CN107360723B - 具有旋转阀组件的循环活塞式发动机 - Google Patents

Abstract

一种具有旋转阀组件的循环活塞式发动机，包括限定环形孔的壳体和设置在所述环形孔内的活塞组件。所述发动机包括旋转阀，所述旋转阀包括环形壁结构，所述环形壁结构限定与环形壁结构的旋转轴基本上垂直的开口。所述旋转阀的一部分设置在环形孔内，使得所述环形壁结构的旋转轴基本上垂直于所述活塞组件的旋转轴。所述发动机包括旋转传动机构，所述旋转传动机构连接到所述旋转阀，并且配置成使所述旋转阀在第一位置和第二位置之间旋转，所述第一位置使所述环形壁结构的开口与所述环形孔对准，以允许所述活塞组件的活塞在所述环形孔内行进，所述第二位置使得相对于处于第二定位的活塞组件的活塞来限定燃烧室。

Description

具有旋转阀组件的循环活塞式发动机

背景技术

传统的内燃活塞式发动机包括用于驱动曲轴的多个汽缸组件。为了驱动曲轴，每个汽缸组件需要诸如由燃料泵借助燃料喷射器提供的燃料。在运作期间，每个汽缸组件的火花塞点燃从燃料喷射器接收的燃料/空气混合物并且致使混合物膨胀。被点燃的混合物的膨胀将汽缸组件的活塞移位到汽缸组件壳体内，以使曲轴旋转。

旋转式发动机已经认为是常规活塞式发动机的潜在替代品。例如，本领域中已经描述了旋转式发动机，该旋转式发动机包括具有圆形孔的发动机壳体、可移动地安装在孔内的一个或多个阀以及可旋转地设置在孔内并且连接到传动轴的调整活塞。在运作期间，随着传动轴的旋转，致使每个阀都立刻打开，以允许活塞通过发动机壳体中的阀位置。一旦活塞旋转超过阀位置，阀就关闭，以在阀和活塞之间限定燃烧室。燃料喷射器将燃料-空气混合物喷射到燃烧室中，并且借助火花塞来点燃。由燃料燃烧引起的燃烧室中的压力使活塞在孔内向前旋转，进而使传动轴旋转。

发明内容

传统的内燃活塞式发动机遭受各种不足。例如，早已认识到活塞式发动机的整体运作效率相对低。活塞式发动机的相对低效导致高油耗和污染环境的排放。尽管认识到活塞式发动机有不足，但活塞式发动机设计仍然是当今世界的主流。

一种旋转式发动机(Wankel发动机)相对于传统活塞式发动机取得了一些成功，但最终在市场上失败。Wankel发动机利用了偏心旋转设计，其在设计上与上述旋转式发动机不同。

如上所述的旋转式发动机具有高效率和高功率的前景，还未对传统活塞式发动机造成严重挑战。他们也有不足，这些不足已经阻碍了他们在市场上取得成功。以下，描述了其中一些挑战。

例如，如以上关于旋转式发动机所提供的，在活塞旋转经过阀位置之后，阀关闭以限定燃烧室，燃料喷射器将燃料-空气混合物喷射到燃烧室中，并且火花塞点燃混合物。虽然旋转式发动机设计利用形成临时燃烧室的移动阀，但这些设计并没有解决当活塞超出燃烧气体的一部分时发生的活塞失控问题。例如，在运作期间，在阀开始关闭之前，活塞必须旋转经过孔内的阀。在阀完全关闭所花费的时间期间，活塞在孔内继续前进，由此使燃烧室不断扩大并且需要相对快的燃料输入和高燃烧速率。为了避免活塞失控，峰值燃烧必须尽可能靠近活塞发生。

另外，传统的旋转式发动机设计并没有解决加油和燃烧的问题。为了在燃烧事件期间将要排放的能量损失限制于不超过25％，阀致动、燃料和空气输入以及峰值点火压力必须发生在距发动机排气口的距离的大约1/4处。然而，对于传统的旋转式发动机设计，阀运作可占用燃烧事件可用时间的80％，这为加油和点燃留出了相当少的时间。因此，需要相对高的压力将燃料-空气混合物在相对短的时间量内(例如，在1毫秒以下)内引入燃烧室。

例如，假设旋转式发动机限定了18.85英寸的行程长度。对于以600转/分钟(RPM)在孔内行进的活塞，活塞以0.75英寸/毫秒(ms)的速率行进。进一步假定，在完全点燃时(即，在燃烧事件时)，孔内的峰值压力为1000psi。对于位置距离燃烧有16英寸的排气口，排气口处的压力必须不大于250psi，以将排放的能量损失量限制在不超过25％。由于随着距燃烧室的距离加倍，压力减小一半，因此距排气口8英寸的位置处的压力为大约500psi，而距排气口4英寸处的压力为大约1000psi。这表明，当活塞的位置在距阀4英寸以内的距离处时，阀运作、加油和燃烧必须发生。

在活塞以0.75英寸/ms的速率行进时，活塞可在大致5毫秒内行进4英寸的距离。另外，当阀的运作会需要燃烧事件可用的时间中的80％时，阀从完全打开移至完全关闭位置会花费4ms(即，活塞的行进距离为3英寸)。这可留下大致1.5ms(即，活塞行进距离为1英寸)用于加燃料和燃烧。因此，需要大致176psi或更大的压力在1/2ms内将燃料-空气混合物提供到燃烧室。传统燃油喷射器不具备这种能力，因为它们通常需要10毫秒或更长时间来燃烧。

与传统的活塞式发动机和旋转式发动机设计相比，本创新的实施例涉及具有旋转阀组件的循环活塞式发动机。例如，旋转阀组件可包括一组旋转阀，每个旋转阀限定大体圆形或环形壁结构，并且每个旋转阀限定选择性与发动机的孔对准的狭槽或开口。在运作期间，旋转阀围绕与发动机中的活塞旋转轴基本上垂直的旋转轴进行旋转。通过此旋转，当旋转阀的开口与发动机的孔对准时，活塞可在发动机的孔内行进，经过旋转阀。当旋转阀的壁结构与发动机的孔对准时，旋转阀连同活塞限定燃烧室。基于这种构造，旋转阀可以以相对高的速度运作(例如，旋转阀可以大约每0.88ms一次的速率打开和关闭)。因此，当出现峰值压力时，这种相对较快的燃烧室形成减小了燃烧室的尺寸，这解决了活塞失控问题，进而提高了发动机的运作效率。

在一种布置中，循环活塞式发动机还限定了至少一个压缩通道，该压缩通道配置成产生与燃烧通道分离的相对高压压缩空气。循环活塞式发动机将加压空气储藏器内的压缩空气保持在大约176psi的压力下，这进而将相对高压的空气输送到燃料喷射器。通过这种加压，燃料喷射器可在1/2ms内将燃料-空气混合物提供到燃烧室。

在一种布置中，本创新的实施例涉及包括限定环形孔的壳体和设置在环形孔内的活塞组件的发动机，该活塞组件配置成连接到传动机构。发动机包括旋转阀，旋转阀包括限定与环形壁结构的旋转轴基本上垂直的开口的环形壁结构，旋转阀的一部分设置在环形孔内，使得环形壁结构的旋转轴基本上垂直于活塞组件的旋转轴。发动机包括旋转传动机构，旋转传动机构连接到旋转阀并且配置成使旋转阀在第一位置和第二位置之间旋转，第一位置使环形壁结构的开口与环形孔对准，以允许活塞组件的活塞在环形孔内从靠近旋转阀的第一定位行进至远离旋转阀的第二定位，第二位置使得相对于处于第二定位的活塞组件的活塞来限定燃烧室。

在一种布置中，本创新的实施例涉及一种循环活塞式发动机，所述发动机包括：壳体，其限定围绕其外周延伸的环形孔；以及活塞组，其设置在所述孔内并且固定于传动机构或传动轴。发动机还包括可旋转地设置在孔内的阀组，每个阀配置成相对于对应的活塞限定临时燃烧室。

附图说明

根据如附图中例示的以下对本创新的特定实施例的描述，将清楚以上和其他目的、特征和优点，在附图中，在不同视图中始终用相同的参考标号来表示相同的部件。附图不一定按比例，而是重点放在例示本创新的各种实施例的原理。

图1A例示了一种布置的具有旋转阀组件的循环活塞式发动机的俯视截面示意图。

图1B例示了一种布置的旋转阀的侧视示意图。

图1C例示了一种布置的图1B的旋转阀的仰视示意图。

图1D例示了一种布置的图1B的旋转阀的俯视立体示意图。

图1E例示了一种布置的图1A的旋转阀和循环活塞式发动机的部分立体图的示意图。

图1F例示了图1A的旋转阀组件的旋转传动机构的仰视截面示意图。

图1G例示了一种布置的图1F的旋转传动机构的侧视示意图。

图2A例示了一种布置的图1A的循环活塞式发动机的环形孔的一部分的部分截面示意图。

图2B例示了一种布置的图2A的环形孔的一部分的部分截面示意图。

图3A例示了一种布置的具有旁通阀组的循环活塞式发动机的截面示意图。

图3B例示了一种布置的设置成第一配置的图3A的环形孔的一部分和旁通阀的侧视截面示意图。

图4A例示了一种布置的具有旁通阀组的图3A的循环活塞式发动机的截面示意图。

图4B例示了一种布置的设置成第二配置的图4A的环形孔的一部分和旁通阀的侧视截面示意图。

图5例示了一种布置的具有燃烧通道和空气压缩通道的循环活塞式发动机的部分截面侧面示意图。

图6A例示了具有分别设置在相对于空气压缩通道和燃烧通道的第一位置的图5的具有空气压缩活塞和燃烧活塞的循环活塞式发动机的侧视截面示意图。

图6B例示了具有分别设置在相对于空气压缩通道和燃烧通道的第二位置的图6A的具有空气压缩活塞和燃烧活塞的循环活塞式发动机的侧视截面示意图。

图6C例示了具有分别设置在空气压缩通道和燃烧通道内的图6A和图6B的具有空气压缩活塞和燃烧活塞的循环活塞式发动机的侧视截面示意图。

图6D例示了一种布置的具有空气压缩通道、燃烧通道和旋转阀的循环活塞式发动机的侧视截面示意图。

图7例示了一种布置的具有第一和第二空气压缩通道、燃烧通道和旋转阀的循环活塞式发动机的侧视截面示意图。

具体实施方式

该创新的实施例涉及具有旋转阀组件的循环活塞式发动机。例如，旋转阀组件可包括旋转阀组，每个旋转阀限定大致圆形或环形壁结构，并且每个旋转阀限定选择性地与发动机的孔对准的狭槽或开口。在运作期间，旋转阀围绕与发动机中的活塞旋转轴基本上垂直的旋转轴进行旋转。通过这种旋转，当旋转阀的开口与发动机的孔对准时，活塞可在发动机的孔内行进，经过旋转阀。当旋转阀的壁结构与发动机的孔对准时，旋转阀连同活塞限定燃烧室。基于这种构造，旋转阀可以以相对高的速度运作(例如，旋转阀可以大约每0.88ms一次的速率打开和关闭)。因此，当出现峰值压力时，这种相对较快的燃烧室形成减小了燃烧室的尺寸，这解决了活塞失控问题，进而提高了发动机的运作效率。

图1A例示了一种布置的循环活塞式发动机10的俯视截面示意图。发动机10包括限定环形通道或孔14并且包含活塞组件16和旋转阀组件18的壳体12。

环形孔14设置在壳体12的外周处。虽然环形孔14可按各种尺寸进行配置，但是在一种布置中，环形孔14配置为具有相对于活塞组件16的旋转轴21大约12英寸的半径15。如以下将描述的，用此配置，环形孔14的相对大的半径15将以下详细描述的发动机燃烧室设置在距旋转轴21的最大距离处，并且允许活塞组件16产生设置在旋转轴处的诸如传动轴的相关传动机构20上的相对大的转矩。

环形孔14可配置成具有各种形状的横截面区域。在一种布置中，参照图2B，在活塞组件16的活塞24-1限定大体矩形横截区域25的情况下，环形孔14也可限定对应的矩形横截面区域27。在一种布置中，环形孔14的矩形横截面区域可包括大约1:2.8的宽高比，以对应于在孔14内移动的活塞24的尺寸。例如，参照图2A和2B，环形孔14限定大约1英寸的高度120和大约2.8英寸的宽度122，从而允许阀24-1在孔14内的通过时间最短。阀24-1还可限定大约1英寸的高度124和大约2.8英寸的宽度126，以最小化或防止燃烧气体从活塞24-1的行进方向向前泄漏。要注意的是，活塞24-1的高度124和宽度126配置为利用孔14的对应的高度120和宽度122来限定净距离(即，空间)，以允许活塞24-1在孔14内行进。

返回图1A，在所例示的布置中，活塞组件16设置在环形孔14内并且借助飞轮22与传动机构20联接。虽然活塞组件16可包括任何数量的个体活塞24，但是在所例示的布置中，活塞组件16包括围绕飞轮22的周边设置的四个活塞24-1至24-4。在一种布置中，诸如，在燃料喷射器32以基本同时的方式点火的情况下，对向的活塞相对于彼此以大约180°的角度取向设置，并且相邻的活塞以相对于彼此大约90°的角度取向设置。例如，如所例示的，对向的第一活塞24-1和第三活塞24-3相对于彼此以大约180°设置在飞轮22上，并且对向的第二活塞24-2和第四活塞24-4相对于彼此以大约180°设置在飞轮22上。另外，相邻的第一活塞24-1和第二活塞24-2以大约90°的相对角度取向设置在飞轮22上，相邻的第二活塞24-2和第三活塞24-3以大约90°的相对角度取向设置在飞轮22上，相邻的第三活塞24-3和第四活塞24-4以大约90°的相对角度取向设置在飞轮22上，并且相邻的第四活塞24-4和第一活塞24-1以大约90°的相对角度取向设置在飞轮22上。

在运作期间，活塞组件16的活塞24配置成在环形孔14内旋转。例如，如所例示的，活塞24配置成在环形孔14内沿顺时针方向旋转。然而，应当注意，活塞24也可在环形孔14内以逆时针方式旋转。此旋转引起传动机构20旋转。

旋转阀组件18包括旋转阀30组，每个旋转阀配置成相对于活塞组件16的相应活塞24限定燃烧室26。例如，虽然旋转阀组件18可包括任何数量的个体旋转阀30，但是在例示的布置中，旋转阀组件18包括至少部分设置在壳体12的环形孔14内的旋转阀30-1至30-4。虽然旋转阀30可设置在围绕壳体12周边的各种位置处，但是在一种布置中，对向的阀相对于彼此以大约180°的角度取向设置，并且相邻的阀相对于彼此以大约90°的角度取向设置。例如，如所例示的，第一旋转阀30-1和第三旋转阀30-3相对于彼此以大约180°围绕壳体12的周边设置，并且第二旋转阀30-2和第四旋转阀30-4相对于彼此以大约180°围绕壳体12的周边设置。另外，第一旋转阀30-1和第二旋转阀30-2以大约90°的相对角度取向围绕壳体12的周边设置，第二旋转阀30-2和第三旋转阀30-3以大约90°的相对角度取向围绕壳体12的周边设置，第三旋转阀30-3和第四旋转阀30-4以大约90°的相对角度取向围绕壳体12的周边设置，并且第四旋转阀30-4和第一旋转阀30-1以大约90°的相对角度取向围绕壳体12的周边设置。在此布置中，旋转阀组件18的旋转阀30的相对定位对应于活塞24围绕活塞组件16的飞轮22的相对定位。

继续参照图1A，活塞24中的每一个沿着相对较大的冲程距离(诸如，大约16英寸和20英寸之间的距离)向着下一个旋转阀30在孔14内行进。在孔14中的某一点处，诸如，在如图1A所示的行程长度13的端部，每个活塞24经过对应的排气口38(即，靠近后续的旋转阀30设置)，从而将容纳在室26中的废气排出到大气。例如，当活塞24-1经过排气口38-1时，容纳在活塞24-1和旋转阀30-1之间的室26-1中的废气可经由排气口38-1离开室26-1。

在使用中，活塞24和旋转阀组件18设置在发动机壳体12的外周边，诸如距传动机构20大约12英寸的距离处。随着燃烧力沿着与旋转方向正切并且与距离传动机构20的距离15垂直的方向施加到活塞24，此燃烧力可使传动机构20上的转矩最大化。另外，活塞24的相对长的冲程路径、排气口38的存在以及发动机10定制在孔14中产生的燃烧事件的数量的能力可增强发动机10的性能。例如，发动机10可相对于具有效率为大约25-30％的传统发动机，产生相对大量的连续功率(例如，大约685@800RPM的马力)，伴随有相对高的转矩(例如，大约4500ft-lbs的平均转矩)和效率(例如，大约60％的效率)。

在图1A至图1D中例示的布置中，旋转阀组件18的每个旋转阀30制造为大体圆形的杯形结构。例如，如图1B至1D中指示的，旋转阀30包括环形壁结构50和面板52。旋转阀30的环形壁结构50限定了开口或狭槽100，该开口或狭槽100配置成当狭槽100与正在环形孔14中行进的活塞24对准时，允许活塞24中的每一个在环形孔14内旋转，如下面将详细描述的。

虽然每个旋转阀30可由各种材料制造，但是在一种布置中，旋转阀30由能够在相对于壳体12旋转的同时承受超过约4000°F的燃烧温度和大约1000磅/平方英寸(psi)的压力的一种或多种材料制造。

在一种布置中，每个旋转阀30配置成围绕与活塞24的旋转轴21基本上垂直的旋转轴56旋转。每个旋转阀30相对于壳体12和环形孔14的旋转相对于对应的活塞24形成临时燃烧室26。例如，如图1A和1E中指示的，壳体12相对于环形孔14限定对向的开口104、106，旋转阀30穿过环形孔14。图1E是为了便于理解而去除了面板52的第一旋转阀30-1的示意图。具体地，参考图1E的第一旋转阀30-1，壳体12限定了通过第一或上表面的第一开口104-1和通过第二或下表面的对向的第二开口106-1。第一旋转阀30-1穿过第一开口104-1，进入环形孔14，并且穿过第二开口106-1。用此配置，在发动机10运作期间，每个旋转阀30的一部分可旋转地设置在环形孔14内。

在一种布置中，开口104、106中的每一个包括与对应的旋转阀30形成密封的密封元件(未示出)。每个密封元件在运作期间与对应的旋转阀30保持基本上防水的密封。这进而允许每个旋转阀30相对于对应的活塞24限定燃烧室26，使燃烧事件期间在活塞24上产生的燃烧力最大化。

每个旋转阀30配置成围绕与活塞组件16的活塞24和飞轮22的旋转轴21基本上垂直的旋转轴105旋转。以第一旋转阀30-1为例，第一旋转阀30-1配置成围绕旋转轴105-1旋转。虽然图1A和图1E表明每个旋转阀30配置成围绕其对应的旋转轴105顺时针旋转，但此例示仅仅是举例。在一种布置中，每个旋转阀30可配置成相对于其对应的旋转轴105逆时针旋转。可供选择地，某些旋转阀30可配置成围绕其对应的旋转轴105顺时针旋转，并且其他旋转阀30可配置成围绕其对应的旋转轴105逆时针旋转。

可利用各种类型的旋转传动机构将每个旋转阀30在环形孔14内旋转。例如，图1F和图1G分别例示了旋转阀组件18的旋转传动机构60的仰视截面和侧视示意图。旋转传动机构60可包括连接到传动机构20的传动齿轮62。旋转传动机构60还可包括设置成与传动齿轮62和旋转阀30功能性连通的旋转阀齿轮64组。例如，这组旋转阀齿轮64可包括分别与旋转传动机构60啮合的第一旋转阀齿轮66-1、第二旋转阀齿轮66-2、第三旋转阀齿轮66-3和第四旋转阀齿轮66-4。虽然传动齿轮62和这组旋转阀齿轮64可按各种方式配置，但在一种布置中，传动齿轮62和旋转阀齿轮64中的每一个配置为锥齿轮。

旋转阀齿轮64-1至64-4中的每一个也借助相应的轴66-1、66-2、66-3和66-4连接到第一旋转阀30-1、第二旋转阀30-2、第三旋转阀30-3和第四旋转阀30-4。例如，每个轴66延伸到对应的旋转阀30的环形壁结构50中，并且连接到该旋转阀的面板52，使得轴的纵轴与旋转阀30的旋转轴56基本上共线。

用此配置，随着飞轮22在使用中旋转，关联的传动机构20和传动齿轮62也旋转。这致使传动齿轮62将对应的旋转阀齿轮64、轴666和旋转阀30中的每一个旋转。例如，传动机构20和传动齿轮62围绕旋转轴21沿顺时针方向的旋转致使旋转阀齿轮66-1至66-4、轴66-1至66-4和旋转阀30-1至30-4围绕它们相应的旋转轴52-1至52-4旋转。

每个旋转阀30与每个旋转的燃烧活塞24一起运作。例如，如图1A中例示的，利用四个旋转燃烧活塞24，发动机10包括四个基本上等距的旋转阀30。因此，每个旋转阀30配置成针对飞轮22的每单次旋转围绕其相应的旋转轴105旋转四次。假定十六英寸的行程，此配置可导致大约1.6英寸/毫秒和1.8英寸/毫秒之间的旋转阀速率，诸如大约1.7英寸/毫秒的速率。另外，对于具有1平方英寸的横截面面积的燃烧通道，此配置可导致阀穿越时间(即，活塞24从第一阀位置行进到相邻的第二阀位置所花费的时间量)在约0.5和0.7毫秒之间，诸如大约0.6毫秒的穿越时间。

由于在燃烧室26被密封之前燃料无法进入燃烧室26内进行点燃，因此室的形成的速度越快，例如大约每0.6毫秒一次，该过程越高效。另外，在16英寸通道14中长度为2英寸的1000psi的压力体积将进行小于125psi的排气(有12.5％的排气损失)，这是因为容积每增加一倍体积就减小50％的事实。该配置导致发动机接近至少60％的效率。在行程的4、8和16英寸处，通道14中的压力将减半。在排气损失是25％的情况下，产生四英寸压力容积的较慢阀将把250psi时排出的8和16英寸处，将时间减少一半。

在使用中，旋转传动机构60配置成使每个旋转阀30旋转到第一位置，以将环形壁结构50的开口100与环形孔14对准。定时每个旋转阀30的旋转，以允许每个旋转阀30在活塞旋转周期中的大部分中连同活塞24形成隔板，并且在第二位置处相对于活塞24限定燃烧室。也定时旋转阀30的旋转，使得由每个旋转阀30限定的每个狭槽100暂时与环形孔14对准，以允许活塞24在环形孔14内从靠近旋转阀30的第一位置行进到远离旋转阀30的第二位置。

例如，在运作期间，旋转传动机构60使活塞组件16的每个活塞24在环形孔14内向着旋转阀组件18的阀30旋转。以活塞24-1和旋转阀30-1为例，并且参照图2A，当活塞24-1在环形孔14内相对于对应的旋转阀30-1从远侧位置移至近侧位置时，旋转阀30-1相对于环形孔14设置在第一位置109。当旋转阀30-1旋转至第一位置时，旋转阀30-1的通道100-1的纵向轴106变成基本上与环形孔14的纵向轴108对齐，以允许活塞24-1沿其行进路径从第一位置110前进到第二位置112。要注意，阀30-1的通道100-1限定了比活塞的宽度124大的宽度129。该配置允许活塞24-1在阀30-1开始阻塞孔14之前排空阀30-1，并且相对于活塞24-1形成隔板。

参照图2B，当活塞24-1达到环形孔14内的第二位置112时，旋转传动机构60继续使旋转阀30-1相对于环形孔14旋转至第二位置(例如，到关闭位置)，如图所示。通过这种定位，旋转阀30-1相对于活塞24-1限定燃烧室26-1，并且配置为隔板，燃烧可抵着隔板进行工作，产生动力。

例如，如图2B所例示的，当旋转阀30-1设置成关闭位置时，燃料喷射器32随后将燃料-空气混合物34输送到关联的燃烧室26-1中，然后，可通过诸如火花塞的点火装置(未示出)来点燃燃烧室26-1。当点火装置点燃燃烧室26-1中的燃料-空气混合物34时，燃料-空气混合物34对旋转阀30-1的膨胀在活塞24-1上产生推动活塞24-1沿着由环形孔14限定的旋转行进路径的力。

另外，当每个活塞24接近后续设置的旋转阀30时，每个旋转阀30相对于对应的活塞24从第二关闭位置(图2B)移动到第一打开位置(图2A)。例如，参考图2B，当活塞24-1平移离开旋转阀30-1并且接近旋转阀30-2时，阀30-2旋转到打开位置，在该位置，旋转阀30-1的通道100-1变成与环形孔14的纵向轴108基本上对准。此定位允许活塞24-1移动经过旋转阀30-2。一旦活塞24已经平移到远离旋转阀30-2的位置，旋转阀30-2就旋转至关闭位置并且再次开始燃烧过程。

在发动机10中使用旋转阀30使得环形孔14变成打开，以允许活塞24通过其间并关闭，以相对高速率的速度(例如，旋转阀可以以大约每0.88ms一次的速率打开和关闭)来形成燃烧室。因此，当出现峰值压力时，相对快速地形成燃烧室，减小了燃烧室的尺寸。这进而使活塞失控最小化并且提高了发动机的运作效率。

参照图1A，在运作期间，发动机10可以每转产生多达十六次燃烧事件(即，四个活塞24中的每一个在单次旋转中经历多达四次燃烧事件)，由此致使活塞组件16旋转传动机构20。

在一种布置中，发动机10可以配置为双冲程发动机，其中，四个活塞24中的两个(例如，活塞24-1和24-3)在单次旋转中经历两次燃烧事件。通过这种配置，为了通过环形孔14内的加压燃烧气体延伸设置在活塞24上的驱动，发动机10配置有旁路组件190组，如下面详细描述的。

一齐参考图3A和图3B，每个旁路组件190包括由壳体12限定并设置在旋转阀30的第一近侧的第一端口202和由壳体12限定并设置在旋转阀30的第二远侧的第二端口204。第一端口202和第二端口204中的每一个包括相应的第一端口阀206和第二端口阀208，第一端口阀206和第二端口阀208能够设置在如图3B所示的第一关闭位置和如图4B所示的第二打开位置之间。另外，旁路组件190包括设置成与第一端口202和第二端口204流体连通并且与其连接的旁路通道200。

返回图3A和图3B，旁路组件190还包括与每个排气口38关联的排气口阀210，排气口阀210配置成设置在如图3B所示的打开位置和如图4B所示的关闭位置之间。旁路组件190还包括燃料喷射器阀212，燃料喷射器阀212与每个燃料喷射器32关联，并且配置成设置在如图3B所示的打开位置和如图4B所示的关闭位置之间。在一种布置中，阀206、208、210、212中的每一个可被电子或手动阀致动组件225致动(例如打开或关闭)。

以下提供了当发动机10配置为双冲程发动机时旁路组件190的运作的描述。为了清楚起见，将与第一旋转阀30-1和第二旋转阀30-2关联地描述旁路组件190的运作。应当理解，与第三旋转阀30-3和第四旋转阀30-4关联的旁路组件190以与第一旋转阀30-1和第二旋转阀30-2关联的旁路组件190类似且基本上同时的方式运作。

在运作期间，并且参照图3A和图3B，当第一旋转阀30-1相对于第一活塞24-1形成隔板，并且在其间限定燃烧室26-1时，阀致动组件225保持阀206-1、208-1处于关闭状态。阀致动组件225将排气阀210-4定位在打开状态，以允许废气从孔14的近侧部分离开发动机10。例如，废气以大约50磅/平方英寸(psi)的压力离开排气阀210-4。另外，阀致动组件225将燃料喷射器阀212-1定位在打开状态，以允许燃料喷射器32-1将燃料-空气混合物34输送到关联的燃烧室26-1中，该燃料-空气混合物34随后可被诸如火花塞的点火装置(未示出)点燃。当点火装置点燃燃烧室26-1中的燃料-空气混合物34时，燃料-空气混合物34对旋转阀30-1的膨胀在活塞24-1上产生将活塞24-1沿着由环形孔14限定的旋转行进路径向着第二旋转阀30-2推动的力，如图4A中所示。

参照图4B，在活塞24-1已经经过环形孔14中的第二阀位置之后，第二旋转阀30-2相对于第一活塞24-1形成隔板。然而，因为发动机10配置为双冲程发动机，所以燃料喷射器32-2没有配置成将燃料-空气混合物提供到限定在第二旋转阀30-2和第一活塞24-1之间的燃烧室26-2。为了保持第一活塞24-1上的燃烧气体压力将活塞24-1向着第三旋转阀30-3驱动，阀致动组件225将第一阀206-2和第二阀208-2定位在打开位置，并且关闭排气口阀210-1和燃料喷射器阀212-2。用这样的配置，靠近旋转阀30-2的环形孔中的相对高压气体流过旁路通道200-2，进入燃烧室26-2。这里，来自图3B所示的燃烧的相对高压气体在第二旋转阀30-2和活塞24-1之间产生负载，并且迫使活塞24-1继续向着第三旋转阀30-3旋转。因此，旁路组件190允许相对高压的气体绕过旋转阀30-2并且继续驱动活塞24-1。

通过将旁路组件190与发动机200一起使用，可大致使发动机10内的活塞24的冲程加倍。例如，如图1A中例示的，在发动机孔14限定相邻阀之间(例如，旋转阀30-1和30-2之间以及在旋转阀30-2和30-3之间)的大约十六英寸的冲程长度发动机的情况下，旁路组件190的使用将使冲程长度增加至对向阀(例如，旋转阀30-1和30-3)之间的大约32英寸。虽然发动机10中的冲程长度的增加可使发动机10所产生的动力量减小，但是增加的冲程长度可增加正常巡航运作时的发动机10的整体效率。另外，通过增加由燃料喷射器32输送到燃烧室的燃料/空气混合物的体积，可部分地并且可变地抵消任何功率损失。

传统的四冲程发动机在汽缸内执行压缩功能，以备燃烧。发动机从大气中吸入空气(例如，在大约14.7磅/平方英寸(psi)的压力下)，通常通过燃料喷射器与燃料预混合，对空气执行压缩循环以增加其压力(例如，增至大约150psi的压力)，并且将压缩的空气-燃料混合物输送到汽缸顶部，以通过火花塞点火。

另外，传统的曲轴发动机配置成在第一次发动机旋转期间作为压缩机运作，并且在第二次旋转期间作为发电机运作。例如，六缸发动机通常在每次旋转期间将三个汽缸点火，而另外三个执行空气压缩过程。汽缸在下一次旋转时将功能反转。然而，这种配置遭受各种缺陷。例如，压缩功能在针对极端压力和温度而建立的汽缸中执行。传统的压缩机通常不经历或不需要在发动机中形成的各种类型的压力。因此，传统发动机需要有足够的壁强度来承受这些压力，这使得发动机比空气压缩所必需的更重。另外，在运作期间，压缩空气被吸入残留有废气的汽缸中，残留的废气通常没有被排空，可能削弱燃烧过程。压缩能力受到燃烧容积和进入空气必须采取的迂回路线的限制。因此，在高RPM下，常规发动机利用涡轮和增压机来向其提供足够的空气量。这些部件可增加发动机的重量、复杂性和成本。

在一种布置中，为了将压缩过程与燃烧过程分开，发动机10配置有空气压缩组件。空气压缩组件包括可由相对重量轻的材料加工或形成的压缩通道。另外，压缩通道的容积可大于对应的燃烧通道的容积。这种容积差异增加了空气压缩组件相对于燃烧组件的容气量，由此最小化或消除了对补充装置的需要。在没有曲轴、连杆、配重、凸轮轴等的情况下，具有集成空气压缩组件的该发动机可比传统的基于曲轴的发动机轻50％，并且在接近100％的时间内产生动力。

例如，图5示出了具有空气压缩组件230的循环活塞式发动机10的局部截面侧视示意图。空气压缩组件230配置为用于发动机10的压缩空气源，该压缩空气可在运作期间输送到燃料喷射器32，如图3B所示。

例如，空气压缩组件230包括由壳体12限定的环形压缩通道242。如所例示的，压缩通道242沿着旋转轴21轴向设置在燃烧通道(即，环形孔)14的上方并且与其基本上平行。空气压缩组件230包括与飞轮22联接并且设置在环形压缩通道242内的压缩活塞240组。

飞轮22配置成使相应通道242、14内的两组压缩活塞240和燃烧活塞24都旋转。因此，在运作期间，两组活塞24、240以相同的速率旋转。如所例示的，每个压缩活塞240设置在靠近每个相应的活塞24的偏移距离D处。如以下将描述的，偏移距离允许具有单个开口100的单个旋转阀30用作两个通道14、242的旋转阀。

在运作期间，空气压缩组件230配置成产生压缩空气并且将压缩空气提供到发动机的燃料喷射器10。图6A至图6D例示了沿着飞轮22的旋转轴21基本上同心对准的通道14、240中的空气燃烧和压缩过程的运作的示例。

图6A例示了发动机10的单个旋转阀30-1相对于燃烧通道14和压缩通道242的运作的示例。在运作期间，燃烧活塞24-1和压缩活塞240-1在其相应的通道14、242中旋转，而旋转驱动机构60使旋转阀30-1相对于燃烧和压缩通道14、242旋转到第一位置。通过这样的定位，旋转阀30-1的开口100在燃烧通道14内对准，使得燃烧活塞24-1能够旋转经过旋转阀30-1。另外，而且用这样的定位，旋转阀30-1的一部分设置在压缩通道242内，以形成相对于压缩活塞240-1的隔板。当活塞240-1向着旋转阀30-1旋转时，活塞240-1将包含在活塞240-1和旋转阀30-1之间的压缩通道242内的空气压缩至约176psi的压力。压缩空气经由出口端口250输送到与压缩通道242流体连通地设置的加压空气储藏器252。加压空气储藏器252将加压空气保持在大约176psi的压力下，并且将压缩空气输送到燃料喷射器32。

如图6B中所示，当旋转阀30-1借助旋转驱动机构60继续旋转时，阀30-1相对于燃烧通道14和压缩通道242设置在第二位置。在该位置，开口100变成与压缩通道242对准，压缩通道242允许压缩活塞240-1在压缩通道242内继续旋转，经过旋转阀30-1。另外，当燃烧活塞24-1已经行进经过旋转阀30-1时，燃烧活塞24-1相对于旋转阀30-1限定燃烧室260。

如图6C中示出的，旋转传动机构60使旋转阀30-1持续旋转，将阀30-1设置在相对于燃烧和压缩通道14、242的第三位置。用这样的定位，旋转阀30-1的一部分设置在压缩通道14内，以限定燃烧腔室260。燃料喷射器32在燃烧通道260内提供的燃料-空气混合物的燃烧驱动燃烧活塞24-1在燃烧通道14内进一步旋转。另外，通过旋转阀30-1的这种定位，旋转阀30-1中的开口100与入口端口280对准，而旋转阀30-1的一部分设置在压缩通道242内。当压缩活塞240-1在压缩通道242中行进时，旋转阀30-1相对于活塞240-1起到隔板的作用，使得活塞240-1将空气282经由入口端口280进入压缩通道242的向后部分中。另外，活塞240-1的旋转将向前部分的空气284压在相邻设置的关闭的旋转阀30-2上。

如以上指示的，压缩通道242相对于环形孔或燃料燃烧通道14以从上至下的方式设置。此描述仅仅是示例。在一种布置中，压缩通道242可相对于环形孔或燃料燃烧通道14以并排的方式设置。

图7例示了空气压缩组件230的另一种布置。如所指示的，发动机壳体12限定第二环形压缩通道270，第二环形压缩通道270轴向设置在由发动机10限定的环形孔14(例如，燃烧通道)的下方并且与其基本上平行。空气压缩组件230还包括压缩活塞227组，压缩活塞227组与飞轮22联接并且设置在第二环形压缩通道270内。飞轮22配置成使相应通道242、270内的压缩活塞240、272组和通道14内的燃烧活塞24组都旋转。因此，在运作期间，所有这些活塞24、240、270组以相同的速率旋转。如所例示的，每个压缩活塞240设置在靠近每个相应的活塞24的偏移距离D处。偏移距离D允许具有单个开口100的单个旋转阀30用作所有通道14、242、270的旋转阀。

通过将两个空气压缩通道242、270包括作为空气压缩组件230的部分，空气压缩组件230可产生用于发动机运作的相对大体积。另外，在两个压缩通道242、270设置在燃烧通道14的上方和下方的情况下，压缩通道242、270可在运作期间(例如，在发生燃烧事件期间)降低压缩通道14的温度。

虽然已经特别示出和描述了本创新的各种实施例，但本领域的技术人员应该理解，在不偏离随附权利要求书限定的该创新的精神和范围的情况下，可在其中进行形式和细节上的各种改变。

如图1B、图2A和图2B中例示的，旋转阀30被示出为具有基本上矩形的横截面。另外，由壳体12限定的对向开口104、106例示为具有矩形配置。此例示仅仅是示例。在一种布置中，旋转阀30配置为具有大体圆形的横截面，并且对应开口104、106中的每一个配置成具有与旋转阀的圆形横截面几何形状对应的大体圆形几何形状。用这样的几何形状，旋转阀30和对应的开口104、106配置成提供其间便利的密封。另外，旋转阀30的大体圆形横截面有助于使运作期间旋转阀30内的内部应力最小化并且实现了与传动机构的相互作用。

如以上指示的，参照图5至图6D，空气压缩组件230可与具有单独燃烧组件的发动机10集成。此描述仅仅是示例。在一种布置中，空气压缩组件230可配置为独立装置的部件，不带燃烧组件。

如以上指示的，发动机10可配置为双冲程发动机，其中，四个活塞24中的两个(例如，活塞24-1和24-3)在单次旋转中经历两次燃烧事件。用此配置，为了通过环形孔14内的加压燃烧气体延伸施加到活塞24上的驱动，发动机10配置成具有旁路组件190组，这组旁路组件190结合上述的旋转阀30运作。此描述仅仅是示例。在一种布置中，旁路组件190可与可移动地设置在发动机10的环形孔14内的任何阀组件一起使用，以相对于对应的活塞24形成临时的燃烧室26。例如，阀组件可包括配置成利用同步致动机构在第一打开位置和第二关闭位置之间枢转的阀，以限制或防止在运作期间在循环活塞和阀之间的机械接触，如2013年12月30日提交的标题为“Circulating Piston Engine”的待决的美国申请No.14/143,995中描述的，其内容和教导的全部内容特此以引用方式并入。

Claims (18)

1.一种发动机，包括：

壳体，限定环形孔；

活塞组件，设置在所述环形孔内，所述活塞组件配置成连接到传动机构；

旋转阀，限定杯形结构，包括面板和环形壁结构，所述环形壁结构设置在所述面板的外周边，并且限定与所述环形壁结构的旋转轴基本上垂直的开口，所述旋转阀的一部分设置在所述环形孔内，使得所述环形壁结构的旋转轴基本上垂直于活塞组件的旋转轴；以及

旋转传动机构，连接到所述旋转阀并且配置成使所述旋转阀在第一位置和第二位置之间旋转，所述第一位置使所述环形壁结构的所述开口与环形孔对准，以允许所述活塞组件的活塞在所述环形孔内从靠近所述旋转阀的第一定位行进至远离所述旋转阀的第二定位，所述第二位置相对于处于第二定位的所述活塞组件的活塞来限定燃烧室。

2.根据权利要求1所述的发动机，其中：

所述活塞组件包括具有第一活塞、第二活塞、第三活塞和第四活塞的飞轮，所述第一活塞设置在所述飞轮上、与所述第二活塞和第四活塞大体成90°的位置处，所述第二活塞设置在所述飞轮上、与所述第一活塞和所述第三活塞大体成90°的位置处，所述第三活塞设置在所述飞轮上、与所述第二活塞和所述第四活塞大体成90°的位置处，并且所述第四活塞设置在所述飞轮上、与所述第三活塞和所述第一活塞大体成90°的位置处；以及

所述旋转阀包括设置在所述壳体内的第一位置处的第一旋转阀、设置在所述壳体内的第二位置处的第二旋转阀、设置在所述壳体内的第三位置处的第三旋转阀以及设置在所述壳体内的第四位置处的第四旋转阀，所述第一旋转阀、所述第二旋转阀、所述第三旋转阀和所述第四旋转阀中的每一个沿着所述环形孔设置在相对于之前旋转阀的大体90°的位置处。

3.根据权利要求1所述的发动机，其中，所述旋转传动机构包括：

传动齿轮，连接到所述传动机构；以及

旋转阀齿轮，其设置成与所述传动齿轮并且与所述旋转阀功能性连通。

4.根据权利要求3所述的发动机，其中，所述旋转传动机构还包括连接在所述旋转阀齿轮和所述旋转阀之间的轴，所述轴的纵轴与所述旋转阀的旋转轴基本上共线。

5.根据权利要求1所述的发动机，其中，所述发动机还包括旁路组件，包括：

第一端口，设置在所述旋转阀的近侧，所述第一端口具有第一端口阀；

第二端口，设置在所述旋转阀的远侧，所述第二端口具有第二端口阀；

旁通通道，设置成与所述第一端口和所述第二端口流体连通；以及

阀致动组件，设置成与所述第一端口阀和所述第二端口阀功能性连通，所述阀致动组件配置成将所述第一端口阀和所述第二端口阀中的每一个设置在打开位置和关闭位置之间。

6.根据权利要求5所述的发动机，其中，所述旁路组件还包括：

燃料喷射器，具有设置成与所述阀致动组件功能性连通的燃料喷射器阀；以及

排气口，具有设置成与所述阀致动组件功能性连通的排气口阀。

7.根据权利要求1所述的发动机，还包括：

环形压缩通道，由所述壳体限定，所述环形压缩通道轴向地设置在由所述发动机限定的所述环形孔上方并且与其基本上平行；以及

压缩活塞组，设置在所述环形压缩通道内。

8.根据权利要求7所述的发动机，还包括设置成与所述环形压缩通道流体连通的加压空气储藏器，所述加压空气储藏器配置成从所述环形压缩通道接收压缩空气。

9.根据权利要求7所述的发动机，还包括由所述壳体限定的第二环形压缩通道，所述第二环形压缩通道轴向地设置在由所述发动机限定的所述环形孔下方并且与其基本上平行。

10.一种循环活塞式发动机，包括：

壳体，限定围绕所述壳体的外周延伸的环形孔；

活塞组件，设置在所述环形孔内并且连接到传动机构；以及

旋转阀组，能够旋转地设置在所述环形孔内，每个旋转阀限定杯形结构，包括面板和环形壁结构，所述环形壁结构设置在所述面板的外周边，并且所述旋转阀配置成相对于所述活塞组件中的对应活塞限定临时燃烧室；

该组旋转阀中的每个旋转阀包括环形壁结构，所述环形壁结构限定了基本垂直于所述环形壁结构的旋转轴线的开口，每个旋转阀的一部分设置在所述环形孔内，使得所述环形壁结构的旋转轴线基本垂直于所述活塞组件的旋转轴线；以及

旋转传动机构，所述旋转传动机构连接到每个旋转阀，并配置为使旋转阀在第一位置和第二位置之间旋转，所述第一位置使所述环形壁结构的开口与所述环形孔对准，以允许所述活塞组件的活塞在所述环形孔内从靠近所述旋转阀的第一定位行进到远离每个旋转阀的第二定位，所述第二位置相对于处于第二定位的所述活塞组件的活塞限定燃烧室。

11.根据权利要求10所述的循环活塞式发动机，其中：

所述活塞组件包括具有第一活塞、第二活塞、第三活塞和第四活塞的飞轮，所述第一活塞设置在所述飞轮上、与所述第二活塞和第四活塞大致成90°的位置处，所述第二活塞设置在所述飞轮上、与所述第一活塞和所述第三活塞大致成90°的位置处，所述第三活塞设置在所述飞轮上、与所述第二活塞和所述第四活塞大致成90°的位置处，并且所述第四活塞设置在所述飞轮上、与所述第三活塞和所述第一活塞大致成90°的位置处；以及

所述旋转阀包括设置在所述壳体内的第一位置处的第一旋转阀、设置在所述壳体内的第二位置处的第二旋转阀、设置在所述壳体内的第三位置处的第三旋转阀以及设置在所述壳体内的第四位置处的第四旋转阀，所述第一旋转阀、所述第二旋转阀、所述第三旋转阀和所述第四旋转阀中的每一个沿着所述环形孔设置在相对于之前旋转阀的大致成90°的位置处。

12.根据权利要求10所述的循环活塞式发动机，其中，所述旋转传动机构包括：

传动齿轮，连接到所述传动机构；以及

旋转阀齿轮，设置成与所述传动齿轮并且与每个旋转阀功能性连通。

13.根据权利要求12所述的循环活塞式发动机，其中，所述旋转传动机构还包括连接在每个旋转阀齿轮和每个旋转阀之间的轴，每个轴的纵轴与每个旋转阀的旋转轴基本上共线。

14.根据权利要求10所述的循环活塞式发动机，其中，所述发动机还包括旁路组件，包括：

第一端口，设置在每个旋转阀的近侧，所述第一端口具有第一端口阀；

第二端口，设置在每个旋转阀的远侧，所述第二端口具有第二端口阀；

旁通通道，设置成与所述第一端口和所述第二端口流体连通；以及

阀致动组件，设置成与所述第一端口阀和所述第二端口阀功能性连通，所述阀致动组件配置成将所述第一端口阀和所述第二端口阀中的每一个设置在打开位置和关闭位置之间。

15.根据权利要求14所述的循环活塞式发动机，其中，所述旁路组件还包括：

燃料喷射器，具有设置成与所述阀致动组件功能性连通的燃料喷射器阀；以及

排气口，具有设置成与所述阀致动组件功能性连通的排气口阀。

16.根据权利要求10所述的循环活塞式发动机，还包括：

环形压缩通道，由所述壳体限定，所述环形压缩通道轴向地设置在由所述发动机限定的所述环形孔上方并且与其基本上平行；以及

压缩活塞组，设置在所述环形压缩通道内。

17.根据权利要求16所述的循环活塞式发动机，还包括设置成与所述环形压缩通道流体连通的加压空气储藏器，所述加压空气储藏器配置成从所述环形压缩通道接收压缩空气。

18.根据权利要求16所述的发动机，还包括由所述壳体限定的第二环形压缩通道，所述第二环形压缩通道轴向地设置在由所述发动机限定的所述环形孔下方并且与其基本上平行。

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