CN103249928B - 可用作动力源或泵的发动机 - Google Patents

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Abstract

本文公开了一种发动机，该发动机包括相对于输出轴安装的转子，该转子具有一个或多个布置在转子中或转子上的活塞汽缸组件。一个或多个活塞汽缸组件的一个或多个纵向轴的朝向与转子的外周轮缘相切。转子或输出轴具有耳状凸轮，该耳状凸轮以和转子相比相同、更大或更小的速率转动，并且其中，通过压缩和燃烧，每个活塞相对于发动机的静止部分持续地转动转子。

Description

可用作动力源或泵的发动机
技术领域
本发明涉及发动机，具体地，涉及可用作动力源或泵的发动机。
背景技术
一般认为，大多数活塞本身就是低效的。这种低效出于众多原因，包括活塞的运动以及每个活塞不时的静止状态或处于推进状态的事实，这降低了发动机曲柄处可用的能量。同样地，在每个压缩或泵冲程期间需要能量来将活塞移动到其孔的顶部。
现有内燃机低效的另一原因在于能量用于运行齿轮、凸轮和其他使发动机运行所必需的设备。能量的这种使用导致效率降低，并且，在最终分析中，仅小百分比的输入能量被转换成发动机的输出。
旋转式发动机克服了上述缺陷中的一些。然而，旋转式发动机结构复杂并且在移动部件之间存在密封问题。尽管旋转式发动机大幅度地改变了标准活塞和汽缸发动机的设计，但它们导致了复杂的密封和设计问题，而这些问题又可能导致可靠性问题。
混合动力发动机是另一种类型的已知发动机。EP0964136描述了混合动力发动机的一个实例，其是旋转式发动机配置，发动机的机体限定具有多个孔的圆柱形转子，这些孔对发动机机体外周附近的燃烧室打开。活塞位于每个孔中。每个活塞具有其自有的曲柄，而经由行星齿轮布置将旋转传递到发动机机体/转子。入口、火花塞和出口以与常规旋转式发动机相同的方式布置在发动机壳体的外周周围。这种配置的发动机的优点在于：活塞的移动/功率几乎完全地转换成发动机的旋转运动，由此和常规活塞发动机相比，每尺寸/重量所产生的功率输出较大。另一优点在于发动机的旋转特性使其不需要使用阀，由此排除了常规发动机中的与阀损坏相关的问题。这样的发动机在联接活塞杆和转子的行星齿轮变速箱中仍然具有严重的密封和损耗问题。
AU 8496/27描述了另一种混合动力发动机。这种发动机具有连续旋转的汽缸组，其与主转动件相切。相应的活塞间歇地旋转。活塞连接到绕着旋转中心枢转的活塞杠杆上。为了实现这种发动机的正常运行，必须锁定活塞以防止其在燃烧期间以任一方向移动，从而能量可以经由汽缸转移到转动件上。在燃料之后，活塞必须加速至转动件速度的两倍，从而返回到上止点以用于下次燃烧冲程。因此，需要齿轮和杠杆的精密布置来以这种方式运行活塞。由于活塞必须以转动速度的两倍运行，因此活塞从静止位置移动到上止点的能力限制了发动机的最大速度。
除了上述的缺陷之外，在现有活塞发动机中，活塞在其冲程的顶部和底部所花的时间非常短，这是因为曲柄轴在到达活塞行程的终点的瞬间操作以改变方向。这降低了驻留(dwell)时间并导致燃烧室中的气体的不完全燃烧。这些未完全燃烧的气体在废气中排出，导致发动机的低效并且污染了大气。
发明内容
因此，本发明的目的在于提供一种运行高效并且经济的发动机。本发明的另一目的在于提供一种相对于其尺寸和重量来说具有高转动惯量和转矩的发动机。
本发明的又一目的在于提供一种能够以各种方式控制以迎合各种功能需求的发动机。
本发明的再一目的在于提供一种改善已知发动机的一些缺陷的发动机，或者至少为公众提供一种有用的替代选择。
在本发明的第一方面，提供了一种发动机，其包括相对于输出轴安装的转子，该转子具有一个或多个布置在转子中或转子上的活塞汽缸组件，一个或多个活塞汽缸组件的一个或多个纵向轴的朝向与转子的外周轮缘相切，转子或输出轴具有耳状凸轮，该耳状凸轮以和转子相比相同、更大或更小的速率转动，并且其中，通过压缩和燃烧，每个活塞相对于发动机的静止部分持续地转动转子。
每个活塞汽缸组件具有连接到杠杆元件上的活塞或连接杆，该杠杆元件相对于转子安装在支点或摆点上，该支点或摆点与转子和输出轴的轴偏置。每个杠杆元件在其近端具有适于在使用中与耳状凸轮接触的辊或类似物。
在该发动机的一种实施方式中，可以根据需要调整行程长度，从而增加或降低发动机输出。
在一个实例中，环形设计的电枢可以固定到转子上，并且固定绕组或其他结构径向地与该电枢同心布置，由此提供用于发电的装置，其不需要任何发动机外部的机构来产生电力。
本领域技术人员将轻易理解到，可以机械地布置相位校正，从而满足发动机速率，反之亦然。
一种替代的或同步的使用可以是将离心布置的流体泵/过滤器安装在转子上，从而经由转子的旋转形成通过泵/过滤器的离心诱导流。离心的清洁流体随后可通过该发动机的流体冷却变体的冷却系统加热至预定温度。因此，通过发动机的转动，可以最终产生电力和过滤的热流体。
下文将参考用作内燃机的发动机描述本发明。并不排除将发动机用作泵，并且这种用途在本领域技术人员的能力范围内。
附图说明
现在将结合图1描述本发明的实例，
图1示出了根据本发明的示例性四冲程发动机的横截面。
具体实施方式
图1示出了根据本发明的发动机的实例。尽管下述说明书是关于可用作发动机的单元，但应该意识到，本领域技术人员将领会到该单元可以用作泵。
发动机包括相对于未示出的适当壳体安装的转子1。转子1安装在输出轴2上。在该实例中，转子1具有一对汽缸3、3'，汽缸的安装使得其纵轴与转子1的外周相切。应该意识到，只要需要，在转子上可以安装两个以上的汽缸。转子1实际上作为飞轮以在发动机运行时对其产生额外的惯量。每个汽缸3、3'在孔4、4'中安装有活塞5、5'。每个汽缸3、3'及其附属的活塞5、5'可以是标准的活塞汽缸组件。每个活塞5、5'具有分别连接到杠杆元件7、7'上的活塞杆或连接杆6、6'。可选地，铰接的连接杆(未示出)可以用在每个汽缸中，从而在汽缸内直线化连接杆的运动。
每个杠杆元件7、7'相对于转子1安装在支点或摆点8、8'，摆点与转子1的轴和输出轴2偏置。每个杠杆元件7、7'在其近端9处具有辊或类似物10、10'。
耳状凸轮11与转子1同心并且位于转子1的中心。在该实例中，耳状凸轮11在其外表面13上具有四个耳状物12。
在第一实施方式中，耳状凸轮11是固定不动的，从而转子1、杠杆元件7、7'及其相关的活塞5、5'是旋转的。
本领域技术人员将意识到，该发动机的运行不同于常规发动机，这是因为在燃料期间，活塞5、5'的运行是受控的，由此使得位于转子1上的汽缸3、3'移动。这导致了转子1和输出轴2的旋转。在所示实例中，移动的方向由箭头X示出。
随着汽缸3、3'和转子1的旋转，杠杆元件7、7'也旋转，这是由于其支点8、8'是同心布置的。辊10、10'跟随耳状凸轮11的表面13，由此将运行转移到杠杆元件7、7'。与连接杆端14、14'相比，杠杆元件7、7'的支点8、8'更靠近近端9。这意味着：相对而言，近端9、9'的较小运动将导致连接杆端14、14'移动更长的距离。
转子1上的汽缸3、3'的安装使得其纵轴与其外周15相切。
本领域技术人员将意识到，在某些情况下，辊10、10'可不跟随凸轮11的表面13，并且在这种情况下，可能需要通过包括外部颈(journal)或环16使辊10、10'保持与表面的接触，从而提供大体上与凸轮11的表面轮廓平行的表面。
在使用中，随着辊10、10'跟随凸轮11的表面13，活塞5、5'在汽缸3、3'的孔4、4'中移动。随着辊10、10'移动到耳状部12上，活塞5、5'移动到孔4、4'的上止点。用于燃烧的燃料和空气在活塞5、5'到达上止点之前被引入，并且通过未示出的点火装置以已知的方式点燃压缩燃料/空气混合物。与标准发动机运行的方式相反，并且由于活塞5、5'不能向后移动，燃料的燃烧导致汽缸3、3'移动远离活塞5、5'，由此使得转子1以箭头X的方向移动，从而使输出轴2转动。
由于活塞5、5'枢转地经由活塞杠杆元件7、7'布置在转子1上，它们持续地随着转子1转动。相对于汽缸3、3'的速度和运动以及其位置可以由凸轮11上的耳状物12的形状控制，由此可以使活塞5、5'在汽缸5、5'中从上止点(TDC)到下止点所需的时间变长或缩短，从而管理转子1所经历的有效能量冲程。
尽管所示实施方式利用了与转子1同心布置的凸轮11，但能够使用两个或多个布置在杠杆元件7、7'的近端9、9'附近的凸轮11的实施方式也是可能的。两个或多个活塞控制器可以通过齿轮或正时皮带来联接和正时，并且将运动独立地传递到其邻近的杠杆元件7、7'。这种布置适用于具有大直径转子1的发动机，并且将使得能够利用较短的杠杆元件7、7'。尽管这样的实施方式是可能的，但其并不是优选的，因为其引入了额外的齿轮和正时机构，由此降低了发动机的简单程度。
本发明的一个优势在于：当需要发动机的功率输出增加时，凸轮11以与所有其他移动组件相同的速率和方向转动或者转动得更快。
该发动机的另一优势在于发动机实际上能够成为转子转动时的“自由轮”，而发动机的其他部件均不移动。根据需要，发动机的压缩比可以提高或降低。
对本领域技术人员来说显而易见的是，根据本发明的发动机可以运行为两冲程或四冲程发动机。
图1示出了四冲程流体冷却发动机，但该设计设想了比示出的冲程更多或更少的冲程，以及/或者空气冷却。四个活塞冲程是吸气、压缩、燃烧(或膨胀)以及排气冲程。本领域技术人员将意识到，在图1所示的实施方式中，辊10和10'同时倚靠在耳状物12上，迫使两个活塞5、5'同时或大约同时到达上止点。正时皮带(由虚线17表示)可以控制汽缸头阀(未示出)的运行。因此，一种典型布置可以使得当活塞5处于压缩冲程时，直径上相对的活塞5'将处于排气冲程。本领域技术人员将意识到，利用该发动机配置，可能将其运行为四冲程发动机，其中活塞汽缸组件顺序地或同步地点火。
对本领域技术人员来说显而易见的是，任意数量的汽缸可以布置在转子1的轮缘15周围，并且通过阀、点火火花的适当正时以及凸轮11上的耳状物12的定位，可以实现各种点火顺序。点火火花的正时可以通过由转子1的轴直接驱动的机械式分电器或者通过正时皮带上的齿轮，或者是压缩点火设计。
可选地，电子式分电器可以利用传感器(transducer)，该传感器适于检测转子1或凸轮11的角度位置，从而形成点火。
由于该发动机的设计，其适于“垃圾-能源”类型的燃料，因此可以具有来自多个安装在每个燃烧室内的火花塞的各种火花强度，并且根据需要，相同或多种燃料的同步递送是经由安装在每个燃烧室中的多个燃料喷射器，所有的喷射器可根据需要投入运行或闲置。
这种设计设想了优质燃料或压缩混合物燃料和/或点燃式燃料的同步以及可能的不断变化的供给，并且通过“爆燃监测”，系统可以在消耗燃料时评估燃料平衡需求并且布置后续的发动机设置。
在实践时，可以布置在单个转子1周围的汽缸的数量由用于与凸轮11啮合的重叠杠杆元件的物理尺寸和复杂性限制。在一种更实用的布置中，承载两个汽缸的一个或多个转子1中的每一个可以布置在共有的输出轴2上，从而如期望的那样产生2个、4个、6个或更多个汽缸发动机。还应该意识到，发动机可以仅具有一个汽缸。在单汽缸实施方式中，转子1必须通过一个或多个与汽缸、活塞和杠杆元件相对的配重来平衡。
在替代构造(未示出)中，凸轮11可以相对于转子1轴向地旋转，由此调整活塞5、5'在其孔4、4'中的驻留时间，从而在需要额外功率时调整发动机的功率输出。实际上这是一种可变速率的曲柄箱操作的发动机，该发动机经由汽缸头和大体上静止的活塞杠杆凸轮从转子获取能量。
在另一种替代构造中，可以通过用球面或曲面辊替代圆柱形辊10、10'、用斜坡(在侧视图中逐渐变细，同时接触辊9的尖端是平的)替代凸轮表面13而调整发动机的行程长度。换句话说，凸轮表面13的大直径仍然不变，而斜坡可以在内表面或外表面上逐渐变细，并且在耳状物之间的最小直径处变得最细。凸轮11的轴向移动允许辊9、9'相对于凸轮表面13的接触点不同，由此通过迫使活塞进一步向下移动到其孔中但总是在同一位置将活塞带到TDC而改变行程长度，并由此根据需要向上或向下调整功率输出。
本发明的另一优势在于活塞5、5'处于上止点或大约处于同一位置。
尽管在说明书中描述了具体机械整体，但本领域技术人员应该意识到，其替代方式可能因此被取代。
已经描述了本发明的具体实例，并且设想了可以进行改进和修改，而不脱离随附权利要求的范围。

Claims (22)

1.一种发动机，包括相对于输出轴安装的转子，该转子具有一个或多个布置在转子中或转子上的活塞汽缸组件，一个或多个活塞汽缸组件的一个或多个纵向轴的朝向与转子的外周轮缘相切，转子或输出轴具有耳状凸轮，该耳状凸轮以和转子相比相同、更大或更小的速率转动，
其中，每个活塞汽缸组件具有连接到杠杆元件上的活塞或连接杆，该杠杆元件相对于转子安装在支点或摆点上，该支点或摆点与转子和输出轴的轴偏置，杠杆元件在其近端与耳状凸轮接触；
其中，耳状凸轮表面在其侧视方向变细，从而凸轮的轴向移动允许辊相对于凸轮表面的接触点不同，由此根据需要改变行程长度；
并且其中，通过压缩和燃烧，每个活塞相对于发动机的静止部分持续地转动转子。
2.如权利要求1所述的发动机，其中，每个活塞汽缸组件具有铰接连接杆以在汽缸内直线化连接杆的运动。
3.如权利要求1所述的发动机，其中，每个杠杆元件在其近端具有适于在使用中与耳状凸轮接触的辊。
4.如权利要求3所述的发动机，其中，耳状凸轮相对于转子轴向旋转，由此调整活塞在其孔中的驻留时间，从而在需要额外的功率时调整发动机的功率输出。
5.如权利要求1所述的发动机，其中，每个杠杆元件在其近端具有球面或曲面辊，以与耳状凸轮表面接触，耳状凸轮表面在其侧视方向变细，而接触辊的尖端是平的。
6.如权利要求1所述的发动机，其中，在同一位置将活塞带到上止点，并由此根据需要向上或向下调整功率输出。
7.如任一前述权利要求所述的发动机，其中，凸轮与转子同心布置。
8.如权利要求1所述的发动机，其中多个凸轮位于杠杆元件的近端附近，控制凸轮的两个或多个活塞通过齿轮或正时皮带联接和正时，并且将运动独立地传递到其邻近的杠杆元件。
9.如权利要求1所述的发动机，其中，环形设计的电枢固定到转子上，并且固定绕组或其他结构径向地与该电枢同心布置，由此提供用于发电的装置，其不需要任何发动机外部的机构来产生电力。
10.如权利要求1所述的发动机，离心布置的流体泵安装在转子上，从而经由转子的旋转形成通过泵的离心诱导流。
11.如权利要求9或10所述的发动机，其中，离心的清洁流体随后通过该发动机的流体冷却变体的冷却系统加热至预定温度，从而通过发动机的转动，产生电力和过滤的热流体。
12.如权利要求1所述的发动机，承载两个汽缸的一个或多个转子中的每一个转子沿着共有的输出轴布置，从而产生2、4、6或更多个汽缸发动机。
13.如权利要求1所述的发动机，其中，具有来自多个安装在每个燃烧室内的火花塞的各种火花强度。
14.如权利要求1所述的发动机，其中，相同或多种的燃料的同步递送是经由安装在每个燃烧室中的多个燃料喷射器，所有的喷射器可根据需要投入运行或闲置。
15.一种泵，包括相对于输出轴安装的转子，该转子具有一个或多个布置在转子中或转子上的活塞汽缸组件，一个或多个活塞汽缸组件的一个或多个纵向轴的朝向与转子的外周轮缘相切，转子或输出轴具有耳状凸轮，该耳状凸轮以和转子相比相同、更大或更小的速率转动，
其中，每个活塞汽缸组件具有连接到杠杆元件上的活塞或连接杆，该杠杆元件相对于转子安装在支点或摆点上，该支点或摆点与转子和输出轴的轴偏置，杠杆元件在其近端与耳状凸轮接触；
其中，耳状凸轮表面在其侧视方向变细，从而凸轮的轴向移动允许辊相对于凸轮表面的接触点不同，由此根据需要改变行程长度；
并且其中，通过压缩和燃烧，每个活塞相对于发动机的静止部分持续地转动转子。
16.如权利要求15所述的泵，其中，每个活塞汽缸组件具有铰接连接杆以在汽缸内直线化连接杆的运动。
17.如权利要求15所述的泵，其中，每个杠杆元件在其近端具有适于在使用中与耳状凸轮接触的辊。
18.如权利要求17所述的泵，其中，耳状凸轮相对于转子轴向旋转，由此调整活塞在其孔中的驻留时间，从而在需要额外的功率时调整泵的功率输出。
19.如权利要求15所述的泵，其中，每个杠杆元件在其近端具有球面或曲面辊，以与耳状凸轮表面接触，耳状凸轮表面在其侧视方向变细，而接触辊的尖端是平的。
20.如权利要求15所述的泵，其中，在同一位置将活塞带到上止点，并由此根据需要向上或向下调整功率输出。
21.如前述权利要求15-20中任一权利要求所述的泵，其中，凸轮与转子同心布置。
22.如权利要求15所述的泵，其中多个凸轮位于杠杆元件的近端附近，控制凸轮的两个或多个活塞通过齿轮或正时皮带联接和正时，并且将运动独立地传递到其邻近的杠杆元件。
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