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。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：两个输出轴(1和21)、一个内偏心轴(2)、一个转子(3)和 多个旋转体等。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，其中n 为自然数。转子上绕转动中心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(即发动机的点火、进排气等位置)，n和m的比值应 为2p-1∶1，其中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 自转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。

为了保证上述输出轴、内偏心轴和转子的转速比，可以在转子内 设计一对内啮合齿轮在转子每边各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，转子每边的一对内啮合齿轮的齿数 比为1+1/n∶2，两个气缸分布在转子的两边且它们和输出轴同轴心， 当然气缸也可以只有一个，它分布在转子的任意一边。

内偏心轴上有两个齿轮且每个齿轮的两侧各有一个主轴颈，它们 对应安装在两输出轴内的偏心孔内。内偏心轴中间支撑转子的两个偏 心轴颈通过双弧状连接块(2i)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。

每个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，每个输出轴上的这两个轴颈之间通过双弧状 连接块(1c)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，转子的上的两端和一个 气缸内的两旋转体可控连接是通过以下方式实现的：两个旋转体先和 两个曲臂分别刚性连接，两曲臂的转动中心和气缸同心且曲臂两边的 转动中心孔安装在转子的两侧，两曲臂之间的夹角对应于气缸内的一 个或三个工作室，每个曲臂上连接两半臂的销和转子的一端上的销分 别安装在一根连杆的两个孔里。

转子内的一对内啮合齿轮中，齿圈(23)固定在转子上且与之啮 合的齿轮(20)内有一个非圆形的内孔，有一根杆(22)，它恰好可 以完全穿过该齿轮的内孔且能防止齿轮相对于该杆转动，它的两端安 装在两输出轴内和齿轮(20)内孔的大小和形状相同的孔内，有多个 圆柱形套筒，它们的内孔和齿轮内孔的大小和形状相同且它们恰好能 装入内偏心轴的中心孔内，这些套筒和齿轮1一起套入杆内，这样齿 轮1和各套筒相对于输出轴不转动，且在杆(22)的中心有一个通孔， 润滑油先从一个输出轴的上的孔流入该孔内，再通过各套筒分配到各 个需要润滑油的地方。

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所占的角度的大小，就能使该发动机满 足各种燃料所需的压缩比，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1为该发动机的基本结构简图及相应的时序图。

图2为p＝1、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为发动机的内偏心轴的三维视图。

图4为发动机的曲臂的三维视图。

图5为发动机的输出轴的三维视图。

图6为p＝1、n＝4时所对应的发动机的正视图。

图7为p＝1、n＝4时所对应的发动机的A-A剖面图。

图8为p＝1、n＝4时所对应的发动机的B-B剖面图。

图9为p＝1、n＝4时所对应的发动机的D-D剖面图。

具体实施方式：

如图1所示，画出发动机的结构简图，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，b为内偏心轴偏心轴颈的偏心量，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9和图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360/m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n个最大容积和n个最小容积，当然 也可以让∠DCE只对应于一个工作室。

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＝4，让曲臂4和曲臂5之间的夹角对应于三个工作室， 介绍发动机的机械结构。

由于p＝1、n＝4所以每个旋转体上各有两个活塞，这四个活塞共 形成四个工作室，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，让曲臂4和曲臂5之间的夹角对应于三个工作室①、 ②和③，从图2B→图2F过程中转子3旋转半周，①室完成排气→进 气→压缩→做功这四个过程，②室完成做功→排气→进气→压缩这四 个过程，③室完成压缩→做功→排气→进气这四个过程，发动机相邻 工作室相续做功，因此发动机的扭矩输出较为均匀。

如图3所示(参见图6和图7)，内偏心轴2两侧各有一齿轮2a 和2b，齿轮2a两侧各有一轴颈2c和2d，齿轮2b两侧各有一轴颈2e 和2f，这四个轴颈用于支撑内偏心轴。中间的两个较大的轴颈2g和 2h是用于支撑转子3，这两个轴颈之间是通过双弧状连接块2i连接。 内弧内留有安装齿轮20的空间，外弧外留有安装齿圈23的空间，这 两个轴颈分布在齿圈23的齿的两侧。齿圈23安装在转子的内孔内 且齿圈23由两半组合而成，两半齿圈结合处突出块，它们安装在转 子上相应的槽内，以使齿圈23相对于转子3不转动。

如图4所示(参见图7和图8)，曲臂4由两半臂4a和4b及中 间的销4c装配而成，左右两半壁上的转动中心孔4d和4e分别套在 固定齿圈17和18上，曲臂5采用和曲臂4相同的结构，曲臂5左右 两半壁上的转动中心孔套在曲臂4上，曲臂4的两端分别和每个气缸 上的一个旋转体用花键或齿连接，曲臂5的两端分别和每个气缸上的 另一个旋转体用花键或齿连接，连杆6的一端和曲臂4通过铰链连接， 铰链中心为销4c的中心轴，它的另一端和转子3的一端通过铰链连 接，铰链中心为销3a的中心轴。连杆7的一端和曲臂5通过铰链连 接，铰链中心为销5c的中心轴，它的另一端和转子3的一端通过铰 链连接，铰链中心为销3b的中心轴。转子3的两端绕转子的自转中 心周向180度对置。转子运动时转子的两端将通过两连杆及两曲臂带 动左右两个气缸上的4个旋转体步进运动，以完成发动机的四个冲 程。

如图5所示(参见图7和图9)，输出轴1上有两个同心的内偏 心孔1d和1f，内偏心轴2上一边的两个主轴颈2c和2d安装在这两 个孔内，输出轴1则通过轴颈1a和轴颈1b支撑，这两个轴颈之间 也是通过双弧状连接块1c连接。内弧内留有安装内偏心轴上的齿轮 2a空间，外弧外留有安装固定齿圈17的空间，齿圈17通过空心销 19或螺钉固定在缸体上，齿轮2a和齿圈17相互啮合且齿数比为5∶8， 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5∶-8，其中负号代表转动方向相反。输出轴21也采 用和输出轴1相同的设计方式，它和输出轴1同心安装，内偏心轴上 的另外两个主轴颈2e和2f安装在输出轴21内的两个同心的内偏心 孔内，输出轴1和输出轴21内的偏心孔的偏心量相等，内偏心轴上 的另一个齿轮2b和固定在缸体13上的齿圈18啮合，它们的齿数比 也是5∶8。

如图7所示，发动机的气缸为圆环形，左边气缸是通过固定缸体 10、固定缸体11和旋转体8和旋转体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，右边气缸也采用相同的设计方式。

如图7所示(参见图8和图9)，安装在内偏心轴2内部的正六 边形杆22上套入内孔为正六边形的齿轮20和四个内孔为正六边形套 筒，这四个套筒相当于滑动轴承的轴瓦，它们和内偏心轴的内孔2j 一起才组成四个滑动轴承。由于正六边形杆的两端安装在输出轴1 和输出轴21内的正六边形孔内，这就使得正六边形杆22、齿轮20 和四个套筒都不相对于输出轴1转动。在正六边形杆22的中间钻有 孔，润滑油首先从输出轴1或输出轴21上的孔流入正六边形杆内的 孔内，然后将它们分配到各个轴承，当然上述相同大小和形状的正六 边形的孔或杆也可以采用其他非圆形结构，只要能保证齿轮20不相 对于输出轴转动且能通过杆22给发动机正常供润滑油即可。

如图7所示，在两旋转体8和9或14和15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。在各缸 体和旋转体的配合面上也可以采用类似的方法提高密封效果。

如图9所示(参见图6、图2和图7)发动机的工作室最小角位 置共有4个，这4个位置中不相邻的两个位置对应的缸体11上留有 火花塞安装位置11b和11c(发动机为汽油机的情况下)，另外2个位 置每个位置的两侧约15度对应缸体11留有进气位置11d和排气位置 11f，缸体10、缸体12和缸体13和缸体11一样留有这些位置，缸 体10和缸体11的内部分别有一环形孔10a和11a，缸体12和缸体13 的内部分别有一环形孔12a和13a，冷却水先从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 在各缸体上加上许多散热片以加强散热。

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 在两输出轴上分别安装一个平衡块，它们能平衡大约24/25的不平衡 力，这基本可以满足发动机在各个工况下运转平衡要求。

上述发动机也可以去除转子一边的一个气缸及该气缸内的两个 旋转体，发动机只保留一个气缸。