CN102900515B - 具有可变容积压缩比的旋转式内燃发动机 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及具有可变容积压缩比的旋转式内燃发动机。一种用于控制旋转式发动机中空气输入的方法和装置，包括选择性地控制与发动机的内燃腔连通的多个进气口，进气口相对于发动机转子的公转方向依次定位在排气口的下游。控制进气口以在不同的发动机运行阶段例如启动、怠速等阶段改变进气从而允许满足变化的运行需求。例如：当对发动机的功率需求低于预定阈值时，控制可以通过打开主进气口并关闭副进气口而执行；而在功率需求超出预定阈值时，控制可以通过打开主进气口并打开副进气口而执行，副进气口被定位成在发动机公转的各部分期间始终与排气口连通以吹扫发动机中的排气。

Description

具有可变容积压缩比的旋转式内燃发动机
相关申请的交叉引用
本申请要求2011年7月28日提交的申请号为61/512,563的美国临时专利申请的优先权，通过引用将其全部内容并入本文。
技术领域
本申请主要涉及使用旋转式设计以将压力转化为旋转动作的内燃发动机，更具体地涉及控制此类发动机。
背景技术
旋转式发动机例如汪克尔(Wankel)发动机不使用往复式活塞而使用活塞的偏心旋转来以将压力转化为旋转动作。在这些发动机中，转子包括在转子的整个旋转动作期间始终保持与发动机转子腔的周壁相接触的多个顶点或密封部分以在转子旋转时形成多个旋转的腔。
在汪克尔发动机中，进气口和排气口通常被机械地设计为在循环的进气和排气部分期间允许两者之间有最小交叠，例如在用新鲜供气再充填进气腔之前先吹扫排气腔中的燃烧气体。无法吹扫排气腔中的燃烧气体可能会导致循环容积效率的降低。但是，端口的交叠可能限制能够获得的容积压缩比的范围。因此，对于优化旋转式发动机能够如何运行这方面的改进仍然存在需求。
发明内容
在一方面，提供了一种控制旋转式发动机中空气输入的方法，发动机至少具有与空气源连通的主进气口和副进气口，以及排气口，所述方法包括在发动机启动期间，关闭主进气口并打开副进气口，副进气口沿发动机转子的公转方向位于主进气口后方和排气口前方，在启动之后并且在对发动机的功率需求低于预定阈值时，打开主进气口并至少部分地关闭副进气口，而在功率需求超出预定阈值时，保持主进气口打开并打开副进气口，副进气口被定位成在发动机公转的各部分期间始终与排气口连通以吹扫发动机中的排气。
在另一方面，提供了一种控制具有可变容积旋转室的旋转式发动机的容积比的方法，所述方法包括沿发动机转子的公转方向在发动机主进气口后方和发动机排气口前方至少设置发动机的副进气口，并且控制空气源和发动机的进气口之间的连通，包括在第一结构和第二结构之间选择，在第一结构中主进气口与空气源连通并且阻断空气源和副进气口之间的连通以获得第一容积压缩比，在第二结构中副进气口与空气源连通并且阻断空气源和主进气口之间的连通以获得高于第一容积压缩比的第二容积压缩比。
在又一方面，提供了一种旋转式发动机，包括具有界定出内部空腔的壁的定子体，安装用于在空腔内偏心公转的转子体，转子体和定子体配合以在转子相对于定子旋转时提供可变容积的旋转室，定子体至少具有在其中界定并且与空腔连通的主进气口、副进气口和排气口，进气口都与空气源连通，副进气口沿转子公转的方向位于主进气口后方和排气口前方，进气口彼此不同并且沿公转的方向间隔开，主阀调节提供给主进气口的空气流量，并且副阀调节提供给副进气口的空气流量，主阀和副阀可以彼此独立地操作。
附图说明
现对附图进行说明，在附图中：
图1是根据一个特定实施例的旋转式内燃发动机的示意性截面图；
图2是根据一个可选实施例的旋转式内燃发动机的示意性截面图；
图3是根据另一个可选实施例的旋转式内燃发动机的示意性截面图；
图4是根据又一个可选实施例的旋转式内燃发动机的示意性截面图；以及
图5是根据再一个可选实施例的旋转式内燃发动机的示意性截面图。
具体实施方式
参照图1，示意性地示出了被称为汪克尔发动机的旋转式内燃发动机10。在一个特定的实施例中，旋转式发动机10被用于例如在2010年7月13日授予Lents等人的美国专利US7753036或2010年8月17日授予Julien等人的美国专利US7775044中介绍的复合循环发动机系统，通过引用将这两篇文献的全部内容并入本文。复合循环发动机系统可以在例如飞机或其他交通工具上或者在任意其他适合的应用中被用作原动力发动机。任何情况下，在这样的系统中，空气在进入汪克尔发动机之前都要由压缩机压缩，并且发动机驱动复合发动机中的一个或多个涡轮机。在另一个实施例中，使用了无涡轮增压器的旋转式发动机10。
发动机10包括外壳体12，具有轴向间隔开的端壁14和延伸在其间的周壁18以构成转子腔20。空腔20的周壁18的内表面具有界定出两个凸角的轮廓，该轮廓优选为外旋轮线。
内壳体或转子24被容纳在空腔20内。转子24具有邻接外壳体端壁14轴向间隔开的端面26以及延伸在其间的周面28。周面28界定出三个周向间隔开的顶点部分30，以及具有向外弓形侧边的大致三角形轮廓。顶点部分30与周壁18的内表面密封接合以在内转子24和外壳体12之间构成三个旋转工作室32。转子24的几何轴线偏离并且平行于外壳体12的轴线。
工作室32是密封的，这样通常可以提高效率。每一个转子的顶点部分30都具有从一个端面26延伸至另一个端面并且从周面28径向突出的顶点密封件52。每一个顶点密封件52都通过相应的弹簧被径向向外偏置压向周壁18。端部密封件54接合每一个顶点密封件52的每一端并且通过合适的弹簧被偏置压向相应的端壁14。转子24的每一个端面26都具有从每一个顶点部分30延伸至每一个相邻顶点部分30的至少一个弧形的表面密封件60，该表面密封件在其整个长度上邻近转子的外周但在该外周的内侧。弹簧轴向向外压迫每一个表面密封件60以使表面密封件60从相邻的转子端面26轴向突出从而与空腔的相邻端壁14形成密封接合。每一个表面密封件60都与邻接其每一端的端部密封件54密封接合。
尽管图中并未示出，但是也应该理解，转子通过轴颈轴承安装在轴杆的偏心部分上并且包括与转子轴线同轴的相位齿轮，该相位齿轮与跟轴杆同轴地固定至外壳体的固定定子相位齿轮相啮合。轴杆转动转子并且啮合齿轮引导转子以在定子腔内执行沿轨道公转。轴杆针对转子的每一圈轨道公转都要完成三圈自转。油封被围绕相位齿轮设置以避免在相应转子端面26和外壳体端壁14之间润滑油从相位齿轮径向向外漏流。
在一圈沿轨道公转期间，每一个室都改变容积并围绕定子腔移动以经历进气、压缩、膨胀和排气四个阶段，这些阶段类似于具有四冲程循环的往复式内燃发动机中的各个冲程。
发动机包括限定成通过定子体12的壁之一的主进气口40。在图示的实施例中，主进气口40是在其中一个端壁14内界定出的侧面端口。另一个相对的主进气口可以类似地界定在另一端壁内。主进气口40通过被界定为端壁14内通道的进气管34与空气源连通。空气具有的压力略高于发动机的排气压力。在一个特定实施例中，空气源是复合发动机中压缩机的空气输出，不过任意合适的空气源均可使用。主进气口40将空气输送至每一个室32，并且燃料喷射口(未示出)也被设置用于在所述室内的空气已被压缩之后再将燃料输送到每一个所述室32内。燃料例如煤油(喷气发动机用燃料)或其他合适的燃料被送入室32内以使室32被分层为在点火源附近具有浓燃料-空气混合物而其他处具有较稀的混合物，由此提供所谓的分层充气设置，并且燃料-空气混合物可以利用本领域中已知任意合适的点火系统在壳体内点燃。在另一个实施例中，燃料和空气可以在发动机以外混合并且作为预先混合的充气通过主进气口40输送。
发动机还包括限定为通过定子体12的壁之一的排气口44。在图示的实施例中，排气口44是被界定为穿过周壁18的开口的周边端口。旋转式发动机10根据Atkinson或Miller循环的原理运行，使其压缩比低于其膨胀比。例如，容积压缩比除以容积膨胀比得到的比值可以在0.3到0.8之间。因此，在与压缩比和膨胀比彼此相等或近似相等的发动机相比时，主进气口40被定位成进一步远离(即根据活塞自传测量时)排气口44。相对于排气口44的角度而言，主进气口40的角度可以随后确定以在指定进气压力的情况下实现期望的峰值循环压力。主进气口40的位置可以在7点钟位置直至10点钟位置之间改变。在图示的实施例中，主进气口40在8点钟到9点钟位置之间延伸。
因为Miller循环的执行，所以主进气口40相对于排气口被定位成使得压缩比明显低于膨胀比。在图示的实施例中，主进气口40与排气口44间隔开以使转子24在所有的转子位置都至少基本上阻止其间的连通。换句话说，转子24的每一圈公转均可被称为对于每一个室32都包括室32直接与排气口44连通或包含排气口44的排气部分，以及室32直接与进气口40连通或包含进气口40的进气部分，并且公转中用于同一室的排气和进气部分并不交叠。
发动机10还包括限定为通过定子体12的壁中之一并且与空气源连通的副进气口或吹扫口42，该空气源可以是与和主进气口40连通的空气源是同一个。在图示的实施例中，吹扫口42是界定在其中一个端壁14内的侧面端口并且通过与主进气口40相同的进气管34与空气源连通。吹扫口42相对于转子公转和自转的方向R位于主进气口40后方和排气口44前方。吹扫口42被定位成使得沿每一圈公转中的相应部分通过每一个室32与排气口44连通。换句话说，转子24的每一圈公转均可被称为对于每一个室32来说都包括吹扫部分，吹扫部分都是排气部分的最后阶段，其中室32直接与吹扫口42和排气口44连通或者包含吹扫口42和排气口44。在图示的实施例中，吹扫口42也被定位成例如使得沿每一圈公转中的相应部分通过每一个室32与主进气口40连通。可选地，吹扫口42可以与主进气口40间隔开以使转子24在所有的转子位置都至少基本上阻止其间的连通。
吹扫口42可以由此允许实现更小的容积压缩比，同时仍然实现对排气腔的充分吹扫。
尽管并未示出，但是进气口40,42可以被连接至亥姆霍兹共振器，由此可以提高容积效率和/或最小化进气阶段期间的泵送损失。
在一个可选实施例中，主进气口40也被定位成使得沿每一圈公转中的相应部分通过每一个室32与排气口44连通。
在使用时，通过转子的每一圈沿轨道公转，每一个室32都在公转中相应的进气部分也就是公转中室32与主进气口40直接连通的部分期间通过主进气口40充入空气(例如来自压缩机的加压空气)。空气随后通过减小旋转室32的容积而被进一步压缩。一旦空气被进一步压缩为接近室32的最小容积，空气即与燃料混合并点燃得到的空气燃料混合物。燃烧气体膨胀并迫使室32的容积增大。如上所述，主进气口40被相对于排气口44定位以使容积膨胀比大于容积压缩比。燃烧气体或排气在公转中的排气部分也就是公转中室32与排气口44连通的部分期间通过排气口44离开室32。排气部分中的最后阶段限定了公转中的吹扫部分，其中室32与吹扫口42和排气口44都连通，并且通过吹扫口42进入室32的空气被用于从室32中吹走剩余的排气。
在一个特定的实施例中，在通过进气口40用空气再充填室32之前关闭室32与排气口44的连通，也就是说进气口40并不参与吹扫排气。在一个可选的实施例中，排气口44在进气口40开始打开时仍然打开。
参照图2，根据另一个实施例示出了发动机110，其中类似元件用上述内容中使用的相同附图标记表示。在该实施例中，主进气口140被限定为在9点钟和10点钟位置之间通过端壁114，并且通过独立于吹扫口142的进气管134与空气源连通。副进气口或吹扫口142由吹扫管线136的出口界定，吹扫管线136延伸穿过周壁118并且具有在主进气口140附近通入空腔20内的入口137。因此，空气进入与主进气口140连通的邻接室，并且通过吹扫管线136和吹扫口142循环至正被吹扫的室。吹扫口142被定位成使得沿每一圈公转中的相应部分通过每一个室32与排气口44连通以从室32中吹走排气。
发动机110也根据使其压缩比低于其膨胀比的Atkinson或Miller循环的原理运行。在图示的实施例中，转子24在任何转子位置都至少基本上阻止主进气口140和排气口44之间的直接连通，连通通过吹扫管线136提供。可选地，转子24可以在引入新鲜空气充气用于下一个燃烧循环之前允许主进气口140和排气口44通过每一个室32短暂地彼此直接连通从而足以吹走燃烧排气。
参照图3，示出了根据另一个实施例的发动机210，同样将类似元件用相同的附图标记表示。类似于前一实施例，主进气口140被限定为通过端壁214并通过进气管134与空气源连通。排气口244是界定在一个或两个端壁214内的侧面端口并且通过排气管246与发动机210中的环境连通，排气管246被界定为端壁214内的通道。
吹扫口242是周边端口，界定为穿过周壁218的开口。吹扫口242和排气口244沿每一圈公转中的相应部分通过每一个室32连通以吹扫排气。吹扫口242通过阀248(仅示意性示出)被连接至空气源，该空气源可以是从与主进气口140连通的邻接空腔中排出的空气或者是连接主进气口140的空气源，从而根据发动机运行状态调节吹扫流量，以允许部分排气的选择性再循环，譬如是为了优化动力输出、最小化排放水平或者其他目的，正如以下要更详细介绍的那样。尽管并未示出，但是类似的阀可以将主进气口140连接至空气源。
发动机210也根据使其压缩比低于其膨胀比的Atkinson或Miller循环的原理运行。在图示的实施例中，转子24在任何转子位置都阻止在主进气口140和排气口244之间直接连通。可选地，转子24可以允许主进气口140和排气口244通过每一个室32短暂地彼此直接连通。
参照图4，示出了根据又一个实施例的发动机310。发动机310类似于发动机210，具有类似的吹扫口242和对应的阀248(以及进气口140上并未示出的可选阀)，但是排气口344的位置不同。在该实施例中，转子24在所有的转子位置都阻止副进气口或吹扫口242和排气口344之间直接连通。副排气口347以周边端口的形式被设置为穿过周壁318的开口。副排气口347沿公转方向R被定位在主排气口344前方和吹扫口242后方，接近于主排气口344。在室32与主排气口344的连通已被阻断之后，吹扫口242和副排气口347就沿每一圈公转中的相应部分通过每一个室32连通以吹扫排气从而吹扫室32。
发动机310也根据使其压缩比低于其膨胀比的Atkinson或Miller循环的原理运行。在图示的实施例中，转子24在所有的转子位置都阻止在主进气口140和排气口347,344之间直接连通。
参照图5，示出了根据再一个实施例的发动机410。发动机410具有位于8点钟和9点钟位置之间的主进气口440，以及副进气口或吹扫口442，其中进气口440,442都以周边端口的形式被界定为穿过周壁418的开口。主进气口440和副进气口442均通过各自的管路434,436被连接至相同的连接管456，连接管例如可以是充气增压室、Y形件等。每一条管路都在其中包括能够选择性将其打开或关闭的阀448,450。连接管456通过进气管458与空气源连通，空气源例如在复合循环发动机系统的情况下是压缩机的排气。排气口44类似于图1-2中的实施例是周边端口。
在图示的实施例中，转子24在任何转子位置都阻止在主进气口440和排气口44之间直接连通。可选地，转子24可以允许主进气口440和排气口44通过每一个室32短暂地彼此直接连通。
阀448,450例如可以是气动、电动或液压阀，这些阀被无源地或电子地控制以调节主副进气口440,442之间的流量用于改变发动机的压力比，从而优化发动机在非设计状态时的运行。这样的调节可以允许在任务燃料燃烧、发动机功率和排气的大气排放或者其他因素之间进行适当的折衷。
在一个特定的实施例中，阀448,450如下所述在发动机的三个不同运行阶段期间被控制。
在一个示例中，使用时例如在对应于发动机启动的第一运行阶段期间，主阀450关闭或基本关闭，并且副阀448打开，以使得只有(或者主要是)副进气口442向室32输送空气。这样做可以允许得到比通过其它方法可获得的相对更高的容积压缩比，这就升高了空气温度并且有助于燃烧，相应地也就可以有助于启动，并且特别是在冷启动期间或许更是如此。副进气口442可以被定位成使得这种结构的发动机具有接近于例如等于或基本等于发动机容积膨胀比的容积压缩比。
在另一个示例中，在对应于发动机怠速或低功率运行的发动机第二运行阶段期间，副阀448突然或逐渐地关闭或基本关闭，并且主阀450打开。由于副阀448关闭，排气吹扫就明显减少/受阻(如果主进气口440和排气口44连通的话)或者被禁止(如果转子24阻止主进气口44和排气口44之间连通的话)，这样就减少了排气并且由此可以有助于最小化处于该状态时的发动机的排放水平。主进气口440被定位成使得这种结构的发动机根据使其压缩比低于其膨胀比的Atkinson或Miller循环的原理运行。
在另一个示例中，在对应于发动机高功率运行的发动机第三运行阶段期间，阀448,450都打开，以使副进气口442如上所述用作吹扫口。副阀448随着功率需求增加可以部分打开或全开。Atkinson或Miller循环(与标准循环相比)相对较低的容积压缩比与从空腔吹扫排气相结合有助于最大化功率输出。在一个特定的实施例中，第三运行阶段可以在发动机最大功率的约50-80%处开始。但是该位置可以通过电子控制器(未示出)向阀致动器发送信号改变阀的开度而改变，以针对不同的运行状态例如环境温度、海拔、节气门水平和转子转速来优化期望输出(功率、排放、燃料消耗和排气温度)。
类似的阀和控制器可以被设置用于其他的实施例例如图3-4中所示的实施例。在其他的发动机运行阶段或场景中也可以控制送往进气口的空气以根据需要提供特定的有利效果或运行效果。
上述说明仅为示范性内容，并且本领域技术人员应该意识到可以对所述实施例进行修改而并不背离公开的发明范围。例如，不同实施例中的元素譬如各个端口的位置、结构和形状可以与图示不同地进行组合。示例适用于周边和侧面的进气口/排气口或其任意合适的组合。任意合适的燃料和点火系统均可使用。术语“阀”应被理解为涵盖了可以用于实现所述空气流量控制效果的任意合适的空气流量调节装置；可以使用任意合适的阀门装置。可以使用任意合适数量的进气口。本发明的教导可以应用于任意合适的旋转式发动机，例如旋转叶片式泵送机械或其他合适的发动机，并且因此并不局限于对汪克尔发动机的应用。对于本领域技术人员来说，通过审阅本公开，落入本发明保护范围内的其他变形就将是显而易见的，并且这些变形都应被理解为落在所附的权利要求以内。

Claims (20)

1.一种控制旋转式发动机中空气输入的方法，所述发动机具有接收转子的内部空腔，与空气源和所述空腔连通的至少主进气口和副进气口，以及与所述空腔连通的排气口，所述方法包括：
在发动机启动期间，在所述内部空腔外部关闭主进气口和所述空气源之间的连通并打开副进气口和所述空气源之间的连通，副进气口沿发动机转子的公转方向位于主进气口后方和排气口前方；
在启动之后并且在对发动机的功率需求低于预定阈值时，打开主进气口和所述空气源之间的连通并在所述内部空腔外部至少部分地关闭副进气口和所述空气源之间的连通；以及
在功率需求超出预定阈值时，保持主进气口和所述空气源之间的连通打开并打开副进气口和所述空气源之间的连通，副进气口被定位成在发动机公转的各部分期间始终与排气口连通以吹扫发动机中的排气。
2.如权利要求1所述的方法，包括在转子的每一圈公转期间始终阻止主进气口和排气口之间的连通。
3.如权利要求1所述的方法，其中关闭主进气口和所述空气源之间的连通和打开副进气口和所述空气源之间的连通包括获得与发动机容积膨胀比至少基本相等的容积压缩比。
4.如权利要求1所述的方法，其中打开主进气口和所述空气源之间的连通包括获得低于发动机容积膨胀比的容积压缩比。
5.如权利要求1所述的方法，其中在启动完成之后随着对发动机的功率需求增加而打开主进气口和所述空气源之间的连通。
6.如权利要求1所述的方法，其中在启动完成之后并且在对发动机的功率需求低于预定阈值时，副进气口和所述空气源之间的连通被完全关闭。
7.如权利要求1所述的方法，其中所述预定阈值在发动机最大功率的50%到80%之间。
8.如权利要求1所述的方法，其中通过关闭主阀来在所述内部空腔外部关闭主进气口和所述空气源之间的连通，并且通过至少部分地关闭副阀来在所述内部空腔外部至少部分地关闭副进气口和所述空气源之间的连通。
9.一种控制具有被接收在壳体的内部空腔内的转子并限定可变容积旋转室的旋转式发动机的容积比的方法，所述方法包括：
至少将发动机的副进气口沿发动机转子的公转方向设置在其主进气口后方和其排气口前方；并且
在所述内部空腔外部控制空气源和发动机进气口之间的连通，包括在第一结构和第二结构之间选择，在第一结构中主进气口与空气源连通并且阻断空气源和副进气口之间的连通以获得第一容积压缩比，在第二结构中副进气口与空气源连通并且阻断空气源和主进气口之间的连通以获得高于第一容积压缩比的第二容积压缩比。
10.如权利要求9所述的方法，其中设置副进气口包括定位副进气口以允许其沿着每一圈公转中的相应部分与排气口连通，并且控制连通包括在第一结构、第二结构和第三结构之间选择，在第三结构中两个进气口都与空气源连通。
11.如权利要求10所述的方法，包括定位主进气口以在公转期间始终阻止其与排气口连通。
12.如权利要求9所述的方法，进一步包括控制第一结构中空气源和主进气口之间以及第二结构中空气源和副进气口之间的连通流量。
13.如权利要求9所述的方法，其中第二容积压缩比与发动机容积膨胀比至少基本相等。
14.如权利要求9所述的方法，其中第一容积压缩比低于发动机的容积膨胀比。
15.如权利要求9所述的方法，其中通过关闭副阀来阻挡所述空气源和所述副进气口之间的连通，以及通过关闭主阀来阻挡所述空气源和所述主进气口之间的连通。
16.一种旋转式发动机，包括：
具有界定出内部空腔的壁的定子体；
安装成用于在空腔内偏心公转的转子体，转子体和定子体配合以在转子相对于定子旋转时提供可变容积的旋转室；
定子体至少具有在其中界定并且与空腔连通的主进气口、副进气口和排气口，进气口都与空气源连通，副进气口沿转子公转的方向位于主进气口后方和排气口前方，进气口彼此不同并且沿公转的方向间隔开；
主阀调节提供给主进气口的空气流量；并且
副阀调节提供给副进气口的空气流量，主阀和副阀可以彼此独立地操作；
其中所述主进气口和所述排气口之间的相对位置限定了低于所述副阀阻止空气流到所述副进气口且所述主阀允许空气流到所述主进气口时的所述发动机的容积膨胀比的所述发动机的容积压缩比；以及所述副进气口和所述排气口的相对位置限定了至少基本上等于所述主阀阻止空气流到所述主进气口且所述副阀允许空气流到所述副进气口时的容积膨胀比的容积压缩比。
17.如权利要求16所述的发动机，其中副进气口被相对于排气口定位以沿着每一圈转子公转中的相应部分通过每一个旋转室与排气口短暂连通。
18.如权利要求16所述的发动机，其中所述定子被设置为并且所述主进气口和所述排气口被定位成在任何转子位置都阻止主进气口和排气口之间通过旋转室连通。
19.如权利要求16所述的发动机，其中所述主阀和副阀是从包括气动阀、液压阀和电动阀的组中选出。
20.如权利要求16所述的发动机，其中所述发动机是汪克尔发动机，具有定子体和转子体，定子体具有界定出具有带两个凸角的外旋轮线形状的内部空腔的壁，并且转子体具有三个周向间隔开的顶点部分，转子体被接合至轴杆的偏心部分以在空腔内执行沿轨道的公转，每一个顶点部分都保持与周边的一个定子壁密封接合并分隔出在围绕转子体的空腔内界定出的三个旋转室。
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