CN104011332A - 旋转活塞式内燃机 - Google Patents

Abstract

一种沃克尔式旋转内燃机包括具有双弧外旋轮线的内周表面的壳体，可轴颈支撑在端壳中的轴，和偏心地安装在所述轴上且被驱动以所述轴的三分之一转速转动的转子，工作腔形成在所述转子的侧边和壳体之间且其容积随着转子的转动而改变。转子由完全封闭的回路系统冷却，该系统内增压气体通过直接安装到主偏心轴上的离心风机循环，循环气体经过集成到转子壳体的冷却区域的换热器，除了具有单一高压轴密封组件的驱动轴从系统伸出外，所有的组件被封闭在增压系统内。

Description

旋转活塞式内燃机

技术领域

本发明涉及一种旋转活塞式内燃机，特别是涉及，但不限于，一种通常所说的沃克尔发动机(Wankel engine)。

背景技术

在沃克尔发动机中，旋转活塞(所谓的转子，且下文称为转子)在由壳体或所谓转子壳体与端壳或所谓端板结合形成的空腔内旋转，转子的外周缘以及空腔的内壁的形状使得形成在转子的外周缘和空腔的内壁之间的工作腔在转子转动时容积发生改变，空腔设有进气口和排气口。在这类所熟知的内燃机中，所谓的空腔包括具有双弧外旋轮线形缸膛的静止转子壳体和大体为三角形但具有凸的弧形侧边的转子，保持与转子壳体的缸膛的周壁密封接触的在转子顶端的密封或所谓的顶端密封，和保持与两个轴向间隔开的端板和以行星方式在空腔内转动的转子密封接触的在转子的侧边的密封或所谓的侧密封。

这类内燃机转子的可选择的冷却方法以及每种系统的优点和缺点在专利申请号为WO2009/101385的文献中有描述。

上述WO2009/101385文献描述了一种转子冷却系统，以下称之为SPRACS(自增压转子空气冷却系统)，通过经侧密封从工作腔进入到转子内部且通过泵在一个完整的封闭循环内再循环的自增压窜漏空气或气体的介质来冷却转子，通过转子的介质带走了转子的热量，经管道和经换热器散热。

对该系统的实际测试证明了该系统能够如所述的快速且自动增压，当内燃机以高功率运行时，静压力具有在4-6巴绝对压力(bar absolute)范围内的典型值，这是对转子进行最大化冷却所需要的。结果密度极大地增加的循环气体对转子的散热效果比采用具有环境压力的空气或气体冷却转子的任何在先系统更有效率。这是从转子到冷却气体、从冷却气体到换热器的传热系数的理论值的必然结果，在给定的温差和典型地与气体密度功率0.8相关的气体流速的前提下。

足够的冷却能力仍然存在于该系统内，即使增压的气体的平均温度远高于在先系统内使用的未增压转子冷却空气的温度。

发明内容

根据本发明的一个方面，我提供一种如权利要求1所述的旋转活塞内燃机。记载在本发明实施例中的其他特征和/或本发明的其他方面则在下面的说明书和后续的权利要求中描述。

因为用于散热的换热器较小，系统可以恰当地冷却转子，但使用高温循环介质，且系统仍能够有效地冷却，即使介质或散热表面的温度非常高。使用SPRACS，换热器结构紧凑，因此能够集成在主内燃机壳体上，无需使用外部换热器和至今还在使用的连接到组件的外部管路，因此，进一步降低了体积、质量和成本。

通过高密度气体实现的更有效率的冷却也允许以较低速度经过转子和换热器循环介质的泵来实现对转子的足够冷却，并且该较低速度导致较少流动压力损失，因此泵输出的循环压力也较低。泵的优选类型是离心风机，因此该种风机的叶轮相比已知的叶轮，不是具有较小的直径就是以较低角速度转动。

为了产生必须的循环压力，在先的系统使用较小直径的且以高转速(几倍于内燃机的转速)驱动的叶轮，这种速度的提升是通过皮带驱动达到的。

在冷却转子上，高密度气体的效力允许使用具有相对小的直径(通常直径小于主内燃机壳体)的风机叶轮，因此，有助于达到紧凑封装；叶轮以内燃机的速度转动，因此无需速度提升装置，并且削减了这种装置的成本和体积，消除了这种装置的机械效率损失和扭转振动的问题。

采用涉及具有几个巴压力的气体的自增压系统的一个缺点是，每一个被要求穿过内燃机壳体的驱动轴必须使用高质量的转轴密封，该密封需要在内燃机工作期间能够防止任何严重的气体泄漏，而且在内燃机的使用寿命内能够持续提供适当的密封。

因此，采用直接安装到或连接到内燃机主偏心轴上的叶轮是有益的，并且叶轮需要以内燃机的速度转动，整个风机组件全部包含在高压冷却回路内，因此不需要任何驱动轴配有高压力旋转密封。需要高压密封的轴仅是从高压系统内伸出的驱动输出轴。

沃克尔型旋转内热燃机具有加热非常不均匀的转子壳体，围绕火花塞和介于火花塞和排气口的区域从燃烧气体接收了最多的热量。

通过使用用于转子冷却回路的集成换热器，本发明的有益特征为来自转子的热量能够部分排放进位于进气口和吸气区域内的转子壳体的低温区域。该低温区域被加热具有两个好处，第一，这有助于对进气/可燃混合气加热，因此有利于汽化液态燃料颗粒并改善燃烧前的混合比。第二，有助于确保转子壳体360度圆周分布的温度更均匀，因此保证了更均匀的轴向热膨胀，且减轻了顶端密封为了在其轴端达到良好气密性的任务。

这种水冷旋转内燃机的端板总是包括通过进行水循环的铸造空腔。

冷却转子的稠密气体结合气体轴向流动的方式，通过轴向冷却通道，经端板内的孔流入和流出转子，在本发明中该孔靠近这些端板的中心且围绕端板的主轴承凸起，疏散了来自两端板中心区域的相当数量的热量。这允许腔室至少大约为500cc的小型旋转内燃机的端板对这些水冷却腔进行分配，来自侧板的一些热量被散热到转子冷却回路的气体。由端板从工作腔室内的燃烧气体处接收的剩余热量通常被传导到邻近的水冷却转子壳体而被散热，在这样小容量的内燃机中，热量传导的路径非常短。因此，简化了内燃机的结构。

具有尺寸非常小的空腔的旋转内燃机公认的没有经过转子的强制循环流动以散热，转子通过侧密封直接传热到端板来部分散热，以及在吸气冲程期间利用冲击到转子翼片的吸入混合气的冷却效果来部分散热。例如，这类空腔尺寸非常小(5cc)的内燃机已经生产了35年或更长，这种内燃机的应用为动力模型飞机。

相似的，但容积更大至75cc左右的内燃机已经被作为无人驾驶飞机(UAV)或发电机被建造和调研，随着空腔的尺寸作为热传导路径的长度被加长，将转子温度限制在满意数值范围内的难度也随之变大。

结合SPRACS(在转子的空腔内采用密度提升很大的气体)，可能允许在这样的内燃机内的转子的温度维持在较之已知的更低的温度，这仅仅通过偏心轴的转动和转子的旋转和转动即可制造这种高密度气体的搅动运动，进而提高了从转子到邻近的端板的热传导率。在一个可选择的方案中，在如前所述的具有循环风机的设计中，额外的散热可通过端板具有较小的轴向开口来达到。在本实例中，没有风机叶轮被装配，但稠密的空气将通过位于紧邻着端板外侧的增压腔内的配重被剧烈搅动。

另外，SPRACS的完全密封的系统将允许少量润滑油喷射在合适的位置或对准具有旋转配重的增压腔，这将润滑所有的偏心轴轴承、转子、转子的滑动表面和与两端板接触的侧密封，在最终经转子的侧密封泄露至内燃机工作腔前，油滴的分配可通过上述提及的气体湍流辅助完成，因此，从端板内表面的上方移动到摆线表面上，且在燃烧或从排气口喷出前对顶端密封润滑，在此没有其他供油路径。

因此，这种新颖的系统(不具有主离心风机和冷却回路的小容积内燃机)具有六个优点：

a)降低了转子的温度，

b)改善了所有需要润滑区域的润滑效果，

c)消除了湿油粒子的排放，

d)减少了供油量，

e)由于油承受较低温度，因此能够采用标准的工业用油，

f)对于建造不采用特殊转子冷却循环系统的巨大容量内燃机提供了可能性。

上述WO2009/101385文献中，可以预见的润滑油可以在冷却回路中的一个小井内聚集或设计为聚集，且该润滑油可以通过泵被输送回油箱。可以设想一种可选的改进系统，该系统可以输送这些少量油直接回到输送孔或在吸气冲程区域内(其内的工作气体压力低)位于摆线表面内且靠近顶端密封的轴向中心区域的孔，静压力差自动提供了流动能力，而无需泵，因此，改善了顶端密封的润滑。应该注意到，顶端密封的轴向外端部可以通过从转子内部经转子的侧密封流出、接着轴向向内移往摆线表面的油进行良好的润滑。但是，这些油可能在到达和对与顶端密封接触的轴向中央带润滑之前已通过占据摆线表面轴向中心三分之一的排气口全部排出。

采用这些发明的内燃机的润滑油通常由在合适的点输油到转子冷却回路的增压气体内的小型机械计量式泵供应。这些已知的泵通常不具有足够的压力能力将压力为大气压的油输送到具有5巴或高于大气压压力的系统内。这个问题通过油箱增压到与转子冷却系统升高的静压力相同的压力即可克服，这样泵就无需产生任何有效的供油压力差。将泵安装到封闭离心风机的罩上且与内燃机的主轴同轴就变得非常方便，且由离心风机后部的柄脚驱动。由于泵内的所有三条流动线路(经进油孔和出油孔线路，以及泵驱动轴)均处于相同的静态增压，因此泵内无需设置高压密封在驱动轴上。

可选择地，可以采用电子控制电磁线圈型计量式油泵，这样的泵不需要任何机械装置。

上述WO2009/101385文献中，可以预见到，为了减轻需要恰当密封系统的问题，泄压或控制阀可被装配以控制转子冷却气体的静压力低于自然发生的压力水平。采用直径受限且具有内燃机速度的风机的本发明将在提高的静态增压存在时提升转子冷却能力。因此，优选地使用所有自然发生的增压，且不设置阀门。系统将会在内燃机的负荷加大时传导到转子的热量也随之增大，在冷却回路中自动发生的较高静态压力将保证更稠密的气体提供更好的冷却能力，因此，在所有负荷条件下，能够提供更理想的转子温度的自动控制。

附图说明

下面参考附图描述根据本发明的实施例，其中：

图1是根据本发明的旋转活塞内燃机的横截面示意图；

图2是转子壳体的轴向视图，其中示出了冷却翅片位于转子热量被消散到其中的区域，以及具有气密封和轴向冷却通道的转子；

图3是任一侧板的轴向视图，其中示出了冷却空气通过且与转子内的冷却通道连通的开口；

图4是小容量型旋转内燃机的剖视图，该内燃机不具有风机辅助循环系统且不具有位于端板上的开口；和

图5所示与图4所示相似，但示出了在密闭空腔内位于端板上的开口，配重在该密闭空腔内旋转。

具体实施方式

如图1所示，内燃机包括转子101(如图2所示)安装在其上的偏心轴1，具有翅状部分3和设有水套4的部分的转子壳体2。端板5和6支撑滚动元件主轴承9且具有位于端板6内的轴向开口7和位于端板5内的轴向开口8，偏心轴1可旋转地轴颈支撑在滚动元件主轴承9内。具有封闭板或保护罩13的离心风机叶轮12直接安装到偏心轴上；或与偏心轴耦合，如图所示离心风机叶轮12安装配重30上，配重30自身直接安装在偏心轴1上。轴向环形壁15与端板5一体成形且与保护罩13密封配合，以使在此点限制气体泄漏。

安装在偏心轴1上且位于驱动端35处的配重31为偏心轴1的凸出部，偏心轴1提供来自内燃机的动力输出且穿过安装在板10内的高压轴密封11。板10安装在端罩47上，端罩47自身安装在转子壳体2上。在非驱动端，罩46安装在转子壳体1上。计量式油泵16轴向安装在罩46上。

转子壳体2的外轮廓、驱动端罩45、密封11、非驱动端罩46和计量式油泵16形成了增压的转子冷却气体在其内循环的气密机壳。如图所示，这些气流离开离心风机叶轮12，流入蜗壳40，在41处通过转子壳体2的翅状部分3，在42处流出翅状部分3，在43处流向端板6内的轴向开口7，在44处通过转子内的轴向通道，然后经过端板5内的开口8，并在45处进入离心风机叶轮12的进气口。计量式油泵16通过管路17从油箱18供油，油箱18通过连接到罩46内的管路19增压。由泵16供给的油通过与管路20连接的管路21离开泵，管路20供油到快速循环气体流43内，由此油被配送。

可聚集很小比例的循环油滴的小井48在图中示出，利用有利的静压差，管49从小井48处能够供油到的摆线表面(trochoidal surface)。

尽管图1示出了内燃机的输出轴从位于离心风机的相反端的增压空腔伸出，可选择的布置能够同样适于从风机端输出驱动，计量式油泵与具有轴密封的输出轴互换。

如图2所示，转子壳体2具有水冷却部分，即图中所示的通道62，在顺时针方向上，该通道62从进水口51经火花塞53延伸至出水口52。进气口60和排气口61的位置如图所示。

图1中的冷却翅片3在图2中示出为位于区域55、56、57、58和59的翅片。

离开风机叶轮12的转子冷却气体，如图1中所示的气流40，轴向且平行地流经区域55-59中的每一个翅片。

在区域55中，由于流经排气口61的高温排出气的热量传导进了该区域，气体通常带走热量。在区域56和57内，气体被冷却且向位于低温进气口附近的区域放热。在区域58内，气体向转子壳体的低温吸气区释放一些热量，同时进一步通过将热量传导到邻近的水通道62而被冷却。

在区域59内，气体通常通过将热量传导到水通道62而被冷却。

转子101具有位于转子的每一个轴向断面上的三个侧密封102、三个顶端密封103和与侧密封和102和顶端密封103相配合的六个连接块104。

转子轴承衬105压配合到转子101内且安装到偏心轴1上。

轴向冷却通道106位于转子的每个角部内。

图3示出了其内安装有用于支撑偏心轴1的主轴承9的侧板5或6的轴向视图。在转子101内，随着转子偏心转动，开口或端口110与轴向通道106依次对准。

沃克尔型旋转内燃机的几何形状保证了在转子的所有位置，开口110总是完全位于转子侧密封102的内边缘的内轨迹之内，囚此在转子内允许转子冷却气体流入到冷却通道内且从冷却通道内流出。

如图4所示，空冷壳体型的转子壳体71具有集成在转子壳体高温部分上的冷却风机72，如用于模拟航空器或无人驾驶飞行器(UAV)的内燃机中，该转子壳体高温部分通常可由冲击空气冷却。可选地，内燃机能够采用液体冷却壳体。每个端板73和74均承载滚动元件轴承78。主偏心轴75可转动地安装在两个轴承78中且承载安装到轴承95上的转子(未示出)。配重76和77安装在轴75上且分别位于驱动端和非驱动端处。高压密封91和92安装在端板73和74内且与轴75相配合。

转子内的空腔如上述WO2009/101385文献所述，通过来自工作腔的窜漏气体而增压。轴和转子的旋转引起增压气体的湍流，囚此增加了从转子传导到端板73和74的热量，进而使转子的温度降到比不采用增压的内部空腔转子所达到的温度更低的温度。

如图5所示，空冷壳体型的转子壳体71具有集成在转子壳体高温部分上的冷却翅片72。每个端板73和74均承载滚动元件轴承78且一般与轴向延伸壁93和94一体成形。主偏心轴75可转动地安装在两个轴承78中且承载安装到轴承95上的转子(未示出)。配重76和77安装在轴75上且分别位于驱动端和非驱动端处。安装在壁94上的封闭板81承载与轴75相配合的高压轴密封82。计量式油泵84安装在封闭板81上且通过柄脚88驱动，封闭板81与轴75同轴地安装到壁93上。泵84通过管路85由高压油箱(未示出)供油。泵84通过管路86向空腔87和/或89供应润滑油。可选择地，油能够通过钻眼直接供给到主轴承78，或能够通过其他附加装置供给到轴75，以便对滚动元件转子轴承95直接供油。

空腔87和89以及转子内的轴向冷却通道为密封空腔的全部组成部分，该密封空腔如上述WO2009/101385文献所述的由经转子的侧密封的窜漏气体而增压。转子、轴75以及配重76和77都会引起增压空腔内的稠密气体的相当大的运动和湍流，因此，增加了从转子到气体，从气体到端板73和74的内表面，到壁93和94的内表面，再到罩81和83的热传导率。这些通常为铝制的部分将热量迅速传导到它们的外表面，在通过外表面散热到外部环境气流。

转动的配重的形状使配重可最大化气体的湍流，并且通过开口79促进了转子冷却通道内的热气体和空腔87和89内的低温气体之间的交换，因此，提高了转子的热传导率。

因此，转子的冷却温度较之不采本发明的自增压系统的内燃机类型更低。

如图中所示，可聚集一些油滴的小井48通过管路49能够供油到摆线表面。

可选择地，内燃机能够构造成采用图4中的一个侧板组件与图5中的另一侧板组件的组合形式。

同时，参考图1-5，本发明描述了一个具有单一转子的内燃机，需要理解的是，本发明同样适用于那种具有两个或多与两个转子的内燃机，对于多个转子，气体冷却流通常可以并联设置，而非串联设置。但是，串联设置的方式也不排除在本发明的范围之外。

可以理解的是，在本发明的范围之内可以对上述的实施例进行修改。例如，当我们提及离心叶轮12安装在内燃机轴上，这并不需要直接安装到轴上，而是通过利用附加部件或组件将叶轮连接到轴上以随轴转动。

在本说明书和权利要求书中，术语“包括”及其不同变化指包含特定的特征、步骤或整体，但该术语不能解释为排除当前的其他特征、步骤或组件。

前文、下面的权利要求书或附图中所公开的特征，以他们特殊形式表述或以术语含义达到公开的效果，或用于达到公开结果的方法或工艺，可以分开地或以各种方式组合这些特征以理解本发明的不同形式。

Claims (12)

1.一种旋转内燃机，包括具有双弧外旋轮线的内周表面的壳体，用于所述壳体的端壳，轴颈支撑在所述端壳中的轴，位于所述壳体内的三侧边式转子，所述转子相对于所述轴偏心地安装到所述轴上且被驱动以所述轴的三分之一转速转动，以便在所述转子的侧边和所述壳体的内表面之间形成工作腔，所述转子具有与所述端壳的内侧面配合的侧密封，在所述转子内形成与位于每个所述端壳内的一个或多个通道对准的内部通道，所述内部通道形成全闭合冷却回路一部分，所述冷却回路包括冷却换热器、循环泵和连接管路，实现冷却的冷却循环介质由从所述工作腔经所述转子的侧密封泄漏至所述内部通道的窜漏气体组成，所述循环泵为全部容纳在高压回路内且具有叶轮的离心风机组件，所述叶轮被安装为随所述内燃机的所述轴以所述内燃机的速度转动。

2.如权利要求1所述的旋转内燃机，其特征在于，到离心风机叶轮的入口径向地对准且邻近相邻端板内的轴向开口，以允许热气体从所述转子流出并以最小的流动压损失轴向地进入所述风机。

3.如权利要求1和2所述的旋转内燃机，其特征在于，从所述离心风机径向排出的所述气体由蜗壳或部分蜗壳引导以轴向通过所述转子壳体的翅状部，所述翅状部作为热交换器以冷却所述气体。

4.如上述权利要求任一项所述的旋转内燃机，其特征在于，从所述转子排出的所述热气体的一部分用于提升周向进口和吸气腔区域内的所述转子壳体的温度。

5.如上述权利要求任一项所述的旋转内燃机，其特征在于，该旋转内燃机包括封闭罩，所述封闭罩聚集从所述转子壳体内的所述翅状通道流出的冷气体且将所述气体输送至所述第二端板内的轴向通道的入口，所述冷气体通过所述第二端板内的轴向通道进入到所述转子内的所述轴向通道。

6.如上述权利要求任一项所述的旋转内燃机，其特征在于，机械计量式油泵在所述内燃机的非驱动端与所述内燃机主轴同轴地安装在压力封闭罩上，所述泵从供油箱接收，所述供油箱通过连接管路增压到与所述转子冷却系统相同的压力。

7.如上述权利要求任一项所述的旋转内燃机，其特征在于，在所述转子冷却回路中设有聚集一部分油的小井，所述小井与通过有利的静压差直接供油到摆线表面的小缸膛管相连。

8.如上述权利要求任一项所述的旋转内燃机，其特征在于，无泄压或控制阀被安装用以控制所述系统的增压值。

9.如权利要求1所述的旋转内燃机，其特征在于，仅一个转动轴伸出所述增压系统，且仅一个高压轴密封布置被使用。

10.一种旋转内燃机，包括具有双弧外旋轮线的内周表面的壳体，用于所述壳体的端壳，由所述端壳中的滚动元件轴承轴颈支撑的轴，位于所述壳体内的三侧边式转子，所述转子相对于所述轴偏心地安装在所述轴上且被驱动以所述轴的三分之一转速转动，以便在所述转子的侧边和所述壳体的内表面之间形成工作腔，所述转子具有与所述端壳的内侧面配合的侧密封，所述端壳具有位于所述端壳内的每个轴颈的外侧且与该外侧相邻的气密旋转轴密封，所述气密旋转轴密封与所述偏心轴配合，在所述转子内形成内空腔，所述内空腔由所述端板封闭且包含增压气体，所述增压气体由从所述工作腔经所述转子的侧密封泄漏到所述转子的内部封闭通道的窜漏气体组成。

11.如权利要求10所述的旋转内燃机，其特征在于，无轴密封配合在邻近所述轴颈处的所述端板内，在所述端板内具有轴向开口，所述开口位于所述转子的所述侧密封的内轨迹之内，且每个所述开口与位于每个端板外侧且容纳所述内燃机的配重的空腔相连通，所述外部空腔均被完全封闭且其中一个外部空腔包括与伸出的驱动轴相配合的气密轴密封。

12.在本权利要求书描述的和/或在附图中示出的任何新颖的特征或新颖的特征组合。