CN116324140A - 针对低燃料消耗的无活塞燃烧飞轮发动机设计 - Google Patents

Abstract

无活塞燃烧飞轮发动机包括两个子系统，这两个子系统一起工作以允许旋转飞轮盘在飞轮盘的单次旋转内产生燃烧发动机的常规4冲程。发动机包括飞轮盘，该飞轮盘具有质量并且被配置成传输转动惯量和扭矩。初级子系统包括飞轮盘和外壳体块、被配置成产生燃烧循环。第二子系统位于壳体块内并被配置成产生进气循环、压缩循环和排气循环。这些循环在飞轮盘之外执行。初级子系统和第二子系统的使用允许燃烧循环在飞轮盘每回转一圈中发生。

Description

针对低燃料消耗的无活塞燃烧飞轮发动机设计

技术领域

本申请涉及一种使燃烧发动机中的燃料消耗最小化的方法，更具体地涉及一种旋转式燃烧发动机，其方式是以有效的方式消除传统内燃发动机(ICE)中的活塞或现代旋转发动机中的旋转室的等效物，从而降低燃料消耗。

背景技术

除了在20世纪50年代末开发的旋转汪克尔发动机的问世之外，传统内燃发动机的基本设计在过去的一百五十年中没有根本性的改变。在旋转汪克尔发动机推广之后，实质上所有的改进都是在从其原始设计提高机械和热力学效率的领域中做出的。尽管近几十年来在技术成果方面取得了重大进展，从而取得了一些改进，但是从根本上讲，燃烧发动机设计仍然具有相当大的缺陷。

在传统内燃发动机(ICE)中，如附图中的图1所示，活塞及其相应的活塞杆连接到主发动机中的曲轴。在活塞移动过上止点后，燃烧力传递到曲轴，以产生使曲轴旋转的转动力或扭矩。

传统活塞发动机中的每个活塞必须经历四个不同的阶段(进气、压缩、动力和排气)。在任何给定的情况下，系统中只有一个活塞将在动力冲程阶段向曲轴提供正能量。单个活塞的这种动作不仅为曲轴提供旋转能量，而且必须提供使其余活塞移动通过它们各自的排出废气、吸入新空气和压缩空气/燃料混合物的阶段的能量。所引起的这些动态行为从曲轴提取能量相当快。

对在单个轴线内以线性方式变化(即，活塞的上下运动)的施加力所做的功的一般等式如下：

等式1

当检查单个活塞行进的运动时，等式1变得明确，如附图的图2所表示。忽略摩擦，注意活塞总是在加速(除了活塞达到最大速度时的几个短暂情况)。由于活塞和杆的质量处于连续加速，因此提供该运动的能量源(在这种情况下是主曲柄)提供的能量会消除其转动惯量。如果仔细观察图2，可以看到最大加速度出现在TDC和BDC处。这是有意义的，因为曲柄必须使活塞的质量在一个方向上减速到止动点，并使活塞在相反的方向上从止动点重新加速。这需要曲柄付出相当大的努力。活塞、杆和销组件的平均重量大约是30磅。这是相当大的，因为该质量必须在高RPM下移动相对较短的距离。

在美国专利6,796,285和7,500,462中描述的发明描述了一种内燃发动机的示例，该内燃发动机以与传统燃烧发动机显著不同的方式运行。传统内燃发动机依靠于活塞的燃烧向下运动来驱动其曲柄的旋转，而这些专利描述了旋转式发动机的变型。

发明内容

本申请的目的是提供一种分体式无活塞燃烧飞轮发动机。系统将燃烧过程分成两个主体，燃烧和动力循环发生在第一主体中，而进气和排气通过第二主体发生。当组合时消除了系统之间笨重的机械连接，以实现更有效操作的奇异系统，这些奇异系统一起操作以完成燃烧过程。本系统提供了相比于传统燃烧发动机的显著优点。这些优点可以概括如下：

1.减少内部移动零件的数量并消除密封件，以减少净摩擦并延长发动机的寿命。

2.传统的曲轴已经被相当质量的“飞轮盘”替代，飞轮盘可以储存大量的转动惯量，并将扭矩传输到机械负载。

3.该设计提供了将扭矩传输到发动机的新方法，因为该方法在旋转的“飞轮盘”远侧末端附近以与旋转方向相切的方式施加力。分体式燃烧室(见下文定义)提供了在使飞轮沿一个方向旋转的方向上传递与飞轮盘的圆周相切的燃烧力的关键机构。

本系统代表了与旧有系统截然不同的方法，使得本系统相对于前身在更高的效率、性能控制和更高的燃料经济性方面有实质性的改进。

本系统及其前身之间的一些关键体系结构差异在于，本申请的系统包括将四(4)个主要循环或“冲程”的角色分离为两个组的、跨两个专用子系统的体系结构。初级子系统是飞轮盘和外壳体块，在这里发生实际的“燃烧循环”，其中来自膨胀的热气体的力被传递到曲柄。剩余的三个循环“进气”、“压缩”和“排气”循环在第二子系统中在初级动力装置的燃烧空间之外执行。

通过将上述功能职责分布在两个子系统上从而将它们从实际的动力装置中消除，本发明允许燃烧循环在飞轮盘每回转一圈中发生，而不是如美国专利6,796,285和7,500,462中描述的现有技术中所要求的每回转两圈中发生。该方法中的这种根本转换开辟了许多附加的无约束设计选择，从而允许更大的灵活性和对关键性能要求的优化。例如，在本发明中，压缩子系统独立于孔的尺寸和冲程尺寸设定压缩比。

因此，已经概述了组件的更重要的特征，以便可以更好地理解随后的更详细的描述，并确保认识到本发明对现有技术的贡献。系统的附加特征将在下文中描述，并且将形成所附权利要求的主题。

本组件的许多目的将参考形成本说明书一部分的附图从以下描述和所附权利要求中显现，其中，相同的附图标记表示多个视图中的对应部分。

在详细说明系统的至少一个实施例之前，应理解的是，组件不将其应用限制于以下描述中阐述的或在附图中展示的构造细节和部件布置。组件能够具有其他实施例并且能够以多种不同的方式来实践并实施。而且，应理解的是，在本文中采用的措辞和术语是用于描述的目的，而不应被视为是限制性的。

因此，本领域技术人员将理解，本披露内容所基于的概念可以容易地用作设计用于实施本组件的各种目的的其他结构、方法和系统的基础。因此，重要的是，只要权利要求不脱离本组件的精神和范围，就应将其视为包括这种等效构造。

附图说明

在所附权利要求中阐述了被认为是本申请特征的新颖特征。然而，当结合附图阅读时，将通过参考以下详细描述来最好地理解本申请本身以及优选的使用模式及其进一步的目的和优点，在附图中：

图1是传统内燃发动机的立体图。

图2是展示了图1的传统内燃发动机中的活塞的动力、加速度和速度的图表。

图3是本申请的无活塞燃烧飞轮发动机的立体图，其中示出了分别表示飞轮盘和静止的壳体块上的下半部和上半部的分体式燃烧室系统。

图4是根据本申请的实施例的、具有位于外壳体内部的飞轮盘及其与各种端口、气体喷射器和火花系统的关系的本申请的旋转发动机的截面图。

图5描绘了本发明由两个主要子系统构成，这两个主要子系统由飞轮盘动力装置和高压压缩机协同工作表示。

图6和图6A至图6H是展示了本申请的发动机的各个阶段的剖视图，示出了飞轮盘相对于燃烧腔、燃料喷射器、进气端口和排气端口的定位。

虽然本申请可允许各种修改和替代形式，但已经在附图中通过举例示出了本申请的特定实施例并且在本文中进行了详细描述。然而，应该理解的是，本文中对特定实施例的描述不旨在将本申请限制于所披露的特定形式，相反，本发明意图是覆盖落入本文中描述的本申请的精神和范围内的所有修改、等同物和替代性方案。

具体实施方式

在下文中描述优选实施例的说明性实施例。为了清楚起见，在本说明书中没有描述实际实施方式的所有特征。当然，应当理解，在任何这样的实际实施例的开发中，必须做出许多特定于实施方式的决定，以实现开发者的特定目标，诸如遵守与系统有关的约束和与业务有关的约束，这将因实施方式而不同。此外，应当理解，这样的开发工作可能是复杂且耗时的，但是对于受益于本披露的本领域普通技术人员而言将会是例行的工作。

在本说明书中，可以参考在附图中所描绘的装置的各个部件之间的空间关系以及部件的各个方位的空间取向。然而，如本领域技术人员在完整阅读本申请之后将认识到的，本文中描述的装置、构件、设备等可以以任何期望的取向定位。因此，使用术语来描述各个部件之间的空间关系或描述这种部件的方面的空间取向应该被理解为分别描述部件之间的相对关系或这种部件的方位的空间取向，因为本文中描述的实施例可以以任何期望的方向取向。

结合所附描述，将会从附图理解实施例和方法的结构和操作。本文中可以呈现组件的若干实施例。应当理解，不同实施例的各个部件、部分和特征可以组合在一起和/或彼此互换，所有这些都在本申请的范围内，即使在附图中没有示出所有变型和特定实施例。还应该理解的是，在本文中明确地设想了各种实施例之间的特征、要素和/或功能的混合和匹配，使得本领域的普通技术人员将从本披露内容理解，一个实施例的特征、要素和/或功能可以适当地结合到另一个实施例中，除非另有描述。

现在参考附图，其中相同的附图标记标识贯穿多个视图的形式和功能上对应或相似的要素。以下附图描述了本申请的实施例及其相关特征。现在参考附图，在本文中描述本申请的实施例。应当注意的是，本说明书中使用的冠词“一”、“一个”和“该”包括复数指代，除非上下文另有明确规定。

新方法采用了与经典燃烧发动机相关的许多相同的热力学和机械原理，尽管新方法在燃烧能量如何传递到旋转曲轴上显著不同。本发明包括静止的圆柱外壳体块和旋转的圆柱形飞轮盘，该飞轮盘具有相当的质量，该飞轮盘同心地位于壳体块的腔内部，从而允许该飞轮盘绕其(多个)轴向轴自由地自旋。

静止的圆柱壳体块表示关键元件，静止的圆柱壳体块包括典型地存在于内燃发动机中的许多基本部件和元件，不同之处在于，包括上述部件和元件是从壳体的外圆周周围同心放置的，从而限定了弧形图案而不是传统的线性布局。这些部件和元件提供了发动机的基本循环功能，这些部件和元件包括任意数量的汽油直喷喷射器(GDI)、火花塞、燃烧室、进气端口、排气端口和气门机构组件，这些气门机构组件使其自身穿过壳体的内壁内呈现并可接近飞轮盘上的燃烧腔，这将在下面进一步描述。

现在参考附图中的图3。飞轮盘100包括在飞轮的任一侧或两侧上的半轴，并由飞轮盘的一端或两端通过牢固地固定在壳体结构内部的轴安装件的方式被支撑。这些轴安装件可以直接固定在壳体盖的内侧或壳体内部的其他地方。

飞轮盘100消除了对传统曲轴的需要，并且在该特定实施例中，在飞轮盘上彼此成角度地偏移180度的两个燃烧腔替代了对任何活塞的需要。在本实施例中，飞轮盘100上的两个腔101可能被设计成同时燃烧以抵消任何不对称的力，但不是必需的。飞轮盘100上的这些燃烧腔101与位于外块壳体上的上部燃烧室102相结合被称为“分体式燃烧”组。分体式室内的容积空间替代了在传统燃烧发动机内通常在上止点(TDC)时存在于活塞的顶部与缸体头部中的燃烧圆顶容积之间的等效燃烧空间。在图3中描述为下部移动室101的燃烧腔固定在飞轮盘100上并保持在其外边缘处。

现在还参考附图中的图4。这种构造与在美国专利6,796,285和7,500,462中描述的现有技术中的权利要求的方法形成了显著对比。前述专利参考文献中的飞轮盘室101位于内门上，这些内门在飞轮盘的外边缘与径向向内朝向质心的一定距离之间以快速的速率连续地来回进行往复运动。本发明中的飞轮盘不需要移动部件，从而使其成为更可靠的解决方案。在燃烧腔101和壳体的上部静止腔102内膨胀的热气体转化为在飞轮盘100的相对于旋转中心相距径向距离的圆周处相切的燃烧力。如图4所描绘的，当推动飞轮盘200的上部室203的壁和下部室204的壁两者以及附接到静止壳体的摇臂枢轴燃烧门208的燃烧表面远离彼此时，这产生了最大扭矩。摇臂枢轴燃烧门208组件被设计成以其可回缩的门部件在临点火之前的正确时刻下降到位，从而在燃烧室的前缘与门表面之间产生较小的容积。相反地，当燃烧冲程完成时，可回缩的门部件向上缩回，从而允许飞轮盘继续旋转。图4中描绘的摇臂枢轴燃烧门208组件是用于控制门的往复运动的一个这样的优选实施例，但可以是任何机械或机电的(比如凸轮和推杆)或电力的致动器。飞轮盘102的直径及其质量显著大于传统发动机曲柄的直径和质量，从而允许飞轮盘以转动惯量的形式储存更大量的动能。

现在还参考附图中的图5，该简图揭示了负责将高压力空气供应到飞轮盘和壳体块子系统的次级子系统。该子系统是本发明中的关键元件，因为其功能是将高压空气供应到飞轮盘壳体组件以用于以下目的：

a)向飞轮盘200处的分体式燃烧室提供预压缩空气。

b)提供高速清洁空气以冲洗从燃烧室排出205、206的已消耗的燃烧燃料。该动作被称为“室冲洗”。

高压力空气系统的中心是旋转螺杆压缩机300。旋转螺杆压缩机300藉由由两个螺旋转子产生的正排量通过过滤进气口引入环境空气。然后，随着转子螺杆的转动，螺杆转子压缩进入的空气。在操作过程中，转子转动，并且螺旋齿啮合在一起，从而在转子与外壳壁之间形成室。螺旋的几何形状迫使空气从较大的体积变为较小的体积，从而将压缩空气从排放侧送出，进入到高压储罐301中。电子控制单元(ECU)管理旋转螺杆压缩机300以保持储罐301中的恒定压力。驱动螺杆压缩机300所需的能量的来源可以直接来自飞轮盘200所产生的机械扭矩，和/或间接来自电气系统所支持的电动机，这些系统与存在于任何标准汽车系统上的非常相似。

现在还参考附图的图5，高压歧管302用于将高压空气从储罐301引导到位于飞轮盘200动力装置组件的外壳体块207上的压缩空气进气端口201和室冲洗进气端口206。机械凸轮或电子控制单元(ECU)可以用于控制气门组件，以在它们各自端口的正确正时向这些端口施予加压空气。高压歧管系统301可以被设计成便于任何给定系统上存在的任何数量的进气端口201和室冲洗进气端口206。本发明的一个可能的实施例可以包括使用高压歧管系统302在燃烧后不久冲洗位于外壳体块207上的上部静止燃烧室102。

现在还参考附图中的图6A至图6H。在图6中描绘了描述与本发明相关联的过程的整个循环。如图6A所描绘的，飞轮盘200接近本节稍后定义的上止点(TDC)。在该特定点，飞轮盘200的下部室204的前缘处于燃烧门208的精确位置，弹簧加载的门迫使其下降到室204内部的适当位置，从而初始在门的燃烧表面与室204的前缘之间产生小容积，如图6B所描绘的。

这是当下部室204与压缩空气进气气门201、气体直喷喷射器(GDI)202和火花塞203对准时开始整个过程的地方。ECU打开通向空气喷射器201的气门，同时将燃料喷射到下部燃烧室204中。

参考图6C，并且在将燃料空气混合物喷射到下部室204中之后，ECU点燃火花塞203，从而点燃空气燃料混合物。如图6D所描绘的，所产生的这种燃烧导致膨胀的热气体膨胀，并迫使推动下部室204的前缘远离抵靠相对于外壳体静止的燃烧门表面的相对端。这使得飞轮盘200在图6的示例图中顺时针旋转。

如图6E所描绘的，当尾部接近燃烧门208的背面时，发动机到达其动力冲程的末端。燃烧臂组件208的曲面杠杆臂逐渐使门升高，在室的后缘到达曲面杠杆臂之前向上缩回到壳体中并远离飞轮，以防止损坏。一旦燃烧门208向上缩回，就不再有燃烧力推开任何相对的表面，并且此时飞轮盘基本上靠其动量滑行，如图6F所展示的。最后，在飞轮盘接近TDC之前，允许加压排气从壳体中的排气开口209逸出，如图6G所描绘的。

替代性地，对于前面在图6G中提到的排气方法，示例是下部飞轮盘腔与压缩空气室冲洗进气端口206和输出端口205两者重叠(见图4)。该过程被称为室冲洗循环，并且在图5中描绘。在该循环过程中，进气端口206处的气门打开，在输出端口205处产生负压状态，这使得高速空气推动通过通道并冲洗来自下部腔204的废气。替代性地，上部室腔203也可以以类似的方式被冲洗。

本发明允许在低负荷条件期间节省燃料的无与伦比的益处。例如，在车辆中，当车辆下坡时，电子控制单元(ECU)可以简单地停止向燃烧室传输燃料和火花。ECU可以被编程为仅在需要时基于负载施加燃料和火花。本申请使用术语“滑行模式”和“惯性节流”来描述该概念。

在最后的室冲洗阶段之后，所产生的动量将使飞轮盘200再次回到进气位置，并且重复整个过程。

本申请的系统相对于现有技术具有许多优点，至少包括以下内容：

1.飞轮盘的尺寸、质量和半径允许实现用于控制所期望的转动惯量的所期望的量的灵活构造。

2.分体式燃烧室与摇臂枢轴燃烧门组件相结合提供了将燃烧反应转化为在飞轮盘的外圆周处相切的合力的机构，提供了将旋转能量传递到曲柄的更有效的方式，并且将振动造成的能量损失最小化。

3.除了飞轮盘本身之外，旋转飞轮不包含移动部件，使其在可靠性、寿命和燃料效率、减少内部摩擦部分之间的摩擦方面更具有潜在的优越性。

4.由传统内燃发动机定义的四个循环中的三个循环已经从燃烧空间中消除，这允许通过消除传统发动机设计方法中目前存在的许多参数依赖性、约束和性能折衷来实现非常灵活的设计。

5.通过在曲柄每回转一圈而不是曲柄每回转两圈中燃烧来更频繁地传输动力的能力。

6.提供实现“滑行模式”的更简单且更可靠的方法，或者换句话说，调节火花和压缩的性能，以选择性地使飞轮段100自由旋转。

以上披露的特定实施例只是说明性的，因为本申请可以按对受益于本文教导的本领域技术人员显而易见的不同但等效的方式来修改和实践。因此显然，以上披露的特定实施例可以被改变或修改，并且所有的此类变型被认为在本申请的范围和精神内。相应地，本文所寻求的保护如说明书中所阐述的。显然，已经描述和说明了具有显著优点的应用。尽管本申请以有限数量的形式示出，但是本申请不限于仅仅这些形式，而是在不脱离其精神的情况下可以进行各种改变和修改。

Claims (12)

1.一种无活塞燃烧飞轮发动机，包括：

飞轮盘，该飞轮盘具有质量并且被配置成传输转动惯量和扭矩；

初级子系统，该初级子系统包括该飞轮盘和外壳体块、被配置成产生燃烧循环；

第二子系统，该第二子系统位于该壳体块内，该第二子系统被配置成产生进气循环、压缩循环和排气循环，这些循环在该飞轮盘之外执行；

其中，该初级子系统和该第二子系统的使用允许该燃烧循环在该飞轮盘每回转一圈中发生。

2.如权利要求1所述的发动机，其中，该飞轮盘在该外壳体块内旋转。

3.如权利要求1所述的发动机，其中，该飞轮盘包括在外表面上的腔。

4.如权利要求3所述的发动机，其中，该外壳体块包括腔，使得当该飞轮盘在该外壳体块内旋转时，该外壳体的腔和该飞轮盘的腔彼此掠过。

5.如权利要求1所述的发动机，其中，该初级子系统包括分体式燃烧腔组，该燃烧腔在该飞轮盘与该外壳体块之间分开。

6.如权利要求1所述的发动机，该发动机进一步包括：

压缩空气贮存器，该压缩空气贮存器与该外壳体块中的进气端口连通，该压缩空气贮存器中的压缩空气被推入该分体式燃烧腔组中用于点火。

7.如权利要求1所述的发动机，该发动机进一步包括：

压缩空气贮存器，该压缩空气贮存器与该外壳体块中的进气端口连通，该压缩空气贮存器被配置成容纳压缩空气。

8.如权利要求7所述的发动机，其中，该压缩空气同时被添入该飞轮盘和该外壳体块的腔中。

9.如权利要求8所述的发动机，该发动机进一步包括：

燃料端口和火花塞，该燃料端口和该火花塞被配置成引发动力循环。

10.如权利要求9所述的发动机，其中，该动力循环使该飞轮盘旋转，使得该飞轮盘的腔在该外壳体块内旋转，并选择性地通过该外壳体块中的端口排放。

11.如权利要求1所述的发动机，该发动机进一步包括：

摇臂枢轴燃烧门，该摇臂枢轴燃烧门联接到该外壳体块。

12.如权利要求11所述的发动机，该发动机进一步包括：

可回缩门，该可回缩门与该摇臂枢轴燃烧门连通，并被配置成枢转以便选择性地延伸到该飞轮盘的腔中。

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