所属技术领域：

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运动。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，其中有三个冲程完全 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。同时它 也可以被用作为气泵、油泵之类的产品。

本发明的目的是这样实现的，一种旋转活塞式发动机主要的运动 件有：输出轴(1)、内偏心轴(2)、转子(3)、两旋转体(8和9) 等。输出轴相对于固定缸体的转速、内偏心轴相对于输出轴的转速、 转子相对于内偏心轴的转速比为(n+1)/n∶-2∶1(n为自然数)。转子 上绕转子自转中心180对置的两端分别和一个旋转体可控连接，每个 旋转体上周向均匀分布有m个活塞且两个旋转体上的两组活塞相互 间隔安装，每两个活塞之间形成一个可变容积的工作室，2m个活塞 共形成2m个工作室。为了使相邻的两个工作室具有相同的工作位置 (发动机的点火、进排气等位置)，n和m的比值应为2p-1∶1(p为 自然数)。这样转子每旋转1转时，输出轴旋转n+1转，发动机上的 2n/(2p-1)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，该冲程数应为4的倍数即n应为偶数，也就是转子旋转一周带 动两旋转体各旋转一周，该四冲程发动机的每个工作室做功n/2次。

上述旋转活塞式发动机中若输出轴以w0+w0/n的恒定角速度连 续转动时，其中w0为常数，两旋转体的运动可以分解成以w0/n的 角速度旋转的运动和一个以周期性波动的角速度在一定的转角范围 内来回摆动的运动。第一组活塞和第二组活塞随两旋转体以周期性波 动的角速度旋转，两相邻活塞不断的相互靠近再相互远离，在进气冲 程时，两相邻活塞相互远离将混合气吸入气缸；在压缩冲程时，两相 邻活塞相互靠近将混合气压缩；在做功冲程时，两相邻活塞相互远离 将燃气压力转化为发动机的扭力输出；在排气冲程时，两相邻活塞相 互靠近将废气排出气缸。

满足上述要求的n值对应的四冲程发动机有以下特性：发动机每 个旋转体上有n/(2p-1)个均匀分布的活塞，两个旋转体上的两组活塞 共形成2n/(2p-1)个工作室。转子旋转一周带动两旋转体各旋转一周， 两组活塞在气缸内各运动n个周期，发动机的每个工作室点火做功 n/2次，且转子旋转一周，输出轴旋转n+1周，内偏心轴自转1-n周。

为了保证上述输出轴、内偏心轴和转子的相对转速比，可以在转 子内设计一对内啮合齿轮在转子一边也设计一对内啮合齿轮，转子内 的一对内啮合齿轮的齿数比为1∶2，转子一边的一对内啮合齿轮的 齿数比为1+1/n∶2，气缸分布在转子的另一边且气缸和输出轴同轴 心。

内偏心轴的上有一个齿轮(2e)且该齿轮的两侧各有一个主轴 颈(2d和2f)，它们对应安装在输出轴内的偏心孔内。内偏心轴 上支撑转子的两个偏心轴颈通过双弧状连接块(2c)连在一起，该 双弧状连接块的内弧内和外弧外提供安装转子内的一对齿数比为1∶ 2的内啮合齿轮的空间。

输出轴上有两个轴颈，在每个轴颈内有一偏心孔，内偏心轴的主 轴颈安装在该孔内，输出轴上的这两个轴颈之间通过双弧状连接块连 接，该双弧状连接块的内弧内和外弧外提供安装转子一边的一对齿数 比为1+1/n∶2的内啮合齿轮的空间。

转子安装在内偏心轴的两个偏心轴颈上，转子的两端和两旋转体 可控连接是通过以下方式实现的：旋转体先和推杆刚性连接，推杆的 一端的孔套在曲拐的主轴上且两推杆之间的夹角对应于气缸内的一 个或三个工作室，推杆的另一端和转子的一端用连杆铰链连接。曲拐 的拐轴安装在内偏心轴的自转中心孔内，这两个旋转体和两个推杆分 别安装在曲拐的主轴上的相应位置上，且曲拐主轴和输出轴同轴心。

该四冲程旋转活塞式发动机和往复式四冲程发动机相比，每个冲 程对应的驱动轴转动角度增加了360/2n度，这样该发动机就能获得 较长的过程时间，而且形成较小的扭矩波动，从而使其运转平稳流畅。 同时也使发动机有了更宽松的进气和排气时间，更适于高速运动。

该四冲程发动机的转子的转速只有输出轴转速的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。

由于该四冲程发动机有2n/(2p-1)个工作室，在转子旋转一周中每 个工作室做功n/2次，这样，在保证相同功率输出的情况下，该发动 机的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。

由于该发动机减少了曲柄连杆机构，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，包括正时齿带、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。

由于该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。

通过改变该发动机的活塞在周向所占的角度的大小，就可以将该 发动机设计成满足特定燃料所需的压缩比，这使得该发动机更通用 化。

由于该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。

由于该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。

上述结构不仅可以用于作为四冲程发动机也可以用作于气泵，油 泵等两冲程的机械，这时n值不仅可以取偶数也可以取奇数。

附图说明：

图1A至1I为该发动机的基本结构简图及相应的时序图。

图2A至2E为p＝1、n＝2时发动机的结构简图及相应的工作时 序图。

图3为发动机的正视图。

图4为发动机的A-A剖面图。

图5为发动机的B-B剖面图。

图6为发动机的C-C剖面图。

图7为发动机的D-D剖面图。

图8为发动机的E-E剖面图。

图9为发动机的内偏心轴的三维视图。

具体实施方式：

如图1所示，画出发动机的基本结构简图，若输出轴1绕C点 相对于固定缸体的转速、内偏心轴2绕B点相对于输出轴1的转速、 转子3绕A点相对于内偏心轴2的转速比为1∶-2∶1，且输出轴的 偏心量即BC长和内偏心轴的偏心量即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。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中心，且 AB＝BC、CD＝CE、DF＝EG、FA＝GA、FG⊥AC。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。

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 轴绕C点相对于固定缸体的转速、内偏心轴绕B点相对于输出轴的 转速、转子绕A点相对于内偏心轴的转速比为(n+1)/n∶-2∶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。转子上的两端点到转子自转中心点的距离相等即 FA＝GA，设它们都为d，这两点和转子自转中心点A在一条直线上， F点的运动轨迹方程为x＝a×cos(θ)+b×cos[(1-n)/(1+n)×θ]+d× cos[1/(1+n)×θ+90°]，y＝a×sin(θ)+b×sin[(1-n)/(1+n)×θ]+d× sin[1/(1+n)×θ+90°]，G点的运动轨迹方程为x＝a×cos(θ)+b× cos[(1-n)/(1+n)×θ]+d×cos[1/(1+n)×θ-90°]，y＝a×sin(θ)+b× sin[(1-n)/(1+n)×θ]+d×sin[1/(1+n)×θ-90°]，其中a为输出轴上偏 心孔的偏心量即BC长，b为内偏心轴偏心轴颈的偏心量即AB长， θ为输出轴转过的角度，笛卡儿坐标系为xCy其中C为输出轴的转 动中心点。

如图2所示(参见图1)，让旋转体8和旋转体9分别和推杆4 和推杆5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对应于一个工作室①，∠ 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n个最大容积和n个最小容积。 当然也可以让∠DCE对应于三个相邻工作室，这三个工作室中的两个 工作室对应的角之和始终为360/m，因此∠DCE的变化将和第三个工 作室所对应的夹角变化同步。

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p倍(p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＝p/n即n＝(2p-1) ×m。若上述结构设为四冲程发动机则冲程数2n应为4的倍数，即n 应为偶数。

取p＝1、n＝2则，让推杆4和推杆5之间的夹角对应于一个工作 室，介绍发动机的机械结构。

由于p＝1、n＝4所以每个旋转体上有2个均匀分布的活塞，两个 旋转体上的两组活塞共形成4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一次，且转子旋转一周， 输出轴旋转3周。

如图2所示，让推杆4和推杆5之间的夹角对应于工作室①，在 转子旋转一周的过程中，①室完成做功→排气→进气→压缩这四个过 程，②室完成排气→进气→压缩→做功这四个过程，③室完成进气→ 压缩→做功→排气这四个过程，④室完成压缩→做功→排气→进气这 四个过程，发动机的相邻工作室相续做功，因此发动机的扭矩输出较 为均匀。

如图4所示，发动机的气缸为圆环形，气缸是通过固定缸体10、 固定缸体11和两旋转体8和9装配而成。两旋转体和输出轴1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。

如图4所示(参见图5、图6)，套筒12安装在曲拐13的主轴 上，它的一端和旋转体8通过花键或齿连接，另一端通过花键或齿和 推杆4连接，曲拐13的主轴和两旋转体同心，推杆5直接和旋转体 9通过齿或花键连接，两推杆和曲拐13的主轴有相同的转动中心， 在曲拐13上有内孔13a，润滑油就是通过该内孔输入各个轴承等需 要润滑的地方。连杆6的一端和推杆4的一端通过铰链连接，另一端 和转子3的一端通过铰链连接。连杆7的一端和推杆5的一端通过铰 链连接，另一端和转子3的另一端通过铰链连接，两推杆上和两连杆 相连的铰链中心到各自的旋转中心的距离相等。转子3上和连杆连接 的两铰链中心在周向180度对置并且它们到转子3转动中心的距离相 等。

如图9所示(参见图4)，齿圈14通过空心销15安装在转子3 的内孔内，空心销15可以吸收齿圈14所受到的冲击力。齿圈14和 曲拐13的拐轴13b上的齿轮13c啮合且齿数比为2∶1且曲拐13的 拐轴13b安装在内偏心轴2的自转中心孔内，这就保证了转子3相对 于内偏心轴2的转速和内偏心轴2相对于输出轴1的转速比为1∶-2， 其中负号表示转动方向相反。

如图10(参见图4和图7)所示，内偏心轴2的可以做成一体 的也可以通过组合形成。当采用一体式时内偏心轴2上支撑转子3的 两个轴颈2a和2b通过双弧状连接块2c连在一起，该双弧状连接块 2c的内弧内提供安装齿轮13c的空间，外弧外提供安装由两半组成的 齿圈14的空间，当采用组合式时将轴颈2b及双弧状连接块2c做成 一个零件，然后将它插装在另一轴颈2a内的双弧状孔内，这样齿圈 14就不必分割成两块了。为了方便安装在本例中内偏心轴2采用了 组合式。组合式内偏心轴2的一侧有一齿轮2e，齿轮的两侧各有一 主轴颈2f和2d，它们装在输出轴1内的两偏心孔内，输出轴1的两 个轴颈安装在固定的缸体16和17对应的孔内，两个轴颈通过双弧状 连接块1a连在一起，该双弧状连接块1a的内弧内提供安装齿轮2e 的空间，外弧外提供安装齿圈16a的空间，齿圈16a和齿轮2e相互 啮合且齿数比为4∶3，这就保证了输出轴1相对于固定缸体的转速 和内偏心轴2相对于输出轴1的转速比为3∶-4，负号表示转动方向 相反。缸体16可以采用空心销固定在缸体17上。上述相互配合且 相对旋转的轴和孔都可以采用滑动轴承以减轻配合位置的摩损。

如图5所示(参见图2、图3和图4)，发动机的工作室最小角位 置共有两个且这两个位置间隔180度，这两个位置之一设计有用于安 装火花塞的孔11a(发动机为汽油机的情况下)，距离另一个位置约 20度的两侧的缸体上有两个通孔，它们分别是用于排气的排气孔 10b和用于进气的进气孔10c。缸体10和缸体11的内部分别有一环 形孔10d和11d，冷却水流入环形孔流动一圈后再流出，以冷却发 动机。当然小功率发动机也可以采用风冷方式即在缸体10和11上加 上许多散热片以加强散热。

如图4所示，在两旋转体上的配合面上可以开出对应的环形槽然 后再装入相应的密封环，以提高密封的效果。在缸体10和旋转体8 的配合面上和缸体11和旋转体9的配合面上也可以采用类似的方法 提高密封效果。

由于该机采用了双偏心运动方式，它需要安装相应的平衡机构。 如图4所示，平衡块18的一端通过销或螺钉连接在输出轴1上，另 一端直接安装在缸体11上，这个平衡机构大约能平衡8/9的不平衡 力而另外的1/9的不平衡力是由转子的转速决定的，要完全平衡这部 分不平衡作用力，必须加载一个相当于整个不平衡重以转子转速运动 所产成的不平衡力的大小相同方向相反的作用力，这可以由平衡轴上 的平衡重提供。其中平衡轴的转速和转子的转速相同且应为输出轴转 速的1/3。