专利名称：铰切球环旋转发动机的制作方法
技术领域：
本发明属于发动机领域，涉及内燃机，气液压机、马达及泵。
自从发动机问世以来，已经历了数不清多少次的变革和改进，出现了各式各样的发动机，如广为人知的蒸汽机、汽油机、柴油机等往复式活塞发动机，三角转子旋转发动机，蒸汽轮机、燃气轮机和喷气发动机，它们以其独特的性能在不同领域中得到了大面积的推广和应用，在国民经济建设中发挥了巨大的作用。同时这些发动机也存在着不足之处，有待于不断改进，如蒸汽机设备庞大笨重，热效率低，已逐渐被取代。蒸汽轮机，燃气轮机和喷气发动机的桨叶为两侧敞开的结构，需要多层数量庞大的桨叶来充分利用高速燃气的内能，使得结构相当复杂而庞大，只在航天和大型核能，火力发电站等少数部门中使用。应用最为广泛的要属结构相对简单、小巧、轻便的汽油机和柴油机了，在单缸四冲程两周一循环过程中，活塞、连杆、曲柄作八次变加速运动，会产生剧裂的振动和冲击，引起强烈的磨损和巨大的噪音，配气部件因惯性在高速时无法正常工作，限制了往复式活塞发动机向高速的发展。后来出现了三角转子旋转发动机，这些问题基本上得以解决，但是转子机的偏心距e又相对很小，扭矩较低，许多性能还达不到往复机的水平，用周边进气时出现进排气重叠区，又走了低速性能差的另一极端。采用奥托式循环的汽油机只能靠增大压缩比来提高热效率，因燃料燃点的限制，压缩比又不能太大，一般只有5～7。所以理论热效率只能达到50%左右，而发动机在实际工作中，燃料的总热量随排出的尾气被带走约36%，散热系统带走约20%，混合气不完全燃烧约损失16%，运动件的摩擦也损失了近7%的热能，仅有一小部分转变为有效功，实际热效率只有20～30%。采用狄塞式循环的柴油机对空气的压缩比可以达到很高，理论热效率也会提高，实际上压缩比越大，压缩结束时的压力和温度就越高。燃爆时会达到更高，对材料的耐压强度和耐高温性能提出了很高要求，同时造成工作腔内外温差加大，使传热速度加快，散失的热量增多，与压缩比相同的膨胀比不足以使温度降低很多，高温尾气带走的热量也会增多，另外，压缩冲程中又做了很多负功，靠提高压缩比、热效率不会提高很多，由于现有材料的限制效率只能达到28%～40%。随着新型材料的发展又出现了陶瓷发动机，用提高气缸工作温度的方法获得更强的爆发力来提高热效率，燃气初爆温度达到很高以后，又为降低尾气温度增加了难度，回收高温尾气热能又将增加新的设备，使结构复杂化，同时又带来了高温润滑失效等严重问题，结果总是因温度过高抛锚失灵，又重新陷入困境。
本发明的目的是为了彻底克服以上所述发动机中存在的各种问题，提供一种结构简易，原理全新、高效热力循环的铰切球环旋转发动机，可消除振动，降低噪声、减轻污染，降低工作温度，增大工作压力，提高输出功率和热效率，并能根据不同工作需要组合成各种形式，将动力按任意方向传输。
本发明的目的是这样实现的改活塞的往复式直线运动为动力齿轮和内切圆环的旋转圆周运动，气缸随之由直筒形改成圆环形和弯月形气缸，将汽轮机中为数众多的半敞开式桨叶改为少数几个或单个全封闭动力齿和柱铰连板，采用与以往截然不同的热力循环，靠降低温升，提高膨胀化，减小压缩小，直至去掉压缩冲程，采用进气作功，同时排气的三冲程循环方式工作，在压气腔内加入易汽化或凝华的冷却剂以防止高压缩比时燃料自燃，工作腔内喷入临界温度的冷却剂，汽化时降温增压，再使尾气穿过冷却腔，与冷却液换热，充分回收尾气余热，构成腔内汽化增压全封闭热力循环，在较低的工作温度下获得趋近于理想值的热效率。配备简易高效的全自动密封，润滑、冷却、配气和点火系统，保证发动机在最佳工作状态下正常运行。
如下图1是外切双轮双环气缸双向旋转发动机的结构示意图。
图2是缸体和端盖的结构示意图。
图3是双铰连板内切圆环压气机和外切双轮双环气缸工作机共面配合的旋转发动机的结构示意图。
图4是转盘配气的柱铰齿外切双轮双环气缸旋转发动机的结构示意图。
图5是柱铰连板外切双轮旋转发动机的结构示意图。
图6是外切双轮双环气缸三冲程双向旋转发动机的结构示意图。
图7是发条螺栓的结构示意图。
图8是直槽柱铰平直连板内切双环旋转发动机的结构示意图。
图9是铰接滑块连板内切双环旋转发动机的结构示意图。
图10是双柱铰连板和直槽柱铰平板综合式内切多环多板旋转发动机的示意图。
图11～15是几种组合式定轴轮系旋转发动机。
图16是定轴轮系旋转发动机的基本单元-球环双轮球环双缸旋转发动机。
图17是定轴轮系的各种系列旋转发动机相互演变的示意图。
现结合附图以外切双轮双环气缸平面式旋转发动机为例对本发明作详细地说明参照图1，在双圆环形缸体(1)内安装一对外啮合的动力齿轮(2)，动力齿轮轮面布满密封齿(5)，缸体与动力齿轮围成双环形气缸，动力齿轮上各有一个动力齿(4)和一个深陷的让齿槽(11)，动力齿内装有气封铰(3)，动力齿将双环气缸隔成内外两部分，内部为工作腔(7)，外部为排气腔，动力齿轮以花键联接在主轴(12)上。缸体中央对称开设两个“丫”形排气口(6)，缸壁内装有优弧形缸瓦(13)，缸瓦紧贴缸壁转动，使排气口打开或关闭。参见图3缸体内为轴流或环流式冷却腔(39)，冷却腔内装有蛇形导热管(38)，导热管的入口与排气口联接，终端与排气管相连。在缸体内壁上装有弹簧螺钉结构的单向阀与热弧区的集热腔(31)，缸壁上还安装喷咀(34)和电热塞(19)或火花塞(45)。参见图2，发动机的控制结构主要集中在端盖。端盖上与动力齿轮贴合处设置圆环形分气槽(14)，分气槽里面装有两个可移动的隔气瓦(15)，隔气瓦内装有喷咀(16)，通气孔(18)，电热塞或火花塞，两个隔气瓦(15)将分气槽(14)分成前中后三段，前段设有进气口(21)，进气口内装有单向通气阀(33)内壁衫有偏心套筒(23)。端盖表面加盖一层与缸体型面相吻合的密封盖(24)，密封盖中央开设圆形透气口(25)，里面可以安装密封柱。端盖结构关于中心完全对称时，可以实现双向旋转。
以往的往复式活塞发动机因压缩比和膨胀比相同，靠增大压缩比提高热效率实质是因为膨胀比的增大才使热效率提高，而压缩冲程作负功会消耗掉一部分能量，只不过提高压缩比降低的效率没有增大相同膨胀比提高的效率多，整个过程的结果热效率才得以提高，而现在只提高膨胀比，反而降低压缩比，最终去掉压缩冲程，采用进气、作功，同时排气的三冲程循环方式，热效率会显著提高。为使工作压力不致于很低，另行安排了一整套的腔内汽化增压方法，在提高热效率的同时增大输出功率。
现将腔内汽化增压方式的三冲程旋转发动机的工作过程作详细的说明参照图1，两个动力齿轮(2)相啮合，密封齿(5)齿面压紧，将中央封闭，动力齿(4)与让齿槽(11)转过啮合区让齿后，动力齿(4)顶面接触到缸壁，与气封铰(3)一起将工作腔(7)两端封严，围成密闭的工作腔。此时，让齿槽(11)刚好转到导气槽(20)上方，工作腔(7)与导气槽内的进气口(21)勾通，通两个动力齿(4)继续向两旁背道而驰，工作腔容积扩大，空气或与燃油的稀薄混合气自进气口(21)经由导气槽(20)，让齿槽(11)不断进入工作腔(7)，当让齿槽转到隔气瓦(15)上方时，让齿槽(11)被隔气瓦(15)前段封住，导气槽(20)与工作腔(7)隔绝，进气冲程结束。随后调气瓦(15)上的电热塞(19)和喷咀(16)相继露出，从喷咀内喷出浓浓的燃油空气混合气和临界温度的冷却水，或再喷入压缩空气或氧气助燃。混合气接触到电热丝，立即点燃，燃烧放热，一部分高温燃气被封闭在电热塞(19)内，为电热丝加热和保温，温度维持在燃料燃点温度以上，为下一次循环准备点火热源。燃气的热量又传给冷却水，冷却水吸热后汽化后，在降温的同时产生很高的压强，高压水蒸汽和燃气推动动力齿(4)带动动力齿轮(2)高速旋转，对外输出扭矩。进行一段近似等温，等压膨胀以后，电热塞(19)和喷咀(16)被转过的动力齿轮端面封闭隔离，接着进行绝热膨胀，动力齿(4)转过排气口(6)时，蒸汽和燃气的内能已充分释放，由中温高压降到低温常压，从排气口排出，完成一次循环，将燃料的化学能转变成蒸汽和燃气的内能，最终转化成机械能。随后，高整旋转的主轴(12)和动力齿轮(2)带动动力齿(4)转过啮合区，进入下一次循环。冷却水吸收了箱体和尾气散失的热量，温度逐渐升高到临界温度，临界水再次喷入工作腔，汽化增压，在推动动力齿作功的同时，由动力齿(4)将上一次循环产生的废气推出排气口。就这样周而复始地进行进气、作功，同时排气的三冲程循环，源源不断地向外输出动力。
本发明的配气系统是由端面或周边的旋转阀门控制的，通过调整隔气瓦的位置来改变进气量，进油量和喷入冷却剂的的量，调节输出功率和效率。旋转阀门由分气槽(14)和隔气瓦(15)组成。隔气瓦在分气槽内移动，分气槽(14)被隔气瓦(15)分隔的各段长度发生变化，进气冲程和作功冲程的长度发生改变，进入工作腔的空气燃料和冷却剂的量随之改变，燃烧后放出不同的热量，燃气和蒸汽的会温度和压强就不同，等温、恒压和绝热膨胀的长度也会改变，作功冲程对进气冲程的长度比发生变化，从而获得不同的热效率和输出功率。发动机还可以外接压气机并与油门结合控制，用增大进气压改变进缺量，调节进油量，改变喷入燃料，助燃剂和冷却剂的量，调整作功冲程对进气冲程的长度比等多种方式，实现了功率和热效率的多级无级调控。
温度不高的蒸汽和燃气在相对较长的气缸内充分膨胀温度可以降到很低，随尾气带走的热量很少，热效率可经达到很高。排气时压强已降到很低，出排缺管时不会产生多大的气流声。本发明采用的是稀燃技术，废气中的一氧化碳，碳氢化合物、氮化物等有害成了大幅度减少，减轻了对环境的污染。
本发明还可以在转轴(12)上开设通气口控制配合，或在端盖内部安装转盘(44)，控制端面配气口的开闭，见图4，转盘内开设通气口，喷咀，电热塞或火花塞。转盘转动时自动控制配气，供油和点火。
为使发动机的动力均匀输出，转轴上套装卵形齿轮，在不同的冲程按不同的传动比传动，以保证输出功率稳定，转速均恒。
排气口的对换开闭是由缸体内壁的优弧形缸瓦(13)控制的。参见图1，的缸瓦紧贴缸壁滑动，能将两个“Y”字形排气口(6)同时打开，也可以对换开闭。发动机需要改换旋转方向时，只需将原来打开的排气口关闭，原来关闭的排气口打开，再对换两侧隔气瓦的位置，便可以迅速实现正反转换向。
本发明提供的发动机其压缩比很小，并有自动点火装置，因此燃料的种类不受限制，可以燃用汽油、柴油、醇类、液氢、液氧、水燃料、流体炸药等。现有的液体燃料几乎都可以使用。其中醇类燃料燃烧产物清洁、无烟气污染。目前开发醇类燃料为减轻世界空气污染已引起社会的普遍关注。用醇类燃料中的乙醇作为燃料具有无可比拟的优点1、乙醇的凝固点为-119℃，严寒气候不会冻结，低温起动性能好，适用于高原、荒漠、冰川、极地、登月探索及星际宇航等。
2、乙醇的汽化温度为78℃，接近常温，而且正处在润滑状态最好的温度范围，乙醇的汽化热很大，在冷却腔内流动，用作冷却液，当工作温度超过这一温度时乙醇溶液立即吸热汽化降温，从而避免温度过高不易形成油膜使润滑失效。汽化后的乙醇蒸汽可以直接压入压气腔再送到工作腔燃烧，能改善混合气和燃烧质量，还能省去汽化器，使结构简化。
3、乙醇的临界温度为243℃，临界压强为63个大气压，容易汽化和液化，使发动机在较低的工作温度下获得很高的工作压力和输出功率。
4、乙醇分子含碳原子少并内含氧原子，燃烧时需要的空气量少，容易充分燃尽，不易碳化积碳。乙醇燃料的低热值比汽油、柴油的低热值都低很多，可进一步提高发动机的有效效率。挥发的乙醇蒸汽无毒，而且气味芳醇，还有医用消毒作用，无空气污染。
5、乙醇具有无机溶剂和有机溶剂的综合性能，能溶解如碘、水、润滑油等多种物质。用乙醇燃料兼作冷却剂和润滑油、添加剂等物质的载体，便于组织简易、高效的冷却和润滑系统。
6、乙醇来源广泛，可以利用资源丰富的石油中分离出的乙烯，进行乙烯水化或酿选等方法制得，造价低廉，经济性好。
本发明正是兼顾了这些特点而优先选用了乙醇燃料，现以乙醇燃料兼作冷却剂为例，对腔内汽化增压全封闭热力循环工作原理作详细的阐述为直观起见，请参照图3所示结构的发动机。启动发动机，双铰连板内切双环压气机和外切双轮双环气缸工作机随主轴一起同步旋转，双铰连板(42)被内切圆环(29)牵引着沿内切圆环围成的弯月形气缸滑移，双铰连板(42)将弯月形气缸分隔成吸气腔和压气腔，主轴转动时吸气腔逐渐增大，从进气口(37)不断吸入空气，压气腔逐渐缩小将吸气腔吸入的空气逐渐压缩，当压缩到一定程度时，从压气腔的喷咀内喷入乙醇汽雾，继续压缩到一定温度后，乙醇汽雾开始吸热汽化降温，进行近似等温压缩，以后温度逐渐上升，压强迅速增大，达到乙醇的临界温度时，乙醇汽雾全部汽化，随后压气腔的出口(36)和工作腔的入口(41)被隔气筒(28)的通气口(30)连通，高压混合气进入到工作腔，双铰连板转到切合点时，混合气全部进入到工作腔，工作腔的入口(41)又被隔气筒(28)封闭，换气结束。随即缸壁上的火花塞跳火，点燃混合气，混合气迅速燃烧进行定容加热，同时从缸壁上的喷咀(34)喷入临界温度的雾状乙醇，临界乙醇立即汽化变成蒸汽，体积有瞬间增大千余倍的趋势，会产生很高的压强，高压蒸汽和燃气推动动力齿拖动动力齿轮和主轴高速旋转对外作动。经过一段等温等压膨胀后，再进行绝热膨胀，蒸汽和燃气的内能得以释放，温度和压强降到临界温度和压强以下，成为过冷饱和蒸汽，并逐渐液化。经过充分膨胀以后，由中温高压降到接近常温中压，逐渐液化的乙醇蒸汽和燃气等气体穿过排气口(40)，进入导热管(38)，与冷却腔(39)内的乙醇溶液进行热交换、乙醇蒸气放出汽化热后大量液化，液化后的乙醇液滴、水雾、二氧化碳、氮气等尾气，出导热管，进入离心式气液分离器，较轻的二氧化碳、氮气等废气从中央排气管排出进入大气，密度较大的乙醇液滴和水雾甩到器壁上流到槽底冷凝回收。回收的冷凝液一部分喷到压气腔内汽化降温，以避免压燃，另一部分进入缸体热弧区的集热腔(31)。换热过程中冷却腔(39)内乙醇溶液将有一部分汽化，汽化的乙醇蒸汽压入到压气腔内继续压缩或直接喷入工作腔内燃烧，大部分乙醇溶液吸热后温度升高，接近临界温度时进入集热腔(31)。集热腔内的乙醇溶液吸收了工作腔散失的热量，达到临界温度和压强后汽化，变成临界蒸汽待工作压力下降到一定值时，顶开单向阀(33)，冲进工作腔内，使工作腔压力回升到很高，可获得很高的平均工作压力和很大的输出功率，同时将工作腔散失的热量送回工作腔循环利用，构成全封闭热力循环。缸体外壁覆盖绝热保温层(32)，以减少热量的散失，使全封闭循环的热效率更趋近于理想的热效率。
发动机运转一段时间以后，冷凝液中水的含量逐渐增多，乙醇溶液被逐渐稀释，变成水溶液，以后就用冷凝水作为冷却剂来汽化增压。多余的冷凝水可以排放出去，还可以收集起来，经过净化处理，可作为宇宙飞船和深海潜艇的生活用水。
水的临界温度为374℃，临界压强为218个大气压，常压汽化热为539千瓦/千克，在各种燃料中均为最高值。水一旦能用催化剂在通常条件下迅速分解成大量的氢气和氧气，再用来燃烧作功，那么水将成为最丰富、最廉价、最清洁、最高效的理想燃料。水燃料兼作冷却剂用在各种发动机上，同时采用汽化增压全封闭循环方式工作，会使同样工作容积的发动机获得最强的爆发力，最大的输出功率和极高的热效率。
发动机的密封系统包括密封齿，气封铰，柱铰接齿，气封环，气封条，密封圈，密封盖，活动端盖，发条螺栓，偏心套筒。
参见附图1，动力齿轮轮面布满密封齿(5)，密封齿具有同步传动，气压密封，封闭润滑和清除积碳的作用。密封齿啮合传动，使动力齿(4)与让齿槽(11)同步旋转，保证让齿槽准确让过动力齿。动力齿和让齿槽的齿廊曲线为渐开线、摆线或双圆弧共轭曲线，动力齿与让齿槽在让齿过程中始终啮合传动，将存留在让齿槽中的废气全部挤出。当动力齿过宽或不能承载时，需要同轴互补串接至少两对动力齿轮。密封齿交错密排，构成屈曲弯道(见图1中央)，起到迷宫的作用。在高压气体的推动下，空载动力齿轮通过密封齿的啮合传动将动力传给带载主轴上的动力齿轮，一同带动主轴旋转，输出动力。密封齿相互啮合，齿面压紧，啮合面间产生几百兆帕的压强，而燃气的最高压强只有几十兆帕，啮合面间又有高压油膜密封，工作腔内气体是无法通过啮合面的。因加之误差造成泄露的微量气体，外溢方向与密封齿转动方向和啮合区压力差的方向相反，外溢气体会随密封齿的转动带回工作腔。工作腔内气体在这几道屏障的重重封阻下，在啮合区已是万无一失了。动力齿轮长期使用大量磨损后，仍能啮合传动，啮合面压强依然不变，气封作用丝毫不减。密封齿在高温高压下的润滑和冷却是在啮合区进行的。在端盖中央开设两个润油孔，里面流动着润滑油分别与高压啮合区和低压啮合区相通，起到御载槽的作用，可以减轻密封齿与齿槽间的困油现象，还能利用高压啮合和低压啮合区的压力差构成微型齿轮油泵。啮合区两端在密封齿的啮合封闭下，形成封闭的润滑区，对正在啮合着的密封齿进行封闭润滑和冷却。粘附在齿面上的碳黑和磨屑被相对滑动的密封齿刮下来，随润滑油带走，自行清除积碳。微油泵在高速时油压很高，可以对其它机件如主轴轴承供油润滑，从而省去外部的机油泵，还能省去外接同步齿轮，使结构大为简化。
动力齿内开设带有圆柱孔的通槽，里面装有气封铰(3)，气封铰中部为圆柱体，顶部为圆弧面平台，平台单侧或两旁伸出一个或两个平舌(8)，使气封铰转动相同的角度有更大的径向伸缩量，气封铰底部联接磨擦片(10)，气封铰可从中间横截成两段，截面处围包裹着与气封铰形状相似且吻合的弥封片，以防露气截面里面安装弹簧向两旁撑起使气封铰的两端面压紧在发动机的两个端盖上，气封铰随动力齿转动时与端盖产生摩擦，摩擦片(10)与两端盖表面的摩擦力矩相对平舌(8)产生的摩擦力矩要大，气封铰(3)顶面沿运动方向前低后高，后部靠近工作腔一侧的平舌(8)向上翻转，靠在缸壁上，高压燃气压在平舌上，平舌压紧缸壁，将工作腔封严，利用燃气的压力实现气封。气封铰与动力齿内的圆柱槽构成铰接，在高速转过缸壁间断区时，不会被离心力甩离动力齿。在摩擦力矩的作用下，气封铰顶面沿运动方向前低后高，在转过缸壁间断区再次切入缸壁时，气封铰前面平舌不会撞在缸壁上而顶坏，气封铰顶面与缸壁形成楔形空隙，在圆柱体内部开设通孔(9)引入润滑油，能形成高压承载油膜，便于进行流体动压润滑，可减小摩擦减轻摩损。气封铰顶部联接两个平舌时，可实现双向旋转，发动机只需要单向旋转时，气封铰顶部联接一个平舌(35)即可(见图3所示)，下面可以省去摩擦片，再安装扭转弹簧，靠弹簧的弹力和平舌的离心力产生翻转，利用燃气的压力实现气封。
按同样原理动力齿可以演变成如图4所示的铰接齿。在动力辊轮(2)的轮面上伸出一个连板(40)，连板末端为圆柱铰，圆柱铰外铰接带有圆柱槽的双弧面动力齿(4)，构成铰接齿。参照图5，在动力齿轮的轮缘开设圆柱槽，圆柱槽内铰接带有圆柱铰的连板(47)，连板下面安装扭转弹簧，同样可以利用摩擦力矩和弹簧弹力产生翻转，利用气体或液体的压力实现气封或液压密封。参见附图6。在动力齿轮及动力齿的两个端面开设密封槽(52)，密封槽内安装密封环(57)和气封条(49)。密封环截面为“U”字形，可防止高温时热变形过大而卡死，密封环底部由波形弹片(56)向外支撑，压在分气槽(14)上，可防止高温燃气压入导气槽内，引燃里面的混合气，避免炸缸。动力齿轮内部开设透气孔，从密封槽通往动力齿轮轮面，将燃气引入密封环底部，实现气封。气封条(49)的底部和侧面都装有波形弹簧(53)，侧面弹簧压紧气封条，使其靠在密封槽另一侧，封住气体。高压燃气从波形弹簧(53)的空隙中进入到密封槽底部，托起气封条压紧端盖表面，形成气封。气封条侧面安装波形弹簧，密封槽可以开得比更宽，使进气间隙增大，利于燃气进入密封槽底进行气封，波形弹簧从侧面压紧气封条可防止气封条受摩擦力和离心力的作用在密封槽内摆动，避免由此引起的间断漏气。还可以防止气封条在高温下热变形过大的卡死现象。动力齿两侧对称安装两个气封条，可实现双向气封。气封条和密封槽中部交替开槽挖空，形成蛇形段(50)或交错对接的矩形牙齿。在气封条或密封环磨损后，可以伸长弥合摩损间隙，蛇形段或矩形牙齿下面垫有弥封片，防止气体被密封槽勾通而露气。侧面波形弹簧和蛇形段结构适用于线形，圆形、三角形、矩形等各种形状的弹簧。
发动机的两个端盖上开槽安装双环形密封圈(22)，密封圈内部可以再开设分气槽(14)，里面安装可以移动的隔气瓦(15)。密封圈底部安装弹簧并开设通孔引入气体或液体，对动力齿轮两个端面实施气封或液封。
发动机的两个端盖表面上加垫一层密封盖(24)，密封盖的形状与缸体型面相吻合，在气缸内沿轴向可自由移动，下面由弹簧支撑，压在动力齿轮端面上。密封盖中央钻有圆形透气口(25)，燃气可以从透气口(25)进入到密封盖(24)底部，托起密封盖压紧动力齿轮端面，实施气封。在密封盖底部通入液体还能实现液压密封，此时要在圆形透气口(25)内紧密嵌入密封柱，密封柱在透气口内能够上下移动，但不会向外脱出来。密封柱在燃气的推动下向下移动，将燃气压强传给液体，托起密封盖压紧动力齿轮，对动力齿轮端面进行液压密封。
发动机的两侧端盖可以压进缸体内腔，沿轴线方向压入或脱出，引起端盖表面和动力齿轮端面距离的改变，在用作气、液压机，马达及泵时，此法可以改变动力齿轮两侧气体或液体的端泄量，实现无极调控。
发动机的端盖(58)由发条螺栓联接在缸体上。发条螺栓的结构如图7所示，螺栓(60)外围缠绕着发条(59)，发条的一端固定在螺栓上，另一端固定在端盖上。动力齿轮长期运转，与端盖之间寻生摩损，缸盖对动力齿轮的压力减少并用且低于正常值，发条(59)便会借自身的物弹力将螺栓拧进缸体，端盖被螺栓压进缸体，维持缸盖对动力齿轮端面的合适压力，使动力齿轮在长期工作中保持良好的密封。
发动机的主轴轴承座内孔及其它做回转运动的轴类零件上装有偏心套筒(23)。偏心套筒是内外圆不同心的套筒，几个偏心套筒紧密套在一起，可以构成内外圆同心的同心套筒，各个偏心套筒相对转动，整个套筒的内圆圆心和外圆圆心之间的距离发生改变，出现偏心，偏心量可由零无级连续调整到各个偏心套筒偏心量之和。偏心套筒相对转动时套在上面的回转件回转中心也随之偏移，从而改变各个回转件回转中心之间的距离。中心距在调整过程中偏心套筒的各个紧密配合面不会出丝毫缝隙。调整偏心套筒可以用来弥补回转件的磨损间隙，例如，动力齿轮长期运转密封齿齿面大量磨损，齿侧间隙增大，密封性虽然不会降低，却容易产生很大的冲击，此时可以旋转偏心套筒，两个转轴的中心距减小，转轴和动力齿轮向中央靠拢，密封齿又重新靠近啮合，恢复到正常的齿侧间隙。不同密度材料的偏心套筒套在一起，构成同心套筒，同心套筒绕共同圆心回转时也会产生离心力，调整套筒的相对角度，离心力的大小又会发生改变，这种方法产生的离心力可用来平衡重心偏离的回转件回转时产生的离心力，实现回转件的动静平衡，而整体结构却看不出偏心。偏心套筒可以广泛应用在轴类零件及其支承座上，用以改变轴、圈、环、套、筒等轴类回转件回转中心之间的距离。
发动机的工作部件均为定心回转件，容易组织润滑可以采用各种方式进行润滑。如设置润滑油道循环输送滑润油，对主轴轴颈和动力齿轮各个摩擦面实施流体动压润滑。为减小摩擦阻力，发动机的所有支承均采用滚动轴承，它们是用渗入在燃料空气混合气中的机油进行润滑的，混合气在经过滚动轴承时，机油附着在轴承上进行润滑，燃料汽化吸热冷却轴承，汽化后的燃料蒸汽压入压气腔，不会降低充气量，再送到工作腔燃烧。采用混合气润滑和冷却，可省去机内冷却、润滑系统，避免了水冷机中机油在低温下粘度增加所带来的润滑不良和起动困难等问题;所以低温起动性能好。
发动机的冷却系统是在工作腔和压气腔内部喷入冷却剂，在外围冷却腔循环流动着冷却液，靠汽化时吸收汽化热冷却，冷却效率要比水冷、油冷、风冷等方式高出许多，冷却液的贮量也比水冷机的少。本发明可兼作工作机，鼓风机，输液泵、油泵等。各个系统可同轴串在一起，整机结构重量轻，外形尺寸小。
本发明还采用了铰接四杆机构和双曲柄机构演变成了内切圆环旋转发动机，可以彻底消除采用曲柄滑块机构的往复式活塞发动机的往复振动。现将这种内切圆环旋转发动机的结构简介如下采用铰接四杆机构的双铰连板内切圆环旋转发动机，其结构参见图3和图10所示。至少两个直径不同的圆环(29)相内切，围成弯月形气缸，每个圆环上都开设圆柱槽或安装圆柱铰，圆环之间的连板(42)两端都有圆柱铰或开设圆柱槽，圆环与连板互相铰接，连板将弯月形气缸隔成两部分。圆环由双柱铰连板铰接，可以绕自身轴线同向旋转，也可以是其中一个圆环固定，另一个圆环沿其内表面滚动爬行。在气体、液体等工作质或原动机的驱动下可成为各种类型的发动机每两个圆环之间安装多个铰接连板时(见图10)，连板内开槽制成能够伸长或缩短的可变长度铰接连板(79)，或者将连板制成由多个连板铰接的多杆机构，还可以在其中一个圆柱铰(77)里面开设直槽(78)，另一部分带有圆柱铰的平直连板(76)伸进圆柱铰(77)的直槽(78)内，构成可变长度的铰接连板。在双柱铰连板的内部设有通孔，通入润滑油对铰接配合面和圆环相切处进行润滑。圆环上装有偏心套筒(23)，用来调整内外圆环切合的紧密程度并用作平衡配重。在用作气、液压机、气动马达、液压马达，气泵，液压泵或气，液压传动器时，调整偏心套筒，改变内外圆环相切表面之间的距离，产生不同宽度的缝隙，高压腔内气体或液体从缝隙中流入低压腔内，出现不同程度的泄露，引起两腔压力差的变动，从而改变输出功率和转速，实现无极调控。
采用双曲柄机构的内切圆环旋转发动机，其结构见图8和图9所示，参见图8，两个或多个圆环相互内切，外圆环(61)向里伸出至少一个平直的连板(66)，内圆环(62)上开设带有圆柱槽的直通槽(63)，圆柱槽内安装带有直槽的圆柱铰，圆柱铰(77)内的直槽(78)贯通时成为图8所示的半月形圆块(64)，平直的连板(66)伸进圆柱铰的直槽(78)内或穿过两侧半月形圆块(64)所夹的直通槽，将两个内切圆环连接起来同向旋转，在高压气体、液体或原动机的驱动下成为各种类型的发动机。在半月形圆块与连板的接触面上安装弹片(65)，可利用气体或液体的压力实现气封或液压密封，从连板内孔(67)引入润滑油对摩擦面润滑。
参照图9，两个圆环相内切，外圆环(61)向里伸出一个根粗顶细的连板(70)，连板末端为圆柱铰，圆柱铰外铰接带有圆柱槽的滑块(68)，内圆环上开设直槽(72)。带有铰接滑块的连板(70)伸进直槽(72)内，连接内外两个内切圆环同向旋转，在高压气体、液体或原动机的驱动下，成为各种类型的发动机。连板和直槽为多个时(参见图10)，在圆环上开设周向导轨(74)，连板或直槽底部安装能在导轨内周向滑动的导向板(75)或铰接带有圆柱铰的双柱铰连板(42)。外圆环上分层开有通气口(69)，外圆周上开设圆弧分气槽(14)，分气槽内设置两个隔气瓦，在相切处的隔气瓦内对称安装两个带有侧面波形弹簧(53)的气封条(49)，另一个可移动的隔气瓦内安装电热塞(19)，两侧翅起伸出两个弹片(73)压紧圆环表面，实施气封。外圆环的通气口在周边分气槽上扫过，定时开闭各个周边配气口，在周边控制配气。滑块上靠近摩擦面处从底部挖空，形成弹片压紧在直槽侧壁，在连板和滑块中心开孔(71)引入润滑油，对铰接配合面和滑动接触面实施液压密封和润滑。内外圆环同向旋转时，滑块在直槽内往复运动，封闭空腔的体积发生变化，里面容纳的润滑油从连板和滑块的内孔(71)出出入入，构成一个往复式活塞油泵，可以对发动机的主轴、轴承、切合面和其它部件提供润滑油进行润滑。这种结构可以演变成双曲柄滑块机构的旋转往复式活塞发动机，能够完全消除采用曲柄滑块机构的往复式活塞发动机的往复振动。
内切圆环旋转发动机的点火、配气、密封、润滑、冷却系统与前述的定轴轮系旋转发动机基本相同，不再赘述。
以上介绍的几种发动机是本发明的几个简单实施例，现以定轴轮系旋转发动机为例介绍本发明的基本单元及由此推广演变的各种类型旋转发动机参照图16，在半径不同的同心球面夹层空间内，一对互闭啮合的圆锥动力齿轮(2)，两端面与球面贴合，动力齿轮为0°～360°之间任意锥顶角的内齿轮或外齿轮(图示的圆锥齿轮为外齿轮)，动力齿轮的锥顶角为零时圆锥动力齿轮成为外啮合圆柱动力齿轮，锥顶角为180°时成为平板动力齿轮，锥顶角为360°时成为内啮合圆柱动力齿轮。圆锥动力齿轮(2)上有至少一个动力齿(4)和至少一个让齿槽(11)，其齿廊曲线为渐开线，摆线或双圆弧共轭曲线。动力齿轮(2)上布满密封齿(5)，密封齿齿数可以是任意的，齿数为零时就成为光滑轮面的动力辊轮，此时须外接同步齿轮，当多个动力齿轮串接在同一根转轴上时，从侧面看动力齿轮和让齿槽顺次连接联成完整的齿轮，无须联接同步齿轮也可同步传动。动力齿轮包括动力辊轮，为说明的方便，只提起动力齿轮。动力齿轮旋转，动力齿(4)的齿根和齿顶端面划过的双层环形回转面与两个同心球面围成球面圆环气缸。同理，两个相内切的球面圆环与两个同心球面围成弯月形气缸，弯月形气缸内的所有结构均贴靠在同心球面上。两个圆锥动力齿轮(2)自啮合处沿球面向两旁伸展，两轴线之间的交角α逐渐增大，球环气缸和球面圆环的轴线之间的夹角随之改变，由0°连续变化至180°。两个同心球面的半径可以是任意的，当球面半径趋近于无穷大时，其上的部分球面就变成平面，形成平面式发动机。若其中一个球面半径为零而消失，则成为一个球面，形成圆球式发动机，或称作动力球。
多个动力齿轮在多个球环的气缸内轴线互成0°～180°之间任意交角内、外啮合传动、将动力按不同方向传输。多个球面圆环与同心圆球围成多个弯月形气缸，里面由多个连板分隔成多个封闭腔，如图10所示。多个球环的气缸在同心球面夹层空间内可联成开链式或围成闭环式。如图11图14和图15所示。每个球环气缸可同时内接或外接多个球环气缸，如图12、图13所示。参照图17，多个圆锥动力齿轮可围成一个圆圈，各个动力齿轮的轴线汇交于球心，形成圆锥，圆锥的两条对称母线所夹的角为锥顶角β，各个动力齿轮沿着球面同时上下移动，锥顶角β在0°～360°之间连续变化，成为星形滚针式发动机，如图17A所示，在务个动力齿轮的内外或上下公切面套盖半径更大的动力齿轮成为圆锥子轴承式发动机，如图17B处所示，当锥顶角β为为零度或球面半径趋近于无穷大时成为圆柱滚子轴承式发动机，如图17C处所示。上述各种类型发动机任意组合，采用二、三、四冲程循环方式，可演变成为各种系列的旋转发动机。
本发明与现有技术相比具有如下特点1、开辟了一条崭新的热力循环途径，开创了一种腔内汽化增压全封闭循环，冷却剂在各个腔内汽化时提高工作压力，并充分回收尾气余热和缸体散失的热量，使热效率更接近于理想热效率。
2、打破了以往追求高压缩化和高温升，来提高热效率的传统模式，改用减少压缩比、降低温升，提高工作压力，增大膨胀比等各种方式提高热效率。
3、突破了二四冲程的固有的循环方式，去掉了作负功的压缩冲程，另行采用吸气，作功/排气的三冲程循环方式，拓宽了燃油种类，起动也得轻巧省力。
4、功率的调节一改以往的油门控制和燃油压气机形式，另外采用了旋转阀门，端面转盘，周边圆环自动控制，用改变进气量，增大进气压，调节进油量，改变喷剂量，调整进气冲程和作功冲程的长度比等多种方式实现了功率和效率的多极无极调控。
5、高压燃气和蒸汽或液体沿最外围作功，扭矩大，转速高。发动机的工作部件均为定心回转件，容易实现动静平衡，定轴轮系机型能进行定传动比工作，运行相当平稳。
6、密封性强，使用寿命长。密封系统使任何工作表面出现摩损间隙时均能自行弥合封严。外围同步齿轮，点火系统，润滑冷却系统可以省去，结构极为简化紧凑，体积小，重量轻，比功率大。
7、工作方位广、动力齿轮与球环气缸、球面圆环与弯月气缸在球面夹层空间内可互成任意角度，能根据工作需要级组合成各种形式，将动力按任意方向传输。
8、用途广泛。可用作各种内燃机车的发动机，如汽车、摩托车、轿车、坦克、雪地车等。踩在脚下成为动力滑板，穿在脚上成为动力鞋。可以取代核电站、火力发电站的燃气轮机和水力发电站的水轮机。在压缩气体或高压液体的驱动下，成为气动马达和液压马达，在原动机的拖动下，可成为真空泵、鼓风机、空压机、液压机、水泵、输油泵、变量泵，还能用作气压或液压传动的无级变速器，无极调速液压传动机床、机车等。若采用相反的工作循环则成为致冷机和空气加湿器等。用在航海上，可取代螺旋浆，作为汽艇，潜水艇和万吨远洋货轮的推进器。用在航空上可作为微型航模，直升飞机对旋双浆发动机，在中空转轴内安装强力涡轮螺浆风扇可替代结构复杂耗油巨大的喷气发动机，成为大推重比，高效、高速、轻型，长命航空发动机，用作垂直起落战斗机的升力风扇发动机，全气动气悬浮垂直起落战斗机和水陆空三栖飞车的推进器等。广泛应用于工农业生产，军事国防建设以及航空航海和陆路交通事业，具有广阔的发展前景。
权利要求
1.本发明提供一种腔内汽化增压全封闭热力循环，其特征是在进气阶段或压气阶段加入冷却剂和燃料，冷却剂吸热汽化(或凝华)后降温增压，以避免燃料被压燃，在压气阶段喷入燃料，不会影响充气量，作功阶段在工作腔内可喷入燃料或助燃剂，同时喷入冷却剂(最好是临界状态温度)，冷却剂汽化(或升华)变成蒸汽增大压强，充分膨胀后冷却剂蒸汽液化(或凝华)放热，热量被冷却腔内的冷却剂吸收循环利用，冷却剂冷凝后排出或回收循环使用，构成全封闭热力循环，冷却剂为易汽化或升华的有机或无机化合物或单质及其混合物(如碘、干冰、氨、水、乙醚、乙醇等)，最好是燃料兼作冷却剂。
2.一种高效热力循环，其特征是低压缩比压缩，低温升加热，大膨胀比膨胀，定压换热或放热，压缩比最低时可省去压缩冲程，采用进气、作功，同时排气的三冲程循环，压缩比、膨胀比、进气冲程和作功冲程的长度比可调。
3.一种定轴轮系的铰切球环旋转发动机，其特征是至少两个互闭啮合的动力齿轮在至少两个球环的气缸内互成任意交角同步旋转，在工作质或原动机的驱动下，成为各种发动机。
4.一种铰接四杆机构的铰切球环旋转发动机，其特征是至少两个圆环相内切，圆环上开设圆柱槽或圆柱铰，由至少一个带有至少二个圆柱铰或圆柱槽的连板铰接，每两个内切圆环之间安装多个铰接连板时，连板为多个连板互相铰接的多杆机构，还可以是圆柱铰或圆柱槽之间带有直槽和平板的可变长度的铰接连板，圆环绕自身轴线同向旋转或圆环在另外固定的圆环上滚动爬行，在工作质或原动机的驱动下，成为各种发动机。
5.一种双曲柄机构的铰切球环旋转发动机，其特征是至少两个圆环相内切，圆环上固接或铰接至少一个平直的连板或带有圆柱铰的连板，圆柱铰外还可以铰接带有圆柱槽的滑块，另外圆环开设至少一个直槽或带有圆柱槽的直槽，圆柱槽内安装带有直槽的圆柱铰，圆柱铰直槽贯通时圆柱铰分成两个半月形圆块，连板和直槽为至少两个时可以安装能沿圆环上导轨周向滑动的导向板，连板伸进直槽内，连接内切圆环绕自身轴线同向旋转，在工作质或原动机的驱动下，成为各种发动机。
6.根据权利要求3，4，5所述的铰切球环旋转发动机，其特征是半径任意的同心球面(包括平面，相当于半径为无穷大的部分球面)与动力齿顶面旋转划过的环形回转面围成球环形气缸，至少两个球环的气缸在同心球面层央层空间内互成0°～360°之间任何角度联成开链式或围成闭环式，至少两个球面圆环在同心球面夹层空间内轴线互成0～180°交角相内切，至少两个动力齿轮在至少两个球环的气缸内互成0°～360°之间任何交角啮合传动，动力齿轮可以同时内啮合或外啮合多个动力齿轮，多个动力齿轮相互啮合可联成开链式或围成闭环式，其内外或上下公切面可套盖0°～360°之间任何锥度的共轭齿轮。
7.根据权利要求3至6所述的铰切球环旋转发动机，其特征是a.动力齿轮(2)为0°～360°之间任意锥度的内外齿轮，动力齿轮轮面布满任意齿数的密封齿(5)，密封齿数为零时，成为光滑轮面的动力辊轮，此时须外接同步齿轮，动力齿轮包括动力辊轮，其轮面为能够互相封闭的共轭曲面(如椭圆、圆椎、圆柱等)，动力齿轮(2)上有至少一个动力齿(4)和至少一个让齿槽(11)，动力齿和让齿槽的齿廊曲线为渐开线、摆线或双圆孤共轭曲线;b.动力齿轮的动力齿(4)内开设带有圆柱槽的通槽，槽内安装气封铰(3)，构成铰接，气封铰(3)中部为圆柱体，顶部为弧面平台，在平台旁边伸出至少一个平舌(8)，气封铰底部联接摩擦片(10)或安装弹簧，气封铰横截成两段，截面处包绕弥封片，截面之间安装弹簧;c.动力齿轮及动力齿的两个端面开设密封槽，密封槽内安装气封条(49)和密封环(57)，气封条(49)底部和侧面安装波形弹簧，密封环(57)截面为“U”字形，气封条和密封环中间交错开槽成蛇形段或对接矩形齿，下面垫有弥封片;并在动力齿轮内部开设透气孔(51)，从密封槽通往动力齿轮轮面;d.动力齿轮的轮面伸出连板(43)，连板末端设置圆柱铰，圆柱铰外铰接带有圆柱槽的双弧面动力齿，构成铰接齿;e.动力齿轮的轮缘开设圆柱槽，圆柱槽铰接带有圆柱铰的连板(47)，下面安装弹簧。
8.根据权利要求3至6所述的铰切球环旋转发动机的配气机构，其特征是a.发动机的两侧端盖和内外圆周上开设圆弧形分气槽(14)，分气槽内壁开设至少一个进气口(21)，分气槽内安装至少一个隔气瓦(15)，隔气瓦内设有通气口，喷咀，电热塞或火花塞，隔气瓦(15)在分气槽(14)内可以移动，分气槽(14)周围安装着密封圈(22)，密封圈底部安装弹簧并开设通孔引入气体或液体，密封圈上对应于动力齿轮啮合处开设润油孔(26)，或在啮合处开槽安装密封块(54)，密封块上开设润油孔(55)，分别与动力齿轮的高压啮合区和低压啮合区相通;b.发动机的两侧端盖安装转盘(44)，转盘上开设通气口，喷咀，电热塞或火花塞，圆环(61、62)上开设通气口(69)，转盘和圆环旋转时控制两侧端盖和内外圆周的配气口定时开闭。
9.根据权利要求3至6所述的铰切球环旋转发动机，其特征是发动机的端盖可以压进缸体内，端盖表面加垫密封盖(24)，密封盖上开设圆形透气孔(25)，透气孔(25)内安装密封柱，端盖和密封盖的形状与缸体型面相吻合，能够沿轴向移动，由发条螺栓控制锁紧。
10.根据权利要求3至6所述的铰切球环旋转发动机，其特征是缸体(1)内部设置轴流式或环流式冷却腔和集热腔(31)，冷却腔内安装导热管(38)，集热腔连接弹簧螺钉(33)结构的单向阀，缸体内壁安装优弧形缸瓦(13)，缸瓦紧贴缸壁移动，控制缸体内的排气口(6)对换开闭。
11.轴类零件及其支承座上安装偏心套筒，偏心套筒是内外圆不同心的套筒，偏心套筒套装在一起相对转动时，整个套筒的内圆圆心和外圆圆心之间的距离发生无极连续改变，用来调整轴、环、圈、套、筒等轴类零件回转中心之间的距离。
全文摘要
本发明提供一种采用定轴轮系、铰接四杆机构和双曲柄机构的铰切球环旋转发动机，用燃料兼作冷却剂开辟了崭新的腔内汽化增压全封闭热力循环，以低压缩比，大膨胀比、高工作压力和较低的工作温度获得接近理想值的热效率，能用进气、作功/排气的三冲程和二、四冲程循环方式工作，压缩比、膨胀比、进气冲程和作功冲程的长度比可调，实现了功率与效率的多极无极调控，兼具各类发动机的优良工作性能，可成为强力、高效、高速、轻型、长命发动机，有着广阔的应用前景。
文档编号F02B53/00GK1090375SQ9311582
公开日1994年8月3日 申请日期1993年9月27日 优先权日1992年9月29日
发明者刘忠臣 申请人:刘忠臣