活塞停动式连续旋转发动机的制作方法

本发明属于内燃发动机领域，具体涉及一种连续高速旋转发动机，可应用于汽车发动机和直升机发动机等。

背景技术：

内燃发动机是当今世界上将化学能转化为机械能的重要设备之一，主要包括往复式活塞发动机、旋转活塞发动机和燃气涡轮发动机等。从第一台往复式活塞发动机制造出来之后，它一直在发动机领域占据着统治地位，其主要原因是往复式活塞发动机出现时间最早，相关技术比较成熟。但由于曲柄连杆机构和飞轮的存在，使其结构复杂笨重，往复惯性冲击力大，而且往复运动方式决定了这种发动机很难达到高速旋转。旋转活塞发动机主要分为匀速型转子发动机、差速型转子发动机和行星型转子发动机三大类。匀速型转子发动机的典型代表是刮片式转子发动机，其主要特点是旋转件绕固定中心按均匀的角速度旋转，但其最大的缺点是刮片在椭圆气缸长轴位置时呈悬臂状态，密封润滑困难。差速型转子发动机的最大特点是同一气缸中有同轴旋转但角速度不同的两个活塞做相对运动，从而产生工作容积的变化，但其最大缺点是差速活塞做不匀速运动而产生的惯性力对传动机构齿轮和连杆等零件造成较大的冲击力，使发动机转速难以提高。行星型转子发动机的典型代表是三角转子发动机，也是旋转发动机中运用最多的一类，与往复式活塞发动机相比，其拥有体积小、重量轻、功率大、转速高、噪声小等优点，但由于其结构特点，使得其存在制造难度大、精度和材料要求高、燃料利用率低、密封性差、寿命低等缺点。燃气涡轮发动机依靠燃料燃烧的高温高压燃气来推动叶轮旋转，拥有平衡性好、转速高、摩擦小和机械效率高等优点，广泛运用于飞机，但由于其制造难度高、怠速时燃油消耗大等缺点，使其很难应用于负载不稳定的汽车。

技术实现要素：

为了设计出一种油耗低、密封好且又连续高速旋转的发动机，本发明提出了全新的解决方案，利用上下两层弧形活塞组的交叉性忽停忽动迫使弧形气缸连续旋转，既结合了往复式活塞发动机油耗低、密封好以及转子式发动机连续旋转的优点，又避免了差速式转子发动机对差速齿轮撞击较大难以达到高速的缺点，相当于往复式活塞发动机、匀速型转子发动机和差速型转子发动机的结合体。本发明的弧形活塞和弧形气缸紧密接触，可以全盘套用往复式活塞发动机气缸的密封、进气、排气和点火等已成熟的技术，密封效果较好。两个弧形气缸关于输出轴的轴心原点对称，并固定在输出轴上，旋转过程中无任何偏心振动。弧形气缸分左右两半和上下两层，左半气缸设置有进气孔、排气孔、点火器以及气门，负责吸气、压缩、点火、排气四个行程，右半气缸装有液体，负责液压传动，将活动层活塞组的右活塞头以快于气缸的速度推向左半气缸的底端，预备左半气缸的下一次点火。弧形活塞的外弧面中间设置有活塞逆止器，只允许活塞正向旋转。活塞分左活塞头和右活塞头，左活塞头置于气缸的右半部分，在右半气缸中的液体和逆止器的共同作用下控制活塞的忽停忽动，右活塞头置于气缸的左半部分，在气缸中进行吸气、压缩、点火、排气等行程，推动气缸连续旋转。四个活塞分别安装于对置气缸的四个缸体中，每一层的两个活塞连接成一对活塞组，其中一层活塞组处于固定状态时，另一层活塞组处于向前旋转的状态，且旋转速度快于气缸。两层活塞组的交换式忽停忽动推动了气缸的连续高速旋转。

本发明显著的有益效果是：

1.结合了往复式活塞发动机油耗低、密封好的优点以及转子式发动机连续旋转的优点。

2.发动机运转过程中，即使逆止器等差速机构存在微弱变形，也不影响气缸的连续旋转，避免了差速式转子发动机对差速齿轮撞击较大难以达到高速的缺点。

3.只要右活塞头能够在到达左半气缸底端之前减速停下，气缸便能继续加速，因此对逆止器和液压传动的精度要求较低。

4.气缸右半部分分成了主缸体和副缸体，保证了在微弱漏液和热胀冷缩的情况下液压传动能正常进行。

5.气缸的进气孔和排气孔并非固定，而是随气缸一起转动，换气过程对发动机的旋转弧度无精度要求。

6.凸轮轴的旋转由上下两层活塞和气缸的相对运动共同决定，气缸每个行程的转换取决于上下两层活塞与气缸的相对位置，摆脱了转子发动机旋转固定角度才进行一次行程转换的方式，使燃气在气缸中的燃烧更加充分。

7.发动机有四个燃气工作的缸体，相当于四缸的往复式活塞发动机，能够为旋转持续提供扭力。

8.发动机运动过程完全对称，无偏心振动。

附图说明

下面结合附图和实例对本发明进一步说明。

图1发动机整体样式示意图

图2发动机主要机构示意图

图3发动机外壳外部样式

图4发动机外壳内部样式

图5供油机构示意图

图6发动机旋转部分油管

图7传动机构示意图

图8传动机构拆解图

图9发动机气缸示意图

图10发动机活塞示意图

图11活塞组示意图

图12凸轮机构组合图

图13凸轮齿轮连接图

图14发动机做功原理示意图

图15发动机做功原理表

图中1.输出轴 2.发动机外壳 3.发动机进气孔 4.加强筋 5.发动机排气孔 6.输油管 7.油管固定轴 8.圆环形油管 9.小油箱 10.弧形气缸 11.弧形活塞 12.上盖 13.下壳体 14.输出轴固定孔 15.废气收集器 16.逆止器摩擦壁 17.半开式圆管外端 18.半开式圆管內端 19.气缸进气孔 20.螺钉 21.固定圆盘 22.中间连接轴 23.输油孔 24.上层左缸体 25.下层左缸体 26.上层右主缸体 27.下层右主缸体 28.上层右副缸体 29.下层右副缸体 30.弧形齿条孔 31.小齿轮孔 32.逆止式齿轮孔 33.大齿轮孔 34.凸轮轴孔 35.齿轮盖 36.主副缸体通孔 37.右缸体挡板 38.气缸排气孔 39.点火器 40.上下缸体通孔 41.主副缸体阀门 42.齿轮支柱 43.活塞逆止器 44.弧形齿条 45.右活塞头 46.左活塞头 47.活塞连杆 48.上层活塞组 C 49.下层活塞组 D 50.小齿轮 51.逆止式齿轮 52.大齿轮 53.凸轮轴 54.凸轮 55.凸轮逆止器

具体实施方式

1.发动机的各种部件

如图1所示，为发动机整体样式示意图，从图中可以清楚的了解到发动机外形为圆柱体，该圆柱体即为发动机外壳(2)。输出轴(1)从发动机外壳(2)上下两个侧面的中间穿过。发动机外壳(2)周围有四根加强筋(4)和四组发动机排气孔(5)，其中一根加强筋上设置有一个发动机进气孔(3)。

如图2所示，为发动机主要机构示意图，从图中可以看出发动机主要由油管、气缸、活塞和输出轴等构成。发动机进气孔(3)经输油管(6)连接到圆环形油管(8)，并由油管固定轴(7)固定，然后再连接到小油箱(9)。小油箱(9)置于弧形气缸(10)的中间连接轴上，然后在弧形气缸(10)的缸体中安装弧形活塞(11)。图中安装有两个弧形气缸(10)，并关于输出轴(1)的轴心原点对称。四个弧形活塞(11)分上下两层安装在弧形气缸(10)的缸体中，也关于输出轴(1)的轴心原点对称，且每一层的两个弧形活塞(11)对置连接在一起。上下两层弧形活塞(11)在弧形气缸(10)的左缸体中依次进行吸气、压缩、点火、排气，从而对输出轴(1)做功，保证发动机连续旋转。

如图3、图4所示，为发动机外壳外部样式和发动机外壳内部样式，主要由上盖(12)、下壳体(13)和中间输油管道部分组成，上盖(12)和下壳体(13)中间设置有一个输出轴固定孔(14)，限制发动机的摆动和上下串动。发动机的组件主要安装在下壳体(13)中，其中设置有废气收集器(15)和逆止器摩擦壁(16)。中间输油管道部分设置在加强筋(4)上端的平面上，其中半开式圆管外端(17)由该平面的三根油管固定轴(7)和一根输油管(6)固定在中间。在下壳体(13)中安装完发动机的所有组件之后，盖上发动机外壳的上盖(12)，便组成一个完整的发动机。

如图5、图6所示，为发动机的供油机构示意图和旋转部分油管，负责将外部固定油管中的油输送到旋转缸体中。发动机进气孔(3)、输油管(6)和半开式圆管外端(17)为供油机构的固定油管部分，半开式圆管内端(18)、小油箱(9)和气缸进气孔(19)为供油机构的旋转油管部分。将固定油管中的油输送到旋转油管中的关键是半开式圆管外端(17)和半开式圆管内端(18)紧密接触，形成闭合的圆环形油管(8)，且半开式圆管内端(18)卡在半开式圆管外端(17)中连续旋转。

如图7、图8所示，为发动机的传动机构示意图和传动机构拆解图，该传动机构的最大特点是动力部分和输出轴之间并没有通过齿轮、皮带、连杆等机构连接，而是直接通过螺钉(20)将弧形气缸(10)的中间连接轴(22)与输出轴(1)的固定圆盘(21)连接在一起。一根输出轴(1)上对置连接两个弧形气缸(10)，且两个弧形气缸(10)关于输出轴(1)的轴心原点对称。当发动机工作时，弧形气缸(10)连续旋转，从而带动输出轴(1)连续向外输出扭矩。

如图9所示，为发动机气缸示意图，发动机运转过程中，主要通过弧形气缸(10)的连续旋转向输出轴(1)提供扭力。弧形气缸(10)的内弧面设置有三根中间连接轴(22)，主要用于连接输出轴(1)和安置小油箱(9)，在第二根中间连接轴(22)的底端设置有输油孔(23)，可将小油箱(9)中的油引向缸体内部。弧形气缸(10)主要分成六个缸体，分别为上层左缸体(24)、下层左缸体(25)、上层右主缸体(26)、下层右主缸体(27)、上层右副缸体(28)和下层右副缸体(29)。靠近内弧面的上下两层缸体中间均设置有弧形齿条孔(30)，内弧面中间两侧的齿轮支柱(42)中与弧形齿条孔(30)相交的平面上设置有小齿轮孔(31)，在齿轮支柱(42)的顶端设置有与小齿轮孔(31)同心的逆止式齿轮孔(32)，小齿轮孔(31)和逆止式齿轮孔(32)的中心相通，便于用连杆将两种齿轮连接起来，进行凸轮机构的动力传递。在弧形气缸(10)顶端的中间设有大齿轮孔(33)，与逆止式齿轮孔(32)相交，便于将两类齿轮啮合安装。大齿轮孔(33)的中间设置有凸轮轴孔(34)，用于安装凸轮轴和凸轮。齿轮孔的上端有一块齿轮盖(35)，可将安装好的齿轮压紧。规定从弧心面向弧形气缸(10)的左端为左缸体，右端为右缸体。规定靠近弧形气缸(10)的中间部分为缸体的底端，远离弧形气缸(10)的中间部分为缸体的末端。在上层左缸体(24)和下层左缸体(25)的底端设置有气缸进气孔(19)、气缸排气孔(38)和点火器(39)，气缸排气孔(38)从左缸体(24)(25)的底端一直延伸到弧形气缸(10)的外弧面，发动机的进气、压缩、点火、排气等行程均在左缸体(24)(25)中完成。右主缸体(26)(27)的体积显著大于右副缸体(28)(29)，两缸体内装有液体，其末端设置有主副缸体通孔(36)和右缸体挡板(37)，保证液体可以通过缸体的末端自由流动于主副缸体。右主缸体(26)(27)和右副缸体(28)(29)的底端设置有主副缸体阀门(41)，保证液体可以在缸体的底端从副缸体流动到主缸体。上层右主缸体(26)和下层右主缸体(27)的底端设置有上下缸体通孔(40)，保证液体可以在上下层主缸体之间自由流动。右缸体的主要作用是通过液压传动，当其中一层活塞处于静止状态时，推动另一层活塞以快于弧形气缸(10)的速度向左缸体(24)(25)的底端运动，从而预备发动机的下一次点火。

如图10、图11所示，为发动机活塞示意图和活塞组示意图，图中活塞左右两端的活塞头(45)(46)高于中间弧形部分，活塞头(45)(46)四周直接与弧形气缸(10)的缸体内壁接触。活塞左半部分分成大小不同的内外两列，可分别安装在右半气缸的主副缸体中。活塞外弧面的外侧有一个活塞逆止器(43)，与发动机外壳(2)的逆止器摩擦壁(16)接触。本例中的活塞逆止器(43)采用的是滚柱式逆止器，可以达到控制活塞忽停忽动的目的，但为了降低活塞忽停忽动过程中的噪音，可以采用非接触楔块式逆止器或其它逆止器。活塞内弧面有一根活塞连杆(47)，活塞连杆(47)右侧有一根弧形齿条(44)。四个弧形活塞(11)分别对置连接，构成上层活塞组C(48)和下层活塞组D(49)。发动机运转过程中，上层活塞组C(48)和下层活塞组D(49)在活塞逆止器(43)和右缸体中的液压作用下忽停忽动。

如图12、图13所示，为发动机的凸轮机构组合图和凸轮齿轮连接图，图中小齿轮(50)与弧形活塞(11)内侧的弧形齿条(44)啮合，然后通过一根连杆与逆止式齿轮(51)相连。逆止式齿轮(51)在气缸上端的齿轮孔平面上与大齿轮(52)啮合，大齿轮(52)的中心与凸轮轴(53)相连。凸轮轴(53)上设置有四个凸轮(54)，按照一定距离和角度进行排列，分别控制上下层缸体的进气、排气。逆止式齿轮的齿条与连杆之间有一系列的齿轮逆止器(55)，当小齿轮带动连杆正向旋转时，齿轮逆止器(55)带动齿条一起旋转，当小齿轮带动连杆逆向旋转时，齿轮逆止器(55)与齿条松开，齿条在大齿轮(52)的带动下继续正向旋转。本例中的齿轮逆止器(55)采用的是滚柱式逆止器，在大齿轮及凸轮轴系统质量很轻，惯性很小的情况下，可以达到控制大齿轮单向旋转的目的。当大齿轮及凸轮轴系统惯性较大时，在发动机转换做功行程的过程中，活塞头从气缸底端相对气缸缸体向末端运动，相对速度由零逐渐加速从而带动相应小齿轮的连杆由零逐渐正向加速，但大齿轮的惯性较大，会存在一段大齿轮正向旋转速度大于连杆正向旋转速度的时间间隔，导致活塞与气缸的相对运动和气门的开闭不同步。因此，当大齿轮的惯性较大时应当选取具有一定反向阻力的非接触楔块式逆止器或其它逆止器，其反向阻力可以阻止大齿轮在惯性作用下的运动，从而消除大齿轮正向旋转速度大于连杆正向旋转速度的时间间隔。因此，滚柱式逆止器只是本实施案例在特定情况下的选取，在不同情况下应当根据不同的目的选取不同的逆止器。

2.发动机的工作过程

将以上部件组合之后，即完成了一个活塞停动式连续旋转发动机的安装过程，发动机包含传动机构、单向连续旋转机构、供油机构以及凸轮机构等。发动机运转过程中，上下两层活塞组交换式忽停忽动，促使气缸与输出轴连续旋转。

如图14、图15所示，为发动机的做功原理示意图和做功原理表，左图为气缸上层，包含A1、A3、B1、B3四个上层缸体和上下缸体通孔(40)以及上层活塞组C，右图为气缸下层，包含A2、A4、B2、B4四个下层缸体以及下层活塞组D，A1、A2、A3、A4为点火做功的缸体，B1、B2、B3、B4缸体中装有液体。在图8的第一和第二幅小图中，A1缸体中点火做功，A3缸体中吸气，此时，上层活塞组C在活塞逆止器(43)的作用下保持静止，从而A1缸体中的气体膨胀力推动气缸以V的速度向前旋转。由于上层活塞组C静止，气缸向前旋转，导致B1缸体和B3缸体的体积变小，缸体中的液体通过上下缸体通孔(40)流动到下层气缸对应的缸体中，促使下层活塞组D以更快的速度2V向前旋转，于是B2缸体和B4缸体的体积变大，导致A2缸体和A4缸体的体积变小，从而促进A2缸体进行排气，A4缸体进行压缩。在图8的第三和第四幅小图中，A1缸体继续做功，A2缸体继续排气，A3缸体继续吸气，A4缸体继续压缩，气缸继续以V前进，上层活塞组C继续保持静止，下层活塞组D继续以2V前进。直到A1缸体中活塞完全到达上层左缸体(24)的末端时，A1做功完成，A2排气完成，A3吸气完成，A4压缩完成。接下来A1开始排气，A2开始吸气，A3开始压缩，A4开始点火，气缸继续以V前进，上层活塞组C以2V前进，下层活塞组D保持静止。在图8的第五和第六幅小图中，A1缸体仍然处于排气行程，A2缸体仍然处于吸气行程，A3缸体仍然处于压缩行程，A4缸体仍然处于点火行程。直到A1缸体中活塞完全到达上层左缸体(24)的底端时，A1开始吸气，A2开始压缩，A3开始点火，A4开始排气，气缸继续以V前进，上层活塞组C保持静止，下层活塞组D以2V前进。A1、A2、A3、A4缸体依次进行点火、排气、吸气、压缩等四个行程，上下层活塞组依次进行停动交换，从而促进气缸连续向前旋转。由于活塞组的速度从2V减速为0需要一个时间间隔，因此，气缸的每一个行程所走的距离不固定，所以，需要供油机构的进气孔与气缸一同旋转，并以活塞到达气缸的末端作为进、排气的触发条件。图9展示了A1、A2、A3、A4四个缸体的做功过程，A1到A4的每个缸体都依次进行点火、排气、吸气、压缩四个行程，且每个缸体的行程顺序和缸体的序号排列顺序一致。