專利名稱：軌道式自由活塞變?nèi)菪D(zhuǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種活塞式內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)，特別涉及一種活塞變化規(guī)律由軌道控制的旋轉(zhuǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)。
現(xiàn)有的發(fā)動(dòng)機(jī)主要是往復(fù)活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)。這種發(fā)動(dòng)機(jī)的工作過程，無論是汽油機(jī)或是柴油機(jī)，都是由進(jìn)氣、壓縮、點(diǎn)火(或噴油后燃燒)和膨脹、排氣這四個(gè)沖程所組成的。在完成一個(gè)工作沖程時(shí)，活塞作往復(fù)運(yùn)動(dòng)，一個(gè)工作循環(huán)可以在活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)二次(四沖程)中完成，也可以在活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)一次(二沖程)中完成?，F(xiàn)有的發(fā)動(dòng)機(jī)，按燃料分有汽油機(jī)和柴油機(jī)；按工作過程分有四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)和二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)；按傳動(dòng)方式分有往復(fù)式發(fā)動(dòng)機(jī)和旋轉(zhuǎn)式發(fā)動(dòng)機(jī)。目前，在汽車和其它動(dòng)力機(jī)械上，四沖程往復(fù)活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)仍然是較常用的。由于四沖程往復(fù)活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)具有熱效率高、工作可靠、使用壽命長的優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通運(yùn)輸業(yè)上得到了廣泛的應(yīng)用。但是，往復(fù)式發(fā)動(dòng)機(jī)的基本結(jié)構(gòu)方案存著一定的缺陷。因?yàn)橥鶑?fù)式發(fā)動(dòng)機(jī)是利用曲柄連桿機(jī)構(gòu)將活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)榍S的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，并具有許多往復(fù)運(yùn)動(dòng)部分，如活塞、氣門機(jī)構(gòu)等，進(jìn)一步提高發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速會引起這些往復(fù)運(yùn)動(dòng)部件的慣性力增大，加大了曲軸軸承等機(jī)件上的負(fù)荷，以及影響氣門機(jī)構(gòu)的正常工作。由于往復(fù)式發(fā)動(dòng)機(jī)存在著以上缺陷，往復(fù)式發(fā)動(dòng)機(jī)整體性能進(jìn)一步的提高受到了限制。至于旋轉(zhuǎn)式發(fā)動(dòng)機(jī)，雖然有體積小、重量輕、工作平穩(wěn)等優(yōu)點(diǎn)，但旋轉(zhuǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的密封和潤滑不易解決，同時(shí)，存在著熱效率低、壽命短、工作不可靠的缺點(diǎn)，迄今為止，還沒有一種旋轉(zhuǎn)式發(fā)動(dòng)機(jī)得到大批量的推廣使用。
提高發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率是提高發(fā)動(dòng)機(jī)性能的目標(biāo)之一。提高有效效率的方法是增大壓縮比、改善工作過程、減少機(jī)械損失等。目前往復(fù)式發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮比已相當(dāng)高，再提高壓縮比則熱效率提高不多，卻會使機(jī)械損失增大；改善工作過程由于受到現(xiàn)有發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)的限制，因而可調(diào)整的范圍不大；而減小機(jī)械損失只有靠提高加工精度或采用特殊材料等措施，這樣會造成成本昂貴。因此，要有效地提高發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率，必須對發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作過程作根本的改變。
現(xiàn)有發(fā)動(dòng)機(jī)的理論工作循環(huán)為定容加熱循環(huán)(汽油機(jī))，定壓加熱循環(huán)(低速柴油機(jī))；混合加熱循環(huán)(高速柴油機(jī))。在壓縮比相同的條件下，定容加熱循環(huán)具有最高的熱效率。但實(shí)際上發(fā)動(dòng)機(jī)容積變化規(guī)律是由曲柄連桿控制的，發(fā)動(dòng)機(jī)在高速運(yùn)轉(zhuǎn)，氣缸容積也隨時(shí)在變化。因此，發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際工作循環(huán)和理論工作循環(huán)有很大的差別。要縮小發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際熱效率與理論熱效率的差距，最有效的方法是提供一種發(fā)動(dòng)容積變化規(guī)律與實(shí)際需要相吻合的一種機(jī)構(gòu)，使發(fā)動(dòng)機(jī)在加熱時(shí)容積保持不變，讓燃料的化學(xué)能在容積不變的條件下釋放出來。同時(shí)，增大膨脹比讓工質(zhì)得到充分地膨脹。
本發(fā)明的目的是提供一種活塞變化規(guī)律由軌道控制的旋轉(zhuǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)，它通過軌道工作面改變氣缸容積變化的規(guī)律，使發(fā)動(dòng)機(jī)理論的定容加熱過程成為可能。同時(shí)，可保證工質(zhì)在工作時(shí)得到充分地膨脹，實(shí)現(xiàn)提高熱效率的目的。
本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的一種軌道式自由活塞變?nèi)菪D(zhuǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)，包括一機(jī)體；一安裝在所述機(jī)體的中心軸承上的主軸。其中，所述發(fā)動(dòng)機(jī)還包括一軌道構(gòu)件，該構(gòu)件安裝在所述機(jī)體內(nèi)，它具有一根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際工作特點(diǎn)設(shè)計(jì)的橢圓形軌道工作面，所述工作面是由兩個(gè)上死區(qū)、兩個(gè)下死區(qū)、一個(gè)進(jìn)氣變?nèi)輩^(qū)、一個(gè)壓縮變?nèi)輩^(qū)、一個(gè)膨脹變?nèi)輩^(qū)、一個(gè)排氣變?nèi)輩^(qū)組成，所述軌道工作面設(shè)計(jì)成活塞在上死區(qū)和下死區(qū)與氣缸保持相對的靜止，而活塞在排氣變?nèi)輩^(qū)的行程大于其在進(jìn)氣變?nèi)輩^(qū)的行程，活塞在膨脹變?nèi)輩^(qū)的行程大于其在壓縮變?nèi)輩^(qū)的行程；一轉(zhuǎn)子，它連接于所述主軸并在所述軌道構(gòu)件的范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)；若干個(gè)氣缸，它們沿轉(zhuǎn)子的徑向均勻分布，并具有作為發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室和進(jìn)排氣口的氣缸口；若干個(gè)活塞，它們安裝在所述氣缸內(nèi)，其數(shù)量與氣缸相同，活塞的頂端有一燃燒室，其另一端通過一活塞銷將滾子連接于活塞，在活塞的圓周上設(shè)有密封件以使活塞與氣缸密封；一氣缸蓋，它安裝在所述轉(zhuǎn)子的中心孔內(nèi)，并與轉(zhuǎn)子相互密封，在氣缸蓋上設(shè)有進(jìn)氣道、排氣道和點(diǎn)火裝置。
當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，轉(zhuǎn)子帶動(dòng)活塞作圓周運(yùn)動(dòng)，活塞在離心力的作用下沿軌道運(yùn)動(dòng)?；钊M(jìn)入自由進(jìn)氣區(qū)時(shí)，氣缸容積保持不變，只是氣缸口與進(jìn)氣道逐步打開，為進(jìn)氣作準(zhǔn)備。活塞進(jìn)入吸氣區(qū)時(shí)，氣缸口與進(jìn)氣道完全打開，氣缸容積逐漸擴(kuò)大，新鮮空氣被吸入氣缸內(nèi)；活塞進(jìn)入定容進(jìn)氣區(qū)時(shí)，氣缸容積保持不變，氣流在慣性力和離心力的作用下被泵入氣缸內(nèi)；活塞進(jìn)入壓縮區(qū)時(shí)，氣缸口被關(guān)閉，氣缸容積逐漸縮小，工質(zhì)被逐步壓縮；活塞進(jìn)入定容加熱區(qū)時(shí)，氣缸容積保持不變，點(diǎn)火裝置點(diǎn)火，燃料開始燃燒。在沒有容積變化的條件下，燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽箽飧變?nèi)的溫度、壓力升高，實(shí)現(xiàn)定容加熱。氣缸內(nèi)的溫度和壓力達(dá)到最高時(shí)，活塞進(jìn)入膨脹區(qū)，氣缸內(nèi)的高溫高壓氣體驅(qū)動(dòng)活塞沿軌道圓周旋轉(zhuǎn)，將高壓燃料氣體的勢能轉(zhuǎn)變成旋轉(zhuǎn)的機(jī)械能，實(shí)現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)換。活塞進(jìn)入定容排氣區(qū)時(shí)，氣缸容積保持不變，氣缸口與排氣道逐步打開，燃燒廢氣在沒有容積變化的條件下排出氣缸；氣缸內(nèi)壓力與大氣壓力接近時(shí)，活塞進(jìn)入強(qiáng)制排氣區(qū)，這時(shí)氣缸容積逐漸縮小，廢氣被活塞擠出氣缸；活塞進(jìn)入自由排氣區(qū)時(shí)，氣缸容積保持不變，部分殘留廢氣在慣性力的作用下被抽走，當(dāng)氣缸口與排氣道關(guān)閉時(shí)，整個(gè)工作過程完成。
從整個(gè)工作過程來看，本發(fā)明與現(xiàn)有發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際工作過程不同?，F(xiàn)有的發(fā)動(dòng)機(jī)，加熱過程是在容積不斷變化的條件下完成的，而本發(fā)明的加熱過程是在沒有容積變化的條件下實(shí)現(xiàn)的。本發(fā)明的膨脹容積大于壓縮容積，因而工質(zhì)可得到充分地膨脹，而現(xiàn)有的發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮容積和膨脹容積是相同的。同時(shí)，本發(fā)明的進(jìn)氣過程是由自由進(jìn)氣、吸氣、定容進(jìn)氣三個(gè)階段組成的；排氣是由定容排氣、強(qiáng)制排氣、自由排氣三個(gè)階段組成的，由于有了定容-變?nèi)?定容的實(shí)際過程，使進(jìn)排氣過程有充分的時(shí)間準(zhǔn)備。
以下將結(jié)合附圖對本發(fā)明的較佳實(shí)施例作進(jìn)一步詳細(xì)的描述。


圖1是根據(jù)本發(fā)明較佳實(shí)施例的發(fā)動(dòng)機(jī)的橫向剖面圖；圖2是沿圖1中Ⅰ-Ⅰ線的剖面圖；圖3是本發(fā)明的工作原理圖；圖4是本發(fā)明的容積變化與轉(zhuǎn)角的關(guān)系圖；圖5是本發(fā)明與現(xiàn)有發(fā)動(dòng)機(jī)容積變化與壓力關(guān)系的比較圖；圖6是本發(fā)明與現(xiàn)有發(fā)動(dòng)機(jī)的T-S比較圖；圖7是本發(fā)明的水冷布置圖；圖8是本發(fā)明的轉(zhuǎn)子潤滑圖。
下面結(jié)合附圖詳細(xì)說明本發(fā)明的較佳實(shí)施例的細(xì)節(jié)及工作情況。
根據(jù)本發(fā)明較佳實(shí)施例的發(fā)動(dòng)機(jī)具有一個(gè)根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際工作特點(diǎn)而設(shè)計(jì)的軌道構(gòu)件1，軌道構(gòu)件1包括由2個(gè)上死區(qū)、2個(gè)下死區(qū)和4個(gè)變?nèi)輩^(qū)構(gòu)成的一個(gè)近似橢圓形的工作面21，其特點(diǎn)是膨脹、排氣行程大于進(jìn)氣、壓縮行程。軌道構(gòu)件1控制著本發(fā)明容積變化的規(guī)律，起著曲柄連桿的作用。在軌道構(gòu)件1內(nèi)有一個(gè)轉(zhuǎn)子2，在轉(zhuǎn)子2的徑向均勻排列著若干個(gè)氣缸3、氣缸3的內(nèi)端為氣缸口4，氣缸口4構(gòu)成了發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒室和進(jìn)排氣出口。氣缸口4的直徑小于氣缸3的直徑，縮小的氣缸口4便于轉(zhuǎn)子2的密封和減少熱損失。氣缸3內(nèi)裝有與氣缸3數(shù)量相同的活塞5；在活塞5的頂端有一個(gè)半球形的燃燒坑6，在活塞5的圓周上有密封環(huán)7實(shí)現(xiàn)活塞5與氣缸3的密封?；钊?的另一端有一個(gè)活塞銷8將滾子9固定在活塞5上，活塞5在軌道構(gòu)件1的控制下，在軌道工作面21上運(yùn)動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)容積的變化。在轉(zhuǎn)子2的中心孔內(nèi)有一個(gè)氣缸蓋10，氣缸蓋10為一圓錐體，氣缸蓋10的錐面與轉(zhuǎn)子2的錐面相吻合，端蓋11通過彈簧12將氣缸蓋10壓合在轉(zhuǎn)子2的中心孔內(nèi)，保證氣缸蓋10與轉(zhuǎn)子2的密封。在氣缸蓋10上設(shè)有進(jìn)氣道13、排氣道14和點(diǎn)火裝置15，保證本發(fā)明工作時(shí)不斷地有新鮮空氣進(jìn)入和廢氣排出，同時(shí)能按時(shí)點(diǎn)火。轉(zhuǎn)子2裝在主軸16的法蘭22上，主軸16裝在機(jī)體17的中心軸承上。
下面結(jié)合圖3、圖4對本發(fā)明的工作原理作進(jìn)一步的說明。圖3為本發(fā)明的工作原理圖。圖4為本發(fā)明的容積變化與轉(zhuǎn)角關(guān)系圖。從圖4可以看出，本發(fā)明的轉(zhuǎn)角由0-1’時(shí)，容積Vc保持不變；1’-2’時(shí)，容積Vc增大至V1；2’-3’時(shí)，容積V1保持不變；3’-4’時(shí)，容積V1減小至Vc；由4’-5’時(shí)，容積Vc保持不變，由5’-6’時(shí)，容積Vc增大至V2；由6’-7’時(shí)，容積V2保持不變；由7’-8’時(shí)，容積V2減小至Vc；由8’-0時(shí)，容積Vc保持不變。0-1’為自由進(jìn)氣階段，1’-2’為吸氣階段，2’-3’為定容進(jìn)氣階段，3’-4’為壓縮過程，4’為點(diǎn)火，4’-5’為定容加熱過程，5’-6’為膨脹過程，6’-7’為定容排氣階段，7’-8’為強(qiáng)制排氣階段，8’-0為自由排氣階段。本發(fā)明工作時(shí)，轉(zhuǎn)子2帶動(dòng)活塞5作圓周運(yùn)動(dòng)，活塞5在離心力的作用下，沿軌道構(gòu)件1工作面運(yùn)動(dòng)。當(dāng)活塞5由0-1’時(shí)，氣缸容積Vc保持不變，氣缸口4與進(jìn)氣道13逐步打開，為進(jìn)氣作準(zhǔn)備；活塞5由1’-2’時(shí)，氣缸容積由Vc增大至V1，新鮮空氣或混合氣被吸入氣缸3內(nèi)；活塞5由2’-3’時(shí)，氣缸容積V1保持不變，氣流在慣性和離心力的作用下，繼續(xù)流入氣缸3內(nèi)；活塞5到3’時(shí)氣缸口4與進(jìn)氣道13關(guān)閉，由3’-4’時(shí)，氣缸容積由V1減小至Vc，氣缸3內(nèi)的工質(zhì)受到壓縮；活塞5到4’時(shí)，點(diǎn)火裝置15點(diǎn)火，由4’-5’時(shí)，氣缸容積Vc保持不變，燃料在沒有容積變化的條件下燃燒，將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，使工質(zhì)的溫度和壓力迅速提高，為做功膨脹作準(zhǔn)備；活塞5由5’-6’時(shí)，氣缸容積由Vc增大至V2，高溫高壓氣體驅(qū)動(dòng)活塞5沿軌道構(gòu)件1的工作面運(yùn)動(dòng)，壓力由活塞5傳給轉(zhuǎn)子2再由轉(zhuǎn)子2傳給主軸16，完成能量的轉(zhuǎn)換過程?；钊?由6’-7’，氣缸容積V2保持不變，氣缸口4與排氣道14逐步打開，燃燒膨脹后的廢氣經(jīng)排氣道14排出氣缸3，氣缸3內(nèi)的壓力迅速下降；活塞5由7’-8’時(shí)，氣缸容積由V2減小至Vc，廢氣被活塞5擠出氣缸3；活塞5由8’-0時(shí)，氣缸容積Vc保持不變，殘留在燃燒內(nèi)的廢氣在氣流慣性的作用下被抽出，同時(shí)，氣缸口4與排氣道功14逐步關(guān)閉；活塞5到達(dá)0時(shí)，整個(gè)工作過程完成。
本發(fā)明的實(shí)際工作過程是由自由進(jìn)氣、吸氣、定容進(jìn)氣、壓縮、點(diǎn)火、定容加熱、膨脹做功、定容排氣、強(qiáng)制排氣、自由排氣所組成的。與現(xiàn)有發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣、壓縮、點(diǎn)火、膨脹做功，排氣的工作過程有所不同。下面結(jié)合圖5對本發(fā)明與現(xiàn)有發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際工作過程進(jìn)行比較。從圖5中可以看出，本發(fā)明的進(jìn)氣過程由r至a1的實(shí)線表示，由于本發(fā)明沒有氣門機(jī)構(gòu)進(jìn)氣比暢順，時(shí)間比較充裕，故進(jìn)氣阻力較小，接近于大氣壓。而現(xiàn)有的發(fā)動(dòng)機(jī)則不同，由于受氣門機(jī)構(gòu)和容積變化規(guī)律的影響，進(jìn)氣阻力較大，進(jìn)氣過程是由r至a1的下側(cè)點(diǎn)劃線表示；本發(fā)明的壓縮是由a1至c，近乎一個(gè)絕熱的壓縮過程，而現(xiàn)有的發(fā)動(dòng)機(jī)則不同，當(dāng)壓縮至c’時(shí)，由于提前點(diǎn)火，改變了原來的壓縮線，增加壓縮耗功。本發(fā)明的加熱過程是在容積沒有變化的條件下完成的，由c至z；而現(xiàn)有的發(fā)動(dòng)機(jī)則由c’經(jīng)z1直到壓力最高點(diǎn)z’之后，整個(gè)加熱過程是在容積不斷變化中完成的，故增加了壓縮耗功，減少了膨脹有用功，如圖5中A、B所示部分。本發(fā)明的膨脹過程由z至b，定容排氣由b至a，由于本發(fā)明的膨脹容積V2大于壓縮容積V1故增加了b’b”aa1的有用功，而現(xiàn)有發(fā)動(dòng)機(jī)膨脹過程由z1經(jīng)z’至b’和b1，由于現(xiàn)有發(fā)動(dòng)機(jī)因工作需要膨脹至b’時(shí)排氣門打開，故造成了提前排氣損失，如圖5中C所示部分本發(fā)明經(jīng)定容排氣壓力由b降至a，與大氣壓力接近；同時(shí)由于排氣阻力小，故強(qiáng)制排氣由a至r，而現(xiàn)有發(fā)動(dòng)機(jī)則不同，膨脹終了時(shí)的壓力為b1，高于大氣壓力，排氣由b1至r，故造成了泵氣損失，如圖5中D所示部分。從以上比較可以看出現(xiàn)有的發(fā)動(dòng)機(jī)與本發(fā)明相比，多了壓縮耗功，提前排氣損失、泵氣損失、減少了膨脹有用功，同時(shí)，本發(fā)明有定容排氣、定容進(jìn)氣、自由排氣、自由進(jìn)氣過程，故進(jìn)排氣的時(shí)間比較充裕。
下面結(jié)合圖6對本發(fā)明與現(xiàn)有發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率進(jìn)行比較(圖中a等于a1)。從溫熵T-S圖可以看出，本發(fā)明的工作循環(huán)是aczb，現(xiàn)有發(fā)動(dòng)機(jī)的工作循環(huán)是ac’z1z’b’。本發(fā)明的壓縮過程由a至c是一個(gè)等熵的壓縮過程，而現(xiàn)有發(fā)動(dòng)機(jī)當(dāng)壓縮至c’時(shí)，由于提前點(diǎn)火，從c’開始，熵值增大改變了等熵壓縮。本發(fā)明的加熱是由c至z，由于本發(fā)明的加熱過程是在軌道的上死區(qū)內(nèi)進(jìn)行的，氣缸容積沒有變化，是一個(gè)完全的等容加熱過程，而現(xiàn)有發(fā)動(dòng)機(jī)的加熱過程是由c’經(jīng)z1至z’，加熱初期容積減小，增加了壓縮耗功，損失了cc’z1的熱量加熱后期容積增大、溫度和壓力增加緩慢，損失了z1zz’的熱量，即非瞬時(shí)加熱損失。本發(fā)明的膨脹過程是由z經(jīng)b’至b，由于本發(fā)明的膨脹容積大于壓縮容積，即膨脹比大于壓縮比，作功由z點(diǎn)膨脹到b’時(shí)還繼續(xù)膨脹至b點(diǎn)，多利用了b’ba的熱量，而現(xiàn)有的發(fā)動(dòng)機(jī)膨脹由z’開始到b’結(jié)束，損失了b’ba的熱量。
用公式來表示，現(xiàn)有發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率為η=1-1ϵK-1]]>式中η-熱效率ε-壓縮比k-絕熱指數(shù)而本發(fā)明的發(fā)動(dòng)機(jī)為η=1-1(ϵr)K-1]]>式中η-熱效率
ε-壓縮比k-絕熱指數(shù)r-變?nèi)荼萔2/V1從中可以看出，由于存在變?nèi)荼?，所以本發(fā)明發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率比以往大大提高。
本發(fā)明與現(xiàn)有發(fā)動(dòng)機(jī)相比有以下優(yōu)點(diǎn)。
一、充氣效率高。本發(fā)明的進(jìn)氣過程分為自由進(jìn)氣、吸氣、定容進(jìn)氣三個(gè)階段。在自由進(jìn)氣階段中，氣缸容積保持不變，只是氣缸口與進(jìn)氣道的面積增大，使氣流由進(jìn)氣道經(jīng)氣缸口的阻力減少，為進(jìn)氣作好充分的準(zhǔn)備。吸氣階段時(shí)，氣缸口與進(jìn)氣道完全打開，氣流可以很暢順地進(jìn)入氣缸內(nèi)。在吸氣完成后，氣缸還保持一段定容狀態(tài)，氣流在慣性力和離心力的作用下，繼續(xù)被泵入氣缸內(nèi)；由于氣缸本身就具備離心泵的功能，故本發(fā)明轉(zhuǎn)速越高，離心加速度越大、充氣效率也越高；而現(xiàn)有發(fā)動(dòng)機(jī)則不同，由于受容積變化規(guī)律和氣門阻力及配相位的影響，在一定的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)速越高充氣效率越低。
二、排氣暢順。本發(fā)明的排氣過程分為定容排氣、強(qiáng)制排氣、自由排氣三個(gè)階段。在定容排氣階段，氣缸容積保持不變，氣缸口與排氣道打開，氣缸內(nèi)的氣壓迅速降低，定容排氣終了時(shí)，氣缸內(nèi)的壓力與大氣壓接近，這樣減小了強(qiáng)制排氣時(shí)的背壓。強(qiáng)制排氣時(shí)，由于排氣阻力小，故泵氣損少；強(qiáng)制排氣結(jié)束后，還有一段自由排氣過程，氣缸內(nèi)的殘留廢氣在氣流慣性的作用下被抽出氣缸；而現(xiàn)有發(fā)動(dòng)機(jī)則不同，由于受容積變化規(guī)律和氣門結(jié)構(gòu)的影響，活塞沒有到下死點(diǎn)氣門就提前打開，故損失了一部分功；活塞到下死點(diǎn)后氣缸內(nèi)的壓力還沒有接近大氣壓，活塞就向上死點(diǎn)運(yùn)動(dòng)，這樣就增加了排氣背壓，使泵氣功耗增加；同時(shí)，受到結(jié)構(gòu)的限制、排氣阻力較大、氣缸內(nèi)殘留廢氣較多。
三、熱效率高。任何一種內(nèi)燃機(jī)在壓縮比相同的條件下，定容加熱過程的熱效率是最高的。本發(fā)明的加熱過程是在容積沒有變化的條件下完成的；而現(xiàn)有的發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸容積變化規(guī)律是由曲柄連桿控制的，曲柄不停地轉(zhuǎn)動(dòng)，氣缸容積也隨曲軸的轉(zhuǎn)動(dòng)不斷地變化，加熱過程也是在容積不斷改變的條件下完成的。故本發(fā)明容積變化的規(guī)律完全符合發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際工作的要求，同時(shí)，本發(fā)明沒有氣門機(jī)構(gòu)，給燃燒室的設(shè)計(jì)帶來方便，活塞頂半球形的燃燒坑與氣缸與氣缸口構(gòu)成一個(gè)半球形的燃燒室，半球形的燃燒室的散熱面積小，故本發(fā)明具有較高的熱效率。
四、機(jī)構(gòu)簡單、機(jī)械損失少。本發(fā)明的活塞運(yùn)動(dòng)的規(guī)律是由軌道控制的。因此，減少了曲柄連桿機(jī)構(gòu)；同時(shí)，本發(fā)明的配氣機(jī)構(gòu)是由氣缸口直接開閉進(jìn)排氣道來進(jìn)行，這種配氣方案結(jié)構(gòu)簡單，不需要正時(shí)齒輪、凸輪軸、搖臂、氣門等復(fù)雜的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，減小了機(jī)構(gòu)磨損，提高了機(jī)械效率。而且，經(jīng)過適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)，可以在整個(gè)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，保證比較正確的配氣正時(shí)。
五、運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、工作可靠。本發(fā)明的活塞是由軌道控制的，配氣機(jī)構(gòu)是氣缸口直接開閉進(jìn)排氣道進(jìn)行的。因此，消除了復(fù)雜的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)及往復(fù)件。雖然，活塞在氣缸內(nèi)作往復(fù)運(yùn)動(dòng)，但同時(shí)也由轉(zhuǎn)子帶動(dòng)作圓周運(yùn)動(dòng)，只要活塞數(shù)量大于等于2，并且每組活塞的質(zhì)量相等，就能滿足運(yùn)動(dòng)平衡的要求。同時(shí)，轉(zhuǎn)子和活塞具有一定的質(zhì)量，本身就具備飛輪的作用。由于本發(fā)明消除了曲軸連桿以及配氣機(jī)構(gòu)的往復(fù)件，因此，本發(fā)明的運(yùn)轉(zhuǎn)是平穩(wěn)的，沒有了往復(fù)件對機(jī)體造成的破壞，工作是可靠的。
六、適應(yīng)性強(qiáng)。本發(fā)明采用的圓柱形活塞與往復(fù)式發(fā)動(dòng)機(jī)的活塞相同，只要改變壓縮比就能適應(yīng)點(diǎn)燃式汽油機(jī)或壓燃式柴油機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的要求。而一般旋轉(zhuǎn)式發(fā)動(dòng)機(jī)，特別是三角活塞旋轉(zhuǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)，其壓縮比受到形狀系數(shù)的限制，只能適應(yīng)壓縮比較低的點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)，同時(shí)轉(zhuǎn)子的密封和潤滑不易解決，一般的旋轉(zhuǎn)式的發(fā)動(dòng)機(jī)多數(shù)是點(diǎn)燃式的發(fā)動(dòng)機(jī)。因此，本發(fā)明的結(jié)構(gòu)既可是點(diǎn)燃式汽油機(jī)也可是壓燃式的柴油機(jī)，具有較強(qiáng)的適應(yīng)性。
綜上所述，本發(fā)明具有充氣效率高、排氣損失少、熱效率高、機(jī)構(gòu)簡單、機(jī)械損失少、運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、工作可靠、適應(yīng)性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。
實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的最好方法是根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際工作的特點(diǎn)設(shè)計(jì)活塞運(yùn)動(dòng)的軌跡?；钊\(yùn)動(dòng)的軌跡確立了氣缸容積變化的規(guī)律，容積變化的規(guī)律直接影響本發(fā)明的性能。按本發(fā)明的工作的特點(diǎn)將軌道設(shè)計(jì)成一個(gè)具有兩個(gè)上死區(qū)、兩個(gè)下死區(qū)，四個(gè)變?nèi)輩^(qū)的橢圓形軌道。轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)一圈，活塞在氣缸內(nèi)往復(fù)運(yùn)動(dòng)兩次，完成一個(gè)工作循環(huán)?；钊谒绤^(qū)內(nèi)與氣缸是沒有相對位置變化的。因此，就有了定容加熱，定容進(jìn)排氣的實(shí)際過程。氣缸容積變化規(guī)律是由軌道控制的，每一個(gè)區(qū)域所占的圓周角度的多少將影響本發(fā)明的性能。如果死區(qū)所占的角度多，定容效果就明顯，但由上死區(qū)過渡到下死區(qū)所占的角度小，活塞的加速度大，活塞對軌道的沖擊就大。相反，死區(qū)所占的角度小，定容效果不明顯，但活塞加速度小、工作平穩(wěn)。因此，在設(shè)計(jì)軌道時(shí)既要考慮定容效果，也要考慮活塞的加速要平穩(wěn)。本發(fā)明工作時(shí)，軌道要承受氣缸內(nèi)氣體燃燒時(shí)產(chǎn)生的壓力，同時(shí)要際受活塞高速旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的離心力以及活塞改變運(yùn)動(dòng)方向時(shí)產(chǎn)生加速度的作用力。而且，滾子在軌道上滾動(dòng)，對軌道工作面就有一定的磨損，因此，軌道所選用的材料必須具有較高的抗壓、抗拉的能力，而且要耐磨損、變形小的特性。可選用墨鑄鐵、灰鑄鐵等材料。軌道表面是復(fù)雜的曲線構(gòu)成的橢圓形，但目前的數(shù)控機(jī)床加工任何復(fù)雜的曲面，如同加工平面一樣方便，因此，在現(xiàn)有的加工條件下加工軌道工作面沒有技術(shù)上的問題。
本發(fā)明還具有如下特征。
一、將氣缸的內(nèi)端縮小。如果氣缸口的直徑和氣缸直徑一樣大的話，那么氣缸口的密封將比較困難，因?yàn)槊芊饷娣e越大，密封越困難，同時(shí)氣缸口與活塞頂?shù)娜紵箻?gòu)成了發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒室，燃燒室的表面積越小，熱損失越小，對燃料的完全燃燒和抗爆震也有利，但氣缸口過小會增加進(jìn)排氣的阻力。氣缸口的直徑以氣缸直徑的0.2-0.4倍為宜。轉(zhuǎn)子可選用膨脹系數(shù)較小的球墨鑄鐵。在轉(zhuǎn)子上設(shè)有適當(dāng)?shù)睦鋮s水道，可以減小轉(zhuǎn)子的熱負(fù)荷。冷卻水道的布置如圖7所示，其中標(biāo)號23表示進(jìn)水口，標(biāo)號24表示出水口，箭頭表示水流路線。轉(zhuǎn)子以主軸為中心作圓周運(yùn)動(dòng)，其本身就具有離心泵的作用，只要出水口的圓周直徑大于進(jìn)水口的圓周直徑，就能實(shí)現(xiàn)冷卻水的循環(huán)。
二、將轉(zhuǎn)子的內(nèi)孔加工成錐孔。轉(zhuǎn)子的密封是轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)工作是否可靠的關(guān)鍵。以上技術(shù)措施提到了將氣缸內(nèi)端縮小，這樣減小了轉(zhuǎn)子密封的面積。如果轉(zhuǎn)子內(nèi)孔是圓柱形的，那么轉(zhuǎn)子與氣缸蓋的間隙就無法消除，氣體的密封將很難保證。將轉(zhuǎn)子內(nèi)孔加工成圓錐形，同時(shí)將氣缸蓋也加工成圓錐體，并使轉(zhuǎn)子的錐孔與氣缸蓋的圓錐體相吻合，氣缸蓋上的彈簧將氣缸緊緊地壓合在轉(zhuǎn)子的錐孔內(nèi)，這樣就可以完全消除轉(zhuǎn)子與氣缸蓋之間的間隙。轉(zhuǎn)子的錐孔與氣缸蓋的錐面初加工完成后，采用研磨工藝研磨，形成連續(xù)不斷的密封面，研磨后可將表面鍍一層硬質(zhì)材料，例如鉻，以增加密封面的耐磨性，提高密封件的使用壽命。通過以上技術(shù)措施可以解決轉(zhuǎn)子與氣缸蓋的密封。
三、使?jié)L子更為合理。本發(fā)明的活塞是由軌道控制的，非工作時(shí)，活塞在氣缸內(nèi)處于自由狀態(tài)，只有當(dāng)工作時(shí)，活塞隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的離心力大于活塞與氣缸之間的摩擦阻力時(shí)，滾子材能沿軌道工作面滾動(dòng)。因此，本發(fā)明在低速時(shí)，特別是起動(dòng)時(shí)，由于活塞與氣缸的摩擦阻力大于活塞的離心力，活塞就會出現(xiàn)失控現(xiàn)象，這種失控現(xiàn)象對本發(fā)明的低速運(yùn)轉(zhuǎn)和起動(dòng)不利。將滾子磁化(即，使其成為永磁體)可以使?jié)L子始終吸附在軌道上，從而解決活塞失控的問題。另外，滾子的內(nèi)部可由彈性材料制成，以使?jié)L子與軌道的接觸得以緩沖。
四、在氣缸蓋上開設(shè)油槽。一般的轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)，特別是三角活塞旋轉(zhuǎn)式發(fā)動(dòng)機(jī)，由于密封片與氣缸是線接觸，很難在氣缸與密封片滑動(dòng)面上形成油膜。因此，只能采用在燃料中摻入機(jī)油的方法予以潤滑。而本發(fā)明則不同，轉(zhuǎn)子與氣缸蓋之間有良好的接觸面，良好的接觸面有利用油膜的形式。實(shí)際轉(zhuǎn)子與氣缸蓋密封面潤滑的方法是在氣缸蓋進(jìn)氣道與排氣道的圓錐面上開設(shè)一條油槽。油槽的布置如圖7所示，圖中標(biāo)號18表示供油孔，標(biāo)號19表示滲透油孔，標(biāo)號20表示油槽，箭頭為轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向。本發(fā)明工作時(shí)，機(jī)油由供油孔18通過滲油孔19滲到油槽20的表面。當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)子將油槽上的機(jī)油帶到整個(gè)密封面上，使轉(zhuǎn)子與氣缸蓋的密封面得到機(jī)油潤滑，從而解決轉(zhuǎn)子與氣缸蓋密封表面的潤滑。
五、用陶瓷材料來制造活塞的頭部。這樣可以改善活塞頭的絕熱效果，進(jìn)一步提高發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率。
應(yīng)該理解，以上對本發(fā)明較佳實(shí)施例的描述僅僅是為了說明而不是對本發(fā)明有所限制，所以本發(fā)明的保護(hù)范圍僅由所附權(quán)利要求書限定。
權(quán)利要求
1.一種軌道式自由活塞變?nèi)菪D(zhuǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)，包括一機(jī)體(17)；一安裝在所述機(jī)體(17)的中心軸承上的主軸(16)，其特征在于，它還包括一軌道構(gòu)件(1)，該構(gòu)件安裝在所述機(jī)體(17)內(nèi)，它具有一根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際工作特點(diǎn)設(shè)計(jì)的橢圓形軌道工作面，所述工作面是由兩個(gè)上死區(qū)(0-1’和8’-0；4’-5’)、兩個(gè)下死區(qū)(2’-3’；6’-7’)、一個(gè)進(jìn)氣變?nèi)輩^(qū)(1’-2’)、一個(gè)壓縮變?nèi)輩^(qū)(3’-4’)、一個(gè)膨脹變?nèi)輩^(qū)(5’-6’)、一個(gè)排氣變?nèi)輩^(qū)(7’-8’)組成，所述軌道工作面設(shè)計(jì)成活塞(5)在上死區(qū)(0-1’和8’-0；4’-5’)和下死區(qū)(2’-3’；6’-7’)與氣缸(3)保持相對的靜止，而活塞在排氣變?nèi)輩^(qū)(7’-8’)的行程大于其在進(jìn)氣變?nèi)輩^(qū)(1’-2’)的行程，活塞在膨脹變?nèi)輩^(qū)(5’-6’)的行程大于其在壓縮變?nèi)輩^(qū)(3’-4’)的行程；一轉(zhuǎn)子(2)，它連接于所述主軸(17)并在所述軌道構(gòu)件(1)的范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)；若干個(gè)氣缸(3)，它們沿轉(zhuǎn)子(2)的徑向均勻分布，并具有作為發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室和進(jìn)排氣口的氣缸口(4)；若干個(gè)活塞(5)，它們安裝在所述氣缸(3)內(nèi)，其數(shù)量與氣缸相同，活塞的頂端有一燃燒室(6)，其另一端通過一活塞銷(8)將滾子(9)連接于活塞，在活塞(5)的圓周上設(shè)有密封件(7)以使活塞(5)與氣缸(3)密封；一氣缸蓋(10)，它安裝在所述轉(zhuǎn)子(2)的中心孔內(nèi)，并與轉(zhuǎn)子(2)相互密封，在氣缸蓋(10)上設(shè)有進(jìn)氣道(13)、排氣道(14)和點(diǎn)火裝置(15)。
2．如權(quán)利要求1所述的發(fā)動(dòng)機(jī)，其特征在于，所述氣缸蓋(10)是圓錐形的，所述轉(zhuǎn)子(2)的中心孔相應(yīng)也是錐形的，它們相互吻合以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子(2)與氣缸(10)的密封。
3．如權(quán)利要求1所述的發(fā)動(dòng)機(jī)，其特征在于，一端蓋(11)通過彈簧(12)將氣缸蓋(10)壓合在轉(zhuǎn)子(2)的中心孔內(nèi)。
4．如權(quán)利要求1所述的發(fā)動(dòng)機(jī)，其特征在于，所述氣缸口(4)的直徑小于氣缸的直徑。
5．如權(quán)利要求4所述的發(fā)動(dòng)機(jī)，其特征在于，所述氣缸口(4)的直徑是氣缸直徑的0.2-0.4倍。
6．如權(quán)利要求1所述的發(fā)動(dòng)機(jī)，其特征在于，所述氣缸蓋(10)和轉(zhuǎn)子(2)的中心孔的接觸面上可以鍍有硬質(zhì)材料。
7．如權(quán)利要求1所述的發(fā)動(dòng)機(jī)，其特征在于，在所述氣缸蓋(10)上設(shè)有潤滑裝置(18、19、20)。
8．如權(quán)利要求1訴述的發(fā)動(dòng)機(jī)，其特征在于，在所述轉(zhuǎn)子(2)和氣缸蓋(10)上設(shè)有冷卻水道(23,24)。
9．如權(quán)利要求1所述的發(fā)動(dòng)機(jī)，其特征在于，所述滾子(9)被磁化。
10．如權(quán)利要求1所述的發(fā)動(dòng)機(jī)，其特征在于，所述滾子(9)的內(nèi)部是由彈性材料制成。
11．如權(quán)利要求1所述的發(fā)動(dòng)機(jī)，其特征在于，所述活塞(5)頂端的燃燒室(6)是半球形的。
12．如權(quán)利要求1所述的發(fā)動(dòng)機(jī)，其特征在于，所述活塞(5)的頭部是由陶瓷材料制成。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種軌道式自由活塞變?nèi)菪D(zhuǎn)發(fā)動(dòng)機(jī),包括一軌道構(gòu)件,它具有一根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際工作特點(diǎn)而設(shè)計(jì)的橢圓形軌道工作面,分成兩個(gè)上死區(qū)、兩個(gè)下死區(qū)和四個(gè)變?nèi)輩^(qū),活塞在死區(qū)內(nèi)與氣缸保持相對靜止,并且活塞的膨脹行程大于壓縮行程,排氣行程大于進(jìn)氣行程。軌道內(nèi)有一個(gè)轉(zhuǎn)子;轉(zhuǎn)子上排列著若干個(gè)氣缸;氣缸內(nèi)裝有與氣缸數(shù)目相同的活塞,活塞的頂端有一個(gè)燃燒室,另一端由活塞銷與滾子聯(lián)接。轉(zhuǎn)子的中心孔內(nèi)密封地設(shè)置了一氣缸蓋。
文檔編號F02B53/02GK1211679SQ9812195
公開日1999年3月24日 申請日期1998年10月15日 優(yōu)先權(quán)日1998年10月15日
發(fā)明者喻仲華 申請人:喻仲華