一种用于X转子发动机的机械增压系统的制作方法

一种用于x转子发动机的机械增压系统
技术领域
1.本实用新型属于增压特种发动机技术领域，具体涉及一种用于x转子发动机的机械增压系统。


背景技术：

[0002]“x转子发动机”的概念最早由美国液体活塞公司(liquidpiston)于2015年左右提出，是一种反式wankel三角转子发动机。x转子发动机将wankel三角转子发动机的气缸形状映射到自身转子形状，将wankel三角转子发动机的转子形状延伸至自身气缸形状，由此形成了一种混合高效循环(highefficiency hybridcycle,hehc)。
[0003]
混合高效循环相比于传统汽油机的奥托循环、柴油机的迪赛尔循环，具有绝对的理论循环效率优势，理论热效率最高可达75％，实测制动热效率可达50％，远超传统内燃机40％的水平。x转子发动机还具备wankel三角转子发动机安静、轻质、高效、高功率密度的显著优点。
[0004]
然而，x转子发动机由于自身结构特征所限，采用的是中空偏心轴内进气的进气形式，如图1、2所示。进气气流由进气口流过中空偏心轴，再通过筛状阵列小孔进入发动机气缸，参与压缩、膨胀做功和排气冲程。相比于其他类型的活塞式发动机，x转子发动机进气口的特点为：
[0005]
1.气流通道复杂，流动阻力大，不利于提升发动机的充气效率；
[0006]
2.气流通道狭窄而冗长，通道壁面温度较高，会小幅减小进气气流密度，从而降低发动机的充气效率；
[0007]
3.气流通道在进气过程中持续进行绕主轴的公转运动，气体流动状态更加复杂。
[0008]
充气效率下降，会导致发动机在工作过程中压缩压力下降、有效压缩比下降，输出功率和发动机的效率都会劣化。
[0009]
在常规发动机中，通常在发动机上安装增压器，使用废气涡轮增压或者机械增压的方式来提升进气口处的气体压力，来解决充气效率低下的问题。由于x转子发动机的结构形式与常规发动机差距较大，无法直接使用市场化、模块化的废气涡轮增压或机械增压系统，需要从原理层面对x转子发动机的增压系统开展针对性的设计。一方面，常规废气涡轮增压依靠发动机排气带动废气涡轮，对进气进行增压，而x转子发动机没有排气管，排气通过两侧端盖上开启的六个孔洞直接与大气连通，废气不易收集，因而废气涡轮增压形式在x转子发动机上应用困难。另一方面，常规机械增压依靠发动机的动力驱动，通过机械式的压气机对进气增压，而x转子发动机的进气口在工作过程中持续旋转，无法通过机械固连的方式直接接通压气机，通过动密封手段连接也会造成动力上过多的摩擦损失。外置的压气机也带来体积过大、重量过重、系统复杂等新的问题。在实验室中，为了达到对x转子发动机的增压效果，通常使用压缩空气导入进气口来弥补进气压力的不足，但压缩空气的使用严重限制了x转子发动机的环境适应性，使其只能工作在实验室中。因此，在x转子发动机中，尚无有效的、集成于发动机本体上的增压方式。


技术实现要素：

[0010]
针对现有技术中存在的由于x转子发动机独特结构造成的进气不畅、充气效率过低的技术问题，本实用新型提供了一种用于x转子发动机的机械增压系统，将涡轮叶片集成于进气口之上(或通过行星驱动连接、或挂靠在进气口之外)，以偏心轴旋转(或外接电机旋转)作为动力驱动涡轮叶片旋转，在进气口处形成高压，实现对x转子发动机进气系统的增压，从而克服x转子发动机进气系统进气不畅的弊端。
[0011]
本实用新型解决上述技术问题采用的技术方案如下：
[0012]
本实用新型提供了一种用于x转子发动机的机械增压系统，所述x转子发动机的转子一端依次包括进气口和中空偏心轴，所述中空偏心轴通过若干小孔连通发动机气缸，所述机械增压系统包括涡轮叶片，所述涡轮叶片包括多个叶片，多个叶片外缘固定在所述x转子发动机进气口靠近入口的内壁面上。
[0013]
进一步地，所述涡轮叶片的多个叶片结构相同，多个叶片均匀分布在进气口内壁面上。
[0014]
进一步地，所述涡轮叶片的多个叶片结构不同，多个叶片内缘所处的圆周中心位于中空偏心轴轴线延长线上。
[0015]
进一步地，多个结构不同的叶片非均匀的分布在进气口内壁面上。
[0016]
进一步地，所述涡轮叶片角度范围为45
°
～75
°
，所述涡轮叶片叶数范围为5～21。
[0017]
本实用新型又提供了一种用于x转子发动机的机械增压系统，所述x转子发动机的转子一端依次包括进气口和中空偏心轴，所述中空偏心轴通过若干小孔连通发动机气缸，所述机械增压系统包括涡轮叶片、行星机构，所述行星机构包括驱动件、第一齿轮、第二齿轮；所述第一齿轮固定在所述x转子发动机进气口外壁面上，所述第一齿轮通过所述第二齿轮带动所述驱动件转动，所述驱动件对应进气口入口的位置装配涡轮叶片。
[0018]
进一步地，所述驱动件包括内环、外环及连接内外环的支撑件，所述内环内壁面上设置涡轮叶片，所述外环内壁面设置与第二齿轮匹配的齿结构，所述涡轮叶片、齿结构沿发动机转子轴线方向保持一定距离。
[0019]
进一步地，所述驱动件、第一齿轮与发动机转子同轴，所述涡轮叶片、第一齿轮沿转子轴线方向保持固定间隙；所述第二齿轮沿周向均匀分布至少三个，所述涡轮叶片包括多个相同的叶片。
[0020]
进一步地，所述涡轮叶片角度范围为45
°
～75
°
，所述涡轮叶片叶数范围为5～21。
[0021]
本实用新型还提供了一种用于x转子发动机的机械增压系统，所述x转子发动机的转子一端依次包括进气口和中空偏心轴，所述中空偏心轴通过若干小孔连通发动机气缸，所述机械增压系统包括涡轮叶片、驱动电机，所述驱动电机安装在发动机机体外壳上，所述驱动电机输出轴位于发动机转子轴线延长线上；所述涡轮叶片包括多个相同的叶片，多个叶片均匀分布、固定在驱动电机输出轴上。
[0022]
本实用新型与现有技术相比的有益效果：
[0023]
本实用新型使用集成于x转子发动机的机械增压系统，相比于实验室外接高压压缩气体增压方式：
[0024]
1)环境适应性强，不依赖实验室内高压压缩空气气源；
[0025]
2)增压压力可根据发动机转速实现一定范围内的按需设计和自适应调整，设计定
型后无需额外控制干预；
[0026]
3)对发动机结构调整幅度小，只涉及1-2个零件的改动，改造成本低；
[0027]
4)本实用新型所涉及的机械增压方案适用于任何尺度的x转子发动机；
[0028]
5)本实用新型仅轻微增加发动机的重量、轻微增加(或不增加)发动机体积，对发动机的轻量化、便携性等影响轻微；
[0029]
6)本实用新型所涉及的机械增压系统可使用发动机自驱动或外部电机驱动，涡轮叶片旋转速度可等同于发动机动力输出轴、等比例于发动机动力输出轴或独立控制，系统灵活性大、可设计性强。
附图说明
[0030]
所包括的附图用来提供对本实用新型实施例的进一步的理解，其构成了说明书的一部分，用于例示本实用新型的实施例，并与文字描述一起来阐释本实用新型的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，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的附图。
[0031]
图1为x转子发动机剖视图；
[0032]
图2为x转子发动机进气形式剖视图；
[0033]
图3为x转子发动机进气口结构示意图，(a)为正视图，(b)为剖视图；
[0034]
图4为本实用新型具体第一实施方式提供的x转子发动机增压进气口，(a)为正视图，(b)为剖视图；
[0035]
图5为本实用新型具体第二实施方式提供的x转子发动机增压进气口，(a)为正视图，(b)为剖视图；
[0036]
图6为本实用新型具体第三实施方式提供的x转子发动机增压进气口，(a)为正视图，(b)为剖视图；
[0037]
图7为本实用新型具体第四实施方式提供的行星机构驱动的x转子发动机机械增压系统结构示意图；
[0038]
图8为本实用新型具体第四实施方式提供的行星机构驱动的x转子发动机机械增压系统剖视图；
[0039]
图9为本实用新型具体第四实施方式提供的行星机构驱动的x转子发动机机械增压系统结构示意图，(a)为前视图，(b)为后视图；
[0040]
图10为本实用新型具体第五实施方式提供的电机驱动的x转子发动机机械增压系统结构示意图，(a)为正视图，(b)为剖视图。
[0041]
其中，上述附图包括以下附图标记：
[0042]
1、进气口；2、涡轮叶片；3、行星机构；31、驱动件；32、第一齿轮；33、第二齿轮；4、驱动电机。
具体实施方式
[0043]
下面对本实用新型的具体实施例进行详细说明。在下面的描述中，出于解释而非限制性的目的，阐述了具体细节，以帮助全面地理解本实用新型。然而，对本领域技术人员来说显而易见的是，也可以在脱离了这些具体细节的其它实施例中实践本实用新型。
[0044]
在此需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本实用新型，在附图中仅仅示出了与本实用新型的方案密切相关的设备结构和/或处理步骤，而省略了与本实用新型关系不大的其他细节。
[0045]
为解决x转子发动机独特结构造成的进气不畅、充气效率过低的问题，本实用新型提出一种用于x转子发动机的机械增压系统，将涡轮叶片集成于进气口之上(或行星驱动连接、或挂靠在进气口之外)，以偏心轴旋转(或外接电机旋转)作为动力驱动涡轮叶片旋转，在进气口处形成高压，实现对x转子发动机进气系统的增压，从而克服x转子发动机进气系统进气不畅的弊端。
[0046]
机械增压即：使用机械动力增加进气压力的手段。
[0047]
为了便于理解，首先对x转子发动机的转子结构进行说明。x转子发动机具有由双弧外旋轮线构成的近椭圆形转子、近三角形的气缸及中空的偏心轴。转子在气缸中进行行星旋转运动，在气缸的三个顶角处分别依次进行进气、压缩、做功和排气四个冲程：
[0048]
进气冲程，转子旋转使气缸容积扩大，空气通过进气口-中空偏心轴-转子进气通道进入气缸；压缩冲程，转子继续旋转使气缸容积不断缩小，空气被压缩；做功冲程，转子旋转到上止点，气缸容积达到最小时，通过点火系统点燃压缩后的空气和燃料，产生高温高压气体推动转子继续旋转，气缸容积扩大，推动力由转子传到偏心轴向外输出；排气冲程，在做功冲程末期，位于转子外弧面上的排气口连通气缸，气缸中的残余废气通过转子外弧面上的排气口排入转子内腔，由于转子内腔始终通过6个孔洞连通大气，因此废气直接排入大气。具体地，如图1、2所示，x转子发动机的转子一端包括进气口和中空偏心轴，进气口和中空偏心轴随转子持续旋转运动，中空偏心轴轴线与发动机转子轴线平行、保持一定距离，中空偏心轴对应发动机气缸位置设置筛状阵列小孔，进气气流由进气口流过中空偏心轴，再通过筛状阵列小孔进入发动机气缸，参与进气、压缩、做功和排气冲程。
[0049]
x转子发动机的进气口1为变截面的筒状结构，进气口远离中空偏心轴的第一端面11与发动机转子同轴，进气口连接中空偏心轴的第二端面12与中空偏心轴同轴。在某一具体实施方式中，如图3所示，沿转子轴线方向进气口第二端面与第一端面相切，减小流动阻力；优选的，为了保证x转子发动机的稳定性和可靠性，x转子发动机进气口、中空偏心轴、发动机转子一体成型。
[0050]
基于涡轮叶片的装配位置、驱动方式的不同，给出了用于x转子发动机的机械增压系统的多种实施方式。
[0051]
具体实施方式1
[0052]
本实施方式中，如图4所示，用于x转子发动机的机械增压系统包括涡轮叶片，涡轮叶片包括多个相同的叶片，叶片均匀分布在进气口靠近第一端面的内壁面上，多个叶片外缘固定在进气口内壁面上、内缘保持固定间距分布在一个圆周上。
[0053]
优选的，涡轮叶片型线为常规型中的一种；涡轮叶片角度范围为45
°
～75
°
，依据工作转速和增压压力需求设计；涡轮叶片叶数范围为5～21，依据叶片高度和增压压力需求设计。
[0054]
涡轮叶片集成于进气口之上，涡轮叶片旋转方向与进气口旋转方向一致、转速与进气口旋转速度一致。
[0055]
结合x转子发动机工作过程中，进气口处于持续旋转运动状态的特点，本实用新型
提出涡轮叶片与进气口集成的设计方法，组成增压进气口。增压进气口取代常规进气口安装在x转子发动机上，即为本实用新型所提出的一种基于x转子发动机的机械增压系统。系统工作时，增压进气口同空心偏心轴一同旋转，增压进气口所集成的涡轮叶片也随之旋转，在进气口处产生风压，达到增加进气压力的目标。增压进气口的旋转速度等同于空心偏心轴的旋转速度，即：涡轮叶片的旋转速度等同于空心偏心轴的旋转速度。涡轮叶片的旋转速度和进气口增压压力正相关，可通过涡轮叶片型线、角度、叶数等细节设计进行转速与增压压力的空气动力学匹配，在指定工况点达到指定的增压压力。
[0056]
具体实施方式2
[0057]
本实施方式中，如图5所示，用于x转子发动机的机械增压系统包括涡轮叶片，涡轮叶片包括不同的多个叶片，叶片外缘固定连接在进气口靠近第一端面的内壁面上，叶片内缘所处的圆周中心位于中空偏心轴轴线延长线上，多个叶片非均匀分布在进气口内壁面上。
[0058]
由于多个叶片的形心轴线与中空偏心轴轴线重合、与进气口外圆轴线存在偏心距离，导致各叶片在进气口内弧面上的生长距离不一致，使得多个叶片沿轴向长度不一致。
[0059]
另外，叶片和进气口内壁面弧形结构将进气口划分为多个气流通道，叶片结构的差异会影响每个气流通道的大小、角度等参数，从而造成增压效果的差异。
[0060]
优选的，涡轮叶片型线为常规型中的一种；涡轮叶片角度范围为45
°
～75
°
，依据工作转速和增压压力需求设计；涡轮叶片叶数范围为5～21，依据叶片高度和增压压力需求设计。
[0061]
本实施例中，涡轮叶片角度为15
°
，涡轮叶片叶数为5。
[0062]
相对于实施例1，该设计使所有叶片的几何形心由进气口外圆轴线转移至进气口内流道轴线。气流速度方向直接指向内流道，提高内流道内部气体涡流强度，增加进气增压效果。
[0063]
具体实施方式3
[0064]
本实施方式中，如图6所示，与实施方式2的不同在于涡轮叶片角度为60
°
。相对于实施方式2，实施方式3调整了叶片中心圆环的直径、增加了叶片的角度、改变了叶片的形状，延长了叶片和进气口内壁面围成的流道长度，在中低转速范围能够产生更强的涡流和更大的进气压力。
[0065]
具体实施方式4
[0066]
本实施方式中，如图7所示，用于x转子发动机的机械增压系统包括涡轮叶片2、行星机构3，行星机构3包括驱动件31、第一齿轮32、第二齿轮33。驱动件31包括内环、外环及连接内外环的支撑件，驱动件31内环内壁面上设置涡轮叶片2，驱动件31外环内壁面设置连续的若干齿结构，涡轮叶片2、齿结构沿发动机转子轴线方向保持一定距离。涡轮叶片包括多个相同的叶片，叶片均匀分布在驱动件31内环内壁面上，多个叶片外缘固定在内环内壁面上、内缘保持固定间距分布在一个圆周上。驱动件31、第一齿轮32与发动机转子同轴，涡轮叶片2、第一齿轮32沿转子轴线方向保持固定间隙。第一齿轮32固定在进气口靠近第一端面11的外壁面上，第一齿轮32通过第二齿轮33与驱动件31外环齿结构咬合，优选的，第一齿轮32至少设置三个，能保证行星结构的转动稳定性。本实施例中，进气口随发动机转子旋转带动第一齿轮32转动，通过第二齿轮33传动驱动件31转动，进而带动涡轮叶片转动，增加进气
流量。
[0067]
涡轮叶片型线为常规型中的一种；涡轮叶片角度范围为45
°
～75
°
，依据工作转速和增压压力需求设计；涡轮叶片叶数范围为5～21，依据叶片高度和增压压力需求设计。
[0068]
涡轮叶片与进气口通过行星传动机构连接，因此涡轮叶片旋转方向与进气口旋转方向相反、转速与进气口旋转速度之间的比例关系取决于行星传动机构的传动比。
[0069]
本实施例中，涡轮叶片不与进气口集成，通过行星机构与进气口连接，实现涡轮叶片与进气口的比例传动，以进气口的旋转运动驱动涡轮叶片，按照行星机构的传动比实现涡轮叶片旋转速度的比例增长。涡轮叶片旋转速度与进气口旋转速度的比值，等同于行星机构的传动比。行星机构的传动比可按x转子发动机的转速-增压压力需求进行点对点的匹配设计。涡轮叶片型线、角度、叶数等细节，也可与转速-增压压力进行空气动力学匹配设计，在指定工况点达到指定的增压压力。
[0070]
具体实施方式5
[0071]
本实施方式中，如图10所示，用于x转子发动机的机械增压系统包括涡轮叶片2、驱动电机4。驱动电机安装在发动机机体之上，驱动电机输出轴位于发动机转子轴线延长线上；涡轮叶片2包括多个相同的叶片，多个叶片均匀分布、固定在驱动电机输出轴上。
[0072]
本实施方式中，涡轮叶片不与进气口集成，也不使用进气口/空心偏心轴等发动机本体结构进行驱动，使用涡轮叶片+驱动电机的形式挂靠在进气口上。该技术方案下，涡轮叶片的旋转速度取决于驱动电机的旋转速度，驱动电机的旋转速度可与x转子发动机动力输出轴的旋转速度解耦，从而大幅拓宽全工况下的增压压力控制的自由度和灵活度，可满足低速大负荷等特殊工况的特殊增压压力需求。涡轮叶片型线、角度、叶数等细节，也可与转速-增压压力进行空气动力学匹配设计，更加灵活地在任意指定工况点达到指定的增压压力。
[0073]
如上针对一种实施例描述和/或示出的特征可以以相同或类似的方式在一个或更多个其它实施例中使用，和/或与其它实施例中的特征相结合或替代其它实施例中的特征使用。
[0074]
应该强调，术语“包括/包含”在本文使用时指特征、整件、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、整件、步骤、组件或其组合的存在或附加。
[0075]
这些实施例的许多特征和优点根据该详细描述是清楚的，因此所附权利要求旨在覆盖这些实施例的落入其真实精神和范围内的所有这些特征和优点。此外，由于本领域的技术人员容易想到很多修改和改变，因此不是要将本实用新型的实施例限于所例示和描述的精确结构和操作，而是可以涵盖落入其范围内的所有合适修改和等同物。
[0076]
以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
[0077]
本实用新型未详细说明部分为本领域技术人员公知技术。

技术特征：
1.一种用于x转子发动机的机械增压系统，所述x转子发动机的转子一端依次包括进气口和中空偏心轴，所述中空偏心轴通过若干小孔连通发动机气缸，其特征在于，所述机械增压系统包括涡轮叶片，所述涡轮叶片包括多个叶片，多个叶片外缘固定在所述x转子发动机进气口靠近入口的内壁面上。2.根据权利要求1所述的机械增压系统，其特征在于，所述涡轮叶片的多个叶片结构相同，多个叶片均匀分布在进气口内壁面上。3.根据权利要求1所述的机械增压系统，其特征在于，所述涡轮叶片的多个叶片结构不同，多个叶片内缘所处的圆周中心位于中空偏心轴轴线延长线上。4.根据权利要求3所述的机械增压系统，其特征在于，多个结构不同的叶片非均匀的分布在进气口内壁面上。5.根据权利要求1～4中任一项所述的机械增压系统，其特征在于，所述涡轮叶片角度范围为45
°
～75
°
，所述涡轮叶片叶数范围为5～21。6.一种用于x转子发动机的机械增压系统，所述x转子发动机的转子一端依次包括进气口和中空偏心轴，所述中空偏心轴通过若干小孔连通发动机气缸，其特征在于，所述机械增压系统包括涡轮叶片、行星机构，所述行星机构包括驱动件、第一齿轮、第二齿轮；所述第一齿轮固定在所述x转子发动机进气口外壁面上，所述第一齿轮通过所述第二齿轮带动所述驱动件转动，所述驱动件对应进气口入口的位置装配涡轮叶片。7.根据权利要求6所述的机械增压系统，其特征在于，所述驱动件包括内环、外环及连接内外环的支撑件，所述内环内壁面上设置涡轮叶片，所述外环内壁面设置与第二齿轮匹配的齿结构，所述涡轮叶片、齿结构沿发动机转子轴线方向保持一定距离。8.根据权利要求7所述的机械增压系统，其特征在于，所述驱动件、第一齿轮与发动机转子同轴，所述涡轮叶片、第一齿轮沿转子轴线方向保持固定间隙；所述第二齿轮沿周向均匀分布至少三个，所述涡轮叶片包括多个相同的叶片。9.根据权利要求6～8中任一项所述的机械增压系统，其特征在于，所述涡轮叶片角度范围为45
°
～75
°
，所述涡轮叶片叶数范围为5～21。10.一种用于x转子发动机的机械增压系统，所述x转子发动机的转子一端依次包括进气口和中空偏心轴，所述中空偏心轴通过若干小孔连通发动机气缸，其特征在于，所述机械增压系统包括涡轮叶片、驱动电机，所述驱动电机安装在发动机机体外壳上，所述驱动电机输出轴位于发动机转子轴线延长线上；所述涡轮叶片包括多个相同的叶片，多个叶片均匀分布、固定在驱动电机输出轴上。

技术总结
本实用新型提供了一种用于X转子发动机的机械增压系统，将涡轮叶片集成于进气口之上，或者通过行星机构连接在进气口之外，或者直接挂靠在进气口之外，以偏心轴旋转或者外接电机旋转作为动力驱动涡轮叶片旋转，在X转子发动机进气口处形成高压，实现对X转子发动机进气系统的增压，从而克服X转子发动机进气系统进气不畅的弊端。气不畅的弊端。气不畅的弊端。


技术研发人员：焦慧超 张宇鹏 叶先磊 全栋梁 周帆
受保护的技术使用者：中国航天科工飞航技术研究院（中国航天海鹰机电技术研究院）
技术研发日：2022.09.30
技术公布日：2023/6/14