技术领域
[0001] 本
发明涉及一种燃烧发动机，特别是涉及一种旋转
活塞式发动机。
背景技术
[0002] 一般发动机是往复运动式发动机，工作时活塞在
气缸里做往复直线运动，为了把活塞的直线运动转化为旋转运动，必须使用
曲柄连杆机构。分析
往复式发动机的做功过程：当活塞压缩空气到达上死点时燃气爆燃，这时燃气的压
力最大，但这时曲柄和连杆几乎是一条直线，虽然燃气的压力最大，但曲柄的
位置所构成的
力臂小，所以这时发动机产生的
扭矩并不大，随着曲柄的转动力臂逐渐增大，当曲柄转至与活塞运动方向垂直时，力臂达到最大值，随后又逐渐变小，当曲柄与活塞运动成一条直线时，力臂为零。在整个转动过程中，力臂的变化可以用一条正弦函数曲线表示。如何能提高发动机的效率？也就是在燃气爆发的瞬间有足够的空间使其膨胀，从而迅速释放
能量。能量释放速度越快则效率越高，反之亦反。往复式发动机在燃气燃烧爆发的最初时刻，
燃烧室的空间不是线性规律变化而是以正弦函数变化，不利于能量的释放。这时燃烧室的高温气体，有相当一部分能量以热的形式通过缸筒、缸盖、活塞等散失掉，这就是往复式发动机效率低的根本原因。德国人菲加士·汪克尔在1957年研制出一种旋转活塞式发动机，后经过多方多次改进和完善，已发展为一种较成熟的
转子发动机，并且在
马自达公司出产的
汽车上得到应用。该转子发动机主要由一个椭圆形缸体和一个设置在其中的三
角转子构成，椭圆形缸体内的空间始终被三角转子分为三个工作室，三角转子转动时工作室也随之转动，依次在摆线型缸体内的不同位置处完成进气、压缩、作功(燃烧)和排气四个过程。由于转子发动机将空燃混合气燃烧产生的膨胀压力直接转化为三角形转子和偏
心轴的转动力，所以不需要设置连杆，进气口和排气口依靠转子本身的运动来打开和关闭；不再需要
配气机构，包括正时齿带、
凸轮轴、
摇臂、气
门、气门
弹簧等，而这在往复式发动机中是必不可少的一部分，因此转子发动机比往复式发动机所需的部件大幅减少，从而减小发动机的体积和重量以及制造成本。又由于在往复式反动机中，活塞本身就是一个振动源，同时气门机构也会产生令人讨厌的机械噪音，而转子发动机平稳的转动运动产生的振动相当小，而且没有气门机构，因此能够更平稳和更安静的运行。
[0003] 然而汪克尔转子发动机也因为其特殊的结构造成其也有不可弥补的
缺陷，一、燃烧室的结构不能根据功能进行结构优化，使
燃料不能充分燃烧，并且对转子作功的力臂和时间较短，扭矩较小，扭矩小是汪克尔转子发动机的致命缺陷；二、三角转子与
输出轴之间的
传动系统组件的偏心运动导致了对发动机速度的限制，并引起了动态平衡问题。基于上述缺陷的影响，汪克尔转子发动机一直得不到大规模的推广和应用。
发明内容
[0004] 本发明要解决的技术问题是提供一种结构简单，燃料作功效率高，转子与输出轴之间的传动系统无偏心问题，同时具备汪克尔转子发动机诸多优点的新型转子发动机。
[0005] 本发明转子发动机，包括缸体、主转子和至少两个子转子，所述主转子和子转子纵向设置在缸体内部，且主转子与缸体共轴设置，缸体的轴向两端设有大端盖，[0006] 所述子转子为横截面大体是月牙型的柱体，子转子截面外圆半径为r，子转子外圆圆心O’与子转子两个尖角J、J’之间构成子转子开口角β，所述子转子两个尖角J、J’之间设有相对子转子β角平分线对称的曲线l1和l1’，所述曲线l1和l1’构成子转子的内弧面JJ’，所述内弧面JJ’的曲线l1段上设有过气槽，
[0007] 所述主转子大体为圆柱体，其截面半径为R，所述主转子圆心O与子转子外圆圆心O’之间的圆心距为L，R+r＞L＞R，所述主转子的外壁上均匀分布有与子转子数量相等的弧形凹槽，所述弧形凹槽适于子转子在其中自转，且弧形凹槽始终容纳子转子的至少一部分，[0008] 所述缸体的内壁大体为圆柱体，缸体截面半径为L+r，缸体内壁上设有至少一组内凸起，所述每组内凸起包含两个沿缸体内壁均匀分布的凸点T和T’，所述凸点T和T’的两侧分别通过两条相对缸体半径对称的曲线l2和l2’与缸体内壁相连接，所述两条l2曲线上都设有卸压槽，其中所述凸点T两侧的l2和l2’曲线上分别设有排气口和进气口，所述凸点T’一侧的l2’曲线上设有喷油嘴或
火花塞，
[0009] 还包括驱动子转子自转的子转子驱动装置，当主转子绕圆心O转动时，子转子驱动装置驱动子转子绕圆心O’反向转动，且子转子的转动
角速度是主转子转动角速度的N倍，所述N为内凸起组数的偶数倍，
[0010] 当子转子转动至内凸起位置处时，所述子转子的开口与内凸起相对，所述凸点T或T’依次与子转子内的曲线l1和l1’相
接触，所述尖角J和J’分别与内凸起上的曲线l2和l2’始终相接触。
[0011] 本发明转子发动机，其中所述曲线l2和l2’为子转子随主转子转动时尖角J和J’的运动轨迹，曲线l2和l2’在TOT’为X轴的直角
坐标系中的坐标方程为：
[0012] X＝L*COSα+r*COS(β/2+(1-N)*α)，
[0013] Y＝ L*SINα+r*SIN(β/2+(1-N)*α)，其 中α 为 主 转 子 的 旋 转 角 度，β/4≥α≥-β/4；
[0014] 所述曲线l1和l1’为子转子随主转子转动时凸点T或T’相对子转子的运动轨迹，曲线l1和l1’在以子转子对称轴为X轴的直角坐标系中的坐标方程为：
[0015] X’＝-L*Sinα*Sin((1-N)*α)+(-W+L*Sinα*tg(α/2))*Cos((1-N)*α)，[0016] Y’＝-L*Sinα*Cos((1-N)*α)-(-W+L*Sinα*tg(α/2))*Sin((1-N)*α)，[0017] 其中α为主转子的旋转角度，W＝L-R。
[0018] 本发明转子发动机，其中所述子转子驱动装置包括小端盖、
齿轮和齿圈，所述大端盖的内端分别与主转子的轴向两端固定连接，所述大端盖上设有适于小端盖在其中自转的通孔，所述小端盖的内端与子转子的轴向两端固定连接，所述小端盖的外端连接有与子转子共轴的齿轮轴，所述齿轮轴外端穿过通孔连接有齿轮，所述缸体两端向
外延伸有凸台，所述齿圈固定安装在缸体的凸台上，且齿圈与主转子共轴，所述齿轮与齿圈想
啮合，其中齿圈的
基圆半径为齿轮基圆半径的N倍。
[0019] 本发明转子发动机，其中还包括输出轴，所述输出轴通过拐臂与大端盖固定连接，且输出轴与主转子共轴。
[0020] 本发明转子发动机，其中还包括冷却系统，所述冷却系统包括设置在缸体壁内的第一冷却腔，设置在主转子内的第二冷却腔和设置在子转子内的第三冷却腔，所述第一冷却腔通过设置在缸体壁上的
冷却液进、出口与冷却液箱相连通，所述第二冷却腔和第三冷却腔通过设置在大端盖、小端盖、拐臂和输出轴上的贯通冷却通道与冷却液箱相连通。
[0021] 本发明转子发动机，其中还包括外端盖，所述外端盖与凸台的外端固定连接，所述输出轴的外端穿过外端盖上的轴孔。
[0022] 本发明转子发动机，其中所述外端盖与凸台连接部位之间设有密封垫，所述轴孔内装有旋转
密封圈。
[0023] 本发明转子发动机，其中所述子转子为两个，所述内凸起为一组，所述凸点T和T’相对缸体轴心对称分布，所述N为2。
[0024] 本发明转子发动机，其中所述子转子为三个，所述内凸起为一组，所述凸点T和T’相对缸体轴心对称分布，所述N为2。
[0025] 本发明转子发动机，其中所述子转子为四个，所述内凸起为两组，所述两个凸点T和两个凸点T’交替分布在缸体内壁上，所述N为4。
[0026] 本发明转子发动机中的内凸起将缸体分为四个工作区，当子转子的开口相对凸点T一侧的曲线l2’时，进气口向缸体内输入空气，此时为本发明转子发动机的进气阶段；然后子转子随着主转子转动至凸点T’一侧，此时子转子的一个尖角J开始与凸点T’相接触，接着凸点T’经过子转子内弧面JJ’的曲线l1段，而尖角J和J’分别与T’两侧的曲线l2’和l2相接触，而子转子与缸体内壁之间的空间缩小，此过程为本发明转子发动机的压缩阶段；当子转子转动至尖角J’与凸点T’相接触时，喷油嘴向子转子的开口和曲线l2’构成的空间内注入燃料，之后点燃燃料，燃料燃烧膨胀作功推动子转子向远离凸点T’的区域运动，同时子转子带动主转子旋转，此过程为本发明转子发动机的作功阶段；然后子转子继续转动，当子转子转动至其开口内的空间与排气口连通时，开始将缸体内燃烧后的废气从排气口向缸体外排出，当尖角J与凸点T相接触时，子转子的开口朝向位于曲线l2上的排气口，随着尖角J绕过凸点T与曲线l2’相接触，子转子开口与内凸起之间的空间越来越小，其中的废气被从排气口挤出，此过程为本发明转子发动机的排气阶段；当凸点T开始与子转子内弧面JJ’上的曲线l1’时，尖角J’绕过排气口，排气阶段结束，进气口即将朝向子转子的内弧面JJ’，即开始另一个新的循环。在膨胀阶段，子转子对主转子作功时，主转子的受力面离主转子圆心O较远，且受力方向基本沿主转子切线方向，因此子转子对主转子作功的力矩较大，作功效率高；而且燃料燃烧后气体膨胀速度较快，
膨胀率较高，使得燃料能够充分燃烧，并且膨胀燃气对子转子的做功时间较长，发动机的效率更高；在整个工作过程中，主转子始终绕定轴转动，没有任何的偏心运动，使得动力输出更加稳定，转速更高。
[0027] 下面结合
附图对本发明的转子发动机作进一步说明。
附图说明
[0028] 图1a为本发明转子发动机的子转子(安装有小端盖)的正视图；
[0029] 图1b为图1a的A-A方向剖视图；
[0030] 图1c为图1b的B-B处剖面图；
[0031] 图2a为本发明转子发动机第一种实施方式的正视剖视图；
[0032] 图2b为图2a的C-C处剖面图；
[0033] 图2c为本发明转子发动机第一种实施方式的侧视剖视图；
[0034] 图2d为图2c的D-D方向剖视图；
[0035] 图3a、图3b、图3c和图3d为本发明转子发动机第一种实施方式的工作过程示意图；
[0036] 图4为本发明转子发动机第一种实施方式中曲线l1、l1’、l2和l2’的坐标图；
[0037] 图5为本发明转子发动机第二种实施方式结构示意图；
[0038] 图6为本发明转子发动机第三种实施方式结构示意图。
具体实施方式
[0039] 如图1a至图1c所示，本发明转子发动机的子转子3为横截面大体是月牙型的柱体，子转子3截面外圆半径为r，子转子3外圆圆心O’与子转子3两个尖角J、J’之间构成子转子开口角β，子转子3两个尖角J、J’之间设有相对子转子3外圆半径对称的曲线l1和l1’，曲线l1和l1’构成子转子3的内弧面JJ’，内弧面JJ’的曲线l1段上轴向间隔加工有过气槽5。
[0040] 本发明转子发动机的第一种实施方式：
[0041] 如图2a和图2b所示，包括缸体1、主转子2和两个子转子3、3’，主转子2和子转子3、3’纵向设置在缸体1内部，且主转子2与缸体1共轴设置，缸体1的轴向两端安装有大端盖4、4’，大端盖4、4’的内端与主转子2的两端通过螺钉固定连接在一起。主转子2大体为圆柱体，其截面半径为R，主转子2圆心O与子转子3、3’外圆圆心O’之间的圆心距为L，R+r＞L＞R，主转子2的外壁上均匀分布有两段弧形凹槽6，弧形凹槽6的半径略大于子转子3、3’半径，适于子转子3、3’在其中自转，且在整个工作过程中弧形凹槽6始终容纳子转子3、3’的至少一部分，即子转子3、3’的外圆面或尖角J和J’。缸体1的内壁大体为圆柱体，缸体1截面半径为L+r，缸体1内壁上设有一组内凸起7、7’，内凸起7、7’包含两个沿缸体1轴心对称分布的凸点T和T’，凸点T和T’的两侧分别通过两条相对缸体1半径对称的曲线l2和l2’与缸体1内壁相连接，两条l2曲线上都设有卸压槽8，其中凸点T两侧的l2和l2’曲线上分别设有排气口9和进气口10，凸点T’一侧的l2’曲线上设有喷油嘴11。
[0042] 结合2c和图2d所示，大端盖4上设置有两个圆形通孔，通孔内设置有圆形小端盖12、12’，小端盖12、12’的内端通过螺钉与子转子3、3’的两端固定连接，小端盖12、12’的外端固定连接有与子转子3、3’共轴的齿轮轴16，齿轮轴16外端穿过通孔连接有齿轮13、
13’，缸体1两端向外延伸有凸台17，凸台17上固定安装有两个齿圈14、14’，且齿圈14、14’与主转子2共轴，齿轮13、13’分别与齿圈14、14’相啮合，其中齿圈14、14’的基圆半径为齿轮13、13’基圆半径的2倍。大端盖4、4’、小端盖12、12’、齿轮13、13’和齿圈14、14’构成了本发明中的子转子驱动装置，当主转子2和大端盖4、4’绕轴心O转动时，大端盖4、4’带动小端盖12、12’绕轴心O旋转，由于齿轮13、13’与齿圈14、14’的啮合作用，且齿圈14、
14’基圆半径是齿轮13、13’基圆半径的2倍，所以当大端盖4、4’和主转子2旋转一圈时，小端盖12、12’和子转子3、3’反向旋转两圈。凸台17的外端还通过
螺栓安装有外端盖26，凸台17与外端盖26的连接处装有密封垫28，外端盖26的中心位置加工有轴孔27，大端盖
4、4’的外端面上通过一对拐臂19连接有输出轴18，输出轴18的外端从轴孔27穿过外端盖26，轴孔27处安装有旋转密封圈29。
[0043] 本发明转子发动机中还设置有冷却系统，冷却系统包括设置在缸体1壁内的第一冷却腔20，设置在主转子2内的第二冷却腔21和设置在子转子3、3’内的第三冷却腔22、22’，第一冷却腔20通过设置在缸体1壁上的冷却液进、出口23、24与冷却液箱相连通，第二冷却腔21和第三冷却腔22、22’通过设置在大端盖4、4’、小端盖12、12’、拐臂19和输出轴18上的贯通冷却通道25、25’与冷却液箱相连通，将冷却液从一端的输出轴18注入贯通冷却通道25、25’中，冷却液经过贯通冷却通道25流入主转子2内的第二冷却腔21和子转子3、3’内的第三冷却腔22、22’内，然后经过另一端的贯通冷却通道25’从另一端的输出轴18流出回到冷却液箱中，完成对主转子2和子转子3、3’的冷却，密封垫28和旋转密封圈29是为了避免冷却液从缸体1和外端盖26处溢出。
[0044] 本发明转子发动机第一种实施方式的工作过程如图3a至图3d所示：
[0045] 如图3a所示，当子转子3的开口相对凸点T一侧的曲线l2’时，进气口10向缸体1内输入空气，此时为本发明转子发动机的进气阶段。
[0046] 如图3b所示，主转子2和子转子3绕轴心O顺
时针旋转，同时子转子3绕轴心O’逆时针旋转，子转子3从位于主转子2上方开始将其右侧空气压缩至如图3c所示的凸点T’上方的空间内，此时子转子3的一个尖角J开始与凸点T’相接触，随着子转子3继续旋转，凸点T’经过子转子3内弧面JJ’的曲线l1段，而尖角J和J’分别与T’两侧的曲线l2’和l2相接触，凸点T’上方的空气通过曲线l1上的过气槽5进入凸点T’的下方，如图3d所示，凸点T’下方的空气被压缩至最小体积，此过程为本发明转子发动机的压缩阶段。
[0047] 如图3a所示，子转子3’继续旋转，凸点T’上方残留的空气通过曲线l2上的卸压槽8进入缸体1上部，此时喷油嘴11向凸点T’下方空间内注入燃料，点燃燃料后，凸点T’下方的混合气体膨胀推动子转子3’绕轴心O顺时针旋转，同时子转子3’对主转子2作功使主转子2绕轴心O顺
指针旋转，此过程为本发明转子发动机的作功阶段。
[0048] 如图3b所示，子转子3’从凸点T’下方运动到主转子2下方，之后子转子3’开口内空间与凸点T下方的排气口连通，如图3c所示，随着子转子3’向凸点T运动，主转子2下方空间内的废气被子转子3’从排气口9挤出，此时子转子3’的一个尖角J开始与凸点T相接触，随着子转子3’继续旋转，凸点T经过子转子3’内弧面JJ’的曲线l1段，而尖角J和J’分别与T两侧的曲线l2’和l2相接触，如图3d所示，凸点T下方的废气从排气口9排出，子转子3’尖角J’绕过排气口9，尖角J接近进气口10，此过程为本发明转子发动机的排气阶段。
[0049] 如图3a所示，子转子3继续旋转，凸点T下方残留的废气通过曲线l2上的卸压槽8进入缸体1下部，子转子3的开口朝向进气口10，开始一个新的循环。在本实施方式中，主转子2旋转一圈，子转子3、3’共做两次功。
[0050] 根据上述的工作过程，结合图4可以得到以下结论：曲线l2和l2’为子转子3、3’随主转子2转动时尖角J和J’的运动轨迹，曲线l2和l2’在TOT’为X轴的直角坐标系中的坐标方程为：
[0051] X＝L*COSα+r*COS(β/2+(1-N)*α)，
[0052] Y ＝ L*SINα+r*SIN(β/2+(1-N)*α)，α 为 主 转 子 2 的 旋 转 角 度，β/4≥α≥-β/4；
[0053] 曲线l1和l1’为子转子3、3’随主转子2转动时凸点T或T’相对子转子3、3’的运动轨迹，曲线l1和l1’在以子转子3、3’对称轴为X轴的直角坐标系中的坐标方程为：
[0054] X’＝-L*Sinα*Sin((1-N)*α)+(-W+L*Sinα*tg(α/2))*Cos((1-N)*α)，[0055] Y’＝-L*Sinα*Cos((1-N)*α)-(-W+L*Sinα*tg(α/2))*Sin((1-N)*α)，[0056] α为主转子2的旋转角度，W＝L-R，在本发明第一种实施方式中N＝2。
[0057] 本发明转子发动机的第二种实施方式：
[0058] 如图5所示，第二种实施方式与第一种实施方式的区别在于缸体内设置有三个子转子，三个子转子均匀分布在主转子外壁上，大端盖上对应设置三个小端盖，每个小端盖都连接有一个齿轮，齿圈基圆半径仍然是齿轮基圆半径的2倍，本实施方式与第一种实施方式的工作过程相同，唯一区别在于主转子旋转一圈，子转子共做三次功。
[0059] 如图6所示，第三种实施方式的缸体内壁上设置有两组内凸起，两个凸点T和两个凸点T’交替分布在缸体内壁上，缸体内设置有四个子转子，大端盖上对应设置有四个小端盖，每个小端盖都连接有一个齿轮，齿圈基圆半径仍然是齿轮基圆半径的4倍，在本实施方式中，每个子转子绕主转子旋转一圈做两次功，主转子旋转一圈，子转子共做八次功。
[0060] 以上所述的
实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种
变形和改进，均应落入本发明
权利要求书确定的保护范围内。
