專利名稱：轉缸式活塞發(fā)動機的制作方法
背景技術：
本發(fā)明涉及各種各樣的發(fā)動機，更具體說，本發(fā)明涉及有旋轉氣缸組的發(fā)動機。
內(nèi)燃機已經(jīng)流行很長時間，主要有奧托發(fā)動機和汪克爾發(fā)動機。奧托發(fā)動機是四沖程發(fā)動機，其活塞在氣缸的燃燒室內(nèi)作直線往復運動。氣缸通常以三種方式中的一種布置單排式(成一直線)，氣缸的中心線在垂直方向；雙排式，相對的氣缸的中心線會聚成V形(V型發(fā)動機)；水平對置的二排式(對置式發(fā)動機或水平對置式發(fā)動機)。從20世紀初開始，傳統(tǒng)的奧托型往復式發(fā)動機作為最實用的方案開始占據(jù)統(tǒng)治地位，即使已經(jīng)認識到，通過燃料燃燒產(chǎn)生能量大部分損耗在往復沖程時活塞的減速和加速上。汪克爾發(fā)動機，也叫轉子發(fā)動機，這樣稱呼是因為它利用三角形旋轉盤在固定氣缸內(nèi)旋轉時形成燃燒室。汪克爾發(fā)動機也是四沖程發(fā)動機，雖然它比奧托發(fā)動機具有幾個優(yōu)點，但它在低速下扭矩不足，導致油耗較大。
實際應用的內(nèi)燃機如果具有一個或幾個以前沒有的下述優(yōu)點是可取的(1)發(fā)動機運轉平衡，相對沒有震動；(2)往復運動的活塞加速減速時無能量損失；(3)多個動力輸出點；(4)許多可供選擇的點火系統(tǒng)；(5)可選用傳統(tǒng)增壓器及燃料噴射器-火花塞點火或類似于柴油機空氣-燃料噴射的壓縮點火；(6)改進的中央燃料/空氣點火，此時油/氣靠離心力通過發(fā)動機向外流動，以提供較均勻的燃燒混合物，并通過環(huán)形布置的排放口完成排氣；(7)異常高的功率一重量比；(8)機械效率曲線比傳統(tǒng)的奧托發(fā)動機更有利于在作功沖程初期做有用功，以利用這時較高的氣缸壓力，導致大的扭矩和更大功率；(9)能改變氣缸工作容量，因此在發(fā)動機運轉時改變其可能產(chǎn)生的扭矩，從而能響應功率需求的變化；(10)能在一個旋轉結構中運用四沖程順序，包括進氣、壓縮、點火-作動及排氣；(11)可把機械效率曲線改變成任何形狀。
二十世紀七十年代初發(fā)明的二沖程轉缸式V型發(fā)動機示于美國專利3,830,208；3,902,468及3,905,338，。實際上，轉缸式V型發(fā)動機在殼體每一端包括六個氣缸，在其中部彎成110°V形角。殼體兩端每個氣缸中的活塞與殼體相反端的活塞固定連接，整個氣缸-活塞結構旋轉。V形發(fā)動機旋轉氣缸組的優(yōu)點是，與線性往復運動的奧托發(fā)動機或汪克爾發(fā)動機相比，功率和效率有很大提高。但V型發(fā)動機在結構設計上不成功，因為第二氣缸組產(chǎn)生的扭矩借助于猛烈的扭鉸運動通過第一氣缸組傳輸，每當負荷大時會刮傷活塞與氣缸壁。V型發(fā)動機的另一問題是二沖程的油氣混合物結構不大可靠，且比四沖程結構燃燒不完全。
因此希望有一種新型的轉缸式發(fā)動機，其旋轉的氣缸組像V型發(fā)動機，但熱效率高，廢氣污染低，尺寸小，及/或功率大，且具有上面提到的優(yōu)點。
發(fā)明概要本發(fā)明涉及的發(fā)動機包括固定殼體；氣缸組，安裝在殼體中可繞縱向中心軸線旋轉，該氣缸組有許多氣缸，平行于縱向中心軸線但徑向隔開一定距離，每個氣缸有缸壁、進氣口、排氣口、控制進氣口和排氣口開閉的閥門組件，在氣缸內(nèi)高位和低位之間運動的活塞，以及連桿，連桿有與活塞連接的內(nèi)端還有外端，扭矩板，裝配到由連桿外端所在扭矩面內(nèi)可旋轉且與縱向中心軸的垂直面形成一斜角，因此當氣缸組轉動扭矩板時在氣缸組繞一圈的第一部分中按順序將每一活塞從高位引導到低位并在該氣缸組這一圈的第二部分中按順序將活塞從低位引導到高位；及同步構件，有效地連接氣缸組與扭矩板，使氣缸組與扭矩板以同一速度轉動。
本發(fā)明的發(fā)動機可適應四沖程內(nèi)燃機，它有排氣沖程、進氣沖程、壓縮沖程及作功沖程。在這種情況下，發(fā)動機還包括閥門控制構件，在氣缸組轉第一圈期間作為排氣沖程的結果，按順序打開每一其它氣缸的進氣口，在排氣沖程中，隨著各自的活塞從低位移到高位，燃燒后的氣體從各其氣缸排出，而作為吸氣沖程的結果，這時，隨著各活塞相應地從高位移到低位，可燃燃料供應到每一其它氣缸內(nèi)，在該氣缸組轉第二圈期間，作為壓縮沖程的結果，閥門控制構件按順序關閉每一其它氣缸的閥門，在壓縮沖程中，隨著各活塞從低位移向高位，每一其它氣缸中的可燃燃料受壓縮，而作為作功沖程的結果，這時點火裝置按順序點燃每一其它氣缸中的可燃燃料，迫使各自活塞從高位移向低位，其中，每個氣缸是在氣缸組轉了二整圈后才完成四沖程運轉的。
附圖簡要說明

圖1是沿圖2B的I、I線的縱剖面圖，示出根據(jù)本發(fā)明所述四沖程轉缸式活塞發(fā)動機。
圖2A-2G是示出圖1的發(fā)動機在轉動一個循環(huán)各選定位置上的一系列水平截面。
圖3是驅動根據(jù)本發(fā)明所述氣缸閥門的凸輪盤的透視圖。
圖4是根據(jù)本發(fā)明所述四沖程轉缸式活塞發(fā)動機另一實施例的縱剖面圖。
圖5是根據(jù)本發(fā)明所述四沖程轉缸式活塞發(fā)動機另一實施例的縱剖面圖。
優(yōu)選實施例的詳細說明圖1示出根據(jù)本發(fā)明原理的四沖程轉缸式活塞式內(nèi)燃機，發(fā)動機10包括動產(chǎn)生組件12，燃料控制組件14和動力輸出組件16。在發(fā)動機轉動二整圈的過程中完成四沖程運轉，其中吸氣沖程在發(fā)動機轉第一圈的0°-180°范圍，壓縮沖程在第一圈的180°-360°范圍，作功沖程在第二圈的360°-540°范圍，排氣沖程在第二圈的540°-740°范圍，將在以下的本發(fā)明運轉過程一節(jié)中進一步解釋。
動力產(chǎn)生組件12包括固定殼體18，氣缸組20，裝配在固定殼體18內(nèi)，可通過軸承21、28繞縱向中心軸旋轉，排氣集管23，固定在固定殼體18上，火花塞轉換開關24，裝配到固定殼體18上，在與旋轉的氣缸組20接觸時工作；及控制器16，提供要求的點火順序。氣缸組20包括很多等距離隔開，徑向不重合的燃燒室，每個燃燒室均由氣缸28、活塞30和閥32構成，且還包括進氣口34，排氣口36和火花塞38。隨著氣缸組20的旋轉，當活塞10從高位移動到低位時，燃料控制組件14允許油氣混合物通過進氣口34按時控順序進入各氣缸38。隨著氣缸組28的轉動，當活塞10從低位移動到高位時，油氣混合物在氣缸內(nèi)受壓縮，隨后隨著氣缸組20的轉動，當各氣缸28中的火花塞38在位置29處有效地接合火花塞轉換開關24時，控制器26按時控順序引爆油氣混合物。這里使用的轉換開關包括任何形式的引爆火花機械或電子定時器。爆燃將各活塞30從高位推到低位并使氣缸組20旋轉，從而由爆裂的燃裂的燃料引成膨脹氣體并將能量轉變成扭矩。隨著氣缸組20的轉動，當活塞30從低位移向高位時，氣缸28內(nèi)的燃燒氣體通過排氣口孔排出并進入排氣集管23。
每個活塞30均連到連桿40，將扭矩傳遞給動力輸出組件16。連桿40的內(nèi)端42裝配到各自活塞30底面并用定位環(huán)44以便可形成球面連接，使連桿40的內(nèi)端42可自由轉動且在氣缸組20轉動時可繞其自身軸線旋轉。連桿40的外端44用定位環(huán)48與動力輸出組件16裝配連接(如球形萬向節(jié)等)，因此連桿40的外端46可自由轉動且在氣缸組20轉動時能繞其自身軸線旋轉。
為了達到四沖程運轉，燃燒室最好是奇數(shù)(1、3、5、7、9等)，以便在氣缸組20轉動時，每個氣缸28按單一的時控順序經(jīng)歷四沖程運轉，其中每一其它氣缸28也照此行動。更詳細說，在氣缸一側相鄰的氣缸28在進氣與作功沖程之間交替進行，其中控制器26按時協(xié)調(diào)火花塞20工作，從而隨著氣缸體20的轉動在每一其它氣缸28內(nèi)點火，且其中燃料控制組件14隨著氣缸組20的轉動允許汽油混合物進入每一其它氣缸28。在發(fā)動機的另一側，相鄰氣缸28在壓縮沖程和排氣沖程之間交替進行。在圖2所示7缸28的發(fā)動機中，交替進行點火/加油，反之，壓縮/排氣提供連續(xù)運轉且在氣缸組20按下列順序完成二整圈的過程中所有氣缸28完成四沖程運轉，順序如下1#、3#、5#、7#、2#、4#、6#、1#氣缸等等，將在以下本發(fā)明運轉過程一節(jié)中進一步解釋。
閥32將氣缸28與進氣口34及排氣口36隔離且做成能耐燃燒室中爆燃氣體的全壓力。閥32是標準的當代汽油發(fā)動機中使用的提升閥。這種一個整體結構的閥門32比進氣與排氣分開的閥門好，因為它有較高的容積效率，簡化凸輪幾何形狀，四沖程運轉只要一次使閥門32下降，因而用的能量少，且不像二個閥門的結構那樣需要快速使閥門沖程加快。然而應注意，一個或幾個進氣閥及一個或幾個排氣閥可應用于本發(fā)明其它實施例。
參看圖1及2A，在所示實施例中，燃料控制組件14包括一旋轉的供氣渦輪50或其它空氣壓縮機，以便讓大氣進入發(fā)動機10并增壓，多條燃料管線51上連接液體燃料噴嘴52，使液體燃料溶化并與進入氣缸28的加壓的環(huán)境空氣混合。供油裝置54，及控制器26，可調(diào)節(jié)供油裝置到燃料噴嘴52的流量，并調(diào)節(jié)渦輪50的轉速及流入氣缸28的空氣壓力與流量，及凸輪組件56，可結合渦輪50，燃料噴咀52及排氣集管23的狀況，調(diào)節(jié)每一氣缸28的閥門32。環(huán)境空氣通過進氣口58在其轉動中心進入發(fā)動機10，被渦輪50壓縮，渦輪50以遠大于氣缸組20的轉速旋轉。渦輪52安裝用軸承47.49因而可轉動，并由任何一種方法驅動，包括與轉動的氣缸組20直接連接的輪系。渦輪50最好用安裝在支座62上的變速馬達60驅動，其功率直接傳輸或通過傳動系64傳輸。馬達60可變速且由控制器26通過電線55控制，按變化的發(fā)動機工況，如負荷、轉速、溫度等的要求按比例控制提供給發(fā)動機10的空氣壓力與容積。發(fā)動機工況用技術上熟知的專用實時傳感器監(jiān)控，測量其轉速、負荷、風門狀況、缸頭溫度、空氣速度、排氣成份并手工超越控制。
空氣在渦輪50內(nèi)沿軸向流動并從進氣口58向下四射，在渦輪轉子70的作用下流向固定的渦輪殼58的四周，增壓進入轉動的氣缸組20，增壓空氣用于二個目的。首先，增壓空氣進入諸多冷卻孔72，冷卻氣缸組20的內(nèi)部。在冷卻孔72進口處的雙金屬閥74或類似作動器自動打開、關閉，以增加或降低散熱，從而保持發(fā)動機10處在均勻的工作溫度。氣缸組20上伸出冷卻肋76，有助于提高冷卻空氣到達發(fā)動機10內(nèi)部并從該內(nèi)部帶走熱量的效率。增壓空氣從渦輪50流出，受到氣缸組20及冷卻肋76旋轉的渦狀運動的加強，經(jīng)固定殼體18內(nèi)部，許多冷卻槽76離開氣缸組20。冷卻槽78的間隔應當是不規(guī)則的，以免產(chǎn)生悅耳的噪音。從渦輪50出來的增壓空氣的第二功能是為氣缸內(nèi)膛中的燃燒提供增壓空氣。這時通過渦輪50的增壓空氣再經(jīng)過蝶閥80和進氣口34，與燃料混合并再入氣缸28。燃料通過一系列燃料管線51加入氣缸28中，管線51沿縱向穿過一部分固定的渦輪殼68，然后進入燃料噴嘴33，噴嘴33在進氣集氣管內(nèi)或與氣缸在一起?？刂破?4根據(jù)發(fā)動機工況提供通過燃料噴嘴52的液體燃料，并控制其流入通過進氣口34的增壓空氣中的流量。
參看圖1及3，凸輪組件56包括凸輪盤82，其上伸出一些凸輪面84，或其它機械執(zhí)行機構，及跟蹤球86，保持環(huán)88，閥門挺桿90，及與每一氣缸閥32在一起的閥門回復彈簧92。凸輪組件56使閥門32按時工作，在排氣沖程(540°-720°)時開啟并在吸氣沖程(0°-180°)保持開啟。最好采用奇數(shù)的活塞30及對應的氣缸28，使氣缸組20按正常狀態(tài)轉動時連續(xù)點火。如果活塞30及對應的氣缸28是偶數(shù)，則會使閥門32的定時復雜化且必須包括電子控制的執(zhí)行機構。但是，如有要求，可用電子控制執(zhí)行機構代替凸輪盤。在一包括凸輪盤的實施例中，凸輪盤82有外齒輪100，它與氣缸組20的內(nèi)齒輪102或在104位置用任何其它類似的互相制約的可靠方法嚙合。凸輪盤82以與氣缸組20同步的精確比率旋轉，因而凸輪面84按發(fā)動機特定的定時順序按時使閥門32動作。
在所示的7缸發(fā)動機的例子中，氣缸組20每轉6圈，凸輪盤82進動7圈。凸輪盤82上三條凸輪面84呈波浪形，但高度均勻，如圖3所示，因此，由于凸輪盤82與氣缸組20的傳動比為7∶6，當氣缸組20轉動時凸輪表面84與每一其它滾子跟蹤球接觸并保持接觸(見圖2A-2G)，當發(fā)動機轉動時凸輪表面84壓下滾珠84，通過各自的閥門挺桿90使閥門32及對應的閥門32動作，從而氣缸組20每轉二圈(720°)，各閥門32在下一次。當凸輪面84走過跟蹤球86后，閥門回復彈簧92后將閥門32回到關閉位置。
參看圖1及3，凸輪盤82裝配到固定殼體18上并利用適當?shù)妮S承組件可繞凸輪軸106轉動，在此就用滾珠軸承110，它能沿軸承座圈11運動。凸輪軸106基本上平行于縱向中心軸22，但在半徑方向向外偏向上死點。偏離值由旋轉的凸輪盤82和轉動的氣缸組20上的齒輪100與102的半徑差值確定。6∶7的傳動比使每個閥門32僅對發(fā)動機10的排氣與吸氣沖程才打開，對發(fā)動機10的壓縮與作功沖程保持關閉。對于其它結構的實施例，包括氣缸28的數(shù)量為不同的奇數(shù)(如1、3、5、9、11等)及每個氣缸的閥門32有不同數(shù)量(如1、2、3、4等)，有不同的定時比及凸輪盤82上有不同條的凸輪面84。例如，5缸發(fā)動機(未示)每個氣缸有一個閥門，比氣缸組20轉得慢，轉速比為5∶6，且有三條凸輪面84。
如圖1所示，動力輸出組件16的最簡單形式包括承載的扭矩板120，-旋轉的止推板122及-動力輸出軸。止推板122在平面129中繞扭矩軸128轉動且用軸承128支承在扭矩板120上，扭矩板120在縱向和橫向約束止推板122。錐形滾柱軸承125承受轉動的氣缸組20，止推板122和固定殼體18之間的壓力。扭矩板120與垂直于縱向中心軸22的平面131有一固定的0°-90°的斜角130。止推板122的周邊是齒輪132或其它同步機構，它們與氣缸組20周邊的齒輪135接合且使二者以固定斜角130用1∶1的轉動關系同步轉動。動力輸出軸124與旋轉的止推板122固定且通過軸承127裝配到扭矩板120上。止推板122支撐所有連桿40的外端46，通過定位環(huán)48裝配并可繞對面轉動。當氣缸組20轉動時止推板122引領連桿40在圓形路線上運動并帶動活塞30運動。由于扭矩板120與縱向中心軸22成斜角130，且由于活塞30通過連桿40連接止推板122，從而連接扭矩板120，因而當它們隨著繞縱向中心軸的氣缸組20一起轉動時，活塞30便在上死點(0°)的高位與下死點(180°)的低位之間被迫作往復運動。從圖1及2顯然可見，扭矩板120與縱向中心軸22的垂直面131之間的斜角130增加，可使氣缸28的燃燒室的排氣量提高到?jīng)_程規(guī)定的最大值，它等于氣缸組20轉動時活塞從上死點(0°)移動到下死點(180°)的距離乘以連桿40的外端繞扭轉軸126運轉時其中心的圓形軌道的半徑?？梢灶A計，球面的等徑傘齒輪可用來代替扭矩板20及氣缸組20的圓周齒輪132，從而使扭矩板120與氣缸組20之間的斜角130能在0°-190°范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。圖5所示實施例，如下所解釋的，示出改變斜角130從而改變發(fā)動機10的潛在扭矩的另一方法。
由于活塞30由連桿40連接扭矩板120，因而它們遵循所述軌跡，從而形成橢圓形軌跡，橢圓長軸與縱向中心軸22形成斜角?；钊?0的橢圓軌跡是重要的，因為當氣缸組20轉動時，活塞30及連桿40順次沿比氣缸組20的圓形路線長的路線移動，從而有效地增加活塞30對扭轉板120的機械效率。
參看圖4，為了提升發(fā)動機機械增益曲線，對連桿40的底部46在扭矩板120上走過的別樣的平面圓形路線進行修改可能有幫助。經(jīng)過適當構形，連桿40行走的路線使相連的活塞-連桿組件在作功沖程初期就有最佳的機械增益，以便利用作功沖程初期較高的壓力。在此實施例中，扭矩板120包括波浪形的凸輪面134，而旋轉的止推板122包括-懸臂式凸輪滾柱機構136。波浪形凸輪面134在一圈的0°處突然開始，下沉到正常平面旋轉的假想面138以下，從而提高連桿40的外端46對假想面138的攻角。凸輪面14從一圈的15°開始逐漸上升在一圈的90°處與假想面的軌線相交。此凸輪面134可按要求在旋轉軌線上其它點處發(fā)生改變。懸臂式凸輪滾柱機構136包括與樞軸142鉸接的回轉臂140，在回轉臂140上面部分中可與連桿40的外端46接合的半球形支座面144，及裝配到回轉臂140下面部分并可轉動以便沿當時的波形圓線路與波浪形凸輪面134接合的凸輪滾柱148。當氣缸組28轉動時，凸輪滾柱148，各自的回轉臂142及連桿40與活塞30都一起沿凸輪面134跟蹤。當凸輪面134下降到假想的圓形軌跡以下，改變時的機械增益根據(jù)直線相對于轉動中心軸線126的俯仰角而放大。活塞30變更時的力矩反映出整個系統(tǒng)的機械增益。換言之，波浪形凸輪面134使活塞30可在轉動循環(huán)初始部分加強運動，從而可從燃料爆燃作功沖程獲取更多的擴張力并將其變成轉動能，而不是將能量作為多余的熱量或損耗被發(fā)動機10的本體吸收。
圖5示出本發(fā)明更通用的實施例，因為它提供變扭矩的動力輸出組件216。變扭矩動力輸出組件216包括-環(huán)形承載轉動的止推板222，嵌套在杯形扭轉板220內(nèi)，且由軸承150、152支承。扭矩板220的角度及行程可利用各種方法調(diào)節(jié)。一種方法是利用承載扭矩的彈簧169，它被設置在扭矩板220的下面且一端以樞軸170與扭轉板220連接，另一端以樞軸172與固定殼體18連接。彈簧169是合乎標準的，隨著作用其上壓力的增加而壓縮。當彈簧169壓縮時，扭矩板相對于縱向中心軸22的斜角130減小，從而使氣缸28內(nèi)的排量提高，使發(fā)動機容量增大，以便與對它要求的提高相一致。氣缸組20與止推板222是同步的，在同步構件154的作用下以同樣速度轉動，同步構件154可包括內(nèi)花鍵連接軸156，與外花鍵連接軸158結合。外花鍵連接軸158的上端用萬向節(jié)160連接氣缸組20，而內(nèi)花鍵連接軸156的下端用萬向節(jié)162連接止推板222。
變扭矩動力輸出組件216可相對于旋轉軸164傾斜，同時在發(fā)動機的任何工作階段與氣缸組20同步旋轉，以便改變活塞沖程的長度/排量，壓縮比，及機構效益曲線的提升、抑制或變更。扭矩板220以其斜角130繞旋轉軸164自由旋轉，該旋轉軸垂直于縱向中心軸22且其徑向位置與縱向中心軸22有一定距離，因此，保持壓縮比固定或一定變化范圍。扭矩板與縱向中心軸22的斜角130在0°-90°最重要，0°可使氣缸組20自由旋轉，90°潛在杻短最大。扭矩板斜角130越大，則發(fā)動機10產(chǎn)生的扭矩越大且萬向節(jié)160、162結構上的應力越大。為了獲得最佳性能，必要時可將旋轉軸164從90°到縱向中心軸22或到任何其它角度的地區(qū)及與中心軸22的距離加以改變。當外花鍵軸158滑進或滑出內(nèi)花鍵軸156時，變扭矩動力輸出組件216上下運動可使同步構件154變長或變短。動力輸出軸124固定到旋轉的止推板222上，以便一起轉動或傳送發(fā)動機10的輸出杻短。扭矩板斜角130最終是由控制器54控制的，它能調(diào)節(jié)燃料與空氣及/或膨脹生成物。當節(jié)流閥(未示)動作時，控制器26使膨脹生產(chǎn)物的壓力和容積增加，從而燃燒范圍擴大，或氣缸組20與扭矩板220之間的反作用壓力加大。壓力增加使壓縮彈簧169，使扭矩板的斜角130及氣缸28內(nèi)的排量增加，因而增加整個系統(tǒng)的扭矩。
現(xiàn)在應當明白，扭矩板斜角230可用其它控制器改變，如像步進馬達那樣的機械執(zhí)行機構(未示)，液壓活塞、磁力執(zhí)行機構或手動控制器。這些機構與控制器28有效地連接并通過對發(fā)動機物理狀況的監(jiān)測與反應，如轉速、扭矩、油門踏板位置、扭矩板斜角、滑輪轉速等，作實時動作。
還應注意，在圖5所示的變扭矩動力輸出組件216的情況中，希望結合扭矩板220的斜角130改變閥門32的行程。凸輪盤裝配到支座237上并可轉動，支座237與換擋伺服馬達212固定，當馬達212在螺桿214上作往復運動時可驅動支座237向上，從而在活塞30的沖程減小時閥門32的行程也減小，支座237向下時可在活塞30的沖程增加時閥門32的行程也增加。改變閥門32的行程(即動作范圍)的目的是使活塞30的沖程增加時燃燒室內(nèi)的容量也增大。另一方面，當活塞30的沖程減小時閥門32的行程必須減小，以便當閥門32與活塞30運動到排氣沖程與進氣沖程之間及壓縮沖程與作功沖程之間的上死點附近時有間隙存在。應當明白，可用其它線性定位裝置代替換擋伺服馬達212，包括與扭矩板220直接連接。
在另一未示的實施例中，可應用6根承載伸縮支柱系統(tǒng)來改變扭矩板斜角130，該系統(tǒng)連接在氣缸組20與扭矩板120之間支柱定位時相互之間有夾角，因此相鄰支柱的一端比與其它支柱近。此結構形成六個不交錯三角形空間的系列。通過調(diào)整伸縮支柱的伸長與收縮，扭矩板的軸線126可以與縱向中心軸22形成任何角度，可沿縱向中心軸22定位在任何一點，并可定位在與縱向中心軸22沿半徑方向隔開的任何一點，除了改變扭矩板的斜角130外，總體運動自由度也能改變上死點的位置、加速率及活塞30與氣缸組20之間相互作用的軌跡曲率。此外，為了在高度、氣候、轉速、燃油不相容性、單一節(jié)流閥的位置等工況改變時優(yōu)化發(fā)動機性能，應對扭矩板斜角130作實時改變。
發(fā)動機運轉過程參看圖1及2A，氣缸組20的每個燃燒室完成二整圈運行，獲得如下的四沖程運轉進氣(0°-180°)，壓縮(180°-360°)，作功(360°-545°)，及排氣(540°-720°)，應注意，上述的及以后的角度范圍是近似的，這樣規(guī)定只是為了清楚起見，角度范圍可以調(diào)整，以便對發(fā)動機的每一用途、指定功率、速度、扭矩、燃油經(jīng)濟性及廢氣污染水平。
關于1#氣缸，進氣沖程是活塞30在0°時的上死點開始，扭矩板120與氣缸組20形成一斜角，提升閥32在凸輪面3 1的作用下打開。當1#氣缸轉動時，在該氣缸28中的活塞30被扭矩板120相對于氣缸組20向下拉，從而擴大氣缸28中燃燒室的容積。提升閥32在凸輪盤82的凸輪面84的作用下順序被調(diào)開，由于凸輪盤82上的外齒輪100與氣缸組20的內(nèi)齒輪102以凸輪盤82轉7圈對氣缸組20轉6圈的比例在104位置處嚙合，因此氣缸組20同步。渦輪50的增壓空氣通過渦輪殼68中的固定孔180(見圖2)在從0°轉到70°時通過進氣口34進入氣缸28，因此冷卻閥門32并隨著氣缸28中燃燒室的擴大，空氣逐漸進入氣缸28，渦輪殼68中固定孔180在70°-90°的區(qū)域182被隔開，因此在來自渦輪50的增壓空氣冷卻之前，來自進氣集氣管進口區(qū)184的油/汽混合物不能接觸高溫閥門32，從90°開始，燃料經(jīng)燃料管線34加入氣缸內(nèi)腔，燃料管線34沿縱向穿過滑輪殼68到達燃料噴嘴52。當進口孔34在渦輪殼68中沿圓周方向的進氣集氣管進氣區(qū)184通到180°處時增壓空氣流中投放燃料噴嘴52噴出的霧化燃料。
壓縮沖程在180°時開始，進氣集氣管入口184在該點終止，在凸輪盤82的作用下提升閥32關閉，進氣進入進氣集氣管密封區(qū)186，從而通過提升閥32將氣缸28內(nèi)的燃燒室密封，以便發(fā)動機進行整個壓縮與作功循環(huán)。當氣缸28從180°運動到360°時，活塞30在扭矩板120的作用下沿圓周相對于氣缸組20向上運動，從而在約360°時將油/混合物壓縮到最小容積。
360°時開始作功沖程。在作功沖程期間，氣缸28內(nèi)被壓縮的油/氣混合物用任何一種方法點火，包括火花塞、引火塞、柴油機效應或其它點火激發(fā)器。如圖1所示，火花塞通過火花塞轉換開關24及點火程序發(fā)生器26的控制在每一其它氣缸28上點火。油/氣混合物點火后在氣缸28內(nèi)形成高壓，且在360°-540°時在氣缸28與活塞30之間形成膨脹關系。該膨脹關系迫使氣缸蓋及活塞30分離，從而使整個氣缸組20、活塞30、連桿40及扭矩板120轉動，連桿40對扭矩板120垂直向下的力當扭矩板120與縱向中心軸22的夾角為45°時等于圓周力。當扭矩板120繞中心軸84轉動時，連桿40的外端46圓形軌跡的半徑使此力增大，扭矩板120與縱向中心軸22的斜角130有變化將使此值成比例變化。扭矩板120與縱向中心軸22的斜角減小將使此力增大，相反，斜角130增大使該值降低。作功沖程的作用是使整個系統(tǒng)沿正方向轉動。180°-540°的整個壓縮與作功沖程中閥門32保持關閉。360°-540°時固定殼體18的密封區(qū)188通過密封墊190有效地與排氣36接合(見圖1)，密封墊190形成氣缸28的壓力的第二屏障。它還進一步密封燃燒氣體不致逃逸到大氣，直至排氣口36與固定殼體18及排氣集氣管23上的排氣集氣管開口區(qū)192對齊為止。
排氣沖程從540°開始到720°為止，燃燒廢氣在凸輪面84的作用下將閥門32壓下時從氣缸28排放，燃燒廢氣通過排氣34口并通過固定殼體18中的環(huán)形排氣孔192，然后通過適當?shù)氖占到y(tǒng)，包括消音器和催化式排氣凈化器(未示)。排氣口區(qū)192及排氣集氣管23恰好在720°之前中止，于是四沖程運轉過程完成，當轉動角度超過上死點(720°)時環(huán)形孔180再次露出，新空氣再次按上述進入，而閥門32為下一循環(huán)保持開啟。
以上說明按1#氣缸運作，可分別應用到到2#-7#氣缸。圖2A-2G示出有關發(fā)動機作四沖程運轉時閥門動作的精確順序，其中凸輪盤82對氣缸組20以7∶6的傳動比運轉。圖2A-2G示出轉一圈，即360°的上述關系，其中每個燃燒室經(jīng)歷二個沖程，因不相鄰氣缸同時經(jīng)歷相反沖程，所以能弄明白氣缸組20轉二圈，即720°發(fā)生的完整的四沖程運轉。
圖2A求出1#氣缸在上死點位置(約為0°)時凸輪面84與閥門32的相對位置，在該位置上1#氣缸的閥門32由1#凸輪的作用為進氣沖程開啟，2#氣缸為了作功沖程關閉閥門32，3#氣缸為了進氣沖程在2#凸輪作用下開啟閥門32，4#氣缸為了作功沖程關閉閥門32，但即將為了排氣沖程打開閥門32，5#氣缸為了壓縮沖程關閉閥門32，6#氣缸為了排氣沖程在3#凸輪作用下開閉閥門32，7#氣缸為了壓縮沖程關閉閥門32。
圖28示出凸輪盤32與氣缸組20轉動1/7圈(約51.4°)時凸輪面84與閥門32的相地位置，在這位置上，1#氣缸的閥門32為了進氣沖程仍由1#凸輪打開，2#氣缸的閥門32為了作功沖程仍關閉，3#氣缸的閥門為了進氣沖程仍由2#凸輪開啟，4#氣缸的閥門32為了排氣沖程由2#凸輪打開，5#氣缸的閥門32為壓縮沖程仍關閉，6#氣缸的閥門32為了排氣沖程仍由3#凸輪開啟，7#氣缸的閥門34為了作功沖程關閉閥門32。
圖2C示出凸輪盤82及氣缸組20轉動到一圈的2/7處(約102.8°)后凸輪面84與閥門32的相對位置，在這位量上，1#氣缸的閥門34為了吸氣沖程仍由1#凸輪開啟，2#氣缸的閥門32為了作功沖程仍關閉但即將為了排氣沖程被1#凸輪打開，3#氣缸的閥門32為了壓縮沖程目前關閉，4#氣缸的閥門為了排氣沖程由2#凸輪打開，5#氣缸的閥門32為了壓縮沖程仍關閉，6#氣缸的閥門32為了進氣沖程仍由3#凸輪開啟，7#氣缸的閥門32為了作功沖程仍關閉。
圖2D示出凸輪盤82及氣缸組20轉動一圈的3/7(約154.3°)后凸輪面84與閥門32的相對位置，在此位置上1#氣缸的閥門32為了進氣沖程仍由1#凸輪開啟，但即將關閉開始壓縮沖程，2#氣缸的閥門32為了排氣沖程由1#凸輪打開，3#氣缸的閥門32為了壓縮沖程保持關閉，4#氣缸的閥門32為了排氣沖程由2#凸輪打開，5#氣缸的閥門為了作功沖程保持關閉，6#氣缸的閥門32為了進氣沖程仍由3#凸輪開啟，7#氣缸的閥門32為了作功沖程仍關閉。
圖2E示出凸輪盤82及氣缸組20轉動一圈的4/7(約205.7°)后凸輪面84與閥門32的相對位置。在此位置上，1#氣缸的閥門32為了壓縮沖程現(xiàn)在關閉，2#氣缸的閥門32為了排氣沖程由1#凸輪打開，3#氣缸的閥門32為了壓縮沖程關閉但即將開始作功沖程，4#氣缸的閥門32為了進氣沖程由2#凸輪打開，5#氣缸的閥門32為了作功沖程保持關閉，6#氣缸的閥門為了進氣沖程仍由3#凸輪開啟，7#氣缸的閥門32為了作功沖程仍關閉但即將用3#凸輪打開開始排氣沖程。
圖2F示出凸輪盤82及氣缸組20轉動一圈的5/7(約257.1°)后凸輪面84與閥門32的相對位置，在此位置，1#氣缸的閥門32為了壓縮沖程關閉，2#氣缸的閥門32為了排氣沖程由1#凸輪打開，3#氣缸的閥門32為了作功沖程而關閉，4#氣缸的閥門32為了進氣沖程由2#凸輪打開，5#氣缸的閥門32為了作功沖程保持關閉，6#氣缸的閥門32為了進氣沖程仍由3#凸輪開啟，7#氣缸的閥門32為了排氣沖程仍由3#凸輪開啟。
圖2G示出凸輪盤82及氣缸組20轉動一圈的6/7(約308.6°)后凸輪面84與閥門的相對位置，在此位置，1#氣缸的閥門32為了壓縮沖程關閉且即將進入作功沖程，2#氣缸的閥門32為了進氣沖程由1#凸輪保持開啟，3#氣缸的閥門32為了作功沖程關閉，4#氣缸的閥門32為了進氣沖程由2#凸輪打開，5#氣缸的閥門32為了作功沖程保持關閉但即將為了排氣沖程用2#凸輪打開，6#氣缸的閥門32為了壓縮沖程現(xiàn)在關閉，7#氣缸的閥門32為了排氣沖程仍由3#凸輪保持開啟。
盡管已根據(jù)優(yōu)選實施例說明了本發(fā)明，但專業(yè)技術人員認識到，對形式和內(nèi)容可作改變而不脫離本發(fā)明的實質(zhì)與范圍，例如，對已根據(jù)四沖程內(nèi)燃機作了說明的本發(fā)明結構略加修改可使本設計的功能原理應用于二沖程的柴油機、蒸汽機或斯特林循環(huán)發(fā)動機。
權利要求
1.發(fā)動機，包括固定殼體；氣缸組，裝配到殼體中可繞縱向中心軸轉動，該氣缸組中有許多氣缸，平行于縱向中心軸但徑向不重合，每個氣缸有缸壁、進氣口、排氣口、控制進排氣口開閉的閥門組件、在氣缸內(nèi)可在高位與低位之間移動的話塞，及其內(nèi)端連接活塞并有外端的連桿；扭矩板，與連桿外端作有效連接，該扭矩板裝配在由連桿外端確定的扭矩面內(nèi)且可轉動，并與縱向中心軸的垂直平面形成一斜角，因此，隨著氣缸組轉動，在氣缸組轉一圈的第一部分中扭矩板順次引導活塞從高位運動到低位，然后在氣缸組轉動一圈的第二部分中按順序引導各活塞從低位向高位運動；及同步組件，有效地連接氣缸組及扭矩板，使氣缸組及扭矩板以同一速度轉動。
2.權利要求1的發(fā)動機，還包括供油裝量，有效地連接到殼體上且對應于氣缸組布置，當氣缸組繞縱向中心軸轉動時可按時控順序將燃料供入諸氣缸內(nèi)。
3.權利要求2的發(fā)動機，其特征在于，供油裝置供應可燃燃料，該發(fā)動機還包括點火裝置，按時控順序點燃各氣缸中的可燃燃料，從而迫使各活塞向低位運動并轉動氣缸組。
4.權利要求3的發(fā)動機，其特征在于，氣缸數(shù)為奇數(shù)，它們在氣缸組中彼此等距離隔開。
5.權利要求4的發(fā)動機，其特征在于，本發(fā)動機是四沖程發(fā)動機，每個發(fā)動機經(jīng)歷排氣沖程、進氣沖程，壓縮沖程和作功沖程，其中，發(fā)動機包括閥門組件的控制器，可按順序為了進氣沖程打開每一其它氣缸的進氣口，在進氣沖程中將可燃燃料按順序供給所述每一其它氣缸，每一其它氣缸中的對應活塞按順序從高位向低位運動時按順序關閉所述每一其它氣缸的排氣口和進氣口，在壓縮沖程中在所述每一其它氣缸中的可燃燃料隨著對應的活塞按順序從低位運動到高位而按順序受壓縮，為了作功沖程所述每一其它氣缸的排氣口及進氣口保持關閉，在作功沖程中點火裝置按順序點燃所述每一其它氣缸中的可燃燃料，迫使其中對應的活塞按順序從高位移向低位，為了排氣沖程所述每一其它氣缸的排氣口按順序打開，在排氣過程中隨著其中對應的活塞按順序從低位移向高位，燃燒過的氣體按順序從所述每一其它氣缸中按順序排出，其中，本四沖程運轉是在氣缸組轉動二整圈后在每一氣缸中完成的。
6.權利要求5的發(fā)動機，其特征在于，閥門組件包括一個閥門，可同時開啟進氣口與排氣口且可同時關閉進氣口與出氣口。
7.權利要求6的發(fā)動機，其特征在于閥門組件控制裝置包括一凸輪組件，其上的凸輪面的機械動作可打開和關閉每個氣缸的閥門。
8.權利要求1的發(fā)動機，還包括一具有機械執(zhí)行機構的閥門組件操縱裝置，可開閉每一氣缸的排氣口及進氣口，且有效地連接到氣缸組上，使機械執(zhí)行機構由氣缸組以不同于氣缸組速度驅動。
9.權利要求1的發(fā)動機，還包括空氣渦輪，裝配到固定殼體內(nèi)可轉動，能繞縱向中心軸旋轉而與氣缸組是否轉動無關，渦輪可供應增壓空氣到諸氣缸內(nèi)作燃燒，并可供應增壓空氣到氣缸外表面作冷卻。
10.權利要求1的發(fā)動機，還包括扭矩調(diào)節(jié)器，可在氣缸組轉動的同時使扭矩板以與縱向中心軸垂直面相對斜角為0°-90°時作運動，從而改變活塞排出量，進而改變發(fā)動機的潛在扭矩。
11.權利要求10的發(fā)動機，其特征在于，同步機構是一根軸，其一端連接沿縱向中心軸運動的氣缸組，另一端連接扭矩板，其中，當扭矩與縱向軸重直面之間的斜角改變時軸的長度可調(diào)。
12.權利要求1的發(fā)動機，其特征在于，每一連桿的內(nèi)端連接活塞且可沿球面轉動，其中，每一連桿的外端連接扭矩板且可沿球面運動。
13.權利要求1的發(fā)動機，還包括擺動裝置，可使扭矩板在氣缸組轉動時相對于扭矩面作上下運動，因此，活塞的沖程在選定的時控順序時降低或增加。
14.四沖程旋轉式發(fā)動機，有進氣沖程，壓縮沖程，作功沖程和排氣沖程四個沖程，該發(fā)動機包括固定殼體氣缸組，裝配到殼體內(nèi)可繞縱向中心軸轉動，該氣缸組的氣缸數(shù)為奇數(shù)且氣缸組平行于縱向中心線但在徑向隔開，每一氣缸有缸壁，控制進排氣口開關的閥門組件，在氣缸內(nèi)可在高位與低位之間運動的活塞，及其內(nèi)端連接活塞并有外端的連桿。扭矩板有效地連接連桿外端，該扭矩板安裝在由連桿外端確定的扭矩面中，可轉動，且與縱向中心軸的垂直面形成一斜角，因此，當氣缸組轉動時在轉動一圈的第一部分期間，扭矩板按順序將每個活塞從高位引導到低位，然后在氣缸組一轉的第二部分期間按順序將每個活塞從低位引導到高位。供油裝置，有效地連接殼體且相對于轉動的氣缸組定位，可隨活塞按順序從高位移向低位時氣缸轉第一圈的第一部分時將燃料供應到每個其它氣缸中，其中，在所述每一其它氣缸中的燃料在以后的活塞按順序從低位移向高位時氣缸組轉第一圈的第二部分期間受到壓縮；點火裝置，用于點燃在氣缸組第二圈的第一部分時每一其它氣缸內(nèi)的加壓燃料，從而使其中的活塞按順序從高位移向低位并使氣缸組進一步轉動，其中，在氣缸組轉第二圈的第二部分時燃燒完畢的氣體按順序通過每一其它氣缸的排氣口排出；及因此，四沖程發(fā)動機的運轉對所有所述奇數(shù)個氣缸均在氣缸組作二整圈轉動的過程中完畢。
15.權利要求14的發(fā)動機，。還包括同步構件，可靠地連接氣缸組及扭矩板，使氣缸組與扭矩板同速轉動。
16.權利要求14的發(fā)動機，還包括閥門組件控制裝置，用于排氣沖程及進氣沖程在氣缸組轉一圈時按順序將所述每一其它氣缸中的進氣口和排氣口按順序打開，并用于壓縮沖程及作功沖程在氣缸組隨后的轉動中將所述每一其它氣缸的進氣口及排氣口按順序關閉。
17.權利要求14的發(fā)動機，還包括機械執(zhí)行機構，可控制每一氣缸排氣與進氣口的開閉，該機械執(zhí)行機構有效地連接氣缸組，使氣缸組以其自身轉速不同的速度驅動機械執(zhí)行機構。
18.權利要求14的發(fā)動機，其特征在于，固定殼體包括進氣孔，與每一氣缸的進氣口相對配置，使從中的供油僅當轉在一圈的第一部分且僅當閥門打開時進入進氣口，且其中，固定殼體還包括排氣孔與每一氣缸的排氣口相對配置，使僅當轉在一圈第二部分及僅當閥門打開時燃燒過的氣體才排出排氣口。
19.權利要求14的發(fā)動機，還包括空氣渦輪，安裝在固定殼體內(nèi)可繞縱向中心軸轉動，且與氣缸組是否轉動無關，可供應增壓空氣到諸氣缸中作燃燒，且可供應增壓空氣到氣缸外表面作冷卻。
20.權利要求14的發(fā)動機，還包括扭矩調(diào)節(jié)裝置，可在氣缸體轉動時改變扭矩板與縱向中心軸垂直面之間的斜角，在0°-90°范圍內(nèi)變化，以便改變氣缸內(nèi)活塞的位移，從而改變發(fā)動機潛在扭矩。
21.權利要求20的發(fā)動機，其特征在于，扭矩調(diào)節(jié)裝置與供油裝置密切相關，使供應的燃料越多則斜角越大，且供應的燃料越少，斜角越小。
全文摘要
發(fā)動機(10)包括固定殼體(18)；氣缸組(20)，裝配到殼體(18)上且可繞縱向中心軸線轉動，該氣缸組(20)具有多個氣缸(28)，它們平行于縱向中心軸線但與其徑向隔開，每個氣缸(28)有缸壁、進氣口、排氣口、控制進氣口與排氣口開閉的閥門組件(32)，在氣缸(28)中可在高位與低位之間移動的活塞(30)、以及連桿(40)，連桿(20)的內(nèi)端連接活塞(30)，而外端有效地連接扭矩板(120、220)，該扭矩板(120、220)裝配到由連桿(40)的外端確定的扭矩面中且可轉動且與縱向中心軸線的垂直面形成斜角，從而在氣缸組(20)轉動時在其轉一轉圈的第一部分中扭矩板(120，220)按順序引導每個活塞(30)從高位運動到低位，隨后在氣缸組(20)轉一圈的第二部分中按順序引導每個活塞(30)從低位到高位；還包括一同步構件(154)，有效地連接氣缸組(20)及扭矩板(120、220)，使氣缸組(20)及扭矩板(120、220)以同樣速度旋轉。
文檔編號F02B75/32GK1612975SQ03801995
公開日2005年5月4日 申請日期2003年1月8日 優(yōu)先權日2002年1月8日
發(fā)明者道格拉斯·馬歇爾·約翰斯 申請人:道格拉斯·馬歇爾·約翰斯