一种外部压缩转子发动机的制作方法

1.本发明涉及转子发动机技术领域，具体而言，涉及一种外部压缩转子发动机。


背景技术：

2.发动机是一种能够把其它形式的能量转化为机械能的机器，包括如内燃机、外燃机(斯特林发动机、蒸汽机等)等。发动机对于工业、农业的发展和人们生活水平的提高都起着重要的作用，例如，交通行业的车、船等。
3.目前三角转子结构的发动机，其在完整旋转一周时，会进行3次点火做功，动力部件有三次功率输出，但由于每次点火前会通过转子自身转动压缩气体，这样会减少对外输出功率，同时在发动机本体上压缩可以看作是绝热压缩，压缩后的气体温度较高，这样燃烧过程的整体温度也高，会导致工质比热比较低，高温散热较多，使热效率较低，同时高温也使nox的排放增加。如果取消掉传统三角转子发动机的压缩过程，而是直接通入一定压力和温度的空气，将会有效解决上述问题。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种外部压缩转子发动机，取消掉传统转子发动机的压缩过程，代之以高压空气直通来提供参与燃烧循环的氧气，通过这种工作方式进一步提升转子发动机的热效率，降低燃烧后nox以及soot等污染物的排放。
5.为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
6.一种外部压缩转子发动机，其包括转子室，以及其内设置的三角转子；偏心轴贯穿设置于所述转子室腔体中心位置；所述三角转子内圆圈一侧套接于所述偏心轴的转子轴颈，另一侧设有围绕中心齿轮进行啮合旋转的转子齿圈；所述三角转子偏心旋转时，三个顶点形成的最外层轨迹与所述转子室的内壁贴合，所述三角转子的三个面分别与所述转子室内壁组成三个不断运动的独立空间，每个独立空间都会进行进气、燃烧膨胀和排气三个过程，驱动所述偏心轴绕轴心进行旋转；
7.还包括两组中心对称设置于所述转子室周壁上，并延伸至其内腔的燃料喷嘴、高压空气喷嘴以及点火装置；其中，所述燃料喷嘴、点火装置以及高压空气喷嘴嵌在所述转子室中的部分与所述转子室之间形成密封；
8.所述转子室的端面设有两组中心对称布置的排气阀，所述排气阀用于控制外部压缩转子发动机的排气过程。
9.进一步地，在本发明中，所述偏心轴位于所述转子室外部的部分还连接有输出轴。
10.进一步地，在本发明中，所述转子室的缸壁内设有相互连通的液冷槽。
11.进一步地，在本发明中，所述燃料喷嘴为用于向转子室中注入高压可燃气体的高压喷嘴。
12.进一步地，在本发明中，所述高压可燃气体包括天然气和氢气。
13.进一步地，在本发明中，所述三角转子，其三个面均具有一向中心凹陷的燃烧室。
14.进一步地，在本发明中，所述高压空气喷嘴用于向转子室中注入高压空气，还可连接到外部的储氧装置。
15.进一步地，在本发明中，所述转子室为不锈钢或铝合金材料铸造。
16.进一步地，在本发明中，所述点火装置为火花塞。
17.进一步地，在本发明中，所述输出轴连接有换向器，转向只能保持一个方向，无法实现倒转，输出轴可以通过配备换向器来完成正反向的转换。
18.本发明至少具有如下优点或有益效果：
19.本发明主要部件包括转子室，以及其内设置的三角转子和偏心轴；所述偏心轴贯穿设置于所述转子室腔体中心位置；三角转子内圆圈一侧套接于所述偏心轴的转子轴颈，另一侧设有围绕中心齿轮进行偏心旋转的转子齿圈，其中，所述转子齿圈与所述中心齿轮相互啮合，三角转子偏心旋转时三个顶点形成的最外层轨迹与所述转子室的内壁贴合；当所述三角转子转动时，所述三角转子的三个面分别与所述转子室内壁组成三个不断运动的独立空间，每个独立空间都会进行进气、燃烧膨胀和排气三个过程，驱动所述偏心轴绕轴心进行旋转；还包括两组中心对称设置于所述转子室周壁上，并延伸至其内腔的燃料喷嘴、高压空气喷嘴以及点火装置；其中，所述燃料喷嘴、高压空气喷嘴以及点火装置嵌在所述转子室中的部分与所述转子室之间形成密封。本技术中的外部压缩转子发动机完整旋转一周时，转子三个面中的每个面都会做两次功，一共做功六次，提高功率输出密度。
20.外部压缩转子发动机因为没有压缩过程，所以没有最低启动转速的限制，无需安装额外的启动装置，启动更加迅速，操纵响应更加及时，可以在更低的转速下运行，同时启动扭矩大。可以使用较小的飞轮，或者无需安装飞轮。进气燃烧室的燃料和空气量可以精确控制，更容易使膨胀比大于压缩比，产生米勒循环的效果，提升热效率。工作时，由于进气温度较低，所以燃烧起始温度也较低，可以实现低温燃烧，减少nox排放，进一步提升热效率。氢气在传统压缩发动机上使用容易产生爆震，本技术的发动机，将氢气作为燃料时，其爆炸冲击波始终与转子旋转方向一致，同时低温燃烧防止了氢气燃烧过于剧烈的问题，减少爆震现象的发生，提高运行的稳定性。本技术的发动机应用包括船舶主推进装置、重卡和工程机械动力、乘用车动力领域、发电机领域等。
附图说明
21.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
22.图1为本发明实施例的外部压缩转子发动机的转子室结构和转子示意图；
23.图2为本发明实施例的转子室内转子和偏心轴的结构示意图；
24.图3为本发明实施例的外部压缩转子发动机内部转子工作过程的示意图。
25.图标：1-转子室，2-三角转子，3-偏心轴，4-点火装置，5-燃料喷嘴，6-排气阀，7-液冷槽，8-高压空气喷嘴，21-转子齿圈，31-中心齿轮。
具体实施方式
26.实施例
27.请参照图1-图3，所示为本发明实施例中一种外部压缩转子发动机的结构示意图；
28.本实施例提供一种外部压缩转子发动机，其包括转子室1，以及其内设置的三角转子2；偏心轴3贯穿设置于所述转子室1腔体中心位置；所述三角转子2内圆圈一侧套接于所述偏心轴3的转子轴颈，另一侧设有用于围绕所述中心齿轮31啮合的转子齿圈21，所述三角转子2偏心旋转时三个顶点形成的最外层轨迹与所述转子室1的内壁贴合；当所述三角转子2转动时，所述三角转子2的三个面分别与所述转子室1内壁组成三个不断运动的独立空间，随着容积大小的变化，每个独立空间都会进行混合气进气、燃烧膨胀和排气三个过程，驱动所述偏心轴3绕轴心进行旋转；
29.还包括两组中心对称设置于所述转子室1周壁上，并延伸至其内腔的燃料喷嘴5、高压空气喷嘴8以及点火装置4；其中，所述燃料喷嘴5、高压空气喷嘴8和点火装置4嵌在所述转子室1中的部分与所述转子室1之间形成密封；
30.在所述转子室1的端面设有两组中心对称布置的排气阀6，所述排气阀6控制外部压缩转子发动机的排气过程。
31.下面，将对本示例性实施例中外部压缩转子发动机作进一步说明。
32.本实施例中，上述三角转子2的三个面，只要当其中一个面所对应的空间体积达到最小时，该位置所对应的燃料喷嘴5和高压空气喷嘴8注入燃料和空气形成可燃混合气，燃料和空气的进气过程持续较短的时间；然后通过点火装置4进行点火；当燃料燃烧后，工质膨胀推动该面产生偏转运动，使该面所对应的空间增大，从而带动偏心轴3转动，以及推动其他面转动到做功位置；当该面所对应的空间体积达到最大时，该位置所对应的排气阀打开进行排气过程；当该面继续转动到所对应的空间体积达到最小时，该位置所对应的排气阀关闭，至此三角转子转动180
°
，该面完成一个完整的工作过程，当三角转子继续转动时，该面按照以上过程继续工作。
33.本实施例中，通过高压空气喷嘴8、燃料喷嘴5和点火装置4可以实现取消掉传统转子发动机的压缩过程，直接通入压缩空气来提供燃烧所需的氧气，提高工作热效率和输出功率，相对于目前现有的三角转子式发动机，本技术中采用中心对称设置的双点火装置4，当三角转子2旋转完整一周时，上述三角转子2的三个面均会做功两次，也即，当三角转子旋转完整地一周时，共做功六次；目前现有的三角转子式发动机，旋转一周最多能做功三次(即，完成三次点火)，而本发明使得同体积的发动机，输出动力可大约提升到现有技术的两倍，使得使用该发动机的设备可以获得更好的动力性能，以及提升整机的功率密度，同时所使用高压空气的温度可以较低，使得整个燃烧过程的温度都很低，工质的比热比较高，容易提升热效率。传统转子发动机运转时气缸进气端始终有空气及燃油进入，因此温度相对较低，而气缸排气端温度很高，这造成了气缸受热不均匀，密封部件容易产生形变而造成密封不良的问题，本技术的外部压缩转子发动机有两个对称的受热部位，机体受热更均匀，热应力更小，减少由机体受热不均引起的密封不良问题。
34.需要说明的是，本技术的外部压缩转子发动机，其名称中的“外部压缩”是指，参与燃烧的压缩空气不在转子室1内的压缩过程产生，而是由外部设备直接供给压缩空气，从而使得该发动机工作时，其内部可以省去压缩的过程。
35.本技术的外部压缩转子发动机，适合燃用天然气和氢气等易燃气体燃料，为了燃烧效果更好，可以使用氧气浓度更高的空气或是纯氧助燃，通过高压空气喷嘴8喷入。所述燃料喷嘴5为用于向转子室1中注入高压可燃气体的高压喷嘴；所述高压可燃气体包括天然气和氢气。本技术中取消掉传统转子发动机的压缩过程，代之以直接喷入空气和燃气，或同时喷入两者的混合气，使用火花塞或其他点火装置4点火。本技术的转子发动机尺寸不限于只应用于民用汽车发动机领域，大型转子发动机的应用包括船舶主推进装置、重卡和工程机械动力、发电机领域等,当作为船舶发动机时，转子机相比活塞式发动机的重心更低，振动较轻，同时可以减少机舱的占用空间。工作时，由于进气温度较低，所以燃烧起始点较低，可以实现低温燃烧，减少nox排放，提升热效率。氢气在传统发动机上使用容易产生爆震问题，本技术的发动机，将氢气作为燃料时，其爆炸冲击波始终与转子旋转方向一致，在一定程度上减少爆震现象的发生，提高运行的稳定性。
36.需要说明的是，上述nox包括一氧化氮和二氧化氮，以及二者的混合气体，这些气体会对空气造成一定的污染，尤其是一氧化氮具有一定的毒性。本技术通过低温燃烧，减少nox排放，还可以直接燃烧纯氧和氢气，其燃烧后的产物只有水，没有温室气体的排放，不会对环境造成任何污染，进一步有利于环保。
37.在本技术实施例中，参照图3，示出了本技术转子发动机的工作过程，详细如下所述，为了更好地理解本技术的发动机工作过程，假设图3的a图为转子的初始位置，以其中a面的顺时针转动为例，从图a到图b为a面(与转子室1壁面所围的空间)的排气过程，所围容积从最大变为最小，期间对应端面排气阀为打开状态，到图b位置时端面排气阀关闭；从图b到图c为a面的进气和燃烧膨胀过程，所围容积从最小变为最大，期间在一定角度通入压缩空气和燃料，然后点火，使混合气燃烧膨胀，从图a到图c三角转子旋转180
°
，a面完成一个完整的工作过程；从图c到图d为a面的排气过程，所围容积从最大变为最小，期间对应端面排气阀为打开状态，到图d位置时对应排气阀关闭；从图d到图a为a面的进气和燃烧膨胀过程，所围容积从最小变为最大，期间在一定角度通入压缩空气和燃料，然后点火膨胀，至此三角转子回到初始位置，旋转了360
°
，a面完成两个工作过程。三角转子的其他两个面也和a面一样进行工作，为了工质膨胀更加充分，理想情况下，凡是出现最大容积时刻，对应腔室排气口打开进行排气过程，凡是出现最小容积时刻，对应腔室排气口关闭，高压空气和燃料开始进入，然后点火，进行燃烧膨胀过程。在上述过程中，三个面都要做功，当外部的转轴旋转一周时，每个面做2次功，360
°
一共做6次功，转子完整转一圈每个排气口开闭三次。
38.在本技术实施例中，如图2所示，所述转子室1中心位置固定设有中心齿轮31，所述三角转子2内圆圈一侧设有与所述中心齿轮31啮合的转子齿圈21；当所述三角转子2转动时，所述转子齿圈21绕所述中心齿轮31转动。
39.需要说明的是，中心齿轮31固定于转子室中心位置上，处于静止状态，其并不会转动。
40.在本技术实施例中，如图1所示，作为一种较优的实施方式，上述转子室1的缸壁外侧设有相互连通的液冷槽7，将该液冷槽7与液冷散热装置连通，实现发动机的散热，保障发动机的温度不会超过各部件的温度限值，通过液冷对其降温来保障其长时间稳定地工作，例如，可以通过水冷的方式，将水冷箱的连接管与上述液冷槽7连通，实现热交换，排出多余热量。
41.作为一种较优的实施方式，上述三角转子2，其三个面均具有一向中心凹陷的燃烧室(图中未示出)，通过上述燃烧室可以更好地组织燃烧室内燃料的燃烧，使燃料燃烧更加充分，提高发动机的工作性能。
42.作为一种较优的实施方式，为了使燃烧前的进气过程可以持续更大的旋转角度，燃料喷嘴5、高压空气喷嘴8和点火装置4的位置应位于燃烧室处于最小容积时的下部(按转动方向)。
43.作为一种较优的实施方式，排气阀6设置于所述转子室1的端面，无法使用周边排气，因为排气阀6面积较大，如果使用周边进气的话，当三角转子的顶点正好处于排气阀6的中部，会导致此顶点两边的密闭空气相互窜气，造成不正常的工作状态。为了防止这种情况发生，所述排气阀6设置于所述转子室1的端面。
44.本技术的外部压缩转子发动机的转向只能保持一个方向，无法实现倒转，输出轴可以通过配备换向器来完成正反向的转换(图中未示出)。
45.作为一种较优的实施方式，上述所述转子室1为不锈钢或铝合金材料铸造；上述点火装置4为火花塞。
46.本技术实施例的有益效果还包括，相对于现有技术，由于取消了压缩过程，从而使得启动时，没有最低启动转速的限制，启动速度更快，可以在更低的转速下运行，同时，因为直接注入高压空气，所以无需安装启动装置，可以节省启动装置的成本；发动机可以使用较小的飞轮，或者无需安装飞轮；此外，更容易实现膨胀比大于压缩比，进一步提高热效率。
47.以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种外部压缩转子发动机，其特征在于，包括转子室，以及其内设置的三角转子；偏心轴贯穿设置于所述转子室腔体中心位置；所述三角转子内圆圈一侧套接于所述偏心轴的转子轴颈，另一侧设有围绕中心齿轮进行啮合旋转的转子齿圈，所述三角转子偏心旋转时，三个顶点形成的最外层轨迹与所述转子室的内壁贴合，同时所述三角转子的三个面分别与所述转子室内壁组成三个不断运动的独立空间，每个独立空间都会进行进气、燃烧膨胀和排气三个过程，驱动所述偏心轴绕轴心进行旋转；还包括两组中心对称设置于所述转子室周壁上，并延伸至其内腔的燃料喷嘴、高压空气喷嘴以及点火装置；其中，所述燃料喷嘴、高压空气喷嘴以及点火装置嵌在所述转子室中的部分与所述转子室之间形成密封；所述转子室的端面设有两组中心对称布置的排气阀，所述排气阀用于控制外部压缩转子发动机的排气过程。2.根据权利要求1所述的外部压缩转子发动机，其特征在于，所述偏心轴位于所述转子室外部的部分还连接有输出轴。3.根据权利要求1或2所述的外部压缩转子发动机，其特征在于，所述转子室的缸壁内设有相互连通的液冷槽。4.根据权利要求1所述的外部压缩转子发动机，其特征在于，所述燃料喷嘴为用于向转子室中注入高压可燃气体的高压喷嘴。5.根据权利要求4所述的外部压缩转子发动机，其特征在于，所述高压可燃气体包括天然气和氢气。6.根据权利要求1所述的外部压缩转子发动机，其特征在于，所述三角转子，其三个面均具有一向中心凹陷的燃烧室。7.根据权利要求1所述的外部压缩转子发动机，其特征在于，所述高压空气喷嘴用于向转子室中注入高压空气，还可连接到外部的储氧装置。8.根据权利要求1或2所述的外部压缩转子发动机，其特征在于，所述转子室为不锈钢或铝合金材料铸造。9.根据权利要求2所述的外部压缩转子发动机，其特征在于，所述输出轴连接有换向器。10.根据权利要求2所述的外部压缩转子发动机，其特征在于，所述点火装置为火花塞。

技术总结
本发明提供一种外部压缩转子发动机，涉及转子发动机技术领域。包括转子室，以及其内设置的三角转子和偏心轴；偏心轴设置于转子室中心位置；三角转子内圆圈一侧套接于偏心轴的转子轴颈，另一侧设有围绕中心齿轮进行啮合旋转的转子齿圈；转动时，转子的三个面分别与转子室内壁组成三个不断运动的独立空间；还包括两组中心对称设置于转子室外壳周壁上，并延伸至其内腔的燃料喷嘴、高压空气喷嘴及点火装置，排气阀设置在转子室端面上。通过上述结构，取消掉传统转子发动机工作时的压缩过程，当三角转子完整旋转一周时，转子三个面中的每个面都会做两次功，一共做功六次，提高功率输出密度和工作热效率。和工作热效率。和工作热效率。


技术研发人员：李国忠 王美文 魏来 余尚武
受保护的技术使用者：李国忠
技术研发日：2023.07.04
技术公布日：2023/10/11