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申请/专利权人：曾祥云

摘要：本发明克服了现有技术存在的不足，提供了一种活塞旋转的热机，冲程运动可设计，而且密封成本低，震动基本消失；为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种活塞旋转的热机，包括气缸、活塞、导沟和定杆，所述活塞匹配地设置在气缸内，所述导沟设计在气缸上而定杆安装在活塞上或者所述导沟设计在活塞上而定杆安装在气缸上，所述导杆与导沟接触并限制活塞在气缸内的活动方式，使活塞相对于气缸做往复运动并循环旋转。本发明可广泛应用于热机领域。

主权项：1.一种活塞旋转的热机，包括气缸（1）和活塞（2），所述活塞（2）匹配地设置在气缸（1）内，其特征在于：还包括导沟（3）和定杆（4），所述导沟（3）设计在气缸（1）上而定杆（4）安装在活塞（2）上或者所述导沟（3）设计在活塞（2）上而定杆（4）安装在气缸（1）上，所述定杆（4）与导沟（3）匹配接触并限制活塞（2）在气缸（1）内的活动方式，使活塞（2）相对于气缸（1）做往复运动并旋转；所述导沟（3）的轨迹根据不同需要进行设计，其中，所述活塞（2）的每个冲程对应一段曲线或直线型导沟（3），两个或多个冲程对应的导沟（3）为一个循环周期，且所述活塞（2）相对于气缸（1）旋转一周至少需要两个循环周期；与一条所述导沟（3）的同一个面接触的定杆（4）数量等于所述导沟（3）的循环周期个数且对应的所述定杆（4）均匀地分布在一个圆周；不改变所述定杆（4）位置，所述定杆（4）数量可以缺失1个；所述导沟（3）包括主导沟和副导沟，且所述主导沟和副导沟承受的力在与活塞（2）转轴方向的分力方向相反，主导沟和副导沟及其对应的定杆（4）的位置共同决定活塞（2）在气缸（1）中活动的自由间隙；所述气缸（1）有一个热端和一个冷端，其中，所述热端在气缸底部，所述冷端在活塞运动一端，所述气缸（1）内有与气缸（1）相匹配的柱形滑块，所述导沟（3）设计的冲程包含有等容吸热冲程和等容放热或换气冲程，所述滑块能在气缸内相对于气缸（1）和活塞（2）往复运动并相对于气缸（1）或活塞（2）不旋转，所述滑块在等容吸热冲程位于冷端、在等容放热或换气冲程位于热端；所述滑块上下底之间有一个或多个连通两底的孔，工质能够通过所述孔在热端和冷端之间流动。

全文数据：一种活塞旋转的热机技术领域本发明一种活塞旋转的热机，属于热机技术领域。背景技术热机是利用内能做功的机械，有内燃机、外燃机、蒸汽机等。内燃机中应用最广泛的是活塞气缸结构的热机，如大部分车辆的发动机都是这一类，另外就是以马自达为代表的转子发动机，没有往复运动的活塞结构。采用活塞结构的外燃机有斯特林发动机等，此外航空发动机也可以算作是热机。在传统的活塞气缸发动机中，由于采用曲柄连杆，活塞与气缸壁之间存在一定的压力而产生磨损，气缸壁与活塞需要留较大空隙并加装活塞环，由于曲柄连杆的运动整体质心沿曲线移动而产生难以克服震动，压缩和做功行程比一般是1:1，燃烧一般仅在某一范围的转速下最佳，这一切都是因为曲柄活塞结构的各冲程“不可设计”造成的。而马自达的转子发动机，存在密封技术难，转子质心同样是曲线移动，震动问题依然。航空发动机则一直是高功率、高油耗，但却是低效率的发动机，这也与其结构有重大的关系。外燃机中较优秀的是斯特林发动机，同样存在曲柄连杆造成的问题，还存在热能损耗大和密封成本高等问题。总而言之，现有的各种热机都存在各冲程运动过程不可设计、密封技术难成本高、震动难以完全消除的不足，这直接影响了热机的实际热效率和性能。发明内容本发明克服了现有技术存在的不足，提供了一种活塞旋转的热机，冲程运动可设计，而且密封成本低，震动可以基本消除。为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种活塞旋转的热机，包括气缸、活塞、导沟和定杆，其特征在于：所述活塞匹配地设置在气缸内，所述导沟设计在气缸上而定杆安装在活塞上或者所述导沟设计在活塞上而定杆安装在气缸上，所述定杆与导沟接触并限制活塞在气缸内的活动方式，使活塞相对于气缸做往复运动并旋转。所述导沟的数量可以是一条或多条；所述导沟根据不同需要设计，每个冲程对应一段曲线或直线型导沟，两个或多个冲程为一个循环周期，活塞相对于气缸旋转一周至少有两个循环周期；与一条所述导沟的同一个面接触的定杆数量等于所述循环周期个数；导沟有主导沟和副导沟之分，两者承受的力在与活塞转轴方向的分力方向相反，主导沟和副导沟及其相应的定杆的位置共同决定活塞在气缸中活动的自由间隙，适当的自由间隙可使活塞在气缸的活动不被卡死又不会使定杆与导沟之间产生碰撞。所述气缸的工作腔为一个或多个同心的圆形柱体或环形柱体构成，所述活塞为与气缸相匹配的一体结构。采用本发明的热机，其工作腔可以是传统的圆柱体也可以是环形柱体，可以是一个腔也可以是同心的多个腔。本发明用于内燃机时，由于活塞相对于气缸做往复运动并旋转从而提供了足够的相位信息，可方便地用于控制气门、点火或喷溅燃料，而不需要传统曲柄连杆发动机中的链条变换。本发明用于外燃机时，气缸有一个热端和一个冷端，热端在气缸底部，冷端在活塞运动一端，气缸内有与气缸相匹配的柱形滑块，滑块上下底之间有一个或多个连通两底的孔，工质通过所述孔在热端和冷端之间流动，而导沟可设计为四冲程，即压缩、等容吸热、做功、等容放热或换气，滑块能在气缸内相对于气缸和活塞往复运动并相对于气缸或活塞不旋转，滑块在等容吸热冲程位于冷端，等容放热或换气冲程位于热端，而等容冲程是传统热机所不能实现的。本发明用于航空发动机时，所述的气缸的工作腔为环形柱体，在所述气缸轴线中心有与工作腔同心的圆柱形孔，活塞的转轴穿过该圆柱形孔。这就构成了航空发动机的核心部分，如果再在活塞转轴穿过气缸的一端装上叶片可用于直升机，而在活塞转轴在位于气缸的两端都装上叶片则是飞机引擎。由于活塞相对于气缸在旋转运动时还做往复运动，从而存在动力输出的连接问题。当活塞旋转时与动力输出转轮的连接，可以以活塞转轴为毂，动力输出轮为辋，弹簧为辐，弹簧与活塞转轴线的夹角可根据需要设计成不同角度。当然有往复运动又有旋转的动力输出，除了上述方案外，还有很多其他方案。如，采用一个或多个弹簧连接来实现，或采用滑杆连接，或采用弹簧和滑杆组合来实现，或通过轴承连接来实现，其中，每一个所述弹簧的两端分别固定在活塞和动力输出转轮上，所述滑杆能在活塞与转轮之间滑动并使活塞和转轮同步旋转，所述滑杆在滑槽中运动能通过滚珠或滚轴来减少摩擦，轴承连接时输出转轮不转动只随活塞做往复运转；所述活塞与动力输出转轮或能直接连接在一起，使输出一边旋转一边往复运动。采用本发明的热机在工作时，所述活塞相对于气缸做往复运动并转动，其质心的变化是沿转轴直线变化的，可实现无震动工作模式。采用一对镜像的活塞和气缸转轴共线共用一个动力输出转轮并同步旋转为较好的一个方案。本发明与现有技术相比具有的有益效果是：本发明相对于传统热机，最大的优点在于各冲程有更大的设计空间。比如可以使做功行程倍增从而做功更充分，还可使燃烧更完全、排气更彻底等，从而理论热效率大为提高。本发明活塞与气缸壁之间没有压力，从而密封更简单更有效，可提高热机的性价比。本发明还提出了内外腔结构，采用外腔利用内腔余热做功并为内腔散热的结构，可进一步提高热能的利用率。本发明由于活塞相对于气缸旋转可提供足够的相位信息，使气门、点火、喷油等控制变得更加简单而精确。本发明单个活塞与气缸运行时质心是沿转轴直线变化的，一对镜像的活塞与气缸就能实现无震动工作模式。上述优点可使采用本发明的热机的实际效率和性能大幅提升成为新一代热机。附图说明下面结合附图对本发明做进一步的说明。图1为本发明的结构示意图，亦即活塞相对气缸旋转一周有三个周期时，三个定杆分布俯视图。图2为本发明中三条导沟中一个周期平面展开示意图。图3为本发明中三条导沟及定杆位置侧视示意图，此时导沟在活塞上，机械处于做功结束状态。图4为本发明中一条导沟安装有三个定杆的轻质活塞俯视示意图，外部虚线圆为导沟所在的柱面设置在气缸上且直径大于缸径。图5为图4的主视示意图。图中：1为气缸、2为活塞、3为导沟、4为定杆。具体实施方式如图1～5所示，本发明一种活塞旋转的热机，包括气缸1和活塞2，所述活塞2匹配地设置在气缸1内，还包括导沟3和定杆4，所述导沟3设计在气缸1上而定杆4安装在活塞2上或者所述导沟3设计在活塞2上而定杆4安装在气缸1上，所述定杆4与导沟3匹配接触并限制活塞2在气缸1内的活动方式，使活塞2相对于气缸1做往复运动并旋转。所述导沟3的数量可以是一条或多条，且所述导沟3的轨迹根据不同需要进行设计，其中，所述活塞2的每个冲程对应一段曲线或直线型导沟3，两个或多个冲程对应的导沟3为一个循环周期，且所述活塞2相对于气缸1旋转一周至少需要两个循环周期；与一条所述导沟3的同一个面接触的定杆4数量等于所述导沟3的循环周期个数且对应的所述定杆4均匀地分布在一个圆周。不改变所述定杆4位置，所述定杆4数量可以缺失1个或多个。所述导沟3包括主导沟和副导沟，且所述主导沟和副导沟承受的力在与活塞2转轴方向的分力方向相反，主导沟和副导沟及其对应的定杆4的位置共同决定活塞2在气缸1中活动的自由间隙。所述气缸1的工作腔为一个或多个同轴心的圆形柱体或环形柱体构成，所述活塞2为与气缸1相匹配的一体结构。所述气缸1有一个热端和一个冷端，其中，所述热端在气缸底部，所述冷端在活塞运动一端，所述气缸1内有与气缸1相匹配的柱形滑块，所述导沟3设计的冲程包含有等容吸热冲程和等容放热或换气冲程，所述滑块能在气缸内相对于气缸1和活塞2往复运动并相对于气缸1或活塞2不旋转，所述滑块在等容吸热冲程位于冷端、在等容放热或换气冲程位于热端。所述滑块上下底之间有一个或多个连通两底的孔，工质能够通过所述孔在热端和冷端之间流动。所述的气缸1的工作腔为环形柱体，在所述气缸1上设置有与工作腔同轴心的圆柱形孔，所述活塞2的转轴穿过所述圆柱形孔。所述活塞2与动力输出转轮的连接，以活塞转轴为毂，动力输出轮为辋，弹簧为辐，弹簧与活塞转轴线的夹角可根据需要设计成不同角度。下面对本发明进行具体的阐述。本发明的活塞匹配地设置在气缸内，导沟设计在气缸上而定杆安装在活塞上或者导沟设计在活塞上而定杆安装在气缸上，定杆与导沟接触并限制活塞在气缸内的活动方式，使活塞相对于气缸做往复运动并旋转。由于导沟和定杆的作用是相互的，所以，如是导沟不动则定杆动，定杆不动则导沟动，所以存在两种方案：导沟在活塞上或在气缸上。传统的活塞、气缸、曲柄连杆结构，是曲柄连杆决定了活塞在气缸内做往复运动并对缸壁产生压力，而导沟定杆结构，则决定了活塞在气缸内做往复运动的同时旋转，而不会对缸壁产生压力。多条导沟与其定杆是协同工作的，共同承担活塞的各种压力，包括内燃机燃烧产生的压力和活塞往复运动的加速度产生的反作用力，前者主要靠增加定杆的数量和强度来分担，后者可通过设计导沟曲率、减轻活塞质量、使用弹簧等技术来减少定杆受到的最大冲力。由于采用导沟与定杆共同作用使活塞相对于气缸在做往复运动的同时旋转，而导沟是可以根据不同需要进行设计的，每个冲程对应于一段曲线或直线，两个或多个冲程为一个循环周期，活塞旋转一周至少有两个循环周期，一般为三个或三个以上循环周期。因为1个循环周期活塞不能平衡，2个循环周期活塞被抬着可平衡但稳定性不确定，每条导沟的定杆数一般为循环周期数并均匀地分布在同一个圆周上，这是安排定杆位置的算法。但是，如果有6个周期时，采用3个定杆也是可以运行的，只要原定杆的位置不变缺失一根或几根定杆，热机也能正常地工作，比如原来6根定杆，只用其中的3根、4根也是能工作的。在内燃机的各冲程中，导沟与定杆间受力方向存在两种不同的情况，从而存在两类不同的导沟。比如在吸气这一冲程中，导沟受力很小且主要是活塞的惯性力，而在压缩、燃烧、做功等冲程中，则要承受较大的作用力。要承受压缩、做功等冲程产生的作用力的导沟称之为主导沟，而要承受与主导沟方向相反作用力的导沟称之为副导沟。主导沟和副导沟及其相应的定杆的位置共同决定活塞在气缸中活动的自由间隙，适当的自由间隙可使活塞在气缸的活动不被卡死又不会使定杆与导沟之间产生碰撞。采用有一定弱性的副导沟定杆等方案可使自由间隙有弹性，避免定杆与导沟之间产生跳碰。采用本发明的热机中，可能需要多条主导沟和一条副导沟，也可以只有一条足够宽的导沟同时为主导沟又是副导沟。当采用一条导沟时，定杆插入导沟中的部分可以是板状等不同形状以达到足够的强度，在板状定杆与导沟接触的两面分别镶嵌或安装一个或多个滚珠、锥形滚柱、轮子、滑环等可滚动部件，而导沟可以根据滚动部件的形状进行设计，增加导沟与滚动部件的接触面而减少定杆对导沟面的压强。当导沟在气缸上时，副导沟设计在工作腔的一块上，主导沟设计在气缸靠活塞一边的盖子上。本发明存在的最大技术难点是解决导沟与定杆之间的冲击与磨损，为了降低导沟与定杆之间的冲击力和磨损，可采用多导沟方案成倍成倍地增加定杆数，从而将每个定杆受到的最大冲击力降低到安全范围之内。为了降低导沟与定杆之间的摩擦，将定杆与导沟接触部分之间的相对运动设计为以滚动为主，除采用上述镶嵌或安装滚动部件外，还可以采用传统的各种方案，当然在滑动摩擦系数小又有符合要求强度的材料也可以采用滑动方式，滑动方式也有其优点，结构简单、可靠性高，如采用电镀高强度金属等现有技术不难实现。而在巨型的内燃机，导沟和定杆之间或许还可以采用啮合方式运行。从上述具体实施方案可以看出，导沟和定杆的外形是多种多样的，导沟与定杆接触的方式的也是多种多样的，导沟唯有各冲程对应的一段曲线或直线这一抽象的线是不变的存在，定杆则唯有与导沟接触并存在作用力是不变的存在，这个作用力也是使活塞相对于气缸做往复运动并旋转的直接动力来源。本发明如果采用多腔结构，也就是一个活塞分为同心的一个圆形和一个或多个环形且为一体，气缸也就分为相应的两腔或多腔。比如在圆形的内腔为内燃机的燃烧工作腔，采用高压缩比以提高热机效率，而其周围的环形腔为外燃机工作腔采用低压缩比，外腔利用内腔的余热做功并为内腔降温，可进一步提高内燃机的效率。这一结构也可以用于外燃机，其内腔中心有一个高温热源，外腔则为内壁降温并做功。本发明用于内燃机时，由于活塞相对于气缸做往复运动并旋转从而提供了足够的相位信息，可方便地用于控制气门、点火或喷溅燃料，而不需要传统发动机中的链条变换。本发明用于外燃机时，采用斯特林发动机类似的结构，不同的是可以通过对导沟的设计而实现等容放热和等容吸热冲程，这是传统曲柄连杆所不能实现的，而这两个冲程使热机在一个循环周期中能输出更多的能量，而工质主要通过滑块内部的孔在热端和冷端之间流动，多孔的滑块在不影响压缩比的情况下对降低热传导损耗提高效率等方面都是有益的，滑块要达到所需的运动状态，可采用本发明的导沟、定杆结构加以灵活变化并增加与活塞或气缸相连的滑杆或与活塞相连的弹簧等就能实现。比如，在滑块上设置导沟定杆在活塞上伸入导沟，滑块与气缸之间则通过滑槽等结构使滑块在气缸内只能往复运动。上述外燃热机中也可以采用换气来实现等容放热冲程，将做功后还有余热的工质直接通过气缸壁上的两个相对换气口交换，交换后的热工质则可以更有效地放热。本发明用于航空发动机时，气缸的工作腔为环形柱体，在气缸轴线中心有与工作腔同心的圆柱形孔，活塞的转轴穿过该圆柱形孔。这就构成了航空发动机的核心部分，如果再在活塞转轴穿过气缸的一端装上叶片可用于直升机，而在活塞转轴在位于气缸的两端都装上叶片则是飞机引擎。由于活塞相对于气缸在旋转运动时还做往复运动，从而存在动力输出的连接问题。活塞与动力输出转轮的连接，可以采用以活塞转轴为毂、输出轮为辋、弹簧为辐来实现，弹簧与转轴的角度不同对活塞产生的轴向作用力也不同，可以根据需要设计这一角度。活塞与动力输出转轮的连接，也以采用弹性离合片来实现，也就是动力连接器也是离合器，或制造专门的动力连接器等。其动力连接器的方案还有：活塞与动力输出转轮的连接，也可以采用一个或多个弹簧连接来实现，每一个弹簧的两端分别固定在活塞和输出转轮上。活塞与动力输出转轮的连接，也可以采用活塞与输出转轮通过滑杆连接，滑杆可以在活塞与转轮之间滑动并使活塞和转轮同步旋转，滑杆在滑槽中运动可以通过滚珠或滚轴来减少摩擦。活塞与动力输出转轮的连接，可以采上述弹簧和滑杆组合来实现。活塞与动力输出转轮也可以直接连接在一起，使输出一边旋转一边往复运动，以适用特殊要求下的输出，如上述航空发动机。活塞与动力输出转轮的连接还可以通过轴承来连接，这时输出转轮不转动只随活塞做往复运转，以适用特珠要求下的输出。由于采用本发明的热机在工作时，所述活塞相对于气缸做往复运动并转动，其质心的变化是沿转轴直线变化的，可实现无震动工作模式，这也是本发明的一个固有性质，是由其结构自然决定的。而传统曲柄连杆结构的质心是曲线变化的，震动难以消除，同样是由其“DNA”决定的。采用多缸结构来实现无震动的方案有很多，而采用一对镜像的活塞和气缸转轴共线共用一个动力输出转轮并同步旋转为较好的一个方案。做功行程可以设计为大于压缩行程并且转动角度也大，使做功末了气体的压强接近外部压强，不仅减少排气噪音，还可输出更多动能提高热机的效率，同时由于做功时间增加还可使燃烧更充分，而压缩时间和排气时间则可以能快则快以提高输出功率，而传统曲柄连杆结构则只能严格地“走程序”，不延长时间就算“照顾”了。导沟在压缩冲程之后可增加一小段水平的燃烧冲程，不仅可以使燃烧更充分提高燃烧效率，还为导沟加工中各个周期导沟的衔接闭合带来方便。从上可以看出，导沟的波形是多种多样的，为了达到不同的效果可以有不同的设计，“可设计”这一抽象属性是其本质属性之一，也是现有热机所没有的属性。可以这么理解，本发明的导沟是一条可设计的、封闭的、环绕在一个柱面上的、不交叉的、至少有两个循环周期的、抽象的立体曲线。采用本发明技术，由于活塞相对于气缸做往复运动并旋转，从而不同的固定方式可以得到不同的效果，如气缸相对于底座不动则活塞相对于底座旋转并做往复运动，气缸相对于底座旋转而活塞相对于底座做往复运动等。上面结合附图对本发明的实施例作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

权利要求：1.一种活塞旋转的热机，包括气缸（1）和活塞（2），所述活塞（2）匹配地设置在气缸（1）内，其特征在于：还包括导沟（3）和定杆（4），所述导沟（3）设计在气缸（1）上而定杆（4）安装在活塞（2）上或者所述导沟（3）设计在活塞（2）上而定杆（4）安装在气缸（1）上，所述定杆（4）与导沟（3）匹配接触并限制活塞（2）在气缸（1）内的活动方式，使活塞（2）相对于气缸（1）做往复运动并旋转。2.根据权利要求1所述的一种活塞旋转的热机，其特征在于，所述导沟（3）的数量可以是一条或多条，且所述导沟（3）的轨迹根据不同需要进行设计，其中，所述活塞（2）的每个冲程对应一段曲线或直线型导沟（3），两个或多个冲程对应的导沟（3）为一个循环周期，且所述活塞（2）相对于气缸（1）旋转一周至少需要两个循环周期；与一条所述导沟（3）的同一个面接触的定杆（4）数量等于所述导沟（3）的循环周期个数且对应的所述定杆（4）均匀地分布在一个圆周。3.根据权利要求2所述的一种活塞旋转的热机，其特征在于，不改变所述定杆（4）位置，所述定杆（4）数量可以缺失1个或多个。4.根据权利要求1所述的一种活塞旋转的热机，其特征在于，所述导沟（3）包括主导沟和副导沟，且所述主导沟和副导沟承受的力在与活塞（2）转轴方向的分力方向相反，主导沟和副导沟及其对应的定杆（4）的位置共同决定活塞（2）在气缸（1）中活动的自由间隙。5.根据权利要求1所述的一种活塞旋转的热机，其特征在于，所述气缸（1）的工作腔为一个或多个同轴心的圆形柱体或环形柱体构成，所述活塞（2）为与气缸（1）相匹配的一体结构。6.根据权利要求1所述的一种活塞旋转的热机，其特征在于，所述气缸（1）有一个热端和一个冷端，其中，所述热端在气缸底部，所述冷端在活塞运动一端，所述气缸（1）内有与气缸（1）相匹配的柱形滑块，所述导沟（3）设计的冲程包含有等容吸热冲程和等容放热或换气冲程，所述滑块能在气缸内相对于气缸（1）和活塞（2）往复运动并相对于气缸（1）或活塞（2）不旋转，所述滑块在等容吸热冲程位于冷端、在等容放热或换气冲程位于热端。7.根据权利要求6所述的一种活塞旋转的热机，其特征在于，所述滑块上下底之间有一个或多个连通两底的孔，工质能够通过所述孔在热端和冷端之间流动。8.根据权利要求1所述的一种活塞旋转的热机，其特征在于，所述的气缸（1）的工作腔为环形柱体，在所述气缸（1）上设置有与工作腔同轴心的圆柱形孔，所述活塞（2）的转轴穿过所述圆柱形孔。9.根据权利要求1所述的一种活塞旋转的热机，其特征在于，所述活塞（2）与动力输出转轮的连接，以活塞转轴为毂，动力输出轮为辋，弹簧为辐，弹簧与活塞转轴线的夹角可根据需要设计成不同角度。

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