技术领域
[0001] 本
发明涉及摆线转子发动机的燃烧室结构，尤其涉及提高摆线转子发动机做功效率的燃烧室结构。
背景技术
[0002] 1903年美国人库利(JOHN F.COOLEY)提出图22所示的摆线转子发动机的
原型，该原型机用转子取代
往复式发动机中的
活塞，利用同步
齿轮使转子作行星运动，转子在旋转过程中完成各个工作室的吸气、压缩、膨胀、排气。涉及关于三腔或多腔，偏
心轴驱动，密封栅由缸体上的径向密封，侧面密封，进排气通道的设置(气口式，无气
阀)等多项技术。
[0003] 中国
专利文件cn85203161(梁之恒，1985年，四冲程气口式梅花摆线转子发动机)公开了四叶五腔偏心轴梅花-摆线转子发动机的密封改进方案，采用设置于缸体的径向密封和设置于缸体端盖上的端面密封(平直线条形状)、以及连接上述两个
密封件的密封销(位于径向密封部件侧面的端盖处)构成的密封系统(汪克尔摆线转子发动机将此密封系统称为密封栅)，以及设置于活塞周面(径向面)的气口(通过转子内的通道及转子侧面的开口)和缸盖的进排气道(随转子旋转周期性通过转子侧面的开口连通)的气口式进排气通道系统，如图23所示，该改进方案采用四叶五腔，偏心轴，燃烧室镶嵌于
外壳的结构，并在图中显著标明了
凸轮、腔室、和燃烧室等各个部件的中心线，通过采用无需阀
门的进排气系统和对密封栅结构的优化，在保留
汪克尔发动机优点的同时，克服了汪克尔发动机的主要
缺陷，提高摆线转子发动机
密封性，减少结构的复杂性，从而可设计成高压缩比、低成本、性能良好的摆线转子发动机；
[0004] 俄国专利文件RU2078221C1公开了(1997，俄罗斯人Veselovsky)两叶转子三腔摆线转子发动机(椭圆凸轮，偏心轴)，转子活塞行星运动(new kinematics)，径向密封件安装于缸体外壳相邻弧形腔室之间的棱条处，活塞上设置通道进排气结构(由通过设置与转子径向面的开口、转子内的通道以及转子侧面的开口构成)，如图24所示，该结构为两叶三腔，偏心轴，转子活塞行星运动，燃烧室镶嵌于外壳，图中显著标明了凸轮、腔室、和燃烧室等各个部件的中心线，但没有提及和描述侧面密封以及润滑的设计。
[0005] 中国专利文件200910104429.4(2009年，尚世群)公开了一种摆线转子发动机的设计，公开了在椭圆转子上沿边缘设置的槽和密封环的密封设计，气口式，并给出了依据转子旋转
角度各腔室的工作流程说明。美国专利文件US8523546B2(2011年Nikolay Shkolnik，中国专利号201280017028)综合了：密封栅、气口式进排气、等容燃烧、阿特金斯等技术。图25为美国专利文件US8523546B2中的结构说明图。该专利描述了在以往摆线转子发动机技术
基础上的改进；密封性(不同于需要密封件在其转子上行进大约0.070-0.110英寸的汪克尔
顶点密封件(对于大约100KW的发动机)，在各个
实施例中，叶峰密封件最多也没有行进超过0.01英寸(0.0254厘米)。任何高温
钢或钨丝可用于线密封件1301。对于0.020"的线直径，计算出
冷启动条件下的
泄漏路径的截面为0.11mm2；而在热运行条件下，该截面为0.03mm2。
对于该泄漏路径，存在四个
位置，转子的2侧×顶点密封件的2个部位；因此，对于冷启动而言，这种类型的侧部密封件的总泄漏路径为0.33mm2，而对于热运行条件，其为0.12mm2。这可以与汪克尔发动机的大约～4mm2的泄漏面积进行比较[参见Performance and Combustion Characteristics of Dire-Injection Stratified-Charge Rotary Engines，Nguyen，Hung Lee，N.A.S.A.1987)。)，其压缩比至少在12至25之间，防串气密封结构设计，近似等容燃烧(大约5至10度的旋转角度内截留在燃烧腔室中的工作介质的体积变化小于燃烧腔室体积的百分之一的一半(0.5％))，以及循环的阿特金斯(Atkinson)部分膨胀，效率明显提高，重量，体积显著下降。根据记载，如果把移动的部件与壳体之间的泄漏保持在较低
水平，该循环的最大效率预计为约57％，而平均效率预计高于50％。
[0006] 以上改进重点集中在提高密封性、减少机油的损耗及由此引起的高排放问题上。如美国专利文件US8523546B2等所公开的最新技术方案显示出了摆线转子发动机的乐观前景。
[0007] 但目前的摆线转子发动机，在结构上仍然存在不足之处，尤其是做功效率有待改进。
[0008] 在往复式
内燃机中，活塞做往复运动，
曲轴做旋转运动，活塞与曲轴之间由
连杆相连。
气缸做功时，活塞受到向下
力的作用，在曲轴上产生
扭矩。由于曲轴是旋转的，曲轴上产生的扭矩呈三角函数的形式，周期性的发生变化。图26至28为往复式内燃机在曲轴上的扭矩变化图，图29为往复式内燃机气缸压力随
曲轴转角变化的曲线图。
[0009] 往复式内燃机，由于气缸最大压力在
上止点(0°)附近(参照图29)，而此时，连杆与曲轴几乎处于直线状态，气缸最大压力无法有效的转换成曲轴上的扭矩输出。
[0010] 与往复式内燃机同样，转子发动机由于机械结构的原因，做功气体压力的峰值与做功
力臂之间并没有处于最佳匹配状态，燃气压力在上止点附近产生压力最大点，但此时，转子在将力传递给偏心轴时的力臂几乎为零，输出的力矩也在零值附近，最大压力无法转换成动力；随着偏心轴(偏心轴)的转动，活塞(转子轮瓣)离开气缸上止点TDC，力臂才开始逐步加大，力矩也开始上升，但因为此时压力已经有了显著的下降，显然，压然气体的做功能力没有得到充分发挥。
[0011] 并且由于压力最大点的力几乎全部作用在偏心轴与转子的
接触面，转子和叶峰(相邻腔室交界处的尖峰)的接触面上，该处的工况严重恶化，容易产生早期磨损，降低了发动机的使用寿命。
[0012]
汽油机正常燃烧时，在
压缩行程接近终了时混合气被点燃，燃烧期间如图29所示，有三个阶段：滞燃期I、急燃期II和补燃期III。偏心轴在转过这三个阶段期间，如果燃烧室容积发生过大变化，就会降低发动机的热效率。
[0013] 现有的摆线转子发动机如图25所示，燃烧室(V2)设置在弧形腔室的中心位置，因此转子转动时，转子轮瓣与弧形腔室之间的间隙微小变化的等容区间未全部用于混合气的燃烧，造成等容燃烧时间过短，影响热效率。
发明内容
[0014] 本发明的目的在于解决上述
现有技术的问题，优化做功气体压力与偏心轴扭矩的配合关系，提供一种能够提高摆线转子发动机做功效率的燃烧室结构。
[0015] 第一技术方案为摆线转子发动机的燃烧室结构，所述摆线转子发动机包括，壳体(1)、转子(2)、端盖(3、4)、偏心轴(5)，所述转子(2)安装在所述壳体(1)的腔室(S)中，所述壳体(1)的两端由所述端盖(3、4)封闭，所述转子(2)的轴向端面(23)与所述端盖(3、4)保持密封，所述转子(2)的径向外周面(24)与所述壳体(1)的内周面(12)上的凸峰(11)直接或通过径向密封件保持接触，在所述转子(2)的径向外周面(24)与所述壳体(1)的内周面(12)之间，形成多个独立的工作室(S1、S2、S3)，所述转子(2)以行星运动的方式转动，所述转子(2)转动时，所述工作室(S1、S2、S3)变容，轮流进行吸气、压缩、膨胀、排气，所述转子(2)通过所述偏心轴(5)输出扭矩，所述转子(2)位于所述工作室(S1、S2、S3)的上止点时，在所述转子(2)的径向外周面(24)与所述壳体(1)的内周面(12)之间形成燃烧室(6)，其特征在于，[0016] 所述燃烧室(6)设置在所述转子(2)转动方向的相反方向，偏离基准线(L1)一定角度的位置，所述基准线(L1)为所述转子(2)位于上止点时，连接所述转子(2)的中心(O2)与所述偏心轴(5)的中心(O1)的延长线。
[0017] 第二技术方案基于第一技术方案，其特征在于，
[0018] 所述转子(2)的径向外周面(24)与所述壳体(1)的内周面(12)之间形成N+1个工作室(S1、S2、S3)，相邻的工作室(S1、S2、S3)之间形成有凸峰(11)，所述转子(2)的径向外周面(24)有N个凸轮(24a)，所述凸轮(24a)具有与所述工作室(S1、S2、S3)对应的形状，所述转子(2)转动时，所述转子(2)的径向外周面(24)与所述凸峰(11)保持接触的同时，所述凸轮(24a)轮流的进入和退出所述各个所述工作室(S1、S2、S3)，使所述工作室(S1、S2、S3)变容。
[0019] 第三技术方案基于第二技术方案，其特征在于，
[0020] 所述燃烧室(6)偏离所述基准线(L1)的角度根据所述工作室(S1、S2、S3)在圆周上的角度设定。
[0021] 第四技术方案基于第二技术方案，其特征在于，
[0022] 所述燃烧室(6)偏离所述基准线(L1)的角度根据所述转子(2)转动时，所述转子(2)的径向外周面(24)与所述壳体(1)的内周面(12)之间的间隙变化设定，使所述燃烧室(6)位于间隙变化平坦的位置。
[0023] 第五技术方案基于第三或四技术方案，其特征在于，所述燃烧室(6)设置在临近所述凸峰(11)的位置。
[0024] 第六技术方案基于第二技术方案，其特征在于，所述燃烧室(6)设置在所述壳体(1)的内周面(12)上。
[0025] 第七技术方案基于第一至四中任一技术方案，其特征在于，所述燃烧室(6)设置在所述转子(2)的径向外周面(24)或所述壳体(1)的内周面(12)上。
[0026] 第八技术方案基于第六技术方案，其特征在于，所述燃烧室(6)设置在，所述转子(2)位于上止点时，所述基准线(L1)穿过所述燃烧室(6)内的位置。
[0027] 第九技术方案基于第一至四、第六和第八技术方案中的任一技术方案，其特征在于，
[0028] 所述燃烧室(6)的中心线(L2)相对于所述燃烧室(6)所在面的法线，向所述转子(1)的转动方向的相反方向，偏转一定的角度。
[0029] 第十技术方案基于第一至四中任一技术方案，其特征在于，
[0030] 所述转子(2)的径向外周面(24)与所述壳体(1)的内周面(12)之间形成有三个工作室(S1、S2、S3)，三个工作室(S1、S2、S3)在圆周上的角度为120°，所述燃烧室(6)偏离所述基准线(L1)的角度设置在小于60°的范围内。
[0031] 第十一技术方案基于第一至四中任一技术方案，其特征在于，
点火角或喷油角根据所述燃烧室(6)偏离所述基准线(L1)的角度设定。
[0032] 第十二技术方案基于第一至四中任一技术方案，其特征在于，
[0033] 所述转子(2)的径向外周面(24)上设置有截面形状为长方形的凹槽，该凹槽表面涂有疏油材料。
[0034] 第十三技术方案第一至四中任一技术方案，其特征在于，在所述转子(2)的径向外周面以及所述燃烧室(6)上涂嵌有耐高温材料，包括陶瓷、耐高温
合金。
[0035] 第十四技术方案为摆线转子发动机，其特征在于，所述摆线转子发动机中的燃烧室(6)采用第一至十三中任一项技术方案所述的燃烧室结构。
[0036] 本发明的效果：
[0037] 本发明中，由于将燃烧室由基准线L1向转子转动方向的相反方向偏移，使做功气体压力在最大值时，在转子与偏心轴之间，具有明显的(较大的)做功力臂，充分发挥燃烧气体的做功能效，显著提高
热能-机械能转换效率，从而进一步提高发动机热效率，减少能耗，减少排放，也能进一步减小(相同输出功率的)发动机的体积与重量。并且，高温的燃烧气体在工作室内的路径变长，可降低排气
温度，提高
能量转换效率。
[0038] 由于能够利用偏移部分的等容区间进行燃烧，防止了等容燃烧过早结束，进一步提高发动机的热效率，降低了能耗。
附图说明
[0039] 通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。
[0040] 图1为摆线转子发动机的主要部件分解示意图；
[0041] 图2为转子的结构示意图；
[0042] 图3为摆线转子发动机的工作状态示意图，图中，工作室S1开始进气；
[0043] 图4为摆线转子发动机的工作状态示意图，图中，工作室S1的排气口关闭，工作室S1进气；
[0044] 图5为摆线转子发动机的工作状态示意图，图中，工作室S1的进气口关闭，开始压缩；
[0045] 图6为摆线转子发动机的工作状态示意图，图中，位于上止点，转子完全嵌入工作室，点火；
[0046] 图7为摆线转子发动机的工作状态示意图，图中，工作室S1膨胀做功；
[0047] 图8为摆线转子发动机的工作状态示意图，图中，做功完成，工作室S1的排气口开启；
[0048] 图9为摆线转子发动机的工作状态示意图，图中，工作室S1排气；
[0049] 图10示出了转子位于工作室S1的上止点时基准线L1的位置；
[0050] 图11示出了转子顺
时针转动30°角时基准线L1的位置；
[0051] 图12示出了转子顺时针转动60°角时基准线L1的位置；
[0052] 图13示出了转子顺时针转动90°角时基准线L1的位置；
[0053] 图14示出了转子顺时针转动120°角时基准线L1的位置；
[0054] 图15示出了转子顺时针转动180°角时基准线L1的位置；
[0055] 图16为现有转子发动机的燃烧室结构说明图；
[0056] 图17为本发明的燃烧室结构说明图；
[0057] 图18为在偏心轴转动时，在工作室的弧形面上不同的位置，弧形面与转子外周面之间间隙的变化图；
[0058] 图19为图18中0°附件的放大图；
[0059] 图20为传统燃烧室布置方式下偏心轴上输出力矩的变化曲线示意图；
[0060] 图21为燃烧室在转子转动方向的相反方向偏离基准线L1，30°时偏心轴上输出力矩的变化曲线示意图；
[0061] 图22为1903年美国人库利(JOHN F.COOLEY)提出的摆线转子发动机的原型图；
[0062] 图23为中国专利(CN85203161 1985)中的结构说明图；
[0063] 图24为俄国专利(RU2078221C1 1997-04-27)中的结构说明图；
[0064] 图25为美国专利文件US8523546B2中的结构说明图；
[0065] 图26为现有往复式内燃机在曲轴上的扭矩变化图；
[0066] 图27为另一种往复式内燃机在曲轴上的扭矩变化图；
[0067] 图28为第三种往复式内燃机在曲轴上的扭矩变化图；
[0068] 图29为往复式内燃机气缸压力随曲轴转角变化的曲线图。
具体实施方式
[0069] 本发明提供了许多可应用的创造性概念，该创造性概念可大量的体现于具体的上下文中。在下述本发明的实施方式中描述的具体的实施例仅作为本发明的具体实施方式的示例性说明，而不构成对本发明范围的限制。
[0070] 图1为摆线转子发动机的主要部件分解示意图。如图1所示，摆线转子发动机主要有壳体1、转子2、端盖3、4、偏心轴5以及未图示的辅助机构，如
燃料喷射、点火、吸排气等机构。以下对与本发明相关的部分进行说明，其余部分为现有技术，可参照美国专利文件US852354682等文献，在此不再赘述。
[0071] 转子2安装在壳体1的内腔S中，壳体1的两端由端盖3、4密封。转子2的轴向端面23与端盖3、4之间设置有密封部件8(端盖4一侧的密封件未图示)密封。
[0072] 在转子2的端盖3一侧的轴向端面23固定有
外齿轮7，外齿轮7的中心与转子2的中心重合，与外齿轮7
啮合的
内齿圈9固定在端盖3的端面上，内齿圈9的中心与内腔S的中心(偏心轴中心O1)重合。
[0073] 外齿轮7和内齿圈9构成偏心(同步机构)机构，驱动转子2以内腔S的中心为中心作行星运动。
[0074] 内腔S的内周面有三个弧形的内周面12相连而成。各个内周面12的形状大小相同，各个内周面12的连接点向内突起，形成三个凸峰11。在内周面12上设置有凹槽作为燃烧室6(6a、6b、6c)。燃烧室6相对于基准线L1设置在转子2转动方向的相反一侧偏离角度θ(参照图17)。
[0075] 转子2如图2所示，呈近似椭圆的形状，长轴方向的两端(N＝2)具有与内周面12对应的形状，作为凸轮24a在转子2旋转时进出工作室，在径向外周面24上设置有进气口21和排气口22，进气口21和排气口22分别通过转子内的通道在转子2的侧面开口，端盖3、4设置有进气孔41和排气孔31，随转子2的旋转转子2侧面的开口与进气孔41和排气孔31周期性连通(端盖上的进排气口与进排气
歧管相连接)，构成气口式进排气通道系统。
[0076] 转子2安装在壳体1的内腔S中，转子2的径向外周面24与壳体1内周面上的三个凸峰11保持接触，在转子2的径向外周面24与壳体1的内周面12之间，形成三个独立的工作室S1、S2、S3(N+1)。转子2转动时，工作室S1、S2、S3周期性的发生变容，工作室S1、S2、S3和燃烧室6一起构成气体压缩与膨胀系统。
[0077] 工作室S1、S2、S3由设置在三个凸峰11处的径向密封部件密封(未图示)。设置于壳体1的径向密封部件和设置于端盖上的端面密封(平直线条形状)、以及连接上述两个密封件的密封销(位于径向密封部件侧面的端盖处)构成腔室S的密封系统。转子2中心的轴(图1中固定在外齿轮7上的轴)插入偏心轴5的偏心孔51中，转子2转动时的力由偏心轴5转换成扭矩作为动力输出。
[0078] 转子2的径向外周面24上设置有未图示的截面形状为长方形的凹槽，该凹槽表面涂有疏油材料。转子2的径向外周面以及燃烧室6表面涂嵌有耐高温材料，如陶瓷、耐
高温合金等。
[0079] 图3至图9为摆线转子发动机的工作状态说明图。以下以工作室S1为例对发动机的工作状态进行说明。
[0080] 图3中，转子2外周面的进气口21开始进入工作室S1，通过进气口21空气或混合气进入工作室S1。偏心轴5的旋转方向与转子2的旋转方向相反。
[0081] 图4中，排气口22离开工作室内S1，工作室S1的排气口关闭，此时通过进气口22的进气继续进行。
[0082] 图5中，进气口21离开工作室S1，工作室S1的进气口关闭，工作室S1中的空气或混合气开始压缩。
[0083] 图6中，转子2的凸轮24a位于上止点，凸轮24a完全进入工作室S1，此时，燃烧室6a被转子2的外周面封闭，空气或混合气被封闭在燃烧室6a，通
过喷油或点火使混合气燃烧。由于燃烧室6a相对于转子2的旋转方向，形成在偏离工作室S1中心的位置，因此从燃烧开始到燃烧室6a压力达到最大的整个阶段，都不会出现力臂为零的状态，转子2上的力能有效的在偏心轴5上转换成扭矩作为动力输出。
[0084] 图7中，在混合气燃烧时的膨胀力作用下，转子2驱动偏心轴5进一步旋转。
[0085] 图8中，做功完成，排气口22开始进入工作室S1，工作室S1开始排气。
[0086] 图9中，排气继续进行，直到排气口22离开工作室S1。
[0087] 至此，工作室S1完成进气、压缩、膨胀、排气一个周期的工作。在工作室S1进行进气、压缩、膨胀、排气作业时，工作室S2、S3也同时完成一个周期的作业。
[0088] 以上除燃烧室结构外，其余均为现有技术。
[0089] 以下对燃烧室的设置进行说明。
[0090] 图16为现有转子发动机的燃烧室结构说明图。由于燃烧室6a*设置在内周面12的中央位置，在转子2的凸轮24a位于上止点，转子的凸轮24a完全进入工作室S1时，燃烧室6a*位于基准线L1上，基准线L1为凸轮24a位于上止点时，经过偏心轴5的轴心O1，转子2的中心O2的直线，此时，对于燃烧室6a*的压力而言，转子2与偏心轴5之间的力臂为零，混合气燃烧产生的膨胀力无法在偏心轴5上产生力矩。
[0091] 图17中本发明的燃烧室6，相对于图16的燃烧室6*，在转子转动的相反方向上偏离θ角，因此，混合气燃烧时产生的膨胀力作用在转子2的外周面上时，偏心轴5上产生力矩，推动偏心轴5转动。与现有的燃烧室相比，更能充分发挥燃烧气体的做功能效，显著提高热能-机械能转换效率，从而进一步提高发动机热效率，减少能耗，减少排放，也能进一步减小(相同输出功率的)发动机的体积与重量。并且，高温的燃烧气体在工作室内的路径变长，可降低排气温度，提高能量转换效率。
[0092] 由于能够利用偏移部分的等容区间进行燃烧，防止了等容燃烧过早结束，进一步提高发动机的热效率，降低了能耗。
[0093] 转子发动机由于其特殊的工作方式，转子2转动时，连接偏心轴中心O1和转子中心O2的基准线L1不断发生位置变化。为保证做功时，不会因为转子2转动而出现力臂为零的情况，需要考虑燃烧室与基准线L1的关系。
[0094] 以下通过图10至图15，探讨基准线L1的运动轨迹，以确定燃烧室最佳设置位置。
[0095] 图10为转子位于工作室S1的上止点时基准线L1的位置，基准线L1与工作室S1所对内周面的中心线(工作室中心)重合。
[0096] 图11为转子顺时针转动30°角时基准线L1的位置，基准线L1向转子的转动方向的相反方向转动60°。
[0097] 图12为转子顺时针转动60°角时基准线L1的位置，基准线L1向转子的转动方向的相反方向转动120°。
[0098] 图13为转子顺时针转动90°角时基准线L1的位置，基准线L1向转子的转动方向的相反方向转动180°。
[0099] 图14为转子顺时针转动120°角时基准线L1的位置，基准线L1向转子的转动方向的相反方向转动240°。
[0100] 图15为转子顺时针转动150°角时基准线L1的位置，基准线L1向转子的转动方向的相反方向转动300°。
[0101] 因此，在本实施方式中，转子位于上止点时，基准线L1与工作室S的中心重合。由于转子2转动时，基准线L1向相反的方向转动，对于燃烧室S而言，力臂是不断减小的过程，在基准线L1处于燃烧室S位置时，力臂为零。因此，燃烧室6设置在等容燃
烧结束或工作室压力足够小的位置(如临近凸峰11的位置等)，能避免出现工作室压力大而力臂为零的情况出现，提高发动机的做功效率。
[0102] 图20为传统燃烧室布置方式下偏心轴上输出力矩的变化曲线示意图，图21为燃烧室在转子转动方向的相反方向偏离基准线L1，30°时偏心轴上输出力矩的变化曲线示意图。
[0103] 相比图1，图21中，在偏心轴转动到2点(60°)的位置时输出的力矩更大，做功能力也增加。因此发动机的效率更高。
[0104] 图18为在转子转动时，在工作室的弧形面上不同的位置，弧形内周面与转子外周面之间间隙的变化图，图19为图18中0°附近的放大图。
[0105] 图中，M1线是往复式活塞的运动轨迹，M2至M4是转子发动机的密封间隙曲线，其中M2线对应燃烧室在0点(0)，M3线对应1点(30°)，M4线对应2点(60°)，纵坐标c点对应0.01的间隙尺寸。
[0106] 由图可知，燃烧室6的位置偏离内周面中央越远，弧形内面与转子外周面之间间隙在一定值(如C)以下时的，偏心轴(曲轴)的转动范围越大，能获得更大的等容燃烧时间。
[0107] 因此，燃烧室的位置能够根据等容燃烧的需要，设置偏离内周面中央的距离或角度。如选择间隙变化平坦的部分，作为燃烧室偏离距离或角度的参考。
[0108] 以下对本发明的实施例进行说明。
[0109] 三个工作室(S1、S2、S3)的角度为120°时，燃烧室6偏离基准线L1的角度设置在小于60°的范围内。
[0110] 点火角或喷油角根据燃烧室6偏离所述基准线L1的角度设定。
[0111] 燃烧室6设置在，转子2位于上止点时，基准线L1穿过燃烧室6内的位置。
[0112] 以上以三叶型的转发动机子为例，进行了说明，但本发明能够适用于任何形式的转子发动机。
