CN1546853A - 多元旋转无曲轴概念内燃机 - Google Patents

Abstract

一种新型多元旋转无曲轴概念内燃机23，该多元旋转无曲轴概念内燃机23具有：环形缸21、不少于一个的旋转活塞6、活塞连杆18、动力输出轴17、不少于一个的单元分隔挡板3、不少于一个的气室分隔挡板19和不少于一个的高压燃气转移器20。该多元旋转无曲轴概念内燃机23可以通过整合内燃机的冲程、提高燃烧效率、减少燃烧做功冲程中能量传输的环节，并在此基础上达到简化机械构造，大幅缩小内燃机的外形尺寸和重量，实现小尺寸大功率和高效节油的设计方案。

Description

多元旋转无曲轴概念内燃机 (以下简称“概念内燃机”)

技术领域

本发明涉及一种这样的新型内燃机，该新型内燃机具有：在一个环形缸内拥有多个完全相同的、首尾相接的作功单元和可互相配合工作的旋转活塞、无曲轴设计的动力输出轴。

为更好地理解后面的描述，有必要先对某些名词作解释：

多元：“多”是指一个自然数，“元”是单元的意思。具体地解释是：多元是指在一个概念内燃机单元中具有多个做功单元，也就是具有多个旋转活塞(6)，同时进行工作。在一个内燃机单元中只有一个旋转活塞(6)的，称为一元；有两个旋转活塞(6)的，称为二元；有三个旋转活塞(6)的，称为三元；其他的依次而定。具体的数量根据具体的实际情况而设计，所以有很高的拓展性和灵活性，也就称为多元。

背景技术

现在全球的能源利用途径很多，其中最主要的就是通过燃烧石油化工产品，将化学能转化为机械能，并为我们所利用。这种方法已经得到非常普及的应用。四冲程内燃机就是一个典型的例子。

根据公知的四冲程内燃机工作原理，四冲程内燃机的工作周期主要有四个冲程，并且在这四个冲程中曲轴完成两圆周的旋转。这四个冲程是：吸气冲程、压缩冲程、燃烧做功冲程和排气冲程。其实，这四个冲程还可以继续细化，就是将燃烧做功冲程进一步细化。燃烧做功冲程可以理解为：1、燃烧混合燃气；2、气体膨胀并推动活塞；3、活塞获得能量并做往复式的直线运动；4、活塞推动曲轴连杆；5、曲轴连杆推动曲轴，将往复式的直线运动转化为旋转运动，产生扭矩，从而产生动力输出。

根据上述内容，可以推论出四冲程内燃机具有以下缺点：

1、在燃烧做功冲程这个环节上，能量传输经过的环节越多，浪费的能量也就越多。2、活塞的往复运动也将一部分能量转化为振动的机械能，这一部分能量不但不能被利用，还会造成环境污染，降低设备的安全运转系数。3、由于四冲程内燃机在整整4个冲程的工作周期中，只有一个冲程做功，效率是25％，相对比较低。4、混合燃气在两个冲程的时间内完成混合压缩的过程，燃气的混合度不够充分，极有可能会产生不完全燃烧。混合燃气的燃烧效率占整个内燃机的运行效率的比重非常大，可以这样说，混合燃气的混合度直接决定整个内燃机的运行效率。5、曲轴箱不但在整个动力系统中会占用大量的空间，还会增加生产和日常维护成本，同时它也降低了系统的机械运行效率。

发明内容：多元旋转无曲轴概念内燃机

对比四冲程内燃机，本发明解决的主要问题是：通过整合内燃机的冲程、提高燃烧效率、减少燃烧做功冲程中能量传输的环节，并在此基础上达到简化机械构造，大幅缩小内燃机的外形尺寸，提供稳定的能源输出，提高能源利用率，实现小尺寸大功率和高效节油的设计目标，同时还可以实现一些更先进功能的目的。

相应地，本发明的目的是提供一种概念内燃机23，该概念内燃机23能够实现上述目的。

根据本发明的一个方面，提供了一种概念内燃机23，该概念内燃机23包括：环形缸21，它是一个截面可变的圆环管道，它提供旋转工作的场所；不少于一个的单元分隔挡板3，它是一种分布在环形缸21中、具有密封功能的、可完全移出或移入环形缸21的挡板，它将环形缸21均分成不少于一个的做功单元22，具体数目等于该概念内燃机23的元数，当该单元分隔挡板3完全移出环形缸21时，旋转活塞6可以顺利进入下一做功单元22，当该单元分隔挡板3完全移入环形缸21时，该挡板3可与旋转活塞6的一个端面、内壳密封圈16和环形缸21内壁组成密闭的气室；不少于一个的气室分隔挡板19，具体数目等于该概念内燃机的元数，它是一种分布在环形缸21中并且每一个气室分隔挡板19都介于两块单元分隔挡板3之间、具有密封功能的、可完全移出或移入环形缸21的挡板，它将每个做功单元均分为压缩室8和燃烧室7，当该气室分隔挡板19完全移出环形缸时，旋转活塞6可以顺利地从压缩室8进入燃烧室7，当该气室分隔挡板19完全移入环形缸21时，该挡板可与旋转活塞6的一个端面、内壳密封圈16和环形缸21内壁组成密闭的气室；进气管5，位于压缩室8在靠近并且尽量紧帖单元分隔挡板3的一端，它提供混合燃气进入压缩室8的通道；进气管阀门10，它控制混合燃气进入压缩室8的时机；排气管2，位于燃烧室7在靠近并且尽量紧帖单元分隔挡板3的一端，它提供将燃烧后的废气排出燃烧室7的通道；排气管阀门4，它控制将废气排出燃烧室7的时机。

根据本发明的一个方面，提供了一种概念内燃机23，该概念内燃机23包括：不少于一个的高压燃气转移器20，具体数目等于该概念内燃机的元数，它被设置在环形缸21的外面，并且位于压缩室8和燃烧室7之间，它可以被看作一种小型的气体压缩机，它连接压缩室8和燃烧室7，形成一条跨越旋转活塞6的燃气通道，同时它还包括：进气通道15，它连接压缩室8和高压燃气转移器20，其中一端连接压缩室8并且尽量贴近气室分隔挡板19，另一端连接高压燃气转移器20的底部；出气通道11，它连接燃烧室7和高压燃气转移器20，其中一端连接燃烧室7并且尽量贴近气室分隔挡板19，另一端连接高压燃气转移器20的底部；进气阀14，它位于进气通道15中，它控制将一次高压混合燃气排入高压燃气转移器20的时机；出气通道阀门10，它位于出气通道11中并且靠近高压燃气转移器20，它控制将二次高压混合燃气从高压燃气转移器20喷入燃烧室7的时机；高压活塞12，它位于高压燃气转移器20内，它对一次高压混合燃气进行第二次的压缩和混合，同时将二次高压混合燃气喷入燃烧室7中；活塞弹簧13，位于高压活塞12的后端和高压燃气转移器20壳体之间，它保持高压燃气转移器20中的气压平衡，并且减少外部对高压活塞12的作用力。

根据本发明的一个方面，提供了一种概念内燃机23，该概念内燃机23包括：不少于一个的旋转活塞6，具体数目等于该概念内燃机的元数，它位于环形缸21内并以环形缸21的轴心线为轨道进行圆周旋转运动，该旋转活塞6的轴心弧长小于但接近于一个压缩室8的轴心弧长，两端紧贴环形缸21的内避，中间部分截面直径小于环形缸21截面直径；活塞连杆18，它刚性连接旋转活塞6和动力输出轴17，从而产生旋转活塞6直接驱动动力输出轴18的作用；内壳密封圈16，它位于旋转活塞6、活塞连杆18和环形缸21之间，它主要起到密封环形缸21的作用，确保旋转活塞6在密封的环境中工作但又不影响动力的输出；动力输出轴17，位于环形缸21的轴心点，是整个概念内燃机23向外输出动力的途径；火花塞9，位于燃烧室7靠近气室分隔挡板19和高压燃气转移器出气通道11的一端，它是该燃烧室7的点火装置。

附图的简要概述：

1、图1：多元旋转无曲轴概念内燃机做功单元气室分布和环形缸位置关系。

2、图2：多元旋转无曲轴概念内燃机结构示意图。

3、图3：二元旋转无曲轴概念内燃机结构示意图。

4、图4：三元旋转无曲轴概念内燃机结构简图。

5、图5：四元旋转无曲轴概念内燃机结构简图。

6、图6：二元旋转无曲轴概念内燃机单周期工作过程示意图。

下面对本发明的优选实施例进行描述。为更好和更简洁地说明本发明，以下的优选实施例的元数设置为2，即以“二元旋转无曲轴概念内燃机(简称为“二元概念内燃机”)”为优选实施例，但本发明并不局限与此。

实施例(一)：二元概念内燃机的结构(图3)。

根据上述的发明内容，二元概念内燃机是一个这样的多元旋转无曲轴概念内燃机，它应该具有一个环形缸21、二个旋转活塞(6a、6b)、二个单元分隔挡板3、二个气室分隔挡板19、二个高压燃气转移器20、二个活塞连杆18和一个动力输出轴17；同时，该环形缸21被分隔成二个做功单元22，共四个气室，分别是两个压缩室(8a、8b)和两个燃烧室(7a、7b)。下面是具体的结构简介。

第一部分是由环形缸21、挡板(3、19)和火花塞10组成，它是内燃机23工作的主要地方。挡板有单元分隔挡板3和气室分隔挡板19两类。通过单元分隔挡板3的分割，环形缸被均分为二个做功单元22，并且每个做功单元22又被气室分隔挡板19分为压缩室(8a、8b)和燃烧室(7a、7b)。压缩室(8a、8b)的功能是吸入燃气和压缩混合燃气；燃烧室(7a、7b)的功能是燃烧燃气和排放燃气，将化学能转化为机械能。各个做功单元22是首尾相接的，最后串接成一个圆周。第二部分是由旋转活塞(6a、6b)、活塞连杆18和动力输出轴17组成。这部分是形成动力输出的关键。旋转活塞(6a、6b)、活塞连杆18和动力输出轴17是刚性连接的，它们之间不能做任何的相对运动。

第三部分是由外围设备组成，这些外围设备有进气管5、排气管2、高压燃气转移器20组成。高压燃气转移器20有进气口15和出气口11两条管道，这两条管道在单向阀门(14、10)的作用下，和高压燃气转移器20组成一个单向的气体流动通道，它们将压缩室(8a、8b)和燃烧室(7a、7b)连接在一起，是混合燃气越过旋转活塞(6a、6b)，从旋转活塞(6a、6b)前端面转移到旋转活塞(6a、6b)后端面的通道。而高压燃气转移器20主要起到缓冲的作用，同时，高压燃气转移器20还有进一步压缩和混合混合燃气的作用。

实施例(二)：二元概念内燃机的工作原理

这个二元概念内燃机23的环形缸21被单元分隔挡板3均分为左右两个相同的做功单元22，这两个做功单元22首尾想接，形成一个圆周循环。在工作中，旋转活塞6b完成吸气冲程后旋转活塞6a接着完成压缩冲程；旋转活塞6b完成做功冲程后旋转活塞6a接着完成排气冲程；旋转活塞6a在前面的压缩室(8a、8b)进行燃气压缩冲程时，后面的燃烧室(7b、7a)的高压爆燃燃气同时对旋转活塞6a进行燃烧做功冲程；旋转活塞6a在前面的燃烧室(7a、7b)进行排气冲程时，也同时在后面的压缩室(8b、8a)进行吸气冲程。同理，旋转活塞6b也进行着相同的工作。这样，两个旋转活塞(6a、6b)互相分工合作，将很多冲程合并，合并度提高到每个时段，每个旋转活塞(6a、6b)都在同时进行着两个冲程作业。换句话说，旋转活塞(6a、6b)的两个端面都是有用的。二元概念内燃机的工作周期是1/2圆周，三元概念内燃机的工作周期是1/3圆周，依次类推；而四冲程内燃机的工作周期是固定的2圆周。

实施例(三)：二元概念内燃机的工作过程(图6系列)

1、旋转活塞6a和旋转活塞6b的工作过程时序完全相同的，没有任何的相位差，所以只说明旋转活塞6b的工作过程就可以完全描述清楚所有部件的工作过程。

2、起点位置：旋转活塞6b顺时针旋转至起点，旋转活塞6b前方的单元分隔挡板3准备拉起；同时，旋转活塞6b后方的高压燃气转移器20向旋转活塞6b和气室分隔挡板19之间的空隙快速喷射高压燃气(图6-1)。

3、单元分隔挡板3拉起，旋转活塞6b顺利通过单元分隔挡板3，高压燃气转移器20喷气完毕，出气通道阀门10关闭。同时，旋转活塞6b后面的火花塞9点火，燃爆的高压燃气开始对旋转活塞6b做功，旋转活塞6b获得了动能(图6-2)。

4、旋转活塞b进入压缩室8a，而压缩室8a里充满了旋转活塞6a吸入后留下来的混合燃气。

5、旋转活塞6b在燃烧室7b里的高压作用下继续旋转，压缩压缩室8a里面的混合燃气(图6-3)。

6、压缩室8a里面的混合燃气在旋转活塞6b的推动下，被压入高压燃气转移器20中，形成一次高压燃气(附图四-4)。

7、旋转活塞6b在惯性的作用下旋转至气室分隔挡板19前时，单元分隔挡板3复位，燃烧室7a和7b里留下刚才燃烧后的废气(图6-4)。

8、高压燃气转移器20的进气通道阀们14关闭，气室分隔挡板19拉起，旋转活塞6b进入燃烧室7a(图6-5)。

9、燃烧室7a里面的废气在旋转活塞6b的惯性作用下被挤压出排气管2；同时，压缩室8a也在旋转活塞6b的惯性作用下，形成低压区，吸入新鲜的混合燃气(图6-5)。

10、旋转活塞6b在惯性的作用下继续旋转，继续挤压排放燃烧室7a里面的废气和在压缩室8a吸入混合燃气，直到旋转活塞6b到达单元分隔挡板3前面，这时，气室分隔挡板19复位。旋转活塞6b完成了一个工作周期，它只旋转了半周(图6-6)。

11、旋转活塞6b压缩室8a和燃烧室7a完成的这一个工作周期中，旋转活塞6a也同样在压缩室8b和燃烧室7b完成了相同的工作周期。

在完成了以上三个优选实施例后，可对“二元旋转无曲轴概念内燃机”进行一些数据分析，从而可以得出本发明相对四冲程内燃机的优越性和先进性。

分析：对于一个元数为“2”的概念内燃机，可做如下的简单分析：

1、一个旋转活塞(6a或6b)旋转一周一共做了2次功，而一个二元概念内燃机单元有2个旋转活塞(6a和6b)，所以一个二元概念内燃机单元动力输出轴旋转一周共做了2*2＝4次功。

2、2个旋转活塞(6a和6b)都是等距地按顺序排列在一个圆形轨道中，并且还等分这个圆形轨道，不存在偏心，工作周期和相位一致，达到力平衡，在理论上不会产生振动的。

3、为达到与四冲程内燃机相同的功率，每个旋转活塞(6a和6b)每次做功的能量只需要四冲程内燃机做一次功的1/(2*2*2)＝0.125倍。

4、由于每次燃烧的燃料用量的大幅度降低，以及高压燃气转移器20的混合增压作用，燃料可以得到更完全的燃烧，提高燃料的效率。

5、由于旋转活塞(6a和6b)是直接通过活塞连杆18驱动动力输出轴17的，没有机械能的转换过程，效率可以得到明显的提高。

6、由于每一个旋转活塞(6a和6b)在整个工作周期中只会处于两种状态，分别是吸气排气状态和做功压缩状态，无形中将四个冲程压缩为两个冲程，活塞工作效率得到大副度的提高。

7、气缸容量：假设该二元旋转无曲轴概念内燃机23的单个燃烧室(7a或7b)容量为100cc，同时由于该二元概念内燃机共有4个气室，则该二元概念内燃机的气缸总容量为4*100＝400cc。而这总容量为400cc二元概念内燃机在以四冲程内燃机的工作周期(曲轴旋转两周为一个周期)为标准进行计算，该二元概念内燃机输出的功率相当于：2*2*2*100cc＝800cc，也就是说，二元100cc旋转无曲轴概念内燃机23具有400cc的气缸容量，但输出功率却相当于一个800cc气缸容量的四冲程内燃机。

总结：

多元旋转无曲轴概念内燃机对比四冲程内燃机的先进性：

1、活塞高效率：概念内燃机是四冲程内燃机的2倍。

2、燃烧室高效率：每次每个燃烧室消耗燃气量：概念内燃机小于等于四冲程内燃机的1/(2*n*n)倍。

3、超小型高功率：一个气缸容量为L的四冲程内燃机，在采用n元概念内燃机设计方案后，气缸容量只有L/n；反过来，对于一个气缸总容量为L的n元概念内燃机，该概念内燃机输出的功率相当于一个气缸容量为n*L的四冲程内燃机，而该概念内燃机的单个燃烧室容量为L/(2*n)。所以，在采用多元旋转无曲轴概念内燃机的设计方案后，内燃机的体积和质量都可以获得大幅度的减小，对工艺要求和成本也相应降低。

4、能量转化效率高：在燃烧室做功后，旋转活塞获得的动能转化效率：多元概念内燃机旋转活塞的旋转运动直接转化为动力输出轴的旋转运动；四冲程内燃机通过曲轴将活塞的往复直线运动转化为曲轴的旋转运动。

5、运转稳定：概念内燃机在理论上不产生振动；四冲程内燃机的机械振动在公知的理论上已经被证实。

6、动态范围宽：在工艺允许的条件下，概念内燃机通过配置不同的“元”数和适合的尺寸，可以被设计成超大功率或超小功率的内燃机，动态范围比四冲程内燃机要大得多。

7、噪音产生小：由于概念内燃机将四冲程的一次爆燃分解成很多小的燃烧，噪音的产生要明显小得多和平缓得多。

8、机械简单化：在多内燃机单元协同工作上面：由于概念内燃机没有曲轴，多个概念内燃机单元可以很简单地串接在一起，机械设计更为简单，在条件允许下，还可被设计成模块化的概念内燃机。四冲程内燃机需要庞大的曲轴箱，曲轴箱不但会占据一定的空间和增加各项成本，也令机械设计更为复杂，安全性能也会降低。

9、燃气的充分燃烧率：由于混合燃气经过压缩室和高压燃气转移器后再到达燃烧室进行燃烧，具有更长的时间来混合压缩，同时，由于是两级压缩，压缩比可以被设置得更高，燃气的燃烧更充分，效率更高。

尽管参照本发明的某实施例在上面描述了本发明，但本发明不局限于上述实施例。根据上面的陈述，本发明具有很大的拓展余地，也是一种非常灵活的内燃机设计方案。上述实施例的改进和变形对于本领域的普通技术人员来讲是显而易见的。例如：本发明可以应用到这样的概念内燃机中：在该概念内燃机中，高压燃气转移器被设计成旋转叶片式的空气压缩机，或者将内壳密封圈设计成不同的工艺造型，又或者将环形缸的截面设计成不同的工艺造型等。本发明的范围参照下面的权利要求来限定。

Claims (13)

1、一种多元旋转无曲轴概念内燃机23，该多元旋转无曲轴概念内燃机23包括：环形缸21，它提供旋转活塞6工作的场所；单元分隔挡板3，它是一种分布在环形缸21中、可完全移出或移入环形缸21的挡板，当该单元分隔挡板3完全移出环形缸21时，旋转活塞6可以顺利进入下一做功单元22，当该单元分隔挡板3完全移入环形缸21时，该挡板(3、19)可与旋转活塞6的一个端面、内壳密封圈16和环形缸21壁组成密闭的气室；气室分隔挡板19，它是一种分布在环形缸21中并且每一个气室分隔挡板19都介于两块单元分隔挡板3之间、可完全移出或移入环形缸21的挡板，当该气室分隔挡板19完全移出环形缸21时，旋转活塞6可以顺利进入下一气室8，当该气室分隔挡板19完全移入环形缸21时，该挡板19可与旋转活塞6的一个端面、内壳密封圈16和环形缸壁21组成密闭的气室；进气管11，位于压缩室8在靠近并且尽量紧帖单元分隔挡板3的一端；排气管2，位于燃烧室7在靠近并且尽量紧帖单元分隔挡板3的一端。旋转活塞6，它位于环形缸21内并以环形缸的轴心线为轨道进行圆周旋转运动；动力输出轴17，位于环形缸21的轴心点，是整个概念内燃机23向外输出动力的主要途径；活塞连杆，它刚性连接旋转活塞和动力输出轴。

2、按照权利要求1所述的多元旋转无曲轴概念内燃机23，其特征在于它具有高压燃气转移器20。该高压燃气转移器20被设置在环形缸21的外面，并且位于压缩室8和燃烧室7之间，它可以被看作一种小型的气体压缩机，同时它还包括：进气通道15，它连接压缩室8和高压燃气转移器20，其中一端连接压缩室8并且尽量贴近气室分隔挡板19，另一端连接高压燃气转移器20的底部；出气通道，它连接燃烧室7和高压燃气转移器20，其中一端连接燃烧室7并且尽量贴近气室分隔挡板19，另一端连接高压燃气转移器20的底部；进气通道阀门14，它位于进气通道15中，它控制将一次高压混合燃气排入高压燃气转移器20的时机；出气通道阀们10，它位于出气通道11中并且靠近高压燃气转移器20，它控制将二次高压混合燃气从高压燃气转移器20喷入燃烧室7的时机。

3、按照权利要求1所述的多元旋转无曲轴概念内燃机23，其特征在于它具有做功单元22，具体数量等于该多元旋转无曲轴概念内燃机23的元数，并且所有的做功单元通过单元分隔挡板首尾相接，形成一个圆环状。

4、按照权利要求1或2所述的多元旋转无曲轴概念内燃机23，其特征在于所说的做功单元22，它被气室分隔挡板19均分为压缩室8和燃烧室7，压缩室8和燃烧室7通过高压燃气转移器20连接在一起。

5、按照权利要求1所述的多元旋转无曲轴概念内燃机23，其特征在于所说的单元分隔挡板3的数量不少于一个，具体数量等于该多元旋转无曲轴概念内燃机的元数。

6、按照权利要求1所述的多元旋转无曲轴概念内燃机23，其特征在于所说的气室分隔挡板19的数量不少于一个，具体数量等于该多元旋转无曲轴概念内燃机23的元数。

7、按照权利要求1或2所述的多元旋转无曲轴概念内燃机23，其特征在于所说的高压燃气转移器20的数量不少于一个，具体数量等于该多元旋转无曲轴概念内燃机23的元数。

8、按照权利要求1所述的多元旋转无曲轴概念内燃机23，其特征在于所说的环形缸21的管道截面形状是可变的，可根据具体要求设计。

9、按照权利要求1所述的多元旋转无曲轴概念内燃机23，其特征在于所说的单元分隔挡板3和气室分隔挡板19是按照互相穿插、等距地排列在与环形缸轴心线上。

10、按照权利要求2所述的多元旋转无曲轴概念内燃机23，其特征在于所说的高压燃气转移器20，它连接压缩室8和燃烧室7，形成一条跨越旋转活塞6的燃气通道。

11、按照权利要求2所述的多元旋转无曲轴概念内燃机23，其特征在于所说的高压燃气转移器20，它形成高压燃气的缓冲区。

12、按照权利要求2或9所述的多元旋转无曲轴概念内燃机23，其特征在于所说的高压燃气转移器20，它将高压燃气从旋转活塞6的前端面转移至旋转活塞6的后端面。

13、按照权利要求2所述的多元旋转无曲轴概念内燃机23，其特征在于所说的高压燃气转移器23，它对已形成的一次高压燃气进行增压，可大幅度提高压缩比。

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