專利名稱：對流式旋轉(zhuǎn)發(fā)動機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
動力機(jī)械;
經(jīng)中國專利信息中心1995年元月17日提供的檢索資料查明，包括中國在內(nèi)的世界各國的專利申請記錄，尚沒有同此發(fā)明有相同的發(fā)明或類似的發(fā)明。此外，大量的資料表明，目前世界各國的一些重要的有關(guān)研究機(jī)構(gòu)，側(cè)重研究的是Wankel發(fā)動機(jī)，即偏心轉(zhuǎn)子式旋轉(zhuǎn)發(fā)動機(jī)，并且在少數(shù)機(jī)械中應(yīng)用了這種發(fā)動機(jī)(如某一些賽車、鋤草機(jī)等)，普遍認(rèn)為，偏心轉(zhuǎn)子式旋轉(zhuǎn)發(fā)動機(jī)是最有希望的旋轉(zhuǎn)式發(fā)動機(jī)。而事實上，偏心轉(zhuǎn)子式發(fā)動機(jī)自從在六十年代由德國工程師Wankel發(fā)明以來，一直沒能進(jìn)入實用階段，其致命的問題在于三角型轉(zhuǎn)子的三個端點難以做到有效密封，即使一些類似的變種出現(xiàn)，亦未能很好地解決這一問題。因為一直未有更合理的設(shè)計，偏心轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)至今依然是普遍研究的對象。
我認(rèn)為，偏心轉(zhuǎn)子式發(fā)動機(jī)是毫無前途的研究對象，我的基本分析如下1、偏心轉(zhuǎn)子的端點與氣缸壁的接觸面由于運動型體的需要，無法增大，而事實上又無法找到一種既耐磨又耐高溫，同時又可以實現(xiàn)良好密封的材料。從材料學(xué)的角度看，耐磨、耐高溫恰恰同實現(xiàn)密封的材料在制造上是矛盾的，顧此失彼是根本的原因。因此，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)子與氣缸壁必須有一個有效的接觸面，這就是活塞式發(fā)動機(jī)得以存在的一個重要原因。
眾所周知，發(fā)動機(jī)是一種熱能轉(zhuǎn)變?yōu)閯幽艿臋C(jī)械，其轉(zhuǎn)換過程中的一個基本的實現(xiàn)條件，是燃燒使氣體膨脹，推動密封件作功，如活塞式發(fā)動機(jī)中的活塞。所以，能否實現(xiàn)良好的密封是一個首要的條件，否則就無法高效率地實現(xiàn)這種能量轉(zhuǎn)換。偏心轉(zhuǎn)子式發(fā)動機(jī)在這一點上的缺點是致命的。由此可以斷言偏心轉(zhuǎn)子式發(fā)動機(jī)(Wanke發(fā)動機(jī))永遠(yuǎn)不會成為一種實用型的發(fā)動機(jī)，在日益注重節(jié)約能源的今天與未來，這更加顯而易見。
而活塞式發(fā)動機(jī)的缺點則在于1、由于人們真正需要的大多是旋轉(zhuǎn)的機(jī)械動力，而活塞式發(fā)動機(jī)在能量轉(zhuǎn)換過程中，活塞的直線運動卻有相當(dāng)一部分能量變成了震動以及伴隨的噪音。2、活塞式發(fā)動機(jī)存在著氣閥問題，為了解決這個問題，大多數(shù)先進(jìn)的活塞式發(fā)動機(jī)都以增加氣閥的數(shù)量來解決，這無疑使發(fā)動機(jī)的機(jī)械構(gòu)造更為復(fù)雜，運動機(jī)件增多，摩擦損耗加大;3、活塞式發(fā)動機(jī)為了得到均衡的動力，實現(xiàn)四沖程動作，不得不保證有一定數(shù)量的氣缸，這是活塞式發(fā)動機(jī)構(gòu)造復(fù)雜、運動機(jī)件多的又一個根本原因。
基于以上的理解與分析，我認(rèn)為一種革命性的新型發(fā)動機(jī)的設(shè)計必須實現(xiàn)如下幾項目標(biāo)1、產(chǎn)生動力的運動機(jī)件(如活塞、轉(zhuǎn)子)必須與氣缸壁有適當(dāng)面積的接觸，這是實現(xiàn)密封的一個重要條件;2、產(chǎn)生直接輸出的旋轉(zhuǎn)動力，因為只有如此才可消除機(jī)器的震動以及伴隨的噪音;3、運動部件減少，這是減少摩擦消耗與易于制造的必要條件;4、有類似活塞式發(fā)動機(jī)的燃燒環(huán)境，即氣體有被壓縮過程;5、比功率增大，以較小的體積產(chǎn)生較大的功率;6、發(fā)動機(jī)不可是一種精巧的設(shè)計，它必須堅固，否則就不能產(chǎn)生較大的動力;7、必須可以實現(xiàn)有效的冷卻循環(huán);8、必須可以實現(xiàn)有效的潤滑。
對流式旋轉(zhuǎn)發(fā)動機(jī)的設(shè)計即可基本達(dá)致上述八個方面的要求。這也就是此項發(fā)明的目的。
對流式旋轉(zhuǎn)發(fā)動機(jī)的工作原理基于幾個特點1、轉(zhuǎn)子與定子(氣缸套)之間形成兩個月牙形容積空間，與儲氣室(即燃燒室)成比例，這是壓縮比參數(shù)的依據(jù)。
2、兩月牙形容積空間互相獨立密封，在運轉(zhuǎn)時有單向的壓縮氣通道與另一儲氣室相通。意即A的混合燃?xì)獗粔嚎s進(jìn)入B的儲氣室，B的混合燃?xì)獗粔嚎s進(jìn)入A的儲氣室，各自是單向流動，對流之稱即源于此。
3、圓弧面與半圓面在轉(zhuǎn)子或定子上的對合，發(fā)動機(jī)內(nèi)腔的兩個月牙形容積空間由此形成。
4、活塞式擋板在復(fù)位彈簧與圓弧面的作用下做往復(fù)運動，其特點有如活塞式發(fā)動機(jī)中氣閥在凸輪作用下的運動。
5、可滑動半月形的密封件保持轉(zhuǎn)子運轉(zhuǎn)時更切合的密封。
對流式旋轉(zhuǎn)發(fā)動機(jī)基于以上的特點，實際上出現(xiàn)四種基本形體的設(shè)計1、圓弧與半圓在轉(zhuǎn)子上對合的定子對流方式。定子式設(shè)計的特點是定子(缸套)的內(nèi)腔截面為整圓，儲氣室設(shè)計在定子上;對置的活塞式擋板安裝于定子上;混合燃?xì)馊肟谂c廢氣排出口不需要氣閥。燃?xì)馀蛎泬毫ψ饔迷谵D(zhuǎn)子圓弧面。
定子對流方式出于密封條件的考慮，又可分為單轉(zhuǎn)子設(shè)計和雙轉(zhuǎn)子設(shè)計(比較圖2與圖3)。
2、圓弧面與半圓面在定子上對合的對流方式(參見圖4)。轉(zhuǎn)子對流方式的特點是轉(zhuǎn)子的截面為一整圓，儲氣室在轉(zhuǎn)子拱形背上;對置的活塞式擋板安裝在轉(zhuǎn)子上;壓縮氣道亦在轉(zhuǎn)子上，燃燒膨脹的壓力作用于活塞式擋板;混合燃?xì)馊肟谂c廢氣出口需要類似活塞式發(fā)動機(jī)中的氣閥。
同樣出于密封條件的考慮，又分為單轉(zhuǎn)子設(shè)計和雙轉(zhuǎn)子設(shè)計。綜合以上各點，為此四種基本設(shè)計命名為1、定子對流方式單轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)發(fā)動機(jī)(參見

圖1，圖2);
2、定子對流方式雙轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)發(fā)動機(jī)(參見圖1，圖3);
3、轉(zhuǎn)子對流方式單轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)發(fā)動機(jī)(參見圖4，比較圖2);
4、轉(zhuǎn)子對流方式雙轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)發(fā)動機(jī)(參見圖4，比較圖3);
以上統(tǒng)稱為對流式旋轉(zhuǎn)發(fā)動機(jī)。其基本設(shè)計的特點如下1、各有兩個儲氣室，兩者之間密封隔絕;
2、各有兩個在轉(zhuǎn)子與定子(缸套)之間形成的月牙型容積空間，兩者之間完全密封隔絕，兩部分的月牙形容積空間呈錯位反方向180°角。
3、各有兩個大致在180°角對置的活塞式擋板;在定子對流方式中，活塞式擋板安裝在定子上，其一分隔燃燒室與壓縮氣道入口，其二分隔混合燃?xì)膺M(jìn)口與廢氣排出口(參見圖1);而轉(zhuǎn)子對流方式的設(shè)計，活塞式擋板的作用略有不同(參見圖4，比較圖1)。
4、定子對流方式每一轉(zhuǎn)子的外形是半圓體與圓弧體的對接體(見圖1);轉(zhuǎn)子對流方式，定子是半圓空腔與圓弧空腔的對接體，轉(zhuǎn)子則為圓柱體(見圖4);定子對流方式中，轉(zhuǎn)子上的兩個圓弧面呈錯位反方向180°角;轉(zhuǎn)子對流方式中，月牙形容空間在同一水平位置上并列，中間完全密封隔絕。
5、每一月牙形容積空間與另一儲氣室之間有壓縮氣通道(單向通往另一儲氣室)，運轉(zhuǎn)時即出現(xiàn)A容積空間的被壓縮燃?xì)膺M(jìn)入B儲氣室，B容積空間被縮燃?xì)膺M(jìn)入A儲氣室。
6、每一活塞式擋板與圓弧面之間，有一半月形滑動密封件(見圖1、圖4);活塞式擋板和半月形密封件中間有可用于潤滑油透過的細(xì)孔。
7、在定子對流方式中，轉(zhuǎn)子的半圓面依次封閉壓縮氣通道入口、儲氣室、廢氣排出口及混合燃?xì)膺M(jìn)口;在轉(zhuǎn)子對流方式中，定子的半圓面依次封閉壓縮氣通道入口、儲氣室，而月牙形容積空間始終處于圓桶型轉(zhuǎn)子的密封狀態(tài)中(比較圖1、圖4)。
8、定子對流方式，混合燃?xì)膺M(jìn)氣口與廢氣排出口呈自然開啟狀態(tài)(閉合由轉(zhuǎn)子半圓面完成);轉(zhuǎn)子對流方式，混合燃?xì)馊肟谂c廢氣排出口有類似活塞式發(fā)動機(jī)的氣閥裝置。此外，定子對流方式，壓縮氣通道口、混合燃?xì)馊肟诩皬U氣排出口，可以設(shè)在定子的側(cè)面端蓋或分隔層上，或者在定子的拱背上;轉(zhuǎn)子對流方式中，壓縮氣通道口則只能在轉(zhuǎn)子圓弧拱圓背上。
9、定子對流方式，儲氣室位置在定子內(nèi)，月牙形容積空間在運轉(zhuǎn)時做圓周運動;轉(zhuǎn)子對流方式，儲氣室位置在轉(zhuǎn)子的拱背上，運轉(zhuǎn)時儲氣室做圓周運動，而月牙形容積空間則在定子弧形內(nèi)腔位置不變化。
10、不論定子對流方式或轉(zhuǎn)子對流方式，發(fā)動機(jī)氣缸總?cè)莘e等于兩個月牙形容積空間的容積之和。
11、定子對流方式，轉(zhuǎn)子的圓弧面為工作面，進(jìn)行吸入混合燃?xì)?、壓縮、受膨脹熱氣壓力作功、排出廢氣;轉(zhuǎn)子對流方式，運轉(zhuǎn)時伸縮的活塞式擋板為工作面，進(jìn)行吸入混合燃?xì)狻嚎s、受膨脹熱氣壓力作功、排出廢氣。
12、不論定子對流方式或轉(zhuǎn)子對流方式，轉(zhuǎn)子每運轉(zhuǎn)一周，發(fā)動機(jī)均可完成兩次熱循環(huán)(即是兩個容積空間內(nèi)各自的熱循環(huán))，進(jìn)氣、壓縮、點燃作功、排氣。
13、此發(fā)動機(jī)的定子冷卻為水循環(huán)，轉(zhuǎn)子冷卻為油循環(huán)。
14、此發(fā)動機(jī)的潤滑方式，轉(zhuǎn)子側(cè)面及軸承由通過轉(zhuǎn)子空腔的潤滑油實現(xiàn)，轉(zhuǎn)子的圓弧面則由活塞式擋板及半月形密封件留有的細(xì)孔滲出實現(xiàn)潤滑。
15、此發(fā)動機(jī)氣體總?cè)萘康恼{(diào)整，通過增大轉(zhuǎn)子直徑、加大轉(zhuǎn)子軸向的寬度，及設(shè)計調(diào)整圓弧面的弧度來增大或減少。
16、此發(fā)動機(jī)的端蓋可以調(diào)整轉(zhuǎn)子側(cè)面的密封程度，轉(zhuǎn)子圓弧面與活塞式擋板的密封，可由活塞式擋板的上蓋來調(diào)整。
17、此發(fā)動機(jī)如是定子對流方式，緊挨儲氣室的活塞式擋板，在旋轉(zhuǎn)方向上處于儲氣室之后;轉(zhuǎn)子對流方式，緊挨儲氣室的活塞式擋板，在旋轉(zhuǎn)方向上處于儲氣室之前。
18、此發(fā)動機(jī)運轉(zhuǎn)中，兩個部分各自完成如下動作當(dāng)A同時進(jìn)行壓縮、燃燒作功時，B正好處于儲氣室密封狀態(tài)，并進(jìn)行吸入混合燃?xì)饧芭懦鰪U氣，反之亦然(參見圖1，圖4)。
以上為此發(fā)動機(jī)的一些基本的設(shè)計特點。與現(xiàn)有的任何發(fā)動機(jī)的技術(shù)相比，它的優(yōu)點在于如下幾個方面一、圍繞單一動力軸運轉(zhuǎn)的兩個動力產(chǎn)生部分，可以更加完美地實現(xiàn)熱循環(huán)，不規(guī)則的燃燒空間可以使空氣的擾動增加，燃燒將更為充分;
二、轉(zhuǎn)子與定子基本處于同一軸心，轉(zhuǎn)子布局的力學(xué)結(jié)構(gòu)合理，完全可以做到定向的平穩(wěn)運轉(zhuǎn)，因此不會產(chǎn)生震動，進(jìn)而消除現(xiàn)有活塞式發(fā)動機(jī)噪音的主要來源。
三、由于發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)子與定子(缸套)擁有設(shè)計可以調(diào)整得到的接觸面，因此易于做到良好的密封;而目前認(rèn)為最有希望的旋轉(zhuǎn)式發(fā)動機(jī)(Wankel發(fā)動機(jī))則無法從根本上解決這一點。同時，此發(fā)動機(jī)的密封程度，能做到補(bǔ)償轉(zhuǎn)子的磨損，得以實現(xiàn)更好的密封及延長轉(zhuǎn)子的使用時間;
四、發(fā)動機(jī)的部件大大減少，尤其是活動的部件減少到最少程度，這就使得制造更加容易，同時做到減少了材料損耗、摩擦損耗及減少噪音的來源。
五、發(fā)動機(jī)的體積大大縮小，因而可以得到更大的比功率，在這種設(shè)計中，與現(xiàn)有技術(shù)實現(xiàn)的活塞式發(fā)動機(jī)相比，在氣缸空間相同的情形下，其體積可以縮少到活塞式發(fā)動機(jī)的三分之一左右(氣缸容積的大小是發(fā)動機(jī)動力大小的一個基本原因)。
六、由于形體的根本性變化，冷卻方式更加簡單。
七、由于運動部件的減少，潤滑方式更加簡單。
八、循此設(shè)計而制造的發(fā)動機(jī)不會是一種精巧的設(shè)計，它可以制造得更加堅固，進(jìn)而產(chǎn)生強(qiáng)大的動力。不僅如此，由于此發(fā)動機(jī)的運行平穩(wěn)，氣缸的內(nèi)壁與轉(zhuǎn)子的圓弧面和半圓面如果采用耐磨擦的陶瓷材料，將會大大增加發(fā)動機(jī)的壽命，而目前的活塞式發(fā)動機(jī)則因處于劇烈的震動狀態(tài)下，采用陶瓷材料難以做到。
以下為附面說明圖一上下兩圖分別是發(fā)動機(jī)(定子對流方式)兩個實現(xiàn)熱循環(huán)的圓截面，圖面可見主軸(1);轉(zhuǎn)子(2部分);定子(2部分);活塞式擋板(4);儲氣室(2);火花塞(2);半月形密封件(4);月牙形容積空間(2);混合燃?xì)馊肟?2);廢氣排出口(2);壓縮燃?xì)馔ǖ廊肟?2);壓縮燃?xì)馔ǖ莱隹?2);水套空腔等。圖中可見兩轉(zhuǎn)子錯位情形下對置的位置。
圖二為定子對流方式的雙轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)截面圖。圖面可見主軸(1);軸承(2);活塞式擋板(2);儲氣室(2);火花塞(4);轉(zhuǎn)子(2);定子(2);密封缸墊;A部通向B儲氣室的壓縮氣通道(1);B部通向A儲氣室的壓縮氣通道(1);水套空腔等;墻蓋(2);中間分隔層(1);兩轉(zhuǎn)子之間的空間內(nèi)，主軸上可安裝渦輪葉片。
圖三為定子對流方式單轉(zhuǎn)子，圖面可見主軸(1);軸承(2);活塞式擋板(2);儲氣室(2);火花塞(2);活塞式擋板(2);轉(zhuǎn)子(1);定子(1);密封缸墊;水套空腔;端蓋(2);
圖四轉(zhuǎn)子對流方式圓截面圖，圖中可見主軸(1);轉(zhuǎn)子;轉(zhuǎn)子上儲氣室(2);火花塞(2);活塞式擋板(4);半月形密封件(4);混合燃?xì)馊肟?2);廢氣排出口(2);轉(zhuǎn)子上壓縮氣通道入口(2);轉(zhuǎn)子上壓縮氣通道出口(2);
注1、轉(zhuǎn)子式對流方式的截面圖可參考圖2、圖3。
2、活塞式擋板由復(fù)位彈簧壓迫，保持與轉(zhuǎn)子圓弧面緊密接觸。
對于上述發(fā)明的最佳實現(xiàn)方式1、定子與轉(zhuǎn)子的制造可采用目前活塞式發(fā)動機(jī)通常的氣缸制造方法。
2、為制造更為長壽的發(fā)動機(jī)，氣缸及轉(zhuǎn)子可加套陶瓷件。
以目前的機(jī)械制造能力，任何一間中型機(jī)械廠均可制造出此發(fā)動機(jī)的樣機(jī)。
權(quán)利要求
本發(fā)明所屬的技術(shù)為動力機(jī)械領(lǐng)域。本發(fā)明并非單一追求獲得輸出旋轉(zhuǎn)動力，而是著重合理的力學(xué)結(jié)構(gòu)，避免目前已在一定范圍內(nèi)應(yīng)用的旋轉(zhuǎn)發(fā)動機(jī)(wankel發(fā)動機(jī))存在的密封不足的缺點，以全新的設(shè)計，形成一個前所未有的動力生成過程，得以實現(xiàn)類似內(nèi)燃發(fā)動機(jī)所需的四沖程動作吸入混合燃?xì)?壓縮-點燃作功-排出廢氣。本發(fā)明特征在于發(fā)動機(jī)輸出旋轉(zhuǎn)動力的內(nèi)部構(gòu)造，分成在單一動力軸上并列的兩個關(guān)聯(lián)部分，分別有各自的儲氣室(燃燒室)、點火裝置、處于同一軸心的轉(zhuǎn)子與定子(缸套)之間形成的月牙形容積空間(兩部分的月牙形容積空間呈錯位反方向180°角)、在轉(zhuǎn)子或定子上呈180°角對置的兩個可復(fù)位的活塞式擋板及半月形密封件、混合燃?xì)馊肟?、廢氣排出口、壓縮氣通道入口、壓縮氣通道出口，以及兩個關(guān)聯(lián)部分各自單向通往另一儲氣室的壓縮氣通道，并通過此壓縮氣通道，使兩個關(guān)聯(lián)部分交替向?qū)Ψ窖a(bǔ)充壓縮的燃?xì)猓c燃后膨脹熱氣體壓力作用于轉(zhuǎn)子圓弧面或活塞式擋板，在圓周運動中實現(xiàn)類似四沖程的動作，產(chǎn)生可直接輸出的旋轉(zhuǎn)動力。
全文摘要
發(fā)動機(jī)輸出旋轉(zhuǎn)動力的內(nèi)部構(gòu)造分成兩個關(guān)聯(lián)的部分，分別有各自的儲氣室(燃燒室)、點火裝置、處于同一軸心的轉(zhuǎn)子與定子(缸套)之間形成的月牙形容積空間(兩部分的月牙形容積空間呈錯位反方向180°角)、在轉(zhuǎn)子或定子上呈180°角對置的兩個可復(fù)位的活塞式擋板及半月形密封件、混合燃?xì)馊肟?、廢氣排出口、壓縮氣通道入口、壓縮氣通道出口，以及兩個關(guān)聯(lián)部分各自單向通往另一儲氣室的壓縮氣通道。此發(fā)明的熱循環(huán)有類似內(nèi)燃發(fā)動機(jī)所需的四沖程動作，并有四種基本形態(tài)的設(shè)計。
文檔編號F02B53/02GK1110758SQ95101299
公開日1995年10月25日 申請日期1995年1月27日 優(yōu)先權(quán)日1995年1月27日
發(fā)明者云曉瓔 申請人:云曉瓔