一种圆柱凸轮转子内燃发动机动力系统的制作方法

本发明属于一种内燃发动机领域，涉及一种圆柱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，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：利用凸轮升程和回程的尺寸变化，构建出某方向上有尺寸变化的密封环形间隙，再用一组凸轮从动件将该环形间隙周向分隔成多个密封腔室，它们伴随凸轮和从动件的相对运动发生容积变化，并用气门控制各腔室的气体工作状态，进而实现奥托循环的进气过程、压缩过程、燃烧膨胀(或称膨胀、做功)过程、排气过程。。

本发明公开的结构为圆柱端面凸轮和滑块即直动从动件组合的结构方案。

基本设计方案是：在内腔有圆柱面的转子仓内，通过端部构件定轴地安装外圆柱心轴，转子仓和心轴形成的环形空间内安装环形圆柱端面凸轮，凸轮的内圆柱面与心轴外圆柱面固定为一体并密封配合，凸轮的外圆柱面与转子仓内圆柱面也固定在一起密封配合，端部构件与转子仓和心轴构成端部密封；凸轮转子的端面凸轮轮廓面为连续平滑、处处光顺的空间曲面，其凸峰最高处与端部构件间有轴向间隙；从而，圆柱凸轮、心轴、转子仓和端部构件间构成径向尺寸一致、轴向尺寸有变化的环形间隙；端部构件上安装有若干个作为凸轮从动件的滑块，滑块从端部构件的滑槽伸出并与凸轮轮廓面间构成可密封的高副连接，同时其两侧面也分别与心轴和转子仓的圆柱面构成密封性接触；从而将环形间隙分隔成若干个彼此分隔密封的工作腔室；这些密封腔室可随心轴和转子仓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、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心轴相对于转子仓以回转运动形式输出的机械能。

转子仓和心轴均可作为回转输出的转动件。

凸轮的轮廓应使凸轮从动件滑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滑块与凸轮轮廓间密封的稳定性，也避可免接合面出现冲击磨损，从而提高使用寿命。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。

凸轮轮廓最好设置远休止段和/或近休止段，即滑块在凸轮峰顶和谷底处保持静止的凸轮轮廓段，以实现滑块相对简单的运动规律，减少其与端部构件的相对运动，从而减小磨损。

滑块与凸轮轮廓的接触以利用弹簧力、液压、气压、电磁力等力封闭方式实现较简单，尤其是通过液压力和电磁力实现时易于进行柔性控制。另外，特定凸轮结构情况下也可利用几何封闭的方式实现，此时滑块及几何封闭结构应有较高的尺寸精度或带有一定的变形补偿能力。

为补偿滑块磨损，增强密封性，滑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，以便通过小量轴向错位以实现径向密封补偿；也可采用多片叠合方式补偿端部密封和增强径向密封等。

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。

根据必要性设置滑块擒纵装置，其作用是适时地卡住或放开滑块，以实现工作过程的柔性控制。滑块擒纵装置采用电磁控制或液压控制实现时结构简单，尤其适用于滑块数量多的情况。同样地，气门控制器也宜用电磁控制或液压控制实现。凸轮从动件数量少时，也可利用机械传动实现。

运转时，利用工作腔室的容积变化实现奥托循环的进气过程、压缩过程、做功过程和排气过程，并有可能伴随气体转移过程或休止过程；休止过程使指工作腔容积和位置暂时不变的状态，气体转移过程是指工作腔无气体交换但有较大位置变化的过程，气体转移过程或休止过程都存在与外部的热交换过程。做功过程使气体膨胀，产生的高压同时作用于凸轮轮廓和滑块上，从而使心轴和转子仓间产生相对旋转的力矩作用，加速相对转动，实现将化学能转化为机械能。

本发明公开的圆柱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，为圆柱凸轮转子内燃机动力系统基本结构部分剖切的主视图。圆柱凸轮轮廓具有单个远休止区，凸轮从动件滑块数量为2。

符号说明：e01-转子仓，e02-心轴，e03-圆柱凸轮，e04-凸轮从动件滑块，e05-端部构件，e06-带气门的进排气口

图2，为图1圆柱凸轮转子内燃机动力系统基本结构部分剖切的俯视图。

图3，为圆柱凸轮转子内燃机动力系统基本结构立体图，为了示出内部，转子仓进行了局部剖切，凸轮轮廓具有单个远休止区，凸轮从动件滑块数量为2。

符号说明：e01-转子仓，e02-心轴，e03-圆柱凸轮，e04-凸轮从动件滑块，e05-端部构件，e06-带气门的进排气口。

图4，为利用工作腔周向剖面展开图说明基本工作过程图。圆柱凸轮具有单个远休止区，凸轮从动件滑块数量为2个。

图5，为利用工作腔周向剖面展开图说明一种初始组合的工作过程，圆柱凸轮具有单个远休止区，凸轮从动件滑块数量为3个。

图6，为对应于图5的另一种工作过程图。

图7，为利用工作腔周向剖面展开图说明有滑块擒纵装置时的柔性控制工作过程，圆柱凸轮转子具有2个远休止区，滑块凸轮从动件数量为6个。

具体实施方式

以下结合附图和技术方案及具体实例说明其基本构成，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，先重申几个柱面凸轮机构的相关定义：滑块向凸轮的突峰峰顶方向运动的过程称为升程，反之，滑块向凸轮谷底方向运动的过程称为回程。对应滑块在峰顶处保持静止的凸轮轮廓区段叫远休止区，对应滑块在谷底处保持静止的凸轮轮廓区段叫近休止区。

实施例一

见图1～3，假设转子仓e01固定，端部构件e05与转子仓e01密封固定联接，圆柱端面凸轮e03和心轴e02密封固定为一体做转子；凸轮e03为有一段远休止区和一段近休止区，远休止角和近休止角均略小于180°。滑块e04的数量为2个，对称布置。装配后密封关系如前，不再重述。转子仓e01的内圆柱面、凸轮e03的轮廓面、心轴e02的外圆柱面和上端部构件e05的下端面构成高度有变化的环形间隙，两滑块e04将环形间隙分成两个工作腔。进、排气口e06各两个，设在端部构件e05上。工作腔包含的远休止区越多，则工作腔容积越小，反之越大；工作腔的压缩比还与环形间隙最小间隙的大小有关。两工作腔同步地增大或缩小。容积增大时，如果进气门打开排气门关闭，执行进气过程，如果进排气门均关闭，可执行做功过程；容积减小时，如果进排气门均关闭，执行压缩过程，如果排气门打开，进气门关闭，可执行排气过程；正常工作时不应出现进排气门均打开的状态。转子转动过程中，控制气门开关时序，可依次执行进气、压缩、做功和排气过程。

下面用图4说明工作过程，为便于看到工作腔容积变化，采用工作腔周向剖面展开图表示。其中，用开关符号示意进排气门，其中带小圆圈的为进气口，沿空心箭头指示的凸轮转动方向，同组内进气口居前，排气口不限；点火装置设置两个。

两滑块将环形间隙分成两个工作腔，以下称完整的为左腔，大部分在右侧的为右腔。由于转子转动时两腔容积同时变化，一个变大的同时，另一个减小。且容积变大的过程可对应进气和膨胀做功两个过程，而容积减小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。

下面列表讨论进气--压缩初始组合：左腔进气，同时右腔压缩。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时会产生不同的应用效果。

本例中，在转子两转内，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转，即一半周期有做功动力输出。本例单独使用时，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，虽然奥托循环同也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。这一点在滑块数和凸轮波峰数多时表现尤为突出。

这里凸轮的远、近休止角只为了使滑块的运动比较单纯，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圆柱凸轮均可使用，只是容积变化的规律较复杂。本例中进排气口均在端面构件上设置，也可采用适当的方式设置在滑块上。如果设置在转子仓或心轴柱面上、甚至设置在凸轮轮廓面上时，只需进一步解决滑块经过气口位置时相邻工作腔间的密封问题，如，可采用滑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5和6演示略复杂的情形。

转子仓与端部构件结合并作为固定件，圆柱凸轮和心轴结合为一体做转子。端部构件上设有3个滑块将环形间隙均匀地划分成三段，圆柱凸轮分别有一个远休止区和一个近休止区，休止角略小于120°，两滑块间的空间即为工作腔或燃烧室。图5和6利用工作腔周向剖面展开图示出凸轮不同位置时对应的气门状态和腔内工作过程。同前例，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。此处仅示出两种，其余不再一一展开讨论。

第一种模式：

图5是从完整的左腔开始进气、中间腔开始压缩、大部分在右侧的右腔开做功后始休止这三种过程组合态开始。所谓休止过程，即工作腔容积保持不变的过渡状态。图中示出本例经历12个阶段转子完成两周，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4是从左腔1开始做功、中间腔2开始压缩、右腔3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。

本例与上例相比，虽然做功持续角有所减小，但如果采用适当大的转子仓直径，做功对应的弧长却可不变甚至增大，其他参数调节亦如此。此例单独使用时，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有动力输出区对应，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5进一步展示变化性。

只要周向空间足够大，滑块的数量和凸轮突峰(如远休止区)的数量可任意增加。加上滑块擒纵装置，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。图中设凸轮转子的远休止段为均布的两个，休止段的弧长略大于相邻两滑块对应的弧长，有使两滑块同时处于回缩的状态。滑块数量取为6个并均布，用数字指示。每个滑块受滑块擒纵装置控制，其中“脱控”表示滑块已被擒纵装置放开，“受控”表示滑块已被擒纵装置卡住，“入控”表示滑块被擒纵装置卡住的时机，“解脱”表示滑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周向并列设置在端部构件上，图中仅为示意，略长并带圆圈的的为进气口，略短的为排气口。进排气口中间的长方形表示点火装置。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。工作腔的工作过程分未进气、压缩、做功、排气，“始”表示开始，“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，用闪电符号标出。

假设转子仓固定，凸轮的回转方向为空心箭头所示。进、排气路线用带箭头曲线表示。

图5所示圆柱凸轮结构有2个远休止段，6个滑块可组合成不同数量的工作腔。如，不使用滑块擒纵装置或其不控制任何滑块，可按6个几何工作腔使用；使用滑块擒纵装置，则根据被临时控制的滑块数不同分为5、4、3、2个工作腔等几种。同前述例子类似，初始时每腔有至少两种不同的过程，组合的不同工作模式很多。

图5中所示为采用4腔工作控制模式，同时被卡住的滑块数为两个，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。

滑块“入控”和“解脱”均在上止点时完成，可避免滑块运动发生冲击。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；滑块3和6受控未伸出，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)由于滑块1和4脱控，可在封闭力或几何封闭结构作用下沿凸轮轮廓回程段伸出至近休止区，保持分腔边界。凸轮转子转动，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，滑块2和5处于脱控态与凸轮轮廓表面接触，保持分腔边界，且已缩回滑槽内，可以入控，而滑块3和6受控态回缩在滑槽内，因为不与凸轮接触，不构成分腔边界，也不可令其解脱伸出，否则会对凸轮造成敲击。

序号(3)凸轮升程后沿达到滑块3和6处，并顺滑无冲击地与凸轮远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。此时滑块3从b口腔截获燃烧室内半压缩气体，滑块6堵截e口腔燃烧室未排的废气。滑块2和5仍保持缩回在滑槽中，稳定入控，便于下次转换。

序号(4)凸轮继续转动，滑块2和5受控不再伸出，从而退出密封，因滑块3和6解脱已接手密封，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口对应腔连通亦重组，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。

序号(5)直到凸轮升程将滑块4和1刚推回滑槽中，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，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，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，多数量可控制的滑块使工作腔的大小在使用中可调，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。从实现滑块控制可操作性分析，滑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圆柱凸轮加滑块组合的内燃机动力系统的构成、运行方式、和使用特点。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。加上滑块擒纵装置对滑块的控制，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，该方案为转子发动机的研究开辟了广阔的空间。