进动转子发动机 一技术领域
本发明涉及一种进动转子发动机， 尤其涉及一种由圆盘形状的转子安装在定子 内， 实现进动旋转的大功率发动机。 二背景技术
目前现有发动机中， 技术较成熟的主要为车用的往复活塞式发动机及汪克尔型三 角转子发动机。其中往复式发动机有几种问题是避免不了的。1、 往复式运动使发动机的极 限转速较低。 2、 往复式发动机设置有换气阀门机构， 该机构不但增加了整机体积， 还增加了 整机重量。3、 采用曲轴与连杆进行动力传输， 活塞在接近上止点与下止点时气体膨胀力对 曲轴的有效力臂很小， 汽缸内的膨胀力不能得到充分的发挥， 能量转化率较低。 4、 整机功率 重量比太小， 不适合应用在航空方向。
另一类是近几年发展起来的汪克尔型三角转子发动机， 该发动机功率大， 转速高， 但其也有很多问题是不可能解决的。1、 三角转子的偏心转动会产生很大的震动。2、 三角转 子与汽缸壁间构成的汽缸形状是狭长的， 使燃料燃烧不充分。 3、 发动机在工作时， 汽缸内气 体膨胀后的压力被分解， 有效扭矩很小， 使该发动机能量转化效率较往复式发动机低， 耗油 较高， 只有高速赛车或飞机使用， 不适合民用化。 三发明内容
为了制造出一种成本低廉， 部件极少， 功率重量比超大的发动机。 本发明抛弃传动 设计方案， 采用全新的设计理念。本发明的设计思路为， 采用转子与定子组合形式， 且转子 是无偏心转动， 在转动中还要实现转子与定子间构成的汽缸的容积变化。 容积不但要变化， 还要保证在转子转动 360 度中， 每个独立汽缸的容积要变大与变小两次。
根据以上设计要求， 本发明采用陀螺进动原理进行设计， 其陀螺进动的原理为 ： 一 个自转的物体受外力作用导致其自转轴绕某一中心旋转， 这种现象称为进动。进动是自转 物体之自转轴又绕著另一轴旋转的现象， 又可称作旋进。 在本发明中， 转子被设计成一个圆 盘状， 可视它为一个陀螺， 圆盘的圆周展开图设置成三次震动的简谐波状或三个连接的余 弦曲线状。定子内腔的顶面也不是平面的， 而是一个 “V” 形的面。当转子安装在定子内部 时， 转子与定子间封闭出 6 个独立的空间， 即 6 个汽缸。在工作时， 转子在定子内转动的同 时， 转轴绕经过中心点的垂直线进动， 且转动与进动比为 1 ∶ 3。 即当转子转动 360 度时， 进 动 1080 度， 自此， 转子与定子间构成的 6 个汽缸容积实现变大与变小两次， 从而实现上述要 求。
动力的传输是在转子中心设置一个带有空洞的球体， 在球体内设置有输出轴的万 向器， 此时转子即转动也进动， 但输出轴仅转动。输出轴转动与转子转动同步。密封是在转 子中心的球体外设置有上下两个密封环， 在转子圆周外也设置密封环， 另外在定子 “V” 形面 的顶边位置设置密封条， 从而使整机密封良好。本发明的定子圆周的一侧设置有进气口与 排气口， 在定子圆周的另一侧设置有火花塞来进行点火， 从而实现一个小体积， 大功率的 6缸发动机。
本发明显著的有益效果是。
1. 整机仅用 3 大部件构成， 即一个定子， 一个转子， 一个输出轴， 运动部件仅有 2 个， 无曲轴， 无齿轮， 无气门等机构使其加工与安装容易， 成本较低。
2. 转子在定子内部做无偏心的转动及进动， 其转动是连续的， 使整机震动很小， 极 限转速很高。
3. 发动机的换气系统是在定子上设计气口即可， 整机采用自然吸气与排气式， 无 气体阀门机构。
4. 本发明中圆盘转子上下两个面分别间隔出 3 个独立空间， 使本发明为一个小型 6 缸发动机， 其功率重量比超大， 较适合航空方向。
5. 本发明输出轴扭矩由转子圆周曲线的曲率决定， 且在整个做功行程， 其输出扭 矩不同于现有的往复式与三角转子式发动机扭矩曲线。本发明中汽缸在膨胀冲程， 其力臂 是一样的。 使本发明在膨胀开始阶段， 能量的利用率很高， 使本发明在传统发动机的基础上 将性能进行了较大的提高。
6. 输出轴旋转一周过程中， 旋转每间隔 30 度， 两个汽缸间重叠做功， 又因为汽缸 膨胀时力臂是一样的， 所以本发明扭矩曲线在 1 与 2 之间变化， 而非传统的发动机在 0 与 1 之间变化， 本发动机的能量转化效率较比传统发动机高很多。 7. 本发明压缩比高， 可使用压燃动力。因其构件较少， 无齿轮， 无曲轴， 结构坚固， 所以可以承受爆震威力， 从而可改为爆震能量的发动机。
8. 本发明使用圆盘式转子构件， 使其密封较容易， 且摩擦力较小， 能量损耗少。
9. 定子组成简单， 所以本发明冷却容易， 可直接在定子构件上设置水道或散热片， 来构成水冷或风冷散热。
四附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图 1 本发明外观示意图
图 2 本发明剖面示意图
图 3 转子总成正视图与侧视图
图 4 转子总成透视图
图 5 输出轴分解示意图
图 6 圆盘转子分解示意图
图 7 定子壳体示意图
图 8 壳体点火系与换气系示意图
图 9 定子与转子密封示意图
图 10 定子与转子圆周展开示意图
图 11 本发明陀螺进动原理图
图 12 本发明进动与转动比
图 13 本发明转子转动原理图
图 14 本发明做功原理图图 15 本发明做功原理表
图 16 本发明扭矩曲线图
图中 1. 输出轴 2. 圆盘转子 2a. 上转子构件 2b. 下转子构件 3. 定子壳体 4. 火 花塞 5. 壳体螺栓 6. 万向器构件 7. 万向器销 8. 万向器通道 9. 输出轴销孔 10. 万向器销 孔 11. 转子螺栓 12. 转子螺栓孔 13. 球形件 14. 空洞 15. 万向器轴孔 16. 转子圆周密封 槽 17. 壳体螺栓孔 18. 壳体输出轴孔 19. 火花塞孔 20. 壳体密封条 21. 进气口 22. 排气口 23. 壳体内腔顶面 24. 球形凹坑 25. 壳体密封槽 26. 球形件密封槽 27. 球形件密封环 28. 转 子圆周密封环 29. 圆盘转子中轴线 30. 经过转子中心点的垂直线 五具体实施方式
1. 进动转子发动机的各种部件
如图 1 所示为发动机外观示意图， 从图中可以了解到本发明的发动机形状是一个 圆柱状， 输出轴 (1) 从圆柱的上下两个顶面中心点位置探出， 用于连接负载设备。发动机的 定子是由上下两个壳体构件 (3) 对置拼合组成， 由一圈多个壳体螺栓 (5) 固定。在圆柱上 下两个顶面上， 位于顶面一侧的边缘位置安装有上下两个火花塞 (4)， 另一侧由上下壳体拼 合成发动机的进气口 (21) 与排气口 (22)。
如图 2 所示为本发明的剖面示意图， 图中标示了本发明的几大重要构件， 观察示 意图可以了解， 在发动机内部， 将输出轴 (1) 插入到圆盘转子 (2) 内， 圆盘转子 (2) 的形 状很特别， 其中心是一个球体， 用于密封及传递动力， 转子圆周展开后是三次连续的简谐波 状。由输出轴 (1) 与圆盘转子 (2) 共同组成的转子总成， 安装在由上下壳体 (3) 组成的定 子内。该上下壳体组成的定子， 其内腔顶面是非平面的， 而是一个 “V” 形面。其作用是使转 子安装在定子内时可以间隔出 6 个独立的空间， 并使转子可以在定子内以 1 ∶ 3 的转动与 进动比进行旋转。 因为转子在转动的同时还要进动， 转子的圆周运转轨迹是球面， 由上下壳 体拼合成的定子内腔的圆周面也是球面。由壳体螺栓 (5) 将整机进行固定， 由位于壳体上 下两个顶面的火花塞 (4) 进行点火。
如图 3、 4 所示为本发明的转子总成的正交视图与透视图， 图 3 中位于左侧的是圆 盘转子的正视图， 位于右侧的是圆盘转子的侧视图， 输出轴 (1) 穿过圆盘转子， 位于转子中 心轴线处。圆盘转子由上转子构件 (2a) 与下转子构件 (2b) 组合而成。由图 3 右侧的侧视 图可了解， 在设计转子时， 需要注意的是在圆盘转子的上下两个面上， 位于同侧面的最高点 与最低点可连成一条经过面中心点的直线， 其直线上的点都在面上。另外圆盘转子厚度始 终一致， 使圆盘上下两个面中， 每经过面中心点连成的直线， 上下两条直线是两条平行线。 图 4 中可以清楚的了解到输出轴 (1) 穿过位于圆盘转子中心的空洞 (14)。 其空洞的作用是 在其内部设置输出轴的万向器， 使转子旋转的扭力通过万向器传递给输出轴。万向器上的 轴由上下转子构件 (2a)(2b) 进行固定， 在每个构件上设置有 3 个转子螺栓 (11) 将两个转 子构件对置牢牢固定， 由以上构件构成了本发明的转子总成。
如图 5 所示为输出轴的分解示意图， 图中可看到在输出轴 (1) 中心部位设置有万 向器通道 (8)， 其内部放置输出轴的万向器构件 (6)， 在输出轴上还设置有输出轴销孔 (9)， 在万向器构件 (6) 上设置有万向器销孔 (10)， 安装时将万向器销 (7) 穿过输出轴上的销孔 (9) 再穿过万向器构件的销孔 (10) 将万向器构件 (7) 固定在输出轴上。如图 6 所示为本发动机的圆盘转子分解示意图， 在图中圆盘转子由上转子构件 (2a) 与下转子构件 (2b) 对置拼合而成。由多个转子螺栓 (11) 插入转子螺栓孔 (12) 内进 行固定。 位于圆盘转子中心点位置， 设置有一个球形件 (13)， 球形件的中心位置设有上下通 透的空洞 (14)， 该球形件是由上下转子构件的半球体拼合而成， 其是起到密封的作用。 在空 洞 (14) 及两个圆盘内侧设置有万向器轴孔 (15)， 其作用是固定万向器构件 (6) 的轴。 在上 下转子构件边缘位置， 由上下转子对置组成转子圆周密封槽 (16)， 其内部可放置密封环用 于缸体密封， 由以上构件即可组成本发明的圆盘转子 (2)。
如图 7 所示为本发明的定子构件示意图， 本发明的定子是由上下两个壳体 (3) 对 置组合而成， 上下两个壳体外形一致， 在壳外顶面设置有火花塞 (4)， 火花塞穿过火花塞孔 (19) 在壳体内部探出。壳体圆周设置有一圈多个壳体螺栓孔 (17)， 用于壳体螺栓 (5) 穿过 将下上壳体进行固定， 组成定子。 在每个壳体构件的中心位置设置有输出轴孔 (18)， 在壳体 构件内腔的 “V” 形面 (23) 的顶边上设置有壳体密封条 (20) 用于将汽缸密封。由上下两个 壳体构件组合成定子的进气口 (21) 与排气口 (22)。 当设计冷却系时， 可直接在壳体上设置 散热片或在壳体上设置水道， 构成风冷或水冷散热。
如图 8 所示为本发明的点火构件与换气构件示意图， 图中可清楚的看到本发明的 一半壳体样式， 在壳体的圆周壁上设置有进气口 (21)， 排气口 (22)。 在壳体内腔的 “V” 形面 (23) 上， 与两个气口对置 180 度的位置， 设置有火花塞孔 (19)。 其火花塞与进排气口刚好位 于定子内部 “V” 形面上顶边的两端。另外该火花塞孔并非与气口完全对称， 其要位于壳体 密封槽 (25) 的一侧， 并离排气口稍微近一些， 以用于点燃压缩后的气体。在 “V” 形面 (23) 的中心位置， 设置有的球形凹坑 (24)。当定子被固定后， 上下两个面上的球形凹坑 (24) 组 合后， 其形状还是球形面， 其中心点与定子腔的正中心重合。该球形凹坑 (24) 与圆盘转子 中心的球形件 (13) 相匹配， 其作用是对转子与定子间构成的汽缸进行密封， 防止气体通过 输出轴孔 (18) 泄露。
如图 9 所示为定子与转子密封示意图， 本发明的密封方式与传统发动机不同， 本 发明即在定子上设置密封构件也在转子上设置密封构件。 左侧图是在定子上设置的密封构 件， 在定子的 “V” 形面上， 位于顶边的位置设置有两条直线状的壳体密封槽 (25)， 在槽内设 置有壳体密封条 (20)。 右侧图是在转子上设置的两种密封构件。 第一种为在转子中心的球 形件上设置有上下两个球形件密封槽 (26)， 在槽内设置有球形件密封环 (27)， 第二种为在 转子的外圈圆周位置设置有转子圆周密封槽 (16)， 在槽内设置有转子圆周密封环 (28)。由 以上三种密封构件构成本发明的密封系统。 使本发明的密封容易， 且在转子转动时， 摩擦阻 力较小， 使整机有着很高的能量转化效率。
如图 10 所示为本发明的定子与转子的圆周展开图， 图中上下两个图形是定子圆 周展开的延长图 (3)， 位于中心的波浪状的图形为圆盘转子圆周展开图 (2)。当转子在定子 内运转时， 就好比本图中的 (2) 在 (3) 内横向位移， 使其上下所间隔出的独立空间实现容积 周期性变化。 需要注意的是， 本发明转子圆周是三次简谐波状， 而定子顶面是 “V” 形面， 所以 转子在定子腔内转动及进动时， 其间隔出的汽缸容积是有顺序变化的， 而不是同时变化的。 如图 10 中的 (2) 与 (3) 仅能说明其运动时汽缸的变化原理， 但不是完全相同的。
如图 11、 12 所示为本发明陀螺进动原理图及本发明转动与进动比。本发明中的圆 盘转子在定子腔内的转动与进动是同时进行的， 图 11 可以了解到本发明圆盘转子的转动是绕转子中轴线 (29) 进行的。其进动是中轴线又绕经过转子中心点的一条垂直线 (30) 进 行的。图 12 表示了其转动与进动比为 1 ∶ 3， 即当转子转动 120 度时， 进动了 360 度 ； 当转 子转动 240 度时， 进动了 720 度 ； 当转子转动 360 度时， 进动了 1080 度。通过以上转动与进 动比， 本发明即可实现汽缸间容积的周期性变化， 实现四冲程原理。
如图 13 所示为本发明的运动原理图， 图中位于左侧的是侧视图， 位于右侧的是正 视图。 观察图可了解到转子在转动一周过程中， 每转动 90 度， 单个汽缸的冲程变化一次。 当 转子转动一周后， 单个汽缸的冲程变化 4 次， 刚好实现四冲程原理。因为本发明圆盘转子与 定子间共间隔处 6 汽缸， 所以当转子转动一周时， 6 个汽缸分别实现一次循环， 所以本发明 是一个 6 缸发动机， 其功率重量相当大。另外本发明的运动部件少， 在加工部件时其部件的 强度很大， 可以承受压燃的爆震威力， 所以本发明还可以改为压燃的点火方式， 使能量利用 率大幅度提高。
如图 14 所示为本发动机的做功原理图， 图中所示为圆盘转子转动一周时， 转子一 侧的面与定子所间隔出的汽缸的变化过程。其中 A、 B、 C 表示三个汽缸， 从图中可以看出转 子逆时针转动时， 由右侧上方的气口负责进气， 右侧下方的气口负责排气。当转子转动一 周， 即输出轴转动 360 度时， 圆盘转子与定子所间隔出的汽缸也分别旋转 360 度。 如图表 15 所示为转子与定子间所构成的 6 个汽缸间的变化过程， 其中 A、 B、 C 表示 圆盘转子一侧的汽缸， A1、 B1、 C1 表示圆盘转子另一侧的汽缸。需要注意的是 A1 与 A 是在 圆盘转子上对置的两个汽缸， B1 与 B 是对置的两个汽缸， C1 与 C 是对置的两个汽缸。
其转动过程为当转子由 0 度转动到 90 度时， 汽缸 A 实现进气过程。 当转子由 90 度 转动到 180 度时， 汽缸 A 实现压缩过程。当转子由 180 度转动到 270 度时， 汽缸 A 实现膨胀 过程。当转子由 270 度转动到 360 度时， 汽缸 A 实现排气过程 ； 当转子由 0 度转动到 60 度 时， 汽缸 B 实现压缩过程。当转子由 60 度转动到 150 度时， 汽缸 B 实现膨胀过程。当转子 由 150 度转动到 240 度时， 汽缸 B 实现排气过程。当转子由 240 度转动到 330 度时， 汽缸 B 实现进气过程。当转子由 330 度转动到 360 度时， 汽缸 B 实现压缩过程 ； 当转子由 0 度转动 到 30 度时， 汽缸 C 实现膨胀过程。当转子由 30 度转动到 120 度时， 汽缸 C 实现排气过程。 当转子由 120 度转动到 210 度时， 汽缸 C 实现进气过程。当转子由 210 度转动到 300 度时， 汽缸 C 实现压缩过程。当转子由 300 度转动到 360 度时， 汽缸 C 实现膨胀过程。
当转子由 0 度转动到 90 度时， 汽缸 A1 实现膨胀过程。当转子由 90 度转动到 180 度时， 汽缸 A1 实现排气过程。当转子由 180 度转动到 270 度时， 汽缸 A1 实现进气过程。当 转子由 270 度转动到 360 度时， 汽缸 A 实现压缩过程 ； 当转子由 0 度转动到 60 度时， 汽缸 B1 实现排气过程。当转子由 60 度转动到 150 度时， 汽缸 B1 实现进气过程。当转子由 150 度 转动到 240 度时， 汽缸 B1 实现压缩过程。当转子由 240 度转动到 330 度时， 汽缸 B1 实现膨 胀过程。当转子由 330 度转动到 360 度时， 汽缸 B1 实现排气过程 ； 当转子由 0 度转动到 30 度时， 汽缸 C1 实现进气过程。当转子由 30 度转动到 120 度时， 汽缸 C1 实现压缩过程。当 转子由 120 度转动到 210 度时， 汽缸 C1 实现膨胀过程。当转子由 210 度转动到 300 度时， 汽缸 C1 实现排气过程。当转子由 300 度转动到 360 度时， 汽缸 C1 实现进气过程。
由以上过程可以分析出 6 个汽缸的工作过程为每个汽缸持续 90 度开始下一个冲 程。转子每转动 30 度， 6 个汽缸中某 2 个汽缸开始下一个冲程， 且该 2 个汽缸的冲程是对应 的， 即进气或膨胀， 排气或压缩。转子运转每间隔 30 度， 6 个汽缸中某 2 个汽缸做功重叠一
次， 并持续 30 度， 所以本发动机高速运转时有着很高的扭矩输出值。
另外因为本发明采用了进动与转动形式实现汽缸容积变化， 所以在单个汽缸膨胀 的整段行程， 其扭矩始终是相同的， 并不像传统发动机那样， 其扭矩在 0 与 1 之间变化。又 因为做功重叠， 所以本发动机扭矩在 1 与 2 之间变化， 整机能量转化效率相当高。
如图 16 所示为本发明与现有发动机的扭矩曲线图， 图中所示当输出轴旋转一周 时各种发动机的扭矩变化形式。曲线 1 为本发明的发动机扭矩曲线， 其扭矩曲线始终无零 点， 非余弦形式， 因为做功有重叠所以是在 1 与 2 之间变化。 也可结合图 10 来理解为何本发 动机扭矩无零点。 曲线 2 为往复式发动机的扭矩变化， 曲线 3 为三角活塞式扭矩变化。 由以 上分析可知， 本发明在现有发动机的基础上性能有着很大的提高， 其能量转化效率相当高。
以上所描述的是本发明做为发动机的原理， 当将本发明中的火花塞去掉， 在定子 的圆周上再设置一对气口时， 即将定子的圆周间隔 180 度设置有对置的两对气口时， 本发 明即可改为泵或气液动设备。