CN114190098A - 内燃旋转式发动机 - Google Patents

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Abstract

一种内燃旋转式发动机，包括：至少一个燃烧室；飞轮；至少一个活塞，设置在所述飞轮中；两个或多个屏障元件；所述飞轮的外表面、所述飞轮的外壳和两个或多个屏障元件之间的圆周体积；其中所述圆周体积的一些部分也由一个或多个活塞分隔，且其中所述屏障元件适于定位在所述圆周体积内，从而基本上阻断其中的气流，且定位为至少部分地疏通其中的所述气流，从而允许发生所述气流，并将其定位为完全打开，以促进所述活塞在圆周区域之间移动，其中所述屏障元件的移动时间取决于所述飞轮的旋转和/或所述活塞的位置；其中当所述活塞阻断所述燃烧室内燃烧所需的压缩空气时，与一部分压缩空气接触的所述屏障元件适于在无需密封的情况下移动，其中所述活塞将所述压缩空气分成两部分，其中一部分锁定在所述燃烧室中，而另一部分位于所述活塞前部和所述屏障元件之间。

Description

内燃旋转式发动机
技术领域
本发明属于内燃机领域。更具体地说，本发明涉及内燃旋转式发动机领域。
背景技术
内燃旋转式发动机最早发明于几十年前，与非旋转式发动机相比，其效率相对较高，这是众所周知的，因为旋转机构在运动过程中受到的能量损失较小，例如，内燃机从直线运动转换为旋转运动时常见的能量损失。
根据现有技术，内燃旋转式发动机通常包括复杂的机构，所述机构通常具有多个移动部件，其中涉及所述部件的接触，从而导致部件的磨削并缩短发动机的寿命，当然，由于摩擦造成的能量损失，也增加了维护需求，降低了发动机的效率。此类发动机还存在压缩空气/混合物的密封问题，其使用不同部件之间的接触进行密封。分离器/门/屏障元件通常与飞轮和活塞的形状相接触，以防止发动机运行期间空气/混合物逸出其指定体积。
此外，许多现有的旋转式发动机存在严重的密封问题，导致相邻冲程室之间的液体泄漏导致效率降低，并增加机油消耗，在相邻冲程室之间的密封和可移动机构的润滑过程中不断消耗机油。
因此，本发明的一个目的是提供一种内燃旋转式发动机，其包括中央旋转部件，除了负责其运动的部件外，所述部件不与发动机的其它部件接触。
根据本发明的一个实施例，本发明包括移动部件之间用于密封的一个或多个微空间。此外，本发明包括一个或多个点火室，所述点火室适用于提供燃烧体积，所述燃烧室在旋转式发动机圆周体积的某些部分中与所述圆周体积相结合，并通过活塞分离和锁定燃烧体积中的压缩空气/混合物，因此，允许在不接触发动机飞轮和/或活塞的情况下移动屏障元件。然而，根据发动机部件的正时协议，飞轮和屏障元件之间在操作正时方面存在机械连接，而不直接依赖飞轮和/或活塞的运动。通过将压缩空气/混合物固定在燃烧体积中，点火正时更加可控，可以设置在正确的时刻，无需接触以保持密封。随着描述的进行，将随着详细描述详细解释短语“圆周体积”。
本发明的另一目的是提供一种内燃旋转式发动机，其包括几何结构和部件，与现有技术中已知的其它旋转式发动机相比，改进了发动机不同部件之间的密封性，从而提高了发动机的效率。
本发明的另一目的是提供一种内燃旋转式发动机和其方法，其提供改进型排气清洁操作。
随着描述的进行，本发明的其它目的和优点将变得显而易见。
发明内容
一种内燃旋转式发动机，包括：
至少一个燃烧室；
飞轮；
至少一个活塞，设置在所述飞轮中；
两个或多个屏障元件；
所述飞轮的外表面、所述飞轮的外壳和两个或多个屏障元件之间的圆周体积；
其中所述圆周体积的一些部分也由一个或多个活塞分隔，且其中所述屏障元件适于定位在所述圆周体积内，从而基本上阻断其中的气流，且定位为至少部分地疏通其中的气流，从而允许发生所述气流，并将其定位为完全打开，以促进所述活塞在圆周区域之间移动，其中所述屏障元件的移动时间取决于所述飞轮的旋转和/或所述活塞的位置；
其中当所述活塞阻断所述燃烧室内燃烧所需的压缩空气时，与一部分压缩空气接触的所述屏障元件适于在无需密封的情况下移动，其中所述活塞将所述压缩空气分成两部分，其中一部分锁定在所述燃烧室中，而另一部分位于所述活塞前部和所述屏障元件之间。
在一个实施例中，当屏障元件处于至少部分解锁位置时，位于活塞前部的压缩空气的一部分用于排放先前操作留下的燃烧气体。在另一实施例中，发动机适于压缩混合物而非压缩空气。
在一些实施例中，当屏障元件处于关闭位置时，发动机适于容纳混合物，且适于允许活塞前部的加压混合物部分流过入口并流入进气系统。
在一些实施例中，活塞与飞轮集成，在其它实施例中，活塞与飞轮分离。
发动机屏障元件可以线性移动或旋转移动。
在一个实施例中，发动机包括端口，所述端口适于容纳适于帮助燃烧气体排放的加压气体。在另一实施例中，所述端口设置在飞轮中。在另一实施例中，发动机包括端口，所述端口适于使空气/混合物进入发动机的圆周体积，且在另一实施例中，端口设置在飞轮中。
发动机还可包括发动机两个或多个部件之间的微空间，用于无接触密封。在一个实施例中，发动机可选地包括“槽轮齿轮77”机构，适用于控制所述屏障元件的移动时间。
在一个实施例中，发动机还包括旋转屏障元件，其中发动机部件相对于轴居中并围绕轴旋转。
附图说明
图1是根据本发明一个实施例的发动机的前透视图；
图2是图1的发动机的后透视图；
图3示意性地示出了图1的发动机，同时开始进气和压缩冲程；
图4是图1发动机的前视图，展示了进气和压缩冲程；
图5A示出了根据本发明另一实施例的发动机，还包括空气捕集槽；
图5B是图5A的部分A的放大图；
图6A是图1发动机的前视图，其中发动机位于进气和压缩冲程的最末端；
图6B是图6A的部分B的放大图，其中一部分压缩气体位于燃烧室之外；
图7示意性地示出了点火期间图1的发动机；
图8A示出了点火后图7的发动机，左上屏障元件略微顺时针旋转；
图8B是图8A的部分C的放大图，示出了压缩空气可以流向排气；
图9示出，在飞轮因点火而开始旋转后，当屏障元件同时定位以与左上腔的圆周长对齐时，新的废气可以流过由右上和左上屏障元件、燃烧室、飞轮及其活塞定义的膨胀体积，活塞在旋转时扩大包含新废气的体积；
图10是根据本发明另一实施例的发动机的前视图，其中发动机包括发动机组、飞轮(包括两个活塞)、八个屏障元件和四个燃烧室；
图11A是本发明的另一实施例，示出了另一发动机的透视图，所述发动机类似于图10的发动机，不同于排气口和进气口位于飞轮中的事实；
图11B是图11A的部分D的放大图，示出了通过位于飞轮中的端口的气流；且
图12是根据本发明另一实施例的发动机的前视图，其中屏障元件是线性屏障元件。
具体实施方式
本发明涉及一种内燃旋转式发动机，为了简洁起见，所述发动机也可以简单地称为“埃雷兹发动机”或按照描述仅称为“发动机”。短语“埃雷兹发动机”指其商业名称，但不表示其结构。根据本发明，发动机包括飞轮、飞轮壳、一个或多个活塞、一个或多个燃烧室、点火/喷油器元件、排气口和进气口，以及一个或多个适于阻断或允许气体流动的屏障元件。
描述中将使用的另一短语是发动机的“圆周体积”，其描述飞轮壳体、所述飞轮的外表面、一个或多个屏障元件之间以及在圆周体积的某些部分也由一个或多个活塞定义的体积。
在以下详细描述中，参考附图，附图示出了根据本发明的具体实施例或示例。可以组合这些实施例，可以使用其它实施例，且可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下进行其它更改。
图1是根据本发明一个实施例的埃雷兹发动机100的前透视图，其包括发动机组101。发动机组101包括空腔102、103、104和105、燃烧室106、飞轮107和活塞108。飞轮107位于空腔102内，空腔102也称为“飞轮壳”。飞轮107包括活塞108，其最大直径基本上等于空腔102直径的大小，且其尺寸也可以几乎相同，以便在空腔102的外表面和活塞108之间留下非常小的空隙，从而减少所述部件之间的摩擦，如图5B所示。根据本实施例，活塞108与飞轮107是一体的，但是其中的每一个都具有不同的作用，这可以通过其名称和描述容易理解，因此被称为单独的部件。根据本发明的其它实施例，活塞和飞轮可以是彼此连接的不同部件。
埃雷兹发动机100还包括屏障元件109、110和111，分别位于空腔103、104和105内，适于在空腔103、104和105内旋转。虽然空腔103-105和空腔102之间没有永久性分离，但其被称为单独的空腔，因为屏障元件109-111可以在某些位置在其之间形成分离，或者允许气体从一个空腔流入另一空腔。
可以通过轴(未示出)驱动每个屏障元件109-111，所述轴适合位于轴孔内，分别由数字112、113和114表示，以便在相应的空腔103-105内旋转。
如图1进一步所示，发动机组101还包括排气口115和进气口116，排气口115适合于排空燃烧气体，进气口116适合于允许气体流入埃雷兹发动机100的圆周体积。
尽管根据本实施例，端口115和116在不使用时未被完全阻塞，但是可以使用替代配置，例如，如以下示出本发明其它实施例的图所示，当不需要流经端口时，将提供所述端口的阻塞，例如，在图10中。
压缩气体在燃烧室106内点火。如果需要外部火花，则可通过火花塞117提供外部火花，火花塞117可通过例如电子或机电方式进行控制。燃烧室还适合将燃油(如柴油)喷射到燃烧室106中，同时燃烧室中含有压缩空气。尽管燃油喷射元件未在图1中示出，但合适的装置在所属领域中是众所周知的，且所属领域的技术人员可以容易地将其与埃雷兹发动机100集成。
图2是图1发动机100的后透视图，示出了槽轮驱动机构(所属领域众所周知的机构，也称为“槽轮齿轮”)，适用于控制屏障元件109-111的旋转。图2中控制图1屏障元件109旋转的右上槽轮齿轮包括驱动轮201和从动轮202，驱动轮202有四个槽，如槽203a和203b，以90度的间隔排列，因此连接到轮202的元件109设置为以90度的步进旋转。驱动轮201包括销204，当轮201例如顺时针旋转时，其进入槽203b，导致从动轮202逆时针旋转，将槽203b重新定位在槽203a的先前位置。
以类似的方式，左上槽轮齿轮的驱动轮205旋转从动轮206，从动轮206通过销207连接到图1的屏障元件110。属于底部槽轮齿轮的从动轮208由驱动轮209的旋转控制，其包括八个槽，因此图1的屏障元件111设置为以45度的步进旋转。驱动轮209包括两个销210和211，从而为轮209的每次完全旋转提供轮208的两次45度旋转。每个从动轮202、206和208的运动由驱动轮201、205和209的角速度控制，驱动轮201、205和209的角速度由与飞轮轴212的机械连接控制，飞轮轴212与图1中的飞轮107相连(连接如正时皮带)。此类外部装置可以是例如电子或机电装置，例如与正时皮带耦合到驱动轮201、205和209的独立电动机。
尽管所属领域的技术人员显而易见，但应注意，图2的槽轮机构可以修改以获得不同的操作参数，例如，图1的元件109-111的旋转角度由槽的数量控制，从动轮202、206和208的速度由驱动轮201、205和209的角速度以及销的数量(例如销204、207、210和211)控制。可以修改每个参数，以提供屏障元件109-111的所需移动。还应注意，图2的槽轮机构可由任何其它适合于控制屏障元件109-111的运动的机构代替。
图2还示出了图1的排气口115和进气口116。端口115和116可配备阀门，适合于仅在特定压力下或在预定时间允许气流通过。端口115和116还可以进一步连接到管道或其它气体输送元件。
图3示意性地示出了图1的埃雷兹发动机100，同时开始体积301中的进气冲程和体积302中的压缩冲程，其中随着活塞108逆时针旋转，进气体积301在屏障元件111和活塞108之间增加，而活塞108和屏障元件109之间的压缩体积302减小。在这种状态下，元件111处于完全暴露进气口116的位置，允许气流通过进气口116流入体积301。元件110位于允许气体流动的位置，并定义了体积302，体积302还包括燃烧室106，元件109位于阻断气体流动的位置，从而将体积302与体积303分离，体积303包括前一循环的废气。
图4是图1发动机的前视图，与图3中的位置相比，展示了飞轮107轻微逆时针旋转后的进气和压缩冲程。结果，体积301增大，体积302同时减小，从而压缩体积302内的气体。
根据本发明的另一实施例，图5A示出了另一埃雷兹发动机500，其包括飞轮501和活塞502。图5B是图5A的部分A的放大图，示出了活塞502和屏障元件504之间的微空间503，其在发动机运行期间提供密封。可在发动机的部分或所有运动部件之间提供用于密封的此类微空间。图5A和5B所示为空气捕集槽503，其通过提供湍流密封来增加活塞502和屏障元件504之间的密封，其中位于间隙505中的槽503和屏障元件504之间的捕集气体也由于槽503以涡流形式流动。也可以在发动机的其它部件之间提供这种湍流密封机构，以改进密封。即使没有凹槽503，间隙505也在活塞502和屏障元件504之间提供了一个微空间，用于密封空气/混合物，从而减少发动机中的能量损失。
图6A是图1的埃雷兹发动机100的前视图，其中埃雷兹发动机100位于进气和压缩冲程的最末端。图6B是图6A的部分B的放大图，其示出了活塞108将压缩空气/混合物分离成两个不同体积601和106的时刻，其中压缩气体(例如混合物或空气)的一部分601位于燃烧室106之外，这意味着图4中体积302中示出的所有压缩气体被分为两个单独的体积601和106。应注意，在压缩过程中，屏障元件109的位置、几何形状和位置在压缩冲程期间提供了经过空腔106的气流，从而除了空腔106中的压缩气体外，还提供了经过空腔106的压缩气体的部分601，在压缩冲程后，活塞108将其阻断，并将其保持在空腔106内，等待正确的点火正时，从而提供移动屏障元件的机会，而无需屏障元件与飞轮和活塞之间的任何接触。压缩空气的部分601用于增强燃烧气体的冲洗，如下文关于图7和8B的进一步细节所述。。如图6A和6B所示，屏障元件110位于阻断气体从体积602通过的位置。
与现有技术相比，本发明的一个显著优点是，当活塞阻塞燃烧室内燃烧所需的压缩空气时，与一部分压缩空气接触的屏障元件能够在无需密封的情况下移动。屏障元件由机械连接控制，如“槽轮齿轮”，其运动由飞轮和/或活塞控制，但无直接连接或凸轮功能。除了通过避免屏障元件与飞轮和活塞之间的摩擦来提高发动机效率的巨大优势外，这一事实还提供了不依赖或不受屏障元件操作限制的燃烧正时，但仅限于活塞相对于燃烧室的位置，当压缩气体在燃烧室中并被活塞堵塞时，会发生这种情况。
描述中提到了“气体”，应注意，所述短语指的是适用于内燃机的任何类型的气体，例如空气或燃料与气体的混合物。这种气体也可以处于压缩状态。“气体”也可以用其它形式的液体代替，适用于内燃机。
图7示意性地示出了点火期间图1的埃雷兹发动机100，其中活塞117在燃烧室106内产生火花，从而点燃所包含的压缩气体，而元件109处于允许部分601位于空腔103的表面、元件109的表面和活塞108之间的位置。图7中还示出了体积602，所述体积由通过进气口116进入发动机的气体组成，所述进气口116受到飞轮107和屏障元件110和111的限制；体积303由通过排气口115流出发动机的排气组成。点火正时非常重要，当飞轮107位于允许废气从空腔106流入飞轮107、活塞108和元件110限制的体积的位置时，点火正时应发生，如图8B所示。
图8A示出了图7所示点火后的埃雷兹发动机100，屏障元件109略微顺时针旋转，飞轮107略微逆时针旋转。图8B是图8A的部分C的放大图，示出在点火后提供的元件109和飞轮107的所述特定位置处，位于部分601中的压缩气体801，如图6B和7所示，可流向废气802。压缩气体与废气的结合为排气阶段提供了显著的优势，因为压缩气体801的高压“推动”废气802，并为埃雷兹发动机100提供了非常高效的清洁操作，与现有技术相比具有明显的优势。
通过燃烧室的压缩气体也可以在另一压缩冲程中重新定向和使用。例如，当压缩气体是可用于燃烧的混合物时，这是有益的。根据本发明的另一实施例，发动机还包括一个流动路径，所述流动路径适合于允许所述部分加压气体流动并与适于通过进气口流入圆周体积的气体合并。根据本发明的另一实施例，发动机还包括适于将部分加压气体引入流道的吸入装置。
如图7所示，在点火前和燃烧后，如图8B所示，飞轮107被推动，由于活塞108在燃烧前的位置以及相对于飞轮107形状的活塞108的形状，飞轮107被推动到所需的方向。点火正时非常重要，当活塞108的定位由于气体膨胀和飞轮107和活塞108的几何形状而提供飞轮107的逆时针推动时，点火正时应发生，以及当活塞108的定位允许废气从空腔106流入飞轮107、活塞108和元件110限制的体积时。
点火后，由于点火而产生的新废气803向右流动，并受到飞轮107、活塞108、隔离元件110和空腔106的限制。图9示出，在飞轮107因点火而开始逆时针旋转后，当屏障元件109同时定位以与空腔102的圆周长对齐时，新的废气可以流过由屏障元件109和110、燃烧室106定义的膨胀体积，飞轮107和活塞108，其在旋转时扩大包含新废气803的体积。在所述状态下，屏障元件111沿时钟方向轻微旋转，以露出排气口115，并允许来自上一循环的排气802通过排气口115离开埃雷兹发动机100。
图1-9的飞轮107包括单个活塞108，但是根据本发明的其它实施例，飞轮还可以包括两个或更多个活塞，例如活塞108，从而实现相同类型的同时循环次数，因此也可以具有不同的形状和尺寸。屏障元件109-111也可由不同形状和尺寸的其它元件代替，这些元件适合限制或允许流体流动。还应注意，根据本发明，发动机还可以包括附加燃烧室，且可以修改所述燃烧室的位置，以便允许发动机中不同气体之间的其它压缩/压力/体积关系。当然，如果有额外的点火室，可以提供额外的排气口和进气口，其的位置也可以修改为控制发动机中气体之间的压缩/压力/体积关系的另一种方法。
图10是根据本发明另一实施例的埃雷兹发动机的前视图，其中埃雷兹发动机1000包括发动机组1001、包括两个活塞1003和1004的旋转飞轮1002、八个屏障元件1005-1012和四个燃烧室1013-1016。埃雷兹发动机1000还包括进气口和排气口，例如进气口1017和排气口1018。应注意，发动机包括每个屏障元件1005-1012后面的进气口和排气口，如端口1017和1018。其它端口未在本图中示出，因为其位于屏障元件1005-1012后面，屏障元件1005-1012在图10所示的特定位置阻断所述端口。当飞轮逆时针移动时，第一个端口为进气口，第二个端口为排气口。
在图10所示的定位中，活塞1003(压缩动力活塞)负责体积1019的压缩冲程和体积1021的动力冲程，而活塞1004(进气-排气活塞)同时负责通过排气口1018的体积1020的排气冲程和通过排气口1017的体积1022的进气冲程。根据本实施例，一个活塞始终负责压缩和燃烧冲程，而另一活塞负责排气和进气冲程。
图11A是本发明的另一实施例，示出了另一埃雷兹发动机1100的透视图，所述发动机类似于图10的发动机1000，不同于分别由数字1101a-b和1102a-b表示的进气口和排气口位于飞轮1103中的事实。图11B是图11A的部分D的放大图，示出进气可以通过端口1101a进入飞轮1103，然后通过端口1101b进入发动机内部体积，废气可以通过端口1102b进入飞轮1103，然后通过端口1102a离开发动机。
图12是根据本发明另一实施例的埃雷兹发动机1200的前视图，其中发动机1200和图1发动机100之间的一个区别在于，图1的屏障元件(也类似于图2-11B实施例中的其它屏障元件)可以用线性屏障元件替换，例如元件1201-1206。发动机100和发动机1200之间的另一区别是燃烧室的数量。此类线性屏障元件适于上下移动，以允许或阻断流体通过圆周体积。当然，如所属领域的技术人员容易得出的结论，还有其它结构也可以替换附图中呈现的屏障元件，且本发明不限于任何特定形状或类型的屏障元件。
尽管本发明不限于屏障元件的特定形状，但应注意，图1-11B与现有技术相比具有显著优势，因为其形状允许其承受相对较高的载荷并提供旋转运动，因此屏障元件较少受到磨损。
尽管本发明的实施例已经通过图解的方式描述，但是应理解，本发明可以在不超出权利要求书的范围的情况下通过许多变化、修改和改编来实现。

Claims (16)

1.一种内燃旋转式发动机，包括：
至少一个燃烧室；
飞轮；
至少一个活塞，设置在所述飞轮中；
两个或多个屏障元件；
所述飞轮的外表面、所述飞轮的外壳和两个或多个屏障元件之间的圆周体积；
其中所述圆周体积的一些部分也由一个或多个活塞分隔，且其中所述屏障元件适于定位在所述圆周体积内，从而基本上阻断其中的气流，且定位为至少部分地疏通其中的气流，从而允许发生所述气流，并将其定位为完全打开，以促进所述活塞在圆周区域之间移动，其中所述屏障元件的移动时间取决于所述飞轮的旋转和/或所述活塞的位置；
其中当所述活塞阻断所述燃烧室内燃烧所需的压缩空气时，与一部分压缩空气接触的所述屏障元件适于在无需密封的情况下移动，其中所述活塞将所述压缩空气分成两部分，其中一部分锁定在所述燃烧室中，而另一部分位于所述活塞前部和所述屏障元件之间。
2.根据权利要求1所述的发动机，其中当所述屏障元件处于至少部分解锁位置时，位于所述活塞前部的所述压缩空气的一部分用于排放先前操作留下的燃烧气体。
3.根据权利要求1所述的发动机，适于压缩易燃材料或混合物而非压缩空气。
4.根据权利要求3所述的发动机，适于在所述屏障元件处于关闭位置时容纳混合物，且适于允许所述活塞前部的加压混合物部分流过入口并进入进气系统。
5.根据权利要求1所述的发动机，其中所述活塞与素数飞轮集成，或与所述飞轮分离。
6.根据权利要求1所述的发动机，其中所述屏障元件可线性移动。
7.根据权利要求1所述的发动机，其中所述屏障元件可旋转移动。
8.根据权利要求1所述的发动机，包括端口，所述端口适于容纳适于帮助燃烧气体排放的加压气体。
9.根据权利要求8所述的发动机，其中所述端口设置在所述飞轮中。
10.根据权利要求1所述的发动机，包括适于使空气/混合物进入所述发动机圆周体积的端口。
11.根据权利要求10所述的发动机，其中所述端口设置在所述飞轮中。
12.根据权利要求1所述的发动机，还包括所述发动机两个或多个部件之间的微空间，用于密封而不接触。
13.根据权利要求1所述的发动机，还可选地包括凹槽，所述凹槽适合诱导湍流以增加密封性。
14.根据权利要求1所述的发动机，还可选地包括“槽轮齿轮77”机构，适用于控制所述屏障元件的移动时间。
15.根据权利要求1所述的发动机，还包括旋转屏障元件，其中所述发动机部件相对于轴居中并绕轴旋转。
16.根据权利要求15所述的发动机，还包括用于密封的中心部件之间的微空间。
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