哈佛式氢旋转发动机

技术领域

本发明涉及发动机领域，具体而言，涉及一种哈佛式氢旋转发 动机。

背景技术

有一百二十多年历史的往复活塞式发动机工作时活塞在气缸里 做往复直线运动，为了把活塞的直线运动转化为旋转运动，必须使 用偏心曲轴滑块机构。

另外，有四十年历史的德国汪克尔发动机和国内的潜式转子发 动机也是用偏心齿轮轴来完成偏心旋转运动向轴同心旋转运动的转 化。

现有的发动机功耗高，构件复杂，成本造价高，并且基本上都 是使用燃油作为燃料，在目前世界环保意识日益强化，石油资源日 渐枯竭的情况下，现有的发动机对石油能源消耗高，不环保。

发明内容

本发明提供了一种哈佛式氢旋转发动机，旨在改善上述问题。

本发明是这样实现的：

一种哈佛式氢旋转发动机，包括缸体；

所述缸体内设置有两组能够转动的活塞组，所述活塞组包括两 个相对设置的活塞块，两组所述活塞组的活塞块间隔设置；

所述活塞组的两侧分别设置有两个相对的差动传动装置，所述 差动传动装置包括主动盘、第一连杆、差动控制机构、第二连杆以 及被动盘；

两组所述活塞组的活塞块分别与两个所述主动盘固定连接，所 述第一连杆的一端与所述主动盘远离所述活塞组的一侧固定连接， 另一端与所述差动控制机构铰接；

所述缸体内还设置有主轴，所述被动盘与所述主轴固定连接， 所述第二连杆的一端与所述被动盘固定连接，另一端与所述差动控 制机构铰接；

两组所述活塞组、所述缸体以及两个所述主动盘之间形成工作 空腔，所述缸体上设置有用于引燃所述工作空腔内的气体的火花塞， 所述缸体上还设置有进气口和排气口，所述进气口和所述排气口分 别与所述工作空腔连通。

进一步地，所述差动控制机构包括控制环，所述控制环上设置 有差动连接部，所述差动连接部穿设有控制环轴，所述控制环轴的 一端与所述第一连杆铰接，另一端与所述第二连杆铰接。

进一步地，每个所述差动传动装置的第一连杆、第二连杆以及 控制环均为两个，在同一个差动传动装置中，其中一个控制环的控 制环轴的两端分别与其中一个第一连杆和其中一个第二连杆铰接， 另一个控制环的控制环轴的两端分别与另一个第一连杆和另一个第 二连杆铰接。

进一步地，所述差动控制机构还包括控制板和控制板压板，所 述控制板上设置有通孔，所述控制板在所述通孔内设置有滚柱底座， 所述控制环安装于所述滚柱底座上，所述控制环与所述滚柱底座之 间设置有若干滚柱，所述控制板压板与所述控制板连接并将所述控 制环卡紧于所述滚柱底座与所述控制板压板之间。

进一步地，所述控制环的回转轴线与所述主轴的轴线平行。

进一步地，所述活塞块为蝶形活塞，所述蝶形活塞包括活塞本 体，所述活塞本体的两侧分别设置有翼部，所述活塞本体与所述翼 部通过连接柱连接，所述连接柱上套设有密封片。

进一步地，所述连接柱为矩形，所述密封片为U形且套于所述 连接柱外，所述密封片为四个且层叠排布，四个所述密封片的U形 的开口分别对应于所述连接柱的四个侧面并且任意相邻两个所述密 封片的U形的开口所对应的所述连接柱的侧面相邻。

进一步地，所述活塞组的活塞块的靠近所述缸体的一侧侧壁上 设置有斜面。

进一步地，所述活塞块与所述主动盘通过螺栓连接。

进一步地，所述缸体包括工作板、两个差控板、前盖以及后盖；

所述工作板的前侧与所述前盖通过其中一个所述差控板连接， 所述工作板的后侧与所述后盖通过另一个所述差控板连接；

所述主动盘和所述活塞组安装于所述工作板内，所述差动控制 机构设置于所述差控板上，两个所述被动盘分别安装于所述前盖和 所述后盖内。

本发明的有益效果是：本发明提供的哈佛式氢旋转发动机工作 时通过进气口进气，两组活塞组转动时，其中一组活塞组的活塞块 向着另一组活塞组的活塞块运动，进行气体压缩，然后火花塞工作， 点燃气体，高温高压的燃气推动活塞块，再通过排气口排气。两组 活塞组的活塞块在运动时分别带动与其相连的主动盘转动，主动盘 带动第一连杆转动，第一连杆带动差动控制机构，差动控制机构带 动第二连杆转动，第二连杆带动被动盘转动，被动盘带动主轴转动 输出动力。差动控制机构通过控制第一连杆和第二连杆的转动行程， 控制活塞组作同向非等速角位移运动，从而形成发动机所需求的进 气、压缩、做功、排气四冲程的空间容积变换。

本发明提供的哈佛式氢旋转发动机直接将活塞组的旋转运动经 第一连杆和第二连杆转化为主轴的转动，能够实现发动机四冲程的 工作过程，与现有技术相比，该哈佛式氢旋转发动机能量转化率更 高，结构更加简单，制造工艺简单，便于制造，成本较低；能够采 用氢气作为动力源，能耗低，绿色环保；不需要设置传统的进排气 门装置，可自然进排气，避免出现气体骤然激增现象。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例 中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了 本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领 域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据 这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明实施例提供的哈佛式氢旋转发动机的整体立体结 构示意图；

图2为本发明实施例提供的哈佛式氢旋转发动机的侧视结构示 意图；

图3为本发明实施例提供的哈佛式氢旋转发动机的正视结构示 意图；

图4为本发明实施例提供的哈佛式氢旋转发动机的剖切结构示 意图；

图5为本发明实施例提供的哈佛式氢旋转发动机的爆炸图；

图6为本发明实施例提供的哈佛式氢旋转发动机的拆下前盖和 后盖后的平面结构示意图；

图7为本发明实施例提供的哈佛式氢旋转发动机的拆下前盖和 后盖后的立体结构示意图；

图8为本发明实施例提供的哈佛式氢旋转发动机的内部结构的 立体结构示意图；

图9为本发明实施例提供的哈佛式氢旋转发动机的内部结构的 平面结构示意图；

图10为本发明实施例提供的哈佛式氢旋转发动机的活塞组和 主动盘的安装结构示意图；

图11为本发明实施例提供的哈佛式氢旋转发动机的控制板的 剖切结构示意图；

图12为本发明实施例提供的哈佛式氢旋转发动机的控制环的 结构示意图；

图13为本发明实施例提供的哈佛式氢旋转发动机的活塞块的 立体结构示意图；

图14为本发明实施例提供的哈佛式氢旋转发动机的活塞块的 平面结构示意图；

图15为本发明实施例提供的哈佛式氢旋转发动机的密封片的 正视结构示意图；

图16为本发明实施例提供的哈佛式氢旋转发动机的密封片的 侧视结构示意图；

图17为本发明实施例提供的哈佛式氢旋转发动机的密封片的 层叠结构示意图；

图18为本发明实施例提供的哈佛式氢旋转发动机的进气冲程 的工作示意图；

图19为本发明实施例提供的哈佛式氢旋转发动机的压缩冲程 的工作示意图；

图20为本发明实施例提供的哈佛式氢旋转发动机的做功冲程 的工作示意图；

图21为本发明实施例提供的哈佛式氢旋转发动机的排气冲程 的工作示意图。

图中标记分别为：

缸体101；主轴102；火花塞103；进气口104；排气口105； 工作板106；前盖107；后盖108；控制板109；长螺栓110；活塞 组轴承111；密封垫圈112；推力球轴承113；被动盘轴承114；端 盖115；油封116；油标117；

活塞组201；活塞块202；活塞本体203；翼部204；连接柱205； 密封片206；斜面207；第一活塞块208；第二活塞块209；第三活 塞块210；第四活塞块211；

主动盘301；第一连杆302；第二连杆303；被动盘304；

控制环401；差动连接部402；控制环轴403；控制板压板404； 滚柱底座405；滚柱406。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将 结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清 楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例， 而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施 例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附 图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本 发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的 实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得 的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例

请参阅图1～图10，本实施例提供了一种哈佛式氢旋转发动机， 该哈佛式氢旋转发动机包括缸体101。缸体101内设置有两组能够 转动的活塞组201，活塞组201包括两个相对设置的活塞块202，两 组活塞组201的活塞块202间隔设置。

活塞组201的两侧分别设置有两个相对的差动传动装置，差动 传动装置包括主动盘301、第一连杆302、差动控制机构、第二连杆 303以及被动盘304。

两组活塞组201的活塞块202分别与两个主动盘301固定连接， 第一连杆302的一端与主动盘301远离活塞组201的一侧固定连接， 另一端与差动控制机构铰接。

缸体101内还设置有主轴102，被动盘304与主轴102固定连 接，第二连杆303的一端与被动盘304固定连接，另一端与差动控 制机构铰接。

两组活塞组201、缸体101以及两个主动盘301之间形成工作 空腔，缸体101上设置有用于引燃工作空腔内的气体的火花塞103， 缸体101上还设置有进气口104和排气口105，进气口104和排气 口105分别与工作空腔连通。

应当注意的是，哈佛式(Harvardarchitecture)是指对开的互相 啮合的一对活塞组201，因此本实施例提供的哈佛式氢旋转发动机 指的是采用了这种对开的互相啮合的活塞组201的发动机。

本实施例提供的哈佛式氢旋转发动机工作时通过进气口104进 气，两组活塞组201转动时，其中一组活塞组201的活塞块202向 着另一组活塞组201的活塞块202运动，进行气体压缩，然后火花 塞103工作，点燃气体，高温高压的燃气推动活塞块202，再通过 排气口105排气。两组活塞组201的活塞块202在运动时分别带动 与其相连的主动盘301转动，主动盘301带动第一连杆302转动， 第一连杆302带动差动控制机构，差动控制机构带动第二连杆303 转动，第二连杆303带动被动盘304转动，被动盘304带动主轴102 转动输出动力。差动控制机构通过控制第一连杆302和第二连杆303 的转动行程，控制活塞组201作同向非等速角位移运动，从而形成 发动机所需求的进气、压缩、做功、排气四冲程的空间容积变换。

本实施例提供的哈佛式氢旋转发动机直接将活塞组201的旋转 运动经第一连杆302和第二连杆303转化为主轴102的转动，能够 实现发动机四冲程的工作过程，与现有技术相比，该哈佛式氢旋转 发动机能量转化率更高，结构更加简单，制造工艺简单，便于制造， 成本较低；能够采用氢气作为动力源，能耗低，绿色环保，采用四 冲程非共用一缸体101的设计，更利于新能源的利用和推进；不需 要设置传统的进排气门装置，可自然进排气，避免出现气体骤然激 增现象。

当然，除氢气外，其他的燃气燃油作为动力源，该哈佛式氢旋 转发动机同样能够适用。传统的发动机无法解决排水问题，所以不 能用氢气作为动力源，而该哈佛式氢旋转发动机只需在排气冲程中 通过排气口105即可将水排出，很好地解决了排水问题，故能够采 用氢气作为动力源。

在上述实施例提供的哈佛式氢旋转发动机的技术方案的基础 上，进一步地，请参阅图1～图7，缸体101包括工作板106、两个 差控板、前盖107以及后盖108。工作板106的前侧与前盖107通 过其中一个差控板连接，工作板106的后侧与后盖108通过另一个 差控板连接。主动盘301和活塞组201安装于工作板106内，差动 控制机构设置于差控板上，两个被动盘304分别安装于前盖107和 后盖108内。

缸体101采用分段结构，由前盖107、其中一个差控板、工作 板106、另一个差控板以及后盖108通过长螺栓110依次连接形成， 既能够很好地将各零件安装于缸体101内，又易于加工和生产，只 需将缸体101的各部分分别加工再装配即可，生产工艺更加简单， 并且拆装方便。作为优选，本实施例中，缸体101采用循环水冷却 缸体101，实用性强。

另外，请参阅图1～图7，主动盘301套在主轴102上，并通过 活塞组轴承111与主轴102配合。主动盘301与缸体101之间设置 有密封垫圈112，优选为每个主动盘301上设置有两个密封垫圈112。 其中一个主动盘301上还设置有推力球轴承113。

两个被动盘304上分别套设有被动盘轴承114，两个被动盘304 分别通过被动盘轴承114与前盖107和后盖108配合。前盖107和 后盖108上分别连接有端盖115，端盖115将被动盘轴承114的端 面固定。端盖115处设置有油封116。前盖107和后盖108的下部 分别设置有油标117。

作为优选，火花塞103设置于工作板106的顶部，进气口104 和排气口105分别设置于工作板106的下部的两侧。

请参阅图4、图5、图8、图9以及图12，差动控制机构包括控 制环401，控制环401上设置有差动连接部402，差动连接部402 穿设有控制环轴403，控制环轴403的一端与第一连杆302铰接， 另一端与第二连杆303铰接。差动连接部402设置于控制环401的 内侧壁上，形成一个凸出的结构。控制环轴403的端部设置有控制 环轴套。

通过设置控制环401并在控制环401上设置差动连接部402， 使得第一连杆302转动时带动控制环401转动，并通过控制环轴403 带动第二连杆303转动，控制环401能够控制第一连杆302和第二 连杆303自转和公转，形成差动，从而实现动力的传递，更重要的 是使活塞组201的四冲程空间交替变换。并且可根据需要设置两个 差动传动装置中的第一连杆302和主动盘301的连接位置、第二连 杆303和被动盘304的连接位置以及差动连接部402的控制环轴403 的位置，从而实现差动参数的调节，以更好地进行传动。

请参阅图4、图5、图8以及图9，每个差动传动装置的第一连 杆302、第二连杆303以及控制环401均为两个，在同一个差动传 动装置中，其中一个控制环401的控制环轴403的两端分别与其中 一个第一连杆302和其中一个第二连杆303铰接，另一个控制环401 的控制环轴403的两端分别与另一个第一连杆302和另一个第二连 杆303铰接。

第一连杆302远离控制环轴403的一端与主动盘301固定连接， 第二连杆303远离控制环轴403的一端与被动盘304固定连接。在 每个差动传动装置中，通过将第一连杆302和第二连杆303各设置 为两个，形成双曲柄连杆机构，控制活塞组201呈同向非等速角位 移运动，形成发动机所需的四冲程的空间容积变换，通过设计合适 的连杆的。通过设置两个控制环401，形成双环控制机构，能够约 束活塞组201按照预设的差动参数进行同向非等速的转动，没有多 余自由度反向运动，即使有爆发力作用，也被约束控制。

请参阅图1～图7以及图11，差动控制机构还包括控制板109 和控制板压板404，控制板109上设置有通孔，控制板109在通孔 内设置有滚柱底座405，控制环401安装于滚柱底座405上，控制 环401与滚柱底座405之间设置有若干滚柱406，控制板压板404 与控制板109连接并将控制环401卡紧于滚柱底座405与控制板压 板404之间。

应当理解，本实施例中，组成缸体101的差控板即为控制板109， 当然也可以将控制板109设置于差控板上。本实施例中，滚柱底座 405安装于控制板109的通孔内，滚柱底座405上设置有两个凹槽， 分别用于安装两个控制环401，控制板压板404安装于控制板109 上时，将控制环401固定于凹槽内。

控制环401转动时，由于设有滚柱406，控制环401通过滚柱 406在滚柱底座405内运动，减小了控制环401与滚柱底座405之 间的摩擦，使控制环401的运动更加平稳，控制板压板404能够限 制控制环401的移动，使控制环401的安装更加牢靠，进一步使控 制环401的运动更加平稳，从而使差动控制更加精准。

请参阅图8和图9，控制环401的回转轴线与主轴102的轴线 平行。那么控制环401的回转轴线与主轴102的轴线不重合，两者 之间具有一定的间距，也就是说控制环401是偏心的，其偏心距通 过计算合理设置。这样，有利于设置第一连杆302和第二连杆303 的连接位置，形成角度差，便于设置差动参数，以实现精确的差动 控制。

请参阅图13～图17，活塞块202为蝶形活塞，蝶形活塞包括活 塞本体203，活塞本体203的两侧分别设置有翼部204，活塞本体 203与翼部204通过连接柱205连接，连接柱205上套设有密封片 206。

采用蝶形活塞，并在其连接柱205上设置密封片206，能够更 好地与两个主动盘301以及缸体101形成密封空间，使得活塞组201 旋转平稳无振动。

请参阅图13～图17，连接柱205为矩形，密封片206为U形且 套于连接柱205外，密封片206为四个且层叠排布，四个密封片206 的U形的开口分别对应于连接柱205的四个侧面并且任意相邻两个 密封片206的U形的开口所对应的连接柱205的侧面相邻。四个密 封片206能够在压力作用下作弹性位移，实现多层密封，层层开口 补缺，密封完全。并且采用这种密封片206的层叠结构，使得密封 片206安装更加简单。作为优选，密封片206材质采用碳化钛合金， 其密封更加容易，并且经久耐用。

请参阅图13和图14，活塞组201的活塞块202的靠近缸体101 的一侧侧壁上设置有斜面207。活塞块202上设置斜面207，斜面 207与活塞块202的切向之间形成爆发导向角，在做功冲程中，火 花塞103点火爆发产生的对活塞块202的切向力矩F与作用面积S 正相关，在点火爆发产生的压强P不变的情况下，作用面积S越大， 对活塞块202产生的切向力矩F越大。通过设置爆发导向角，实际 上增大点火爆发时对活塞块202的作用面积S，增大了对活塞块202 产生的切向力矩F，从而驱动活塞块202正向做功，此处所指的正 向即预设的活塞块202转动方向，确保了活塞块202在点火爆发时 只能正向转动，而不会发生反转，实现导向的作用。

请参阅图4、图13以及图14，活塞块202与主动盘301通过螺 栓连接。活塞块202与主动盘301之间拆装更加简便，需要改变发 动机压缩比时，调节活塞块202的自身夹角的大小即可，调节非常 方便。

请参阅图1～图17，以下具体介绍本实施例提供的哈佛式氢旋转 发动机的工作过程，为方便描述，将靠近前盖107的活塞组201命 名为第一活塞组，第一活塞组的两个活塞块202分别为第一活塞块 208和第二活塞块209，靠近后盖108的活塞组201命名为第二活塞 组，第二活塞组的两个活塞块202分别第三活塞块210和第四活塞 块211，具体工作过程如下：

进气冲程：请参阅图18，进气口104进气，气体从第一活塞块 208与第三活塞块210之间形成的间隙进入工作空腔，第一活塞块 208转动，至靠近火花塞103的位置，此时第一活塞块208与第三 活塞块210之间的工作空腔进了足够多的气体。

压缩冲程：请参阅图19，第三活塞块210转动，而第一活塞块 208仍然在靠近火花塞103的位置，第三活塞块210将第一活塞块 208和第三活塞块210之间的气体进行压缩，直至第三活塞块210 转动至靠近火花塞103，此时，第一活塞块208和第三活塞块210 之间的间隙很小。

做功冲程：请参阅图20，火花塞103工作，点燃第一活塞块208 和第三活塞块210之间的压缩气体，压缩气体燃烧释放出大量的热 能，使第一活塞块208和第三活塞块210之间气体的压力和温度迅 速提高，由于第一活塞块208在靠近第三活塞块210的一侧设置有 斜面207，即设有爆发导向角，高温高压的燃气推动第一活塞块208 正向转动(图示中箭头方向)。

排气冲程：请参阅图21，第一活塞块208转动至排气口105处， 且继续转动将排气口105打开，此时第三活塞块210在另一工作循 环的做功冲程的运动过程中，向着第一活塞块208转动，并将第一 活塞块208和第三活塞块210之间的气体通过排气口105排出。

请参阅图1～图21，在上述四个冲程过程中，第一活塞块208 在转动时，带动靠近前盖107的差动传动装置动作，即该端的主动 盘301转动，并通过第一连杆302、控制环401、第二连杆303从而 带动被动盘304转动，被动盘304带动主轴102转动，输出动力。 爆发导向角起到导向的作用，而双环控制机构约束活塞组201，使 其按照计算的差动参数进行同向非等速的精准运动。由以上四个冲 程形成完整的发动机工作循环。

另外的第三活塞块210和第二活塞块209、第二活塞块209和 第四活塞块211、第四活塞块211和第一活塞块208的运动过程与 上述过程类似，在此不在赘述。应当理解的是，在两组活塞组201 的转动过程中，相邻两个活塞块202之间是各自进行着四冲程的运 动的，两个活塞组201转动是分别带动两侧的差动传动装置动作的。 那么，主轴102在旋转360°过程中，实际上进行了4次爆发做功， 其动力曲线是连续抛物线状态，不同于传统的往复式活塞和三角转 子发动机的余弦式动力曲线。因此，该哈佛式氢旋转发动机的能量 转化率高于现有的往复式活塞和三角转子发动机。

综上所述，本实施例提供的哈佛式氢旋转发动机至少具有以下 优点：

1.能量转化率更高，结构更加简单，制造工艺简单，便于制造， 成本较低。

2.能够采用氢气作为动力源，能耗低，绿色环保。

3.不需要设置传统的进排气门装置，可自然进排气，避免出现 气体骤然激增现象。

4.四个冲程各处在不同位置，所以发动机上的油嘴和火花塞103 不会长期在高温高压状态下工作，零件耐用度提高。

5.排气是独立的行程空间，所以不怕水淹，此特点较往复活塞 式发动机更加实用。

6.多级串联其输出功率会大增，其适用性更广。

本实施例提供的哈佛式氢旋转发动机由于能够采用氢气作为动 力源，因此其应用范围非常广泛，例如，用于环境空气的综合治理、 构建清洁型社会交通体系而开发研制销售氢能源的产品、设备；以 沙治沙综合治理荒漠化危及人类的环保工程而开发研制销售专利化 工配剂的产品、设备；用于直升机、无人机、航空航天器的开发、 研制、销售；用于船舶、舰艇、海洋航行器的开发、研制、销售； 用于特种车辆、轿车、坦克、装甲车的陆地交通工具及零部件的开 发、研制、销售；用于战争型机器人、消防机器人、无公害发电机 组的开发、研制、销售。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明， 对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在 本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等， 均应包含在本发明的保护范围之内。