技术领域：本专利涉及一种发动机，特别是一种旋转活塞式发动机。

背景技术：传统的四冲程活塞往复式发动机是依靠燃料在燃烧室内燃烧推动活塞上下或水平往复运动，再通过连杆和曲轴把活塞的直线运动转化为曲轴的旋转。这种发动机的主要缺点是1.结构复杂，体积大、重量大。2.曲柄连杆机构中活塞的往复运动引起的往复惯性力和惯性力矩不能得到完全平衡，这个惯性力大小与转速平方成正比，使发动机运转平顺性下降，限制发展高转速发动机。3.由于四冲程往复式活塞发动机的工作方式为四个冲程中有三个冲程完全依靠飞轮惯性旋转，导致发动机的功率、扭矩输出非常的不均匀，尽管现代发动机采用了多缸和V型排列来减小这个缺点，但是不可能完全消除。

在20世纪50年代，德国工程师汪克尔在总结前人的研究成果的基础上，解决了一些关键技术问题，研制成功第一台转子发动机。这种发动机避免了活塞的往复运动，直接通过转子在气缸内的旋转来带动发动机主轴旋转，且主轴每旋转一周发动机点火做功一次。因此它比往复式发动机体积较小、重量较轻、且结构较简单，在扭矩输出上也比较均匀而且可以达到较高的转速。但是由于该发动机的燃烧室不太有利于燃料的燃烧和扩散，因此耗油率高且尾气排放污染物较多，同时该发动机低速时扭矩输出不够理想，压缩比也不高，不适合用作于柴油机，这就严重限制了该转子发动机的推广和运用。

发明内容：本发明的目的是提供一种旋转活塞式发动机，它具有体积小，重量轻，结构简单，制造容易，成本低廉，燃油经济性好等诸多优点。

本发明的目的是这样实现的，一种旋转活塞式发动机，它有一个或两个环形气缸，每气缸内有两个旋转体，每个旋转体上有n个活塞，其中n为偶数，一个气缸内的两个旋转体上的两组活塞在气缸内相互间隔安装，它们把这个气缸分隔成2n个可变容积的工作室；该发动机的气缸为圆环形，每个气缸在周向上均匀分布有n/2对进排气口，其中每对进排气口包含一个进气口和一个排气口；有两个推杆、两个连杆、一个转子、一个内轴，一个或两个输出轴，画出发动机的结构简图时，推杆、连杆、内轴和输出轴上各有两个铰链点，且输出轴上的两个铰链点之间的距离和内轴上的两个铰链点之间的距离相等；转子上有三个铰链点，且这三个铰链点在一条直线上，输出轴的一个铰链点安装在固定的缸体上，另一个铰链点和内轴的一个铰链点铰链连接，内轴的另一个铰链点和转子的中间的铰链点铰链连接，转子的两端的两个铰链点分别和一个连杆的一端的铰链点铰链连接，这两个连杆的另一端的铰链点分别和一个推杆一端的铰链点铰链连接，这两个推杆的另一端的铰链中心和输出轴固定在缸体上的那一端的铰链中心同心，且这两个推杆分别和一个气缸内的一个旋转体刚性连接，气缸内的旋转体和输出轴同心转动，且上述发动机在某一位置时，输出轴及内轴上的铰链点在一条直线上，且这条直线和过转子上的三个铰链点的直线垂直。

上述发动机的输出轴相对于固定缸体的转速、内轴相对于输出轴的转速和转子相对内轴的转速比为1+1/n∶-2∶1，特别是n取2或4或6，同时发动机的两个推杆之间的夹角对应于一个气缸内相邻的n-1个工作室即两推杆之间的夹角和一个气缸内相邻的n-1个工作室在周向所占的角度时刻相等。

上述发动机有一个定位块，它以和转子相同的转速绕输出轴的转动中心转动，画出结构简图时，转子沿着这个定位块可以在垂直于转子上两端的铰链点连线且过转子中间铰链点的直线上来回运动，如果这个定位块带有滑孔，那么固定在转子上的杆穿在这个孔内滑动；如果这个定位块是一个滑块，那么滑槽就设置在转子上，滑块在转子的滑槽内来回运动；如果这个定位块是一个杆，那么这个杆穿在转子上的孔内滑动。

上述发动机的输出轴和内轴的转速比是通过一对或两对齿数比为n+1∶2n内啮合齿轮保证的，其中外齿轮固定在内轴上且它的中心为内轴的自转中心，内齿圈固定且它的中心为输出轴的转动中心，如果有两对齿数比为n+1∶2n的内啮合齿轮，那它们将分布在转子的两侧。

上述发动机输出轴和转子的转速比可以通过齿数比为1∶2的一对内啮合齿轮保证，其中内齿圈和转子的自转中心同心且它固定在转子上，外齿轮中心即为内轴的自转中心且该外齿轮相对于输出轴静止不动；输出轴和转子的转速比也可以通过控制定位块的转速来实现，即通过行星齿轮机构使定位块和输出轴同心同向转动，转速为输出轴的1/(n+1)。

上述发动机的两推杆、两连杆这种具有两个较大距离的铰链点且受力较小的杆可以是曲轴、带有两个孔的杆、带有一个销和一个孔的杆、带有一个销和两个同心孔的杆、带有一个孔和两个同心孔的杆或带有两个销的杆；内轴及输出轴这种具有两个较小距离的铰链点且受力较大的构件可以是曲拐、曲轴、带有偏心轴颈的轴或偏心套；同时两推杆、两连杆、输出轴、内轴或转子都可以采用增加虚约束构件的方式提高其受力性能，即原来一个构件的地方可以用两个构件代替，只是这两个构件的铰链点运动轨迹相同。这样输出轴和内轴的组合方式可以采用以下方案之一：1、输出轴采用曲轴方式，内轴采用偏心套方式；2、输出轴采用偏心套方式，内轴采用曲轴方式；3、输出轴采用曲拐方式，内轴采用偏心套方式；4、输出轴采用偏心套方式，内轴采用曲拐方式。

上述发动机结构使得转子每旋转一圈时，带动两旋转体各旋转一周，输出轴旋转n+1转，内轴旋转2n转，发动机上的2n个工作室的每个工作室完成2n个冲程，若发动机为四冲程的话，每个工作室在转子转动一周的过程中将做功n/2次，所有n应取偶数。

上述四冲程发动机共有2n个工作室，在转子旋转一周中每个工作室做功n/2次，这样发动机在转子转动一周的过程中共完成做功n2次，如此高的做功密度，使得该发动机在保证相同功率输出的情况下，体积和重量较往复式发动机大幅降低，这不但为制造发动机节约了大量的材料，而且使发动机更加的小巧，更方便安装。同时该发动机还有下面的几个显著的优点：

1、发动机的转子的转速只有驱动轴转速的1/(n+1)，这样就大大减小了驱动转子转动的齿轮的载荷，提高了发动机的可靠性。

2、发动机没有曲柄连杆机构，且进气口和排气口依靠旋转体本身的运动来打开和关闭；不再需要配气机构，包括正时齿轮、凸轮轴、摇臂、气门、气门弹簧等，这就使组成发动机所需要的部件大幅度减少。导致了发动机机构大为简化，零件减少。

3、发动机旋转体上的活塞和圆环形气缸之间不直接接触，而是通过活塞环接触且活塞没有对缸体产生侧向作用力，这就使两者间的磨损大大减轻，从而提高了发动机的可靠性和使用寿命。

4、通过改变该发动机的活塞在周向所占的角度的大小，能根据需要在很大范围内设置发动机的压缩比，这使得该发动机更为通用化。

5、发动机没有了活塞的直线往复运动和一系列高速运动的气门机构，这就大大减轻了发动机的振动和噪音，从而使该发动机运转更平稳、更安静。

6、发动机的燃烧室比较适合于燃料的燃烧且散热面积较小，从而使发动机具有良好的燃油经济性和排放性能。

7、发动机的驱动轴采用双偏心机构，这使得发动机的每个工作室容积比采用单偏心方式时的工作室容积大得多，且发动机气缸内的燃气压力能更好的转化为发动机的扭矩输出，并且这种结构中发动机气缸内的燃气压力或活塞运动的惯性力通过推杆、连杆转化为对转子两端的作用力，它的大小接近相等，这就可以有效的消减燃气压力对控制转子转速的机构的作用力。

当然上述机构不仅可以用于作为四冲程发动机也可以用作于气泵，油泵等两冲程泵，这时n值不仅可以取偶数也可以取奇数，同时作为二冲程泵时上述的发动机的输出轴可以作为泵的输入轴使用。

附图说明：

图1A-1I为该发动机的基本结构简图及相应的时序图。

图2A-2I为n＝4时所对应的发动机的结构简图及相应的工作时序图。

图3为发动机的输出轴采用曲轴方式、内轴采用偏心套方式时，发动机的剖面图。

图4为发动机的输出轴采用偏心套方式、内轴采用曲轴方式时，发动机的剖面图。

图5为发动机的输出轴采用偏心套方式、内轴采用曲拐方式时，发动机的剖面图。

图6为发动机的输出轴采用曲拐方式、内轴采用偏心套方式时，发动机的剖面图。

具体实施方式：

如图1所示，画出发动机的结构简图，在初始位置时AB和BC在一条直线上且这条直线和FG垂直，若输出轴1绕C点相对于固定缸体的转速、内轴2绕B点相对于输出轴1的转速、转子3绕A点相对于内轴2的转速比为1∶-2∶1，且输出轴的偏心量即BC长和内轴的偏心量即AB长相等，那么A点将始终在一条水平线段上来回运动，该线段的两端点到C点的长度都为AB+BC长，所以可以设置一个静止的定位块，它可保证转子沿着这个定位块，在这条线段上来回滑动。由于转子相对于固定缸体的转速为零，所以转子上的两端点F和G也和C点运动相似，都是在一条线段上来回运动。连杆6的长度为DF，连杆7的长度为EG，推杆4的长度为DC，推杆5的长度为EC，上述各点都是对应的相连接的杆或轴的铰链点，且AB＝BC、CD＝CE、DF＝EG、FA＝GA。转子水平运动到最右端时角∠DCE最大，运动到最左端时角∠DCE最小，在输出轴1旋转一周的过程中角∠DCE从最大角逐渐减小到最小角再逐渐增大到最大角。

如图1所示(参见图2)，设输出轴1的转速为w0，将上述所有运动件加上一个相对于固定缸体大小为w0/n，方向和w0相同，绕C点的转速，即输出轴转速变为w0+w0/n，而其他运动件相对于输出轴的转速不变。这样输出轴1绕C点相对于固定缸体的转速、内轴2绕B点相对于输出轴的转速、转子3绕A点相对于内轴的转速比为(n+1)/n∶-2∶1，定位块以相对于固定缸体大小为w0/n的转速和输出轴同心同向转动，因此它的转速为输出轴的转速的1/(n+1)。由于所有运动件上的点绕C点以w0/n的速度运动的运动轨迹为以该点到C点的距离为半径，且以C点为圆心的圆。A点原来的运动轨迹为一线段，加入w0/n的速度后运动轨迹为一个绕C点，周向均匀分布的2n个瓣，每个瓣的顶点对应原来线段的端点。所以A点运动到每个瓣的顶点时对应的角∠DCE最大或最小，则在转子转动一周过程中，∠DCE在周向间隔出现n个最大角和n个最小角，且最大和最小角之和为360/n。

如图2所示(参见图1)，让推杆4和推杆5分别和气缸内的一个旋转体刚性连接，且在每个旋转体上周向各均匀分布有m个活塞，且两组活塞间隔安装，每两个活塞之间形成一个可变容积的工作室，则工作室共有2m个。让两个相邻工作室的容积变化刚好相反，即一个工作室容积最大时另一个工作室容积恰好最小，且这两个工作室对应的夹角之和始终为360/m度。若让∠DCE对应于n-1个工作室，那么发动机的每个工作室将随∠DCE在周向间隔出现n个最大容积和n个最小容积。

如图2所示，工作室②和工作室①相邻，它和工作室①的容积变化恰好相反。设计时，应保证工作室②和工作室①具有相同的工作位置(发动机的点火位置、进排气位置等)。设工作室出现最小角或最大角时对应的角的平分线位置为工作室的最小角位置或最大角位置，则工作室①的最小角位置之一为k度，那么与之相邻的它的最大角在k+360/2n度位置，当工作室①达到最大角且在k+360/2n度位置时，对应的工作室②达到最小角且位置为k+360/2n+360/2m，若360/2n+360/2m的值为360/n的z倍(z为自然数)，就能保证工作室②和工作室①具有相同的工作位置，因此1/2n+1/2m＝z/n即n＝(2z-1)×m，在实际运用中，z只适合于取1即n＝m，上述结构中，转子2每旋转一圈时，带动两旋转体各旋转一周，输出轴旋转n+1转，发动机上的2n个工作室的每个工作室完成2n个冲程，若发动机为四冲程的话，每个工作室在转子转动一周的过程中将做功n/2次，这样n应为偶数。

如图3所示(参见图2)，发动机的气缸为圆环形，每个气缸在周向上均匀分布有n/2对进排气口，其中每对进排气口包含一个进气口和一个排气口。发动机的气缸是通过两个固定缸体10h和11h和两个旋转体8h和9h装配而成。两旋转体和输出轴1h同心安装，且两旋转体上的活塞在过旋转体的旋转中心轴上的截面为圆形，该截面圆的半径略小于圆环气缸的圆半径，在每个活塞上都安装有活塞环，气缸内的两个旋转体可以直接或间接与两个推杆4和5刚性连接，且两个推杆之间的夹角对应于气缸内相邻的n-1个工作室即两推杆之间的夹角和一个气缸内相邻的n-1个工作室在周向所占的角度时刻相等。两个推杆和转子之间通过两个连杆6和7铰链连接。

输出轴和内轴的组合方式可以采用以下方案之一：1、如图3所示，输出轴1h采用曲轴方式，内轴2h采用偏心套方式。在这种方案中发动机的转子的转速可以通过定位块25h控制，即通过行星齿轮机构使定位块25h以输出轴转速的1/(n+1)和输出轴1h同心运动，定为块再带动转子3h同速转动，内轴2h的转速可以通过分布在转子3h两侧的两对齿数比为n+1∶2n内啮合齿轮控制，其中外齿轮2j和2k固定在内轴上且它的中心为内轴的自转中心，固定套17h和18h上的内齿圈的中心为输出轴的转动中心，发动机的气缸和控制转子转速的行星齿轮分布在转子的两侧；2、如图4所示，输出轴1g或1j采用偏心套方式，内轴2g采用曲轴方式；在这种方案中发动机的转子3g的转速可以通过转子内部的一对齿数比为1∶2的内啮合齿轮保证，其中内齿圈和转子的自转中心同心且它固定在转子上，外齿轮20g中心即为内轴的自转中心且该外齿轮相对于输出轴静止不动；发动机的内轴的转速可以通过两对齿数比为n+1∶2n内啮合齿轮控制，其中外齿轮固定在内轴2g上且它的中心为内轴的自转中心，固定套17g和18g上的内齿圈的中心为输出轴的转动中心，发动机的气缸可以只有一个也可以有两个，当发动机有两个气缸时，它们分布在转子3g的两侧；3、如图5所示，输出轴1e采用偏心套方式，内轴2e采用曲拐方式。在这种方案中发动机的转子3e的转速可以通过转子内部的一对齿数比为1∶2的内啮合齿轮保证，其中内齿圈15e和转子的自转中心同心且它固定在转子上，外齿轮中心即为内轴的自转中心且该外齿轮相对于输出轴静止不动；发动机的内轴2e的转速可以通过一对齿数比为n+1∶2n内啮合齿轮控制，其中外齿轮固定在内轴2e上且它的中心为内轴的自转中心，内齿圈21e固定在固定的缸体上且它的中心为输出轴1e的转动中心，且齿数比为n+1∶2的一对内啮合齿轮和发动机的气缸分布在转子的两侧；4、如图6所示，输出轴1f采用曲拐方式，内轴2f采用偏心套方式。在这种方案中发动机的转子的转速可以通过定位块25f控制，即通过行星齿轮机构使定位块25f以输出轴1f转速的1/(n+1)和输出轴同心运动，定为块再带动转子3f同速转动；发动机的内轴2f的转速可以通过一对齿数比为n+1∶2n内啮合齿轮控制，其中外齿轮固定在内轴上且它的中心为内轴的自转中心，内齿圈21f固定在固定的缸体上且它的中心为输出轴的转动中心，且齿数比为n+1∶2的一对内啮合齿轮和发动机的气缸分布在转子的两侧。

如图4所示(参见图3、图5和图6)在上述四个方案所对应的发动机都可以有一个定位块，它以和转子相同的转速绕输出轴的转动中心转动，若画出结构简图时，转子沿着这个定位块可以在垂直于转子上两端的铰链点连线且过转子中间铰链点的直线上来回运动，如果这个定位块带有滑孔，那么固定在转子上的杆穿在这个孔内滑动；如果这个定位块是一个滑块，那么滑槽就设置在转子上，滑块在转子的滑槽内相对来回运动；如果这个定位块是一个杆，那么这个杆穿在转子上的孔内滑动。在上述方案2和方案3中加上定位块25g、25e后可以有效分担转子内部的一对齿数比为1∶2的内啮合齿轮的受力，提高机构的可靠性。

上述发动机的两推杆、两连杆这种具有两个较大距离的铰链点且受力较小的杆可以是曲轴、带有两个孔的杆、带有一个销和一个孔的杆、带有一个销和两个同心孔的杆、带有一个孔和两个同心孔的杆或带有两个销的杆；当然两推杆、两连杆、输出轴、内轴或转子都可以采用增加虚约束构件的方式提高其受力性能，即原来一个构件的地方可以用两个构件代替，只是这两个构件的铰链点运动轨迹相同。

如图5所示(参见图3、图4和图6)，由于该机采用了双偏心运动方式，为了使发动机运转平衡，需要在在输出轴上安装平衡块18e；同时为了平衡内轴自转产生的作用力，可以安装上平衡块20e，并且通过行星齿轮机构，让平衡块20e和内轴同速同向转动，既其的转动速率为输出轴1e转速的n-1/n+1，转向和输出轴相反。

如图2所示，取n＝4则输出轴相对于固定缸体的转速、内轴相对于输出轴的转速和转子相对内轴的转速比为5∶-8∶4，两推杆之间的夹角∠DCE对应于气缸内相邻的n-1个工作室即3个工作室，介绍发动机的基本结构。由于n＝4所以每个旋转体上各有4个活塞，这8个活塞共形成8个工作室，转子旋转一周带动两旋转体各旋转一周，发动机的每个工作室点火做功2次，且转子旋转一周，输出轴旋转5周。

如图2所示，让推杆4和推杆5之间的夹角∠DCE对应于三个工作室①、②和③，其中∠DCH对应于工作室①、∠HCI对应于工作室②、∠ICE对应于工作室③，由于∠HCI+∠ICE始终为90度，因此∠DCE最大时工作室①容积最大，∠DCE最小时工作室①容积最小，那么工作室①将随∠DCE在周向间隔出现4个最大容积和4个最小容积，从图2B→图2I分别顺序表示这8种状态，这样转子转动一圈，每个工作室将完成两个工作循环。

上述机械结构不仅可以作为四冲程发动机使用，也可以作为二冲程的泵使用如：油泵，压缩机，真空泵，水泵等，这时n值不仅可以取偶数也可以取奇数，并且原发动机的输出轴可以作为泵的输入轴使用。