加上摆块擒纵装置，完成各个工作循环的工作空间的大小也可改变。

下面选择的参数关系，只是为了说明方便、清楚，并不具有限定性。图中设内腔凸轮转子的近休止段为均布的两个，近休止段的弧长略大于相邻两摆块对应的弧长，可使两摆块同时处于回缩的状态。摆块数量取为6个并均布，用数字指示。每个摆块受摆块擒纵装置控制，其中“脱控”表示摆块已被擒纵装置放开，“受控”表示摆块已被擒纵装置卡住，“入控”表示摆块被擒纵装置卡住的时机，“解脱”表示摆块被擒纵装置放开的时机。进排气口a、b、c、d、e、f的进气口和排气口沿轴向并列设置，图中仅为示意，带半圆的开关符号带表示进气口，不带半圆圈的为排气口。图中示出气门的动作时机或状态，带小箭头的是动作时机，不带箭头的为保持的状态。工作腔的工作过程简写为进(进气)、压(压缩)、功(做功)、排(排气)，“始”表始开始，“中”表示过程进行，“毕”表示过程完毕，压缩和做功转换中间有点火过程，未标出。

假设中心构件固定，内腔凸轮作转子，回转方向为空心弧形箭头所示。进、排气路线用带箭头曲线表示。

图6所示内腔凸轮转子结构有两个近休止段，6个摆块可组合成不同数量的工作腔。如，摆块擒纵装置不控制任何摆块，可按6个几何工作腔使用；摆块擒纵装置同时控制的摆块数增加一个，则工作腔熟练就减少一个，故可出现5、4、3、2个工作腔等几种。同前述例子类似，初始时每腔又至少有两种不同的过程，可组合的不同工作模式是大量的。

图6中所示为采用4腔工作控制模式，同时被卡住的摆块数为两个，相邻两个几何工作腔受控地组合使用，且初始时各腔按凸轮转动方向依次为进气、压缩、做功、排气。

摆块“入控”和“解脱”均在下止点时完成，可避免摆块运动发生冲击。其中的“半压”是指工作介质仅压缩到半程，不再压缩，“剩排”是指燃烧室有废气剩余未排出。

工作过程如下：

序号(1)：a口对应工作腔独立，准备进气；摆块2和5受控未伸出摆块槽，b和c口对应工作腔连通，准备压缩；d口对应工作腔独立，点火后即将做功；e和f口对应工作腔也连通，准备排气。

序号(2)：由于摆块6和3脱控，可在封闭力或几何封闭结构作用下沿凸轮轮廓升程段伸出至远休止区，保持分腔边界。内腔凸轮转动，使各腔过程略进展，即a口腔容积被动扩大，进气；b、c口联合腔容积被动减小，压缩；d口腔做功，加速推动转子向前转动，容积增大；e、f口联合腔被动减小，排气；此时，摆块1和4处于脱控态并与内腔凸轮近休止区接触，保持分腔边界，已缩在摆块槽内，可以入控，而摆块2和5受控态回缩在摆块槽内，但因为不与内腔凸轮接触，不构成分腔边界，也不可令其解脱伸出，否则会对内腔凸轮造成敲击。

序号(3)内腔凸轮回程后沿达到摆块2和5处，摆块2和5顺滑无冲击地与内腔凸轮近休止区形成密封接触后，解脱，构建起新的分腔边界，各腔过程又进展；现在b、e口腔独立出来，呈六腔分立状态；此时摆块2从b口腔截获燃烧室内半压缩气体，摆块5堵截e口腔燃烧室未排的废气；摆块6和3仍保持缩回在摆块槽中，稳定入控，也方便下次解脱。

序号(4)内腔凸轮继续转动，摆块6和3受控不再伸出，从而退出密封，因摆块2和5脱控已接手密封，a和b口对应腔连通重组，b口腔半压缩气合入进气过程，e和d口对应腔亦连通重组，e口腔剩排气混入做功过程，同时，c口腔独立执行做功、f口腔独立执行排气，各腔过程继续。在此转换过程中，既无未燃烧的燃料空排问题，也没有废气混入燃料气。

序号(5)直到内腔凸轮回程将摆块3和6刚重新推回摆块槽中，a和b口对应腔完成进气，实现重组进气，提高了进气量；c口腔压缩结束，实现了合腔压缩可以点火；d、e结合完成做功，实现合腔做功，加大了做功行程；f口腔排气结束实现了合腔排气。

至此，开始时的四个过程均已完成，各腔将开始对应的下一过程，内腔凸轮转角为120°。与序号(1)时比较，以此作初始状态，除角度位置与之相差负60°外，其余均相同，接下来的序号(6)与序号(2)也是如此；由此，可推出需经历如上六次类似的过程，亦即内腔凸轮转子回转两周后会回到原初始状态，故不再完整展示。

由此可见，内腔凸轮转子每转120°，整体即可完成一次奥托循环(但不是在同一工作腔内完成的)，而且做功过程伴随始终，每转可完成3次作功，工作过程会无限循环下去，无需飞轮等储能装置动力也会得到连续输出。

本例中可以看出，多数量可控制的摆块使工作腔的大小在使用中重组可调，增加了动力输出的柔性，也有利于提高工作腔的几何利用率和燃料能量的利用率，具有突出的优势。从实现摆块控制可操作性分析，摆块擒纵装置虽然可采用机械传动控制或液压传动实现，但采用电磁控制应属最为便捷。

以上通过几个简单的实例说明了内腔凸轮加摆块组合的内燃机动力系统的构成、运行方式、和使用特点。可以想象，只要径向尺寸足够大，凸轮从动件的数量并没有界限。同时，类似于远近休止区的凸轮突峰数也没有限制，因而工作腔的数量可随需求而定。加上摆块擒纵装置对摆块的控制，设计柔性和使用柔性均可充分体现出来。至于单腔容积、压缩比、燃烧室形状等可充分利用径向间隙和轴向长度加以解决。总之，该发明为转子发动机的研究开辟了广阔的空间。