专利名称：双旋转四循环活塞式双轴内燃机、压流驱动机和泵的制作方法
技术领域：
本发明分属内燃机技术领域、流体动力机械和泵领域，特别涉及旋转活塞式内燃 机领域、旋转式压力流体动力机械和旋转活塞式压力泵领域。
背景技术：
目前常用的发动机仍然是有上百年历史的曲轴连杆往复活塞式内燃机，由于其工 作原理和构造原因带有不可克服的效率低、体积大、转速低、重量大等缺点。几十年来，世界 范围内，人们一直在努力开发有巨大潜力和优良性能的旋转活塞式内燃机，并且试制了两 种有代表性的试验机，但由于多种关键技术未能解决，没有被广泛应用。一种是三角形转子旋转活塞内燃机(汪克尔式)，由于该型机实际制造对选材、加 工非常苛刻及磨损大和无法克服的结构性缺陷——进、排气不畅，未获推广应用。另一种是从上世纪五六十年代便公开的双旋转四循环活塞式内燃机参见1964 年第一版上海科学技术出版社出版的数理化自学丛书《物理》第二册第324页-327页，实验 表明该机型相比具有良好的性能，功率大(3.6倍)、油耗低(1/3)、重量轻(约0. 5kg/kw)、 转速广(60转/分-4000转/分)，但是，由于控制及配套技术的不完善，至今未能开发成功 而广泛取代落后的往复活塞式内燃机。虽然此间不断有人努力研究，但仍然离实际应用相 距甚远。专利号为ZL200820223472.3的中国专利公开了一种双旋转四循环活塞式内燃 机，在控制方面采用了单向旋转轴承及凸轮、摩擦块等解决旋转活塞倒转和速差问题；申请 号为200610075922.4的发明专利申请公开了一种双旋转四循环旋转活塞式发动机，采用 了伸缩器及两个旋转器的控制装置。以上最新现有技术方案不足之处有一是两对旋转活塞虽不能倒转但存在着停 转，并且转速变化是突变性变化，机件承受扭转剪切力大、震动性大。二是无论从机轴或套 轴直接输出动力，转速都是不稳定的，如果利用惯性原理装置来求得输出旋转平稳，必然加 大了另一轴所连接旋转活塞及机件加倍的突变性转速变化，也造成了四个汽缸、活塞对应 工作冲程时间上、速度上的不同及功率、推力的不同，震动加大。三是高转速、大功率、加减 速工作状态下机件强度如何保证等问题，及相关配套技术更未系统性解决！因此到目前为 止，具有如此优良性能和巨大发展前途即具有换代潜力的优秀机型还是仅存在于人们的期 盼中，存在于研究中！特别是世界性能源危机的继续和即要节能减排又要不停发展的矛盾日趋尖锐的 今天，淘汰被广泛应用又数量巨大的低效、笨重往复活塞式内燃机更显迫切！
发明内容
本发明正是针对双旋转四循环活塞式内燃机潜在具有多方面优良性能并特别适 用于飞行器，而研究多年，又特别是近年来世界性能源危机的暴发和节能环保迫切性，促进 了这一将担当起世界性内燃机换代任务之优秀机型的研究，在长时间连续攻关下，在最关键的旋转活塞合理、准确控制方面及适用于更高转速、更大功率方面和多项配套技术及多 领域应用上，获得突破性进展。其技术方案如下它包括筒形机缸4、端盖5、机轴1、套轴2、旋转活塞a-b、c-d，其关键技术是控制两 对旋转活塞加减速旋转的是椭圆齿轮组和控制轴及轴承。实施例采用了由控制轴6串联连 接的两组同型椭圆齿轮对8-11 ；并由控制轴做为输出或输入轴，输出或输入为勻速旋转； 活塞为整体式复合活塞3、17 ；活塞润滑由轴心供油系统7. 12. 16等完成；密封装置是限位 式自磨合密封片18 ；旋转活塞双工作面及两端盖内侧设置有隔热层13、14。与背景技术相比本发明内燃机的有益效果是1、在主要由椭圆齿轴组及控制轴构成的两旋转活塞速差控制装置控制下，旋转活 塞的加减速变化是圆滑过渡的正弦曲线，旋转机件惯性剪切应力小，震动小。2、设置平行于机轴1横跨机缸两端的控制轴6，并由其串联连接控制两整体式旋 转活塞的两组椭圆齿轮8-11，一是解决了两旋转活塞速差控制和大功率、大扭矩对机件强 度需求；二是解决了一对椭圆齿轮不易解决的旋转活塞对大速差和大压缩比需要，提高了 有效缸容比，减小了旋转活塞无效体积和质量；三因压缩动力源自前缸爆发适应了多种流 体燃料要求；四是更解决了平稳转速输出难题，输出轴即是控制轴，始终处于两组旋转活 塞相反性加减速完全互补的平均值上，属结构性特征，动力输出是平稳勻速旋转输出，见图 15。3、以控制轴为平稳转速动力输出轴，同时也实现了四个活塞每周工作中完全相同 规律的加减速变化，即四个汽缸吸气、压缩、做功、排气冲程在准确定位控制下，时间、缸容 变化曲线完全相同，工作推力也相同，输出平稳。4、旋转活塞及同步运转机件在汽缸爆发做功阶段加速推动下冲量至动量转化见 图3-图4，动能增加而存储，但此时由于椭圆齿轮组传输特性，此时对外为相反的比例减小 性传递见图8-图9，输出轴受到的是持续勻速性推转；至做功后期及排气阶段见图4-图6， 旋转活塞及齿轮同步机件减速旋转动量变冲量、动能释放，虽旋转活塞在减速但由于此时 输出为相反的比例增大性传递见图9-图11，输出轴受到的仍然是勻速性推动。即每个活塞 单体在其驱转输出轴工作期间，扭矩的供给相对稳定。5、由上项可知每个单体活塞工作推转角是2 α+β，见图8-图11，远大于每周四 个单活塞平均工作角(360° /4)90°，即输出轴每周中受力是交叠性的，是在无间断性、稳 定推动力下旋转工作。6、本发明不存在现有技术下旋转活塞的防倒转和静止问题。一是因为汽缸在爆发 做功时，虽然分别作用于前后两个旋转活塞上的正转推力和反向推力相等，但由于分别定 位连接的控制性椭圆齿轮啮合点至各自轴中心距离不同见图8-图9，因此力矩不同-杠杆 原理，在正向力矩差的推动啮合下，分别做正向加速和减速旋转，并且都是互补性叠加在平 均转速值上进行的，没有倒转或停转见图15。二是旋转机件的巨大旋转惯性力保证了处于 压缩终点的仅一个力矩平衡点处的定向旋转，见图3、5、7及对应图8、10、12。三是上项所述 推转角的交叠性存在，也确保了旋转活塞正向有规律旋转。7、旋转活塞各个工作滑转面的润滑，由空心机轴或套轴及相应油道6、12、7供油 系统解决，简单、可靠、易行，见图1、图2。
4
8、旋转活塞的密封问题，由限位式自磨合密封片组件18解决截面为倒T形密封 片，下面配以弹簧片安置在活塞相应部位的轴向开设的底大、口小缝槽内，见图14。一是 有效解决了新装机的密封性；二是降低了机缸及旋转活塞体之间配合间隙及表面加工精度 要求；三是经一定阶段磨合、使用后密封片受限不再弹出，实现了润滑状态下动密封和无摩 擦、零磨损、低耗能理想效果，使内燃机机械效率进一步提高，工作寿命大为延长。9、旋转活塞及两端盖内侧设置隔热层13、14，见图1、图2、图14，减少了机件吸热 量，保证了机件高强度所需要的较低工作温度；并减少了热量损失，提高了整体效率。10、本发明双旋转四循环活塞式双轴压流驱动机和泵(图16)，具有流量大、效率 高、压力大、体积小、重量轻、故障少、长寿命等优点，用途广如挖掘机压力泵、矿井、消防高 压水泵等及构造极简的多种液压传驱车辆。11、综上所述，本发明内燃机，具有更高的效率、更高的工作强度、更高的转速和功 率、更平稳的动力输出、更低的故障率、更长的工作寿命，且结构简单、容易制造、成本低廉。 适用多种液、气燃料，而且同型机适配不同压缩比燃料，调整方便。定型开发容易、功率范围 广，小可不足千瓦、大可上万千瓦。不但必将淘汰现有广泛应用于多领域的往复式内燃机， 更适用于对功率重量比要求高、对低故障率长寿命要求严的国防、军用机械，如坦克、气垫 船、军舰、直升飞机、轻型飞机、单人飞行器等。12、本发明近乎零磨损的工作特性，配以现有的内燃机电喷、大压缩比成熟技术， 工作转速更宽，有望达60转/分-10000转/分，加上体积小、功率大优势下的功率富足储 备，应用于车辆“大马拉小车”，完全可以简化造价高、结构复杂、故障率高的重要部件-变 速箱，成为仅有后退、空档及前进只分空载和重载共四个档位的纯无级变速车。如本发明联 合应用于车辆仅以管为连接，各轮独立依令驱动机动灵活；且因无“后桥”箱位降低容量 大增。13、有益效果综合展望，本发明的及时保护开发和推广，其价值是不可估量的，具 有国家级利益上的战略性价值，将挽领起内燃机多个相关领域的跨越性革命进步。
图1是整体式旋转活塞结构示意图。图2是实施例构造剖面示意图。图3-图7是旋转活塞及汽缸工作过程示意图。图8-图12是对应图3-图7汽缸、活塞工作的椭圆形控制齿轮状态示意图。图13、图14是椭圆齿轮、受控制旋转活塞变化量示意图。图15是两组活塞相反性加减速速度、时间特性曲线示意图。图16是双旋转四循环活塞式双轴压流驱动机和(压力)泵示意图。
具体实施例方式以下结合附图对本发明的具体实施例详细说明。图1、图2中3、17是整体式旋转 活塞结构示意图，其整体式结构保证了高转速、大扭矩下工作的需要。机轴1为阶梯轴与套 轴2在传输机械强度上为等强度结构，保证了两对旋转活塞的控制和输出强度需要。15与 6同体的齿轮轴，可取得传输强度最大，不增占空间，输出配套方便的效果。
图2中，机轴1、套轴2为同心滑动套接配置，与控制轴即输出轴6平行。套轴2定 位连接的椭圆齿轮8与控制轴上定位连接的椭圆齿轮9啮合成对；机轴1定位连接的椭圆 齿轮10与控制轴上定位连接的椭圆齿轮11啮合成对；且9与10在控制轴上为垂直定位 安装。即两组椭圆齿轮8-9、10-11通过控制轴成串联式连接。椭圆齿轮8长轴与旋转活塞 c-d长径垂直定位连接；椭圆齿轮11与旋转活塞a_b垂直定位连接。7是轴心供润滑油装 置。图3-图7是本发明单个活塞旋转180°工作示意图。O1. O2分别对应整体式旋转 活塞 a_b、c-cL图3是a、c之间汽缸压缩终了，喷入燃料或点火工作状态，爆发做功开始；b、c之 间汽缸吸气结束、压缩开始；b、d之间汽缸排气结束、吸气开始。此状态下，两旋转活塞处在 分别加减速中间的均速值状态，对应控制齿轮工作状态见示意图8。O1^O2速值相同。图3-图4是a、c之间汽缸爆发做功中，旋转活塞a_b由均速值加速至最高速，旋 转活塞c-d由均速值减至最低速；b、c之间汽缸在压缩，b、d之间汽缸在吸气；a、d之间汽 缸在排气。对应控制齿轮工作状态见图8-图9。O1R速由均速增至最高，O2由均速减至最 低。图4-图5，a、c之间汽缸达到最大，膨胀做功终了，排气开始；旋转活塞a_b减至 均速值，旋转活塞c-d增速至均速值。此时b、c之间汽缸压缩终了，缸容最小，喷燃料或点 火中，爆发做功开始；b、d之间汽缸吸气终了，压缩开始；a、d之间汽缸排气结束，吸气开始， 对应控制状态见图10。O1减至均速，O2增至均速。图5-图6，a、c之间汽缸排气中，旋转活塞a_b转速减至最慢；b、c之间汽缸在爆 发做功中，旋转活塞c-d增速至最快；b、c之间汽缸压缩中，a、d之间汽缸吸气中，对应控制 状态见示意图11。图6-图7，a、c之间汽缸排气终了，吸气开始；旋转活塞a_b增至均速，旋转活塞 c-d减至均速；b、c之间汽缸做功结束，排气开始；b、d之间汽缸压缩终了，喷燃料或点火中， 爆发做功开始；a、d之间汽缸吸气终了，压缩开始，对应控制状态见示意图12。从图中可以看出，每个汽缸在筒形机缸里转过一周时，它必定经历两次压缩和两 次膨胀的行程，从四个汽缸来看，它们是同时在进行着排气、吸气、压缩、做功四项工作，在 旋转一周的全部时间里，都有做功冲程。并且两对旋转活塞在每周中分别受到两次汽缸做 功冲程的推动，即输出轴每周受到四次活塞推动。图13是长轴、短轴比为5 3椭圆齿轮结构示意图。由于椭圆齿轮承受控制及 输出和旋转活塞加减速交变剪切力，为提高强度，优选齿数少、齿形大、齿高低技术方案10 个齿和14个齿。长、短轴比优选为5 3-2 1，可适用多种燃料及设计要求。齿位是10 齿型长轴向为齿牙、14齿型长轴向为齿槽，该布局有利于其所控制的两组旋转活塞交替做 功时相应加减速的过渡转换。图13、图14是椭圆齿轮及工作时相对控制的两对旋转活塞角度变化情况示意图， 并参见图3-图12。(工作要求数据设计参见如下方式)。一对椭圆齿轮控制旋转活塞加减速相对变化量是二倍(α-β)，即 2(α-β) 28°，两对椭圆齿轮串联叠加后控制变化量为2Χ28° 56°。知汽缸工作压缩比为6，则可知单活塞扇环截面占有向心角量为50. 8°，此时，吸气或做功终了汽缸最大时，占有向心角量为67. 2°，排气或压缩终了值为11.2°。
本发明驱动机和泵机缸有两个进口和两个出口，参见图16及以上内容。
权利要求
双旋转四循环活塞式双轴内燃机、压流驱动机和泵，包括筒形机缸(4)、端盖(5)、机轴(1)、套轴(2)、旋转活塞(a b、c d)，其特征在于控制旋转活塞加减速周期性变化的装置是椭圆齿轮和控制轴；压流驱动机和泵的机缸有两个流体进口和两个出口。
2.如权利要求1所述的双旋转四循环活塞式双轴内燃机、压流驱动机和泵，其特征是 椭圆齿轮是由平行于机轴的控制轴(6)串联连接的同型号两组椭圆齿轮(8-11)，控制轴又 是内燃机动力勻速旋转输出轴和泵的动力输入轴。
3.如权利要求1或2所述双旋转四循环活塞式双轴内燃机、压流驱动机和泵，其特征 是椭圆齿轮为齿数优选10个齿和14个齿(图15)；长轴、短轴长度比值优选5 32 1 ； 齿位是长轴顶点至短轴顶点弧段的中点在该处齿牙的短轴顶点方向一侧，即10齿型长轴 向为齿牙、14齿型长轴向为齿槽。
4.如权利要求1或2所述双旋转四循环活塞式双轴内燃机、压流驱动机和泵，其特征是 旋转活塞(a-b)、(c-d)分别是整体式复合活塞(3)、(17)。
5.如权利要求1或2所述双旋转四循环活塞式双轴内燃机，其特征是旋转活塞双侧工 作面和两端盖内侧设置有隔热层(13、14)。
6.如权利要求1或2所述双旋转四循环活塞式双轴内燃机、压流驱动机和泵，其特征是 旋转活塞(3)、(17)设置有限位式自磨合密封片(18)。
7.如权利要求1或2所述双旋转四循环活塞式双轴内燃机、压流驱动机和泵，其特征是 机轴(1)或套轴(2)为带有径向和轴向润滑油道的空心轴(12、16)。
8.如权利要求1或2所述双旋转四循环活塞式双轴内燃机、压流驱动机和泵，其特征是 机轴(1)是单侧阶梯轴。
9.如权利要求2所述的双旋转四循环活塞式双轴内燃机、压流驱动机和泵，其特征是 控制轴(6)是在中间部位传动输出或输入的齿轮轴(15)。
全文摘要
双旋转四循环活塞式双轴内燃机、压流驱动机和泵。包括筒形机缸、缸盖、机轴、套轴、旋转活塞、控制轴及椭圆齿轮，在控制轴及其串联连接的两组同型椭圆齿轮控制下，两组旋转活塞在工作中，固定规律地在平均转速值上做彼此相反地加减速正弦曲线性旋转，每个缸每周都完成相同的四冲程工作。不存在旋转活塞倒转或静止问题，并实现了加减速的平滑过渡和冲量与动量相应平衡转化，输出或输入轴即控制轴结构性匀速平稳旋转；旋转活塞的复合整体式结构，解决了更高转速、大压缩比及大工作压力下对强度的需要；轴心式供油润滑、限位式自磨合密封及隔热技术保证了旋转活塞正常工作运行。本机型结构简、强度高、功率大、效率高，将取代所有领域现有内燃机。
文档编号F04C2/18GK101922347SQ201010246218
公开日2010年12月22日 申请日期2010年8月6日 优先权日2010年3月3日
发明者段方泉 申请人:段方泉