平面四杆机构控制的全密封组合转子发动机

本发明所属领域为变容式旋转发动机。发明目的是设计结构对称，运转平稳，振动小，密封良好，热效率高，体积小，重量轻的旋转发动机。发明内容主要包括发动机转子结构、密封结构及利用平面四杆机构实现对转子控制之结构。

图1是发动机主体结构图。其中4是中轴，1与5是轴上的键槽，其中一个用于对外输出功率，一个用于控制件的连接。3是机壳，2是火花塞，(按其虚线所示；安装于机壳上)。6是固定端板，上有气口7，8，用于与旋转端板14结合以控制进排气。左旋转端板9、组合块12(及与12对称的另一块)、右转子13按所示虚线装置，其特征是组合块12(及其对称之另一块)是穿过左转子10之空腔而与9相连接。同样，另一组转子结构10，11(及其对称块)，14也是按所示虚线装置，11(及其对称块)也是穿过右转子13之空腔而与14相连接。如此装置之后，即形成发动机的转子组合结构及密封腔结构。其特征是左、右两组转子组合后本身即构成对称的密封腔。其特征也在于两组转子完全相同，互相以本身的一部分伸入对方相应的空腔内，而再将两侧之端板连接于另一侧的转子之上，形成密封腔。其特征亦在于两转子组间可以相对转动一定角度而改变所形成的各个密封腔的容积。各转子与组合块也可分别制成整体。此种组合转子结构转子旋转时磨擦只在转子之间可以使轴向密封条(图1之15，16所示)之长度较短，使磨擦减小，而且由于轴向密封条两端之构件皆是与其所在组合块(图1之11，12所示)相固连的，所以由此可容易实现良好的密封，且可防止旋转发动机通常容易出现的尖角及棱边磨损后之漏气。为清楚说明其密封结构，现假设已制出一台此种发动机，现拆下其一侧之端板沿其轴向所见绘如图25。其中未画斜线而由虚线围成之部分即右转子(即图1之13)。其画斜线部分2即左转子(即图1之10)上之组合块(及另一块)。1是外周密封环，置于旋转端板(即图1之14)相应之槽内。3是内周密封环，同样置于旋转端板相应槽内。4是径向密封条，置于端板相应槽内，且伸入1，3之相应凹口内。5，6是轴向密封条(即图1之15，16)，置于2之相应槽内，且伸入1，3之相应凹口内，其特征是1，3跨越了另一转子空腔的内壁之棱边，轴向密封条也伸出其腔外一部分，亦跨越了其内壁之棱边，二者结合使棱边研合而保持棱边处之密封，使其处不易漏气。为进一步防止漏气，轴向密封条应有数条，径向密封条亦应加设(但应保持转子间相对摆幅较小而不会使其移出密封面和使其两端超过另一转子内腔之边线而保证不会掉入腔内)，相应，1，3上之凹口数亦要相应加设。为良好密封，1，3还具有凸出部分，如8所示(内环此部分略画)，伸入2上对应凹口内。其凸出部分亦有数个。为良好密封，还可在虚线所示转子体上之槽内布置径向密封条7(具有径向弹性而压在1，3上保持密封，同时要使运动时与端板上径向密封条不相碰)。1，3，4，5，6，7都应有相应弹簧，保持其与密封面之接触，其中1，3还具搭头，使其由自身弹力分别张紧或箍紧于其所在槽之需密封之侧面上。为防止沿1，3周向之漏气，1，3与所在环槽之间实际上还具如28所示结构。其中1是密封环，其上有凹凸，与2上之凹凸交错结合，其下以弹簧3作用于其与端板4之间，以使密封环与密封面相接触。当密封的气体压力升高时，皆可如图29所示，把密封条(环)压在密封面上，保持更好的密封，而不致在气体升压时漏气。图26是图25之A-A向剖面，其中1是图1之13之内腔之外壁部分，2是轴向密封条，可见其伸出了1之端面，跨越了其棱边。3是弹簧，4是端板，5是外周密封环，可见5也是伸入了1之内壁面，亦跨越了其处之棱角。图27是图25之B-B向剖面，1是外周环，2是径向密封条，3是端板。由于轴向密封条两端没有磨擦面而是与其相对固定的构件，所以，可采取如图24所示之结构进一步减小磨擦，即把轴向密封条制成圆柱形，使其与磨擦面之间为滚动磨擦。其弹性支撑可在其本身轴上，也可由如图虚线所示，由两个圆柱弹性支撑。如图23画斜线部分，转子腔内之磨擦面可镀以耐磨之材料(如碳化钨，硬铬或碳化镍铬等)，或镶上耐磨块，使内腔磨擦面易加工。图30为图25之C-C剖面，由其可更清楚了解转子结构，及各处需密封之状况，皆已为前述之密封结构所解决，而其中两转子间的情况较特殊，解决此处之密封需左右转子上各在其槽内安置前述内外周圆环，即用两环来共同实现密封。所不同的是每个环在其所属转子之空腔对应夹角内的部分之结构要作相应改变以保持密封，其方法是将这部分环之内侧壁跨过转子内腔壁的部分制成与内腔壁重合，即相当于把图25之1，3制成只有与转子相凹凸配合的部分才跨过内腔棱边，而其它部分则不跨棱边，且正好与棱边重合。也可不用密封环，直接用两转子自身面密封(因其本身结构亦是跨棱边的)。同样发动机两端也可用密封端板与转子直接形成面密封(也具跨棱边结构)。而若把两端内外密封环及径向密封条皆从端板移到转子体上的相应槽内，则亦可构成密封，也具跨棱边结构且转子间张合的幅度不受前述限制。类似图25，如图43，S1，S2，S3，S4是四个燃室，其间画斜线部分4为与端板相连的转子，其间未画斜线的部分(包括环带部分)1为另一转子。3是外周密封环，置于1之相应槽内，3与1之间具类似图28之结构，且其弹簧形成之缝隙也要阻断。3与1之间的周向缝隙用径向密封条2阻断(2置于3上之相应槽内)。5是4上之轴向密封条，有端头置于端板相应凹口内。内周密封环结构与3相同。与前述不同的是外周密封环具箍紧弹力，而内密封环具外扩弹力，且两环均有搭头。图2是发动机工作原理图(以四冲程为例)。a，b，c，d分别为发动机的吸气、压气、做功、排气过程，其下方是各自对应的普通发动机的工作过程。在a所示过程中，转子转动使进气口导通，同时转子P1P2张开使燃室S吸气。到b时，气口关闭，P1P2压缩S内气体。到c时，S内气体经点火(喷油)燃烧膨胀做功，推动P1P2张开且同向转动。到d时，排气口导通，P1P2把S内气体压出。其余三燃室之循环过程与S相同。当转子每周相对张合二次时，发动机按四冲程循环。在说明利用平面四杆机构控制发动机运动之结构的过程中，为便于说明与作图，凡是具有曲轴或偏心轴的部件，皆以偏心轴表示，而实际上两者皆可。同样凡是连杆或滑块均可实现的运动，皆以滑块表示。图3之OABE为平面四杆机构中的曲柄摇杆机构，OE为曲柄，OA为基架，AB为摇杆，BE为连杆。OE整周转动时，AB往复摇动，所示θ为机构之极位夹角，也即OB绕O摇动之幅度。实施时，如图4，把O置于发动机中轴，A置于一转子上定点，B置于另一转子上径向滑槽内，把OE固定，则OA转动使OB也同向转动且相对OA摇动，幅度为θ。直接用此机构可控制发动机作二冲程循环工作。如图5，OE为偏心距为e之定偏心轴，B此时是套在偏心轴上转动的滑套，具体实施时，A是一转子上定点，用销与AB连接于A，AB亦与B用销连接于B。同时B点之连接销伸入另一转子上之径向滑槽内。OA，AB，OB处于三个平行面内。OE固定，一转子转动，即使另一转子亦随之同向转动，兼来回摇动，其间夹角θ亦随转子转动而周期变化，且转子一周转子间摇动一次，即可实现对发动机按二冲程循环进行控制。实施每转四冲程循环需使转子相对于中轴减速，控制结构如图6。A′是平衡齿轮，与图5不同之处在于将中轴释放为可转动，同样，偏心距为e的偏心轴OE，上有与其固连之正心外齿轮，在原A点添加可绕A转动的齿轮，再添加以O为中心而固定的内齿圈R。R，r与A处齿轮的模数相同，齿数比为2∶1∶1/2。当转子转动一周时，A处外齿轮使偏心轴OE转动两周。OE使OB相对OA来回摇动两次，即转子一周发动机完成四冲程循环，由于发动机转子转速与中轴转速之比为1∶2，故可按需选择输出轴，或利用中轴起动发动机及驱动风扇等。如图7所示实现结构，由其上需线易知其本质与图6相同，其各齿轮参数比适当时，也可转子每转，完成一个或两个四冲程循环。图8OAE(包括A处摇块)为平面四杆机构中的曲柄摇块机构，OA为基架，OE为曲柄，A点置有摇块。OE整周转动，使AE绕A点来回摇动(同时也相对摇块滑动)在EA杆上取点B，B处置另一摇块，内置杆OB，OAB实际上构成摆动导杆机构，所以图8是曲柄摇块机构与摆动导杆机构的组合。OE转动时，则OB相对OA来回摇动，类似于前述实现曲柄摇杆作为控制件的方法，也可用图8实现对发动机之二冲程或四冲程控制，但可见图8之θ，在OA＝OB时为α之半值，故摇动幅度较小，故可改为图9之机构，将移动副移至E点，OAE(及E处滑块)实际上是摆动导杆机构。相应在B点添加另一摇块，及过O之杆OB，(OAB是转动导杆机构)可见此时若OA＝OB，则θ＝2α，即扩大了摇动幅度。图9用前述的实现方法，可直接按转子每转完成二冲程循环控制发动机，当把其改为图10所示机构时，则可按转了每转四冲程控制发动机，即类似于6之方法，R为定内齿圈，r为偏心轴OE上定齿轮，而OE可转动，件EAB相当于图9之E处摇块，A点用销连接于一转子上定点，其A处有可转动之齿轮，B点用销连于另一转子之径向滑槽内，R、r及A处齿轮之齿数比为2∶1∶1/2时，则可实现转子每转完成一个四冲程循环，改变其参数关系，亦可每转完成几个四冲程循环。将图9之E处移动副移至OA上，再将AB杆变形为绕偏心轴OE转动之圆环，得如图11之结构，其中OA、OB分别为二转子上所示径向滑槽，如图可见，OEB与OEA实际上各是转动导杆机构，所以OEAB实际上是两个转动导杆机构的组合，如图41。若固定OA，OE转动使OB摆动，若固定偏心轴OE，OA(或OB)转一转，OA、OB间摆动一次，即转子每转完成二冲程循环，而实现四冲程循环即如图12其中A′为平衡齿轮，其结构类似于图10，区别仅在于又把移动副移到OA上。如图13，其机构与图11相同，由图13可见，可将固定偏心轴做成固定端板上的偏心圆槽或将定端板制成有偏心圆形空洞，在槽内或贴圆洞内壁安置圆环，而取此环上之适当两点(图示为直径上两点)装销置于两转子上各自径向滑槽内，则转子一转完成二冲程循环，其机构的受力分析如图14，由其可见当AB连线(此处取为直径)与OE不垂直时，作用于两转子上的等值异向之力，N1N2通过滑槽对圆环的作用力N1′N2′不等，其分别沿圆环的切向分力N1″N2″也不等，故圆环沿所示箭头方向转动，即说明气体可以推动转子旋转。如图16所示，当其连线为直径且垂直OO′时，转子间的最大张角之半Δθ可由三角形OO′A求出。若把由图13所示结构控制的发动机结构实施于泵类则需要减速，可用图17，18所示的结构实现，即将圆环做成偏心内齿圈，由偏心轴保持其与固定外齿轮之啮合，当偏心轴转动时，即使两转子以较低转速转动，且转子每转一周，转子间张合一次，即完成一次吸、排、泵气(液)过程此结构相当于在原图13机构上添加了差齿减速器，其减速比为齿圈齿数与齿数差之比，(也可采用内齿圈正心固定的形式，相应减速比为行星轮齿数与齿数差之比)，减速效果显著，可用动力机直接驱动。也可利用图13之结构直接构成泵类，即如图39，直接把摇杆作为液(气)体驱动件，使液(气)体吸入压出，其中1、2点之结构放大如图40。图39-3是有固定偏置圆心的旋转环(置于对应偏心圆槽内)，其外是机壳，摇杆应有数个。(图中只画了两个)，其与圆环的交点平分圆环，其泵体上之进，排气口未画出。就原理而言，此结构也可用于发动机(因其亦构成数个容积周期变化的密封腔)。图19所示之OABE为两曲柄不等长且同向转动的双曲柄机构。OE为基架，AB为连杆，OA、EB为曲柄，皆整周转动。如图可见OA转动时，B点与O之连线亦相对OA摇动。当B点在B1位置时，OA与OB夹角至最小值θmin当OB至B2位置时其夹角至最大值θmax两值之差Δθ即为OA与OB之摇动幅度。实施可如图20，将A点之销置于一转子上定点，将B点之销置于另一转子之径向滑槽内，同时置于定端板上以定点E为圆心，EB为半径之环槽内，则亦构成发动机之控制结构，且转子每转完成一个二冲程循环。机构本身连续传动，由图20可见，添加滑槽之后，作用力F与速度V之间的夹角(即压力角)总下曾等于90°做改造后机构亦连续传动。把此双曲柄机构改为转子每一转完成一个四冲程循环，可用图15所示结构，使图20之OA与OE等速反转即使端板与转子等速反转而实现。图21为双曲柄机构中的反平行四边形机构，OE为基架，OA＝BE，皆为曲柄，AB＝OE。当OA转动时由AB传动使EB作变速转动，其中之球销结构是使OA、AB、OE、EB共线时BE转动方向确定。将此机构用于控制发动机，实施结构见图22(其中未画球销)。O为发动机中轴，E两固定点(可置于端板上)，连有可转之EB，用杆AB连接A、B两点，A为一转子上定点。同样，OA＝BE，AB＝OE，在E点置一齿轮与BE固连，其与置于O之齿轮啮合(两齿轮相同)，O处之齿轮与另一转子固连。由所示箭头可见，两转子转向相同，而由反平行四边行机构控制其相对运动，且转子每转转子间张合两次，即每转完成一个四冲程循环，(其原因在于反平行四边机构每个周期中有两个等速比传动时刻，而两者之间过程即为转子相对张合过程，转子间之最大张角可由机械原理知识进行计算设计。与此类似，图19所示的双曲柄机构也可通过齿轮传动而实现转子每转转子间张合两次，但要使转子同向转动，使用齿轮数要多一个。如图42，E1，E2，A，B是双曲柄结构，其中E2置于发动机中轴上，E1置于端板上定点，E2A连接一转子，曲柄E1B与E1处齿轮R连接后，经O处相互固连的两齿轮R，r(可绕O转动)传动，使E2处齿轮r转动，r连接于另一转子上。如此则可控制发动机按每转四冲程循环。(原因是曲柄每转中有两次AB∥E1E2的时刻，此时两曲柄转速相同，而此两者之间，即两转子相互张合的两个过程)也可把图42之O置于发动机中轴，且使R＝r，E1、E2置于端板上两点，且曲柄E2A、E1B各自固连一个相同的齿轮，分别与O处两同样的齿轮啮合(此两齿轮各自与一转子固连)，亦可实现对发动机的四冲程控制。而再在原双曲柄机构上添加平行四边行机构，也可实现。如图44，即在原双曲柄机构上添加平行四边行机构OECD，(OE′FD是所加虚约束，以保持转动方向的确定性)，把曲柄EB的转动同向等速的传递到转子上。(即曲柄OE连接于一转子上，而曲柄EB经过CD杆传动而使连接在另一转子上的OD转动，把此双曲柄中的两曲柄的变速同向转动转化为两转子的同向转动且相互张合)，前述之实施安装过程中，类似于图44中OD与OA之同轴转动件，实际上是安装在同轴的两转子上的，即两转子的轴承是同心且一转子的轴承是安装在另一转子之轴承之外的。前述所有由平面四杆机构控制的发动机皆可通过适当改造，应用于泵类，或液力驱动马达或外燃机，而所述的泵类的结构控制原理亦可应用于发动机。为更好利用转子本身离心作用，本发明采用离心式进排气结构布置。即并不把气门如图1之6上所示同侧布置，而如图36所示，进气口设在机体一端近轴之1处，排气口设在另端外周之2处。进气口纵剖面结构如图31，1是固定端板，3是转子壳体，2是气门环，有弹性，有搭头，由弹簧4保持与1密封。同样，排气门之纵剖面如图32。其与进气门环唯一不同之处在于其密封面是柱面。进排气重叠角由图33所示结构实现。其中3是转子上旋转气口，1，2是可相对滑移，各具开口的两块端板。以1，2相对滑移程度，调节气门重叠角，(即调节气门的提前打开，延迟关闭)其调节动力可是机械式、电子式或液压、真空式，以使发动机在各个转速下皆有良好性能。进气门调节结构如图34，3是转子上旋转气口，1，2是可相对转动的端板，同样，如图35所示排气门结构；与进气门不同之处仅在于其相对转动的1，2是两个圆环面。火花塞应置于排气门所在圆环面上，与排气门相对，通过排气口点火。采用离心式进排气结构(如图36)可使进排气充分，且离心力作用下在外周点火，容易形成分层稀薄燃烧。发动机的冷却，与机油循环，也可借助于离心作用。如图38，机油由近轴端流入，润滑机件后借离心力由所示排油口甩出，收集后再循环。发动机可将转子裸露而自形成风冷，也可如图37所示，在外装外壳形成冷却腔，腔内装机油或冷却液。本发明所构成的发动机，转子中心对称且绕中心轴转动，运动件少，密封性好，密封件简单，比重量小，单位功率体积小，升功率大，起动性好，运转平稳，振动小，且由于气体作功时，在两个方向上膨胀而推动转子，故热效率高于普通发动机，可减轻排放污染，降低燃油消耗率。

图3需补充说明的是，所示机构即能把OA线与OB线绕O点的相对张合转换成OE的转动。图15需补充说明的是，所示齿轮r1，r2，r3，及齿圈R的齿数比为2∶1∶3∶6，其中r2与r3固连，r1与R同心，O′固定，则r1转动使R等角速反转，可使图20的OA(与图15之r1相连)转动时，OE(与图15之R相连)等速反转，由运动迭加原理，倍增两转子间的张合频率，形成四冲程循环。图21，22需补充说明的是，将图21机构中的曲柄OA与EB间的运动关系，由图22的两齿轮传动转换成两转子间的张合运动，形成二冲程循环。图31，32需补充说明的是，两气口环都为圆柱套筒状，所绘示意图为其纵剖视图，图31的进气门位于图36转子上的2处，即如图36所示，在近轴处吸气，远轴排气，利用离心力。图33、34需补充说明的是，图34结构是装置在图36左端的固定端板，图34的1与2相对转动一个角度，即如图33所示的结构原理，可改变气口旋转时的配气行程，即调节气门正时。图36中2处的结构原理与1处相同，其与图35配合而调节气门正时。图37，38需补充说明的是，其所示为发动机转子液冷结构。图38中的小孔是在转子体内相通的，冷却液流过其通道。图3 7示意转子外可罩外壳(已半剖)，可在其间注冷却液。图40需补充说明的是，其为图39中1，2点处的具体结构。图40之1为转环，2为叶片，3相当于滑槽，且3可在1中转动，同时可让2在3中滑动。图43需补充说明的是，其原理与图25相同，结构不同之处相当于把内外环从原来的端板上移到转子上，同样可形成密封，且比图25更简单。