CN102187060B - 旋转活塞式内燃机 - Google Patents

Abstract

提供了一种内燃机，更具体地一种旋转式内燃机，所述内燃机具有多个由活塞头界定的燃烧室以及限定圆环形的至少一段的气缸体壁。此外，说明了一种操作内燃机的方法。

Description

旋转活塞式内燃机

相关申请的交叉引用

本申请是在2005年12月16日提交的美国申请序列号11/304,608的部分继续申请，在此通过引用包括该美国申请序列号11/304,608的全部内容。

技术领域

本公开涉及内燃机，更具体地涉及旋转式内燃机。

背景技术

本部分的陈述仅提供与本公开相关的背景信息，并不会构成现有技术。在传统燃烧发动机中，界定燃烧室的壁是圆柱形状的，在一端使用气缸盖封闭。活塞被可移动地引导穿过另一端进入气缸。内燃机具有4个基本步骤：（1）进气；（2）压缩；（3）燃烧和膨胀；以及（4）排气。在进气过程中，可燃混合物被喷入燃烧室中。该混合物通过活塞压缩进入气缸而被置于压力下。然后，混合物被点燃并燃烧。热的燃烧产物最终膨胀；迫使活塞在相反方向上运动，并使能量传递至联结或连接到活塞的诸如曲轴的机械部件。冷却后的燃烧产物最终排出，燃烧周期重新开始。根据该原理工作的典型的燃烧发动机以二冲程或四冲程工作，例如奥托发动机或柴油发动机。

一直存在有与传统燃烧发动机所表现出的低效率相关的问题。发动机效率通常定义为燃料中的理论化学能与以通过发动机传递的动能的形式从燃料中获取的有用能量的对比。虽然从典型的燃料中获取能量的热力学极限是约37%，但是典型的燃烧发动机表现出仅约20%的平均效率。

因而，一直期望有提供增强效率的内燃机。还期望这样的发动机具有更紧凑的尺寸和更轻的重量，对内部润滑的要求减小，并能容易地制造。

发明内容

本公开提供一种内燃机以改进效率、减小重量和尺寸并简化制造发动机的能力。在本公开的一种形式中，内燃机具有多个沿局部圆环形路径行进的旋转活塞。

在本公开的该形式中，内燃机包括气缸体，该气缸体具有界定第一燃烧室的第一壁和界定第二燃烧室的第二壁，所述第一壁和所述第二壁每个都限定圆环形的至少一段。燃烧室进一步由第一活塞和第二活塞界定，每个活塞都具有圆环形状和两个活塞头。界定燃烧室的壁的端部还充当位于活塞端部处的活塞头的导向件。

第一燃烧室由第一活塞的第一活塞头进一步界定。类似地，第二燃烧室由第一活塞的第二活塞头进一步界定。第一燃烧室又由第二活塞的第一活塞头进一步界定；而第二燃烧室又由第二活塞（35）的第二活塞头进一步界定。

在本公开的另一种形式中，示出的第一活塞还包括联结到第一连杆的第一枢臂和联结到公共枢点的第二枢臂。类似地，第二活塞还包括联结到第二连杆的第一枢臂和联结到公共枢点的第二枢臂。每个活塞的第二枢臂在径向方向上朝向发动机的中心延伸。

在本公开的又一形式中，第一曲轴联结到第一连杆，而第二曲轴联结到第二连杆。第一曲轴和第二曲轴位于第一活塞和第二活塞的曲线路径之外，该曲线路径由公共枢轴以及分别界定第一燃烧室和第二燃烧室的第一壁和第二壁限定。

总体上，第一活塞和第二活塞沿由公共枢点限定的曲线路径导向。第一活塞的第二枢臂和第二活塞的第二枢臂绕公共枢轴摆动。第一活塞和第二活塞沿相反的方向同时运动，从而使活塞头扩大或者减小相应的燃烧室的容积。

在本公开的又一种形式中，第二枢臂通过接合构件联结到导向框架。该导向框架具有敞开接收区域，在该敞开接收区域中设置有接合构件和公共枢轴。导向框架和包括两个平行导向柱的导向装置成一体。由于第二枢臂通过接合构件连接到导向框架，导向框架沿导向柱的运动被传递到活塞。当导向框架在一个方向上沿导向柱运动时，活塞沿圆形路径行进，导致一个燃烧室的容积的最小化和另一个燃烧室的容积的最大化。反转导向框架的运动方向导致相反的效果。

在本公开的另一种形式中，导向框架沿导向柱的运动通过联结到公共枢点的至少一个椭圆形板来保持。由椭圆形板建立的动量足以保持活塞沿曲线路径的摆动运动。

在此提供的说明将使其它可应用领域更为清楚。应理解，说明和具体例子旨在示例目的，而不旨在限制本公开的范围。

附图说明

以下说明的图仅为示例目的，不旨在以任何方式限制本公开的范围。

图1是本公开的一种形式的从前方视角观察的正等轴测投影图，描绘根据本公开的教导构造的内燃机；

图2是本公开的一种形式的从后方视角观察的另一正等轴测投影图，描绘根据本公开的教导构造的内燃机；

图3是本公开的一种形式的正等轴测投影图，描绘根据本公开的教导构造的内燃机的某些部分的透视图；

图4是本公开的一种形式的斜等轴侧投影图，描绘根据本公开的教导构造的内燃机的某些部分的透视图；

图5是本公开的一种形式的截面图，描绘根据本公开的教导构造的内燃机；

图6A是本公开的一种形式的透视图，示出在图1-5的内燃机中使用的燃烧室和活塞，其中活塞旋转在上位中；

图6B是本公开的一种形式的透视图，示出在图1-5的内燃机中使用的燃烧室和活塞，活塞旋转在中位中；

图6C是本公开的一种形式的透视图，示出在图1-5的内燃机中使用的燃烧室和活塞，活塞旋转在下位中；

图7是本公开的另一种形式的透视图，示出在图6的内燃机中使用的活塞的部件；

图8是与图7的内燃机中使用的活塞相关联的部件的分解图；

图9A是根据本公开的内燃机的另一种形式的透视图，示出在图1的内燃机中使用的活塞的运动；

图9B是根据本公开的内燃机的另一种形式的透视图，进一步示出用来使活塞运动的机构；

图10A是根据本公开的内燃机的另一种形式的透视图，示出用来使活塞运动的另一种机构；

图10B是用来在图10A的内燃机中使活塞运动的机构的透视图；

图11A是根据本公开的内燃机的另一种形式的透视图，示出到位于活塞的圆环形路径的直径之内的曲轴的联结；

图11B是图11A的内燃机的侧视图。

具体实施方式

下述说明本质上仅为例示性，绝非旨在限制本公开、其应用或使用。应理解，在说明和图中各处，相应的数字标号表示相似或相应的零件和特征。

本公开涉及一种内燃机，例如二冲程、四冲程、奥托发动机和柴油发动机以及其它内燃机。参照图1和2，本公开的一种形式涉及一种内燃机（1），其具有环绕所述发动机（1）的部件的气缸体（5），所述发动机的部件包括两个曲轴（45、50）。气缸体（5）可以以单个部件的形式或紧固在一起的多个部件的形式制成。每个曲轴（45、50）都可以和至少一个飞轮（75）联结，也可以联结到附加的飞轮（76）。内燃机还可以包括下述二者或其中之一：排气门机构和进气门机构。当前实施例包括电热塞（61）和气缸压力座（cylinder pressure mount）（60）以及喷射口（55）。所显示实施例的发动机包括利用扫气过程的进气口（62）和排气口（63）。

参照图3-6，本公开的一种形式涉及一种内燃机（1），其具有气缸体（5，部分示出），该气缸体具有界定第一燃烧室（11）的第一壁（10）和界定第二燃烧室（16）的第二壁（15），第一壁（10）和第二壁（15）每个都限定圆环形（torus）的至少一段。应理解，在本公开的范围内，圆环形是指由在绕公共枢点（30）摆动的活塞（20、35）所限定的圆环形状。虽然活塞头（21、36）和燃烧室（11、16）的截面形状显示为圆形，但是它们可以是其他形状，例如但不限于正方形、长方形和椭圆。燃烧室（11、16）由每个都具有圆环形状和两个活塞头（21、36）的第一活塞（20）和第二活塞（35）进一步界定，如图4和6所示。界定燃烧室（11、16）的壁（10、15）的端部还充当位于活塞（20、35）端部处的活塞头（21、36）的导向件。

在图3、4和6中显示第一活塞（20）还包括联结到第一连杆（25）的第一枢臂（22A）和联结到公共枢点（30）的第二枢臂（22B）。类似地，第二活塞（35）还包括联结到第二连杆（40）的第一枢臂（37A）和联结到公共枢点（30）的第二枢臂（37B）。每个活塞（20、35）的第二枢臂（22B、37B）在径向方向上朝向发动机的中心延伸。在本公开的一种形式中，第一连杆（25）在第一接合部处联结到第一活塞（20）的第一枢臂（22A），该第一接合部包括第一接合轴（100A），第二连杆（40）在第二接合部处联结到第二活塞（35）的第二枢臂（37A），该第二接合部包括第二接合轴（100C）。第一枢臂（22A）和第二枢臂（22B）在公共枢点（30）处联结，该公共枢点包括公共枢轴（100B）。第一接合轴（100A）、第二接合轴（100C）和公共枢轴（100B）当对齐在公共平面时彼此平行。

第一曲轴（45）联结到第一连杆（25），而第二曲轴（50）联结到第二连杆（40）。第一曲轴（45）和第二曲轴（50）位于第一活塞（20）和第二活塞（35）的曲线路径之外，该曲线路径由公共枢点（30）以及分别界定第一燃烧室（11）和第二燃烧室（16）的第一壁（10）和第二壁（15）限定。连杆（25、40）可以通过发动机领域技术人员所公知的任何装置（包括但不限于轴承和螺栓）联结到曲轴（45、50）。

每个曲轴（45、50）都可以例如通过传动轮联结到飞轮（75）。曲轴（45、50）也可以通过本领域技术人员公知的任何装置（包括但不限于使用链条和齿形带）联接到飞轮（75）。第一曲轴（45）和第二曲轴（50）可以沿相反方向旋转。当第一曲轴（45）和第二曲轴（50沿相反方向旋转时，与附加的飞轮（76）的联结被简化，因为能将这些附加的飞轮直接置于曲轴之间，如图2所述。

在本发明的一种形式中，第一曲轴（45）包括第一旋转轴（102A），第二曲轴（50）包括第二旋转轴（102C）。第一旋转轴（102A）和上述第一接合轴（100A）彼此平行并对齐在第一平面（103A）中；而第二旋转轴（102C）和第二接合轴（100C）彼此平行并对齐在第二平面（103C）中。第一活塞（20）的中部中心位置、第二活塞（35）、第一平面（103A）和第二平面（103C）垂直于（就第一接合轴（100A）、第二接合轴（100C）和公共枢轴（100B）的走向而言的）上述公共平面（101）。

分别界定第一燃烧室（11）和第二燃烧室（16）的第一壁（10）和第二壁（15）可以构造为单个部件或多个部件。在本公开的一个形式中，第一壁（10）和第二壁（15）构造成紧固在一起的两个部件（右和左）。该紧固可通过发动机领域的技术人员公知的任何装置（包括但不限于螺栓和粘合剂）来完成。垫片和密封件的使用可以用来减少可能会在构成壁的紧固部件（右和左）之间发生的任何可能的泄漏。

如图3所示，第一壁（10）和第二壁（15）还可以包括冷却通道（17）。这些冷却通道（17）可以利用诸如空气的气体的流动或者诸如水或油的液体的流动来对燃烧室（11、16）、活塞头（21、36）和活塞（20、35）提供冷却效果。这种冷却效果归功于将热量从壁传导至在冷却通道（17）中流动的液体或气体的热传导。

发动机（1）还可以包括在第一壁（10）和第二壁（15）的至少一个中的进气口（62）、排气口（63）、气缸压力座（60）和火花塞或电热塞（61）。可以提供双重点火系统。通常，进气口（62）和排气口（63）在第一壁（10）和第二壁（15）的至少一个中与燃烧室（11、16）相交。此外，燃料喷射口设置为与燃烧室（11、16）的至少一个相交。进气口（62）、排气口（63）和喷射口（55）与燃烧室（11、16）相交的角度约为90度。在二冲程循环实施例的常规扫气过程中，排气口（63）优选比进气口（62）打开更长一段时间。

现在参照图2，第一燃烧室（11）由第一活塞（20）的第一活塞头（21A）进一步界定。第二燃烧室（16）由第一活塞（20）的第二活塞头（21B）进一步界定。第一燃烧室（11）又由第二活塞（35）的第一活塞头（36A）进一步界定；而第二燃烧室（16）又由第二活塞（35）的第二活塞头（36B）进一步界定。在如图6B所示的本公开的一种形式中，第一活塞（20）的第一活塞头（21A）和第二活塞头（21B）彼此成角度（α1）；而第二活塞（35）的第一活塞头（36A）和第二活塞头（36B）彼此成角度（α2）。角度（α1）和（α2）优选至少110度。活塞头（21、36）可以包括活塞环（85），该活塞环将活塞头相对于气缸体（5）的壁（10、15）密封。

第一活塞（20）、第二活塞（35）、活塞头（21、36）、第一壁（10）或第二壁（15）可由金属、碳复合材料或者陶瓷复合材料以及其它材料制成。活塞头（21、36）可由石墨复合材料制成。根据应用，活塞（20、35）和活塞头（21、36）可以是完全实心的或者部分中空。金属的例子可以包括但不限于铝和经过热处理的钢。陶瓷复合材料的例子可以包括碳化硅或氮化硅以及其它材料。碳和陶瓷复合材料的强度可以通过使用纤维强化来强化。

燃烧室（11、16）的形状由活塞头（21、36）来限定，并且壁（10、15）可以是发动机燃烧技术领域的技术人员公知的任何形状，包括但不限于圆锥形或圆柱形。本公开的发动机（1）中的活塞（20、35）的运动依次示出在图6A-6C中。在图6A中，活塞（20、35）旋转进入上位，其中，活塞头（21A、36A）减小燃烧室（11）的容积，而活塞头（21B、36B）增大燃烧室（16）的容积。当活塞（20、35）旋转进入中位时（见图6B），燃烧室（11、16）的容积相似。在图6C中，活塞（20、35）旋转进入下位，其中，活塞头（21B、36B）减小燃烧室（16）的容积，而活塞头（21A、36A）增大燃烧室（11）的容积。

现在参照图7-8，使用活塞板（65）和基本构件板（70）的组合来将每个活塞头（21、36）联结到相应的活塞（20、35）。虽然在图中仅示出一套活塞板（65）和基本构件板（70），但是任何本领域技术人员都会认识到这种板（65、70）的组合能用于每个活塞头（21、36）。可使用任何种类的螺栓和连接件（66、67）将板（65、70）的组合紧固到活塞头（21、36）。这些板（65、70）的目的是将发动机工作过程中产生的力更均匀地从活塞（20、35）传递并分布至相应的活塞头（21、36）。对这些力的传递是在板组合（65、70）至活塞（20、35）的宽连接区域上进行的，以减小在这些连接部附近的应力和潜在故障的风险，例如应力裂纹的形成。

现在参照图9，图9示出了旋转式内燃机的另一种形式，该旋转式内燃机具有沿着由公共枢点（30）限定的曲线路径导向的第一活塞（20）和第二活塞（35）。这样的曲线路径在图9中由箭头（80）描绘。第一枢臂（22A、37A）联结到位于由活塞（20、35）建立的圆环形之外的曲轴（未示出）。图9旨在说明活塞的运动以及每个活塞（20、35）的第二枢臂（22B、37B）和公共枢点（30）的相互作用。第一活塞（20）的第二枢臂（22B）和第二活塞（35）的第二枢臂（37B）绕公共枢点（30）摆动。第一活塞（20）和第二活塞（35）沿相反的方向同时运动，从而使活塞头（21、36）扩大或者减小相应的燃烧室（11、16）的容积。在图9A中，活塞（20、35）都旋转到它们的顶位，从而减小第一燃烧室（11）的容积并增大第二燃烧室(16)的容积。当活塞（20、35）从它们的顶位运动到底位时，第一燃烧室（11）的容积将变大，而第二燃烧室（16）的容积变小。

在图9B中，描绘了活塞（35）依照曲线路径（80）的运动，该曲线路径由通过枢臂（37A、37B）联结到公共枢点（30）的曲轴限定，该公共枢点包括公共枢轴（100B）。另一活塞（20）设计为以基本上相似的方式运动。第二枢臂（37B）通过接合构件（91）联结到导向框架（90）。导向框架（90）布置为与第二枢臂（37B）基本平行。该导向框架（90）具有敞开接收区域，在该敞开接收区域中设置有接合构件（91）和公共枢点（30）。导向框架（90）和包括两个平行导向柱（93R、93L）的导向装置（93）成一体。导向框架（90）可以在导向柱（93R、93L）给出的方向上运动。由于第二枢臂（37B）通过接合构件（91）连接到导向框架（90）,导向框架（90）沿导向柱（93）的运动被传递至活塞（35）。当导向框架（90）在向上方向上沿导向柱（93）运动时，活塞（20、35）沿圆形路径运动，导致燃烧室（11）的容积的最小化和燃烧室（16）的容积的最大化，如图4A所示。活塞的运动在美国专利申请11/442,401（于2006年5月30日提交）得到进一步说明，该申请和本申请为相同的人所拥有，该申请的内容通过引用结合于此。

现在参照图10A，图10A描绘了活塞（35）和与它相关联的活塞头（36A、36B）沿曲线路径（80）的运动的本公开的另一实施例。在该实施例中，导向框架（90）通过接合构件（91）联结到公共枢点（30）以及第二枢臂（37B）。至少一个椭圆形板（120）和公共枢点（30）联结。优选地，一个椭圆形板（120）位于导向框架（90）的每一侧，如图10B中所示。由于椭圆形板（120）绕公共枢点（30）旋转且导向框架（90）在向上或向下的方向上沿导向柱（93）运动，由椭圆形板（120）的运动产生的动量能保持活塞（35）沿曲线路径（80）的摆动运动。

虽然如本公开所示的旋转式燃烧发动机的不同实施例将曲轴（45、50）示为位于活塞（20、35）的圆环形路径的直径范围之外，本领域技术人员会认识到曲轴能位于活塞的圆环形路径的直径范围之内。图11A和11B中提供了曲轴位于活塞的圆环形路径的直径范围之内的本公开的一个实施例的一个示例。当曲轴以这种方式设置时，第一活塞和第二活塞（20、35）包括连接到公共枢点（30）的活塞臂（22B、37B），该公共枢点具有曲柄销（150），可以通过该曲柄销实现到飞轮（未示出）的联结。

在图11A和图11B中，内燃机（1）设置为具有气缸体（5，部分示出），该气缸体具有界定第一燃烧室（11）的第一壁（10）和界定第二燃烧室（16）的第二壁（15），第一壁（10）和第二壁（15）每个都限定圆环形的至少一段。燃烧室（11、16）由第一活塞（20）和第二活塞（35）进一步界定，每个活塞都具有圆环形状和两个活塞头（21、36）。界定燃烧室（11、16）的壁（10、15）的端部还充当位于活塞（20、35）的端部处的活塞头（21、36）的导向件。第一活塞（20）和第二活塞（35）沿相反的方向同时运动，从而使活塞头（21、36）扩大或者减小相应的燃烧室（11、16）的容积。在一个实施例中，活塞（20、35）的运动可以使用图10中描绘的机构，该机构具有联结到公共枢点（30）的导向框架（90），该公共枢点具有曲轴销（150）以及能保持活塞（20、35）的摆动运动的至少一个椭圆形板（120）。发动机（1）还可以包括在第一壁（10）和第二壁（15）的至少一个中并且和燃烧室（11、16）相交的进气口（62）、排气口（63）、电热塞（61）和气缸压力座（60）。

本领域技术人员会认识到从上述说明出发，在不脱离权利要求中所定义的公开的范围的前提下能对本公开作进一步修改和变动。

Claims (13)

1.一种内燃机，所述内燃机包括：

气缸体，其具有界定第一燃烧室的第一壁和界定第二燃烧室的第二壁，所述第一壁和所述第二壁每个都限定圆环形的至少一段；

第一活塞，其具有进一步界定所述第一燃烧室的第一活塞头、进一步界定所述第二燃烧室的第二活塞头、和联接到具有曲柄销的公共枢点的枢臂；

第二活塞，其具有进一步界定所述第一燃烧室的第三活塞头、进一步界定所述第二燃烧室的第四活塞头、和联接到具有曲柄销的所述公共枢点的枢臂；

导向框架，其联结到所述公共枢点的所述曲柄销，并具有敞开接收区域，在所述敞开接收区域中接合构件联结到一部块的圆形开口以将所述导向框架联结到活塞的枢臂；

导向装置，其包括由所述导向框架可滑动地接收的两个平行的导向柱；和

至少一个椭圆形板，其联结到所述公共枢点，

其中所述第一活塞和第二活塞沿由所述公共枢点限定的曲线路径导向；

其中所述第一活塞和第二活塞沿相反方向运动；

其中所述第一活塞的所述枢臂和所述第二活塞的所述枢臂绕所述公共枢点摆动；

其中所述导向框架沿所述导向柱的运动被传递至活塞；以及

其中由所述椭圆形板的运动产生的动量保持所述活塞的摆动运动；以及

其中所述两个平行的导向柱设置在相应的所述接合构件和所述公共枢点之间。

2.如权利要求1所述的内燃机，其中所述第一活塞和第二活塞同时运动。

3.如权利要求1所述的内燃机，其中所述第一壁和所述第二壁中的至少一个由联结在一起的右部件和左部件组成。

4.如权利要求1所述的内燃机，其中所述第一壁和所述第二壁还包括冷却通道。

5.如权利要求4所述的内燃机，其中所述冷却通道使用气体或液体通过热传递机构提供冷却。

6.如权利要求1所述的内燃机，其中所述内燃机还包括设置在所述第一壁和第二壁中至少之一中的进气口、排气口、燃料喷射口和火花塞中的至少一个。

7.如权利要求1所述的内燃机，其中所述第一活塞、第二活塞、第一活塞头、第二活塞头、第三活塞头、第四活塞头、第一壁或第二壁中的至少一个由从铝、钢、碳复合材料或陶瓷复合材料的组中选出的一种组成。

8.如权利要求7所述的内燃机，其中所述碳复合材料或所述陶瓷复合材料是纤维强化的。

9.如权利要求1所述的内燃机，其中使用活塞板和基本构件板的组合来将所述第一活塞头、第二活塞头、第三活塞头和第四活塞头联结到相应的第一活塞和第二活塞。

10.如权利要求6所述的内燃机，其中所述进气口以约90度的角度在所述第一壁和第二壁中的至少一个中和燃烧室相交。

11.如权利要求6所述的内燃机，其中所述排气口比所述进气口打开更长的一段时间。

12.如权利要求1所述的内燃机，其中所述内燃机是二冲程发动机、四冲程发动机、奥托发动机和柴油发动机中的一种。

13.如权利要求1所述的内燃机，其中所述第一活塞的所述第一活塞头和所述第二活塞头之间的角度(α1)以及所述第二活塞的所述第三活塞头和所述第四活塞头之间的角度(α2)均至少为110度。