阅读说明：本技术 共轭双腔梭板转子发动机 (Conjugate double-cavity shuttle plate rotor engine ) 是由 王建伟 于 2020-06-08 设计创作，主要内容包括：一种共轭双腔梭板转子发动机,主要由定子、转子、梭板三大部件组成。其中定子由定子筒体和两个端盖组成,转子由圆柱轴和一个直径较大长度较短的同轴圆柱体组成,在转子上开了两个与轴心对称的梭板槽；梭板由两片同形同质的类似长方形板子组成,安装在上述定子的梭板槽内。两个端盖呈镜像对称结构。在一个定子筒体内表面、两个定子端盖安装好后互为共轭的两个内表面和一个定子的两个侧面以及转子轴表面形成了在定子两边的两个共轭腔体。定子端盖的一个径向和轴向方向上设计制作了一个进气点火腔体,定子端盖的另一边设计制作一个流体排出腔体,火花塞点燃喷入进气腔体的混合气体,爆燃气体推动梭板进而推动转子进而带动转子轴转动输出动能。(A conjugate double-cavity shuttle plate rotor engine mainly comprises a stator, a rotor and a shuttle plate. The stator consists of a stator cylinder and two end covers, the rotor consists of a cylindrical shaft and a coaxial cylinder with larger diameter and shorter length, and two shuttle plate grooves symmetrical to the shaft center are formed in the rotor; the shuttle plate is composed of two similar rectangular plates with the same shape and the same quality and is arranged in the shuttle plate groove of the stator. The two end covers are in mirror symmetry structure. Two conjugated cavities on two sides of the stator are formed on the inner surface of one stator cylinder, two inner surfaces which are mutually conjugated after the two stator end covers are installed, two side surfaces of one stator and the surface of the rotor shaft. An air inlet ignition cavity is designed and manufactured in one radial direction and the axial direction of the stator end cover, a fluid discharge cavity is designed and manufactured on the other side of the stator end cover, the spark plug ignites mixed gas sprayed into the air inlet cavity, and deflagration gas pushes the shuttle plate to further push the rotor to further drive the rotor shaft to rotate to output kinetic energy.)

共轭双腔梭板转子发动机

技术领域

本发明涉及一种燃气发动机(内燃机)以及流体发动机(类似于水轮机)。具体是一种通过共轭双腔、转子及其转子上安装梭板(或梭摆)来实现燃气爆燃转化为转子动能输出或者水势能(或者其它压力流体)转化为动能输出的空间结构装置。

技术背景

传统发动机采用气缸活塞加曲轴连杆方式传动，由于活塞压缩到气缸底部，火花塞点火爆炸做功时，活塞连杆和曲轴几乎在一条直线上，用力学原理分析此时的爆燃对活塞产生的推力能做有用功的效能几乎为零，它只能依靠曲轴和惯性飞轮的惯性传递到活塞连杆和曲轴产生的角度才能做少量的有用功，并且随着角度的增大，当活塞连杆和曲轴之间的夹角为直角时，气缸内油气混合气体被火花塞点燃时爆燃产生的动能才能完全作用于发动机动力输出，产生有用功极值，但从力学角度分析还是有一个沿连杆传出动力的反方向作用力作用在活塞上，使活塞有一个径向反作用力施加在与其配合的气缸壁上，增大活塞与气缸之间的摩擦力而消耗一部分能量，何况气缸活塞连杆曲轴发动机无法做到使活塞的连杆和曲轴永远成直角状态做功，当然就无法使气缸内油气爆炸产生的能量完全作用发动机输出而产生有用功，致使较大的能量被活塞、连杆和曲轴之间的撞击和摩擦消耗掉了。使目前全世界主流的传统气缸活塞式发动机热效率在30-38％，最高的燃油利用率(热效率)也才仅仅达到41％。再有就是正因为传统活塞连杆和曲轴之间角度的不断变化，导致传递能量效能太低，迫不得已只能增加活塞动能把活塞做的很大，同时加入惯性飞轮导致尺寸、重量大大增加进而使整机变得笨重不堪。

长期以来，减少发动机尺寸、零部件数量、增加发动机运行可靠性、提高发动机热效能、降低生产成本和使用成本，是发动机工程师们孜孜以求的目标和追求。虽然在上述目标中取得了一定进步，但由于传统发动机本身先天原理、结构条件所限，气缸活塞连杆曲轴各个部件缺一不可，不可能取得任何革命性进步。倒是汪克尔转子发动机(三角转子发动机)的出现，打破了传统燃气发动机许多年来的垄断地位，其优势方面，与四冲程活塞式发动机相比，转子发动机的运动零件要少得多。双转子发动机主要有三个运动零件：两个转子和一个输出轴。即使最简单的四缸活塞式发动机也至少有40个运动零件，包括活塞、连杆、凸轮轴、气门、气门弹簧、摇臂、正时皮带、正时齿轮和曲轴等等。运动零件的减少意味着转子发动机的可靠性更高。这就是为什么某些飞机制造商(包括空中客车在内)倾向于使用转子发动机而非活塞式发动机的原因。但它也有许多缺陷：制作成本高、润滑困难、维修成本维修难度都很高，使用寿命低、燃烧不充分导致污染较大等等。

而水轮机则是以混流式(弗朗西斯水轮机)为主导，水能转化率最高可达95％。虽然已经很成熟了，但如果能够更进一步把效率提升到96％以上，对整个社会进步也是一个巨大贡献。

发明内容

本发明的目的在于彻底摒弃传统气缸活塞连杆曲轴发动机(以下简称传统发动机)动力产生传递方式和水轮机动力产生传递方式，用本发明的共轭双腔梭板转子内燃发动机和共轭双腔梭板转子流体发动机(以下合二为一简称共轭双腔梭板转子发动机，或简称本发动机)取代它们，由于本发明的发动机或水转机主要是由定子、转子、梭板三大组件组成，因此发动机的零部件数量、体积和重量比传统发动机少了五分之四以上，正因结构部件极少，整机可靠性和寿命就有极大提高，生产成本更是会大大降低。也就是可以大幅提高发动机燃油热效率和水力发电水势能利用率，达到用及少量的零部件、极低的空间占用率和生产使用成本来达成本发明的目的。

为实现上述目的，本发明技术方案如下：

本发明的共轭双腔梭板转子发动机，主要由三大部分：定子、轴转子、梭板(或梭摆)外加附件构成。其它附件与传统活塞气缸发动机附件相同，例如进气阀、火花塞等。

1、定子：如图7、图9、图10所示，定子是由图7定子外壳和图9、图10两个端盖组成。两个端盖中间都有一个和轴转子相配套的中心轴孔8，每个端盖在轴孔轴向上分一厚一薄两个厚度区域，两个厚度区域之间平滑过渡，过度面为3、9，此平滑过渡曲面3、9是以径向为一垂直线过度的，以使该曲面在动配合中能与梭板(图11)(或梭摆，以下都以梭板代指梭板或梭摆进行简述)的端头端面1或3进行滑动配合，同时还能有效密封。每个端盖过度面3、9上都制作一个进气点火爆燃腔7，一个排气腔4和排气孔5。图9图10中端盖的薄区域面2、过度面3、9与图8轴转子的转子端面3、6之间形成一个腔体，而端盖厚的部分表面6与图8轴转子的转子端面3、6接触实施滑配合。两个端盖的厚薄部分旋转180°后进行配合安装，这就在定子端盖之内形成了一个共轭腔体，把转子安装进去，由于转子的隔离，定子两个端盖之间的一个共轭腔体被转子分开形成了共轭双腔结构。在定子对应于两个端盖的进气点火爆燃腔位置安装进气阀(与传统发动机相似的进气单向阀)和电火花塞各一个，在对应于端盖的排气腔各开一个排气孔。

2、轴转子：如图8，在一根与定子端盖中心孔配合直径的转轴2外面，制作安装一个有一定宽度的转子3、6，转子3、6在与转子轴线对称的部位各开一个平行于轴线的开口4、7，称为梭板口或梭板槽。此开口的缝隙大小，要与下面提到的梭板之间达到动配合尺寸即可。

3、梭板：如图11，设计制作与轴转子的两个径向对称的梭板口缝隙(或空隙)尺寸进行滑配合的板子(或摆子)，可以使它在轴转子相应开口中沿着开口方向左右穿梭般移动。这个板子称之为梭板。

4、本发动机工作原理：如图1-6所示，在轴转子13的两个径向对称的梭板口缝隙(或空隙)中各安装了一个梭板12、15后，再将其装配到定子两个端盖4、10中，转动轴转子13，两个梭板12、15除了会和转子13做同步旋转运动外，还会在两个端盖4、10之间的共轭双腔2、14中沿轴向做来回穿梭运动。反过来，朝一个方向沿转子13切向推动梭板12、15，轴转子13受到梭板12、15切向的推力，就会沿受力方向转动。上述这个推动力可以是被火花塞7、17点火的油气混合爆燃气体(相当于活塞气缸中被火花塞点燃的油气混合爆燃气体做功)做功而来，此时的梭板12、15被爆燃气体推动部分面积的功能相当于传统发动机中的活塞功能。它直接施加作用力作用于轴转子的转子上13，而转子13与转子轴3为相对固定的刚体，因此这个由上述梭板12、15产生的推动力就直接作用在转子轴3上直接输出做功，此时的本发明可称为共轭双腔梭板转子内燃发动机；若去掉点火系统，将上述推动力变为其它流体，例如高压水、高压油、高压空气等，就可以称之为相应的共轭双腔梭板转子流体发动机。统称共轭双腔梭板转子发动机。

5、工作原理具体描述：如图1-6，第一次点火做功：当在装配好的本发动机的2个进气口5、18输入燃油(或燃气)、空气混合气体后并由火花塞7、17点火爆燃，无论此时梭板12、15在定子中的哪个位置，都可以对两个梭板12、15之一或全部施加巨大推力推动转子13旋转进而带动转子轴3旋转对外做功。当此次点火被爆燃气体推动的梭板12、15做功并使转子13旋转接近180°时，此梭板12、15开始转过定子端盖上预先制作的排气孔排气位(图9、10中的4)，爆燃气体从与此对应的排气孔8、9排出。此时另一个梭板15、12又进入到预先设置好的爆燃位6、20，进入又一轮点火爆燃进入下一个做功输出进程。第二次及第n次点火做功：在转子轴3上指定位置设计制作有与定子1相配套的角度位置指示触发器，用以精确定位点火时刻和角度，使得转子梭板12、15在每转一周的相同位置被爆燃气体推动旋转做功。同理，当此次点火被爆燃气体推动的梭板12、15做功并使转子旋转接近180°时，此梭板12、15开始转过定子端盖4、10上预先制作的排气孔排气位(图9-10的4位)，爆燃气体从此排气孔排出。此时另一个梭板15、12又进入到预先设置好的爆燃位6、20，又一轮点火爆燃推动这一梭板15、12进入下一个做功输出进程。如此不断循环，就形成了本发动机特有的“进气/点火爆燃-推动梭板绕轴心旋转带动转轴做功输出动能-排气”三步动作做功循环。精确设定转轴上上述角度最佳触发器位置，就可实现发动机输出最大最稳定动能的目的。除了梭板与转子开口配合面的滑配合和梭板与定子端盖共轭双腔内壁面之间的滑配合以及转子轴与定子轴孔之间的轴承滚动配合的微小摩擦力消耗以外，本发动机没有任何别的能量损耗。因此可以使燃油利用率上升到50-60％以上甚至更高。这是燃油燃气发动机史上的一次革命。

附图说明

图1是本共轭双腔梭板转子发动机主视图。(指定本图为摘要附图)

图2是本共轭双腔梭板转子发动机B-B向剖视图。

图3是本共轭双腔梭板转子发动机俯视图。

图4是本共轭双腔梭板转子发动机俯视图的C-C向剖视图。

图5是本共轭双腔梭板转子发动机主视图A-A向剖面图。

图6是本共轭双腔梭板转子发动机主视图D-D向剖面图。

图7是本共轭双腔梭板转子发动机定子3D示意图。

图8是本共轭双腔梭板转子发动机轴转子3D示意图。

图9是本共轭双腔梭板转子发动机定子左端盖3D示意图。

图10是本共轭双腔梭板转子发动机定子右端盖3D示意图。

图11是本共轭双腔梭板转子发动机梭板3D示意图。

图12是本共轭双腔梭板转子发动机轴转子与梭板装配3D示意图。

图1～图12是本发明总体装配结构到各个部件之间外观展示和相互关系描述组合和分解图。具体是：图7是定子结构示意图，其中1是定子内壁圆柱面，用以安装定子端盖(如图9图10所示)，2、6是流体进入口通道，3、7是做功后流体排出通道，4是定子外壳圆柱面，5、9是电火花塞安装孔，8是定子座，这个可有可无，在实际设计使用中根据需要可以设计为任何需要的结构形式，这里为了直观了解，设计了这么一个简易定子座；图8是轴转子结构示意图，其中1、5是键槽，2是轴面，3、6是转子左端面(右端面未标注)，4、7是转子上呈180°轴向对称的两个开口(梭板槽)，用以容纳配合如图11所示的梭板；图9图10是定子端盖结构示意图(本发明的共轭双腔关键点)，其中1是端盖与定子内壁(图7的内壁1面)相配合的圆柱面，2是端盖薄壁面，6是厚壁面，此面与图8所示的3、6面相贴合，3、9是薄壁厚壁之间的过渡曲面，7是进气点火腔体(或者高压流体进入腔体)，4、5是做功后的废气或流体排出腔体和通道；图11是梭板结构示意图，其中1、2是梭板两个端头的端线曲面，它们用于安装在装配体中后，是起到与如图9图10中所示的定子端盖2、3、6、9内表面曲面相配合并在该曲面上进行滑动并密封的作用，而4、2面的其中一个面例如4面与如图8的轴面2接触沿轴向进行左右滑配合，一个面例如2面是与图7所示的内表面1接触进行左右轴向和径向圆周转动时的滑动配合。先将图9的定子左端盖圆柱面1装配到图7定子相对应内圆柱面1的左端，再将图11的梭板两片装配在图8轴转子的两个配套梭板槽4和7内，形成图12所示装配单元。此图12中1是轴转子的转子轴，2是键槽，3、4是转子开了梭板槽后分成的转子的两个半块，5是转子右端面，7是转子上的梭板槽，此时梭板6和梭板8在转子梭板槽中可以左右上下滑动(滑配合)。将该装配单元从已经在左端安装了端盖的定子右面安装进上述定子中，此时图12中的两片梭板6、8由于受到定子圆筒内壁的限制，只能在轴线左右方向滑动。再将图10所示的定子右端盖圆柱面1和轴孔8装配到上述装配好了装配单元的定子右端，完成本共轭双腔梭板转子发动机所有主件装配，如图1、图3所示。再安装图1、图3中编号为5、18所示的汽油空气混合气体喷嘴和安装编号为7、17所示的电火花塞，再把编号为8、9的废气出口连接外部管道，就形成了一个完整的本发明所述的共轭双腔梭板转子发动机系统。至于润滑系统、散热系统，可以直接在定子套上面开孔注入润滑油，在定子对相应的内壁加工润滑槽，使定子内壁与转子外壁、梭板之间产生有效润滑，在定子端盖轴孔内壁以及端盖整个内壁也加工润滑槽，通过事先做好的与其相连接的注油孔施加润滑液，使端盖轴孔与转子轴之间以及端盖内表面与梭板端头接触面之间有效润滑。而散热方面，可以在定子壳外面制作数量足够的散热片，并可以把实心转子轴换成空心转子轴，同时在动力输出轴的另一端轴上安装一个叶轮风扇强力降温。上述的润滑系统、散热系统，乃是传统发动机常规配套系统，十分成熟，与本发明的精要不相干，仅仅一笔带过，不做赘述。工作时，只需要像传统发动机那样控制进气喷嘴5、8喷进的油气混合气体并用电火花塞7、17点火，此时的爆燃气体在图1-6的编号为6的腔体中急剧膨胀，推动梭板12左边突出转子的左端面部分，此时梭板受力方向，就是垂直于轴转子轴向的切面圆的切线方向推动转子13向该方向旋转运动，带动转子轴3做同向圆周运动。同理，与编号为12径向对称的梭板15突出转子13右端面部分，受到该梭板相对应的定子右端盖10相应对称位置预留的爆燃腔体20爆燃气体的反向推动，同时与梭板12对转子做功，使转子轴3同时受对称推力的推动旋转做功，输出动力。本共轭双腔梭板转子发动机整个原理十分简单、清晰明了，结构简单合理，除了梭板与转子上开出的梭板槽、梭板端头与定子端盖内腔壁、转子圆周面与定子内腔、定子端盖轴孔与转子轴面之间有极小的滑动摩擦损耗外，没有任何能量损失。因此与传统气缸活塞式发动机比起来，效能比将大大提高，达到50-60％以上甚至更高都有可能。。

具体实施方式

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下面结合具体实施例对本专利的技术方案作进一步详细地说明。

实施例1：参阅图1-12，本发明的共轭双腔梭板转子发动机，主要分为三大部分，第一部分为定子，它是一个金属筒体如图7中标号为1的部分，外加两个结构相同镜像对称的定子端盖如图9图10构成；第二部分为转子，它是由一轴如图8中标号为2的轴上另加一个在转子上开两个梭板口子(梭板槽)组成，如图8标号为3和6的便是转子开口4、7后的转子的两个剩余部分；第三部分是两片如图11所示的梭板。首先把图9中的定子端盖安装在图7所示的定子的左端头后，再把两片梭板安装在图8所示的转子轴上相应开口4和7内如图12所示，然后把图12的这个装配子部件装配在刚刚安装了左端盖的定子内，最后把图10的定子右端盖安装在上述装配体的右端，得到图1、图3这两个图所示的本发明的总装配体。至于该总装配体中的进气部件、电火花塞、出气口等附件，图中有所表达，仅仅是为了表述本发明原理时，因有关联，故而也绘制并表达出来。本共轭双腔梭板转子发动机结构原理和工作原理是：在图1-6中，安装在定子1中的定子端盖4和端盖10，他们各有一个厚薄区域以及厚薄区域之间的过渡区域，如图9、图10所示，在他们的两个过渡区域3和9中，分别开有一个进气腔体7和一个出气腔体4和出气孔5，该端盖的进气腔体7对应于图7所示的定子壳体上的进气开孔2和6，以及火花塞安装位置5和9，该端盖的出气腔体4和出气孔5对应于图7所示的定子壳体上的出气孔7和3，而图9-10中定子端盖的较厚部分小端面6，它们分别对应于如图8转子的两个端面之一的3和6和对应的另一面相贴合，这样，图9图10中定子端盖薄的一面2加上两个过度斜面3和9就与转子两个端面3(图8)和5(图12)之间，加上图12的轴面1和图7的内圆柱内表面1之间，就形成了如图1-6中的2个轴向互成180°对称的共轭腔体2和14，此腔体又被梭板12和15分隔开，被两个梭板分隔开的左右两个共轭空腔2、6或者20、14始终有一部分处于进气区域，一部分处于出气区域。所以无论梭板12、15在什么位置，第一次进气点火都可以推动梭板进而推动转子转子轴转动做功输出动能。而梭板12和15的长度为定子13的宽度加定子端盖4或10的最薄部位内面如图9图10的表面2到转子左面(或者右面)表面(也就是到图8的3/6表面或者图12的5表面)的距离，梭板的这个长度也是图1中看到的两个定子端盖4和10的过度面径向切面之间的距离。这样，无论转子13转到什么角度，梭板12、15始终在共轭双腔中与两个端盖的内表面接触并密封被它分隔的腔体2和6，如图1图5所示。本发明运转原理描述：观察图1-图6，当人们控制进气喷嘴5和18喷进油气混合气体到左右端盖制作的相应的进气腔体6和20中并用电火花塞7和17点火，此时的爆燃气体在腔体6和20中急剧膨胀，推动编号为12、15的梭板沿着梭板受力方向，也就是垂直于轴转子13轴向的切面圆的切线方向推动编号为13的转子向该方向运动，带动转子轴3做同向圆周运动。即转子轴3同时受到梭板12、15反向对称推力的推动旋转做功，输出动力(旋转方向在图5中是顺时针转动，在图6中是逆时针转动，实际上两个推力在转子切面圆上反向，但却是推动转子旋转方向相同)。在此过程中，梭板12和15除了会随着转轴的转动，受定子端盖4和10内曲面的共轭变化(图9图10的2、3、6、9面)的限制影响，还会相对于定子轴向左右穿梭运动，这就使梭板12、15受到的爆燃推力面面积发生增加、保持、减小三个变化，传出的动力也发生增加、极值、衰减三个阶段。但因这三个阶段动能的变化比较小加上时间交替十分迅速，转子每转一周，就有两个这样的变化进程，因此从统计学说来，它可以输出一个较为稳定的动力平均峰值供人们使用。如果在同一根轴上制作多个转子13并安装对应数量梭板和多组定子端盖4和10，并将每组端盖在轴向上旋转指定经过精确计算的安装角度，就组成了多双腔共轭转子发动机(对应于传统发动机的多缸发动机组)，而体积仅仅是轴向加长了一点，与传统多缸发动机庞大的体积相比，简直可以忽略不计了。这样输出的动力不仅更加平稳，而且更加强劲。

实施例2：本发明的共轭双腔梭板转子发动机，如图1-图12，如果将定子1上的火花塞7、17去掉并将此安装孔5、9(图7)去掉，就形成了一个流体发动机。原先的进气嘴5、8的位置上改为流体输入口输入流体，例如高压空气、高压液压油、高压水(包括只要具有落差势能的河水)等等，就可以推动梭板12、15带动转子13进而带动转子轴3旋转做功输出动能。可以用于替代水轮机等各种流体转化动能等领域。

实施例3：上述的本发明的共轭双腔梭板转子发动机，可以把梭板变形，变为梭摆，以图1图3为例，去掉12、15两个梭板，把它们换为两个梭摆，该梭摆由一大一小两个圆柱面，圆柱面中间用两个过度平面或曲面相切相连组成，小的圆柱面在轴转子转轴转动方向的前面，大的圆柱面在轴转子转轴转动方向的后面，两个圆柱面轴心都指向轴转子转轴轴心，大的圆柱面以小的圆柱面轴心可做左右来回摆动，摆动到左端盖内表面相接触时，其圆柱面右面与过度平面或曲面的相交边沿正好与转子右面平齐，反之，梭摆同样以梭摆小圆柱为圆心，大圆面摆动到右面定子右端盖内表面相接触时，其圆柱面左面与过度平面或曲面的相交边沿正好与转子左面平齐，这样可以保证梭摆在转子转到任意角度时，都能使梭摆大圆柱面能与实施例1所述的梭板功能一样，使大圆柱面摆动到共轭腔内部部分起到梭板该部分相同功效；同时，转子上的开口也制作为跟梭摆相匹配的结构和形状。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。