CN107532475A - 高功率密度和效率的外旋轮线旋转式发动机 - Google Patents

Abstract

各种实施例描述了对X型发动机的改造，它们将利用专用的腔室来实施朗肯底循环以及在密封、燃烧效率方面的额外改进——这都有助于高效率。

Description

高功率密度和效率的外旋轮线旋转式发动机

相关申请的交叉引用

本申请要求2015年3月10日提交的发明名称为“Epitrochoidal Rotary Engines(外旋轮线旋转式发动机)”且发明人为Alexander Shkolnik、Nikolay Shkolnik、MarkNickerson、Daniele Littera和Alexander Kopache的美国临时申请No.62/130,956的优先权；并且还要求2015年3月24日提交的发明名称为“Heat Engine with ImprovedLubrication and Bottoming Cycle(具有改进的润滑和底循环的热机)”且发明人为Alexander Shkolnik、Nikolay Shkolnik、Mark Nickerson、Daniele Littera和AlexanderKopache的美国临时申请No.62/137,584的优先权。前述申请的全部内容均通过引用的方式并入本文中。

本申请可以与以下美国专利中的全部或任一个相关：

发明名称为“Hybrid Cycle Combustion Engine and Methods(混合循环燃烧发动机和方法)”且于2013年2月5日授予Shkolnik等人的美国专利No.8,365,698；

发明名称为“Cycloid Rotor Engine(摆线转子发动机)”且于2013年9月3日授予Shkolnik等人的美国专利No.8,523,546；

发明名称为“Hybrid Cycle Combustion Engine and Methods(混合循环燃烧发动机和方法)”且于2014年8月15日授予Shkolnik等人的美国专利No.8,794,211；以及

发明名称为“Isochoric heat addition engines and methods”且于2014年10月21日授予N.Shkolnik等人的美国专利No.8,863,724；

所有这些专利的全部内容通过引用的方式并入本文中。

技术领域

本发明涉及旋转式机器，更具体地，涉及旋转式发动机、旋转式压缩机、旋转式泵和旋转式膨胀机。

背景技术

顶循环(通常是涡轮发动机或内燃发动机)通常会在排放物中排除燃料中的可用热的>30％。底循环仅是第二热机，其能够利用从顶循环所排除的热，并为轴提供附加的机械能，从而提升总体效率。常见的是，大型(MW级)天然气发电厂在其顶循环中实现40％的效率，然后通过联合循环达到50-60％的总体效率。这是以额外的部件为代价的，具有相关的成本，并且通常仅对大型固定式电力系统是可行的。

燃料喷射技术的进步也用于通过利用更高的喷射压力(在如今的现代发动机中，通常为2000至2500巴的喷射压力)来提高效率。这是以发动机的高寄生损失为代价的(由于非常高压力的泵，等等)，并且体积庞大且非常昂贵。较小的发动机通常不能承担这些系统的费用和庞大体积。

为了提高功率密度，通常使用二冲程发动机。另外，涡轮增压发动机或机械增压发动机如今正在得到广泛接受和普及。它们通常对于制造和维护是昂贵且复杂的。

在追溯到二战期间的发动机中，注水(WI)用于增加飞机发动机的功率。研究人员指出，取决于在循环期间何时注水(在压缩冲程、燃烧冲程或膨胀冲程期间或在附加的冲程(所谓的六冲程发动机))，WI还可以提升大约2-5％的效率。美国陆军还就取消发动机水套(外部冷却)以利于直接注水作为内部冷却发动机的手段进行了成功研究。

据我们所知，没有人试图以一致和协同的方式利用可用措施中的所有或至少大部分措施来设计电厂，即，采取系统级方案来设计这种发电厂。

本发明是我们在从系统级设计的角度解决大型和小型发动机的高效率和高功率密度方面的尝试。

发明内容

本申请描述了紧凑旋转式发动机的实施例，其具有多个改进的密封组件，其可选地进一步利用通过密封组件注水来对发动机进行内部冷却，从而减少外部冷却的热损失，其优点在于，内部冷却剂与发动机排放物相结合，使得排放物和冷却热损失的组合热可用于发动机的底循环，并且其中，发动机可以可选地通过结合一体式机械增压机构来提高其功率密度。

根据本发明的一个实施例，提供了一种密封组件，该密封组件用于密封旋转式机器的转子的轴向表面与该机器的侧壳体之间的间隙。该密封组件包括面密封件，该面密封件具有外构件711，该外构件具有(i)轴向接触表面715，该轴向接触表面抵靠侧壳体740被沿轴向加载，并且位于转子的外周角部切口725中；(ii)至少一个其它流体压力接收表面714、718；和(iii)内侧径向接触表面719，该内侧径向接触表面抵靠转子被流体压力沿径向加载。所述面密封件和转子的外周角部切口被成形为使得面密封件被约束在该切口内。此外，所述轴向接触表面和所述至少一个其它流体压力接收表面被成形为使得流体压力引起合力(net force)，通过该合力，所述轴向接触表面被沿轴向推靠于侧壳体，并且所述外构件的内侧径向接触表面被沿径向推靠于转子。

在旋转式内燃发动机(例如101)的情况下，对密封件加压的流体可以是填充每个工作腔室的空气-燃料混合气体。在另一相关实施例中，所述面密封件还包括桥接构件713，该桥接构件被联接至所述外构件，从所述外构件向内跨越一段径向距离。

在另一相关实施例中，所述面密封件还包括轴向加载的弹簧750，该轴向加载的弹簧被设置在所述桥接构件与转子724的结构件之间，以使所述轴向接触表面抵靠侧壳体被沿轴向加载。可选地，所述密封组件包括辅助密封件760，该辅助密封件被设置在所述轴向加载的弹簧与桥接构件之间，使得该辅助密封件抵靠主密封件被所述弹簧沿轴向预加载。该密封件还通过由内侧径向接触表面吹出的任何流体的压力而抵靠主密封件713被沿轴向激励并且抵靠转子脊部721被沿径向加载。

一些实施例还包括柔性辅助密封件1304，该柔性辅助密封件1304沿径向设置在转子与面密封件之间。

一些实施例还包括一组弹簧903，该一组弹簧103联接至所述面密封件和转子，并且被构造成朝向转子轴线沿径向拉动所述外构件。

一些实施例还包括：板构件1009，该板构件连接至所述外构件，并在从所述外构件径向向内的方向上沿着轴向表面设置；以及防旋转狭槽1010，该防旋转狭槽1010设置在所述板构件内，以容纳转子的对应的轴向突出的脊部1003，从而防止所述面密封件相对于转子旋转。在一些实施例中，在所述板构件中包括一组开口1020，以允许冷却空气行进通过转子。

另一个实施例教导了一种改进的内燃发动机，该内燃发动机使用密封件来封闭移动构件的表面与发动机壳体的表面之间的间隙，该发动机具有工作腔室和排气部，其中，该改进包括：加压的蒸发液体的源；以及管道，该管道限定所述蒸发液体到所述密封件中的至少一个密封件的通路，使得所述蒸发液体与所述表面接触，并且当所述蒸发液体通过所述表面而暴露于热时，所述蒸发液体的至少一部分经历到气体的相变，该气体逸出到发动机的工作腔室中，然后变成发动机排放物的一部分，并且，由于该相变，热被从发动机中去除。可选地，内燃发动机是往复活塞式的。可选地，该内燃发动机是旋转式的。

所述蒸发液体可有助于润滑密封界面，同时还从发动机中去除热，从而减少或消除外部冷却需求(例如，如果提供足够的内部冷却，则通常可以消除用于冷却发动机的“水套”)。冷却剂的能量被转换成工作腔室中的气体压力，而在其它情况下，该能量通常将损失于外部冷却套。因此，由于在膨胀(动力)冲程期间完成更多功，一些能量得以回收。

一些实施例还包括设置在发动机排放物的路径中的热交换器，用以利用与排放物关联的能量，包括来自所述蒸发液体的相变的能量。替代地或另外，该发动机还包括第二热机，该第二热机将来自排放物的热的能量转换成附加的轴功(shaft work)。

在一些实施例中，所述管道与发动机的密封件中的通道的网络连通。

另一个实施例教导了一种改进的内燃发动机，该内燃发动机使用移动构件的表面与发动机壳体的表面之间的间隙，发动机具有工作腔室和排放物，其中，该改进包括：加压的蒸发液体的源；以及管道，该管道限定所述蒸发液体到所述间隙中的至少一个间隙的通路，使得所述蒸发液体与所述表面接触以形成密封件，并且当所述蒸发液体通过所述表面而暴露于热时，所述蒸发液体的至少一部分经历到气体的相变，该气体逸出到发动机的工作腔室中，然后变成发动机排放物的一部分，并且，由于所述相变，热被从所述发动机中去除。

又一个实施例教导了一种改进的转子，该转子用在旋转式内燃发动机中，该转子具有旋转轴线，其中，该改进包括：多个径向布置的肋部518，所述肋部将转子的径向表面联接至转子的中心部分，所述肋部促进冷却流体沿轴向方向流动通过转子，并提供转子的结构完整性。该冷却流体例如可包括空气或空气-燃料混合物，或者与蒸发液体混合的空气。

一些实施例还包括至少一个板507或508，该至少一个板大致垂直于转子的轴线，并且安装成引导冷却剂沿轴向流过所述肋部并流到未布置有所述板的、所述肋部之间的至少一个开口。这可以将冷却流体引向转子的热交换区域。该热交换区域例如可以包括：冷却翅片506，该冷却翅片设置在所述至少一个开口中并联接至转子的径向表面，以促进从转子的热传递，至少一个板507或508大致垂直于转子轴线，并安装成引导空气沿轴向流过所述肋部并仅流到未布置所述有板的、所述肋部之间的至少一个开口；以及一组冷却翅片506，该冷却翅片设置在所述至少一个开口中，以促进从转子的热传递。

一些实施例还包括至少一块导热泡沫504，该至少一块导热泡沫设置在转子的相邻肋部之间，以增加转子与冷却空气之间的热交换。

在另一个实施例中，本发明提供了一种改进的发动机，其包括：摆线转子，该摆线转子具有N个叶轮；以及壳体，该壳体具有对应的一组N+1个叶轮接收区域，以用于在转子相对于壳体绕轴线旋转时连续地接收叶轮，该壳体具有(i)沿轴向设置在转子的第一侧和第二侧上的一对盖，以及(ii)设置在每一对相邻的叶轮接收区域之间的峰部，至少一个工作腔室形成在转子与该壳体之间的空间中。在本实施例中，该改进包括：进气端口和排气端口，每个端口均形成在所述盖中的同一个盖中，或形成在所述盖中的不同的盖中。该排气端口在进气端口之前打开，以清除来自工作腔室的已燃烧气体并用新鲜介质填充该腔室，从而提供发动机的两冲程操作。可选地，加压的流体介质被供应到进气端口。在另一相关实施例中，这些端口以不对称的方式布置。

在一些实施例中，这些端口以不对称的方式布置在不同的盖上，而在一些实施例中，这些端口以不对称的方式布置在同一个盖上。

在又一实施例中，一种旋转式机器的转子组件包括：转子主体1201，该转子主体具有径向面；以及套筒1202，该套筒沿圆周方向设置在所述径向面上，其中，该套筒具有径向向内突出的舌部1203，并且转子主体具有对应的径向内凹的凹槽，所述舌部容纳在该凹槽中。

一些这样的实施例还包括侧密封组件，其设置在转子主体的径向面上，所述侧密封组件具有主密封件1403和可压缩的辅助密封件1404，该辅助密封件与主密封件接触并设置在转子主体的所述凹槽中。此外，一些实施例包括外周角部切口，该外周角部切口用于对应地成形的侧密封件。而且，一些实施例包括进气端口和排气端口，该进气端口用于允许新鲜介质进入工作腔室中，而排气端口用于允许已燃烧气体离开工作腔室。

再一个实施例包括一种改进的旋转式发动机，其具有：转子，该转子具有N个叶轮；进气端口，该进气端口用于工作介质的引入；排气端口；以及壳体，转子相对于该壳体安装成相对于该壳体进行旋转运动，该壳体具有N+1个叶轮接收区域以及(i)设置在每一对相邻的N+1个叶轮接收区域之间的峰部和(ii)一对侧面，所述N+1个叶轮接收区域相对于所述转子被进一步构造成在转子相对于该壳体旋转时连续地接收所述N个叶轮，以形成多个腔室，每个腔室与所述N+1个叶轮接收区域中的每一个叶轮接收区域相关联，其中，所形成的腔室中的至少一个腔室被构造成相继地处理进气阶段、工作介质压缩阶段以及燃料喷射阶段、燃烧阶段、膨胀阶段和排气阶段，其中，该改进包括所述壳体中的凹部，该凹部关联于其中发生燃烧的每个腔室，该凹部被以不对称的方式成形，以在燃料的压缩和喷射过程中在工作介质中产生涡流。在一些这样的实施例中，该凹部具有细长的滴状(drop-like)形状，该形状适应于与喷射到该凹部中的燃料的羽流相关的形状和体积。

彩色附图

本专利或申请文件包含至少一个带有颜色的附图。本专利或专利申请公开的具有彩色附图的副本将由专利局根据要求并支付必要的费用而提供。

附图说明

通过参考结合附图进行的以下详细描述，将更容易理解实施例的前述特征，其中：

图1A示意性地示出了非常高效率的热电联产(CHP)系统的特征；

图1B示意性地示出了图1B中示意性所示的CHP系统的热力学优点；

图2A-2E示意性地示出了基于可以在上述CHP中使用的X型发动机的几何形状和循环的发动机的特征。

图3A-3B示意性地示出了可以在上述CHP系统中使用的活塞式发动机的特征；

图4示意性地示出了可以在上述CHP系统中使用的活塞式发动机的特征；

图5A-5E示意性地示出了被构造成实现机械增压和附加冷却的转子；

图6A-6C示意性地示出了基于X型发动机几何形状的二冲程发动机的实施例；

图7A-7F示意性地示出了“U形杯”面密封件的设计；

图8示意性地示出了密封件的流体压力接收表面的表面区域在该密封件的轴向接触表面上的投影；

图9示意性地示出了通过引入有助于U形杯密封件保持与转子接触的附加弹簧而对“U形杯”的设计进行的潜在改进；

图10A-10B示意性地示出了“板密封件”的实施例；

图11A-11D示意性地示出了固定式密封件的实施例；

图12A-12C示意性地示出了具有套筒的转子的实施例；

图13A-13C示意性地示出了密封件的附加实施例；

图14A-14L示意性地示出了密封件的附加实施例；

图15-16示意性地示出了燃烧腔室的实施例；

图17A-17F示意性地示出了制造“梯度特性”材料转子的方法的实施例。

具体实施方式

各种实施例描述了对X型发动机的改造，其将利用专用的腔室来实现朗肯底循环以及在密封、燃烧效率方面的额外改进——所有这些都有助于高效率。

定义。如本说明书和所附权利要求中所使用的，除非上下文另有规定，否则以下术语应具有所表示的含义：

“旋转式机器”是从旋转式发动机、旋转式压缩机、旋转式泵和旋转式膨胀机构成的组中选取的机器。

转子的“外周角部切口”是从转子切除的、位于转子的径向末端处的切口，以导致转子的径向表面的轴向延伸的减小。

“柔性辅助密封件”是由诸如聚合物的柔性或可压缩材料制成的密封件，或者是由各种细截面的钢制成的密封件，例如O形环、X形环、E形环、C形环等；这些柔性辅助密封件的主要特征是在不妨碍主密封件的运动的前提下提供转子与主密封件之间的同时接触。

“蒸发液体”是在内燃发动机的壳体中经受的温度和压力下经历到气体的相变的液体。在上下文中，水是“蒸发液体”，而润滑油不是蒸发液体。“X型发动机”的实施例参见美国专利8,523,546中描述的实施例，该美国专利的全部内容通过引用的方式并入本文中。X型发动机在高效混合循环(HEHC)下操作。

“高效混合循环”(或“HEHC”)是如美国专利8,523,546中描述的循环，HEHC循环可以由例如为X型发动机的发动机执行。

“介质”是在进气冲程期间进入发动机的工作腔室中的新鲜空气或空气/燃料混合物。

从重量、强度、磨损、摩擦、导热率、热膨胀系数等的观点来看，“粉末材料”可以含有陶瓷、石墨、铝、镁、钛、粘合剂和对旋转式机械的转子有益的其它材料。

“压实和烧结工艺”包括一系列(a family of)生产技术，其处理粉末形式的原料以制造各种类型的部件。这些生产技术总体上涉及以下处理步骤中的全部步骤或大部分步骤：

a)将混合粉末成型为压块(主导的固结工艺包括在刚性模架(包括模具、冲头，以及可能的心轴或芯棒)中进行压制)。然而，存在有在生态位应用(Niche application)中使用的几种其它固结方法。

b)将压块烧结以增强完整性和强度。该处理步骤包括将材料通常在保护环境下加热至比主要成分的熔点低的温度。在一些情况下，次要成分可在烧结温度下形成液相；这种情况被描述为液相烧结。固相烧结和液相烧结中涉及的机理在后面的章节中简要讨论。

2014年7月31日公开的美国公开专利申请No.2014/0209056(2004年1月24日提交的专利申请No.14/163,654)描述了X型发动机的几何构造，该X型发动机的几何构造具有可用于泵送、压缩或其它目的的、专用的规定腔室，而该发动机的其余腔室用于常规的内部发动机燃烧过程，该专利申请的全部内容通过引引证结合于本文中。

专利No.8,523,546描述了在高效混合循环(HEHC)下操作的旋转式发动机，我们称之为“X型发动机”，该专利的全部内容通过引用的方式并入本文中。虽然HEHC循环固有地更有效，并尝试通过过度膨胀从排放物中回收尽可能多的能量，但在排放物和冷却中仍然存在大量热能。

本申请涉及用于在(1)美国专利8,863,724和8,523,546中公开的一般类型的外旋轮线旋转式发动机、(2)旋转式压缩机或(3)旋转式泵中的任一种中使用的转子及相关的密封件和部件的改进。图2示出了本文所示的改进可适用的类型的典型实施例。美国专利8,863,724和8,523,546的全部内容通过引用的方式并入本文中。

X型发动机操作循环

HEHC X型发动机使用包括进气、压缩、燃烧和膨胀、以及排气的四冲程循环。这些冲程中的每一个冲程在两个发动机腔室中的每个腔室内顺序地进行。发动机是具有端口的，以在不使用提升阀(poppet valve)的前提下允许完全的四冲程操作。空气和燃料通过转子，进入或离开指定的燃烧腔室。进气端口和排气端口的位置的不对称性导致过度膨胀。通过在转子旋转且转子顶部的弧形部与壳体的弧形部对准的情况下将隔离的每个燃烧腔室内的一定体积的空气和燃料捕获一段延长的时间来实现恒定体积燃烧。因此，发动机几何形状的独特方面允许发动机实现HEHC循环。

通过结合以下内容，在热力学方面为效率提高打下基础：1)在LiquidPiston的专利No.8,523,546中描述的称为高效混合循环(HEHC)的高度优化的热力学循环，该专利的全部内容并入本文中；该循环结合了高压缩比、恒定体积燃烧和过度膨胀；2)发动机在外部隔热，并使用内部(缸内)注水(WI)(或更一般地，蒸发流体注入)进行冷却；当这种水变成蒸汽(蒸发流体变成气体)时，它在该腔室内建立压力，从而允许部分地回收冷却损失，同时降低气体和气缸的温度；3)通过结合到基础发动机(base engine)的朗肯底循环(BottomingRankine cycle)，回收来自排放物的热以及来自水/蒸汽进行的内部冷却的热。

在X型发动机中，用于内部冷却的注水(WI)可以注入或射入到气缸中的发动机密封点处，从而改善密封，并且可能消除或减少对油润滑的需要。在没有油的前提下，发动机可以更热地运行，排放将更好，并且维护要求更少。

图1A示出了非常高效率的热电联产(CHP)系统100的实施例。作为示例，整个将使用1kWe系统，但该构思同样能够适用于大得多的系统。

基于任何合适的燃料(例如基于天然气(NG))运行的旋转式X型发动机“E”联接至交流发电机“A”，以向互连电网/电源电力箱“I”提供1kW的电力。发动机包含3个腔室，其中两个腔室点燃天然气，被称为E_{_HEHC}腔室，并且第三个腔室被称为E_{_STEAM}，用于朗肯(蒸汽)底循环(关于腔室的定义，参见图2a；关于系统的能量平衡，参见图1B)。对应的喷射器在E_{_HEHC}腔室中喷射NG(或根据设计需要，喷射任何其它燃料)，并且蒸汽喷射器在E_{_STEAM}腔室中喷射蒸汽。电子控制单元“ECU”控制发动机E的燃料、交流发电机A和二通阀“2-w”。注水将用于冷却、润滑，以及用于内部废热回收。水从驻留水龙头(residence tap)供应到去离子器“de-I”，然后冷却交流发电机“A”并流入高压泵“P”，然后进入小型热交换器“HE1”，其中来自废气的热被传递到该水中，以将其转化为过热蒸汽，该过热蒸汽被进一步喷射到发动机的底循环腔室E_{_STEAM}中。在连接的回路中，相对冷的水被直接供给到发动机密封件，以冷却发动机的转子和其它部件；该水在所述腔室内变成蒸汽，并且在其它情况下损失到冷却剂的能量被部分回收。在燃烧之后，排放物经过催化转换器“CAT”108，排放物在该催化转换器中被净化。燃烧的空气退出到“HE1”中，然后，如果不需要该驻留热(residence heat)，则其通过阀“2-w”排入大气中。如果需要该热，排放物则被引导到驻留热交换器“HE2”132。为了最小化外部热损失，发动机、交流发电机、催化转换器和HE1将被完全隔热，使得任何冷却仅通过水发生。

可选地，为了降低操作成本，虽然增加了投资成本，但也可以例如通过旋风分离器“CS”回收系统中的水，在这种情况下，排放物蒸汽被冷却至水冷凝点，并与气体分离。来自“CS”的水流过过滤器“F”，并经由回水管线135返回到“de-I”。这种选项使得不需要连接到外部水源，但是包括附加的部件。图1A中的椭圆内所示的部件也是可选的。

下面，我们将描述发动机E如何利用内部水冷却和底循环来运行并且与系统的其余部件交互。

WI/冷却

通常，发动机通过冷却剂流过水套而被外部冷却；燃料能量的大约三分之一因此被转化为低等级的热并排除到环境中。在本实施例中，我们实施了不同的策略来对发动机进行内部冷却。在进气冲程或压缩冲程期间注入的水具有使气体冷却的作用，它将PV图中的压缩曲线向下拉(增加效率)。在燃烧或膨胀期间注入的水也会使充气冷却，从而降低峰值压力和温度。这减少了NOx排放，并且还可以增大爆震极限，从而允许更高的压缩比(允许增大的热效率)。对于X型发动机架构独特的是，注水可以直接在密封件与转子之间的界面和/或密封件与盖之间的界面处进行；这样的水将冷却密封件及转子，或者冷却密封件及盖，同时也变成蒸汽并具有润滑效果。所注入的水变成蒸汽(从内部冷却发动机)，但蒸汽会升高腔室压力(蒸汽所占用的体积是环境条件下液体水的约1400倍)，而总体温度降低。效果是增加功率输出，同时降低燃烧温度，这也减少了NOx排放。此外，气体的过度膨胀允许发动机从所产生的蒸汽中获取更多益处，从而捕获在其它情况下会损失到冷却剂的更多能量。这也打开了替代润滑策略的门——通过水/水蒸汽进行润滑：例如，通过使用超硬的AlMgB14涂层，该AlMgB14涂层在湿润时具有非常低的摩擦系数(0.02)。

底循环

底循环或联合循环是通常使用的策略，特别是用于较大的发电厂系统。顶循环(通常是涡轮发动机或内燃发动机)通常会在排放物中排除燃料中的可用热的大约三分之一。虽然HEHC循环固有地更有效，并尝试在四冲程循环内转换尽可能多的能量，但排放物中仍然存在大量的能量。如上所述，在所提出的系统中，隔热的发动机被来自腔室内的水冷却，即，不是来自腔室外的冷却剂通道，而是通过水与转子和/或壳体的直接接触来冷却。然后将蒸汽形式的水与排放物混合——因此，基本上所有不用于机械轴功的热(例如，通常损失于“冷却”或“热传递”的热)也与“排放物热”混合并可用于底循环。通常，底循环由第二热机实现，该第二热机能够利用从顶循环排除的热并为轴提供附加的机械能，从而提升总体效率。常见的是，大型(MW规模)天然气发电厂在其顶循环中实现40％的效率，然后通过联合循环，达到50-60％的总体效率。所提出的发动机的新颖特征在于，除了用于底循环的排放物的热之外，所有的“冷却”损失也都是可用的。本文提出的本发明是基于3腔室“X型”发动机，其中2个腔室进行HEHC顶循环，而第三腔室用作用于朗肯底循环的膨胀器。除了蒸汽喷射器之外，不需要新的硬件来实现所提出的发动机。结果，仅利用少量的移动部件就实现了非常紧凑、成本有效且完全联合的循环(加上电厂的平衡)。

为了实现高制动效率，发动机从冷却流和排放物流中回收能量：

发动机的3个腔室中的两个以HEHC运行。来自发动机的排放物行进通过热交换器，从而产生过热的蒸汽。该发动机的第3腔室使用朗肯底循环，其中在TDC时喷射蒸汽。

在所提出的发动机实施例中，水/蒸汽用作冷却、密封、润滑和热回收机制。为了转子冷却的目的，仅需要少量的水(约进气质量的30％)，并且机油可以从该系统中完全省去。由于不需要油膜，发动机运行温度可以提高到400℃(而不是有油膜情况下的典型的180℃)。

图2a中示出的是移除了前盖的3腔室X型发动机。它包括壳体201、盖板202和206(图2b)、转子203、三个顶端密封件204和两个面密封件205。进气入流(intake air charge)235通过轴233和进气端口232流入腔室。工作腔室空间由转子、壳体和两个盖板界定。在所提出的顶循环中，被称为“E_{_HEHC}”的两个工作腔室将被构造为点火腔室，其执行两冲程或四冲程HEHC-SI循环。第三腔室被称为“E_{_STEAM}”，它将专门用于底循环(见图2a)。

热障涂层用在壳体的内表面上，并且围绕壳体(未示出)覆盖或隔热，以保留大部分的燃烧热。除了顶端密封件之外，该壳体与任何运动部件没有接触，因此，如果我们为顶端密封件提供专用冷却，则壳体不会被冷却。需要冷却的部件仅是转子和所有的密封件——这些部件由通过发动机密封件泵送的水在内部冷却。水的流动如图2b)示出。红色箭头(271-in和271-out、272-in和272-out、273-in和273-out)示出了在穿过每个顶端密封件204的轴向方向上、水通过盖板206中的计量孔262的流动；这些流动在发动机的另一侧上通过盖板202(图2a)流出。图2e提供了通过密封件204的流动271的细节。2012年3月29日提交的申请No.13/434,827中描述了该顶端密封件，该申请以其全部内容(同时也以US 8,523,546)通过引用的方式并入本文中。它们由两个半部241和242构成，被弹簧244激励；如绿色箭头所示，这两个半部相对于彼此滑动，并允许流过通道243的水通过该滑动界面泄漏到转子203上。图2d中示出了第二个版本的顶端密封件。它具有被弹簧244激励的衬垫245和陶瓷辊246。水流动通过该衬垫中的通道，该辊将其拖动并将其散布到转子上。由于该顶端密封件在壳体内是静止的，所以水连续地通过它们流动。

到面密封件205上的水流动是三维的，如图2b和2c所示。水流281-in沿轴向方向进入盖板206中的计量孔261；它进入U形杯面密封件205(图2c)的接触表面上的凹槽中。稍后在图8和13中讨论了U形杯面密封件。从此处，流动281-in分成两个方向，如虚线箭头所示。水在所述凹槽中流动，并在两个位置上从同一盖板离开281-out——注意流动箭头如何改变方向。由于X型发动机的独特几何形状，面密封件205中的所述凹槽总是且同时暴露于入口孔口262和出口孔口263，从而允许通过面密封件/盖之间界面的连续的水流动。

如上所述，该水不仅冷却密封件，而且有助于密封本身。然而，密封并不是完美的；一些水泄漏到腔室中，并且这构成如上所述的注水。此外，流动通过热顶端密封件/转子以及面密封件/盖界面的水形成水/蒸汽混合物，其部分地蒸发并在转子和盖板的壁上过热。这种水/蒸汽混合物有六种不同的功能：

1)过热蒸汽在消耗时以从转子和盖板提取的热为代价而产生附加功率，

2)由于部分的废热回收(这种热通常因发动机护套中的水冷而损失于环境中)，提高了效率，

3)通过蒸发水，冷却了转子和盖板，

4)润滑转子(活塞)与气缸之间的界面，

5)密封转子(活塞)，以及

6)因为进入腔室的蒸汽最终将被排放并与发动机排放物结合，所以产生更大量的高质量能量。

参考图1B：针对小型的1kWe发动机，使用1-D GT-Power仿真代码对气缸的热力学(在发动机的E_{_HEHC}部分内，在HEHC循环图内的点1-4)进行建模。排放气体和水蒸汽在点4处离开腔室，进入到催化转换器CAT，在该催化转换器中，任何未燃烧的燃料被进一步氧化，并以参数5的状态离开。气体/蒸汽混合物然后进入第1热交换器#1(HE1)并在点6处离开，从而向进入HE1的第二回路中的水提供热。在HE1之后，燃烧的气体/蒸汽混合物进入喷射器，在喷射器中进一步与在点10处离开E_{_STEAM}的低压蒸汽混合。

从水龙头供应的并在“de-I”(图1A)中被去离子的水进入并冷却交流发电机，并在点7(图1B)处进入泵。该水在点8(图1B)处离开所述泵，其中如上所述，该水进入HE1。该水作为过热蒸汽在点9(图1B)处离开HE1并进入E_{_STEAM}，在E_{_STEAM}中膨胀到点10(图1B))并进入喷射器，如上所述，在该喷射器中，其与来自E_HEHC的排放物混合。该排放气体和蒸汽进一步被引导到二通阀。因此，发动机的E_{_STEAM}腔室执行底循环，从而回收在其它情况下被发动机的冷却和排放物所丢弃的废热中的一些热。

热力学建模分析

该发动机为现有的商用交流发电机提供动力(每FOA，呈96％有效性)。效率包括基础HEHC发动机以及附加的底循环部件。HEHC部件效率(有WI)为：

η_Eneine＝η_comb·η_ind·η_m·α_WI＝.95*.38*.875*1.052＝32.3％

发动机的指示效率η_ind因燃烧低效率η_comb和机械低效率η_m而减小。我们假设了由于注水(α_WI)而导致的、BTE的增加的保守估计值1.052。

朗肯底循环(bRc)制动效率η_Rankine＝19.6％。请注意，排放物/冷却热的大约79％可用作该朗肯循环的输入。

X型发动机和底循环(HEHC与bRc一起)制动效率是：

η_Engine+BC＝η_Engine+(1-η_Engine)·α_{BC_AVAL}·η_bRc

＝.323+(1-.323)*.795*.196＝42.9％

最后，总体发电机组效率(包括交流发电机)为

η_generator＝42.9*.96＝41.2％

HEHC循环将通过注水而被增强，从而省去对发动机和交流发电机的外部冷却，并且提供有效“底循环”的简单方式。水和蒸汽的存在拓展了环境优点和可靠性优点。机油的使用可以完全取消，这促进了蒸汽润滑。内部冷却结合外部隔热将热保持系统内，同时确保安静的操作。

为了估算所提出的CHP系统的电效率，使用两套假设进行分析，即：保守假设和激进假设。用于E_{_HEHC}的1-D模型的假设以及所获得的结果如下[制动热效率＝(BTE)]：

表1—发动机性能的保守和激进分析

模型的细节：在X型发动机的GT-Power(1-D)仿真中，对发动机过程(E_{_HEHC})的四冲程建模。该模型具有适当的几何信息，包括体积、表面面积、端口面积和X-Mini型发动机的其它特征。

通过轴和进气端口引入空气。

空气被压缩(1→2)。热传递(Woschni式模型)和泄漏(窜漏)被建模为通过孔离开腔室的流动。泄漏的一部分到达相邻的腔室，一部分到达大气。

在进气端口关闭之后的任意时间喷射NG。

空气/燃料从2→3燃烧，使用Wiebe函数来仿真分时段的热释放。假设存在95％的燃烧效率。该阶段期间的体积大致恒定。

燃烧产物在3→4膨胀，同时再次考虑到泄漏和热传递。过度膨胀持续进行，直至达到大气压。

燃烧产物通过转子中的排气端口、通过盖中的窗口排放，并进入催化转换器CAT(图1和图2)。

在CAT中，剩余的燃料被进一步氧化，并且排放温度升高。

排放物被从CAT引导到热交换器HE1中。

在GT-Power仿真中，对水和蒸汽建模是很困难的。在本文给出的分析中，我们对HEHC(无注水)建模，但基于文献研究，我们假设效率的5％(保守)或22％(激进)的增益是可能的。

使用水/蒸汽表进行其余的计算。对于热交换HE1：

M_E(h₆-h₅)＝M_w(h₉-h₈)＝Q_HE1＝1.32kW(HE1中交换的热) (1)

其中：

M_E是离开E_{_HEHC}的排出气体的质量—(来自E_{_HEHC}的1D仿真)

h₁-h₆是点1至6处的气体的焓(来自1D仿真)

进入HE1的水的质量可以从公式(1)得到：

M_w＝0.0004kg/sec是水流量

h₇-h₁₀是点7至10处的水/蒸汽的焓。

h₇—给出了离开交流发电机的水的状态(在交流发电机中，水温升高为最小12℃)。一旦选取了泵压力(假设40巴)，则可以从水/蒸汽表中找到E_{_STEAM}的所有其它点。

为节省篇幅，以下针对“保守”假设示出所有其余参数：

Q_in＝2.45kW(燃料输入的较低热值，作为参数给出)

W_OUT＝W_HEHC+W_STEAM-W_PUMP

＝0.792kW+0.2604kW–0.0016kW＝1.05kW

W_{HEHC_Indicated}＝0.931kW(来自HEHC发动机的GT-Power模型的静指示功)

E_{_HEHC}发动机的效率“级联”是：

η_HEHC＝η_comb·η_ind·η_WI·η_m＝.95*.38*1.052*.85＝32.3％

-制动效率(η_comb＝95％-假设燃烧效率；η_ind＝38％-采用“保守”假设的GT-Power的1-d仿真结果；η_m＝85％-在LPI处测量(对应于5％的BTE总摩擦损失)；η_WI＝1.052-对使用WI带来的效率增益的保守假设)；

W_S＝M_w(h₁₀-h₉)η_{ise_S}＝0.2604kW-由E_{_Steam}假设中的蒸汽产生的功

η_{ise_S}＝0.7(通常，η_{ise_S}在65％到85％变化)；

W_P＝M_w(h₈-h₇)η_{ise_p}＝0.0016kW-驱动泵所需的功

因此，

然后，具有WI和朗肯底循环的完全X型发动机的效率为：

η_X-engine＝W_OUT/Q_in＝1.05kW/2.45kW；η_X-engine＝42.9％

考虑96％的交流发电机效率，我们得到总体发电机效率为：

η_generator＝η_X-enginexη_alt＝42.9％x96％；η_generator＝41.2％；

对于激进方案重复(且跳过细节)，我们得出η_generator＝47.7％。

因此，对于两种方案(即保守方案和激进方案)，所提出的发电机的效率将超过所要求的40％，同时在＞100℃的温度下提供1kWe和稍高于1kW的可用热。

应当注意，如果使用压缩空气或氮气或高压液态空气或氮气是有益的，则可以使用气体喷射器来代替蒸汽喷射器。

在所提出的本发明的另一个实施例中，如图3A、图3B和图4所示，利用了内燃发动机300的活塞构造；仅示出了形成两缸发动机300的单个活塞303，但其同样适用于多活塞几何形状。

图3A提供了发动机300的总体视图；图3B是示出水行进通过壳体、进入活塞并通过凹槽的截面图。图4是示出了活塞和壳体中的凹槽304以及“供水管线”305的截面图。在所示的实施例中，水通过移动构件(活塞303)中的管道来供应，但在替代的实施例(未示出)中，水可以由壳体中的管道直接供应到密封表面。

作为一种可能的构造，在发动机的一侧上示出具有气门的燃烧腔室306以及燃料307和注水器308。作为燃料喷射器和注水器的补充或替代，一个或两个腔室可以使用蒸汽喷射器和/或气体喷射器(未示出)；蒸汽和/或高压高温气体将在发动机的外部形成。此外，如果需要的话，可以使用火花塞(未示出)来点燃空气/燃料混合物。注水可以与燃料喷射和/或气体喷射间歇地或同时地使用。包含蒸汽喷射器将允许执行朗肯后循环，类似于上述的X型发动机。水的流动在图3B中被示出为蓝色虚线。冷却水301-in通过活塞内的供水管线进入壳体，进入图4的活塞凹槽。在该活塞凹槽内流动的水同时冷却气缸和活塞，并且还密封活塞与气缸之间的间隙，由此用作密封件。水将部分地蒸发，从而形成水/蒸汽混合物，该水/蒸汽混合物用作润滑剂。同样，如X型发动机的情况下一样，从这种密封件逸出的蒸汽将与缸内气体混合，并且最终将从发动机排出，并被引导到热交换器-锅炉/过热器，在此，新鲜蒸汽被形成，以通过蒸汽喷射器喷射到发动机中，由此实施朗肯底循环。

对于X型发动机列出的同样六个优点将适用于图3A、图3B和图4中的活塞式发动机。

图5A和图5B提供了对转子的改造的一些细节，其通过在一侧上用板501策略性地阻挡排气端口肋部区域，从而阻止冷却空气502从加压排气端口503排出，能够防止加压冷却空气到机械增压发动机的损失。图5a还示出了在空气冷却应用中使用导热泡沫504来提高转子的边缘505的热传递的效率。除了泡沫之外，与转子的边缘成一体的小肋部或“翅片”506对于冷却转子也是非常有效的。在转子的毂附近的冷却空气流不是有效的，因为在该区域中，肋部的温度相对较低。板507可用于将空气流仅引导到肋部的区域，以保全对冷却空气流的要求。替代地，设置在转子的不同轴向平面内的板508可以实施“之”字形的空气流动模式，这进而提高了热交换的有效性。

两冲程设计

如上文所提及的，X型发动机设计适用于两冲程及四冲程操作。图6A和图6B中示出了X型发动机的两冲程实施例；侧面有端口的X型发动机，利用2叶轮转子和3叶轮外壳。在该图中，未示出前盖板，以便观察得更容易。在下止点位置示出的转子602绕曲轴605旋转，并经由齿轮机构被相对于壳体601和盖板604正时。当转子602旋转时，其密封件(未示出)横跨端口603、606和607，从而有效地将这些端口相对于它们各自的工作腔室闭合或打开。端口603、606和607可以制造在任一侧板中，但对于端口603、606和607，在形状或位置上可能不同，并且可以制造在同一侧盖604和/或相反的侧盖(未示出)上，并且被定位和铅锤地布置(plumbed)为用作进气端口或排气端口(在该视图中不可见)。

窗口609是可选的。这种构造的发动机可以与任何可用的燃烧方法(火花点火、压缩点火、HCCI等)一起使用。

如图所示的转子602本质上是对称的，但不对称设计也是可以的，并且将类似地起作用。在该构造中，转子的两个叶轮用于循环中的压缩部分和膨胀部分。该转子中所示的肋部608是可选的。转子的两侧可以被制造成实体的(未示出)。

图6B示出了两冲程X型发动机架构的端口区域的可能构造。端口3-a(进气)和3-b(排气)可以位于任一侧盖或两个侧盖上，和/或可重叠。总体上，排气端口首先打开，从而使膨胀的气体开始排气。朝向排气端口的空气流随着进气端口的打开而继续进行(resume)，这种流动有助于吸入进气入流，如对于有端口的两冲程活塞式发动机而言是典型的。另一种方法是使加压空气流动通过进气端口，例如“气刀”，以确保新鲜空气进入发动机，而排气被排空。

转子602的密封件(未示出)横跨这些端口，有效地打开和关闭它们与工作腔室604的连通。端口603-a、603-b的形状和位置确定了端口正时、端口流动面积、端口重叠、压缩比和其它关键发动机参数。与常规的有端口的两冲程活塞式发动机(具有关于下止点对称的端口)相比，这样的一个优点在于能够具有关于发动机下止点不对称的端口正时。使用这个优点的一种方式是：在经历该循环时，在排气端口关闭之后，关闭进气端口。这与一些增压进气系统(manor)(机械增压器或涡轮增压器，或如上所示，特别是喷射压缩机械增压)的强制引入相结合，允许用新鲜空气在外部对工作腔室加压，从而有效地捕获更多的新鲜空气质量，从而使发动机能够产生更多功率。可以使用关于下止点或上止点的不对称端口正时的另一方式是产生过度膨胀循环。在这种设计中，也使用强制引入以在端口重叠期间清除残留物，并用新鲜的工作流体替换这些残留物。端口形状、面积以及上游设计和形状对于产生期望的性能特征是至关重要的，并且可以采用许多不同的形式。

这种两冲程操作也可应用于任意的具有N个叶轮的转子和具有N+1个叶轮的壳体。图6c中示出了当N＝1时的具体实例，即，转子具有1个叶轮，并且壳体具有2个叶轮。窗口603的形状、功能或位置可以与图6所示的相同或不同。

发动机可以使用端口或提升阀的组合，用于进气和排气。

密封件

不管所述循环或设计的效率如何，如果密封件表现不良，则不要期望会有来自发动机的高效率。因此，为了进一步提高发动机的效率，增加密封件的效果是至关重要的。下面的实施例示出了用于X型发动机几何形状的密封件改进的构思。针对X型发动机几何形状而设计和实施的密封件(特别是下文的U形杯密封件)明显提高了旋转式X型发动机的测量性能，并且密封性能超过了标准Wankel式发动机的密封性能，且接近常规活塞式发动机的密封性能。应该注意，除了在任何发动机中使用之外，这些密封件还可以在压缩机或泵中使用，因此我们将讨论其作为需要密封的介质的流体——气体或液体。在许多情况下，密封件可以推广到在其它类型旋转式或活塞式的发动机、压缩机或泵中工作。

图7A至图7D示出了U形杯密封件710以及转子720和顶部密封件730(图7C)。它具有由前腿711、后腿712以及连接这两个腿的桥接部713构成的U形横截面(图7C至图7E)。密封件710位于转子的对应地成形的脊部721上。该U形杯密封件的前腿的径向表面714暴露于待密封的流体(液体或气体)。该表面714具有与转子的外径722相等或稍小的外径，以避免与在转子722的所述径向表面上骑行的顶端密封件730接触。作用在表面714上的流体压力迫使该密封件的腿711呈现与脊部721的接触，由此密封够流体的泄漏路径。该U形杯密封件的前腿的轴向表面715与发动机的固定侧盖740接触。后腿712的功能是防止密封件从转子的脊部721沿径向拉离，或从所述脊部滑脱，这是因为该密封件会具有可选的间隙717(图7A)。该密封件上的防旋转结构件716(图7A)与转子中的袋部匹配。除了由位于转子脊部的孔722中的弹簧750提供的初始预加载之外，U形杯密封件被气体致动——作用在暴露于流体表面718的第二流体上的流体压力沿箭头方向提供朝向侧盖740推压该密封件的轴向力。由此，流体对表面714和718加压，从而迫使该密封件抵靠所述固定盖并抵靠脊部721。为了确保该密封件不会从所述固定构件(盖)脱离，表面715的与所述盖接触的区域应该小于区域714、718在表面715上的投影之和。例如，图8示意性地示出了密封件的流体压力接收表面(例如，718；714)的表面区域在密封件的轴向接触表面715上的投影726，或者替代地，该密封件的流体压力接收表面(例如，718；714)的表面区域在由侧盖740限定的平面上的投影726、流体压力接收表面(例如，718；714)在同一侧盖740上的投影727。这个区域715的计算是相当复杂的，但一般原则是作用在U形杯密封件上的动态力(弹簧预载荷、气体压力、摩擦力和惯性力)不会使该密封件从侧盖740脱离，并且摩擦力也应最小化。辅助(可选的)带状密封件760(图7D)也可用于进一步提高U形杯密封件的密封特性，并且还可以帮助激励主U形杯密封件，并为主U形杯密封件提供稳定性。可以使用位于转子内的常规凹槽中的这种辅助密封件(图7F)来代替脊部721。

图7e中示出了又一种改进。这种构造包括不在转子的脊部上而是在转子722的边缘上布置的U形杯密封件、以及4个顶端密封件731、732、733和734——因此被称为“4P密封件”。该转子-密封组件包括转子720、U形杯密封件710、壳体770、可选的内部带状密封件760、顶端密封三角件733、顶端密封长件732、按钮密封件731和734、螺旋弹簧750和板簧780。U形杯密封件710的外径大于转子720的外径；顶端密封三角件733和顶端密封长件732与转子720接触，而两个U形杯密封件710在外径上与按钮731和734接触。所有密封件的部件都是弹簧和流体激活的。壳体770具有切开的凹槽(未示出)，用于当转子处于上止点位置时，U形杯密封件配合在该凹槽中。由于顶端密封件的按钮段在U形杯密封件的径向表面上连续地行进，所以U形杯密封件的分离部必须不垂直于与固定构件接触的表面，而是成锐角，比如说15度。这使得按钮密封件能够在分离部上平顺地行进。

图9示出了可以帮助U形杯密封件保持与转子“腰部”处的脊部接触的可选的弹簧903——这些段由于离心力和摩擦而趋于移动远离脊部。

图10中示出了面密封件的另一实施例——位于转子1001的边缘上的板面密封件1002。板面密封件1002可以通过化学蚀刻、激光切割、机加工或任何其它合适的技术来制造。该板密封件具有与脊部1003接触的防旋转狭槽。此外，如果该板由高强度、高弹性极限且低模量的材料制成，则不需要额外的弹簧来激励密封件；转子上的小脊部1006将朝向所述盖推动该板密封件，而在装置的操作期间，流体压力将接管。

为了确保该密封件的适当操作，板面密封件1004的内径略大于转子凹槽1005的外径，而该板的外径应略小于转子的外径。

为了确保该密封件不会从所述固定构件脱离，在这里应用与用于U形杯密封件相同的规则，即，与所述固定表面接触的、密封件的腿部的区域应小于暴露于加压流体的区域在所述表面上的投影之和。

图11中示出了面密封件的另一实施例——位于盖1104中的凹槽内的固定的带状密封件1102。该密封组件包括转子1101、固定密封件1102、按钮密封件1103、盖1104、顶端密封组件1105和板簧1106。固定密封件1102和按钮密封件1103位于盖1104中的密封件凹槽中。转子1101在侧面上具有平坦表面。转子1101、顶端密封组件1105、固定密封件1102以及按钮密封件1103和所述壳体一起形成密封腔室。板簧1106朝向转子1101的外径推动顶端密封组件1105。螺旋弹簧将固定密封件1102和按钮密封件1103推动到转子1101的侧表面上。

发动机的转子可以由单一材料制成，例如钢、铝、陶瓷等制成，或由两种或更多种材料制成。图12示出了如何将转子制造有套筒的示例，其可以为转子提供一些先进的性能，例如低磨损和低摩擦率、高温能力等。转子1201被示出为插入套筒1202(图12A)。该套筒中的“舌槽”结构件1203和转子可用于使该套筒保持与转子及防旋转结构件适合。此外，该套筒可以用作上文呈现的许多密封件设计中所需的转子脊部；作为一示例，见图12C，其示出了安装在套筒1202上的U形杯式密封件1205。最后，该套筒或转子本身可以具有一些流动结构件1204，这些流动结构件能够潜在地限制在进气冲程期间的燃烧气体返回量。

图13A至图13C示出了U形杯密封件的另外变型，其包括有助于密封性能的各种柔性密封元件(聚合物或金属：带、中空O形环、C形环、E形环、方形环、X型环，等等)。所有这些柔性元件结合主密封件而工作，主密封件经受压力和温度中的大部分。所述柔性元件形成由其自身的弹性特性激励的辅助密封件，而在运行期间，它将被经过主密封件逸出的流体激励。

图13A至图13C和图14A至图14L示出了如何使用这种柔性元件的可能示例：1301、1401——转子；1302、1402——套筒；1303、1403——主密封元件；1304、1404——柔性辅助密封件；1305、1405——预加载弹簧；1406——容器金属环；以及1407——钨丝，其由气体压力激活，并且楔入在主密封件与转子之间。最后一个构思对于图10中描述的板密封件同样工作良好。

如前文所述，除了使用钨丝的密封件之外，所有这些密封件的密封表面(即，与侧盖(板)接触的表面)应被制造成使得该表面中的与所述盖接触的区域应小于暴露于压力气体的区域在该表面上的投影之和。为了使其它特征清楚，图14中未示出这些接触表面。

图13A示出了用于类别(1)中的发动机或用于(2)旋转式压缩机或用于(3)旋转泵的改进的密封件的实施例。在本实施例中，提供了一种改进的旋转式发动机(或压缩机或泵)，其具有围绕轴线旋转的外旋轮线转子、壳体以及第一和第二侧向设置的盖。该改进包括第一面密封件，该第一面密封件设置在由第一盖与壳体的接合部形成的第一外旋轮线形的角部中，该第一面密封件在穿过该轴线的平面内具有大致U形的截面，使得该第一面密封件具有相对于轴线较远的外侧腿以及相对于轴线较近的内侧腿，这两个腿通过U形中的桥接部连接，其中，该外侧腿设置在转子的对应的外侧凹口中，而该内侧腿设置在转子的对应的内侧凹口中。可选地，本实施例具有防止密封件相对于转子旋转的防旋转结构件，类似于图15所示的，其采用附接到密封件的大致圆形的衬垫并且朝向轴线沿径向向内突出到转子的对应凹部中。

在另一相关的实施例中，该改进包括第二面密封件，该第二面密封件设置在由第二盖与壳体的接合部形成的第二外旋轮线形的角部中，该第二面密封件在穿过轴线的平面内具有大致U形的横截面，使得该第二面密封件具有相对于轴线较远的外侧腿以及相对于轴线较近的内侧腿，这两个腿通过U形中的桥接部连接，其中，所述外侧腿设置在转子的对应的外侧凹口中，而内侧腿设置在转子的对应的内侧凹口中。

可选地，第一面密封件的U形的桥接部包括设置在其与第一盖接触的表面中的通道，在该通道中保持有部件，该部件选自由水、润滑剂以及水和润滑剂的组合物构成的组。

在使用钨丝作为辅助密封件的情况下，侧密封件的密封表面(即，与所述侧盖(板)接触的表面)应被制造成使得与所述盖接触的、该表面的区域应小于暴露于加压气体的区域在该表面上的投影加上钨丝在该表面上的投影之和。

燃烧

为了进一步增加发动机的效率，需要增强燃烧过程。图15示出了高速燃烧腔室1501。该燃烧腔室是壳体1502内的凹部，并且具有不对称的形状。例如，凹部1501的形状可以被描述为围绕穿过凹部1501的线以及壳体1502的中心点是不对称的。

内部壳体轮廓1503在两个区域中与燃烧腔室相交：前缘1504和后缘1505。当转子接近TDC时，锐化的前缘1504在燃烧腔室1501内产生逆时针方向的空气涡流，该涡流由后缘保持和引导。该空气涡流增大了进气运动，并改进了燃料和空气混合，同时使燃烧过程加速，这对于发动机效率和性能是两个关键参数。当在正常的汽车发动机转速下操作时，空气涡流达到峰值为45米/秒的切向空气速度。图16示出了高速燃烧腔室的附加特征：容纳喷射羽流1506。当发动机使用直接燃料喷射操作时，该燃烧腔室的细长形状可以容纳全燃料羽流，由此消除燃料的壁冲击，而燃料的壁冲击已知是不良燃烧和较高有毒排放的原因。

图15和图16示意性地示出了这样一种旋转式发动机，其具有：转子1509，该转子1509具有N个叶轮；进气端口，该进气端口用于吸入工作介质；排气端口；以及壳体，转子相对于该壳体安装成相对于该壳体进行旋转运动，该壳体具有N+1个叶轮接收区域，以及(i)设置在每一对相邻的N+1个叶轮接收区域之间的峰部，和(ii)一对侧面，所述N+1个叶轮接收区域进一步相对于转子被构造成在转子相对于壳体旋转时连续地接收N个叶轮，从而形成多个腔室，每个腔室与N+1个叶轮接收区域中的每一个叶轮接收区域相关联，其中，所形成的腔室中的至少一个腔室被构造成相继地处理进气阶段、工作介质压缩阶段以及燃料喷射阶段、燃烧阶段、膨胀阶段和排气阶段。发动机包括所述壳体中的凹部1501，该凹部1501关联于其中发生燃烧的每个腔室，该凹部被以不对称的方式成形，以在燃料的压缩和喷射过程中在工作介质中产生涡流。在一些实施例中，凹部1501具有细长的滴状形状，其在图16中最容易看到，该形状具有窄端(例如，其中燃料喷射器1510喷射燃料的羽流1506)和远离该窄端的较宽端。该形状适应于与喷射到该凹部中的燃料的羽流1506相关的形状和体积(例如，如上所述，燃烧腔室/凹部1501的细长形状可以容纳燃料羽流，从而消除燃料的壁冲击，而燃料的壁冲击已知是不良燃烧和较高有毒排放的原因。

改进的燃料喷射

为了进一步提高燃烧效率，使燃料和燃烧空气良好混合是至关重要的。能够由喷射器来补充上述的高速涡流产生，喷射器的穿透长度小，并且产生非常小尺寸的微滴——在5至10微米的范围内。通常，这利用空气辅助的喷射器(Orbital等；另参见美国专利No.5,520,331，其描述了用于使灭火应用中的水消耗最小化的空气辅助的液体雾化喷嘴)完成；这需要单独的小型压缩机来提供加压空气。在本发明中，我们提出了一种与US 5,520,331中描述的方法类似但不需要空气压缩机的方法。

转子制造

为了进一步增加X型发动机的效率和功率，有利的是增加发动机的运行温度以及降低摩擦(和磨损)。完全由陶瓷制成的转子提供了实现这些目标的巨大前景，但其制造是极其昂贵的。可以通过使用例如在[“Dry Powder Deposition and Compaction forFunctionally Graded Ceramics(用于功能分级陶瓷的干粉末沉积和压实”，ZacharyN.Wing和John W.Halloran，Department of Materials Science Engineering,University of Michigan,Ann Arbor,Michigan 48109]中描述的梯度粉末沉积、金属粉末冶金工艺来提供不太昂贵且更好的解决方案。转子的边缘可以利用陶瓷和/或金属和/或石墨粉末的混合物制成，而转子的中心部分由铝或钛或任何其它轻金属粉末制成。图17中示出了制造这种转子的方法。转子在模具1701(图17a01)内制成，模具1701包括基部1702、插入件1703、可移除的薄引导件(分离器)1704和盖1705，所有这些都如图17F所示。如图17B，粉末“以梯度方式”(即，在3D空间中不均匀地)沉积到在基部、盖和插入件之间的空间中。该梯度沉积可以在径向方向上和/或在轴向方向上完成，且能够不仅在几何形状方面而且在粉末组成方面制造成不对称的。该梯度是通过计量机器人粉末分配系统形成，或者借助于可移除的薄引导件1704而以手动方式形成。在移除引导件之后，在基部与插入件之间留有材料的梯度混合物1706(图17D)；然后，将模具盖放置在基部上(图17E)，并且在大的压力以及可选地大的温度下，模具经受压实和烧结。模具也可以被振动，以增强粉末层到彼此之中的分散。

附图标记

本发明的各种实施例的特征可以在于本段落之后的段落(且在本申请的最后提供的实际权利要求之前)列出的潜在的权利要求。这些潜在权利要求形成本申请的书面描述的一部分。因此，在涉及本申请或要求根据本申请的优先权的任何申请的后续进程中，以下潜在的权利要求的主题可以被呈现为实际权利要求。包括这些潜在的权利要求不应解释为实际的权利要求不涵盖潜在的权利要求的主题。由此，在后续进程中不呈现这些潜在权利要求的决定不应解释为将该主题捐赠给公众。

非限制性地，可能要求保护的潜在主题(以字母“P”开头，以避免与下面提出的实际权利要求混淆)包括：

P1.U型杯形密封件，用于密封固定构件与移动构件之间的间隙，并且包括两个腿以及连接这些腿的桥接部，使得前腿在两个表面上暴露于加压流体，第三表面与固定表面接触，并且第四表面与移动构件的脊部的匹配表面接触，密封件的所述腿的与固定表面接触的区域小于暴露于加压流体的区域在所述表面上的投影之和。

上述本发明的实施例旨在仅是示例性的；许多修改和变型对于本领域技术人员将是显而易见的。所有这些修改和变型旨在落在所附权利要求限定的本发明的范围内。

Claims (28)

1.一种密封组件，所述密封组件用于密封旋转式机器的转子的轴向表面与所述机器的侧壳体之间的间隙，所述密封组件包括：

面密封件，所述面密封件具有：

外构件(711)，所述外构件具有(i)轴向接触表面(715)，所述轴向接触表面抵靠所述侧壳体(740)被沿轴向加载，并且位于所述转子的外周角部切口(725)中；(ii)至少一个其它流体压力接收表面(714,718)；和(iii)内侧径向接触表面(719)，所述内侧径向接触表面抵靠所述转子被流体压力沿径向加载；

所述面密封件和所述转子的所述外周角部切口被成形为使得所述面密封件被约束在所述切口内；

其中，所述轴向接触表面和所述至少一个其它流体压力接收表面被成形为使得流体压力引起合力，通过所述合力，所述轴向接触表面被沿轴向推靠于所述侧壳体，并且所述外构件的所述内侧径向接触表面被沿径向推靠于所述转子。

2.根据权利要求1所述的密封组件，其中，所述面密封件还包括桥接构件(713)，所述桥接构件联接至所述外构件，从所述外构件向内跨越一段径向距离。

3.根据权利要求2所述的密封组件，其中，所述面密封件还包括轴向加载的弹簧(750)，所述弹簧(750)设置在所述桥接构件与所述转子(724)的结构件之间，以使所述轴向接触表面抵靠所述侧壳体被沿轴向加载。

4.根据权利要求3所述的密封组件，还包括辅助密封件(760)，所述辅助密封件设置在所述轴向加载的弹簧与所述桥接构件之间，使得所述辅助密封件被所述弹簧沿轴向加载，并且通过由所述内侧径向接触表面吹出的任何流体的压力而抵靠所述转子被沿径向加载。

5.根据权利要求1所述的密封组件，还包括柔性辅助密封件(1304)，所述柔性辅助密封件沿径向设置在所述转子与所述面密封件之间。

6.根据权利要求1所述的密封组件，其中，所述密封组件还包括一组弹簧(903)，所述一组弹簧联接至所述面密封件和所述转子，并且被构造成朝向转子轴线沿径向拉动所述外构件。

7.一种改进的内燃发动机，所述内燃发动机使用密封件来封闭移动构件的表面与发动机壳体的表面之间的间隙，所述发动机具有工作腔室和排放物，其中，该改进包括：

加压的蒸发液体的源；以及

管道，所述管道限定所述蒸发液体到所述密封件中的至少一个密封件的通路，使得所述蒸发液体与所述表面接触，并且当所述蒸发液体通过所述表面而暴露于热时，所述蒸发液体的至少一部分经历到气体的相变，该气体逸出到所述发动机的工作腔室中，然后变成发动机排放物的一部分，并且，由于所述相变，热被从所述发动机中去除。

8.根据权利要求7所述的发动机，其中，所述内燃发动机是活塞式的。

9.根据权利要求7所述的发动机，其中，所述内燃发动机是旋转式的。

10.根据权利要求7所述的发动机，所述发动机还包括热交换器，所述热交换器位于所述发动机排放物的路径中，以利用与排放物相关联的能量，包括来自所述蒸发液体的所述相变的能量。

11.根据权利要求10所述的发动机，所述发动机还包括第二热机，所述第二热机将来自排放物热的能量转换成附加的轴功。

12.根据权利要求7所述的发动机，其中，所述管道与所述发动机的所述密封件中的通道的网络连通。

13.一种改进的内燃发动机，所述内燃发动机利用移动构件的表面与发动机壳体的表面之间的间隙，所述发动机具有工作腔室和排放物，其中，该改进包括：

加压的蒸发液体的源；以及

管道，所述管道限定所述蒸发液体到所述间隙中的至少一个间隙的通路，使得所述蒸发液体与所述表面接触以形成密封件，并且，当当所述蒸发液体通过所述表面而暴露于热时，所述蒸发液体的至少一部分经历到气体的相变，该气体逸出到发动机的所述工作腔室中，然后变成发动机排放物的一部分，并且由于所述相变，热被从所述发动机中去除。

14.一种改进的转子，所述转子用在旋转式内燃发动机中，所述转子具有旋转轴线，其中，该改进包括：

多个径向布置的肋部(518)，所述多个径向布置的肋部(518)将所述转子的径向表面联接至所述转子的中心部分，所述肋部促进冷却空气沿轴向方向流动通过所述转子，并提供所述转子的结构完整性。

15.根据权利要求14所述的改进的转子，还包括一组冷却翅片(506)，所述一组冷却翅片沿所述转子的所述径向表面布置，以促进从所述转子的热传递。

16.根据权利要求14所述的改进的转子，还包括至少一个板(507或508)，所述至少一个板大致垂直于所述转子的轴线，并安装成引导冷却剂流过所述肋部并流到未布置有所述板的、所述肋部之间的至少一个开口。

17.根据权利要求14所述的改进的转子，还包括至少一块导热泡沫(504)，所述至少一块导热泡沫设置在所述转子的相邻的肋部之间，以增加所述转子与所述冷却空气之间的热交换。

18.一种改进的发动机，包括：摆线转子，所述摆线转子具有N个叶轮；以及壳体，所述壳体具有对应的一组N+1个叶轮接收区域，所述叶轮接收区域用于在所述转子相对于所述壳体绕轴线旋转时连续地接收所述叶轮，所述壳体具有(i)沿轴向设置在所述转子的第一侧和第二侧上的一对盖；和(ii)设置在每一对相邻的叶轮接收区域之间的峰部，至少一个工作腔室形成在所述转子与所述壳体之间的空间中，其中，该改进包括：

进气端口和排气端口，每个端口均形成在所述盖中的同一个盖中，或形成在所述盖中的不同的盖中，

其中，所述排气端口在所述进气端口之前打开，以清除来自所述工作腔室的已燃烧气体并用新鲜介质填充所述腔室，从而提供所述发动机的两冲程操作。

19.根据权利要求18所述的改进的发动机，其中，加压的流体介质被供应至所述进气端口。

20.根据权利要求18所述的改进的发动机，其中，所述端口以不对称的方式布置。

21.根据权利要求1所述的密封组件，其中，所述面密封件还包括：

板构件(1009)，所述板构件连接至所述外构件，并且在从所述外构件径向向内的方向上沿着所述轴向表面设置；以及

防旋转狭槽(1010)，所述防旋转狭槽设置在所述板构件内，以容纳所述转子的对应的轴向突出的脊部(1003)，从而防止所述面密封件相对于所述转子的旋转。

22.根据权利要求21所述的密封组件，其中，在所述板构件中包括一组开口(1020)，以允许冷却空气通过所述转子。

23.一种旋转式机器的转子组件，所述转子组件包括：

转子主体(1201)，所述转子主体具有径向面；以及

套筒(1202)，所述套筒沿圆周方向布置在所述径向面上，

其中，所述套筒具有径向向内突出的舌部(1203)，并且所述转子主体具有对应的径向内凹的凹槽，所述舌部容纳在所述凹槽中。

24.根据权利要求23所述的转子组件，还包括：

侧密封组件，所述侧密封组件设置在所述转子主体的所述径向面上，所述侧密封组件具有主密封件(1403)和可压缩的辅助密封件(1404)，所述辅助密封件与所述主密封件接触并设置在所述转子主体的凹槽中。

25.根据权利要求23所述的转子组件，所述转子组件具有外周角部切口，所述外周角部切口用于对应地成形的侧密封件。

26.根据权利要求23所述的转子组件，所述转子组件具有进气端口和排气端口，所述进气端口用于允许新鲜介质进入所述工作腔室中，所述排气端口用于允许已燃烧气体离开所述工作腔室。

27.一种改进的旋转式发动机，具有：转子，所述转子具有N个叶轮；进气端口，所述进气端口用于工作介质的吸入；排气端口；以及壳体，所述转子相对于所述壳体安装成相对于所述壳体进行旋转运动，所述壳体具有N+1个叶轮接收区域以及(i)设置在相邻的N+1个叶轮接收区域中的每一对叶轮接收区域之间的峰部和(ii)一对侧面，所述N+1个叶轮接收区域相对于所述转子被进一步构造成在所述转子相对于所述壳体旋转时连续地接收所述N个叶轮，以形成多个腔室，每个腔室与所述N+1个叶轮接收区域中的每一个叶轮接收区域相关联，其中，所形成的腔室中的至少一个腔室被构造成相继地处理进气阶段、工作介质压缩阶段以及燃料喷射阶段、燃烧阶段、膨胀阶段和排气阶段，其中，该改进包括：

所述壳体中的凹部，所述凹部关联于其中发生燃烧的每个腔室，所述凹部被以不对称的方式成形，以便在燃料的压缩和喷射过程中在所述工作介质中产生涡流。

28.根据权利要求27所述的改进的旋转式发动机，其中，所述凹部具有细长的滴状形状，该滴状形状适应于与喷射到所述凹部中的燃料的羽流相关的形状和体积。