一种椭圆活塞双转子内燃机及其工作方法与流程

本发明涉及发动机设备领域，具体地，涉及一种椭圆活塞双转子内燃机及其工作方法。

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，包括如内燃机(汽油发动机等)、外燃机(斯特林发动机和蒸汽机等)、电动机等，其中，内燃机通常就是把化学能转化为机械能。例如三角形双转子发动机，其运动特点是：在三角转子的输出轴中心公转的同时，三角转子本身又绕输出轴中心自转，从而存在三角转子和输出轴中心两个转子。在三角转子转动时，以三角形转子中心为中心的内齿圈与以输出轴中心为中心的齿轮啮合，齿轮固定在缸体上不转动，内齿与齿轮的齿数比为3：2，从而使得三角形转子的定点似8字形。三角形转子把汽车缸分成三个独立的空间，三个空间各自先后完成进气、压缩、做功和排气，三角转子自转一周，发动机点火做功三次，由此使得输出轴中心的转速是三角形转子自转速度的3倍，这与往复运动式发动机的活塞与曲轴1：1的运动关系完全不同。

虽然三角形双转子发动机具有马力高、转速快、结构简单和故障率小等优点，但是由于没有类似往复式发动机的压缩比，使得燃烧时间不够充分，存在油耗高和污染重的环保问题。此外，还存在磨损严重和零部件寿命短的问题。

技术实现要素：

针对现有三角形双转子发动机所存在的油耗高和污染重的环保问题，本发明提供了一种新型的椭圆活塞双转子内燃机及其工作方法。

本发明采用的技术方案,一方面提供了一种椭圆活塞双转子内燃机，包括封闭式缸体、椭圆活塞、转动滑块、转动定轴、进气门、排气门和火花塞，其中，所述转动定轴的旋转轴心固定在所述封闭式缸体的内腔中；

所述封闭式缸体的内腔横截面由第一曲线段和第二曲线段围成，以所述转动定轴的旋转轴心为原点建立直角坐标系，则所述第一曲线段上的点坐标(x,y)满足方程：所述第二曲线段上的点坐标(x,y)满足方程在前述两方程中，a为椭圆长半径，b为椭圆短半径；

所述椭圆活塞的横截面为在中心对称的两1/4椭圆扇区分别开有第一边缘缺口和第二边缘缺口的非完整椭圆，所述非完整椭圆的椭圆长半径和椭圆短半径分别等于a和b，同时在所述非完整椭圆的中部设有可与所述转动滑块滑动配合且以该非完整椭圆的椭圆中心为起点分别沿两侧椭圆长径向方向延伸的滑槽，所述滑槽与所述转动滑块的长度差不小于2(a-b)；

所述椭圆活塞与所述封闭式缸体的内腔转动配合，并将所述封闭式缸体的内腔分成第一可变型密封燃烧室和第二可变型密封燃烧室；

所述转动滑块位于所述滑槽中，且与所述转动定轴固定在一起，使两者可同轴转动；

所述进气门、所述排气门和所述火花塞分别嵌设在所述封闭式缸体的内腔壁面中，且使所述进气门和所述排气门分别位于所述第一曲线段与所述第二曲线段相连的两连接位置，使所述火花塞位于在所述第一曲线段上的且由第一边缘线段和第二边缘线段共有的位置，所述第一边缘线段为围成所述第一可变型密封燃烧室在空间最小时的燃烧室横截面的部分线段，所述第二边缘线段为围成所述第二可变型密封燃烧室在空间最小时的燃烧室横截面的部分线段。

优化的，所述第一边缘缺口和所述第二边缘缺口具有相同的形状及尺寸大小。

优化的，所述第一边缘缺口和/或所述第二边缘缺口为在1/4椭圆扇区中减去直角三角形后所得的形状，其中，所述1/4椭圆扇区的椭圆长半径和椭圆短半径分别等于a和b，所述直角三角形的两直角边长分别等于a和b。

优化的，所述进气门嵌设在所述封闭式缸体的内腔底部，所述排气门嵌设在所述封闭式缸体的内腔顶部。

优化的，所述椭圆长半径a与所述椭圆短半径b的比值介于5/3～7/5之间。

优化的，所述滑槽的宽度大于或等于所述转动定轴的直径。进一步优化的，所述转动定轴轴向穿过所述转动滑块，并与所述转动滑块的内孔过盈配合。

本发明采用的技术方案,另一方面提供了一种前述椭圆活塞双转子内燃机的工作方法，包括如下四个依次循环阶段：

第一阶段，即椭圆活塞在惯性作用下正向旋转第一个半周的阶段：保持进气门导通，以使扩张中的第一可变型密封燃烧室吸进燃气，同时保持排气门导通，以使压缩中的第二可变型密封燃烧室排出废气；

第二阶段，即椭圆活塞在惯性作用下正向旋转第二个半周的阶段：继续保持进气门导通，以使扩张中的第二可变型密封燃烧室吸进燃气，同时保持排气门截止，使压缩中的第一可变型密封燃烧室压缩燃气；

第三阶段，即椭圆活塞在内燃做功作用下正向旋转第三个半周的阶段：保持进气门截止，并启动点火塞打火，通过引燃第一可变型密封燃烧室中燃气来进行内燃做功，以推动椭圆活塞正向旋转，同时也保持排气门截止，以使压缩中的第二可变型密封燃烧室压缩燃气；

第四阶段，即椭圆活塞在内燃做功作用下正向旋转第四个半周的阶段：继续保持进气门截止，并启动点火塞打火，通过引燃第二可变型密封燃烧室中燃气来进行内燃做功，以推动椭圆活塞正向旋转，同时保持排气门导通，使压缩中的第一可变型密封燃烧室排出废气，然后返回至第一阶段。

综上，采用本发明所提供的椭圆活塞双转子内燃机及其工作方法，具有如下有益效果：(1)通过椭圆活塞与封闭式缸体内腔的转动配合，可以在缸内存在两个随着椭圆活塞转动而相互盈亏的可变型燃烧室，并可实现在两燃烧室内交替地进行进气、压缩、做功和排气的内燃进程，即实现输出轴转子(即转动定轴)每旋转两周总做功两次，与一般的四冲程发动机输出轴转子每旋转两周才做功一次相比，可具有更高的马力，同时与三角形双转子发动机输出轴转子每旋转一周单缸做功一次相比，由于增加了燃烧时间和做工时间，可使燃气燃烧更充分，减少污染气体的排放，解决油耗高和污染重的环保问题；(2)通过将活塞设计为椭圆结构，可确保正向转动力矩在内燃做功时始终大于反向转动力矩，使得燃爆内能能够更加有效地转化为推动椭圆活塞正向旋转的动能，减少能量的消耗和响应时间，提高转速；(3)相对于三角形双转子发动机，本发明创造简化了内部齿轮和燃烧室的设计，同时通过曲面方程来限定缸体内腔的形状，可大大降低发动机设备的生产成本，进而方便生产和维修；(4)由于椭圆活塞采用了中心对称设计，可在减小机械振动及静音效果方面具有优势，尤其适合于汽车等产品的应用；(5)所述椭圆活塞双转子内燃机还具有重心低和重量小等优点，便于实际应用和推广。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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是本发明提供的椭圆活塞双转子内燃机的横截面结构示意图。

图2是本发明提供的椭圆活塞双转子内燃机在第一阶段时的横截面结构示意图。

图3是本发明提供的椭圆活塞双转子内燃机在第二阶段时的横截面结构示意图。

图4是本发明提供的椭圆活塞双转子内燃机在第三阶段时的横截面结构示意图。

图5是本发明提供的椭圆活塞双转子内燃机在第四阶段时的横截面结构示意图。

上述附图中：1、封闭式缸体101、第一曲线段102、第二曲线段2、椭圆活塞201、第一边缘缺口202、第二边缘缺口203、滑槽3、转动滑块4、转动定轴5、进气门6、排气门7、火花塞801、第一可变型密封燃烧室802、第二可变型密封燃烧室。

具体实施方式

以下将参照附图，通过实施例方式详细地描述本发明提供的椭圆活塞双转子内燃机及其工作方法。在此需要说明的是，对于这些实施例方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。

本文中术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，a和/或b，可以表示：单独存在a，单独存在b，同时存在a和b三种情况，本文中术语“/和”是描述另一种关联对象关系，表示可以存在两种关系，例如，a/和b，可以表示：单独存在a，单独存在a和b两种情况，另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”关系。

实施例一

图1示出了本发明提供的椭圆活塞双转子内燃机的横截面结构示意图，图2示出了本发明提供的椭圆活塞双转子内燃机在第一阶段时的横截面结构示意图，图3示出了本发明提供的椭圆活塞双转子内燃机在第二阶段时的横截面结构示意图，图4示出了本发明提供的椭圆活塞双转子内燃机在第三阶段时的横截面结构示意图，图5示出了本发明提供的椭圆活塞双转子内燃机在第四阶段时的横截面结构示意图。

本实施例提供的所述椭圆活塞双转子内燃机，包括封闭式缸体1、椭圆活塞2、转动滑块3、转动定轴4、进气门5、排气门6和火花塞7，其中，所述转动定轴4的旋转轴心固定在所述封闭式缸体1的内腔中；

所述封闭式缸体1的内腔横截面由第一曲线段101和第二曲线段102围成，以所述转动定轴4的旋转轴心为原点建立直角坐标系，则所述第一曲线段101上的点坐标(x,y)满足方程：所述第二曲线段102上的点坐标(x,y)满足方程在前述两方程中，a为椭圆长半径，b为椭圆短半径；

所述椭圆活塞2的横截面为在中心对称的两1/4椭圆扇区分别开有第一边缘缺口201和第二边缘缺口202的非完整椭圆，所述非完整椭圆的椭圆长半径和椭圆短半径分别等于a和b，同时在所述非完整椭圆的中部设有可与所述转动滑块3滑动配合且以该非完整椭圆的椭圆中心为起点分别沿两侧椭圆长径向方向延伸的滑槽203，所述滑槽203与所述转动滑块3的长度差不小于2(a-b)；

所述椭圆活塞2与所述封闭式缸体1的内腔转动配合，并将所述封闭式缸体1的内腔分成第一可变型密封燃烧室801和第二可变型密封燃烧室802；

所述转动滑块3位于所述滑槽203中，且与所述转动定轴4固定在一起，使两者可同轴转动；

所述进气门5、所述排气门6和所述火花塞7分别嵌设在所述封闭式缸体1的内腔壁面中，且使所述进气门5和所述排气门6分别位于所述第一曲线段101与所述第二曲线段102相连的两连接位置，使所述火花塞7位于在所述第一曲线段101上的且由第一边缘线段和第二边缘线段共有的位置，所述第一边缘线段为围成所述第一可变型密封燃烧室801在空间最小时的燃烧室横截面的部分线段，所述第二边缘线段为围成所述第二可变型密封燃烧室802在空间最小时的燃烧室横截面的部分线段。

如图1所示，在所述椭圆活塞双转子内燃机的结构中，所述封闭式缸体1被所述椭圆活塞2分成了两个可随着所述椭圆活塞2转动而相互盈亏的可变型燃烧室：第一可变型密封燃烧室801和第二可变型密封燃烧室802，其中，所述第一可变型密封燃烧室801和所述第二可变型密封燃烧室802用于交替地进行进气、压缩、做功和排气的内燃进程，以连续不断的推动所述椭圆活塞2正向旋转(即为如图2～5所示的顺时针旋转，相应地，反向旋转即为逆时针旋转)，通过前述两方程来限定所述封闭式缸体1的内腔形状，可以确保所述椭圆活塞2在旋转过程中，使所述第一可变型密封燃烧室801和所述第二可变型密封燃烧室802始终独立不通气。所述椭圆活塞2在正向旋转的同时，也带动所述转动滑块3及所述转动定轴4也正向旋转，并利用所述滑槽203与所述转动滑块3的滑动配合来完全解决(此时需要所述滑槽203与所述转动滑块3的长度差不小于2(a-b)，否则不能完全解决)所述椭圆活塞2在旋转过程中出现的旋转中心线性移动的问题(此时，所述转动滑块3的旋转中心与所述转动定轴4的旋转中心重合)。

所述进气门5用于控制燃气(例如天然气或汽油气)是否进入所述封闭式缸体1的内腔，所述排气门6用于控制废气是否从所述封闭式缸体1的内腔内排出，通过将所述进气门5和所述排气门6分别设置在所述第一曲线段101与所述第二曲线段102相连的两连接位置，可以确保所述第一可变型密封燃烧室801或所述第二可变型密封燃烧室802在旋转过程中不会出现即吸气又排气的情况，避免燃气浪费。所述火花塞7用于实现对燃气的点火，将其设置在所述第一曲线段101上的且由第一边缘线段和第二边缘线段共有的位置，可以确保所述第一可变型密封燃烧室801和所述第二可变型密封燃烧室802在压缩空间最小时，能够分别点燃对应燃烧室内的燃气。

如图2～5所示，前述椭圆活塞双转子内燃机的工作方法，可以但不限于包括如下四个依次循环阶段：

第一阶段，即椭圆活塞在惯性作用下正向旋转第一个半周(即从图1所处位置，旋转0～180度)的阶段：保持进气门导通，以使扩张中的第一可变型密封燃烧室吸进燃气，同时保持排气门导通，以使压缩中的第二可变型密封燃烧室排出废气；

第二阶段，即椭圆活塞在惯性作用下正向旋转第二个半周(即从图1所处位置，旋转180～360度)的阶段：继续保持进气门导通，以使扩张中的第二可变型密封燃烧室吸进燃气，同时保持排气门截止，使压缩中的第一可变型密封燃烧室压缩燃气；

第三阶段，即椭圆活塞在内燃做功作用下正向旋转第三个半周(即从图1所处位置，旋转360～540度)的阶段：保持进气门截止，并启动点火塞打火，通过引燃第一可变型密封燃烧室中燃气来进行内燃做功，以推动椭圆活塞正向旋转，同时也保持排气门截止，以使压缩中的第二可变型密封燃烧室压缩燃气；

第四阶段，即椭圆活塞在内燃做功作用下正向旋转第四个半周(即从图1所处位置，旋转540～720度)的阶段：继续保持进气门截止，并启动点火塞打火，通过引燃第二可变型密封燃烧室中燃气来进行内燃做功，以推动椭圆活塞正向旋转，同时保持排气门导通，使压缩中的第一可变型密封燃烧室排出废气，然后返回至第一阶段。

由此通过前述结构及方法的描述，一方面可通过椭圆活塞2与封闭式缸体1内腔的转动配合，在缸内存在两个随着椭圆活塞2转动而相互盈亏的可变型燃烧室，并可实现在两燃烧室内交替地进行进气、压缩、做功和排气的内燃进程，即实现输出轴转子(即转动定轴4)每旋转两周总做功两次，与一般的四冲程发动机输出轴转子每旋转两周才做功一次相比，可具有更高的马力，同时与三角形双转子发动机输出轴转子每旋转一周单缸做功一次相比，由于增加了燃烧时间和做工时间，可使燃气燃烧更充分，减少污染气体的排放，解决油耗高和污染重的环保问题；另一方面可通过将活塞设计为椭圆结构，确保正向转动力矩在内燃做功时始终大于反向转动力矩，使得燃爆内能能够更加有效地转化为推动椭圆活塞正向旋转的动能，减少能量的消耗和响应时间，提高转速。此外，相对于三角形双转子发动机，本实施例所提供的椭圆活塞双转子内燃机简化了内部齿轮和燃烧室的设计，同时通过曲面方程来限定缸体内腔的形状，可大大降低发动机设备的生产成本，进而方便生产和维修。

优化的，所述第一边缘缺口201和所述第二边缘缺口202具有相同的形状及尺寸大小。通过前述限定，可使形成的所述第一可变型密封燃烧室801和所述第二可变型密封燃烧室802为具有相同容量特点的燃烧室，进而确保两次做功的大小一致，维持转速的稳定性。进一步优化的，所述第一边缘缺口201和/或所述第二边缘缺口201为在1/4椭圆扇区中减去直角三角形后所得的形状，其中，所述1/4椭圆扇区的椭圆长半径和椭圆短半径分别等于a和b，所述直角三角形的两直角边长分别等于a和b。如图1所示，可使所述椭圆活塞2具有中心对称设计特点，可在减小机械振动及静音效果方面具有优势，尤其适合于汽车等产品的应用。

优化的，所述进气门5嵌设在所述封闭式缸体1的内腔底部，所述排气门6嵌设在所述封闭式缸体1的内腔顶部。如图1所示，通过前述设置，可利于进气和排气。

优化的，所述椭圆长半径a与所述椭圆短半径b的比值介于5/3～7/5之间。如图1所示，作为举例的，所述椭圆长半径a与所述椭圆短半径b的比值为3：2。

优化的，所述滑槽203的宽度大于或等于所述转动定轴4的直径。进一步优化的，所述转动定轴4轴向穿过所述转动滑块3，并与所述转动滑块3的内孔过盈配合。

本实施例提供的所述椭圆活塞双转子内燃机及其工作方法，具有如下有益效果：(1)通过椭圆活塞与封闭式缸体内腔的转动配合，可以在缸内存在两个随着椭圆活塞转动而相互盈亏的可变型燃烧室，并可实现在两燃烧室内交替地进行进气、压缩、做功和排气的内燃进程，即实现输出轴转子(即转动定轴)每旋转两周总做功两次，与一般的四冲程发动机输出轴转子每旋转两周才做功一次相比，可具有更高的马力，同时与三角形双转子发动机输出轴转子每旋转一周单缸做功一次相比，由于增加了燃烧时间和做工时间，可使燃气燃烧更充分，减少污染气体的排放，解决油耗高和污染重的环保问题；(2)通过将活塞设计为椭圆结构，可确保正向转动力矩在内燃做功时始终大于反向转动力矩，使得燃爆内能能够更加有效地转化为推动椭圆活塞正向旋转的动能，减少能量的消耗和响应时间，提高转速；(3)相对于三角形双转子发动机，本发明创造简化了内部齿轮和燃烧室的设计，同时通过曲面方程来限定缸体内腔的形状，可大大降低发动机设备的生产成本，进而方便生产和维修；(4)由于椭圆活塞采用了中心对称设计，可在减小机械振动及静音效果方面具有优势，尤其适合于汽车等产品的应用；(5)所述椭圆活塞双转子内燃机还具有重心低和重量小等优点，便于实际应用和推广。

如上所述，可较好地实现本发明。对于本领域的技术人员而言，根据本发明的教导，设计出不同形式的椭圆活塞双转子内燃机及其工作方法并不需要创造性的劳动。在不脱离本发明的原理和精神的情况下对这些实施例进行变化、修改、替换、整合和变型仍落入本发明的保护范围内。