专利名称:四冲程气口式梅花转子发动机的制作方法
本实用新型属于旋转活塞式发动机。
旋转活塞式发动机比往复活塞式发动机有体积小，重量轻，结构简单紧凑，又无往复运动的惯性力，所以一直为人们所重视。特别是现代发动机要求向轻型高速发展，往复运动的惯性力阻碍了发动机功率和热效率的进一步提高，并使发动机的轴承、活塞环和气阀机构的工作变得不可靠，所以西德汪克尔(FELIX H。WANKEL)的三角转子发动机(又称汪克尔发动机)应运而生。迄今为止，旋转活塞式发动机的种类虽然很多，但能达到实用阶段的则只有汪克尔的发动机。该机是用两弧的长短幅外旋转线(EPITOCHOID)做气缸和它的内包络线做活塞设计的，若用长短幅外旋轮线做活塞和它的外包络线做气缸进行设计，则称谓梅花转子机器。
梅花转子机的研制，可追溯到1903年美国库利(JOHN F.COOLEY)设计的单纯旋转型梅花转子蒸汽机。该机的活塞是两弧的(图3是库利的梅花转子蒸汽机的结构示意图)，活塞和缸体同时旋转，结构很复杂，端面密封也未有解决，效率很低。1908年英国安普列拜(UMPLEBY)试图在库利的基础上做成四冲程发动机(图4是安普列拜梅花转子发动机的示意图)也没有成功。1963年日本五十铃汽车公司也是用两弧活塞设计了单纯旋转型四冲程气口式的梅花转子发动机，它的进排气口都开在转子身上，人们认为它的进排气是经过中心轴与外界相通的，因日本严守秘密，无从证实。1963年法国雷诺(RENAULT)设计了四弧活塞的四冲程气阀式梅花转子发动机(图5和图6是雷诺梅花转子发动机的结构图)，曾经轰动一时，并由雷诺汽车公司和在菲特勒的美国汽车公司共同试制。它的径向密封和库利的一样放在缸体上，端面密封则和汪克尔的那样放在活塞身上，两者互不连接。该机的最大缺点在于采用气阀，致使结构复杂，体积增大，外形很像飞机用的星形往复式发动机，很难安装在汽车上使用，遂停止发展下去。63年12月英国马歇尔(J.W.MARSHALL)批评雷诺的发动机因采用气阀而伤害转子发动机的优点，并声称他研究的是四冲程气口式的，(见63年12月“OILENGINE AND GAS TURBINE”杂志《英国的转子发动机泄密了》一文)，可是原马歇尔的发动机至今未见实现。此外，1965年挪威的渣尼士(FINN JERNAES)做成四冲程气口式梅花转子发动机(图7、图8是渣尼士的梅花转子发动机的结构示意图，图9、图10是它的气口安排示意图)，该机的活塞两端装有圆板，气口开在圆板上与缸盖相通，端面密封是两道简单的圆环，装在缸体上，它与径向密封互不联接。该机近似于旋转阀板式，其齿轮传动机构很复杂，体积也因而增大。用三弧活塞设计的二冲程梅花转子发动机也曾经试制过，其端面密封放在活塞身上，并用以启闭缸盖上的进排气口。这类发动机一般都是端面密封不良和扫气品质欠佳。
本设计的目的是为了解决雷诺发动机的不足，即活塞的端面密封和进排气口问题，成为实用的四冲程气口式梅花转子发动机。它既有与汪克尔发动机相似的结构优点，又具有与往复式发动机相同的工作性能和用途。它克服了汪克尔发动机的很多缺点，加工也较容易，生产成本更低。
图1和图2是本设计的主要结构图，图2是图1的侧视图。它是用四弧的长短幅外旋轮线做活塞和它的五弧外包络线做气缸的设计。图中1－偏心轴；2－前轴承；3－太阳轮；4－行星齿轮；5－前油封环；6－前缸盖；7－前盖的进气室；8－进气通道；9－端面密封片及弹簧；10－活塞(转子)；11－气缸体；12－火花塞孔；13－燃烧室；14－活塞周面的排气孔；15－活塞的排气腔；16－活塞端面的排气口；17－后缸盖；18－后盖的排气室；19－活塞轴承；20－后油封环；21－油封偏心块；22－后轴承；23－偏心块固定螺钉；24－密封肖；25－密封肖弹簧；26－弹簧调整螺钉；27－径向密封片；28－径向密封弹簧；29－水套；30－活塞的油冷腔；31－进油道；32－回油道；33－活塞的进气腔；34－活塞周面的进气孔；35－活塞端面的进气口；36－平键。
从图2可以看出五弧外包络线的缸体被五个径向密封片分割为五个独立的气缸，当偏心轴作顺时针方向旋转时，活塞受行星轮的限制以1／4的偏心轴转速作逆时针方向旋转，活塞的每一个弧便依次在气缸中进进出出，造成缸内容积的变化，如同往复式发动机的活塞在气缸中做往复运动一样。按照往复式发动机的传统叫法，本机可称谓五缸机。这里把四弧的活塞分为A、B和C、D两组。A弧和C弧的周面上都开有进气孔和排气孔，经过活塞内部的空腔和端面的气口又分别与前后缸盖相通。B弧和D弧的周面则无气孔，其内腔均为油冷腔。当偏心轴旋转时，先是A弧在一个气缸内做完排气、进气两个冲程后即离去，由后面的B弧继续完成压缩和爆发冲程，再由C弧做排气、进气和D弧做压缩、爆发，如此周而复始。所以A、C两弧的功能是进排气，又可称谓进排气活塞，而B、D弧的功能是压缩、爆发，可称谓压缩活塞。由此可见，本机和五个气缸的往复式发动机的工作原理和过程是完全相同的，其功率输出轴(偏心轴)每转两周，每缸也都有一次爆发，发火次序是1－3－5－2－4。在同排量同转数下，发动机的功率和扭矩，是汪克尔发动机的1.5倍。图示位置Ⅰ缸在排气，Ⅱ缸在进气，Ⅲ缸在爆发，Ⅳ缸在排气，Ⅵ缸在压缩。
显然，用本设计与雷诺的发动机进行比较，最大的不同在于活塞的端面密封设计和气口问题，而这两个问题又恰是雷诺发动机的不足之处。本设计的端面密封放在活塞型线的内包络线以内，并从型线的设计参数上加以调整使成为平直形状，以利加工和提高其密封性能。大家知道，作为气缸的外包络与此内包络线的交点正是径向密封的理论位置，因此，在该处设置一密封肖即可使径向密封与端面密封互相联接(见图2的9、24和27)。端面密封片和密封肖都是静止地安装在缸盖上的，它们都有良好的冷却条件。密封肖与径向密封片之间，仅留有予定的间隙，故可视为连续密封。另外，这里所有密封件的摩擦面，都集中在活塞身上，缸体与缸盖仅作为包围面使用，在发动机运转中它们与活塞永不接触，也就永无磨损，对它们的材料和加工要求也都比汪克尔的发动机降低了。由于这一端面密封设计，拼弃了各国所走过的道路，而把它安放在缸盖上，也就给活塞的端面留出与缸盖相通的位置，为气口设计创造了条件。从图1和图2可以看出，本设计的进排气口及其通道是这样安排的当活塞处于进气冲程时，新鲜气体是从前缸盖的进气通道8，流入缸盖的进气室7，通过活塞端面的进气口35和活塞的进气腔33，从活塞周面的进气孔34进入气缸。反之，当活塞处于排气冲程时，缸内的废气从活塞周面的排气孔14流入排气腔15，经排气口16到后缸盖的排气室18，然后从后缸盖的排气管流出。进排气都通过转子的设想，日本五十铃汽车公司虽然做过，因日本严守秘密不知其详，但日本搞的是单纯旋转型的，其缸体缸盖也在旋转，显然不如本设计的简单、可靠。进气通过活塞喷入气缸，对新鲜气体的予热和造成紊流是有利的，但排气通过活塞流出，对活塞的热效应问题，是应加以考虑。对小型发动机来说，由于活塞是强制油冷的，其散热比面积也较大，问题并不显著。至于大功率的发动机，则应从活塞的选用材料上加以解决。当前各国都在研制陶瓷活塞的发动机。制造新的陶瓷材料和陶瓷衬里技术，在我国也已有一定基础。这种材料不仅能耐高温，而且耐磨性好，热膨胀系数又很低，用以制造本设计的活塞，既能解决上述问题，又可进一步提高发动机的热效率。
为说清进排气定时问题，需要引用一些实际数据。图1和图2就是本设计的一个举例。设计参数是齿比i＝54，偏心距e＝12，创成半径R＝132，最大摆动角φmax＝27°(一般要求φmax≤30°)，等距半径α＝5，活塞宽度B＝90，单转子排量V＝2立升，活塞实际周长S＝841毫米。本机系用近似圆搪缸的，搪缸中心距缸体中心为70.5毫米，搪缸半径为80.5毫米。计算结果，得到的理论压缩比ε理论＝1551。进排气孔分别开在活塞周面A和C的中心线左方和右方22°处。计算结果求得排气孔14在下止点前32.59°(曲轴角)到达径向密封片E处(见图2)和在上止点后75.44°到达密封片F处。同理得到进气孔34在上止点前75.44°达到密封片E处和在下止点后32.59°到达密封片F处。乍看起来，很容易使人误会以为该机设计的进气孔开启太早而排气孔又关闭太晚了。其实不然，从图2可以看出，当排气孔到达密封片E处时，无疑，这是排气孔的开启时间，而且开启的定时角是很敏感的，开启面积也是突增的。但由于本设计的理论压缩比很高，活塞的弧线与气缸的弧线又很相近似，故在活塞到达上止点时，该气孔与缸壁之间的距离只是0.1704毫米，(未计入加工误差和予留的热膨胀间隙)，所以名义上该排气口虽未离开该气缸，但实际上在上止点时已是处于关闭状态了。此后排气孔是沿着缸壁退出气缸的，在退出的全过程中排气孔与缸壁之间的距离虽然略有变化，当活塞在上止点后50°时达到最大，也仅不过0.8081毫米，所以应该认为该机的排气孔是在上止点前32.59°开启的和在上止点时排气结束的。真正的排气有效角度为212.59°。同理，当进气口到达密封片E处以后，是沿着缸壁进去的，实际的进气口开启则是在上止点后，而当进气口经过密封片F时，则确是进气口关闭时间，而且关闭角也是很敏感的和关闭面积也是突变的。所以真正的进气有效角度也是212.59°。另外，当进气孔到达密封片E而进入该气缸时，排气已经进行了137.15°，这时缸内的排气压力已经下降，又已造成一股废气的流出气流，所以气缸内的废气是不会从这样小的缝隙中倒流入进气孔道的。由此可见，对这一类型发动机的设计，只考虑选择适当的排气开始角和进气关闭角，以求得最佳的发动机热效率就可以了，无需顾虑其进气提前角和排气的关闭落后角。
本设计的缸体和前后缸盖是水冷的，活塞是强制油冷。冷却油从偏心轴的中心流入活塞，又经偏心圆的前端流回，在润滑齿轮后回到油箱(见图1)，后缸盖上也有与油箱相通的回油道(图上未有画出)。在行星轮身上有一偏心圆带着两道简单的前油封环5，安装时两环的切口应相错180°，同样，在活塞后面装一偏心块21，用螺钉固定，使与活塞一同旋转，上面也装有两道简单的后油封环20。这样的油封设计，摩擦阻力很小，即使在很高的转速下也不致失效。该发动机用近似圆搪缸也能得到很高的理论压缩比，又无进排气阀，故可得到较高的有效压缩比和设计出较为理想的燃烧室。例如设计汽油机时，其燃烧室可按需要程度产生涡流和紊流，以提高空燃比和热效率，又可降低对燃料辛烷值的要求。作为柴油机或多种燃料发动机，其燃烧室设计也比往复式发动机的设计容易。
总的说来，本设计的四冲程气口式梅花转子发动机具有以下优点
1、它的径向密封片安装在缸体上，端面密封安装在缸盖上，都是静止不动的，不受离心力、向心力、切线力和惯性力的影响，又有良好的冷却条件，而且端面密封是平直的片形，密封肖是简单的圆柱，它们的加工工艺、密封性能和使用寿命都比汪克尔的好，它们的压紧弹簧也不会受热失效。
2、它的理论压缩比很高(一般ε＞1001)，故可直接做成柴油机。又因无进排气阀，可以设计出较为理想的燃烧室，因此热效率高。
3、它的火花塞工作情况和所处条件和往复式发动机一样，无特殊要求，不像汪克尔发动机那样，新鲜气体要通过很小的火花塞连通孔才能点燃，无“反喷”现象，火花塞内的残余废气也易于扫除。
4、它的缸体是对称辐射形的，各个气缸的工作情况又一样，不会产生热变形；活塞与缸体又永不接触，对缸体和缸盖的内表面不要求有很高的光洁度；故缸体可用轻金属压铸和用拉削加工，生产成本很低。
5、它的工作过程和工作条件和往复式发动机相同，单转子机相当于往复式四冲程的五缸机，双转子就是10缸机了，故发动机的转矩均匀，起动容易，低速性能亦比汪克尔发动机好。在同排量同转数下，发动机的输出功率和扭矩是汪克尔发动机的1.5倍。
6、因为它是气口式的，无气阀及其传动机构所产生的震动力和噪音，也可进一步提高发动机的转速，以充分发挥发动机的热效率。
7、因为它是旋转活塞式发动机，所以有体积小、重量轻、结构简单、紧凑，又无往复运动的震动力；而它的工作性能又与往复式发动机相同，故可直接置换同排量的传统活塞往复式发动机用于一切领域，包括用于汽车和拖拉机上，而无需改变其传动系统。
权利要求
1.一种以长短幅外旋轮线做活塞和它的外包络线做气缸型线的梅花转子发动机，其特征是它采用了将端面密封件放在缸盖上的一套密封系统，采用了气口式的进排气系统。
2.按照权利要求
1所述的梅花转子发动机，其特征是它的密封系统的端面密封件放在缸盖上，径向密封件放在缸体上，由密封肖，端面密封件和径向密封件所组成的。
3.按照权利要求
1所述的梅花转子发动机，其特征是它的气口式进排气系统的路线是从活塞周面的气口与缸盖的进排气道相通，其进排气定时则由开在活塞周面的气孔与处在缸体上的径向密封件及气缸壁的相互关系进行控制。
专利摘要
本实用新型属于旋转活塞式发动机。为解决雷诺发动机在机械结构上的不足和汪克尔发动机在工作性能和密封寿命上的缺点而设计。是用四弧长短幅外旋轮线做活塞和外包络线做气缸的。端面密封是平直的，放在缸盖上，用密封销与在缸体上的径向密封连接。所有密封件都是静止的，有良好的冷却。经过活塞到缸盖设有进排气口，结构简单紧凑，可做汽油机和柴油机，可代替往复式发动机用于一切领域包括汽车和拖拉机。
文档编号F02B75/02GK85203161SQ85203161
公开日1986年4月30日 申请日期1985年8月2日
发明者梁之桓 申请人:梁之桓导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan