CN1064914A - 加压蒸汽驱动的旋转发动机 - Google Patents

Abstract

一种旋转发动机，包括一带有第一和第二相邻轮 毂的活塞组件。轮毂可旋转地绕一公共轴安装在壳 体中，在此与两根绕分共轴线同轴设置的驱动轴相 连。从第一和第二轮毂上沿径向向外相应伸出有第 一和第二组活塞。每个第二组中的活塞头均与第一 组中的活塞沿圆周间隔分布，以在两者之间构成一燃 料膨胀室。从轮毂旋转轴线到活塞头外圆周表面之 间的距离，至少是从活塞组件轮毂外圆周表面到活塞 头外圆周表面的距离，即膨胀室径向深度的三倍。这 种结构可以确保活塞头与驱动轴之间的力臂，大于典 型的往复式燃烧发动机，产生的力矩亦大。

Description

本发明涉及一种旋转传动装置，特别是一种由非燃烧加压蒸汽驱动的旋转发动机。

传统内燃机被证明是唯一最普编的大气污染源。污染在很大程度上是由于需要增大发动机功率和性能而采用高压缩比，从而导致燃烧不完全，并排出大量气态及粒状污染物而引起的。作为治理排污问题的一个尝试，人们在发动机的基本设计中就已加入了复合阀门装置及电子控制电路。排污在某些方面已由于这种尝试得到了很大降低。然而，这种排放的降低使发动机的价格大为提高。另外，发动机的效率也在一定程度上被降低。

再有，首先由于要将活塞的直线运动转换为旋转运动，因而典型的往复式内燃机是一种效率较低的系统。过去人们曾试图脱离开往复式内燃机的传统概念。目前应用最为广泛的，已在汽车工业商业应用中被接受的是如人所共知的“汪克尔”旋转发动机。它使用了设置在一个长的、通常为椭圆形的室中的三角形偏心旋转活塞。该活塞在室中旋转并交替吸入燃料空气混合气，压缩该气体，点燃它而后再将其排出，就象往复式发动机的循环一样，但具有旋转运动。该发动机从结构上来说要比传统的往复活塞式内燃机简单得多，这是因为它大大简化了阀门和取消了由复杂的曲轴连接的直线往复运动的活塞。但是，在汪克尔发动机中未能消除引入注目的严重污染问题。另外，汪克尔发动机的密封件一直存在严重的磨损和撕裂问题。

本发明提出了一种避免现有技术中这些问题及缺陷的旋转发动机。本发明通过向旋转发动机提供带有第一和第二相邻轮毂的活塞组件来实现这一目标。轮毂围绕一公共轴线可旋转地安装在壳体中。第一和第二两组活塞分别从相应的第一和第二轮毂上径向地向外伸出。第二组的每一活塞头都与第一组的一个活塞头沿圆周间隔分布，以在它们之间构成一个燃料膨胀室。从轮毂的旋转轴线到活塞头的外圆周面之间的距离，至少是从活塞组件的轮毂外圆周表面到活塞头的外圆周面之间距离，即膨胀室的径向深度的三倍。

所述的相关尺寸增大了发动机的效率。通过保持膨胀室在径向方向上较小的尺寸，作用在活塞头工作面上的平均力或压力将始终向着活塞组件的周边。因而增大了力臂。这样在驱动发动机所需的压力减小时，也能够加大转动力矩。

另外，膨胀室尺寸的减小，缩小了活塞头的尺寸，进而使发动机更加紧凑。

膨胀室尺寸较小的另一优点，就是改善了燃料的效率（即消耗的加压蒸汽的体积减小了）。

本发明的另一个优点是活塞在压力作用于其上之前就在运动。所以蒸汽基本上不发生泄漏，因而不需要密封。

再有，活塞的摆动运动仅使其转动速率增加和降低，这就消除了发动机的一个不好的主要特性，即其高速运动的发动机质量在转向时引起的，象未平衡的传统往复式内燃机那样的震动。另外，转动部分有效地构成了一个飞轮，为发动机的有效输出增加了惯性而不需要另外再加飞轮。

上面是对现有技术的一些不足之处及本发明优点的概述。本发明的其它特点，优点及其具体实施例将由附图及附带的权利要求书，通过下面的描述呈现于本领域技术人员面前。

图1是根据本发明原理的旋转发动机简图;

图2是本发明的旋转发动机部分被剖去并分解的视图;

图3是图2所示发动机的剖视图;

图4是沿图3中4-4线的剖视图，显示出一套曲轴组件;

图5是沿图3中5-5线的剖视图，显示出一套活塞组件;

图6是图2中所示动力系列的分解图。

详见附图，这里根据本发明的原理来说明旋转发动机，其中相应标号表示相应元件。

参照图1，它简单说明了旋转发动机的动力学原理。两个摆动的活塞组件，每个带有一对径向对置的活塞，安置在活塞组件壳体2中这些组件由线4和6表示，代表每一活塞对的中心线。

活塞组件壳体2包括入口30、32和出口或称排气口31、33。入口30和32与加压气体源，液体或蒸汽（未示出），如催化蒸汽、水蒸汽、膨胀的被液化的大气液态空气，通过一启闭阀门（未示出）相连。活塞组件4和6的位置如下面将要讨论的那样，控制着蒸汽的喷入及排出，因而不需要进气和排气阀。再有，如果液态空气作为燃料使用，它就应在发动机中被加热，以防止冻结。

在蒸汽压力自入口30和32引入时，加压流体进入了相邻活塞组件之间形成的四个气体膨胀室中的一个内。而后气体压力压向两相对的活塞面，使得活塞通过一同心驱动轴8和10的轴线限定的弧前、后，即相向和相背相互摆动。活塞的摆动运动通过连接点12和14传递给同轴的驱动轴8和10。驱动轴8和10与曲轴组件16和18相连，将摆动运动转换成旋转运动，而后传给行星齿轮20和22。象行星齿轮20和22绕其轴线转动一样，它们也围绕一固定的太阳齿轮24运行。曲轴组件16和18随着行星齿轮20和22的运动轨迹绕行，从而驱动轴8和10旋转，而轴本身又依次驱动活塞组件4和6旋转。因而活塞组件4和6如相应箭头34和36所确定的那样摆动及转动。

在发动机的另一端，曲轴组件16和18与曲轴组件壳体26相连，而该壳体26则与输出轴28相连。因而，当行星齿轮20和22围绕太阳齿轮24运行时，曲轴组件16和18与曲轴组件壳体26一起绕着输出轴28运转。由于曲轴组件壳体26是连在输出轴28上的，因此输出轴28便转动起来。该旋转发动机是这样构成的，即活塞组件的位置如下面所述是与通过入口30和32进入的加压流体的喷射自动调整的。

参见图2和3，在此对旋转发动机1的结构作详细的描述。旋转发动机1包括与活塞组件壳体2相连的传动壳体38，传动壳体38包含有一行星轮系和旋转的曲轴组件或曲轴壳体26。壳体38还包括一个环形壳体40和两个端盖42和44。端盖42和44在靠近其圆周处具有用于连接固定件的轴向排列的孔46。端盖42和44还带有环槽50和52，以便沿轴向将环形壳体40插入。

活塞组件壳体2包括一环形壳52和一端盖56。端盖56带有一系统与侧壁边缘相邻的沿圆周分布的孔58。孔58与孔60以及螺纹孔62相配合，其中孔60沿轴向穿过环形外壳54，而螺纹孔62则开设在端盖44上。随后，紧固件如螺栓64穿过孔58、60和62将活塞组件壳体2紧固在传动壳体38上。由此，端盖44，环形壳54及端盖56，便构成了一个容纳活塞组件4和6的腔室。

参见图2、3和6，活塞组件4包括轮毂或盘形件66和径向相对的活塞头68，该活塞头68从轮毂或盘形件66的径向向外伸出。活塞头68可以与盘66制成一体，也可以用紧固件70固定到盘66上。中空筒状驱动轴8从轮毂66中伸出，并轴向地与轮毂66中的中心孔72相配。管状元件74从轮毂66的另一侧伸出，也沿轴向与中心孔72相配。管状元件74穿过端盖56上的中心孔，并通过径向轴承78可转动地被支承在那里。在端盖56和管状元件74之间还设有环形密封件76，以防止压力泄漏。

活塞组件6也带有一个轮毂或盘形件80，和沿径向由轮毂80向外伸出的径向对置的活塞头82。如同活塞组件4一样，活塞头82也可以与轮毂或盘形件80制成一体，或者用紧固件70固定在轮毂80上。中空筒状驱动轴10从轮毂80的一侧伸出，并沿轴向与轮毂80中的中心孔84相配。参见图3，驱动轴8穿过孔84伸出并同轴地安置在驱动轴10中。图中显而易见，驱动轴10和中心孔84的内径大于驱动轴8的外径，以确保轴8在轴10中转动。青铜轴承86设置在驱动轴8与10以及在驱动轴10与传动壳体38之间，以进一步促进它们之间相对转动。轴承86上带有本领域公知的润滑油道。

膨胀室Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ均构成于活塞头68和82之间（图2和5），特别是活塞头68带有工作面88，活塞头82带有工作面90。这些工作面构成了膨胀室的一部分，且从轮毂66和80的径向伸出。工作面82和90也沿轴向伸出轮毂元件的组合宽度，使得每个活塞头从一个轮毂伸出并与另外的轮毂重迭。

曲轴组件16和18设置在曲轴组件壳体或曲轴壳体26中，其上连接有驱动轴8和10。曲轴壳体26包括两个隔开的盘形壁92和94，其间设有一筒形壳96并固定为一体。盘形壁94包括一环形法兰90并向活塞组件方向延伸，伸入到在端盖44上形成的一环形凹槽100中。环形法兰98通过一径向轴承102可转动地设置在环槽100中。环形法兰98是由青铜轴承104支承在同轴驱动轴8和10上。由此，盘形壁94便可相对于摆动和转动的驱动轴8和10的纵向轴线转动。

轴8和10带有花键的一端（图2所示）伸入到曲轴壳体26中，并通过伸入到曲轴杆或曲柄臂106和108的花键套部分与曲轴件16和18相连。曲轴杆106和108通过轴销114与连接杆110和112转动地连接。连接杆110和112通过颈轴120和122与曲轴116和118相连，象使曲轴116和118转动的传统技术一样。曲轴116和118也是由青铜轴承124支承在盘形壁92和94中，并与行星齿轮20和22固接，以提供旋转运动的行星齿轮。曲轴组件壳体26的筒形壳体96包括有径向相对的开口或缝126，以使连接杆110和112能够在曲轴组件运行期间从中穿过（如图3、4和6所示）。曲轴118和120象传统技术中所述的那样，也设置有平衡块128来平衡曲轴。

太阳齿轮24固接在传动壳体38的端盖42上，如利用紧固件130以防止太阳齿轮转动。动力输出轴28穿过在端盖44和太阳齿轮24中形成的中心孔132和134伸出，并由青铜轴承136支承可旋转地设在其中。输出轴28带有一环形法兰138，它例如用紧固件140固接在曲轴壳体26的盘形壁92上。这种设置确保了输出轴28与曲轴壳体26围绕着摆动轴8和10的纵向轴线旋转。输出轴28封闭的一端也带有一个花键孔，辅助轴144的有花键的一端与之相接，以便同输出轴28一起转动。而辅助轴144穿过摆动驱动轴8和10伸出并远离端盖56，为附属设备提供辅助动力。摆动驱动轴8和10，辅助轴144和输出轴28的纵向轴线是重合的。

端帽146和148用例如紧固件50固定在端盖56和42上，以使活塞组件壳体2和传动壳体38与环境密封。端帽146和148均设有密封件76，以密封轴的孔及径向轴承152和154，它们均位于密封件的轴向内侧，并进一步为辅助轴144和输出轴38提供旋转支承。

参见图5，这里描述了带有入口和出口30-33的活塞头68和82的同步装置。如上所述，活塞组件4和6围绕着图5中由符号c表示的公共轴线摆动和转动。参见图4，驱动轴8和10以及曲轴杆106和108，象颈轴120和122沿顺时针方向旋转那样，沿逆时针方向转动。当活塞头68和82因与曲轴116和118的连接而沿逆时针方向旋转时，膨胀室Ⅰ和Ⅲ对准径向相对的压力入口30和32。高压流体，最好是高压蒸汽，流入室1和3中并产生一个压向活塞头68的工作表面后缘的逆时针方向的力，在逆时针方向上加速活塞头68，同时产生一个压向活塞头82的工作表面前缘的顺时针方向的力，以摇摆动力方式对活塞82作用。当活塞头82相对于活塞头68沿顺时针方向转动时，气缸Ⅰ和Ⅲ中的高压流体膨胀并对活塞作功。由于径向相对的排气孔31，33是沿逆时针方向与入口30、32错开120°角设置的（顺时针方向为60°），活塞头68便在作功冲程中转动100°。由于排气孔31和33设置位置的缘故，排气发生在整个120°的作功冲程之中。在作功冲程完成以后，活塞68和82在逆时针方向30°处转到一起。这一运动确定了活塞68和82下一作功冲程的位置。

在曲轴组件壳体26转动四分之一转期间，膨胀室经历了一个完整的膨胀及排气循环。当室Ⅰ完成了一个循环，即一个膨胀和排气冲程时，剩下的每个室Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ都经历了相同的90°循环（相位变换）。因此，这显示出在每一曲轴壳体26的曲轴转动或输出轴28转动期间，与输出轴28一道的摆动驱动轴8和10必须得到四个等间隔的双动力脉冲，该脉冲是传统8缸往复直线运动内燃机动力冲击速率的两倍。对于行星齿轮和曲轴每90°的运动，杆都会有30°的运动。通过这种运动，就会有四倍120°共等于480°的活塞运动被转换，活塞运动重迭为120°。30°的杆运动和90°的齿轮运动也发生在滞后的活塞头中，作为反向驱动动力它使得滞后活塞看上去不运动，而实际上是以相等的速度移向冲程活塞。因而，本发明达到了每一次爆发都有240°的作功冲程的目标。

为了实现上述结果，并且为了在不需要复杂的阀门控制系统的情况下，在四个活塞头与进口和出口30-33之间提供内在的自动同步作用，该装置要具备下列的几何形状。

太阳齿轮与行星齿轮的齿数比为2∶1，以使曲轴组件壳体26以行星齿轮20和22的转速的一半转动，因此也就是活塞组件2和4的摆动速率的一半。再有，活塞头延伸基本不大于37.5°的弧（剩下120°的膨胀室空间），而且发动机布置成等力臂的形式。相等的力臂由构成元件提供，使得下列距离相等;从曲轴杆106和108的轴线至轴销114（在图4中由相应符号S₁表示）之间的距离;从轴销114到曲轴颈120和122的中心（在图4中由相应符号S₂表示）之间的距离;以及活塞组件的旋转轴线到每个活塞头的工作面的径向中心线（图5中由相应符号S₃表示）之间的距离。由于力臂相等，行星齿轮齿数比为2∶1，且活塞头的弧度或由每个活塞头的每对径向延伸工作面及轴线c构成的包容角不大于37.5°，因而活塞运动是重迭的，使得其与进口和出口线性排列。由此，活塞组件在相同方向上以变化的运转速率转动，以协调的循环打开和关闭位于活塞头之间的膨胀室，从而在膨胀室容积最小时打开进气口并在容积最大时打开排气口。另外，上述参数确保了活塞头之间不会发生接触。

旋转发动机1的正时由太阳齿轮上的行星轮一两个齿的简单分度一次调整，直到所有的活塞运动都是相等为止。例如，当室Ⅰ和Ⅲ的尺寸相等时，活塞的运动相等。

根据本发明原理的旋转发动机结构还产生了一些上面没有提及的优点。第一它消除了由不旋转部分产生的振动，如往复活塞和气门直线运动产生的振动。第二发动机大部分的内部元件都在旋转，产生出很大的惯性。第三由于发动机膨胀循环期间作用在指定活塞一侧的力，以与气缸进口压力的函数关系被直接转换成了力矩，因此发动机产生出的力矩不完全依赖于发动机每分钟的转数（r，p.m）。

在典型的往复活塞机中，由活塞向曲轴施加力并由此而产生的力矩，是气缸压力和相应曲轴角度位置两者的函数。在本发明的旋转发动机中，产生出的针对轴8和10的力矩是作用在指定活塞上的力，乘以摆动轴8和10与活塞上的力的中心之间的径向距离的积。由曲轴116和118产生的这一力矩等于轴8和10上的摆动活塞产生的力矩，假定连接杆110，112的力臂与曲轴之间的力臂比为1∶1。行星齿轮系2∶1的传动比使由输出轴28输出的有用的力矩倍增。

本发明所产生的力矩非常大，与往复式发动机相比本发明典型发动机的长臂大约有6英寸。最大的力矩在活塞间的室内由空气膨胀产生，并立即（也就是直接）传给轴8和10。与此相反，传统内燃机在曲轴上产生力矩的力臂通常不大于3英寸。在这种往复式发动机中，当燃烧的燃料在活塞上产生最大的压力时，在燃烧过程开始瞬间，由于曲轴颈与连接杆及活塞接近成一直线因而有效的力臂非常小，直到其转过上死点90°才达到最大。因而，很明显本发明提出的发动机由于其几何形状带来了发动机的特殊型式，从而大大增加了有效力矩。也许更重要的是该力矩不仅对高转速有效，而且几乎对同样情况下的低转速也有效，如示例表明的那样。因而动力驱动系列的大大简化，使得用该发动机驱动车辆成为了可能。

很明显，制造旋转发动机的材料及尺寸可以从很大的尺寸和/或材料范围中选取。这里列举的以下例的仅是对所用材料的举例说明：活塞头，活塞轮毂，曲轴杆、连接杆和曲轴壳体端盖，由高强度铝例如601  76A1制成;剩下的元件包括摆动轴8、10，曲轴壳体96及曲轴116、118由低碳钢制成。

上述是对本发明的一个特殊实施例的详细描述。与所公开的实施例不同的方案也可能会处于本发明的范围之内，而且对本领域的技术人员而言可以做明显而修改。本发明的整个范围由下面的权利要求及等效物限定。因而权利要求书及说明书不应是对本发明整个保护范围的过于狭义的解释。

Claims (10)

1、一种加压流体旋转发动机的活塞组件，包括：

一个壳体；

一个可绕轴线旋转，安装在所述壳体上的第一轮毂；

一个可绕轴线旋转，安装在所述壳体上的第二轮毂；

从所述第一轮毂上沿径向向外伸出的第一组活塞头；

从所述第二轮毂上沿径向向外伸出的第二组活塞头，第二组中的每一个活塞头与第一组中的每个活塞头沿圆周间隔分布，在其间构成一个燃料膨胀室；

每个活塞头的外圆到其伸出的轮毂之间的距离小于或等于每个活塞头的外周到所述轴线之间的距离的三分之一。

2、一种加压流体旋转发动机的活塞组件，包括一个壳体和绕公共轴线可转动地安装在所述壳体中的四个活塞头，它们在一环形轨迹上运动，每一活塞头具有一对工作表面，每一工作表面都与相邻活塞头的工作表面相对，相应活塞头的每个工作表面部分都确定出一个相对于所述轴线约37.5度的包容角。

3、一种加压流体旋转发动机的活塞组件，包括：

一个壳体，带有两个压力入口，用以将加压流体导入所述壳体，还有两个压力出口，用以将流体从壳体中排出;

一个绕轴线可旋转地安装在所述壳体上的第一轮毂;

一个绕轴线可旋转地安装在所述壳体上的第二轮毂;

从所述第一轮毂上沿径向向外伸出的第一组活塞头，每个活塞头带有一个前面和一个后面;

从所述轮毂上沿径向向外伸出的第二组活塞头，所述第二组中的每一个活塞头都具有一个与所述第一组中活塞头的后面相对的前面，以及一个与所述第一组中活塞的前面相对的后面，且每一个第二组中的活塞头都与第一组的活塞头沿圆周间隔分布，使它们之间形成一个燃料膨胀室;

每个膨胀室的径向深度小于或等于所述轴线到所述活塞头的外圆周的距离的三分之一;

每个活塞头的前面及后面都确定出一个相对于所述轴线约37.5度的包容角。

4、一种加压流体旋转发动机，包括：

一个活塞壳体;

第一和第二轮毂，每个轮毂绕一公共轴线可旋转地支承在所述活塞壳体中;

活塞头从所述轮毂中沿径向向外伸出，以便绕所述轴线在一环形轨迹上运行，每一活塞头带有一对工作表面，每一工作表面都与相邻活塞头相对;

一个与所述活塞壳体相连的传动壳体;

一根从所述传动壳体中伸出的输出轴;

一对曲轴杆，每根与所述轮毂中的一个相连，并绕所述轴线可旋地设置;

一对连接杆，每根都具有第一和第二部分，其中每个第一端部可转动地与所述曲柄臂相连;

一个固定在所述传动壳体上的太阳齿轮;

一对与所述太阳齿轮啮合的行星齿轮;

一对曲轴颈;

一对曲轴，每根都具有一个通过一个曲轴颈与所述一个连接杆的第二端部可转动地连接的第一部分，和一个与所述行星齿轮之一相连的第二部分，及所述转动行星齿轮的输出轴和输出轴;

所述轴线与每个连接杆之间的力臂，每个曲轴颈与通过相应的连接杆连接的曲轴杆之间的力臂，及每个活塞头与轴线之间的力臂，它们的长度相等。

5、如权利要求4所述的旋转发动机，其特征是所述壳体带有用以将加压流体供入膨胀室的压力入口，和用以将膨胀后的流体从膨胀室中排出的排出口，入口与出口的数量相等。

6、如权利要求1所述的旋转发动机，其特征是每个活塞头的外圆周与伸出有活塞头的轮毂之间的距离，约为每个活塞头的外圆周到所述轴线的距离的三分之一。

7、如权利要求1所述的旋转发动机，其特征是它还包括一对管状的驱动轴，每一根都与所述第一和第二轮毂中的一个相连，所述管状驱动轴是同轴设置的。

8、一种加压流体旋转发动机的活塞组件，包括：

一个壳体;

一个绕轴线可旋转地安装在所述壳体上的第一轮毂;

一个绕轴线可旋转地安装在所述壳体上的第二轮毂;

从所述第一轮毂上沿径向向外伸出的第一组活塞头。

从所述第二轮毂上沿径向向外伸出的第二组活塞头，第二组中的每一活塞头都与第一组中的活塞头沿圆周间隔分布，从而在其间形成一个燃料膨胀室;

一对管状驱动轴，每根均与第一和第二轮毂中的一个相连，以便将轮毂与曲轴杆相连，所述管状驱动轴是同轴设置的;

从每个活塞头的外圆周到伸出活塞头的轮毂之间的距离，基本上是从每个活塞头的外圆周到所述轴线之间的距离的三分之一。

9、一种加压流体旋转发动机，包括：

一个活塞壳体;

第一和第二轮毂，每个轮毂可旋转地绕一公共轴线支承于所述活塞壳体中;

从所述轮毂上径向向外伸出的活塞头，它在围绕轴线的环形轨迹上运行，每个活塞头都带有一对工作表面，构成约为37.5°的包容角，每个工作表面都与相邻的活塞头相对;

从每个活塞头的外圆周到伸出活塞头的轮毂之间的距离，大约是从每个活塞头的外圆周到所述轴线之间距离的三分之一;

一个与所述活塞壳体相连的传动壳体;

一个从传动壳体上伸出的输出轴;

一对曲轴杆，每根都与所述轮毂中的一个相连并绕所述轴线可转动地设置;

一对连接杆，每根都具有第一和第二两部分，其中每个第一端部可转动地与所述曲柄臂相连;

一个固定在所述传动壳体上的太阳齿轮;

一对与所述太阳齿轮相连的行星齿轮;

一对曲轴颈;

一对曲轴，每根都具有一个通过一个曲轴颈与所述一个连接杆的第二端部可转动地连接的部分，和一个与所述行星齿轮之一相连的另一部分及所述转动行星齿轮的输出轴，和所述输出轴;

所述轴线与每个连接杆之间的力臂，每个曲轴颈与通过相应的连接杆连接的曲轴杆之间的力臂，以及每个活塞头与轴线之间的力臂，它们的长度相等。

10、如权利要求9所述的旋转发动机，其特征在于每一活塞头与所述轴线之间的力臂，从所述轴线伸向相应活塞头工作表面的径向中心。

Images