正弦型叶片活塞转子发动机

1、正弦型叶片活塞转子发动机设计人刘弘刖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，德国创造了三角活塞转子发动机，随后日本引入进行研究和改良。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

2、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，否那么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开展方向，鼓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，消耗了不少精力，正弦型叶片活塞转子发动 机的趋形终于形成。本文将表达这种发动机的结构、工作原理和主要的关键技术。曲 D Ak-汇，.7W.1 油封盍5.捅时JLjkl 襯;1 卜

3、 jn乱虹吉1 *1心幢计制単|權站怀| 耳十T冶 纯味埠廉址営制一、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 -O4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

4、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气缸环的结构如气缸环结构图所示，图中为了说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Ro,缸环内壁顶部所在的园称为顶园，顶园与园子的距离为 a，称它为压缩区高度；设正弦

5、型r k-. 1. 1 【1 ： Xkx k v x x x 1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2 c园弧所对的园心角为(72)，正弦型曲线所对的园心角为3(108) o设极轴经过园弧与正弦型曲线的连接点，幅5角按顺时针方向为正，那么正弦型缸内壁的极坐标方程 为：? = Asin(t - ) R (0 十 3 , R = R a A)(1)3 25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)假设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，那么正弦型缸环 内壁展成了 直角坐标系下的正弦型曲线我们以展直

6、了的顶园为 直角坐标系的横坐标，极轴为纵坐标，那么在此坐标系 下,见图一1正弦型缸环内壁方程为：(2)x= Asin 鶴1-；+ A其中：R为中园的半径/c I 3 Rl为中园上的弧长0可A为半压缩长度。1、压缩区咼度、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。由图一1可得半压缩区的截面面积为：卫 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半燃烧区的截面积为兀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设压缩比为N，贝9 V1N=V2，由此得s n A 3Aa 5 A 3A、NR()= R()4202042020A5(N - 1)二3(1 N) - (N - 5)二整理后得特别,当N=8时A5(8 - 1)二3(1 8)-(8 - 5)二27 - 3350.16A2、气缸环的宽度为了使活塞的平均工作

8、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圭寸不良而 造成的漏气现象。根据计算， 作周边与面积之比为最小，所以缸环宽度应为：b 2(a A)一般可取2A b 4A(4)如图一2所示。三、叶片活塞的结构当b= 2 ( a + a )时，平均工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假设干层薄片叠合而成O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O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4层

9、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、乙两种申。甲犬拼台 一 3如图一3所示在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O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O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

10、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4方面润滑运动的_|2a零件另4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起的。由于离心力的大小等于归2

11、r在4定转速下，只有R到达一定数值时，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1二 Asin(上式中：t, 为角速度，表示每秒转过的A sin(1010 Adtcos(10JI100 Adtsin(10从上式可以看出，叶片活塞在运动过程中，最大100A的法向加速度为：max a2、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2R，其中：R为活塞重心到转轴轴线 的距离。当 2R -100A 2时，

12、如图一4所示，设图一R =2A,代入上式得100A9R)-1002)A所以最小的转子半径为82min R0A9六、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。对于火花塞的占八、火不存在正时占八、火的问题为了防止活塞在占八、火口处漏气火花塞的直径应尽可厶匕冃能小些。七、正弦型叶片活塞转子发动机的开展前景 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 本钱。正弦型叶片活塞转子发动机代表了内燃发动机 的开展趋势，它必将取代现有的四冲程发动机。由于正弦型叶片