正弦型葉片活塞轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)

1、正弦型葉片活塞轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)人劉弘刖言四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)問(wèn)世以來(lái)，以它的優(yōu)越性能領(lǐng)先于發(fā)動(dòng)機(jī)行列，成為當(dāng)代應(yīng)用最廣的動(dòng)力機(jī)械。但是，由于四沖程發(fā) 動(dòng)機(jī)是通過(guò)曲柄連桿機(jī)構(gòu)將往復(fù)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為園周運(yùn)動(dòng)的，因此在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，必然會(huì)產(chǎn)生較大的振動(dòng)。為了克服活 塞的貫性力需要消耗較大的能量。這對(duì)于進(jìn)一步提高它的熱效率，成為不可逾越的障礙。節(jié)約日益短缺的能源，提高發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率，已成為今日世界的當(dāng)務(wù)之急。20世紀(jì)中期，德國(guó)創(chuàng)造了三角活塞轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)，隨后日本引入進(jìn)行研究和改良。但卻未能取代耗油量較大，熱效率較低的四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)。這是因?yàn)槿?角活塞轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)在結(jié)構(gòu)上還有不完善之處。首先三角活塞在氣缸內(nèi)并非只作單一的旋轉(zhuǎn)運(yùn)

2、動(dòng)，而是一種特殊的復(fù) 合運(yùn)動(dòng)，這種運(yùn)動(dòng)不能把振動(dòng)減到足夠小的程度， 而且同樣要消耗能量去克服較大的貫性力。 其次制造這種發(fā)動(dòng)機(jī)， 需要極高的精密度和較復(fù)雜的工藝，否那么不能解決氣缸的密封問(wèn)題，必然出現(xiàn)漏氣，降低發(fā)動(dòng)機(jī)的效率。盡管三角 活塞發(fā)動(dòng)機(jī)以經(jīng)沉淪于世，但它的出現(xiàn)代表著新技術(shù)的開(kāi)展方向，鼓勵(lì)人們?nèi)?gòu)思結(jié)構(gòu)更完善，工藝更簡(jiǎn)單、體積 小、效率高的轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)。筆者于20世紀(jì)70年代開(kāi)始探索轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)，苦心研究 20春秋，消耗了不少精力，正弦型葉片活塞轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng) 機(jī)的趨形終于形成。本文將表達(dá)這種發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)、工作原理和主要的關(guān)鍵技術(shù)。曲 D Ak-匯，.7W.1 油封盍5.捅時(shí)JLjkl 襯;1 卜

3、 jn亂虹吉1 *1心幢計(jì)制単|權(quán)站懷| 耳十T冶 純味埠廉址営制一、正弦型葉片活塞轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理正弦型葉片活塞轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)由氣缸環(huán)、氣缸襯、氣缸蓋、轉(zhuǎn)子、花鍵軸、葉片活塞、滾珠軸承和油封等零件所 組成。詳見(jiàn)正弦型葉片式轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)原理圖第二頁(yè)。氣缸環(huán)內(nèi)壁由園柱面和正弦型柱面連成光滑的曲面，整個(gè)內(nèi)壁分為四個(gè)區(qū)域：吸氣區(qū)、壓縮區(qū)、燃燒區(qū)和排氣 區(qū)。各區(qū)域所對(duì)的園心角均為 -O4氣缸由氣缸環(huán)、氣缸襯和轉(zhuǎn)子聯(lián)合組成，四塊葉片活塞均分布在轉(zhuǎn)子的槽內(nèi)，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)，通過(guò)離心力使活塞 緊貼氣缸環(huán)內(nèi)壁。在轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，任意相鄰兩活塞經(jīng)過(guò)吸氣區(qū)時(shí)，吸氣區(qū)形成真空，由進(jìn)氣孔吸入混合可燃?xì)?體，當(dāng)此二活塞

4、經(jīng)過(guò)壓縮區(qū)時(shí)，被吸入的可燃?xì)怏w按照設(shè)計(jì)的壓縮比被壓縮，此二活塞進(jìn)入燃燒區(qū)時(shí)，由燃燒區(qū)內(nèi) 的火花塞點(diǎn)火、燃燒的氣體膨脹形成高壓。由于前后二活塞在燃燒區(qū)內(nèi)高度不同，前后二活塞出現(xiàn)較大的壓力差， 壓差推動(dòng)轉(zhuǎn)子沿著旋轉(zhuǎn)方向繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，直到活塞進(jìn)入排氣區(qū)后，高壓氣體通過(guò)排氣孔排出廢氣，如此循環(huán)，使發(fā)動(dòng) 機(jī)轉(zhuǎn)子不停地轉(zhuǎn)動(dòng)，并通過(guò)轉(zhuǎn)軸向外輸出動(dòng)力。二、氣缸環(huán)的結(jié)構(gòu)和內(nèi)壁的設(shè)計(jì)氣缸環(huán)的結(jié)構(gòu)如氣缸環(huán)結(jié)構(gòu)圖所示，圖中為了說(shuō)明轉(zhuǎn)子與缸環(huán)的關(guān)系，用雙點(diǎn)劃線表示轉(zhuǎn)子的外部輪廓。氣缸環(huán)內(nèi)壁截面為園弧和正弦型曲線連成的光滑曲線。設(shè)轉(zhuǎn)子的半徑為Ro,缸環(huán)內(nèi)壁頂部所在的園稱為頂園，頂園與園子的距離為 a，稱它為壓縮區(qū)高度；設(shè)正弦

5、型r k-. 1. 1 【1 ： Xkx k v x x x 1為了得到 良好的過(guò)渡，保證得到所需的壓縮比，并使氣缸的燃燒區(qū)有合理的工作長(zhǎng)度，選取缸環(huán)內(nèi)壁2 c園弧所對(duì)的園心角為(72)，正弦型曲線所對(duì)的園心角為3(108) o設(shè)極軸經(jīng)過(guò)園弧與正弦型曲線的連接點(diǎn)，幅5角按順時(shí)針?lè)较驗(yàn)檎?，那么正弦型缸?nèi)壁的極坐標(biāo)方程 為：? = Asin(t - ) R (0 十 3 , R = R a A)(1)3 25其中：t為弧度。我們稱半徑等于R的園為缸環(huán)的中園(圖中用點(diǎn)劃 線表示)假設(shè)將缸環(huán)中園展成直線，相應(yīng)地轉(zhuǎn)子外園，缸環(huán)頂園也展成直線，那么正弦型缸環(huán) 內(nèi)壁展成了 直角坐標(biāo)系下的正弦型曲線我們以展直

6、了的頂園為 直角坐標(biāo)系的橫坐標(biāo)，極軸為縱坐標(biāo)，那么在此坐標(biāo)系 下,見(jiàn)圖一1正弦型缸環(huán)內(nèi)壁方程為：(2)x= Asin 鶴1-；+ A其中：R為中園的半徑/c I 3 Rl為中園上的弧長(zhǎng)0可A為半壓縮長(zhǎng)度。1、壓縮區(qū)咼度、半壓縮長(zhǎng)度和壓縮比之間的關(guān)系為了計(jì)算壓縮區(qū)高度半壓縮長(zhǎng)度和壓縮比之間的關(guān)系，根據(jù)對(duì)稱性，對(duì)壓縮區(qū)和 燃燒區(qū) 各取一半進(jìn)行 計(jì)算。由圖一1可得半壓縮區(qū)的截面面積為：衛(wèi) 怎Asinl - 一) Adl1403R 2Ra二 RA+20云 3R AsinC10 l0 10 _3R江10)d(I2 3Rji-)2Ra - RA 3RA / 二、cos)4 201062Ra-RA3RA42

7、020半燃燒區(qū)的截面積為兀Ra3 二 R10 -V2-+ 10i HRA sin(I 一 )Adl4203R2二 Ra5 二 RA3RA10兀述+cos(I-)-420103R2 20二 Ra5 二 RA3RAJI十+0 cos(-)4201062二 Ra 5 二 RA 3 RA+ + 42020設(shè)壓縮比為N，貝9 V1N=V2，由此得s n A 3Aa 5 A 3A、NR()= R()4202042020A5(N - 1)二3(1 N) - (N - 5)二整理后得特別,當(dāng)N=8時(shí)A5(8 - 1)二3(1 8)-(8 - 5)二27 - 3350.16A2、氣缸環(huán)的寬度為了使活塞的平均工作

8、周邊長(zhǎng) 活塞與缸環(huán)內(nèi)壁和缸襯的平均接觸長(zhǎng)度)與活塞的平均工作面積(活塞伸入氣缸內(nèi)部的平 均面積)之比為最小，這樣可以減少由于密圭寸不良而 造成的漏氣現(xiàn)象。根據(jù)計(jì)算， 作周邊與面積之比為最小，所以缸環(huán)寬度應(yīng)為：b 2(a A)一般可取2A b 4A(4)如圖一2所示。三、葉片活塞的結(jié)構(gòu)當(dāng)b= 2 ( a + a )時(shí)，平均工由于缸環(huán)內(nèi)壁并非都是園柱面，要保證活塞頂部與缸環(huán)內(nèi)壁緊密結(jié)觸葉片活塞可用假設(shè)干層薄片疊合而成O在運(yùn)動(dòng)過(guò)成中由于離心力的作用活塞頂部的形狀可隨缸環(huán)內(nèi)壁的形狀而改變使活塞頂部與缸環(huán)內(nèi)壁緊密接觸O為了保證活塞的兩側(cè)與缸襯緊密接觸活塞應(yīng)有沿軸向收縮和擴(kuò)張的能力因此應(yīng)把葉片活塞的每4層

9、做成由兩塊梯形薄片拼合而成的矩形并使拼合而成的矩形略寬于缸環(huán)的寬度b。其拼合方式分為甲、乙兩種申。甲犬拼臺(tái) 一 3如圖一3所示在塊多層葉片活塞中除表面兩層用矩形薄片外中間各層薄片由甲、乙兩種拼合方式相間疊合這樣疊合成的葉片活塞在離心力的作用下能夠產(chǎn)生沿軸向的擴(kuò)張能力它在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中既能與缸內(nèi)壁緊密結(jié)合又能與活塞兩側(cè)的缸襯緊密貼合從而保證了活塞在氣缸內(nèi)的密封性O(shè)四、正弦型轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)的潤(rùn)滑-與密封問(wèn)題為了使正弦形轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)有良好的潤(rùn)滑與密封保證運(yùn)動(dòng)時(shí)不發(fā)生漏氣及漏油O所采用的方法是將發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部設(shè)計(jì)為氣缸和油缸兩個(gè)部分氣缸由缸環(huán)、缸襯和轉(zhuǎn)子封閉而成油缸由缸蓋、缸襯、轉(zhuǎn)子、花鍵軸和迷宮式油封封閉而成。轉(zhuǎn)

10、子的園柱面在氣缸內(nèi)旋轉(zhuǎn)兩個(gè)端面在油缸內(nèi)旋轉(zhuǎn)活塞靠近頂端的部分在氣缸中運(yùn)動(dòng)靠近軸的端面在油缸中運(yùn)動(dòng)。在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中油缸內(nèi)充滿了潤(rùn)滑油它4方面潤(rùn)滑運(yùn)動(dòng)的_|2a零件另4方面潤(rùn)滑油充滿了缸環(huán)、轉(zhuǎn)子與缸襯相結(jié)合處的間隙對(duì)氣缸起到密封的作用。為了保證轉(zhuǎn)子端面與缸襯之間的密封在轉(zhuǎn)子與缸襯的接觸區(qū)內(nèi)開(kāi)兩道油溝。葉片活塞在沿徑向的往復(fù)運(yùn)動(dòng)中將潤(rùn)滑油不斷地吸入油缸，又將潤(rùn)滑油壓入葉片內(nèi)部既使葉片得到密封又保證了它的潤(rùn)滑。為了保障油缸內(nèi)部的正常壓強(qiáng)，油缸下部設(shè)有進(jìn)油器上端設(shè)有調(diào)壓器通過(guò)油缸上部的氣體調(diào)節(jié)油缸內(nèi)的壓強(qiáng)。五、轉(zhuǎn)子的最小直徑轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)的葉片活塞是靠離心力的作用與缸環(huán)緊密貼合在起的。由于離心力的大小等于歸2

11、r在4定轉(zhuǎn)速下，只有R到達(dá)一定數(shù)值時(shí)，活塞才能與缸環(huán) 內(nèi)壁緊密貼合。因此我們首先要算出在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中， 活塞沿徑向的最大加速度，再根據(jù)最大加速度的值， 計(jì)算出R的最小值。1、活塞的徑向加速度和最大徑向加速度 活塞沿徑向的運(yùn)動(dòng)方程為見(jiàn)公式1二 Asin(上式中：t, 為角速度，表示每秒轉(zhuǎn)過(guò)的A sin(1010 Adtcos(10JI100 Adtsin(10從上式可以看出，葉片活塞在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，最大100A的法向加速度為：max a2、活塞的向心加速度及轉(zhuǎn)子的最小半徑 根據(jù)園周運(yùn)動(dòng)的向心加速度公式,我們得到活塞的向心加速度為2R，其中：R為活塞重心到轉(zhuǎn)軸軸線 的距離。當(dāng) 2R -100A 2時(shí)，

12、如圖一4所示，設(shè)圖一R =2A,代入上式得100A9R)-1002)A所以最小的轉(zhuǎn)子半徑為82min R0A9六、正弦型葉片活塞轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)的其它問(wèn)題正弦形葉片活塞轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻問(wèn)題可采用水冷和氣冷兩種方式進(jìn)行要根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的用途和工作條件進(jìn)行設(shè)計(jì)。發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)、配氣和排氣等系統(tǒng)均可沿用四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)的有關(guān)原理進(jìn)行設(shè)計(jì)。對(duì)于火花塞的占八、火不存在正時(shí)占八、火的問(wèn)題為了防止活塞在占八、火口處漏氣火花塞的直徑應(yīng)盡可厶匕冃能小些。七、正弦型葉片活塞轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)的開(kāi)展前景 燒區(qū)。多缸是指一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)上，并列幾個(gè)缸環(huán)和相應(yīng) 的缸襯等零件，并 使各缸環(huán)的燃燒區(qū)具有不同的相位。 多極多缸發(fā)動(dòng)機(jī)可以大大提高發(fā)動(dòng)機(jī)的功率，并使發(fā) 動(dòng)機(jī)的熱量分布較為平衡，振動(dòng)進(jìn)一步減小，同時(shí)又 節(jié)省了氣缸蓋和軸承，進(jìn)一步降低發(fā)動(dòng)機(jī)的單位功率 本錢。正弦型葉片活塞轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)代表了內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī) 的開(kāi)展趨勢(shì)，它必將取代現(xiàn)有的四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)。由于正弦型葉片