季差绝热式转子内燃机技术及所制造的内燃机的制作方法
【专利摘要】季差绝热式转子内燃机技术及所制造的内燃机，属机械领域。为使绝热满足膨胀保压的同时也要不破坏压缩点火时的温度压力环境。但是对于转子内燃机而言，它的“季差绝热”是其独有的结构才能实现的，这一点在目前的传统活塞—连杆机构中是无法实现的。“季差绝热式”的优点在原理层面上决定了可以选择高的绝热度使得效率聚增：改善低速特性，减小重量来自于2个方面：效率提高缩减机体体积，机体排热量的减小也缩减了冷却器。将使得综合性能首次超过传统活塞连杆技术，有巨大的成本空间用于减排改良。
【专利说明】季差绝热式转子内燃机技术及所制造的内燃机
[0001 ]所属领域:
[0002]本发明属于机械领域。具体的讲:是一种针对转子内燃机进行“独特的季差绝热”化改造的一种结构性技术。
技术背景:
[0003]转子内燃机起源于50年代中期，德国工程师汪克尔(Felix Wankel)发明三角活塞旋转式发动机(简称转子发动机或汪克尔转子发动机)。整个转子发动机在工作时只有两个转动部件(偏心轴和转子)，这跟一般的四冲程往复式发动机相比，简化的结构可以使发动机的体积更小、重量更轻，故障率也大为减少。另外，由于转子发动机没有往复式运动，所以其不需要精密的曲轴平衡就能达到较高的转速，而且其转速相比往复式发动机提升得更快。转子旋转的轴向运动比活塞往复式发动机的水平直线运动要来得更加平顺，故转子发动机的震动与噪音都比较小。由于偏心轴的转速始终是转子转速的3倍，所以从这一点可以看出，当转子发动机达到9000rpm时，三角转子不过才3000rpm，相比往复式活塞发动机9000rpm时，活塞每分钟要上下9000次，相当于活塞每秒钟要完成300个冲程，这也使得转子发动机可以轻易获得更高的转速。
[0004]军事应用:不久以后，美国柯蒂斯?莱特公司(Curtiss Wright Corporat1n)向联邦德国NSU汽车公司购买了转子发动机专利，开始研制这种新型动力；1963年研制成RC2-60汽油转子发动机，标定功率112kff，转速7000r/min，单转子排量0.98L，重量107.7kg。美国陆军坦克机动车辆局(TACOM)就对该公司研制的几咱发动机进行过军用评定，如曾将RC2-60汽油转子发动机装在2.5t军用卡车上进行北约(NAT0)400h耐久试验，还装在洛克希德(Lockheed)公司的Y0-3A实验侦察机上进行试验。但在这以后的10多年中转子发动机的军用研究屡受挫折。60年代以后日本、英国、美国等相继研制大功率柴油转子发动机。由于柴油转子机压缩比高，最高爆发压力大，在研制过程中普遍出现了与三角活塞和壳体密封有关的结构、材料的工作可靠性和使用寿命问题。于是有关公司放弃了研究，但美国柯蒂斯.莱特公司仍在继续，尤其是该公司将分层进气燃烧系统应用到转子发动机上以后使其军用前景出现了转机。1977年，美国海军为发展下一代水陆两用登陆车(LVA)动力，与柯蒂斯.莱特签订了一个研制费用为2400万美元的4转子发动机研制合同，标定功率为1103kW，转速3600r/min，总排量23.1L，这就是以后命名为4231R的转子发动机。美国约翰.迪尔国际技术公司1984年2月向柯蒂斯.莱特公司购买了有关转子发动机的全部技术和资产，原来属于柯蒂斯.莱特公司的新泽西州伍德里奇的研究所已成为约翰.迪尔国际技术公司转子发动机研究分部。该公司现在在研制SCORE 70、SC0RE170和SC0RE5803种系列转子发动机，SC0RE580系列又分为SC0RE1 (研制型)和SC0RE2(生产型)两种机型。单转子排量最大的SC0RE580系列由单、双、3、4和6转子菜5种机型组成，与军用关系最大。单转子的排量和功率分别为5.8L和276kW。该系列发动机采用分层进气燃烧系统和涡轮增压(压比为2)技术。根据与美国海军、海军陆战队(USN/USMC) 1986年6月签订的为期3年的合同正在研制2116R双转子发动机，并验证其标定功率，准备用于海军陆战队的LVT(X)水陆两用突击车和其他军用车辆。按计划该发动机于1987年进行样机鉴定，1990年投入生产。SC0RE2系列发动机有可能将单转子功率从280kW/转子提高到560kW/转子，采用的技术措施是提高平均有效压力和转速，通过隔热减少散热量、减少摩擦等。最初为美国海军陆战队研制的SC0RE580系列中的4231R转子发动机也在研制中，有可能作为美国海军舰船推进装置和发电设备。
[0005]民生应用:60年代日本马自达也购买了转子发动机专利许可，马自达的研究团队经过大量测试后发现，波状刮痕的间隙与菱封固有的振动频率相同，因此他们改变菱封的形状，并通过开孔的方式来改变菱封与缸壁的共振频率，同时通过材料学的开发，不断地将更加耐磨的材料用于气封上移改进和提高转子发动机的气密性和使用寿命。针对燃油经济性以及低速扭矩差的情况，马自达特别对进气系统进行了改进，通过增加进气孔的数量，且采用类似本田VTEC的三段式设计，再配合倾斜燃烧技术，从而大大降低了燃油消耗且弥补了发动机在低转速区间扭矩的不足。RX-8也是马自达推出的最后一款搭载转子发动机的车型，今年由于石油资源的日其实，转子发动机的关键潜能是氢能源发动机，扁平的燃烧室非常适合使用氢气，并且进气室和燃烧室分离的结构让它不易出现回火现象，所以转子发动机极可能在氢能成为主流能源后回归。转子发动机虽然已停产，但是马自达公司仍在不断的研发改善。相信在不久的将来一定会回归的，因为那是马自达的灵魂所在。这个世界上往往存在着诸多的机缘巧合，但有些或许是冥冥之中早有注定。马自达最初正是从NSU车厂获得转子的授权许可并将其发扬光大，时光荏苒，在马自达准备停下转子的脚步之际，由NSU与汽车联盟合并而来的奥迪公司却继续扛起了转子的大旗，将其应用在自家的Ale-tron增程式电动车上，不过它的使命不再是直接驱动车轮而是为电池组充电。
[0006]目前技术缺陷:因燃烧时间短暂，且混合气燃烧不完全，同时做功行程偏心轴所转过的角度只有活塞往复式发动机的一半，所以转子发动机的耗油量要略高于传统式内燃机，而且转子发动机在启动与低转速时会排出大量的碳氢化合物，这与现今严格的排放法规可谓格格不入。此外，点火系统也是转子发动机的弱点之一，因为它的燃烧室在移动运转，爆炸的过程中火焰传播的型态并不理想，这也就对点火系统提出了更高的要求，不仅要提高点火能量，同时点火正时以及火花塞的位置也非常重要。
[0007]关于与本发明有关的转子内燃机的绝热研究，报道较少;美国柯蒂斯.莱特公司(Curtiss Wright Corporat1n)隔热技术研究表明，采用陶瓷涂层，可以达到50%绝热度，要达到更高的绝热度，则要采用整体陶瓷零件，但仍然是对气缸体、盖体及相关气道进行不加选择的绝热化处理。
[0008]技术方案:
[0009]自从转子内燃机起源的50年代中期以来，人们还没有充分利用其最大的优点:燃烧室空间具有独立的表面，除活塞表面共用外，单独的绝热燃烧室表面或也绝热少部分压缩室表面，可以获得及其良好的奥托循环！
[0010]本发明的目的就在于解决已有技术的不足之处:解决转子发动机的耗油量略高于传统活塞一连杆式内燃机问题，这就要先行解决绝热难题，因为绝热是双刃剑，满足膨胀保压的同时也要不破坏压缩点火时的温度压力环境!但是对于转子内燃机而言，它的“季差绝热”是其独有的结构才能实现的，这一点在目前的传统活塞一连杆机构中是无法实现的。不实现“季差绝热”转子内燃机就无太大优势而言；正是由于此原因:奋斗了 50年的转子内燃机旗手“日本马自达公司”在2012年无奈宣布停产。[0011 ]本发明的特点:“季差绝热式”优点:
[0012]第一:效率聚增:原理性决定了可以选择高的绝热度。
[0013]第二:增压缩比:“动态绝热度”差异循环环境可以进行选择性降温，而有潜力吸取压缩混合气热量。改善低速特性，
[0014]第三:减小重量:来自于2个方面:效率提高缩减机体体积，机体排热量的减小也缩减了冷却器。
[0015]第四:治理排放:转子“动态绝热度”的独有有点，将使得综合性能首次超过传统活塞连杆技术，有巨大的成本空间用于减排改良。
[0016]技术关键:对于奥托循环，只有将膨胀做功冲程进行绝热处理(绝热度高)，而其它冲程满足良好的散热条件(选择绝热度低)，就能获得极其良好的热力学循环。具体表现:综合因素才能获得良好的燃油经济性，首先对排气冲程、吸气冲程及压缩冲程所对应的气缸工作空间表面进行满足良好的散热条件(绝热度低)处理;使得即使在高的压缩比下(比如10-15);也会将油气混合气体的温度箝位在合理的温度范围内，不至于引起爆燃等其它不良问题;就像一年四季轮回一样，古老的奥托循环在不同的阶段有着不同的散热条件，否则同样的散热条件将使得无法兼顾做工冲程的保温保压的需要及其它冲程的强的散热降温需要。
[0017]首先可以使用不同的表面涂覆将燃烧室所对应的气缸、缸盖及进气口盘进行绝热涂覆，也就是对于气缸来说对应沿:逆着活塞的转动方向从排气口到火花塞附近的表面部分;对于气缸盖及进气口盘的也是逆着活塞的转动方向从排气口到火花塞附近的表面部分(详见图示说明)；绝热涂敷层材料可以是非金属材料，如陶瓷类，稀土合金类，其它表面可以保持原来良好散热状态。
[0018]对于季差绝热技术的另一种实施方法:将气缸用2种材质制造，对于逆着活塞的转动方向从排气口到火花塞附近的表面部分使用绝热材料制造，其它部分使用金属材料制造。
[0019]由于是分离式绝热，热流绝大部分经由尾气排出，对于燃烧室的热量的扩散传递，绝大部分将是经由活塞传导，因而对活塞的表面可以进行绝热涂敷处理；由于热流量的有限，也可以选择强力风冷也能满足需要。
[0020]季差绝热式转子内燃机技术的技术关键;关键部件是由气缸、转子活塞、汽缸盖及气缸底部组成:基本工作原理:转子活塞在由气缸、汽缸盖及气缸底部所组成的空间内转动，其转子活塞的侧面将与汽缸盖及气缸底部围成变容的密闭空间，且成周期性变化，而且具有稳定的空间位置；当在气缸及气缸底部设置进气及排气孔后，就能周而复始的完成吸气、压缩、膨胀做功及排气过程;在膨胀做功过程或含有压缩的后期小部分过程所对应的气缸、汽缸盖及气缸底部的局部表面的材料是绝热性质的，表现为对燃烧中的混合气体的保温保压的特性;而对于排气、吸气过程及压缩的前期大部分过程所对应的气缸、汽缸盖及气缸底部的局部表面的材料是导热性质的，表现为对吸入气体的降低温度避免由于压缩所带来的过大升温的特性;这种气缸的散热环境随着不同冲程的改变而改变的技术称之为:季差绝热式转子内燃机技术:其特征就在于:转子内燃机的气缸在膨胀做功过程或含有压缩的后期小部分过程所对应的气缸、汽缸盖及气缸底部的局部表面的材料是绝热性质的，而对于排气、吸气过程及压缩的前期大部分过程所对应的气缸、汽缸盖及气缸底部的局部表面的材料是导热性质的。
[0021]对于季差绝热式转子内燃机技术及季差绝热式转子内燃机所述的气缸体:营造季差绝热环境既可以通过表面涂敷来实现，也可以通过2种不同材料制造不同的局部部件，一种材料绝热，另一种材料导热;再合并成统一部件。
[0022]实施案例:
[0023]实施案例(图2)是一个使用‘季差绝热技术’改良的汪克尔(FelixWankel)发明三角活塞旋转式发动机，由于涂敷层的强的绝热作用，对于水冷的冷却压力大大的减轻了，水套铸件的温度能控制在更低的温度范围；意味着有着更大压缩比的提升潜力;计算表明:涂敷材料绝热度达50%时，燃油经济性提高15%-20 % ;当涂敷材料绝热度达80%时，燃油经济性提高25—35%，这一点考虑到了完全取消了原来马自达为满足低速性能的增压器的耗會K。
【附图说明】
:
[0024]图1通用三角活塞内燃机结构示意图
[0025]图2季差绝热式转子内燃机结构示意图
[0026]以下结合附图就较佳实施例对本发明作进一步说明:
[0027]附图标注说明:
[0028](1)、(2)、(3)绝热层
[0029](4)火花塞
[0030](5)排气孔
[0031](6)进气孔
[0032](7)活塞齿轮
[0033](8)主轴齿轮
[0034](9)、(10)冷却液孔道
[0035](11)三角活塞端面密封环道
[0036](12)三角活塞角区密封板
[0037](13)三角活塞端面
[0038](20)三角活塞剖面
[0039](21)8字型气缸空间
[0040](22)主轴剖面
[0041 ] (23)三角活塞角区密封板
[0042]a—8字型气缸
[0043]b-气缸底部
[0044]C—三角活塞
[0045]如图1所示:
[0046]通用三角活塞内燃机结构的核心部分，原理上就是(Felix Wankel)发明三角活塞旋转式发动机；(20)为三角活塞剖面；(21)为8字型气缸空间；(22)为主轴剖面；(23)为三角活塞角区密、封板。
[0047]内燃机的其他部分如:点火系统部件、润滑系统部件、冷却系统部件及传输差速系统部件等为众所周知的技术，与本发明的技术保护点无关，未被画出。
[0048]如图2所示:
[0049]a是8字型气缸，b是气缸底部，c是三角活塞。
[0050]季差绝热式转子内燃机结构的与气缸直接接触的部件的技术改造:(I)、(2)、(3)为气缸(燃烧室对应部分)、带有进气孔的(燃烧室对应部分)气缸底部及活塞表面所涂敷或镶嵌的绝热层。
[0051](4)是火花塞，(5)是排气孔，(6)是进气孔，(7)是活塞齿轮，(8)是主轴齿轮，(9)、
(10)是冷却液孔道，(11)是三角活塞端面密封环道，(12)是三角活塞角区密封板，(13)是三角活塞端面。
【主权项】
1.季差绝热式转子内燃机技术；关键部件是由气缸、转子活塞、汽缸盖及气缸底部组成:基本工作原理:转子活塞在由气缸、汽缸盖及气缸底部所组成的空间内转动，其转子活塞的侧面将与汽缸盖及气缸底部围成变容的密闭空间，且成周期性变化，而且具有稳定的空间位置；当在气缸及气缸底部设置进气及排气孔后，就能周而复始的完成吸气、压缩、膨胀做功及排气过程;在膨胀做功过程或含有压缩的后期小部分过程所对应的气缸、汽缸盖及气缸底部的局部表面的材料是绝热性质的，表现为对燃烧中的混合气体的保温保压的特性;而对于排气、吸气过程及压缩的前期大部分过程所对应的气缸、汽缸盖及气缸底部的局部表面的材料是导热性质的，表现为对吸入气体的降低温度避免由于压缩所带来的过大升温的特性;这种气缸的散热环境随着不同冲程的改变而改变的技术称之为:季差绝热式转子内燃机技术:其特征就在于:转子内燃机的气缸在膨胀做功过程或含有压缩的后期小部分过程所对应的气缸、汽缸盖及气缸底部的局部表面的材料是绝热性质的，而对于排气、吸气过程及压缩的前期大部分过程所对应的气缸、汽缸盖及气缸底部的局部表面的材料是导热性质的。2.季差绝热式转子内燃机，关键部件是由气缸、转子活塞、汽缸盖及气缸底部组成:基本工作原理:转子活塞在由气缸、汽缸盖及气缸底部所组成的空间内转动，其转子活塞的侧面将与汽缸盖及气缸底部围成变容的密闭空间，且成周期性变化，而且具有稳定的空间位置；当在气缸及气缸底部设置进气及排气孔后，就能周而复始的完成吸气、压缩、膨胀做功及排气过程;在膨胀做功过程或含有压缩的后期小部分过程所对应的气缸、汽缸盖及气缸底部的局部表面的材料是绝热性质的，表现为对燃烧中的混合气体的保温保压的特性;而对于排气、吸气过程及压缩的前期大部分过程所对应的气缸、汽缸盖及气缸底部的局部表面的材料是导热性质的，表现为对吸入气体的降低温度避免由于压缩所带来的过大升温的特性;这种气缸的散热环境随着不同冲程的改变而改变的技术称之为:季差绝热式转子内燃机技术:其特征就在于:在该转子内燃机中使用了季差绝热式转子内燃机技术。3.如权利要求1季差绝热式转子内燃机技术及2季差绝热式转子内燃机所述的气缸体:营造季差绝热环境既可以通过表面涂敷来实现，也可以通过2种不同材料制造不同的局部部件，一种材料绝热，另一种材料导热;再合并成统一部件。4.如权利要求1季差绝热式转子内燃机技术及2季差绝热式转子内燃机所述的气缸体:膨胀做功过程或含有压缩的后期小部分过程所对应的气缸、汽缸盖及气缸底部的局部表面指的是可以是仅仅对膨胀做功过程燃烧室所对应的表面，也可以是除了燃烧室所对应的表面外也含有压缩的后期小部分过程所对应的气缸、汽缸盖及气缸底部的局部表面。
【文档编号】F02B53/02GK106014616SQ201610024266
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年1月13日
【发明人】不公告发明人
【申请人】吴小平, 罗天珍