正弦型叶片活塞转子发动机.docx

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正弦型叶片活塞转子发动机

正弦型叶片活塞转子发动机

设计人刘弘

前言

四冲程发动机问世以来,以它的优越性能领先于发动机行列,成为当代应用最广的动力机械。

但是,由于四冲程发动机是通过曲柄连杆机构将往复运动转换为园周运动的，因此在运转过程中，必然会产生较大的振动。

为了克服活塞的贯性力需要消耗较大的能量。

这对于进一步提高它的热效率，成为不可逾越的障碍。

节约日益短缺的能源，提高发动机的热效率，已成为今日世界的当务之急。

20世纪中期，德国发明了三角活塞转子发动机，随后日本引入进行研究和改进。

但却未能取代耗油量较大，热效率较低的四冲程发动机。

这是因为三角活塞转子发动机在结构上还有不完善之处。

首先三角活塞在气缸内并非只作单一的旋转运动，而是一种特殊的复合运动，这种运动不能把振动减到足够小的程度，而且同样要消耗能量去克服较大的贯性力。

其次制造这种发动机，需要极高的精密度和较复杂的工艺，否则不能解决气缸的密封问题，必然出现漏气，降低发动机的效率。

尽管三角活塞发动机以经沉沦于世，但它的出现代表着新技术的发展方向，激励人们去构思结构更完善，工艺更简单、体积小、效率高的转子发动机。

笔者于20世纪70年代开始探索转子发动机，苦心研究20春秋，耗费了不少精力，正弦型叶片活塞转子发动机的趋形终于形成。

本文将叙述这种发动机的结构、工作原理和主要的关键技术。

一、正弦型叶片活塞转子发动机的结构和工作原理

正弦型叶片活塞转子发动机由气缸环、气缸衬、气缸盖、转子、花键轴、叶片活塞、滚珠轴承和油封等零件所组成。

详见正弦型叶片式转子发动机原理图（第二页）。

气缸环内壁由园柱面和正弦型柱面连成光滑的曲面，整个内壁分为四个区域：

吸气区、压缩区、燃烧区和排气区。

各区域所对的园心角均为

。

气缸由气缸环、气缸衬和转子联合组成，四块叶片活塞均分布在转子的槽内，转子旋转时，通过离心力使活塞紧贴气缸环内壁。

在转子旋转过程中，任意相邻两活塞经过吸气区时，吸气区形成真空，由进气孔吸入混合可燃气体，当此二活塞经过压缩区时，被吸入的可燃气体按照设计的压缩比被压缩，此二活塞进入燃烧区时，由燃烧区内的火花塞点火、燃烧的气体膨胀形成高压。

由于前后二活塞在燃烧区内高度不同，前后二活塞出现较大的压力差，压差推动转子沿着旋转方向继续转动，直到活塞进入排气区后，高压气体通过排气孔排出废气，如此循环，使发动机转子不停地转动，并通过转轴向外输出动力。

二、气缸环的结构和内壁的设计

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气缸环的结构如气缸环结构图所示,图中为了表明转子与缸环的关系,用双点划线表示转子的外部轮廓。

气缸环内壁截面为园弧和正弦型曲线连成的光滑曲线。

设转子的半径为R0，缸环内壁顶部所在的园称为顶园，顶园与园子的距离为

，称它为压缩区高度；设正弦型曲线的振幅为A，称它为半压缩长度。

为了得到良好的过渡，保证得到所需的压缩比，并使气缸的燃烧区有合理的工作长度，选取缸环内壁园弧所对的园心角为

，正弦型曲线所对的园心角为

。

设极轴经过园弧与正弦型曲线的连接点，幅角按顺时针方向为正，则正弦型缸内壁的极坐标方程为：

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其中：

t为弧度。

我们称半径等于R的园为缸环的中园（图中用点划线表示）。

若将缸环中园展成直线,相应地转子外园,

缸环顶园也展成直线,则正弦型缸环内壁展成了直角坐标系下的正弦型曲线.我们以展直了的顶园为直角坐标系的横坐标,极轴为纵坐标,则在此坐标系下,（见图—1）

正弦型缸环内壁方程为:

（2）

其中:

R为中园的半径

为中园上的弧长

A为半压缩长度。

1、压缩区高度、半压缩长度和压缩比之间的关系

为了计算压缩区高度半压缩长度和压缩比之间的关系，根据对称性，对压缩区和燃烧区各取一半进行计算。

由图—1可得半压缩区的截面面积为：

半燃烧区的截面积为：

设压缩比为N，则V1N=V2，由此得

整理后得

特别,当N=8时

2、气缸环的宽度

为了使活塞的平均工作周边长（活塞与缸环内壁和缸衬的平均接触长度）与活塞的平均工作面积（活塞伸入气缸内部的平均面积）之比为最小，这样可以减少由于密封不良而造成的漏气现象。

根据计算，当b=2（

+A）时，平均工作周边与面积之比为最小，

所以缸环宽度应为：

一般可取

如图—2所示。

三、叶片活塞的结构

由于缸环内壁并非都是园柱面，要保证活塞顶部与缸环内壁紧密结触，叶片活塞可用若干层薄片叠合而成。

在运动过成中由于离心力的作用，活塞顶部的形状可随缸环内壁的形状而改变，使活塞顶部与缸环内壁紧密接触。

为了保证活塞的两侧与缸衬紧密接触，活塞应有沿轴向收缩和扩张的能力，因此应把叶片活塞的每一层，做成由两块梯形薄片拼合而成的矩形，并使拼合而成的矩形略宽于缸环的宽度b。

其拼合方式分为甲、乙两种。

如图—3所示。

在一块多层叶片活塞中，除表面两层用矩形薄片外，中间各层薄片由甲、乙两种拼合方式相间叠合，这样叠合成的叶片活塞在离心力的作用下，能够产生沿轴向的扩张能力，它在运动过程中既能与缸内壁紧密结合，又能与活塞两侧的缸衬紧密贴合，从而保证了活塞在气缸内的密封性。

四、正弦型转子发动机的润滑与密封问题

为了使正弦形转子发动机有良好的润滑与密封，保证运动时不发生漏气及漏油。

所采用的方法是将发动机内部设计为气缸和油缸两个部分：

气缸由缸环、缸衬和转子封闭而成；油缸由缸盖、缸衬、转子、花键轴和迷宫式油封封闭而成。

转子的园柱面在气缸内旋转，两个端面在油缸内旋转，活塞靠近顶端的部分在气缸中运动，靠近轴的端面在油缸中运动。

在运动过程中，油缸内充满了润滑油，它一方面润滑运动的零件，另一方面润滑油充满了缸环、转子与缸衬相结合处的间隙，对气缸起到密封的作用。

为了保证转子端面与缸衬之间的密封，在转子与缸衬的接触区内开两道油沟。

叶片活塞在沿径向的往复运动中，将润滑油不断地吸入油缸，又将润滑油压入叶片内部，既使叶片得到密封又保证了它的润滑。

为了保障油缸内部的正常压强，油缸下部设有进油器，上端设有调压器，通过油缸上部的气体调节油缸内的压强。

五、转子的最小直径

转子发动机的叶片活塞是靠离心力的作用与缸环紧密贴合在一起的。

由于离心力的大小等于

，在一定转速下，只有R达到一定数值时，活塞才能与缸环内壁紧密贴合。

因此我们首先要算出在运转过程中，活塞沿径向的最大加速度，再根据最大加速度的值，计算出R的最小值。

1、活塞的径向加速度和最大径向加速度

活塞沿径向的运动方程为[见公式

（1）]

上式中：

。

由此得到

从上式可以看出，叶片活塞在运动过程中，最大的法向加速度为：

2、活塞的向心加速度及转子的最小半径

根据园周运动的向心加速度公式,我们得到活塞的向心加速度为:

，其中：

为活塞重心到转轴轴线的距离。

当

时，活塞

在离心力作用下，能够紧

贴缸环内壁运动。

如图—4

所示，设

所以最小的转子半径为

六、正弦型叶片活塞转子发动机的其它问题

正弦形叶片活塞转子发动机的冷却问题，可采用水冷和气冷两种方式进行，要根据发动机的用途和工作条件进行设计。

发动机起动、配气和排气等系统，均可沿用四冲程发动机的有关原理进行设计。

对于火花塞的点火，不存在正时点火的问题，为了防止活塞在点火口处漏气火花塞的直径应尽可能小些。

七、正弦型叶片活塞转子发动机的发展前景

由于正弦型叶片活塞转子发动机应用了独特的工作原理，因而使得它的结构极为简单，除了它的缸环内壁要求较高的精度外，其余的零件都可用常规工艺进行加工。

它却具有体积小，重量轻，微振动，高效率，低耗油的优越性。

按照此原理设计试制成功后，可在现有一级单缸的基础上发展成多级多缸的正弦型叶片活塞转子发动机。

所谓多级是指在同一缸环上，分为多个四部工作区，因此在一个缸环内就有多个燃烧区。

多缸是指一台发动机上，并列几个缸环和相应的缸衬等零件，并使各缸环的燃烧区具有不同的相位。

多极多缸发动机可以大大提高发动机的功率，并使发动机的热量分布较为平衡，振动进一步减小，同时又节省了气缸盖和轴承，进一步降低发动机的单位功率成本。

正弦型叶片活塞转子发动机代表了内燃发动机的发展趋势，它必将取代现有的四冲程发动机。

1995年6月8日完稿

仅供个人用于学习、研究；不得用于商业用途。

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