CN1318731C

CN1318731C - 燃烧发动机

Info

Publication number: CN1318731C
Application number: CNB038033399A
Authority: CN
Inventors: J·罗洛夫斯
Original assignee: JRS SYSTEMS BV
Current assignee: JRS SYSTEMS BV
Priority date: 2002-02-05
Filing date: 2003-02-03
Publication date: 2007-05-30
Anticipated expiration: 2023-02-03
Also published as: DE60314981D1; ATE375438T1; WO2003067031A1; NL1019904C2; EP1470319B1; EP1470319A1; HK1077611A1; AU2003207413A1; JP2005517108A; CN1628209A; ES2295555T3; US7128045B2; JP4326342B2; DE60314981T2; US20050115536A1

Abstract

本发明涉及一种燃烧发动机(1)，其具有一带有一腔室(3)的外壳(2)。一设置有多个叶片(5A、5B、6A、6B)的转子(4)设置于腔室中，这些叶片(5A、5B、6A、6B)将腔室分成多个隔舱(3A、3B、3C、3D)。这些隔舱中每个隔舱用于执行至少一项以下功能：a)吸入和/或压缩燃烧所需的气体；b)使燃料发生燃烧；c)产生功；以及d)排出燃烧气体。第一对叶片(5A、5B)可旋转地安装于一第一旋转轴线(5)上。第二对叶片(6A、6B)可旋转地安装于一第二旋转轴线(6)上。这些旋转轴线偏心设置于腔室(3)中。旋转式发动机具有每对中的叶片(5A、5B；6A、6B)可彼此独立地旋转的特征。

Description

燃烧发动机

本发明涉及一种燃烧发动机，包括一带有一腔室的外壳，一设置有多个叶片的转子设置于腔室中，这些叶片沿径向延伸至腔室的壁并且将腔室分成多个隔舱，其中每个隔舱用于执行至少一项以下功能：a)吸入和/或压缩燃烧所需的气体；b)使燃料发生燃烧；c)产生功；以及d)排出燃烧气体，其中第一对叶片可旋转地安装于一第一旋转轴线上，并且其中第二对叶片可旋转地安装于一第二旋转轴线上，这些旋转轴线偏心设置于腔室中。

这种内燃机在本领域内被称作旋转式发动机。与传统的内燃机“奥托循环发动机”相比，旋转式发动机具有许多优点。通过周转子代替活塞，旋转式发动机原则上可只带有一个腔室就足够。旋转式发动机现在具有一种固有平衡构造，由此可以省去奥托循环发动机中常见的增加的平衡重量。因此，旋转式发动机就具有最少的部件，这就增加了可靠性并且降低了生产成本。

旋转式发动机的一个实例在美国专利说明书US 6,070,565中进行了描述。在已知的旋转式发动机中，各个叶片通过一在一固定点周围平移的轭而成对联接起来。由于每次轭的运动反向时，叶片都会短暂地陷入停顿，因此叶片在转子中的平移运动并不平滑。这就会产生摩擦损失，而其会对旋转式发动机的效率造成负面影响。这种震摇运动也会产生额外的振动。而且最大转速还会受到这种构造的限制。

为其目的，本发明必须提供一种前序部分中所述类型的旋转式发动机，其具有改进的构造和更高的效率。为此目的，根据本发明的旋转式发动机具有每对中的叶片可相对于彼此独立地旋转的特征。这种独立旋转的叶片具有总是在实际恒定的角速度下做平稳运动的优点。因此旋转式发动机具有较低的振动并且承受较低的加速和减速力，这有助于实现更高的效率以及更低重量下的更高舒适性。

根据本发明的燃烧发动机的一个第一优选实施例，第一对叶片(5A、5B)中每个都设置有一突出部分，以便安装于旋转轴线5上。根据本发明的燃烧发动机的一个第二优选实施例，第二对叶片(6A、6B)中每个都设置有一在任一侧带有一突出部分的凹槽，以便安装于旋转轴线6上。每个突出部分优选地设置有一绕着旋转轴线安装的轴承。这样就形成了一种在高转速下也能极其稳定的构造。

根据一个实际的优选实施例，腔室由三个圆柱体组装而成，它们的轴线基本上互相平行。腔室的第一部分的截面优选地呈一第一圆的形式，该圆以第一旋转轴线作为中心并且半径近似等于相关叶片中最大叶片的径向尺寸。腔室的第二部分的截面优选地呈一第二圆的形式，该圆以第二旋转轴线作为中心并且半径近似等于相关叶片中最大叶片的径向尺寸。通过改变旋转轴线的位置和叶片的长度，可以优化调节各隔舱的体积，以及“进气冲程”隔舱与“作功冲程”隔舱之间的比值。因此，可以在较低的废气温度和较低的废气压力下实现较高的效率，这又会产生低的热和声学环境影响。

根据另一个实际优选实施例，第二圆的半径大于第一圆的半径，这使得燃烧发动机具有最佳性能。

为了完成实际优选实施例的设计，腔室的第三部分的截面优选地呈一位于第一和第二圆之间的第三圆的形式。

根据以下优选实施例，转子具有多个凹槽，以便形成相应数目的用于使燃料产生燃烧的隔舱。已知的旋转式发动机总是在相对两侧具有一凹槽。根据本发明，多个凹槽设置于转子的两侧上。通过改变使用中的凹槽的数目，发动机动力可以分步地从部分负荷升至满负荷，反之亦然。一般的情况是，较大数目的凹槽使得能够更精确地控制发动机动力。这还会使得效率更高并且废气更清洁。然而，实际上技术可能性和成本因素将会限制凹槽的最大数目。凹槽设置成相对的两排，以便使得每一转可在发动机中发生两次燃烧并且可产生两次功。凹槽的形式优选为杯形或沟槽形。根据另一个实施例，燃烧发动机适于将燃料直接喷射至凹槽中。通过为凹槽选择较小的体积，直接喷射在整个速度范围内都可有效进行。凹槽的小体积便于实现所需的空气燃料混合比，由此泵损失可以比直接喷射的奥托循环发动机中的情况甚至更低。在一个特别有效的优选实施例中，燃烧发动机适于通过改变用燃料喷射的凹槽的数目来控制发动机动力。

在一个特别好的实施例中，燃烧发动机根据自燃的原理工作。现在就不需要点火机构。

现在将参照优选实施例的附图对本发明进行更详细的讨论，其中：

图1示出了根据本发明的燃烧发动机的一个优选实施例的示意图；

图2示出了图1的燃烧发动机的示意性正视图；

图3A在顶视图中示意性地示出了图1的燃烧发动机的一个截面，其中转子处于第一位置；

图3B在顶视图中示意性地示出了图1的燃烧发动机的一个截面，其中转子处于第二位置；

图3C在顶视图中示意性地示出了图1的燃烧发动机的一个截面，其中转子处于第三位置；

图3D在顶视图中示意性地示出了图1的燃烧发动机的一个截面，其中转子处于第四位置；

图4在透视图中示意性地示出了图1的燃烧发动机的一部分的截面；以及

图5示出了根据本发明的燃烧发动机的一个第二优选实施例的示意图，其不带点火机构。

图1示出了根据本发明的燃烧发动机1的一个优选实施例的示意图。燃烧发动机1具有一外壳2，一空间或腔室3位于其中。一转子4设置于腔室3中，叶片5A、5B、6A、6B安装于转子4上。四个叶片将腔室分成多个隔舱。外壳2、腔室3和转子4基本上为圆柱形。

转子4具有多个用于容纳燃料的凹槽7A-H。这些凹槽设置于转子的任一侧上并且可采用不同的形式。所采用的形式基本上为杯形或沟槽形。杯形的一个实例为半球或具有椭圆截面的碗，类似半个鸡蛋。沟槽形的一个实例为半圆柱。为了示例说明，图1中所示的为半球形凹槽7A-D。凹槽7的数目相当于每侧两个或更多，依据发动机容量而定。为了进行示例说明，预计每侧介于四到十个之间的数目将会满足100cc发动机容量的需要。

用于计量供应燃料的装置位于外壳2的内部。这些燃料配给装置优选地包括适用于直接喷射的燃料喷射器8。一用于点燃燃料的点火机构9，例如一火花塞，设置于靠近燃料喷射器8处。点火机构9并非必要，因为发动机也可根据自燃原理工作。为了示例说明，图5示出了根据本发明的旋转式发动机的一个第二实施例，其不带点火机构。

图2在示意性正视图中示出了燃烧发动机1。燃烧发动机1具有一用于将发动机固定于现实世界的轴10。由发动机所产生的功可通过联接至本领域中众所周知的许多传动机构之一上而进行传送。在所示的优选实施例中，为此目的，转子4联接于一侧件13上以便通过传动带15驱动齿轮14。

图3A-3D示出了燃烧发动机1的示意性截面，其中转子分别处于第一、第二、第三和第四位置。转子4带有第一对可绕着一旋转轴线5旋转的叶片5A、5B。第二对叶片6A、6B可绕着第二旋转轴线6旋转。第一旋转轴线5和第二旋转轴线6间隔一定的相互距离基本上互相平行，并且沿着腔室3的直线延伸。两根旋转轴线都偏心设置于腔室中。第一对中的两个叶片5A、5B可互相独立地旋转，第二对中的两个叶片6A、6B也是如此。这点将参照图4进一步阐明。铰链15A、15B和16A、16B分别位于叶片的外端上，这些铰链给予叶片充分的自由度来相对于转子4运动。

叶片的第一重要功能是将腔室3分成多个隔舱。为此目的，叶片在旋转过程中沿着腔室3的壁而行。每个叶片在其外端上既沿径向又沿轴向带有适当的密封材料。在此处，在腔室的壁与密封件的边缘之间使用了一些间隙，以便容许转子的旋转不受妨碍地进行。一种适当的密封材料的实例为陶瓷材料。叶片的第二重要功能是动力传送。在这方面，第一对叶片5A、5B也被称为压缩叶片而第二对叶片6A、6B被称为工作叶片。

腔室3的形式基本上为非圆形截面。腔室3由三个局部互相重叠的偏心圆柱体组装而成。截面由三个偏心圆组成。在图3A-3D中，腔室3的左侧部分呈圆L的(一部分)的形式，该圆L以轴线5作为中心并且半径近似等于叶片5A和5B的径向尺寸。腔室3的右侧部分呈圆R的(一部分)的形式，该圆R以轴线6作为中心并且半径近似等于叶片6A和6B的径向尺寸。腔室3的中央部分呈圆M的(一部分)的形式。相关圆柱体L和R的体积比决定了燃烧发动机的性能。这些体积可以通过选择轴线5和6的位置以及通过选择叶片的径向尺寸来调整。最佳体积比为压缩比的函数。例如，在柴油机常用的1∶18的压缩比下，体积比近似为体积_L∶体积_R＝1∶3。

转子4基本上为圆形截面。此处的直径基本上等于形成中央部分M的圆的直径，在本实施例中为腔室3的最小直径。

一空气入口11和一燃烧气体排口12位于腔室的下侧。

在旋转过程中，腔室被分成多个隔舱，其体积发生变化。隔舱的数目可改变，为三个或四个，依据转子的位置而定。按照这种方式，就可以实现燃烧发动机的进气冲程、压缩冲程、作功冲程和排气冲程的功能，其将在下文中阐明。

根据本发明的燃烧发动机按照如下方式工作。

图3A示出了处于第一位置的转子。现在腔室被分成三个隔舱，分别为3A-3C。在隔舱3A中，空气通过入口11而吸入。存在于隔舱3B中的空气在凹槽7A中以及位于同一排中的所有隔舱中被压缩至最大程度。现在燃料喷射器8将燃料喷入一个或更多凹槽中(以所需动力而定)，以便在每个射入的凹槽中产生可燃混合物。如果燃料为汽油，这就优选地按照1份燃料对14份空气的比率进行。利用火花塞9使得混合物发生爆炸。在隔舱3C中，膨胀在先燃烧一阵之后发生，并且产生功。

图3B示出了处于第二位置的转子4，其中转子沿顺时针方向旋转了大约45度。腔室仍然被分成三个隔舱，现在分别称为3A、3C和3D。由于通过入口11吸入空气，因而隔舱3A的体积进一步增加。在燃烧之后，图3A的隔舱3B变为由此而膨胀并且产生功的隔舱3C。在通过排口12排出存在于其中的燃烧气体的过程中，隔舱3D的体积进一步减小。

图3C示出了处于第三位置的转子4，其中转子继续沿顺时针方向再次旋转了大约45度。腔室现在被分成四个隔舱，分别为3A-3D。在隔舱3A中，通过入口11吸入了新的空气。存在于隔舱3B中的空气受到压缩。在隔舱3C中，在燃烧之后仍然发生膨胀，并且产生功。位于隔舱3D中的燃烧气体继续通过排口12排出。

图3D示出了处于第四位置的转子4，其中转子继续沿顺时针方向再次旋转了大约45度。腔室仍然被分成四个隔舱，分别为3A-3D。由于通过入口11吸入空气，因而隔舱3A的体积进一步增加。存在于隔舱3B中的空气进一步受到压缩。在隔舱3C中，在燃烧之后仍然发生膨胀，并且仍然产生功。隔舱3D中留下的最后的燃烧气体通过排口12排出。

图4在侧视图中示出了图1的燃烧发动机的一部分的示意性截面。上面安装着叶片(5A、5B)和(6A、6B)的旋转轴线5和6穿过轴10。第一对叶片(5A、5B)中每个都带有一基本上位于中心的突出部分，以便安装于旋转轴线5上。为了示例说明，叶片5A的突出部分25A示于图4中。叶片5B带有一类似的突出部分。第二对叶片(6A、6B)中每个都设置有一在两侧都设置有一突出部分的基本上位于中心的凹槽，以便安装于旋转轴线6上。图4中只示出了叶片6A的突出部分26A和26B，其间带有一凹槽。叶片6B具有类似的构造。所有的突出部分都带有适当的轴承，例如滑动轴承。

总结一下，隔舱3A-3D的体积随着转子4的旋转而周期性变化。这些体积变化类似于已知奥托循环发动机中的活塞的体积变化，并且具有同样的功能，即周期性地实现进气冲程、压缩冲程、作功冲程和排气冲程。在根据本发明的燃烧发动机中，每一转发生两次燃烧，并且每一转产生两次功。为再次产生燃料燃烧所进行的准备工作，即吸入并压缩所需的气体，基本上在腔室3的左侧部分(L)中发生，而最近的燃烧通过右侧部分(R)中的动力传送和燃烧气体排放而进行处理。

在根据本发明的旋转式发动机中，只吸入空气。吸入的空气首先进行最大程度的压缩。然后分别将燃料喷射至一个或更多凹槽/隔舱7中。凹槽具有相对很小的体积，因此将每个凹槽填充上燃料并使得生成的混合物完全燃烧只需要相对很短的时间。在喷射时，各个凹槽几乎完全互相隔开。这点通过凹槽的形式和在喷射时凹槽的位置来实现。在喷射时，压缩空气受到加热以便满足自燃所需的条件，因此不再需要使用(因而也不存在)点火机构。因此，通过省去所有各图中的点火机构9，就可以得到旋转式发动机的第二优选实施例。为了示例说明，图5示出了根据本发明的燃烧发动机的这个第二优选实施例的示意图，其不带点火机构。图5在其它方面都与图1相同。应当指出，可以设置一额外燃料喷射器8来代替点火机构9，以便实现每个凹槽中的最佳燃料分布并且实现更迅速更清洁的燃烧。

根据本发明的旋转式发动机的性能相对于已知四冲程奥托循环发动机来说显示了明显的改进，如下表中所示。以下比率应用于相等动力。旋转式发动机的转速加倍也导致奥托循环发动机为产生相同动力所需的汽缸容量、体积、重量和生产成本加倍。

	旋转式发动机	奥托循环发动机
	旋转式发动机	奥托循环发动机	动力	1	1
转速	1..2	1	动力	1	1
转速	1..2	1	汽缸容量	1	4...8
体积	1	4...8	汽缸容量	1	4...8
体积	1	4...8	重量	1	4...8
效率	2	1	重量	1	4...8
效率	2	1	生产成本	1	4...8

应当指出，为了示例说明，所述的旋转式发动机为汽油发动机。然而，根据本发明的旋转式发动机也适用于柴油。一旦使用时，甚至可以交替地充满不同类型的燃料(只要贮槽在填充之前尽可能地空)，而不需要做出结构改动。旋转式发动机还适用于各种交通工具中。一些实例包括汽车、摩托车、机动自行车和小型摩托车，以及飞机和轮船。

因此，根据前文所述和附图来看，本发明并不限于所示所述的优选实施例，而是基本上延伸至处于所附权利要求范围内的任何实施例。

Claims

1.一种燃烧发动机(1)，包括一带有一腔室(3)的外壳(2)，一设置有多个叶片(5A、5B、6A、6B)的转子(4)设置于腔室中，这些叶片(5A、5B、6A、6B)沿径向延伸至腔室(3)的壁并且将腔室分成多个隔舱(3A、3B、3C、3D)，其中每个隔舱用于执行至少一项以下功能：

a)吸入和/或压缩燃烧所需的气体；

b)使燃料发生燃烧；

c)产生功；以及

d)排出燃烧气体，

其中第一对叶片(5A、5B)可旋转地安装于一第一旋转轴线(5)上，并且其中第二对叶片(6A、6B)可旋转地安装于一第二旋转轴线(6)上，这些旋转轴线偏心设置于腔室(3)中，其特征在于，每对中的叶片(5A、5B；6A、6B)可相对于彼此独立地旋转。

2.根据权利要求1所述的燃烧发动机，其中第一对叶片(5A、5B)中每个都设置有一突出部分，以便安装于旋转轴线(5)上。

3.根据权利要求1所述的燃烧发动机，其中第二对叶片(6A、6B)中每个都设置有一在任一侧带有一突出部分的凹槽，以便安装于旋转轴线(6)上。

4.根据权利要求2或3所述的燃烧发动机，其中每个突出部分都设置有一绕着旋转轴线安装的轴承。

5.根据权利要求1所述的燃烧发动机，其中腔室由三个圆柱体组装而成，它们局部互相重叠并且轴线基本上互相平行。

6.根据权利要求5所述的燃烧发动机，其中腔室的第一部分的截面呈一第一圆(L)的形式，该圆以第一旋转轴线(5)作为中心并且半径近似等于相关叶片(5A、5B)中最大叶片的径向尺寸。

7.根据权利要求5所述的燃烧发动机，其中腔室的第二部分的截面呈一第二圆(R)的形式，该圆以第二旋转轴线(6)作为中心并且半径近似等于相关叶片(6A、6B)中最大叶片的径向尺寸。

8.根据权利要求5所述的燃烧发动机，其中腔室的第一部分的截面呈一第一圆(L)的形式，该圆以第一旋转轴线(5)作为中心并且半径近似等于相关叶片(5A、5B)中最大叶片的径向尺寸，其中腔室的第二部分的截面呈一第二圆(R)的形式，该圆以第二旋转轴线(6)作为中心并且半径近似等于相关叶片(6A、6B)中最大叶片的径向尺寸，以及其中第二圆(R)的半径大于第一圆(L)的半径。

9.根据权利要求5所述的燃烧发动机，其中腔室的第三部分的截面呈一第三圆(M)的形式。

10.根据权利要求1所述的燃烧发动机，其中转子具有多个凹槽，以便形成相应数目的用于使燃料产生燃烧的隔舱，其特征在于，多个凹槽(7A、7B、7C、7D；7E、7F、7G、7H)设置于转子(4)的两侧上。

11.根据权利要求10所述的燃烧发动机，其中凹槽的形式为杯形。

12.根据权利要求10所述的燃烧发动机，其中凹槽的形式为沟槽形。

13.根据权利要求10所述的燃烧发动机，其中燃烧发动机适于将燃料直接喷射至凹槽中。

14.根据权利要求13所述的燃烧发动机，其中燃烧发动机适于通过改变用燃料喷射的凹槽的数目来控制发动机动力。

15.根据权利要求10所述的燃烧发动机，其中燃烧发动机适于使得燃料能够自燃而不需利用点火机构。

16.根据权利要求15所述的燃烧发动机，其中燃烧发动机不包括燃料的点火机构。