本发明为一种旋转燃烧室内燃机(简称旋转内燃机),特别是属于一种运动机构的静力和动力以及热功循环中气体作用在机件上的压力均能随时完全平衡,仅输出力矩的新型旋转燃烧室内燃机。 现有的内燃机有喷射式、燃气轮式和活塞式,前两者因其造价高等因素无法普及使用,活塞式内燃机虽广泛使用,但仍有许多难以克服的缺点,如:运转时活塞作用到气缸上的侧压力无法消除,进排气阀口成为混合气进入气缸和排出废气的瓶颈,虽加装增压器或设置四气门但仍末能解决;排气阀须耐高温及特别冷却;阀动机构复杂且须高精密度磨制;换气时残余些许废气无法完全排出以及必须使用外冷却系统,对于这些缺点,迄今仍莫可奈何!
五十年代末万克尔(Wankel)发明了一种旋转内燃机,因其用旋转燃烧室、简单的进排气口代替气阀和阀动机构及运动机构可完全静力和动力平衡,而轰动一时,但因其内转子与偏心轮轴1∶3的转速比不能变更和内转子叶尖的密封是高对(即线接触)等的缺点,致使耗油率很高,更无法在怠速或低速下稳定运转,此外,内转子周围的三个旋转燃烧室内的气体压力不能平衡,必有一垂直于轴的合力作用到偏心轮轴上,故至80年代中期各国已相继停止其开发。
其后,考埃尔兹(Kauertz)和梅耶(Maier)相继发明“猫鼠”型内燃机,均因其旋翼活塞的转动惯量太大,运动机件易磨蚀损坏以及循环气体压力和运动机构不能完全动力平衡而无人问津。
本发明的目的是提供一种克服上述诸型内燃机地各种缺点的旋转燃烧室内燃机,它的运动机构及燃烧室安排在对动力输出轴的轴线和中垂面均对称的位置,可达到运动机构的静力和动力以及循环气体作用在机件上的压力均能随时完全平衡,是现有各型内燃机所末能实现的。它具有体积小、重量轻、结构简单、制造容易、热效率高和易于数部串接增大功率输出等优点。
本发明的目的还有:提供一种合并进排气口为空气通道实施内冷却的系统;提供一种具有中空的动力输出轴,以便设计变速装置。
本发明的旋转燃烧室内燃机,包括一个有圆筒形内表面的固定壳体;壳体上装有两个圆环形端盖;一根用二个轴承支承在壳体上且与圆筒内表面同轴心的动力输出轴,其上装有四联对称四连杆组和行星齿轮组组成的传递动力的运动机构,运动机构还与装在圆筒中且附有多组隔板的中环和二侧环连接;由壳体、二端盖、中环、二侧环与数组隔板构成的数个燃烧室。燃烧室内的热功循环使燃烧室膨胀而带动连杆组和行星齿轮组而使燃烧室和输出轴旋转;在壳体的适当位置装设由电脑自动控制的喷油嘴和火花塞;进排气口开在圆筒和端盖上的适当位置,并且合并成空气通道,通入新鲜空气施行内冷却。本发明的内燃机的特点是:运转时,其运动机构的静力和动力以及循环气体作用在各机件上的压力随时都能完全平衡,并采用内冷却。
1、旋转燃烧室
旋转燃烧室须有偶数个,且与行星齿轮组的齿数比有关(后有说明),始能对动力输出轴(附图1、2中的(7))的轴线O-O完全对称。作四冲程热功循环时,循环气体压力作用到各机件上的力才能随时完全平衡。该燃烧室是由壳体上的圆筒形内表面、二端盖的内表面、中环、侧环的圆柱形外表面及前、后隔板所限定。前后二隔板为一组,有几组隔板就有几个燃烧室。两个环形端盖用螺栓固定在壳体上;中环和两个侧环与各自的摆杆相连,各摆杆可在输出轴上旋转,前隔板与中环固接同步旋转和摆动,且与壳体的圆筒内表面、二端盖的内表面和两个侧环的圆柱形外表面间留有微隙,并用密封件气密;后隔板与二侧环因接同步旋转和摆动,也与壳体的圆筒内表面、二端盖的内表面和中环的圆筒形外表面间留有微隙,并用密封件气密。其它各组装法相同,当然,二侧环与中环间和二端盖间都须气密,但是,这些需要气密的面都是圆面或平面,是面对面的低对气密,没有万克尔内燃机的高对气密困难。
2、传动机构
四组完全相同的四连杆组(由臂、曲柄、连杆和摆杆构成)分布在坐标的四象限内(图2、图10),将在Ⅰ、Ⅳ象限内的二组的臂合并为OA1,Ⅱ、Ⅲ象限内的二组的臂合并为OA2,OA1和OA2对直(即成直线)结成一整体件为长臂A1OA2(17),用花键装在动力输出轴(7)上。装在长臂A1端的二曲柄A1B1和A1B2结合成曲轴B1A1B2(10),A1B2超前A1Bπ弧度,在正面图内表示成一直线,实际上二曲柄在不同平面内。连杆(12)B1C1的B1端可转动地连接在曲柄A1B1的枢轴上,另一端C1与摆杆(4)OC1用枢轴可转动地连接。同样,连杆(12)B2C2的B2端可转动地连接在曲柄A1B2的枢轴上,另一端C2与摆杆(5)OC2用枢轴可转动地连接。如此已构成两个联合的四连杆组OA1B1C1和OA1B2C2。如臂OA1固定,此二四连杆组仍仅有一个自由度。解除臂OA1的固定约束,增加行星齿轮组(由臂或称为载架、太阳齿轮或环形齿轮、行星齿轮三件构成),将太阳齿轮(8)固定在壳体(1)上(图1、图2),行星齿轮(9)用花键装在曲轴的外端,四连杆组乃与行星齿轮共用臂OA1,即已将二者合并在一起。行星齿轮转动时,因与固定的太阳齿轮啮合,必沿太阳齿轮滚动一角度,并带动臂OA1转动一角度,此二角的比与太阳齿轮和行星齿轮的齿数比成反比,。同时,曲轴与行星齿轮一同转动,二组四连杆也都随之有一确定的移动,即仍仅有一自由度。同样结合第Ⅱ、Ⅲ象限内的二组四连杆组,并使A2B3超前A1B1π弧度,且因长臂A1OA2的OA1与OA2相等且在一直线上,故A1与A2关于O点对称,A2B3对X轴的角超前A1B1对X轴的角π弧度(即180°),故∠OA1B1等于∠OA2B3,A1B1和A2B3相等、故△OA1B1与△OA2B3为全等形,OB1=OB3即B1和B3对O点对称,又B1C1等于B3C3,OC1等于OC3,△OB1C1与△OB3C3也是全等形,∠A1OC1=∠A1OB1+∠B1OC1=∠A2OB3+∠B3OC3=∠A2OC3,所以OC1与OC3成一直线,C1与C3对O点对称,四边形OA1B1C1与四边形OA2B3C3乃为全等形且对称于O点,即四连杆组OA1B1C1与四连杆组OA2B3C3,为全等形且对称于轴线O,成直线的OC1和OC3可接合成一整体件,同理可证明四连杆组OA1B2C2和四连杆组OA2B4C4为全等形且对称于轴线O,摆杆OC2和OC4也成一直线,可结合成一整体件。二摆杆C1OC3(4)和C2OC4(5)都用轴承装在动力输出轴上,可以转动和相对摆动,二相同的行星齿轮在对称点A1和A2,故二行星齿轮也关于轴线O对称。图10是专业人员作理论研究和机构动力分析时习惯使用的机构正面图,故须说明,这些机件并非在同一平面内,太阳齿轮(8)和二行星齿轮(9)占一平面;长臂(17)占一平面;曲柄A1B1、A2B3,连杆B1C1、B3C3和摆杆C1OC3(4)占一平面;曲柄A1B2、A2B4,连杆B2C2、B4C4和摆杆C2OC4(5)占一平面;并且曲柄A1B1和A1B2、A2B3和A2B4各结合成的曲轴(10),一端有长臂(17)A1OA2支承,另一端没有支承,所以,必须有关于动力输出轴中垂面完全对称的另一机构,其长臂支承着二曲轴的另一端,曲柄A1B1和A2B3的枢轴也各与其对称部分结合成一整体枢轴,B1和B3的枢轴端是与对称件相接处,乃使曲轴成一弓形曲轴(10),中间段的枢轴长为两侧段的二倍。这样组成的运动机构其中任一件受力移动,其它各件均随之有一确定移动,即仅有一自由度,可用以传递力和力矩。
现为适于习惯看法,将上述四联对称四连杆组和行星齿轮组组成的运动机构从整体上说明如下:四连杆组中有臂、曲柄、连杆和摆杆四构件,两根对置的臂合并为臂长二倍的长臂(17),在两根长臂(17)的中间孔内有花键,相对装在一动力输出轴(7)的两端,两长臂的外端各用轴承支承一弓形曲轴(10),曲轴共有两根,曲轴上的曲柄均等长,两侧曲柄枢轴(29)的长为中间曲柄枢轴(30)长的1/2,并且两侧曲柄超前中间曲柄π弧度,两侧曲柄枢轴上各装一只连杆(12),中间曲柄枢轴上装二只连杆(12),另一曲轴同样装置,共八只等长连杆,三只为原摆杆长二倍的长摆杆(4)、(5),它们的中间孔内有轴承,都装在输出轴的中部,可以在输出轴上转动。将二曲轴的中间枢轴上的连杆(12)即B1C1和B3C3,分别与中间摆杆(4)上的枢轴C1和C3连结。二曲轴右侧曲柄枢轴的摆杆(12)即B2C2和B4C4与右侧摆杆(5)上的枢轴C2和C4必能连接,证明如下:由侧面看,形成OA1B1C1和OA1B2C2两个四连杆组共用臂OA1,A1和A2、C1和C3、C2和C4都是关于轴线O互为对称点,调整B3使与B1关于轴线O对称,A2B3的角必超前A1B1的角π弧度,B2和B4也对轴线O对称,则四边形OA1B1C1和OA2B3C3及四边形OA1B2C2和OA2B4C4都对应为全等形,并且双双对称于轴线O,未连接的另二只连杆B2C2和B4C4也必可连接到相关的摆杆枢轴C2和C4上。摆杆(5)即C2OC4与装有后隔板的侧环固接,摆杆C1OC3与装有前隔板的中环固接。四个相同的行星齿轮(9)分别固装在二曲轴的两端,装在动力输出轴中垂面右侧二曲轴端的两个行星齿轮(9)与一固定在壳体(1)上的太阳齿轮(8)啮合,左侧的也同样装置。左右二侧各有四个四连杆组,双双对称于输出轴的轴线和中垂面,故两个对称于中垂面的四联对称四连杆组,又各与二个行星齿轮组结合共用长臂(17),全部机构实已构成一完整的运动机构,对称于轴线O和中垂面Y-Y,并且仅有一个自由度,能抟递力和力矩。
二摆杆C1OC3(4)和C2OC4(5)均稍延长相等长度,摆杆C1OC3(4)与中间圆环固接,(可将摆杆(4)与它对中垂面的对称件合而为一和中间圆环铸成一体)。中间圆环及其外圆柱面上固接的各前隔板乃与摆杆C1OC2(4)同步旋转和摆动。右侧环固接在摆杆C2OC4(5)上;左侧环固接在与摆杆C2OC4(5)关于中垂面Y-Y对称的摆杆(5)上,二侧环及其外圆柱面上固接的各组后隔板也与摆杆C2OC4同步旋转和摆动,则各组前后隔板间的燃烧室有容积交替胀缩变化能完成热功循环。经此结合后的四个四连杆组、三圆环和各组隔板及行星齿轮对轴线O完全对称,故无论静止或以任何速度旋转与变速时,全部质量中心总在轴线O上而不受重力场的影响,任一机件上的任一质点的惯性力都与对称质点的惯性力相平衡,而无任何垂直力作用在输出轴上,即随时都能静力和动力平衡,故此四组联合且全部对称于轴线O的四连组可称为四联对称四连杆组。这一对称平衡性质与行星齿轮组的齿数比无关。四连杆组的运动关系可用解析法求得:二摆杆的相对摆动角度,使前、后隔板不相抵触;曲轴B1A1B2和B3A2B4垂直于长臂A1OA2,并且连杆B1C1和B2C2在长臂两侧时,摆杆C1OC3和C2OC4间的夹角最小,即各组前、后隔板间的容积极小;由正面图看,二连杆“交叉”时,二摆杆间的夹角极大,即各组前、后隔板间的容积极大。曲轴旋转时,极小和极大容积交替出现,此极小和极大是由四连杆的杆长比决定的与行星齿轮组无关。但是,行星齿轮组使燃烧室旋转,它也影响极小和极大容积在壳体内出现的位置。
本发明的旋转燃烧室内燃机的最佳实施
1、论证
太阳齿轮与行星齿轮的齿数比u必须是整数,否则旋转时极大和极小容积不在固定位置出现,无法完成热功循环。最小的齿数比u=1∶1,行星齿轮在太阳齿轮上滚转一周(切勿认为是对地旋转一周),即连杆组的曲轴转动一周,长臂也旋转一周,二摆杆相对摆动的夹角仅顺序有一次极小和极大,二者的中分线相差π弧度,故中环侧环上仅能装一组隔板,即仅有一燃烧室,旋转一周能完成二冲程循环,故循环气体压力不能平衡。齿数比u=2∶1时,二隔板间的容积可顺序为极小-极大-极小-极大,故采用一组隔板能完成四冲程循环,但是气体压力不能平衡;采用两组相角差180°的隔板时,则二燃烧室能同时完成二冲程循环,循环气体压力能随时平衡。齿数比u=3、5、7等奇数时,隔板的组数须与齿数比u相等仅可用二冲程循环,循环气体压力能随时平衡。齿数比u=4、6、8等偶数时,无论用二冲程或四程循环,循环气体压力都能随时平衡。显然,u的范围很大,可按需要作最佳选择,例如:舰船宜选用u=12∶1,以适应螺旋桨300rpm的需要;直升飞机宜选用u=6∶1;螺旋桨飞机宜选用u=4∶1的二冲程循环,因飞机便于采用气冷系统;各种车辆宜选用u=4∶1的四冲程循环,并采用内冷却以淘汰现用的液冷系统。故对车辆最佳实施为u=4∶1的四冲循环,即做为本发明的最佳实施。
2、本发明旋转燃烧室内燃机最佳实施例附图的说明
齿数比u=4:1 四燃烧室 四冲程循环
图1本发明旋转燃烧室内燃机的剖视示意图,其中号码与对应机件各称如下:
(1)壳体圆筒,(2)中环,(3)二侧环,(4)摆杆C1OC3,(5)摆杆C2OC4,(6)动力输出轴的轴承,(7)动力输出轴,(8)太阳齿轮,(9)行星齿轮,(10)曲轴B1A1B2,B3A2B4,(12)连杆B1C1、B2C2、B3C3、B4C4,(13)喷油嘴,(14)火花塞,(16)辅助支承,(17)长臂A1OA2,(18)燃烧室A、B、C、D,(19)端盖,(20)前隔板,(21)后隔板,(22)外层壳体。O-O为中空动力输出轴的轴线,Y-Y为中空动力输出轴的中垂面,在二曲轴两端用花键装置的四个飞轮未予示明。
图2为本发明旋转燃烧室内燃机的工作原理图,其中四个燃烧室A、B、C、D都处于最小容积,燃烧室A和C内的空气已被压缩,作为内燃机的运转起点,图中号码与对应机件名称如下:
(1)壳体圆筒,(2)中环,(3)二侧环,(4)摆杆C1OC3,(5)摆杆C2OC4,(7)动力输出轴,(8)太阳齿轮,(9)行星齿轮,(10)曲柄A1B1、A1B2、A2B3、A2B4,(13)喷油嘴,(14)火花塞,(15)进气口,(17)长臂A1OA2,(18)燃烧室A、B、C、D,(20)前隔板,(21)后隔板,(24)排气管,(25)进气管,(26)排气口。
图3为本发明旋转燃烧室内燃机的工作原理图,其中行星齿轮已在太阳齿轮上滚转180°,长臂A1OA2转进45°,燃烧室A、B、C、D都处于最大容积,其容积中分线也转进45°,燃烧室A和C的燃后气体已膨胀终了。图中号码与对应机件名称如下:
(11)喷气嘴,(15)进气口,(20)前隔板,(21)后隔板,(23)进排气管。
图4为本发明旋转燃烧室内燃机的工作原理图,其中行星齿轮已滚转一周,长臂A1OA2转进至90°,燃烧室A、B、C、D都处于最小容积,燃烧室A和C已排气终了。图中号码与对应机件名称如下:
(20)前隔板,(21)后隔板。
图5为本发明旋转燃烧室内燃机的工作原理图,其中行星齿轮已滚转一周半,长臂A1OA2转进至135°,燃烧室A、B、C、D都处于最大容积,燃烧室A和C已完成吸气冲程。图中号码与对应机件名称如下:
(20)前隔板,(21)后隔板。
图6为本发明旋转燃烧室内燃机的工作原理图,其中行星齿轮已滚转两周,长臂A1OA2转进至180°,燃烧室A和C已将其中空气压缩,完成压缩冲程。图中号码与对应机年名称如下:
(20)前隔板,(21)后隔板。
图7为曲轴的正面图,其中号码与对应机件名称如下:
(27)曲轴主轴,(28)两侧曲柄和均重,(29)两侧曲柄枢轴,(30)中间曲轴枢轴,(31)中间曲柄和均重,(32)平衡孔。
图8所示为图7中曲轴在A-A剖面的侧视图
图9所示为四联对称四连杆组的另一种连接法,其中号码与对应机件名称如下:
(20)前隔板,(21)后隔板。
图10所示为作理论研究和机构动力分析的正面图,其中号码和对应机件名称如下:
(4)摆杆C1OC3,(5)摆杆C2OC4,(7)动力输出轴,(10)曲轴B1A1B2、B3A2B4、(12)连杆B1C1、B2C2、B3C3、B4C4,(17)长臂A1OA2。
如图1、图2所示,本发明的旋转燃烧室内燃机具有一个装有圆环形端盖(19)的固定壳体(1),壳体的圆筒形内表面的中心线为O-O,它也是一根可旋转的动力输出轴(7)的轴线,壳体上的轴承(6)支承着输出轴(7),此轴承(6)宜采用密封滚柱轴承,以减少磨擦损失及简化润滑系统。端盖和圆筒内装有可转动的一个中环(2)和两个侧环(3),该三个环具有同样直径和厚度,但每一侧环的宽度为中环宽度的1/2。中环与摆杆C1OC3(4)固接,右侧环与摆杆C2OC4(5)固接,左侧环与摆杆C2OC4(5)的对称件固接。实际制造时,摆杆都可作为圆环的轮辐与圆环用质轻铝合金模铸成一体,此三圆环都宜用密封滚柱轴承装在输出轴(7)上。前已说明全部运动机构对称于输出轴的中垂面Y-Y,图1中除将固接中环的二对称摆杆合而为一体外,其它各机件都已显明在对称位置绘出左右对称件,故摆杆C2OC4是二件,各固接一侧环;连杆(12)B1C1和B3C3、B2C2和B4C4也都有对称件,共八件。B1C1用枢轴C1与摆杆C1OC3(4)连接,B3C3用枢轴C3与摆杆C1OC3(4)连接;B2C2用枢轴C2与摆杆C2OC4(5)连接,同样,连杆B4C4用枢轴C4与摆杆C2OC4(5)连接,对称于中垂面Y-Y的各对应件用同样方法连接,(用现代制造技术采用特殊夹具将八只连杆一同钻孔,八杆长度的误差可为零,同样可使三圆环的制造误差也很小)。长臂A1OA2与对称长臂在外端各用轴承支承一曲轴B1A1B2和B3A2B4,并且有二辅助支承(16)在中间可旋转地支承曲轴,图1中已绘出二曲轴对称于轴线O-O,也对称于轴中垂面Y-Y,固定的太阳齿轮(8)和用花键装在曲轴(10)四个外端的四个行星齿轮(9)都已在对称位置绘出。八只连杆中的B1C1和它的Y-Y面对称件装在B1A1B2曲轴的中间段枢轴上;B3C3和它的Y-Y面对称件装在B3A2B4曲轴两侧的枢轴上;连杆B2C2和它的对称件装在B1A1B2曲轴两侧的枢轴上;连杆B4C4和它的对称件装在B3A2B4曲轴两侧的枢轴上;如此对输出轴轴线和中垂面完全对称的运动机构仍是仅有一个自由度,即其中任意一件移动,其它各件都有一个确定而且唯一的相应移动,能传递力和力矩。行星齿轮与曲轴同速度旋转带动二长臂,各连杆、摆杆与圆环等都相应转动,二侧环是同步的且与中环有相对摆动。四连杆组应选用适宜的杆长比,以防止三圆环发生有不良影响的短暂倒退或停止而只能转速忽快忽慢地同方向旋转。
3、本发明旋转燃烧室内燃机的工作原理
本发明对车辆的最佳实施例是选用u=4∶1,四燃烧室,四冲程循环,故在三圆环外圆面上的适宜位置,每90°装一组隔板,隔板组在圆环上的位置对圆环内运动机构的相关位置没有限制。图2中仅为便于理解和说明将长臂安置在x轴上,四组隔板排在0°、90°、180°和270°,每组隔板中有前、后二隔板(以正转图2中箭头所示方向定前后)。各组的前隔板(20)都固定在中环(2)上,则与中环同步转动;后隔板(21)都固定在侧环(3)上,与二侧环同步转动。四组隔板各与圆筒的内圆面、二端盖的内平面、三圆环的外圆面经气密构成四个燃烧室A、B、C、D(18)。这四个燃烧室内的容积随三圆环间的相对摆动而同步增大或缩小,适宜的四连杆组杆长比可决定前、后隔板不相抵触且有最小容积,图2所示,曲轴B1A1B2(10)垂直于长臂A1OA2(17),并且连杆B1C1和B2C2在长臂两侧,四个燃烧室内的容积都是最小。在0°和180°的燃烧室A和C中的空气已被压缩,喷油嘴(13)已喷入适量燃料,火花塞即将点火进行燃烧膨胀冲程;在90°和270°的燃烧室B和D都已完成排气冲程,即将进行吸气冲程,燃烧室A的前隔板至燃烧室C的后隔板间(包含燃烧室B在内)和燃烧室C的前隔板至燃烧室A的后隔板间(包含燃烧室D在内),都充满大于一个大气压的冷空气流,对接触到的圆筒、端盖、三圆环和各隔板的面都有冷却作用。燃烧室A和C内的混合气点火燃烧后,燃气压力大增(理论设定二燃烧室内的气体压力随时都相等),它作用到圆筒、二端盖和三圆环的力都因对称而大小相等方向相反,分别由圆筒壁、端盖及其固定螺栓和三圆环承担,并无任何分力外传到运动机构。作用到二燃烧室前、后隔板的力虽大小相等方向相反,因各隔板能转动却未抵消。各前隔板受到的力必合成力矩传递给中环及摆杆,再经连杆传递到二曲轴的中间曲柄枢轴(30),因经过的这些机件都是弹性体,二枢轴受到的力理应相等,并且各力的作用线是连杆中线,同理,各后隔板受力合成的力矩也经二侧环、摆杆和连杆传递至二曲轴的两侧曲柄枢轴(29)四枢轴受到的力也理应相等,并且各力的作用线也是连杆的中线。这些力在二曲轴上各形成两个力偶使曲轴弯曲,但经过辅助支承和长臂的中介乃与对称的力偶完全抵消,这些力也对曲轴产生力矩,在一小角度内二力矩的方向相反(图2中因所绘摆杆和连杆太短,显已夸大),正如活塞式内燃机的点火提前,而升高的燃气压力对曲轴产生负力矩,是由飞轮和运动机件的惯性力克服的,过后即成同向力矩,经行星齿轮和长臂传至动力输出轴,任何不平衡的分力都经长臂和辅助支承与对称的不平衡分力相抵消,因此,动力输出轴仅输出力矩而无垂直于轴线的力作用到输出轴上。燃烧室A和C内的燃气压力驱动曲轴和行星齿轮滚动,带动长臂及全部运动机构和四个燃烧室都向前转动,燃烧室A和C同步膨胀时,就是一同对外做功,乃经过动力输出轴传递到内燃机外。
图3所示:行星齿轮已滚转180°,长臂和全部运动机构和四燃烧室的中分线都向前转进45°,并且连杆B1C1和B2C2在正面图上呈现“交叉”,则二摆杆间的夹角极大,四燃烧室的容积都是最大,即燃烧室A和C已完成膨胀冲程,同时,燃烧室B和D也完成了吸气冲程。再稍前进,燃烧室A和C的二前隔板的后边缘各开放一扁薄排气喷嘴(11),压力仍然很高的燃后废气高速喷入排气管,有加速排气作用。长臂继续转进,二前隔板开放排气口(26),燃烧室A和C容积逐渐缩小而进行排气冲程。燃烧室B和D容积也同时逐渐缩小,即进行着压缩冲程,但因进气口(15)的延长,二燃烧室的后隔板不能遮蔽进气口,燃烧室B和D内的空气必然减少,直至二后隔板的前边缘遮蔽进气口才开始压缩其中空气,此时,燃烧室B或D内的容积与最小容积的比称为压缩比,燃烧室的最大容积与最小容积的比称为膨胀比,显然压缩比小于膨胀比,这是热效率较高的艾肯森(Atkinson)循环的特点,即本发明的旋转燃烧室内燃机采用的是艾肯森循环。曾有专家千方百计改进活塞式内燃机的运动机构实现了艾肯森循环,但因结构复杂得不偿失而未能普及,然而本发明却轻而易举地实现了艾肯森循环。
图4所示:行星齿轮滚转一周,长臂转至90°,全部运动机构和四燃烧室也都转进至90°,曲轴B1A1B2垂直于长臂,二连杆在长臂两侧,各燃烧室容积又都最小,然烧室A和C各在90°和270°已完成排气冲程。燃烧室B和D内的空气已被压缩,喷油嘴喷入了适量燃料,火花塞点火就进行燃烧膨胀冲程并推动曲轴和行星齿轮旋转,带动长臂和全部运动机构旋转。曲轴又转180°,即自开始点旋转了一周半,长臂A1OA2转进至135°,曲轴B1A1B2垂直于长臂A1OA2,连杆B1C1和B2C2在正面图上呈现“交叉”,各燃烧室的容积都是最大,燃烧室A和C已完成吸气冲程,燃烧室B和D已完成膨胀冲程,如图5所示。与前述相同,曲轴再稍转进,燃烧室B和D和前隔板的后边缘开放排气喷嘴,再稍前进就开放排气口进行排气冲程,燃烧室A和C的后隔板的前边缘遮蔽进气口后,二室内的空气就被压缩,直至行星齿轮和曲轴转二周,长臂转进至180°,各燃烧室的容积均为最小,如图6所示。燃烧室A和C在180°和0°位置,其中的空气已被压缩,喷油嘴已喷入适量燃料;燃烧室B和D在270°和90°,恰已排气冲程终了,四燃烧室都回复至开始状态,但都转进了180°,四燃烧室都有一个动力冲程,故动力输出轴每转有8个动力冲程。
本发明的内燃机似是结构复杂,因它相当十六缸活塞式内燃机(即每转有八次点火),如与十六缸活塞式内燃机的全部运动机件相对比,就显然简化多了,当然,二者的总排量相等才能相比,十六缸活塞式内燃机无论是直列、V形或对置式,其十六只火花塞、活塞和连杆与三十二个进排气阀和阀动机构已够复杂。现用活塞式内燃机都用整体曲轴,拼组连杆,其制造装配均较困难,本发明的旋转燃烧室内燃机的四联对称四连杆组紧凑向内缩小配置在三圆环内,经过机械动力分析,显示连杆宜用整体件、曲轴用拼组曲轴,如图7所示。此曲轴对A-A剖面对称,曲柄主轴(27)有左右两只,外端有花键以备装置行星齿轮和飞轮,曲柄臂和均重作成圆柱形的曲柄均重(28),其中孔装主轴(27),偏离轴线的孔装枢轴(29),圆面上钻二浅孔,以平衡之用,中间的两个曲柄均重(30)仅钻二孔,一装右侧枢轴(29),另一装中间枢轴(31),各件均易制造,也易装配,这种拼组曲轴对其轴线能完全动力平衡。
图9所示,为四联对称四连杆组的另一种联接方法,二摆杆C1OC3和C2OC4在长臂A1OA2的同侧,其显明缺点是二连杆传递的力作用到曲轴上不能平衡,大增曲轴负荷,仅可做为另一种结构特征备而不用。
4、内冷却系统
为便于理解和合乎一般习惯,图2-6中均将进气管(25)和排气管(24)中间分开,然而,本发明的旋转燃烧室内燃机结构的最佳实施是将进气口(15)与排气口(26)合并为空气通道,施行内冷却。在右端盖和圆筒的右半圆面上尽可能开大空气进口,左端盖和圆筒左半圆面上也尽可能开大空气出口,开在端盖上的进气口内可装弯曲的导向片,使气流向两侧流动,圆筒上的空气通道开口,中间须用隔板分开,以防空气直线流过,其形状可似气轮机的叶片,使气流转向轴心流动,与通道开口配合成通道的外盖,应采输出轴的轴向,其中间隔板须与圆筒上开口内分隔板配合连接,排气嘴(11)接至通道下游,利用它喷出的高速气流协助通风。膨胀冲程即将终止时,前隔板(20)的后边缘开放排气喷嘴快速排放压力温度仍然很高的燃后废气,然后瞬即开放空气通道,压力稍高的空气能迅速将残余的燃后废气排除净尽,这是活塞式内燃机难以做到的,并且在排气冲程中就能进行冷却,相邻燃烧室间存留的空气也有冷却作用,三圆环内部也可作为部分空气通道。在燃烧室容积交替胀缩冲程中,三圆环和各组隔板能得到充分冷却,冷却空气还能接触全部圆筒和二端盖的内表面,但是冷却高温区的时间稍嫌短暂,如冷却能力不足时,可在空气通道中装散热片,或在圆筒与两端盖的高温区镶嵌多孔陶瓷片,其内面镀有薄层耐磨合金,以减少热量外传,如此必能淘汰通常所用的燃烧室外的液冷或气冷系统。
四联对称四连杆组内的各轴承宜采用密封滚针、滚柱或滚珠轴承,以减少磨擦损失和简化润滑系统,也可作成部分冷却气流通道。行星齿轮和太阳齿轮(或环形齿轮)的啮合也须润滑,可用粘性稍高的润滑油及遮板,防止润滑油飞溅和灰尘污染。至于各燃烧室的密封件润滑问题,可参考万克尔(Wankel)引擎的润滑技术设计,自万克尔引擎发明后,各工业先进国家都已投入大量资金和人力予以研究开发,试图解决其气密难题,已累积了大量技术成就可供参考。
5、中空动力输出轴
本发明的旋转燃烧室内燃机的动力输出轴能制成中空轴,轴直径所受限制不大,其中空筒内能容纳差速齿轮组,两端也易配置变速机构,将可废除汽车现用的各式变速器。新型变速机构应由电脑自动控制系统执行变速。中空输出轴也易将多具内燃机串接作大功率输出。
6、电控系统
本发明旋转燃烧室内燃机的喷油系统和点火系统都要废除凸轮式的机械装置操动,改用简易而准确的感应器送出信号至电脑再由控制器(cpu)按设定的程式自动控制喷入燃烧室适量燃料及适当时间点火,燃料变更时只需转动燃料选择柄即可自动调整喷入燃料的最适当数量及点火提前的时间,现今最廉价性能最慢的控制器用于车辆内燃机喷油点火控制,其功能仍大有余裕,故可扩展至控制变速器,刹车防抱死以及各项预警:如油箱将空,内燃机过热过冷、超负荷,车辆行驶遇到红绿灯等信号,距前车太近及车轮打滑等实施全面电控。编写包含各功能的程序,将程序存入储存器(ROM)以及制作集成电路已无困难,唯有一些感应器尚需研制。
7、其它
加宽本发明旋转燃烧室内燃机的宽度,可增加输出功率,并联装设二组或三组喷油和点火装置,即可免除燃料空气混合不均和燃烧距离太长等缺点。现对车辆最佳实施的四燃烧室四冲程循环的内燃机可改为二冲程循环,其方法简述如下:只需将燃烧室A、B、C、D的容积最小处均装喷油嘴和火花塞,容积最大处都开空气通道,即可改成二冲程内燃机,输出功率将增一倍,然因空气通道不能太大,内冷能力显然不足,必须加装外冷却系统补救。二者孰优孰劣,应根据需要和条件而定。
本发明的内燃机由于动力和静力平衡,予计其曲轴转数在4000~6000转/分,转数与功率大小视内燃机尺寸而定。
旋转燃烧室内燃机其优点综合如下:
1、体积很小。
2、重量很轻。
3、动力冲程多-主轴每转有八个动力冲程,相当于四冲程活塞式内燃机有十六只气缸。
4、结构简单-新型内燃机采用进排气孔,不需要三十二只进排气阀和复杂的阀动机构,使结构简化很多。
5、主轴转速低-其运转机构有减速作用,更适合车辆舰艇战车需要。
6、主轴空心-甚易改变车辆后轴差动齿轮组和变速装置的传统设计。
7、对称形式-其结构是完全对称形式,优点颇大。
8、完全平衡-燃气压力和机件惯性力均可完全平衡,仅力矩输出。
9、气密容易-各气密件都是面接触,气密容易。
10磨擦力较小-气密件作用的垂直压力很小,运转机构可用滚柱轴承。
11、可用多种燃料-其结构特点,须设计空气喷射燃料的机构,而可用多种燃料,燃烧亦较完全,减少空气污染。
12、可采用内冷却系统-其结构特点,容许在内部施行冷却,减少热能损失。
13、效率很高-采用热效率最高的艾肯森(Atkinson)循环。
14、加工精制容易-各机件的加工面都是平面、圆柱面及部分齿轮加工精制容易。
15、制造成本很低-用料很少,机件简单,生产线必然较短,制造成本必然较低。
16、易于串接成大功率输出的内燃机。