专利名称：滚动活塞旋转式发动机的制作方法
滚动活塞旋转式发动机(简称滚旋式发动机)。
本发明为一种旋转式发动机，有外燃和内燃两种机型，可作为原动机使用。
旋转式发动机曾出现过各式各样的结构方案，但都由于气体密封、气缸的均匀受热和转子的冷却及其滑动面的润滑等问题不易解决，而没有能够成为正式的产品。
三角活塞旋转式发动机，解决了气体密封的技术问题，现在虽已处于实用阶段，但因存在燃油经济性、排气公害以及使用寿命等难以解决的问题，而未能广泛应用。
有些类型的热机(如燃气轮机和斯特林发动机等)，采用气体加热器和热交换器等设备，对能源的充分利用和节约，取得了明显的效果。
本发明的任务在于提供一种旋转活塞式发动机，以相同的基本结构，可制造出外燃和内燃两种类型的发动机，提高发动机的动力性、经济性、可靠性和耐久性，并能燃烧多种燃料和较低的排气污染。
解决问题的措施是除了提高发动机的转速，减少其体积和重量以外，采用闭式循环系统，在发动机气缸外部加热，以氢气或氦气为工质，利用不同的燃烧器燃烧液体、气体或煤粉等各种燃料。将气体加热器50、涡轮增压器63和热交换器64等各种设备合理的加以组合，来完成发动机工作循环的各组成过程。
本发明的基本结构是在椭园形气缸1中间有一个转子5，于两边形成两个外工作室6、6′。转子5两侧有两个对称的凹坑7、7′和两只活塞8、8′相啮合，构成两个内工作室9、9′。
气缸是由气缸体2和前后气缸盖3、4构成。在气缸体内壁上，对应椭园短轴两端的槽内装有密封片10、10′和弹簧11、11′槽旁边左右对称部位开有排气口12、12′。在前后气缸盖3、4的中心部位，各有一个与转子档20、20′相配合的园孔13、13′，在园孔的内边缘上有槽，其中装有密封条14、14′和弹簧15、15′。主轴承座16、16′装在园孔13、13′的外口。在前气缸盖3上设有主进气道17和付进气道18。
转子是由转子体19和转子档20、20′用螺栓紧固成的整体。转子凹坑7、7′由前侧壁21、21′、后侧壁22、22′和坑底弧面23、23′三部分构成。凹坑前侧壁21、21′对称于转子子中心轴线两侧，处于同一的平面上，在其壁面上装有截面为园柱凸轮形的密封轴24、24′。坑底弧面23、23′上开有进气口25、25′和主轴进气口31、31′相通，弧面的形状和活塞8、8′的侧壁配合一致。在转子档20内平面靠近边缘的位置与转子凹坑7、7′的中线对应，装有连杆27、27′。主轴29装在转子中心孔30中，其上开有两个对称相通的进气口31、31′，被气封环32分作上下两部分。
活塞为薄壁园柱体，是由活塞体33和活塞帽34组合而成，在活塞两端的摩擦平面上，各装有两道油环35、35′。活塞体33与活塞帽34扣合的接口处，装有密封环36、○形圈37和弹簧38。在活塞轴承39中装有中心轴40，轴端切口41、41′和销子42、42′与连杆27、27′的大头相配合。
外燃滚旋式发动机工作循环的各组成过程，在各个不同的设备中进行，与燃气轮机基本相似，但其有效功率的获得不是以气流驱动涡轮作功，而是依靠气体对活塞的压力，因而存在差异。在气缸外部的燃烧虽然是连续的，而气缸内的容积则对应于热力循环的各个过程发生变化。因此，其工作循环与二冲程往复式发动机近似。但是旋转活塞仅在启动时需要一次推动扭矩，而往复活塞在每冲程终了时，即需要一次推动扭矩。
外燃滚旋式发动机工作循环的过程是当活塞8、8′的中心处于气缸1椭园长轴时，为下止点，旋转90°至椭园短轴时，为上止点，达到压缩极限，此时主轴进气口31和主进气道17接通，高温高压气体进入内工作室9、9′与其中的压缩气体混合而膨胀，于是活塞8、8′在气体压力的作用下，借气缸壁弧形斜面的反作用力对凹坑前侧壁21、21′产生推力，使转子5发生旋转运动，通过主轴29将动力输出。活塞8、8′离开上止点以后，很快便和凹坑后侧壁22、22′脱开，内、外工作室便相互沟通而形成一体，工作气体急速流向外工作室6、6′。当活塞8、8′到达下止点时，主轴进气口31关闭，而膨胀过程在外工作室6、6′中依然继续进行。同时，工作废气也被排入热交换器64中进行冷却。由于气流的冲击惯性和离心作用以及外工作室6、6′容积的迅速增大，从而使内工作室9、9′中的气压急剧下降，因此可以利用经过冷却而具有相当压力的工作气体，通过付进气道18进入内工作室9、9′进行扫气和充气，随后便进行压缩过程，当再次达到压缩极限时，下一循环又将开始。转子每转一周，有两次压缩和两次膨胀过程。活塞8、8′在气体的压力和离心力的作用下以及连杆的制约，只能紧贴气缸壁和凹坑前侧壁21、21′滚动，不会发生跳动和碰击现象。
内燃滚旋式发动机的结构和工作循环的过程与外燃滚旋式发动机的不同处在于在主轴的前端设置主燃烧室43，其上装有火花塞45，付燃烧室44设置在坑底弧面23、23′上。燃料喷咀46安装在主进气道17上，紧靠主燃烧室43的入口处，当涡轮增压器63供给的空气通过主进气道17时，连同燃料喷咀46喷注的燃料一起进入主燃烧室43，由于采取分层充气和进气涡流，使主燃烧室43内形成浓混合气，随气流进入内工作室9、9′的燃料较少，便形成稀混合气，当达到压缩极限时，稀混合气多被压缩在付燃烧室44内，只有少量返流回主燃烧室43。当火花塞45在主燃烧室43点火以后，火焰便通过双火焰喉道充入两边的付燃烧室44稀薄充量，以保证迅速燃烧，进行膨胀过程。
在转子档20上开有空气进气口47、47′和付进气道18断续相接，空气进入转子体19的内腔对转子进行冷却，然后经过密封轴24、24′的内扫气口48和外扫气口49，分别进入内工作室9、9′和外工作室6、6′进行扫气和充气。密封轴24、24′在这里兼有配合阀的功能。活塞8、8′自上止点旋转120°以后进行排气过程。利用排出气缸的废气驱动涡轮增压器63供应所需空气。
本发明的优点和积极效果有下述几点1、滚旋式发动机不仅没有往复质量的限制，而且也不存在变角速所引起的质量限制，因而能获得较高的转速与较好的性能。由于转子为中轴式，转子的几何形状规则、均称，两只相同的活塞相对配置，转子两侧和两只活塞所受的各种作用力，发生的时间和强度也完全相等，而方向则相反，因而运转平稳、均衡。转子和活塞同步运转，转子本身的转动惯量足以保持稳定而均匀的转速，所以虽然有压缩和膨胀过程，而不会引起发动机输出轴转速的波动，使输出扭矩呈现周期性变化，因而无须另外安装飞轮和加平衡块。
2、在同样的条件下和一般活塞式发动机比较，具有较高的有效效率，这是因为这种发动机除了有较大的活塞工作面积和较大的膨胀比外，尤其外燃机还可利用热交换器对工作废气和燃烧废气中的余热加以回收利用，并使燃烧过程中的热损失减少。
3、外燃滚旋式发动机由于在大气压下以封闭状态连续燃烧，而且没有压力和温度的急剧变化，因此在排出的燃烧废气中，所含一氧化碳、碳氢化合物和氧化氮等有害成分较少。当以煤粉为燃料时，对所产生的二氧化硫和较多的灰尘，可用含钙化合物按一定比例掺入燃料或向热气流中喷注来加以消除，并用旋流分离器除去灰尘。
4、在外燃机的闭式循环系统中，采用低流体摩擦，传热系数高的氢气或氦气为工质，在比功率和效率方面较空气优越得多。
5、在气缸外部加热，能够适当控制气体的温度，发动机不需要特殊的冷却，对受热严重的部位，用润滑油稍加冷却便能正常工作。在气缸上没有进排气阀，可避免气缸的局部过热，这对发动机的材料选择和工艺要求都是有利的。
6、此种发动机启动简单而迅速，即使在极度严寒的环境中，也很容易启动，并且无须防冻。
7、外燃滚旋式发动机因有气体加热器和热交换器等设备，使结构比较复杂，体积较大，但若与同功率、同用途大中型往复式发动机比较，仍然占有一定的优势，而内燃滚旋式发动机没有上述设备，体积和重量则更小，结构更加简单紧凑。
本发明的细节和特征用下列附图作进一步阐述
图1～2表示外燃滚旋式发动机的基本结构。椭园形气缸体2前后两端由前气缸盖3和后气缸盖4封闭。转子5装在气缸中间，两边形成两个外工作室6、6′。转子5两侧的凹坑7、7′和活塞8、8′相啮合，构成两个内工作室9、9′。主轴29装在转子中心，其上开有进气口31、31′分别与主进气道17断续相接。排气口12、12′开在气缸体2两边侧壁相对称的位置上。密封片10、10′、密封条14、14′和密封轴24、24′保持各工作室的密封。
图3所示为气缸体。气缸椭园短轴两端相对应的位置上开有密封片槽，在槽的旁边开有排气口12、12′。
图4～5和6～7表示前气缸盖3和后气缸盖4，在其中心部位各有一个园孔13、13′与转子档20、20′相配合，主轴承座16、16′装在园孔13、13′外口。在前气缸盖3上设有主进气道17和付进气道18。
图8表示转子的结构。转子是由转子体19和转子档20、20′用螺栓紧固成的整体，其两侧的凹坑由前侧壁21、21′、后侧壁22、22′和坑底弧面23、23′三部分构成。密封轴24、24′装在前侧壁21、21′上。进气口25、25′开在坑底弧面2323′上。连杆铰链孔28开在转子档20′内表面的边缘上，与凹坑中线相对应。中心孔30用以安装主轴29。
图9～10表示活塞的结构。活塞是由活塞体33和活塞帽34组合而成，在其两端的平面上装有油环35、35′。活塞轴承39内装有中心轴40。活塞体33和活塞帽34之间的接口处，装有密封环36、○形圈37和弹簧38，借弹簧38的支撑作用使活塞两端的平面与其接触的摩擦平面贴紧，起到密封的作用。
图11所示为主轴，其两端装有齿轮和皮带轮等，中段开有对称相通的进气口31、31′，在进气口上有一个气封环32，气封环的端头呈阶梯形。
图12所示为气缸密封件的组成。转子的径向密封，采用由两半片叠合成的密封片10、10′及弹簧11、11′。转子的端面密封，采用由两半环组成的密封条14、14′及弹簧15、15′，密封条的一边与转子档20、20′呈45°的凸缘相贴合，两端与密封片相接，构成连续的气密线。
图13～14所示为壳管式气体加热器，是由空气予热器51、燃烧器52和加热器炉体53三部分构成。
图15和图16表示外燃滚旋式发动机工作循环的各组成过程及其工作原理。高温高压工作气体由气体加热器提供，其加热过程是由电动机54驱动风扇55供应空气，燃料通过燃料供给管56输送，火花塞57点火启动。启动后燃烧所需空气由涡轮增压器63供给。空气在进入增压器之前先经过热交换器64的冷却管，进行初步予热，然后再由增压器送入空气予热器51利用燃烧废气再次予热。空气经过两次予热以后，分作一次空气、二次空气进入燃烧器52进行燃烧，另有一部分空气直接进入炉膛与燃气混合。燃气经炉膛，穿过环列管60间的缝隙，再由空气予热器51的内管输入涡轮，然后排放出去。
工作气体通过单向阀59进入加热器炉体外腔58，气流沿螺旋导流板61前进，作初步加热，再通过单向阀59′进入环列管60，继续加热，最后到达集气管62，完成加热过程。
高温气体通过主进气道17经主轴进气口31进入发动机内工作室9、9′与其中的压缩气体混合，而进行膨胀过程，活塞8、8′在气体压力作用下推动转子旋转。自上止点开始，活塞8、8′旋转35°～40°以后便与凹坑后侧壁22、22′逐渐脱开，内外工作室即相互沟通而形成一体。在膨胀过程的同时，气缸中的工作废气也被排入热交换器64进行冷却。当活塞8、8′到达下止点时，主进气道17关闭，随后付进气道18与主轴进气口31接通，经过冷却的工作气体进入内工作室9、9′进行扫气和充气。当活塞8、8′与凹坑后侧壁22、22′贴合以后，便进行压缩过程。活塞到达上止点时，压缩过程结束，下一循环又将开始进行。
从图16中可以看出此种发动机的膨胀过程和排气过程首尾相接几乎是不间断的。自e～f为扫气和充气过程，f～a为压缩过程。
图17～18和图19表示内燃滚旋式发动机的结构及其转子的构造。内燃和外燃两种滚旋式发动机的基本结构大致相同，不同处在于内燃滚旋式发动机在主轴29的前端设置主燃烧室43，其上装有火花塞45，燃料喷咀46装在主进气道17上，能将燃料直接喷入主燃烧室43。在转子档20上开有空气进气口47与付进气道18断续相接。在密封轴24、24′上开有半环槽，槽的两端分别构成内扫气口48、48′和外扫气口49、49′。在内扫气口48、48′上有簧片26、26′，用以防止高温气体流入转子内腔。螺栓穿过密封轴24、24′的轴孔与两边转子档相连接。付燃烧室44设置在坑底弧面23上，通过喉道与主燃烧室43沟通。
图20表示内燃滚旋式发动机的工作过程和工作原理，并参照往复式二冲程发动机来加以阐明。a～b当活塞8、8′位于下止点时，内工作室9、9′进行扫气过程。活塞8、8′向上止点运行，在扫气过程将近结束时，主进气道17与主轴进气口31相接，由涡轮增压器63供给的空气连同燃料喷咀46喷注的燃料，一起进入主燃烧室43，形成浓混合气。另有一部分燃料随气流进入内工作室9、9′，形成稀混合气。b～c当活塞8、8′和凹坑后侧壁22、22′贴合以后，即进行压缩过程，在压缩终了时，内工作室9、9′中的稀混合气，除少量返流回主燃烧室43外，大部分将被压缩在付燃烧室44中。c～d当压缩过程及将结束时，主燃烧室43中的混合气由火花塞45点燃(点火提前通过实验来选定)，此后即进行膨胀过程。在膨胀过程中，付进气道18与转子档20上的进气口47、47′相接，空气通过转子体19的内腔，对转子进行冷却，然后经密封轴外扫气口49、49′进入外工作室6、6′，再从气缸排气口12、12′排放出去。在排气的同时，密封轴内扫气口48、48′打开，内工作室9、9′进行扫气和充气，随后便进行压缩，接着进行下一循环。
图21表示机油对发动机各部位的润滑流路。润滑系统的构件与一般往复式发动机相同。需要润滑的主要部位有主轴承、气封件的滑动面以及附属驱动装置等。润滑的同时还对转子和活塞等部位进行冷却。
机油润滑的流路是机油通过滤清器以后，经主轴29的油道先对主轴承进行润滑，再穿过孔道经转子档20′的边缘，流入活塞8的内腔，此后再由转子档20边缘上的油孔，进入前气缸盖3的孔道流回油盘。
权利要求
1.一种滚动活塞旋转式发动机，筒称滚旋式发动机，以气体加热器50在气缸外部对工质进行加热，并由涡轮增压器63和热交换器64等设备分别来完成工作循环的各组成过程，其特征在于a、在发动机椭园形气缸1中间装有转子5，于两边形成两个外工作室6、6′，转子5两侧有两个对称的凹坑7、7′和两只活塞8、8′相啮合，构成内工作室9、9′，b、气缸是由气缸体2和前后气缸盖3、4构成，在气缸体椭园短轴两端对应的内壁上有槽，其中装有由两半片叠合成的密封片10、10′和弹簧11、11′，在槽的旁边左右对称部位开有排气口12、12′，前后气缸盖3、4的中心部位，各有一个与转子档20、20′相配合的园孔13、13′，在孔的内边缘上有槽，其中装有密封条14、14′和弹簧15、15′，主轴承座16、16′装在园孔的外口，在前气缸盖3上设有主进气道17和付进气道18，c、转子是由转子体19和转子档20、20′用螺栓紧固成的整体，转子凹坑7、7′由前侧壁21、21′、后侧壁22、22′和坑底弧面23、23′三部分构成，凹坑前侧壁21、21′对称于转子中心轴线两侧，处于同一的平面上，其上装有截面为园柱凸轮形的密封轴24、24′，坑底弧面23、23′上开有进气口25、25′和主轴进气口31、31′相通，弧面的形状和活塞8、8′的侧壁配合一致，在转子档20内平面的边缘上，对应于转子凹坑7、7′的中线开有连杆铰链孔28，主轴29装在转子中心孔30内，在主轴上开有两个对称相通的进气口31、31′，被气封环32分作上下两部分，d、活塞为薄壁园柱体，是由活塞体33和活塞帽34组合而成，在活塞两端的摩擦平面上，各装有两道油环35、35′，活塞体33与活塞帽34扣合的接口处，装有两层叠合的密封环36、○形圈37和弹簧38，在活塞轴承39中装有中心轴40，轴的上端有切口41和销子42，连杆27的大头和切口41相配合。
2.根据权利要求1所述滚动活塞旋转式发动机，燃料在气缸内部燃烧，其特征在于在主轴29的前端设置主燃烧室43，其上装有火花塞45，燃料喷咀46装在主进气道17上，付燃烧室44设置在坑底弧面23、23′与主燃烧室43有喉道相通，在转子档20上开有空气进气口47、47′与付进气道18断续相接，在密封轴24、24′上开有半环槽，槽的两端分别构成内扫气口48、48′与外扫气口49、49′，在内扫气口48、48′上装有簧片26、26′。
全文摘要
滚动活塞旋转式发动机，有外燃和内燃两种机型，可作为原动机使用，其基本结构是在椭圆形气缸中有一个转子，在转子两侧有对称的两个凹坑和两只活塞相啮合，通过转子中心的主轴输出动力。由于没有连杆曲轴机构和配气机构的往复运动质量，也不受变角速运动的限制，将膨胀过程直接转变为旋转运动，并且每转一周有两次膨胀过程，因而可以获得较高的转速与较好的性能。外燃机对工质间接加热可燃用任何一种燃料，其有效率较高，而排气污染较低。
文档编号F02B53/00GK1044516SQ8910938
公开日1990年8月8日 申请日期1989年12月16日 优先权日1989年12月16日
发明者苏兴起 申请人:苏兴起