CN100501134C - 容积式旋转螺旋机中的能量转换方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用在旋转螺旋机中的能量转换方法，所述螺旋机包括：第一组和第二组公母配合元件，它们沿着中心轴线上彼此分开布置，并且具有内/外轮廓面。当所述公和/或母元件旋转运动时，工作室形成在这些元件之间。所述工作室轴向运动。不同的组(1，2，3)的旋转运动以下述方式同步化，即通过使所述工作室的轴向运动的振荡角度周期具有不同的值而实现不同的组中的元件之间的同步同相运动。从而，在这些工作室中传输的工作介质可得到压缩或膨胀。

Description

容积式旋转螺旋机中的能量转换方法

技术领域

本发明涉及一种用在旋转螺旋机中的能量转换方法。

背景技术

旋转型的容积式螺旋机(volume screw machine)包括配合的螺旋元件，即母(包围)螺旋元件和公(被包围)螺旋元件。母螺旋元件具有内轮廓面(内螺旋面，凹面)，公螺旋元件具有外轮廓面(外螺旋面，凸面)。所述螺旋面是非圆柱形的，并且在径向上限制所述元件。它们分别以彼此平行但通常不重合的间隔为长度E(偏心距)的轴线为中心。

从US 5439359中可得知这样一种类型的三维旋转螺旋机，其中，由固定母元件包围着的公元件相对于所述母元件做行星运动。

内部配合的旋转容积式螺旋机的工作室由运动机构形成，所述运动机构由这些公母曲线元件组成。

运动转换基于公母元件的关联旋转运动，从而，可彼此形成机械曲线接触，并且可为工作物质形成这些封闭的工作室，所述工作室在配合元件做空间相对运动时进行轴向运动(轴向移动)。

在大部分情况下，所述螺旋面具有例如从法国专利FR-A-997957和US3975120中所得知的摆线(余摆线)形状。电机中所用的运动转换已由V.Tiraspolskyi描述于巴黎EditionTECHNIP出版的“the Course of Drilling”的p.258-259的“Hydraulical Downhole Motors in Drilling”部分中。

现有技术螺旋机中的能量转换方法的有效性由螺旋机中发生的热力学过程的强度决定，并且以广义参数“角度周期(angularperiod)”表示特性。所述角度周期等于被选作具有独立自由度的元件的任何旋转元件(公、母或同步连接部件)的转角。

所述角度周期等于具有独立自由度的元件的转角，所述转角对应于所述公、母元件形成的所述工作室的横截面积(打开和关闭)变化的总周期，对应于在具有内螺旋面的螺旋机中所述工作室轴向运动一个周期P_m，以及对应于在具有外螺旋面的螺旋机中所述工作室轴向运动一个周期P_f。

在具有曲线形状的配合元件的旋转型容积式螺旋机中的同样也实施于类似容积式旋转机中的现有的能量转换方法具有以下缺点：

-由于组织运动的过程存在缺陷而会限制技术潜力，从而具有独立自由度的驱动件的每一圈转动并不能增加角度周期数；

-会限制相似螺旋机的功率系数；

-会限制效率；以及

-在螺旋机固定本体上存在反作用力。

在所有情况下，内部配合螺旋元件的纵向轴线均平行。有时，它们具有偏心距，并且一些纵向轴线是可移动的。提供行星运动或差速运动。

发明内容

本发明的目的是解决上述问题。

用于本发明的容积式螺旋机包括至少两组公母(阳、阴)配合元件，它们优选沿着螺旋机的中心轴线彼此分开布置。每组的母元件分别具有以第一纵向轴线为中心的内轮廓面，每组的公元件分别具有以第二纵向轴线为中心的外轮廓面。所述第一和第二纵向轴线彼此平行。所述公元件放置在相应母元件的内腔中。

在根据本发明的旋转螺旋机中的能量转换方法中，当所述公和/母元件旋转运动时，形成于所述母和公元件之间的工作室进行轴向运动。在本发明中，不同的组的旋转运动以下述方式同步化，即通过使所述工作室的轴向运动的振荡角度周期(angular periods ofoscillation of axial movement)具有不同的值而实现不同的组中的元件之间的同步同相运动。

换言之，所述螺旋机的部件(或元件)以这种方式布置，即当一个配合元件运动时，每组中的同轴的纵向轴线以具有预定比特征值(一个相对于另一个)的角速度移动。

同步化有助于使所述螺旋机的功能最优化。

在本发明的一个优选实施例中，角度周期从一组到下一组降低，从而，可使所述工作介质压缩。在一个替代性实施例中，角度周期从一组到下一组增加，从而可使所述工作介质膨胀。

所述螺旋机的一个实施例包括转子和反向转子，其中，后者相对于所述转子反向转动。行星运动元件可放置在它们之间。所述实施例便于使工作介质在工作室中稳定平衡移动。

耦合装置可为机械装置。作为一种替代性方法，所述工作介质可用于耦合不同的组。在这些替代性方法的组合中，同步装置包括(至少部分)中空的轴，其中，所述工作介质通过所述轴。

在另一个优选实施例中，使用了形成差速运动机构的第一组和形成行星运动机构的第二组，其中，差速运动机构具有三个机械转动自由度，其中两个自由度是独立的，所述行星运动机构具有两个机械转动自由度，其中一个自由度是独立的。第三组的配合元件可形成差速运动机构。

所述螺旋机此时可以这种方式布置，即第一和第三组中的配合元件具有大致相同的横截面。换言之，第一和第三组可采用相同的设计，然后借助于第二组耦合。特别地，螺旋元件的平均半径和/或厚度和/或波动相等。

当然，所述组可包括单个以上的公母元件。在一个优选实施例中，设有嵌套结构。例如，上述第一和第三组可包括两套公母配合元件，它们由所述工作介质可传输通过的通道分开。

在根据本发明的方法的另一个优选实施例中，所述工作介质可在热交换器中被提取和供给热能(在第一阶段中从所述工作介质中提取从此通过，在第二阶段向其供给从此通过，或与此相反)。

而且，产生于所述组之一中的机械能可用于驱动另一个机械装置。换言之，可从旋转螺旋机中取出机械能。当然，众所周知的热力学定律必须要遵守，特别是在螺旋机的某些部分或工作介质中必须同时发生温度变化。

附图说明

下面，参看附图描述实现本发明的一种优选方式，可使得本发明变得更为显而易见，附图包括：

图1a示出了用于本发明中的容积式螺旋机的纵向截面图；

图1b示出了图1a中的所述容积式螺旋机的示意图；

图2示出了沿着图1a中的线II—II所作的图1的所述容积式螺旋机的横截面图；

图3示出了沿着图1a中的线III—III所作的图1a所示所述容积式螺旋机的横截面图；

图4示出了如何设计任何一个配合元件的螺旋面的端部轮廓的原理；以及

图5示出的是对称级n_m＝4的配合元件的螺旋面的电子CAD结构。

具体实施方式

示于图1a和1b中的用于本发明的容积式螺旋机包括三组不同的配合元件，即第一组1、第二组2和第三组3，其中，所述第一组1形成用于吸取和压缩空气的差速运动机构，所述第二组2形成用于压缩空气(和用于在其室140中提供燃料燃烧)的行星运动机构，所述第三组3形成用于使组2的室140的燃料产物膨胀的差速运动机构。

换言之，用于本发明的所述容积式螺旋机是一种旋转螺旋内燃机，其中，运动产生转换，并且工作物质能量的连续循环变化与使所述工作物质通过不同的组的工作室的过程同步进行。因此所述容积式螺旋机可产生工作物质能量。设有两个同步装置11和14，它们分别用于支持组1和组3的操作。它们可如图1b中所示作为单个元件35提供。

应当指出，根据本发明的所述容积式螺旋机的不同的组1、2和3沿着螺旋机的中心轴线Z彼此分开布置。换言之，组1、2和3没有彼此形成包围。而是它们依次前后放置，或者，换言之，它们前后对正布置。它们均以螺旋机的所述中心轴线为中心。

不同的组通过机械连接部件和气体工作物质的作用即气体连接部件耦合。组1、2和3之间的机械连接部件由公共的轴4提供，所述轴4部分中空且还设有连接在其上的曲柄10。空气可通过轴4的中空部分从组1通入到组2中。组1和2共同形成容积式旋转螺旋压缩机(压缩器)。组2提供了燃烧室140，并且组2和3协作时形成容积式旋转螺旋膨胀机(膨胀器)。

第一和第三组1和3分别包括两套配合元件，即由元件5、6和7(5’、6’和7’)组成的第一套和由元件15、16和17(15’、16’和17’)组成的第二套。

应当指出，第一组1和第三组3具有大致相同的形状，即具有相同的横截面。特别是在单种螺旋元件的情况下，它们具有相同的平均半径和相同的厚度。

详细情况如下：

第一组包括第一母元件5和15，它们分别具有内轮廓面105和115，并且这些母元件5和15以作为所述容积式螺旋机的对称轴的固定中心轴线Z为中心。母元件5和15的对称级均为6。下面，术语“对称级(symmetry order)”表示的是这些元件的端面的旋转对称性。第一组还包括第二元件6和16，它们既为公元件又为母元件，即分别包括相应的外余摆线表面216、116和内余摆线表面206、106。它们的对称级为5，并且分别以自己的轴线O₆和O₁₆为中心。它们执行行星运动。还设有同步元件7和17，它们分别具有外轮廓面207和217，并且对称级为4。在这些元件之间，设有工作室100、300和工作室200和400。在元件5、6和7之间和在15、16和17之间设有通道，从而，在工作室100和200中传输的空气可返回到所述容积式螺旋机的(图1a中)下侧，然后还可在工作室300和400中传输。

第二组2仅包括两个配合元件，即一个母元件8和一个公元件，其中，母元件8具有内轮廓面108，并且对称级为3，而且也以轴线Z为中心，所述公元件具有外凹余摆线表面209，并且对称级为2，而且以轴线O₉为中心，同时执行行星运动。燃烧室(工作室)140形成在这些元件之间。燃料可借助于喷口12进入这些燃烧室140中。

第三组3的每套配合元件中分别包括第一公元件7’和17’，它们分别具有外表面，并且对称级均为4，而且以固定中心轴线Z为中心。第二元件6’和16’既为公元件又为母元件，它们分别包括相应的初始余摆线表面，两者的对称级均为5。这些第二元件6’和16’分别以第二轴线为中心，并且执行行星运动。对称级为6的分别具有内表面的元件5’和15’充当同步元件。在这些元件之间，形成有工作室。

图1a中所示的形成差速运动机构的组1的元件5、6、7和15、16、17具有三个机械转动自由度。这些自由度中的两个自由度是独立的转动自由度。

这对于形成差速运动机构的组3的元件5’、6’、7’和15’、16’和17’来说一样。

图1a中所示的转换组2的运动的行星运动机构的元件9具有两个机械转动自由度。其中一个自由度是独立的转动自由度。

在本发明中，通过转换呈多组运动机构的多套元件的机械连接运动形式的所述配合元件的运动，可实现能量转换，其中，所述运动机构即为由在彼此的内腔中与偏心点同轴安置的配合元件5、6、7、15、16、17和8、9形成的运动机构。而且，曲柄10也可用作同步装置11，它们用于使所述元件绕着螺旋机主轴和它们自己的轴线同步关联运动。为此，至少在两组运动机构中同步进行运动转换，其中，转换配合元件的运动，以接收工作物质能量。

根据本发明的方法便于同步化和同时地执行配合元件的运动转换，同时工作物质通过组1中的差速运动机构，所述差速运动机构彼此机械连接，且如图1a中所示例如形成吸取和压缩部。至少形成在组1中的所述差速运动机构具有三个机械转动自由度，其中两个自由度是独立的，并且图1a中所示的组2的行星运动机构包括工作物质的压缩和排放部，所述行星运动机构具有一个独立的转动自由度，其中，在所述差速运动和行星运动机构中，为所述工作室的轴向运动的角度周期提供了不同值(当从轴4的转角计算时)。

应当指出，所述螺旋元件不能为任意形状，而必须具有良好限定的特征。下面将参看图4描述以如下方式构造的它们良好限定的形状轮廓D_m，其中，轮廓D_m的对称级为n_m＝5：

首先，以具有如下参数形式(依赖于参数t)的内摆线Γ的构造开始描述：

x(t)＝E cos(n_m-1)t+E(n_m-1)cos t

y(t)＝E sin(n_m-1)t—E(n_m-1)sin t

这种对称级为n_m、(n_m+1)、(n_m+2)…(n_m+i)的内摆线Γ是这种曲线，即半径为O₁A＝E和圆心为O_E的圆上的点A在该圆沿着具有与En_m、E(n_m+1)、E(n_m+2)…E(n_m+i)相等的半径且圆心为O_m(如图1a所示)的另一个圆的内表面滚动(没有滑动)时所绘制出的曲线。点A与这些圆接触处的点以附图标记B、C、D、F、I表示。这种对称级为n_m、(n_m+1)、(n_m+2)…(n_m+i)的内摆线Γ的一种等效构造方法基于具有半径E(n_m-1)、E(n_m+1)…E(n_m+1+i)和圆心为O₂的圆上的点A在该圆沿着具有与En_m、E(n_m+1)、E(n_m+2)…E(n_m+2+i)相等的半径的圆的内表面滚动(没有滑动)时所绘制出的曲线。

本发明中的所述螺旋元件所用的轮廓D_m始于内摆线Γ，所述轮廓D_m是通过将半径为r₀例如在图4中等于2E即r₀＝FR＝2E的圆沿着内摆线Γ滚动获得的，其中，在滚动过程中，所述圆的圆心沿着所述内摆线移动。

如果r₀被选择成沿着z轴单调变化(与图4中的图面垂直的轴线)，可获得满足如下参数方程(依赖于参数t)的轮廓D_m：

x(t)＝E(cos[(n/(n+1))[arcsin(sint)-t]]+ncos[(arcsin(sint)-t)/(n+1))

+r₀(z)cos[arcsin(sint)-(arcsin(sint)-t)/(n+1)]；

y(t)＝E(sin[(n/(n+1))[arcsin(sint)-t]]+nsin[(arcsin(sint)-t)/(n+1))

+r₀(z)sin[arcsin(sint)-(arcsin(sint)-t)/(n+1)]；

其中，n＝n_m-1或n＝n_f-1。

图5示出了通过上述构造方式获得的螺旋元件的三维图示。

各公元件17、16、7、6、17’、16’、7’、6’和9相应的所有外表面217、216、207、206、209以及各母元件5、6、15、16、5’、6’、15’、16’和8相应的所有内表面105、106、115、116、108径向上均由以上述方式构造的这种非圆柱形螺旋面限制。应当指出，这些表面的对称级从内向外增加。在第二组中，螺旋元件9的对称级为2，而螺旋元件8的对称级为3。在第一组1和第三组3中，最内的元件17、17’的对称级为4，它们分别由对称级为5的元件16、16’包围着，而元件16、16’自己又分别由对称级为6且分别具有内轮廓面115的元件15、15’包围着。这一系列的对称级从元件7、7’开始至元件5、5’重复。

元件5、7、15、17、5’、7’、15’、17’这样设置，即它们可绕着轴线Z转动。各元件6、16、6’、16’和9的轴线O₆、O₁₆、O₉是可移动的。应当指出，轴线O₆相对于中心轴线Z的偏心距为E₁＝E，轴线O₁₆相对于中心轴线Z的偏心距为-E₂(小于E₁)。这些轴线O₆和O₁₆放置在横跨所述中心轴线的线上。在转动过程中，它们的空间关系保持不变。换言之，如果以获得静态平衡容积式螺旋机的这种方式选择偏心距，所述螺旋机也可动态平衡。元件6、16和9在螺旋机中以这种方式设置，即它们可绕着中心轴线Z执行行星运动。元件6、16、6’、16’分别设在元件5，7；15，17；5’，7’和15’，17’之间，而没有任何附加装置使转子开始进入行星运动。作为转子的元件9铰接在轴4的曲柄10上。

在作为差速运动机构的组1、3和作为行星运动机构的组2中，所述连接部件被设置成这样，即可在组1中实现容积连续循环吸取和压缩，在组2的燃烧室140中实现工作物质的压缩和释放，以及在组3中实现所述工作物质和工作室的膨胀。应当指出，具有燃烧室140的燃烧部由作为行星运动机构的组2的元件形成，其横截面示于图3中。作为行星运动机构的组2由作为中心固定定子的元件8、作为行星转子-卫星的元件9以及轴4上的曲柄10组成。喷口12用于将燃料喷射到燃烧室140中并点燃所述燃料。燃烧室140可由元件8和9的一个扭转周期轮廓和两个扭转周期轮廓(为定容下的燃料燃烧)形成。

在固定的元件8的情况下，元件9的行星运动由以下参数限定：

ω₈＝0，对称级n₈＝3；n₉＝2；ω₁＝ω_公转(9)＝1；ω₉＝ω_自转(9)＝-0.5。组2中的总容积由于轴4的转动而为V₂＝(3·V₁₄₀·360/360)＝3V₁₄₀。在每组中，作为母螺旋元件的元件8可绕着所述中心轴线转动。作为一种替代性方法，元件8也可为静止的。与第一元件8配合的作为公螺旋元件的元件9的行星运动可在同步曲柄10或与第一元件同轴的第三(公)配合螺旋元件的帮助下执行。

现在再回到第一组，人们可选择三种状态的第一套元件5、6和7：

a)第一元件5绕着所述固定的中心轴线的转动(静止不动状态)和第三元件(同步元件)7绕着所述固定的中心轴线的转动(静止不动状态)，

b)第二元件6的轴线O₆绕着所述固定的中心轴线的公转，以及

c)第二元件6在与第一元件5同轴的同步耦合部件(公的配合螺旋元件7)的帮助下的自转。

这三种状态可分别与第一组1的第二套元件15、16和17中的相应一个元件(以机械方式)同步，包括：

d)第一元件15绕着所述固定的中心轴线的转动(静止不动状态)和第三元件(同步元件)17绕着所述固定的中心轴线的转动，

e)第二元件16的轴线O₁₆绕着所述固定的中心轴线的公转，以及

f)第二元件16的自转。

一对母-公配合元件的角度周期T_i由以下方程给出：

$T_i=\frac{2\mathrm{\π}}{n_{m,f}|({\mathrm{\ω}}_f/{\mathrm{\ω}}_I)-({\mathrm{\ω}}_m/{\mathrm{\ω}}_I)|}$

其中：

ω_f，ω_m—母、公元件绕着它们各自中心的各自角速度；

ω_I—独立元件例如执行公转的元件的角速度，所述元件的转角限定T_i的值；

n_m，f—对称级，

n_m，f—对应于具有外包络的内次摆线设计，n_f对应于具有内包络的外次摆线设计。

组1中的差速运动(包括元件6、16的行星运动和元件15、15和17、17的转动)由以下参数限定：

ω_ro(5，15)＝1；ω_ro(7，17)＝-1；(ω_ro(7，17)-ω_re(6，16))/(ω_ro(5，15)-ω_re(6，16))＝n_5，15/n_7，17和ω_{re(O-6)，(O-16)}＝(ω_ro(5，15)n_5，15-ω_ro(7，17)n_7，17)/(n_5，15-n_7，17)＝(6+4)/(6-4)＝5；(ω_s(6，16)-ω_re(6，16))/(ω_ro(5，15)-ω_re(6，16))＝n_5，15/n_6，16以及ω_m(6，16)＝ω_s(6，16)＝(ω_ro(5，15)-ω_re(6，16))(n_5，15/n_6，16)+ω_ro(6，16)＝(1-5)(6/5)+5＝0.2。

驱动轴4转动的工作室100、300的总容积由V_T(100)＝6V₁₀₀×360/90＝24V₁₀₀和VT₍₃₀₀₎＝6V₃₀₀×360/90＝24V₃₀₀给出。

工作室200和400在轴4的转动过程中的总容积由V_T(200)＝5V₂₀₀×360/75＝24V₂₀₀和V_T(300)＝5V₃₀₀×360/75＝24V₃₀₀给出。

现在再返回到第三组3，应当指出，具有固定的元件7’、17’下的差速运动、元件5、15’或5’、15’在减速器18对轴4进行减速后所给定的角速度下的转动(独立运动)以及元件6’、16’的行星运动(从属运动)由以下参数限定：

ω_5’，15’＝ω_{ro(5’，15’)}＝1/3；ω_{ro(7’，17’)}＝0；ω_{re(O-6’，O-16’)}＝(ω_{ro(5’，15’)}n_5’，15’)/(n_5’，15’-n_7’，17’)＝2/(6-4)＝1，以及ω_{s(6’，16’)}＝(ω_{re(5’，15’)}-ω_{re(6’，16’)})/(n_5’，15’/n_6’，16’)+ω_{re(6’，16’})＝(1/3-1)(6/5)+1＝0.2。

组3的工作室在轴4的转动过程中的总容积由V_T(100’)＝6V_100’×2π/3π＝4V_100’和V_T(300’)＝6V_300’×2π/3π＝4V_300’给出。

工作室在轴4的转动过程中的总容积由V_T(200’)＝5V_200’×2π/2.5π＝4V_200’和V_T(400’)＝5V_400’×2π/2.5π＝4V_400’给出。

从上述可知，显然，在所述元件的差速运动的情况下，根据本发明，角度周期可通过改变形成工作室的螺旋元件的运动的相对角速度而变化。在组1中角度周期可为90度，在组2中可为360度，在组3中可为540度。换言之，所述角度周期可降低(从而，可压缩工作介质)，并且其可增加(从而，根据本发明可使工作介质膨胀)。这样，根据本发明的方法的效率可得到增加。

所述工作介质在室100、200和300、400中沿着Z轴的轴向运动的方向由组1中的元件6、16的中心O₆、O₁₆的公转方向所限定。如上所述，为了选择相同的工作介质运动方向，中心O₆、O₁₆的公转以相同的方向进行。如果希望在工作室100、200中和工作室300、400中选择相反的工作介质运动方向，中心O₆、O₁₆的公转应反向。

在具有压缩作用的吸取组1中，执行压缩并使所述工作物质释放(喷射)到组2中。由于选择不同的组1和2，由轴4的转角计算的所述工作室的轴向运动的角度周期的值也不同。

由两套元件5、6、7和15、16、17组成的组1形成吸取和初步压缩部，其中，执行连续循环的分级空气压缩。组2中的一套元件8和9确保最终压缩和工作物质释放(喷射)。作为差速运动机构的组1中的吸取的工作室100、200由外侧一套配合元件5、6、7形成，所述配合元件在彼此的内腔中与偏心点同轴安置。当空气抽送到内侧一套配合元件15、16、17中时，执行初步压缩。同步装置11用于驱动组1中的作为转子的元件5、7和15、17以使它们以相同的角速度沿着不同的方向即反向转动。同时，组2中的作为转子的元件9的轴4被驱动转动。作为行星运动机构的组2中的最后压缩的室140由元件8和9形成，其中，元件9被铰接成在轴4的曲柄10上通过自同步转动。另一个元件8固定。

组1中的元件5、7和15、17和组2中的元件9的旋转运动与组3中的元件5’和15’(被铰接成可在固定本体13中转动)绕着中心轴线Z的旋转运动之间的关联传送关系通过以下方式得到保证，即在组3中通过传动比为3的同步装置14将元件5、15’以机械方式刚性地连接在轴4上，在组2中使元件9与轴4以铰接方式连接，以及在组1中通过传动比为-1的用作旋转方向转换器的同步装置11使元件5和15(被铰接成可在固定本体13中转动)以机械方式与轴4连接。组2中的元件8(定子)和组3中的元件7’和17’(定子)以机械方式刚性地连接在固定本体13上。组3中的元件5’、15’(被铰接成可在固定本体13中转动)与轴4的机械连接借助于作为传动比为3的旋转运动减速器的同步装置14实现。

在为作为差速运动机构的组1和3内部的元件的转动提供同步化的同时，作为差速运动机构的组1、3和作为行星运动机构的组2之间的转动同步化也得到确保。也可通过变更组1、3或2中的所有几套元件的对称级使所述行星和差速运动机构的元件的转动同步化。

转换组的数目的选择和所述行星和差速运动机构如何组合的方案由所要求的角度范围和这些机构中所述工作室的轴向运动周期的值的组合确定。

图1a中所示的所述内燃机的操作如下：内燃机的工作物质(例如，空气)的气体组分通过第一套元件5、6和7的左开口端面(图1a中的箭头所示处)进入组1中。然后，其借助于通道(间隙)送到第二套元件15、16、17的左开口端面。上述两组元件5、6、7和15、16、17(连同元件8、9一起)形成容积式旋转螺旋空气压缩器1。通过轴4中的通道，压缩空气被引导离开组1并传送到燃烧组2的元件8和9的左开口端面，即进入燃烧室140。压缩比为8(V₁₀₀+V₂₀₀)/V₁₄₀。之后，从压缩器1为燃烧室140充填六倍的空气容积和使其关闭，喷口12将燃料喷射到燃烧室140中并使其点燃。

在恒压燃烧周期(为狄塞尔周期)中，室140可在元件8和9的一个扭转周期中形成，并且可由于空气压缩点燃燃料。在定容燃烧周期中(为奥托周期)，室140可在元件8和9的两个扭转周期中形成，并且可由于引燃火花塞而发生燃料点燃。而且，点燃的燃料-空气混合物随后被引导离开元件8和9的开口端面，同时膨胀到作为膨胀部的组3中，从而，可到达组3的元件15、16、17和5、6、7的下开口端面。

组3是容积式旋转膨胀机(膨胀器)，其中，可燃混合物的膨胀过程会对内燃机的轴4做功。如果可燃混合物完成，其会从组3的上端排出(由箭头示出)。当轴4转动时，组1中的配合元件5、6、7、15、16和17通过在组1中的同步装置11所限定的元件5、7、15、17的两个独立反转运动自由度下移动它们的配合触点来限制和移动作为吸取部的组1(沿着轴线Z的元件5、6和15、16之间的6个室和元件6、7和16、17之间的5个室)的工作介质。

当轴4转动时，组2中的配合元件8和9通过在组2中的轴4的曲柄所限定的元件9的一个独立的旋转运动自由度下移动它们的配合触点来沿着Z轴限制和移动作为燃烧部的组2的三个工作室。

当轴4转动时，组3中的配合元件5’、6’、7’、15’、16’、17’通过在组3中的元件6’、16’的一个独立的旋转运动自由度下移动它们的配合触点来沿着Z轴限制和移动作为膨胀和排出部的组3的工作室(每套元件中的元件5’、6’、15’、16’之间的6个室和元件6’、7’、16’、17’之间的5个室)。在组1中的轴4的一圈公转中元件5’、6’、7’、15’、16’、17’之间的工作室的轴向运动的一个完整周期在轴4的转动过程中出现4次。换言之，

[4(V_100’+V_200’)]/[4(V_300’+V_400’)]×[4(V_300’+V_400’)]/3V₁₄₀＝

[4(V_100’+V_200’)]/3V₁₄₀

绕着螺旋机的主轴Z和绕着它们自己的轴线的关联旋转运动在所有组1至3中均会出现，并且具有三个机械转动自由度。

在图1a所示的内燃机中，作为机械连接转子的元件5、15和作为机械连接反向转子的元件7和17同时绕着Z轴以相同的相对速度ω_(5，15)＝-1和ω_(7，17)＝1沿着相反方向转动。作为转子的元件6的中心O₆-O-O₁₆构成的直线绕着Z轴相对于作为转子的元件5、7的速度的相对角速度由ω_re＝5给出，其中，作为转子-卫星的元件6、16绕着它们的轴线O₆、O₁₆的相对角速度ω_s(6，16)由ω_s(6，16)＝0.2给出。

组1中的压缩比k₁通过在轴4的一圈转动过程中多次容积变化周期内元件5、6之间的六个室的总容积与元件6、7之间的五个室的总容积之和与元件15、16之间的六个室的总容积和元件16、17之间的五个室的总容积之和的比值确定，即：

k₁＝24(V₁₀₀+V₂₀₀)/[24(V₃₀₀+V₄₀₀)]＝(V₁₀₀+V₂₀₀)/(V₃₀₀+V₄₀₀)

组2中的压缩比k₂通过在轴4的一圈转动过程中两个总容积之和与一个总容积的比值确定，即组1中的元件15和16之间的六个室的第一总容积和组1中的元件16和17之间的五个室的第二总容积之和与组2中的元件8和9之间的三个燃烧室的总容积的比值，即：

k₂＝24(V₃₀₀+V₄₀₀)/3V₁₄₀＝8(V₃₀₀+V₄₀₀)/V₁₄₀

所述内燃机的总压缩度k是组1和2中的压缩度的乘积：

k＝k₁k₂＝8(V₁₀₀+V₂₀₀)/V₁₄₀

通过为组1和2中的室选择合适的几何容积比，可应不同内燃机的要求为了本发明的目的而在室140中获得任何压缩比。也可提供任何的压缩模式、绝热或多变压缩模式。元件8和9的两个转扭周期的室140的实现可在气体以定容方式从一个室轴向传输到另一个室时执行燃料/空气混合物的燃烧。从而，内燃机的热力学效率可得到提高。

排气组3使用固定元件7’、17’工作。所有配合元件5’、6’、7’、15’、16’、17’一起限制所述旋转机的排气部的工作室，并且通过它们的配合触点的运动沿着Z轴移动所述工作室。

组3的机构是可逆的。

组3中的工作物质的膨胀度由所述配合元件的几何参数和膨胀级数给定。为本发明的目的，其可以这种方式选择，即使工作物质完全膨胀而将其压力降至大气压。从而，不会产生噪声。在这种情况下，由所述工作物质提供的机械能会完全用于转动轴4。

在其他一些情况下，特别是在驱动具有力矩减弱特征的车辆时，在组3中仅使用一部分机械能和在附加的容积式膨胀机33(膨胀器，与膨胀器3相似)中使用剩余部分的机械能是非常有利的，所述膨胀机33在图1a中以点划线示出。膨胀机33的轴34(在图1a中也以点划线示出)不与轴4机械连接。转动机械能根据两轴内燃机的方案从附加膨胀机33的输出轴34输出。

在另一个替代性方法中，也可根据空气喷射内燃机的方案从组3的出口将燃烧产物直接喷出，在所述空气喷射发动机中，使用根据本发明的方法的压缩器由组1和2形成，并且使用根据本发明的方法的膨胀器由容积式旋转螺旋机的组3形成，其中燃料燃烧可在定容下发生于组2的室140中，从而可增加内燃机的推力。燃料燃烧也可在与燃烧室140连接的外燃烧室(未示出)中进行。

而且，为了不仅能利用所述工作物质的机械能而且也能(完全)利用热能，可在特殊的热交换器(未示于图1a中)中提供热气排放装置，以便在定容的情况下对通过组1至组2的空气进行加热，从而会增大其压力。因此，在本发明中，可在内燃机中完全利用工作物质的热能和机械能，从而可增加其效率，并能同时在排放气体的压力和温度为大气水平的情况下无声工作。

在组1中的由同步装置11形成的轴4和元件5的反转可使所述内燃机与反转机构例如空气螺旋桨或水叶轮、割草机、锯、破碎机的反转切割元件等连接。也可实现与飞机的反转涡轮或主转子等的连接。

当使用容积式螺旋机时，所述方法可在工作物质传输通过组1中的差速运动机构的过程中同步化或同时转换配合元件的运动。

Claims (7)

1.一种用在旋转螺旋机(图1a)中的能量转换方法，所述螺旋机包括：

第一组公母配合元件(5，6，7；15，16，17)；以及

至少第二组公母配合元件(8，9；5’，6’，7’；15’，16’，17’)，它们沿着所述螺旋机的中心轴线与所述第一组(1)相隔布置，

其中，每组中的母元件(5，6，15，16；8；5’，6’，15’，16’)分别具有以第一纵向轴线(Z)为中心的内轮廓面(105，106，115，116；108；105’，106’，115’，116’)以及

每组(1，2，3)中的公元件(6，7，16，17；9；6’，7’，16’，17’)分别具有以第二纵向轴线为中心的外轮廓面(206，207，216，217；209；206’，207’，216’，217’)，

所述第一和第二纵向轴线彼此平行，

所述公元件放置在相应母元件的内腔中，

其中，当所述公和/或母元件旋转运动时，形成在所述母和公元件之间的工作室进行轴向运动，以及

不同的组(1，2，3)的旋转运动以下述方式同步化，即通过使所述工作室的轴向运动的振荡角度周期具有不同的值而实现不同的组(1，2，3)中的元件之间的同步同相运动。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述角度周期从一组到下一组降低，从而将工作介质压缩。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述角度周期从一组到下一组增加，从而使工作介质膨胀。

4.如权利要求1所述的方法，使用中空的轴(4)和流经其中的工作介质来实现使不同的组(1，2，3)之间的旋转运动同步化。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，

第一组(1)形成差速运动机构，其具有三个机械转动自由度，其中两个自由度是独立的，以及

第二组(2)形成行星运动机构，其具有两个机械转动自由度，其中一个自由度是独立的。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述工作介质在热交换器中被提取和供给热能。

7.如前述权利要求中任一所述的方法，其特征在于，产生于所述组之一中的机械能被用于驱动另一个装置。

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