CN104903544B - 循环式活塞发动机 - Google Patents

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Abstract

一种例如循环式活塞发动机这样的发动机，其包括限定了环形孔的壳体、活塞组件和阀。活塞组件设置在环形孔内并且构造成联接至驱动机构。阀构造成间歇性地设置在环形孔内，以便相对于活塞组件限定燃烧室。

Description

循环式活塞发动机
背景技术
常规的活塞发动机包括用于驱动曲轴的多个气缸组件。为了驱动曲轴，各个气缸组件都需要例如由燃料泵经由燃料喷射器提供的燃料。在运行期间，各个气缸组件的火花塞点燃从燃料喷射器接收的燃料/空气混合物并致使混合物膨胀。点燃的混合物的膨胀使气缸组件中的活塞在气缸组件的壳体内移动，以使曲轴旋转。
发明内容
与常规的活塞发动机相比，本发明的实施例涉及一种循环式活塞发动机。在一种配置方案中，所述循环式活塞发动机包括：壳体，所述壳体限定了环形孔，所述孔围绕所述壳体的外周延伸；和一组活塞，这一组活塞设置在所述孔内并且固定到驱动机构或驱动轴。所述发动机还包括一组阀，这一组阀可动地设置在所述孔内，各个阀构造成用以相对于对应的活塞限定临时的燃烧室。
在运行期间，当阀被设置在第一位置时，各个阀相对于对应的活塞限定燃烧室，燃料喷射器将天然气/空气的混合物引入到燃烧室中，并且火花塞点燃混合物。混合物的燃烧在各个活塞上(例如在沿着驱动机构的旋转方向与环形孔基本相切的方向上)产生对应的力并且在环形孔内向前推动活塞。随着各个活塞朝向随后设置的阀前进，各个阀运动到环形孔内的第二位置，以允许各个活塞转动经过对应的阀。接下来，发动机将各个阀在孔内重新定位到第一位置，以用对应的活塞限定燃烧室并且再次开始工作过程。因此，随着这一组活塞围绕发动机的周边旋转，驱动机构产生相对较大的转矩，例如约4500英尺磅(ft-lbs)的平均转矩。在点燃时，驱动机构能够产生约10000ft-lbs的转矩。通过各个活塞和驱动机构之间的相对较大的力臂以及施加到每个活塞的90°方向的力来产生这些转矩。
在一种配置方案中，由发动机壳体限定的环形孔具有相对较大的周长。在运行期间，当由活塞划分时，这将导致相对较长的冲程距离，该相对较长的冲程距离要使用通过燃烧室内的燃料/空气混合物的燃烧所产生的能量中的较高的百分比。另外，活塞在环形孔内的基本连续的运动缩短了各个活塞暴露于燃烧热量中的持续时间，由此为发动机提供了相对较高的热效率(例如相对于基于曲轴的发动机而言)。而且，发动机的燃料输送系统的结构允许在独立于燃烧过程但是与燃烧过程并行的过程中将燃料输送到发动机。实际上，这就形成了单循环发动机，其中，燃烧过程基本连续并且相对于常规发动机而言能够增加发动机的动力输出(例如，增加至约685马力@800RPM)。因此，与常规的活塞发动机相比，这种发动机构造导致输送更精确的燃料比、燃料/空气混合物的更充分的燃烧以及更短的高温持续时间。这就能够减小由发动机产生并且作为排气的一部分输出的污染物的数量并且能够将发动机的效率提高大约60％。
在一种配置方案中，本发明的实施例涉及一种发动机例如循环式活塞发动机。所述发动机包括限定了环形孔壳体、活塞组件和阀。活塞组件设置在环形孔内并且构造成联接至驱动机构。阀构造成间歇性地设置在环形孔内，以便相对于活塞组件限定燃烧室。
附图说明
根据以下对在附图中示出的本发明的特定实施例的说明，前述和其它的目的、特征和优点将是显而易见的，在不同的视图中，相同的附图标记表示相同的部件。附图并非必然按比例绘制，而是将重点放在图解本发明的各个实施例的原理上。
图1图解了根据一种配置方案的发动机的俯视横截面示意图，所述发动机具有设置在壳体内的第一位置处的活塞组件。
图2A图解了根据一种配置方案的图1中的环形孔的一部分的局部截面图。
图2B图解了根据一种配置方案的图2A中的环形孔的一部分的局部截面图。
图3图解了根据一种配置方案的图1中的发动机的俯视横截面示意图，所述发动机具有设置在壳体内的第二位置处的活塞组件。
图4图解了根据一种配置方案的图1中的阀的配置方案的正视图。
图5图解了根据一种配置方案的图4中的阀的后视图。
图6图解了根据一种配置方案的设置在发动机中的图4中的阀。
图7A图解了根据一种配置方案的联接至图4中的阀的切换机构的配置方案。
图7B图解了根据一种配置方案的图7A中的摇臂的透视图。
图8图解了图6中的发动机的压缩机的配置方案。
图9A图解了根据一种配置方案的进气组件的俯视示意图。
图9B图解了图9A中的进气组件的可旋转板的透视剖视图。
图9C图解了图9B中的进气组件和燃料分配组件的示意图。
图10图解了设置在阀和花键筒形凸轮之间的摇臂的透视图。
具体实施方式
本发明的实施例涉及一种循环式活塞发动机。在一种配置方案中，所述循环式活塞发动机包括：壳体，所述壳体限定了环形孔，所述环形孔围绕壳体的外周延伸；和一组活塞，这一组活塞设置在孔内并且固定到驱动机构或驱动轴。发动机还包括一组阀，这一组阀可动地设置在孔内，各个阀构造成用以相对于对应的活塞限定临时的燃烧室。
图1图解了根据一种配置方案的循环式活塞发动机10的俯视横截面示意图。发动机10包括壳体12，所述壳体12限定了环形通道或孔14并且包含活塞组件16和阀组件18。
环形孔14设置在壳体12的外周上。尽管环形孔14能够构造成各种尺寸，但是在一种配置方案中，环形孔14构造成相对于活塞组件16的旋转轴线21具有约十二英寸的半径15。正如将在下文描述的那样，通过这样的构造，环形孔14的相对较大半径15将发动机燃烧室设置成与旋转轴线21相距最大距离并且允许活塞组件产生作用于相关驱动机构20(例如设置在旋转轴线处的驱动轴)的相对大的转矩。
环形孔14能够构造成包括具有各种形状的横截面区域。例如，参照图2B，在活塞组件16的活塞24构造成限定了大体矩形的横截面区域25的情况下，环形孔14也能够限定对应的矩形横截面区域27。在这样的配置方案中，环形孔14的横截面区域27大于活塞24的横截面区域25，以便允许活塞24在运行期间在环形孔14内行进。
参照图1，在图解的配置方案中，活塞组件16设置在环形孔14内并且经由飞轮22联接至驱动机构20。尽管活塞组件16能够包括任意数量的个体活塞24，但是在图解的配置方案中，活塞组件16包括四个活塞24-1至24-4，这四个活塞围绕飞轮22的周边设置。尽管活塞24能够围绕飞轮22的周边设置在不同的部位，但是在一种配置方案中，相对的活塞设置成相对于彼此成大约180°的角取向并且相邻的活塞设置成相对于彼此成大约90°的角取向。例如，如图所示，第一和第三活塞24-1、24-3在飞轮22上设置成相对于彼此成大约180°并且第二和第四活塞24-2、24-4在飞轮22上设置成相对于彼此成大约180°。另外，第一和第二活塞24-1、24-2在飞轮22上设置成大约90°的相对角取向，第二和第三活塞24-2、24-3在飞轮22上设置成大约90°的相对角取向，第三和第四活塞24-3、24-4在飞轮22上设置成大约90°的相对角取向，第四和第一活塞24-4、24-1在飞轮22上设置成大约90°的相对角取向。
在运行期间，活塞组件16中的活塞24构造成在环形孔14内旋转。如图所示，活塞24构造成沿顺时针方向在环形孔14内旋转。然而，应当注意的是，活塞也能以逆时针方式在环形孔14内旋转。这样的旋转致使驱动机构20旋转。
阀组件18包括一组阀30，这一组阀构造成相对于活塞组件16的相应活塞24限定燃烧室26。例如，尽管阀组件18能够包括任意数量的个体阀30，但是在图解的配置方案中，阀组件18包括阀30-1至30-4，这些阀设置在壳体12的环形孔14中。尽管阀30能够围绕壳体12的周边设置在不同的部位处，但是在一种配置方案中，相对的阀设置成相对于彼此成大约180°的角取向，并且相邻的阀设置成相对于彼此成大约90°的角取向。例如，如图所示，第一和第三阀30-1、30-3围绕壳体12的周边设置成相对于彼此成大约180°并且第二和第四阀30-2、30-4围绕壳体12的周边设置成相对于彼此成大约180°。另外，第一和第二阀30-1、30-2围绕壳体12的周边设置成大约90°的相对角取向，第二和第三阀30-2、30-3围绕壳体12的周边设置成大约90°的相对角取向，第三和第四阀30-3、30-4围绕壳体12的周边设置成大约90°的相对角取向，第四和第一阀30-4、30-1围绕壳体12的周边设置成大约90°的相对角取向。在这样的配置方案中，阀组件18的阀30的相对定位对应于活塞组件16中的活塞24的相对定位。
阀组件18的各个阀30可动地设置在环形孔14内，以便相对于对应的活塞24形成临时的燃烧室26。例如，在运行期间，活塞组件16的各个活塞24在环形孔14内旋转并且朝向阀组件18的阀30旋转。以活塞24-1和阀30-1为例，并且参照图2A，随着活塞24-1在环形孔14内相对于对应阀30-1从远侧位置转移到近侧位置，阀30-1相对于环形孔14被设置在第一位置。在第一位置处，从环形孔14内的活塞24-1的行进路径中至少部分地收回阀30-1，以便允许活塞24-1沿着其行进路径前进。参照图2B，当活塞24-1抵达环形孔14内的指定部位时(例如，一旦活塞24-1经过阀30之后)，阀30-1相对于环形孔14运动到第二位置(例如关闭位置)，如图所示。利用这样的定位，阀30-1相对于活塞24-1限定燃烧室26-1并且被构造为隔板，燃烧能够对隔板做功以产生动力。
例如，在每个阀30均设置在如图1所示的关闭位置的情况下，燃料喷射器32随后将燃料-空气混合物34输送到相关的燃烧室26中，然后，由例如火花塞这样的点火装置(未示出)点燃燃料-空气混合物34。当点火装置以基本同时的方式点燃全部四个燃烧室26-1至26-4中的燃料-空气混合物34时，燃料-空气混合物34针对各个阀30-1至30-4的膨胀产生作用于各个对应活塞24-1至24-4的负荷36，以沿着由环形孔14限定的旋转行进路径推动各个活塞24-1至24-4。
参照图3，各个活塞24-1至24-4在孔14内沿着相对较大的冲程距离(例如介于约12英寸到15英寸之间的距离)朝向下一个阀30行进。在孔14中的特定点处，例如在如图1所示的冲程长度13的终点处，各个活塞24通过对应的排气口38(即设置在随后的阀30近侧)，所述排气口将包含在腔室26中的废气排放到大气中。例如，随着活塞24-1通过排气口38-1，包含在位于活塞24-1和阀30-1之间的腔室26-1中的废气能够经由排气口38-1离开腔室26-1。
在一种配置方案中，排气口38构造成被动端口，所述被动端口开向大气环境并且不需要机械部件。在一种配置方案中，各个排气口38构造成相对较大，以便为发动机10提供高效的排放。例如，活塞24和阀30之间的冲程距离(例如介于约12英寸和15英寸之间的冲程距离)能够形成各个排气口38的一部分，以便增加端口38的总长度。
另外，随着每个活塞24接近随后设置的阀30，各个阀30相对于对应活塞24从第二关闭位置(图1和图2B)运动至第一位置(图3和图2A)。例如，随着活塞24-1接近阀30-2，从孔14至少部分地收回阀30-2，以便允许活塞24-1运动经过阀30-2。一旦各个活塞24平移至对应的阀30远侧的部位，对应的阀30就运动到第一位置并且再次开始工作过程。因此，在运行期间，发动机10能够产生高达每转16次燃烧事件(即，四个活塞24中的每一个在单次旋转中都经历高达四次燃烧事件)，由此致使活塞组件16旋转驱动机构20。
在使用中，活塞24和阀组件16设置在发动机壳体12的外周处，例如，设置成与驱动机构20相距大约十二英寸的距离。在将燃烧力沿着与旋转方向相切并且与驱动机构20相的距离15相垂直的方向施加到活塞24的情况下，这样的燃烧力能够最大化作用于驱动机构20的转矩。另外，活塞24的相对较长的冲程路径、排气口38的存在以及发动机10定制在孔14内产生的燃烧事件次数的能力能够增强发动机10的性能。例如，发动机10能够产生相对大量的连续功率(例如约685马力@800RPM)并且相对于效率为大约25-30％的常规发动机产生相对较高的转矩(例如约4500ft-lbs的平均转矩)和相对较高的效率(例如约60％的效率)。
在一种配置方案中，与当前发动机相比，发动机10的运转能够显著地减少污染物。例如，除了其它因素之外，相对较长的冲程距离能够减少燃烧室26中所包含的未燃尽的碳氢化合物和一氧化碳。因为在燃烧期间所形成的量与温度和停延时间成比例，所以氮氧化物也会减少。因为缩短了停延时间，所以活塞24在孔14内的快速和连续的运动能够减少氮氧化物的形成。
如上所述，发动机10能够产生相对大量的转矩(例如是常规发动机所产生的转矩的15倍)。在常规的活塞发动机中，需要复杂的六速(以及更大)的变速箱来倍增发动机的转矩，以用于提供足够的性能，这增加了变速箱的重量、成本和复杂性。然而，因为上述的发动机10产生了相对更大量的转矩，所以发动机较之常规发动机需要更小的齿轮比，并且因此使用更轻和成本更低的变速箱。
还应当注意的是，能够通过调节发动机10内的燃烧事件(即，活塞30和爆震机构的点火顺序)来管理由发动机10产生的相对较高的转矩。例如，每个活塞24都能够每转经历四次燃烧，以使整个活塞组件16每转总共经历十六次燃烧。为了根据需要控制发动机10的功率和输出转矩，发动机10在任何情况下都能够每转点火一次至十六次。例如，燃烧室26围绕周边设置并且能够独立于彼此进行点火。这允许通过每转进行一次至十六次的燃烧事件的点火来调节活塞24在环形孔内的速度以及调节由发动机10产生的动力或输出转矩。发动机10的这种结构与常规发动机中使用的节流阀形成对比，所述节流阀管理空气流量并且相对低效。
如上所述，阀组件18中的每一个阀均可动地设置在环形孔内，以便相对于对应活塞24形成临时的燃烧室26。阀组件18和阀30能够以各种方式构造以便提供这样的临时燃烧室。图4至图7图解了具有阀130的阀组件118的一种配置方案，所述阀130构造成在孔14内往复运动。
在一种配置方案中，阀组件118包括壳体129，其中，阀130可旋转地联接至壳体129。阀130构造成在壳体129内的第一位置和第二位置之间枢转，所述第一位置允许活塞24在环形孔14内行进经过阀130，所述第二位置相对于活塞24限定燃烧室26。例如，阀130构造成具有凹口，所述凹口相对于壳体10的环形孔14限定通道135。当阀130设置在第一位置时，如图4和5所示，通道135构造成允许活塞24在环形孔14内的位于阀组件118近侧的第一部位(例如由图3所示的阀30-1相对于活塞24-4的部位)和位于阀组件118远侧的第二部位之间行进。随着阀130在壳体129内沿着方向139枢转或旋转，阀130的隔板部分137进入到环形孔14中，以便与活塞24一起限定燃烧室26，如图6所示。
在一种配置方案中，发动机10的燃料喷射器32的一部分与阀130形成为一体。例如，参照图4至图6，壳体129包括燃料源端口133，所述燃料源端口133设置成与由阀130限定的一组开口141(参见图7A)流体连通并且与燃料源和空气源或进气组件250(参见图6和图9A至图9C)流体连通。在运行期间，阀130构造成将来自燃料源的燃料和来自空气源250的空气在燃烧室26内组合成燃料-空气混合物，如图6所示。
在一种配置方案中，阀130在壳体129内的旋转能够对燃料和空气的从燃料源端口133到阀130的一组开口141的输送继而到燃烧室26的输送进行控制。例如，当阀130设置在第一位置时，如图4和图5所示，一组开口141能够与壳体129的壁对准，以使得一组开口141脱离与燃料源端口133的流体联接。在这种配置方案中，壁壳体129阻止将燃料和空气从燃料源和空气源250输送至开口141。因此，随着活塞24旋转经过阀130，阀130不能将燃料或空气输送到环形孔14中。当阀130旋转至如图6所示的第二位置时，一组开口141与燃料源和空气源250对准并且经由燃料源端口133流体联接至燃料源和空气源250。因此，利用这样的定位，阀130能够将燃料和空气引入到限定在活塞24和阀130之间的燃烧室26中。
在第二关闭位置和第一打开位置之间的阀130的致动利用同步致动机构以在运行期间限制或防止循环活塞24和阀130之间的机械接触。常规发动机利用凸轮和凸轮从动件将阀驱动到打开位置并利用重型回位弹簧使阀运动到关闭位置。然而，常规发动机中的回位弹簧能够因回位弹簧在高操作频率下的共振而引发问题。当发动机的运转频率匹配弹簧的固有频率时，在弹簧中会发生共振，这就会将阀设置在除了由凸轮的运动限定的位置以外的位置。
另外，共振能够导致产生被称为阀浮动的现象。在共振振荡的情况下，回位弹簧不能存储足够的能量以对阀的质量加速。结果，阀在基本静止不动的位置有效地浮动。因此，随着凸轮从动件离开并且重新接触凸轮表面，凸轮从动件和凸轮面之间的接触产生接触应力(被称为“冯·米塞斯(von Mises)应力”)。如果接触应力超过凸轮表面的屈服强度，则能够擦伤凸轮表面。
尽管能以多种方式致动壳体129内的阀130，但是在一种配置方案中，为了最小化由阀的可能共振引发的问题，阀组件118包括切换组件155，如图4、5和7A所示，所述切换组件155构造成在壳体129内切换阀130。切换组件155构造成当将阀130定位在第一和第二位置之间时在阀130上施加正负荷(即，将推力/推送动作施加在阀130的相对端部上)。例如，参照图7A，切换组件155可以包括联接至阀130的第一端部158的第一臂157和联接至阀130的第二端部160的第二臂159。在运行期间，第一臂157构造成产生沿着正移动方向作用在阀130的第一端或近端158上的第一线性正负荷162，以使阀130朝向第一位置枢转，如图4和图5所示。此外，在运转期间，第二臂159构造成产生沿着正移动方向作用在阀130的第二端或远端160上的第二线性正负荷164，以使阀130朝向第二位置枢转，如图6所示。
能够以多种方式致动切换组件155。在一种配置方案中，如图7A所示，切换组件155的臂157、159联接至凸轮组件165，所述凸轮组件165包括：筒形凸轮(例如共轭花键筒形凸轮170)、摇臂174、和切换元件176，所述切换元件176联接在摇臂174以及第一和第二臂157、159之间。
共轭花键筒形凸轮170针对每个阀130限定了花键轮廓180。凸轮170的轮廓180包括突出部分182、驻留部分186和下陷部分184以在运行期间限定阀130的相对运动。在运行期间，随着凸轮围绕纵向轴线172旋转，轮廓180通过摇臂174和切换元件176使得阀130振荡运动。
摇臂174构造成将轮廓180的运动转换成切换元件176的往复运动。例如，摇臂174包括第一凸轮从动件188和第二凸轮从动件190，每个所述第一凸轮从动件188和所述第二凸轮从动件190均设置在凸轮170的轮廓180的近侧。摇臂174包括滑动/枢转接合件192，所述滑动/枢转接合件192响应摇臂174的运动而围绕轴向轴线194致动切换元件176。因为切换元件176的全角运动被均匀等分，所以当一个臂或推杆157沿着一个方向运动时，另一个臂或推杆159就沿着相反方向移动相等的量。因此，当打开和关闭燃烧阀130时，凸轮组件165在运行期间基本实现了零反冲。
在运行期间，随着共轭花键筒形凸轮170围绕轴线172旋转，凸轮170的花键轮廓或者元件180致动臂157、159以在第一和第二位置之间驱动阀130。例如，凸轮轮廓180将阀130驱动至打开位置并且当活塞24经过时保持打开，然后在活塞245已通过后将阀130驱动到关闭位置。
在一种配置方案中，为了增加切换组件155和凸轮组件165的寿命并降低摩擦损耗，所有接合件均能够构造成滚柱轴承，所述滚柱轴承能够被加压润滑或设置在油浴中。在一种配置方案中，捕获凸轮轮廓180的两个凸轮从动件188、190由顺应性材料形成，以便允许运转期间摇臂174、两个凸轮从动件188、190和摇臂174的相对枢转位置的公差失配。
尽管公差能够保持在最小化或防止反冲的标准，但是这样的标准会增加制造过程的成本。在一种配置方案中，为了限制使用公差标准，并且参照图7B，经由菱形销196将第二凸轮从动件190固定到摆动杆195。摆动杆195继而经由弹簧机构197联接至摇臂174。菱形销196在保持第一凸轮从动件188的位置的同时允许第二凸轮从动件190沿着一个方向198做相对较小的运动。在图7B示出的应用中，菱形销196允许凭借压缩力不间断地调节凸轮从动件188、190之间的距离199，而且保持第二凸轮从动件190相对于其自身枢轴点的径向位置。因此，利用构造成将预加载力施加在花键轮廓180上的第一凸轮从动件188和第二凸轮从动件190，摇臂174作为凸轮组件165的一部分将公差标准最小化。
通过在切换组件155和凸轮组件165中不设置弹簧来确保由凸轮轮廓180严格地控制阀位置，这对于发动机10的功能至关重要并且能够限制或者防止循环活塞24和阀130之间的任何接触。在因统计故障而发生接触的情况下，阀130设计成沿着与循环活塞24相同的方向运动而在发生故障的情况下极有可能被设置在关闭位置。
常规发动机利用四个阶段或循环来产生动力。这些循环包括：进气循环，所述进气循环通过活塞收回而经由阀系统提供空气和燃料的输入；压缩空气和燃料的后续压缩循环；点火/燃烧/动力循环；和排放循环，所述排放循环通过单独的阀系统强制排放燃烧副产品。由包含在发动机气缸内的活塞以连续的方式执行这四个阶段。
在常规活塞发动机中，通过燃烧包含在气缸内的空气和燃料混合物产生的高温气体的压力能够造成窜漏，在窜漏处，高温气体和它们的腐蚀性副产品被推动经过活塞环进入到发动机内部。当气体和副产品进入发动机中时，它们能够燃烧被包含在气缸内的一部分润滑油，由此增加污染物的生成和对供油的污染。结果，常规发动机需要相对频繁地更换机油。另外，常规活塞发动机不允许相对较高的压缩比，原因在于由相对较长的停延时间导致产生的爆震/自燃可能会损坏活塞和气缸壁。
参照图8，发动机10可以包括压缩机200，所述压缩机200构造成执行：进气循环，以便将空气和燃料输送到发动机10中；和压缩循环，以便压缩空气和燃料。压缩机200独立于由阀和活塞组件16、18执行的做功和排气循环而执行上述的进气和压缩循环。通过使压缩过程与燃烧过程分离，正如在常规发动机中所做的那样，压缩机200允许发动机10仅利用空气压力启动运转。例如，压缩机200能够构造成将压缩空气从容器注入到活塞24和先前关闭的阀30之间的燃烧室26中。这种注入使活塞24运动到环形孔14中的下一个位置以用于再次点火。为了确保活塞24的位置准确，在关闭发动机10以确保活塞24用于重启的准确定位时可以对飞轮22施以较小的制动。因此，将压缩机200用作发动机的一部分能够最小化或者消除如在常规发动机那样对启动马达的需求，并且能够减小与发动机10相关联的总体的尺寸、重量和成本。
在一种配置方案中，压缩机与发动机同步运转。例如，压缩机200通过传动系统202连接到由发动机10提供动力的驱动机构20。传动系统202能够构造成带和齿轮系统，所述带和齿轮系统包括一组带204-1、204-2和对应的齿轮206-1、206-2。如图所示，第一带204-1操作性地联接至发动机10的驱动机构或驱动轴20并且联接至第一齿轮206-1，第二带204-2操作性地联接至第二齿轮206-2和压缩机轴207，并且第一齿轮206-1经由轴209操作性地联接至第二齿轮206-2。在一种配置方案中，为了涵盖介于约0至155英里/小时(mph)的速度范围，可以使用介于约1.00:1(例如提供约60mph的速度)和2.57:1(例如提供约155mph)的速度之间的齿轮比(即，包括倒档齿轮和变速齿轮)。这样的构造可以使用四速变速箱，其中，倒档齿轮比为1:1并且一档齿轮比也为1:1。这与具有六速变速箱的常规传动系形成对比，所述常规传动系的整体齿轮比从一档(例如最大速度30mph)的12.23:1到六档(例如最大速度155mph)的2.18:1。
传动系统202构造成改变压缩机转速与发动机转速的比，以便控制由压缩机200产生的压缩空气的体积并且控制与空气和燃料相关联的压缩比。例如，当传动系统202从驱动轴20接收旋转输入时，系统202将旋转输出施加在压缩机轴207上，以使轴207以比驱动轴20的旋转速率更快的速率旋转。这就以相对较高的压力产生了大量的空气。因此，传动系统202允许压缩机200以各种转速比/转速运行，从而优化性能。
在运行期间，压缩机200产生相对高压的空气，这些相对高压的空气随后与来自靠近燃烧室26的喷射器的燃料混合。这就允许将空气/燃料混合物以非常高的压力(例如介于约150到200磅/每平方英寸(psi)之间的压力)输入到燃烧室26中。因此，空气/燃料混合物以相对较高的速度进入到燃烧室26中，以便在燃烧室26内形成有助于空气和燃料混合的湍流并且缩短输入时长(例如测定为几分之一毫秒)。空气/燃料混合物的高速和高压促进快速燃烧，这有助于发动机10的相对较高的效率。
如上所述，压缩机200构造成在运转期间独立于燃烧过程地执行由发动机使用的四个阶段或循环中的两个。这种结构允许孔14中的循环活塞24在运行期间专门执行第三阶段(例如产生基本连续的动力)。发动机10利用大的无阀端口被动地执行第四排放阶段，所述端口与孔14相关联并且开向空气处理系统和大气。当完成燃烧和膨胀时，活塞24经过排气口38并且从发动机排出腔室26内的废气。压缩机200与燃烧过程物理隔离和热隔离。因此，压缩机200不会经历窜漏，所述窜漏在常规的活塞发动机中涉及燃烧气体经过活塞环并进入曲轴箱的通道。常规的窜漏致使发动机积聚污染的废气，需要在排放到大气中之前处理所述废气。另外，在常规的活塞发动机中，被污染的排气与曲轴箱中存储的机油混合将显著缩短机油的寿命，导致更加频繁地更换机油。该机油自身在处置或重新使用之前也必须进行处理。
参照图6，如上所述，阀130构造成将燃料-空气混合物从燃料分配组件262输入到燃烧室26中。图9A至图9C图解了进气组件250和燃料分配组件262的示例性示意图。
如图所示，进气组件250包括壳体252，所述壳体252具有进气口254和出气口258。进气口254构造成从气源(例如高压气源)接收空气。出气口258选择性地设置成使壳体体积257和燃料分配组件262之间流体连通。
进气组件250还包括驱动组件270，所述驱动组件270构造成提供出气口258和壳体252的内部体积257之间的可选择连通。例如，驱动组件270包括：轴272，所述轴272设置成与发动机10和在轴272的端部处的例如涡轮这样的齿轮274操作性相连；和板278，所述板278可旋转地联接至壳体252。齿轮274设置成与围绕板278的外周设置在的一组对应的齿276操作性相连。板278构造成在壳体252内围绕纵向轴线280响应驱动组件270的轴向旋转而旋转。例如，在运行期间，轴272和齿轮274围绕纵向轴线282沿着顺时针方向的旋转致使板278在壳体252内沿着逆时针方向围绕纵向轴线280在壳体252内旋转。另外，板278限定了孔282，所述孔282构造成选择性地允许端口258和壳体体积257之间流体连通，正如下文详细所述。
参照图9C，燃料分配组件262位于进气组件250的近侧。燃料分配组件262构造成允许在组件壳体263内混合燃料和空气。至少一个燃料喷射器32附接到壳体263。
在运行期间，板278沿着旋转路径264设置有孔282，如图9A所示。随着板278沿逆时针方向朝向输出口258旋转，板278沿着路径264定位孔282。利用这种定位，板278遮挡输出口258以及壳体体积257，以便最小化或者防止它们之间的流体连通。因此，壳体体积257能够经由进气口254接收相对高压的空气。
随着孔282接近第一打开位置266，燃料喷射器32将燃料喷射到燃料分配组件262的壳体263中。随着板278继续沿着逆时针方向旋转，板278将孔282设置在第一打开位置，所述第一打开位置266使得孔282与出气口258对准。利用这种定位，紧接在燃料喷射之后，来自组件250的压缩空气被传输通过组件250的端口258并且进入到燃料分配组件262中，以使空气与悬浮的燃料267混合。然后，该混合物流经挠曲阀265并且进入到阀130的开口141中，如图6所示。附接到压缩机200的进气系统的抽气管线256抽取多余空气，从而降低组件262中的高压，由此允许燃料喷射器32针对以较低压力运转的下一个循环进行操作。
在将空气输送到燃料分配组件262之后，板278使孔282逆时针旋转经过出气口258，以便允许将增压空气引入到体积257中，以用于接下来的燃料分配循环。
尽管已经具体示出并且描述了本发明的各种实施例，但是本领域技术人员应当理解的是，在不背离本发明的由所附权利要求限定的精神和范围的前提下可以就其形式和细节进行各种修改。
例如，如上所述，活塞组件包括四个活塞并且阀组件包括四个阀。这仅仅是示例性描述。在一种配置方案中，活塞组件可以包括第一活塞和第二活塞，所述第一活塞设置在环形孔内与第二活塞大体成180°的位置处。另外，阀组件可以包括：第一阀，所述第一阀设置在壳体内的第一部位处；第二阀，所述第二阀设置在壳体内的第二部位处，所述第二阀沿着环形孔设置在相对于第一阀大体成180°的位置处。
如上所述，阀组件118包括切换组件155，如图4、5和7A所述，所述切换组件155构造成用以切换壳体139内的阀130。如上所述，切换组件155的臂157、159联接至凸轮组件165，所述凸轮组件165包括筒形凸轮(例如共轭花键筒形凸轮170)、摇臂174以及联接在摇臂174与第一和第二臂157、159之间的切换元件176。在运行期间，第一臂157构造成产生沿着正移动方向作用在阀130的第一端部158上的第一正负荷162，以使阀130朝向第一位置枢转，而第二臂159构造成产生沿着正移动方向作用在阀130的第二端部160上的第二正负荷164，以使阀130朝向第二位置枢转。这种描述仅为示例。在一种配置方案中，切换组件构造成具有减少数量的活动部件，所述活动部件扩展阀130和凸轮170之间的沿着阀130的旋转轴线的连接。
例如，参照图10，切换组件255包括阀支撑件231，所述阀支撑件231沿着阀130的纵向轴线233在阀130和摇臂174之间延伸。阀支撑件231的第一端部235联接至阀130而阀支撑件237的第二端部经由滑动/枢转接合件192可滑动地联接至摇臂170。尽管能够以各种方式构造阀支撑件231，但是在一种配置方案中，阀支撑件231构造成大体圆柱形的管状结构。
在运行期间，随着共轭花键筒形凸轮170围绕轴线172旋转，凸轮170的花键轮廓或者元件180使摇臂174沿着顺时针和逆时针方向围绕旋转轴线239摆动。响应于摇臂174的摆动，滑动/枢转接合件192将第一旋转负荷241和相对的第二旋转负荷243施加在阀支撑件231上，以使阀支撑件231和阀130围绕纵向轴线233振荡。这种振荡将阀130定位在阀壳体内的第一(例如打开)位置和第二(即关闭)位置之间。
通过使用阀支撑件231提供了具有相对较低转动惯量的切换组件255，这就相应地允许摇臂174以相对较高的速度在阀壳体内切换阀130。另外，因为阀支撑件231具有相对较少的部件，所以阀支撑件231降低了切换组件255在运行期间失效的可能性。
而且，阀支撑件231提供了具有较长使用寿命的切换组件255。例如，在运行期间，随着活塞24接近阀130，阀130必须运动到打开位置(即离开活塞的路径)，然后在相对短的时间内返回到关闭位置。一旦切换组件255使阀130运动到关闭位置之后，阀130就相对于活塞24限定了燃烧室并且以相对较高的速率建立腔室内的气体压力。燃烧室内的气体压力不仅产生了推动活塞24向前的力，而且还产生了作用在阀130自身上的大小相等且方向相反的力。通过将阀支撑件231构造成大体圆柱形的管状结构，阀支撑件231具有相对大的刚度，这增加了阀组件的整体刚度并且使故障最小化。
如上所述，阀组件18的每个阀30均可动地设置在环形孔内，以便相对于对应的活塞24形成临时的燃烧室26。例如，参照图2B，当活塞24-1抵达环形孔14内的指定部位时，阀30-1相对于环形孔14运动到第二位置。利用这种定位，阀30-1形成相对于活塞24-1的燃烧室26-1并且其构造成隔板，燃烧能够对所述隔板做功以产生动力。在一种配置方案中，能够在运行期间改变燃烧室26的尺寸，以便调节发动机的动力输出或效率。例如，能够通过改变将燃料输出到燃烧室26的燃料输入过程的持续时间以及通过相应地调节(例如延迟)点火时机来减小或者增大燃烧室26的体积。在增大燃烧室26的体积的情况下，发动机可以包括定位成毗邻相对较大的燃烧室26的第二火花塞(未示出)，以便加速扩大的腔室中的燃烧。
应当注意的是，能够修改燃烧室26的壁和燃料相对于阀的引入方向，以便产生用于空气/燃料混合物的各种几何行进路径。例如，燃烧室26的壁和燃料引入方向能够限定环形或其它的几何形状，以便加速点火和提高燃烧效率。
如上所述，为了根据需要控制发动机10的动力和输出转矩，发动机10可以在任何情况下每转点火一次至十六次。在一种配置方案中，发动机10能够构造成改变燃烧室26的点火顺序，以便降低发动机10的运转温度。例如，参照图1，在发动机10已经加速至特定的驱动机构20的速度的情况下，发动机10能够要求在发动机10内的活塞组件30的一转期间仅点火两个燃烧室26以便保持速度。为了最小化发动机温度，在第一转的循环中，能够点火第一燃烧室26-1和第三燃烧室26-3；而在第二转的循环中，能够点火第二燃烧室26-2和第四燃烧室26-4。当某些燃烧室26没有点火时，相对低温的空气流经这些燃烧室以及环形孔12，由此降低发动机10的运行温度。这就允许在运行期间使用更稀的燃料-空气混合物，由此提高发动机效率和空气质量。

Claims (13)

1.一种发动机，包括：
壳体，所述壳体限定了环形孔；
活塞组件，所述活塞组件设置在环形孔内，所述活塞组件构造成用以联接至驱动机构；和
阀，所述阀构造成用以在环形孔内可动地设置在第一位置和第二位置之间，在第一位置处，所述阀允许活塞组件在环形孔内从阀近侧的第一部位行进至阀远侧的第二部位，在第二位置处，所述阀相对于在第二部位处的活塞组件限定燃烧室；
其中，阀构造成用以在第一位置和第二位置之间枢转；以及
凸轮组件，所述凸轮组件包括：
共轭花键筒形凸轮，所述共轭花键筒形凸轮围绕共轭花键筒形凸轮的外周限定花键轮廓，所述共轭花键筒形凸轮构造成用以使花键轮廓围绕旋转轴线旋转；
摇臂，所述摇臂具有设置在共轭花键筒形凸轮的花键轮廓近侧的凸轮从动件，所述摇臂构造成用以响应于共轭花键筒形凸轮的花键轮廓围绕旋转轴线的旋转而围绕枢转接合件旋转；和
设置在摇臂和阀之间的切换机构，所述切换机构构造成用以：(i)在阀上产生第一旋转负荷，以使阀朝向第一位置枢转；以及(ii)响应于摇臂围绕枢转接合件的旋转而在阀上产生第二旋转负荷，以使阀朝向第二位置枢转，第二旋转负荷与第一旋转负荷方向相反。
2.根据权利要求1所述的发动机，其中：
活塞组件包括第一活塞和第二活塞，第一活塞在环形孔内设置在与第二活塞大体成180°的位置处；并且
阀包括：第一阀，所述第一阀设置在壳体内的第一部位处；和第二阀，所述第二阀设置在壳体内的第二部位处，所述第二阀沿着环形孔设置在相对于第一阀大体成180°的位置处。
3.根据权利要求1所述的发动机，其中：
活塞组件包括第一活塞、第二活塞、第三活塞和第四活塞，第一活塞、第二活塞、第三活塞和第四活塞中的每一个都连续地设置在环形孔内，以使得各个活塞相对于先前设置的活塞大体成90°地设置在环形孔内；并且
阀包括：第一阀，所述第一阀设置在环形孔内的第一部位处；第二阀，所述第二阀设置在环形孔内的第二部位处；第三阀，所述第三阀设置在环形孔内的第三部位处；和第四阀，所述第四阀设置在环形孔内的第四部位处，第一阀、第二阀、第三阀、第四阀中的每一个都连续地设置在壳体内并且沿着环形孔设置在相对于先前的阀大体成90°的位置处。
4.根据权利要求1所述的发动机，其中阀的旋转构造成用以对燃料-空气的混合物到限定在活塞组件和阀之间的燃烧室中的输送进行控制。
5.根据权利要求4所述的发动机，其中，阀限定了一组开口，阀构造成用以在(i)第一位置和(ii)第二位置之间运动，在第一位置处，阀使这一组开口相对于燃料分配组件断开流体联接，燃料分配组件构造成用以将来自燃料源的燃料和来自空气源的空气在组件壳体内进行混合，在第二位置处时，阀使这一组开口与燃料分配组件流体联接，以便将燃料和空气的混合物引入到限定在活塞组件和阀之间的燃烧室中。
6.根据权利要求1所述的发动机，其中，阀限定了通道，所述通道构造成用以与壳体相结合地限定通路，当阀设置在第一位置时，所述通路允许活塞组件在环形孔内从阀近侧的第一部位行进至阀远侧的第二部位。
7.根据权利要求1所述的发动机，还包括压缩机，所述压缩机构造成用以执行进气循环以便将空气和燃料输送至发动机，并且构造成用以执行压缩循环以便压缩发动机中的空气和燃料，进气循环和压缩循环独立于与活塞组件和阀组件相关联的燃烧过程。
8.根据权利要求7所述的发动机，包括联接至压缩机的带和齿轮系统，所述带和齿轮系统构造成用以调节压缩机转速与发动机转速的转速比，以便控制通过压缩机产生的压缩空气的体积以及与空气和燃料相关联的压缩比。
9.根据权利要求8所述的发动机，其中，带和齿轮系统包括：
第一带，所述第一带操作性地联接至驱动机构和第一齿轮；
第二带，所述第二带操作性地联接至第二齿轮和压缩机轴；以及
轴，所述轴操作性地联接至第一齿轮和第二齿轮。
10.根据权利要求1所述的发动机，包括排气口，所述排气口设置成与环形孔流体连通，所述排气口大体设置在阀近侧的部位处。
11.根据权利要求1所述的发动机，包括：
进气组件，所述进气组件包括：
进气组件壳体，所述进气组件壳体限定了壳体体积；
进气口，所述进气口由所述进气组件壳体承载；
出气口，所述出气口由所述进气组件壳体承载；和
驱动组件，所述驱动组件由所述进气组件壳体承载，所述驱动组件构造成用以在壳体体积和出气口之间提供可选择的连通；以及
燃料分配组件，所述燃料分配组件设置成与进气组件的出气口和压缩机的进气部分流体连通，所述燃料分配组件包括：
燃料喷射器，所述燃料喷射器构造成用以向由燃料分配组件限定的体积提供燃料；和
一组挠曲口，这一组挠曲口设置成与燃烧室流体连通。
12.根据权利要求11所述的发动机，其中，驱动组件包括板，所述板可旋转地联接至所述进气组件壳体并且构造成用以使由板限定的孔与出气口选择性地对准，以便提供出气口和燃料分配组件之间的流体连通。
13.根据权利要求1所述的发动机，其中，花键轮廓包括突出部分、驻留部分和下陷部分。
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