[发明专利]一种转子式发动机

说明书

本发明提供了一种转子式发动机，涉及先进发动机技术领域。包括三个功能级：压缩级、燃烧级和膨胀级，其特征在于，各级之间相互独立，通过主轴串联成一个整体，其中每一级都有一个或几个热力转化单元组成。所述热力转化单元在不同的功能级分别为压缩机、燃烧器和膨胀机，主要由主转子、辅转子、壳体和正时装置组成，主要部件都是回转体加工，其中主转子和辅转子外径相切且主转子外径是辅转子外径的2倍，辅转子的角速度是主转子角速度的2倍，所述壳体中包含固定进气口和排气口，所述正时装置是包含周向气口的圆柱片，所述正时装置和所述壳体通过梳齿进行密封处理。所述压缩机、燃烧器和膨胀机的核心部件都是正时装置。

技术领域

本发明涉及发动机技术领域，特别是一种高效率、低排放、大功率密度和高可靠性的发动机系统。

背景技术

经过一百年的发展，传统发动机的效率依然处于较低的水平，公认的内燃机的效率达到30％以上，但随着效率的提高，环保变得越来越难，去年出现的大众“排放门事件”便是一个事实；飞机或船舶上的燃气轮机，由于采用等压循环原理，其效率低，哪怕在地面上作为分布式能源发电，单个燃气轮机的效率也没有超过30％的，故燃气轮机一般采用蒸汽联合发电。

为了提高内燃机的热效率，传统往复式活塞内燃机对废气的能量进行再利用，一般是采用废气涡轮增压方式，如增压柴油机、增压汽油机等。然而，采用废气涡轮增压方式获得能量并未直接应用到热力系统循环做功中，而是用来提高进气压力，增加进气密度，以减少泵气损失和提高单位容积的功率密度来提高热效率。其次，尽管废气涡轮增压器结构紧凑，但废气能量回收采用叶片式涡轮机和叶轮式压缩机，其效率较低，转速高，噪声大。再次，废气通过涡轮机之后仍具有一定的能量，即温度和压力没有得到充分的利用。最后，传统往复式活塞内燃机由于燃烧局部温度较高(局部最高温度可达2800K)、油气混合不均匀、活塞环漏气、活塞环狭隙和体积淬熄等原因，致使其HC、CO(汽油机上)、PM、NOx(微粒，柴油机上)等有害污染物排放高。尽管目前科学界提出在往复式活塞内燃机上采用HCCI(均质压燃点火)方式可大大减少NOx和PM，但是不管在汽油机上还是柴油机上其实现的工况范围非常有限，应用性难以得到推广。

燃气轮机是一种以连续流动的气体作为工质、把热能转换为机械能的旋转式动力机械。在空气和燃气的主要流程中，只有压缩机、燃烧室和燃气透平这三大部件组成的燃气轮机循环，通称为简单循环。大多数燃气轮机均采用简单循环方案。因为它的结构简单，而且能体现出燃气轮机所特有的体积小、重量轻、起动快、基本不用冷却水等一系列优点，然而简单循环的燃气轮机排温高(900℃左右)，致使其热效率不高。虽然在简单循环的基础上增加了一些过程，包括压缩之间的冷却过程和排气换热等过程，其热效率有所提高。但是，传统的燃气轮机从外界吸入的空气全都要经压缩机增压，压缩机耗功大，约占膨胀功的1/2到2/3左右。其次，通过燃气透平的废气仍具有一定的能量，即温度和压力没有得到充分的利用。再次，燃气轮机在负荷变化的况情况下，热效率低。总之，传统燃气轮机的热功转化效率低。

很多年以来，人们一直希望找到一种高效率、大功率的发动机，即压缩、膨胀像活塞式内燃机一样，而运行像燃气轮机一样，要达到这个想法，必须结合活塞式内燃机和燃气轮机的优点。

发明内容

该发动机由三个功能级组成，第一级是压缩级，第二级燃烧放热级，第三级是膨胀做功级，不同功能级之间相互串联，形成一个完整的连续内燃发动机。每个功能级的主体结构都是回转体式且大致结构类似，以压缩级为例，主要包括主转子、辅转子和正时气口，其中主转子和辅转子外径相切且主转子外径是辅转子外径的2倍。当运转时，主转子在转动同时，辅转子也在同步齿轮的带动下同步旋转，至每个啮合位时叶片与凹槽啮合，主转子叶子就巧妙地绕过辅转子，通过恰当的气口布置和正时装置(图中没有表达)的正时控制，便可实现不断地进气压缩功能。此过程实现的核心是正时装置，正时装置是一种低气阻正时结构，不但能实现进排气正时，还可以大大降低进排气过程的流动损失。