專利名稱：旋轉(zhuǎn)壓縮機(jī)和膨脹機(jī)以及使用了它們的轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于彈性流體的壓縮或膨脹的裝置。本發(fā)明更具體但非排他地涉及用于氣體的壓縮或膨脹的旋轉(zhuǎn)裝置，以及包括有該裝置的轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)。
在很多種裝置中都會(huì)發(fā)生氣體的壓縮或膨脹。眾所周知的例子包括泵、壓縮機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)、排氣機(jī)以及轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)和水力發(fā)動(dòng)機(jī)，所有這些均包括用來壓縮或膨脹氣體的某些形式的裝置。本發(fā)明涵括所有這些裝置。
如上所述，壓縮機(jī)是眾所周知的裝置。一種類型的壓縮機(jī)是往復(fù)式壓縮機(jī)。往復(fù)式壓縮機(jī)具有能夠在高壓下工作的優(yōu)點(diǎn)。然而，往復(fù)式壓縮機(jī)具有很多個(gè)運(yùn)動(dòng)部件，因此是比較復(fù)雜的裝置。另一種類型的壓縮機(jī)即羅茨壓縮機(jī)具有旋轉(zhuǎn)式而非往復(fù)式運(yùn)動(dòng)，其所得到的簡單性意味著它具有較少的運(yùn)動(dòng)部件并且是可靠的。然而，這類壓縮機(jī)具有其缺點(diǎn)。一項(xiàng)這種缺點(diǎn)在于，它依靠“背壓”來增大所泵送氣體的壓力。這意味著在低壓輸入氣體接觸到壓縮機(jī)內(nèi)的高壓氣體并與之混合之前不會(huì)對(duì)低壓輸入氣體進(jìn)行壓縮。這一不可逆的過程缺乏效率，并且會(huì)導(dǎo)致較高的驅(qū)動(dòng)功率要求和增大的空氣出口溫度。
另一種類型的旋轉(zhuǎn)壓縮機(jī)即利肖姆壓縮機(jī)采用內(nèi)部壓縮來克服由“背壓”所引起的問題。通常來說，這些壓縮機(jī)的效率高得多。然而，它們的性能在很大程度上取決于在運(yùn)動(dòng)零件之間保持非常小的間隙，因此帶來了顯著的制造問題。零件之間的不良密封導(dǎo)致了氣體的反向泄漏，限制了使用單個(gè)壓縮機(jī)所能得到的壓力。
上述類型的壓縮機(jī)用于內(nèi)燃機(jī)中。特別是，羅茨式、單螺桿式或利肖姆式旋轉(zhuǎn)壓縮機(jī)與相應(yīng)的膨脹機(jī)裝置一起用于轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)中，該膨脹機(jī)裝置允許在熱高壓氣體的膨脹期間抽取功。與旋轉(zhuǎn)壓縮機(jī)相似，轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)具有更少一些的運(yùn)動(dòng)部件，因此比其往復(fù)式的等同物更加可靠。其生產(chǎn)和維修成本也較低。通常來說，與往復(fù)式發(fā)動(dòng)機(jī)相比，轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)的噪音更小，可以實(shí)現(xiàn)每秒更多的燃燒循環(huán)，因此導(dǎo)致了更優(yōu)越的動(dòng)力重量比。
大多數(shù)旋轉(zhuǎn)式內(nèi)燃機(jī)的理想循環(huán)是奧托循環(huán)。奧托循環(huán)的一項(xiàng)缺點(diǎn)在于，可從熱高壓氣體中抽取的功的量受到了限制，這是因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)的膨脹比無法超過其壓縮比。如果可以進(jìn)一步膨脹到環(huán)境壓力下，那么奧托循環(huán)的等熵膨脹步驟結(jié)束時(shí)的氣體可以做更多的功。在稱為Atkinson-Miller循環(huán)的理想循環(huán)中可以克服這一缺點(diǎn)。Atkinson-Miller循環(huán)允許到環(huán)境壓力的等熵膨脹，因此允許不同的壓縮比和膨脹比。已經(jīng)提出了許多種采用Atkinson-Miller循環(huán)的內(nèi)燃機(jī)。然而，這些發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)通常具有許多運(yùn)動(dòng)部件，或者使用了難加工的部件。有利的轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)高壓縮比，使得它們可用于壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)如柴油發(fā)動(dòng)機(jī)。轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力輸出應(yīng)當(dāng)是平穩(wěn)且連續(xù)的，只有很少的波動(dòng)。噪音和機(jī)械磨損應(yīng)當(dāng)降至最小。
已經(jīng)知道有多種單螺桿式轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)，其中壓縮和膨脹在形成于可旋轉(zhuǎn)塊體的表面中的螺旋形通道內(nèi)進(jìn)行。螺旋通道、圍繞著密封了螺旋通道的可旋轉(zhuǎn)塊體的表面以及具有可與螺旋通道相嚙合的齒或葉片的輪件形成了單獨(dú)的工作腔。例如，GB653185公開了一種轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)，其中通常提供具有變化深度的螺旋通道來實(shí)現(xiàn)壓縮和膨脹，并且輪件的齒或葉片的變化部分限定了工作腔。在GB653185所公開的發(fā)動(dòng)機(jī)中，齒尖或葉尖保持在通道內(nèi)，并且齒或葉片總是與工作腔中的氣體接觸。另外，輪件的齒或葉片的形狀不會(huì)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮比或膨脹比帶來顯著影響，壓縮和膨脹可在發(fā)動(dòng)機(jī)的不同部分中進(jìn)行。
US3862623和US3897756公開了一種轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)，其中在每次循環(huán)期間可旋轉(zhuǎn)塊體僅圍繞其軸線旋轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)的一部分，并且壓縮和膨脹在旋轉(zhuǎn)輪的齒或葉片上進(jìn)行。在這些發(fā)動(dòng)機(jī)中，通道的深度并不改變，因此必須有兩個(gè)不同的工作腔分別用于壓縮和膨脹。
US4003348、US4005682和US4013046公開了具有不同的壓縮比和膨脹比的轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)。然而為了控制燃料和空氣流，它們具有復(fù)雜形狀的通道，其存在明顯的制造問題。US4013046公開了一種轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)，其中在每次循環(huán)期間打開和關(guān)閉氣門，以便控制氣體的流動(dòng)。
US2674982、US3208437、US3060910、US3221717和US3205874公開了一些轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)，其中通過互相嚙合的帶有齒或葉片的輪件而限定了工作腔。然而在這些發(fā)動(dòng)機(jī)中，工作腔首先由一個(gè)輪件限定，然后由另一輪件限定，因此需要密封超過一個(gè)旋轉(zhuǎn)部件。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了可與可壓縮流體一起使用的旋轉(zhuǎn)裝置，該裝置包括安裝成可圍繞第一軸線旋轉(zhuǎn)的第一旋轉(zhuǎn)件，以及具有封閉了第一旋轉(zhuǎn)件的至少一部分的表面的外殼，在第一旋轉(zhuǎn)件的表面和該外殼表面之間限定了具有變化截面積的細(xì)長空腔，該旋轉(zhuǎn)裝置還包括多個(gè)安裝成可圍繞相應(yīng)的第二軸線旋轉(zhuǎn)的第二旋轉(zhuǎn)件，各第二旋轉(zhuǎn)件安裝成穿過外殼表面而伸出，并與第一旋轉(zhuǎn)件的表面配合而將空腔分成相鄰的工作部分，至少一個(gè)工作部分限定了用于裝置的一部分循環(huán)的封閉體積，工作部分的體積隨著第一和第二旋轉(zhuǎn)件旋轉(zhuǎn)而變化，其中，各第二旋轉(zhuǎn)件均包括多個(gè)突出部分，它們具有圍繞相應(yīng)的第二軸線為變化的半徑，使得各突出部分以變化的量穿過外殼伸入到空腔中以便與第一旋轉(zhuǎn)件表面配合。
第一旋轉(zhuǎn)件和各個(gè)第二旋轉(zhuǎn)件具有可變的半徑。因此，具有恒定半徑的外殼表面以及第一旋轉(zhuǎn)件表面限定了圍繞第一軸線延伸的空腔。當(dāng)?shù)谝恍D(zhuǎn)件圍繞第一軸線旋轉(zhuǎn)時(shí)，空腔也圍繞第一軸線旋轉(zhuǎn)。各第二旋轉(zhuǎn)件穿過外殼表面而伸出。當(dāng)各第二旋轉(zhuǎn)件旋轉(zhuǎn)時(shí)，它們穿過外殼表面而伸出的量也變化。實(shí)際上，第一旋轉(zhuǎn)件和各個(gè)第二旋轉(zhuǎn)件的旋轉(zhuǎn)是協(xié)同的，使得它們嚙合在一起而提供了密封。因此，各第二旋轉(zhuǎn)件限定了空腔的多個(gè)工作部分。工作部分還可由第一旋轉(zhuǎn)件在其半徑最大的部分處通過提供與外殼的密封來限定。當(dāng)空腔圍繞第一軸線旋轉(zhuǎn)時(shí)，空腔工作部分的體積也變化，因此在其中提供了流體的壓縮或膨脹。
因此，旋轉(zhuǎn)壓縮機(jī)或膨脹機(jī)或者采用了它們的轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)可實(shí)現(xiàn)為具有多種所需的品質(zhì)，同時(shí)制造和使用簡便。旋轉(zhuǎn)裝置依賴于內(nèi)部壓縮，因而避免了與“背壓”有關(guān)的缺點(diǎn)如效率不足。同時(shí)，設(shè)計(jì)的簡單性允許在旋轉(zhuǎn)裝置的不同零件之間實(shí)現(xiàn)有效的密封，因此避免了制造的復(fù)雜性以及其它與已知的內(nèi)部壓縮旋轉(zhuǎn)裝置有關(guān)的問題。
優(yōu)選的是，第一和第二旋轉(zhuǎn)件均包括多個(gè)整體段，它們均具有不同的半徑。
優(yōu)選的是，第二旋轉(zhuǎn)件圍繞著外殼表面分布，各個(gè)第二旋轉(zhuǎn)件安裝成可圍繞垂直于第一軸線和外殼表面的半徑的相應(yīng)軸線旋轉(zhuǎn)。這樣就限定了空腔的多個(gè)工作部分，在每個(gè)工作部分中，壓縮和/或膨脹過程可同時(shí)進(jìn)行。
第一旋轉(zhuǎn)件可以處于外殼表面之內(nèi)，而多個(gè)第二旋轉(zhuǎn)件可以處于外殼表面之外。在這種情況下，第一旋轉(zhuǎn)件將是大致圓柱形的?；蛘?，第一旋轉(zhuǎn)件可以處于外殼表面之外，而多個(gè)第二旋轉(zhuǎn)件可以處于外殼表面之內(nèi)。在這種情況下，第一旋轉(zhuǎn)件將基本上采用環(huán)體的形式。
旋轉(zhuǎn)裝置可以是旋轉(zhuǎn)壓縮機(jī)或旋轉(zhuǎn)膨脹機(jī)。對(duì)于壓縮機(jī)來說，第一旋轉(zhuǎn)件和多個(gè)第二旋轉(zhuǎn)件中的每一個(gè)的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致空腔的各工作部分的體積在各循環(huán)期間減小。對(duì)于膨脹機(jī)來說，第一旋轉(zhuǎn)件和多個(gè)第二旋轉(zhuǎn)件中的每一個(gè)的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致空腔的各工作部分的體積在各循環(huán)期間增大。
旋轉(zhuǎn)裝置可以是在進(jìn)行壓縮后進(jìn)行膨脹的轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)。在這種情況下，第一旋轉(zhuǎn)件和多個(gè)第二旋轉(zhuǎn)件中的每一個(gè)的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致空腔工作部分的體積在各循環(huán)期間先減小，然后增大。由于壓縮和膨脹由第一旋轉(zhuǎn)件表面的不同部分來進(jìn)行，因此可以實(shí)現(xiàn)具有不同壓縮比和膨脹比的發(fā)動(dòng)機(jī)。
優(yōu)選的是，轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)還包括點(diǎn)火裝置，用于在膨脹前點(diǎn)燃?jí)嚎s流體。例如，點(diǎn)火裝置可包括火花塞。這樣，當(dāng)空腔工作部分內(nèi)的氣體處于最大壓力下時(shí)，可能會(huì)引發(fā)壓力突增。例如，如果氣體是燃料和氧氣的混合物，那么火花塞可能會(huì)如同傳統(tǒng)汽油發(fā)動(dòng)機(jī)一樣引發(fā)燃燒?；蛘?，如果氣體包括非常高壓的氧氣，那么燃料自身的注射可能會(huì)如同傳統(tǒng)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)一樣引發(fā)燃燒。可以使用會(huì)導(dǎo)致壓力突增的其它手段，例如注射小體積的高壓低溫氣體。壓力突增允許在膨脹期間抽取的功多于在壓縮時(shí)用掉的功，從而為發(fā)動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力。
優(yōu)選的是，第一旋轉(zhuǎn)件還包括至少一個(gè)用于流體入口或流體出口的通道。第一旋轉(zhuǎn)件甚至可包括用于流體入口和流體出口的通道。這樣，流體可被抽取或被壓迫到空腔工作部分中，或者從空腔工作部分中排出或釋放出來。
外殼還可包括至少一個(gè)側(cè)閥，該至少一個(gè)側(cè)閥中的每一個(gè)僅當(dāng)相鄰于空腔工作部分時(shí)才作為流體入口或流體出口來工作，對(duì)于裝置的一部分循環(huán)來說，該至少一個(gè)側(cè)閥中的每一個(gè)均相鄰于空腔的工作部分。因此，旋轉(zhuǎn)裝置設(shè)計(jì)成使得包含側(cè)閥的外殼區(qū)域僅在需要流體入口或流體出口時(shí)才形成了空腔工作部分的邊界。
優(yōu)選的是，可操作該至少一個(gè)側(cè)閥中的每一個(gè)來改變流體到空腔工作部分中的流率，改變空腔工作部分內(nèi)的流體壓力，或者改變旋轉(zhuǎn)裝置的壓縮比或膨脹比。因此，側(cè)閥可提供控制旋轉(zhuǎn)裝置操作的方式。
優(yōu)選的是，采用閉環(huán)反饋控制來控制該至少一個(gè)側(cè)閥中的每一個(gè)的操作，該閉環(huán)反饋控制基于例如流體入口壓力、流體出口壓力和旋轉(zhuǎn)速度的操作參數(shù)。這樣，多個(gè)參數(shù)可保持在穩(wěn)態(tài)下。
本發(fā)明還提供了一種包括兩個(gè)上述旋轉(zhuǎn)裝置的旋轉(zhuǎn)裝置。這樣，相應(yīng)的第二旋轉(zhuǎn)件可設(shè)置成使得第一旋轉(zhuǎn)件上的凈力最小。例如，這可通過在整體式第一旋轉(zhuǎn)件的相對(duì)側(cè)上為各旋轉(zhuǎn)裝置提供第二旋轉(zhuǎn)件來實(shí)現(xiàn)。
下面將參考附圖并借助示例來介紹本發(fā)明

圖1和2顯示了分別處于第一和第二位置的根據(jù)本發(fā)明的第一轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)的截面；圖3顯示了根據(jù)本發(fā)明的第一轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)的第二旋轉(zhuǎn)件的側(cè)面輪廓；圖4和5顯示了處于第三和第四位置的根據(jù)本發(fā)明的第一轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)的截面；圖6顯示了根據(jù)本發(fā)明的第二轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)的截面；圖7顯示了根據(jù)本發(fā)明的第三轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)的截面；圖8和9顯示了根據(jù)本發(fā)明的第四轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)的截面；圖10到14顯示了分別處于第一到第五位置的根據(jù)本發(fā)明的第五轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)的截面；圖15和16顯示了分別處于第六和第七位置的根據(jù)本發(fā)明的第五轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)的第一旋轉(zhuǎn)件的表面；圖17顯示了根據(jù)本發(fā)明的第六轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)的第一旋轉(zhuǎn)件的表面；圖18顯示了根據(jù)本發(fā)明的第七轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)的截面；圖19顯示了根據(jù)本發(fā)明的第八轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)的截面；
圖20到27顯示了分別處于第一到第八位置的根據(jù)本發(fā)明的第八轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)的截面；圖28和29顯示了分別處于第一和第二位置的根據(jù)本發(fā)明的第九轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)的截面；圖30顯示了根據(jù)本發(fā)明的第九轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)的第一旋轉(zhuǎn)件的表面；圖31顯示了根據(jù)本發(fā)明的第一壓縮機(jī)的截面；圖32和33顯示了分別處于第一到第三位置的根據(jù)本發(fā)明的第一壓縮機(jī)的第一旋轉(zhuǎn)件的表面；圖34顯示了根據(jù)本發(fā)明的第二壓縮機(jī)的第一旋轉(zhuǎn)件的表面；圖35顯示了根據(jù)本發(fā)明的第三壓縮機(jī)的截面；圖36顯示了根據(jù)本發(fā)明的第三壓縮機(jī)的第一旋轉(zhuǎn)件的表面；圖37顯示了根據(jù)本發(fā)明的第十轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)的截面；圖38和39分別顯示了根據(jù)本發(fā)明的第十一和第十二轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)的截面；圖40顯示了根據(jù)本發(fā)明的第十三轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)的第二旋轉(zhuǎn)件的側(cè)面輪廓；圖41顯示了根據(jù)本發(fā)明的第十四轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)的截面；圖42、43、44和45顯示了如圖1到41所示第二旋轉(zhuǎn)件的特征；和圖46顯示了如圖1到41所示裝置的特征。
應(yīng)當(dāng)理解，所有圖都是示意性的，因此未按比例繪制。例如為了清楚起見，一些尺寸已被放大。
圖1到5顯示了根據(jù)本發(fā)明的第一轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)。第一轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)包括第一旋轉(zhuǎn)件1、外殼2、三個(gè)第二旋轉(zhuǎn)件3a，3b，3c、三個(gè)火花塞8a，8b，8c以及動(dòng)力輸出軸(未示出)。
第一旋轉(zhuǎn)件1安裝成可圍繞第一軸線6旋轉(zhuǎn)。第一旋轉(zhuǎn)件1是大致圓柱形的材料塊，但在半徑方面具有較大的變化。第一旋轉(zhuǎn)件1由鋼制成，然而本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以理解，它也可有利地由其它材料制成。本領(lǐng)域的技術(shù)人員也將知道用于第一轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)的其它所述部件的適當(dāng)材料。
大致圓柱形的第一旋轉(zhuǎn)件1基本上由具有不同半徑的四個(gè)段形成密封段1a、壓縮段1b、燃燒段1c和膨脹段1d。密封段1a圍繞第一軸線6跨過一個(gè)非常小的角度，然而卻具有最大的半徑。壓縮段1b、燃燒段1c和膨脹段1d均圍繞第一軸線6跨過稍小于120°的角度。
在旋轉(zhuǎn)期間，密封段1a之后是壓縮段1b，之后是燃燒段1c，再后是膨脹段1d。燃燒段1c的半徑稍小于密封段1a的半徑。壓縮段1b的半徑小于燃燒段1c。膨脹段1d的半徑小于壓縮段1b。第一旋轉(zhuǎn)件1還包括相鄰于密封段1a的流體入口通道4和流體出口通道9。
外殼2包括恒定半徑的大致圓柱形表面，其以第一軸線6為中心并且部分地封閉了第一旋轉(zhuǎn)件1。外殼2還具有端壁2a，其可阻止第一旋轉(zhuǎn)件1沿第一軸線6軸向運(yùn)動(dòng)。端壁2a還在外殼2和第一旋轉(zhuǎn)件1的端部之間提供了密封。
在第一旋轉(zhuǎn)件1和外殼2之間限定了空腔5a，5b，5c?？涨?a，5b，5c的截面積取決于第一旋轉(zhuǎn)件1的半徑而圍繞第一軸線6變化。例如，空腔的截面積在其相鄰于燃燒段1c之處較小，而空腔的截面積在其相鄰于膨脹段1d之處較大。在第一旋轉(zhuǎn)件1的密封段1的附近不存在空腔。作為替代，密封段1a與外殼2接觸以提供密封。密封段1a還形成了空腔5a，5b，5c的起始部和終止部。在第一旋轉(zhuǎn)件1的旋轉(zhuǎn)期間，空腔5a，5b，5c也旋轉(zhuǎn)。
三個(gè)第二旋轉(zhuǎn)件3a，3b，3c均以圍繞第一軸線6為120°的間隔而安裝在外殼2的周圍。第二旋轉(zhuǎn)件3a，3b，3c全都安裝成離外殼2的端部為相同的軸向距離。第二旋轉(zhuǎn)件3a，3b，3c均安裝成可圍繞垂直于第一軸線6和第一旋轉(zhuǎn)件1的半徑的相應(yīng)軸線旋轉(zhuǎn)。在第二旋轉(zhuǎn)件3a，3b，3c的旋轉(zhuǎn)期間，它們均以變化的量穿過外殼2而伸入到空腔5a，5b，5c中。在各個(gè)第二旋轉(zhuǎn)件3a，3b，3c和外殼2之間形成了密封。
圖3顯示了第二旋轉(zhuǎn)件3a，3b，3c中的一個(gè)的側(cè)面輪廓以及第二旋轉(zhuǎn)件繞其旋轉(zhuǎn)的軸線7。圖4和5顯示了發(fā)動(dòng)機(jī)的垂直于軸線7的截面。圖4和5清楚地顯示了外殼2的端壁2a以及圓柱形表面。從圖3中可以看到，與第一旋轉(zhuǎn)件1相同，各個(gè)第二旋轉(zhuǎn)件3a，3b，3c基本上由具有不同半徑的四個(gè)段形成。第二旋轉(zhuǎn)件3a，3b，3c的各個(gè)段的半徑設(shè)計(jì)成使得在操作中，各第二旋轉(zhuǎn)件的各段與第一旋轉(zhuǎn)件1的不同段1a，1b，1c，1d配合操作，以便提供密封。因此，第二旋轉(zhuǎn)件3a，3b，3c限定了三個(gè)或四個(gè)空腔工作部分。
第二旋轉(zhuǎn)件3a，3b，3c是薄的平面部件。然而從圖1和2中可以看到，并且本領(lǐng)域的技術(shù)人員也可以理解，它們必須要有一定的厚度，以便在操作期間承受施加在第二旋轉(zhuǎn)件3a，3b，3c上的力。本領(lǐng)域的技術(shù)人員還將理解，第二旋轉(zhuǎn)件3a，3b，3c的形狀必須設(shè)計(jì)成可與第一旋轉(zhuǎn)件1形成良好的密封。各個(gè)第二旋轉(zhuǎn)件3a，3b，3c被驅(qū)動(dòng)而以與第一旋轉(zhuǎn)件相同的角速度旋轉(zhuǎn)。本領(lǐng)域的技術(shù)人員已公知多種可在與第一旋轉(zhuǎn)件相同的角速度下驅(qū)動(dòng)第二旋轉(zhuǎn)件3a，3b，3c的多種機(jī)構(gòu)。例如，這些零件可通過齒輪連接在一起。
火花塞8a，8b，8c均以圍繞第一軸線6為120°的間隔安裝在外殼2上，并且處于第二旋轉(zhuǎn)件3a，3b，3c的中間?；鸹ㄈ?a，8b，8c與外殼表面平齊，因此它們不會(huì)突入到空腔中。本領(lǐng)域的技術(shù)人員將知道用于操作火花塞的裝置(未示出)。
在使用中，第一旋轉(zhuǎn)件圍繞第一軸線6旋轉(zhuǎn)。參見圖1和4，當(dāng)?shù)谝恍D(zhuǎn)件1旋轉(zhuǎn)時(shí)，汽化燃料形式的氣體和氧氣經(jīng)由流體入口通道4被抽入到第一轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)中。氣體被抽入到限定在第一旋轉(zhuǎn)件1的密封段1a和第二旋轉(zhuǎn)件3a之間的空腔工作部分中。該工作空腔隨第一旋轉(zhuǎn)件1的旋轉(zhuǎn)而膨脹，因而形成了可抽入氣體的真空。
圖2顯示了相比于圖1而言第一旋轉(zhuǎn)件1推進(jìn)了60°的第一轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)。第一旋轉(zhuǎn)件1的密封段1a此時(shí)旋轉(zhuǎn)到第二旋轉(zhuǎn)件3c處。因此，此時(shí)在第二旋轉(zhuǎn)件3a和3c之間限定了空腔工作部分。流體入口通道4即將旋轉(zhuǎn)經(jīng)過第二旋轉(zhuǎn)件3c，因此導(dǎo)致已被抽入到轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)中的氣體被完全封閉。
第一旋轉(zhuǎn)件1的進(jìn)一步旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致燃燒段1c開始旋轉(zhuǎn)到限定在第二旋轉(zhuǎn)件3a和3c之間的空腔工作部分中。燃燒段1c的比壓縮段1b更大的半徑導(dǎo)致空腔工作部分的體積減少。由于空腔工作部分被完全封閉，因此氣體的壓力增大。氣體壓力持續(xù)增大，直到空腔工作部分的體積達(dá)到最小值為止。當(dāng)?shù)谝恍D(zhuǎn)件1的燃燒段1c已經(jīng)完全旋轉(zhuǎn)經(jīng)過第二旋轉(zhuǎn)件3a時(shí)，就達(dá)到了該最小體積。
在該位置處，空腔工作部分內(nèi)的壓縮氣體由火花塞8c點(diǎn)燃。氣體的燃燒導(dǎo)致了壓力突增。
第一旋轉(zhuǎn)件1的進(jìn)一步旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致膨脹段1d開始旋轉(zhuǎn)到限定在第二旋轉(zhuǎn)件3a和3c之間的空腔工作部分中。膨脹段1d的比燃燒段1c更小的半徑導(dǎo)致空腔工作部分的體積增加。該高壓氣體在其膨脹時(shí)做功，因而為發(fā)動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力。氣體持續(xù)做功，直到第一旋轉(zhuǎn)件1的膨脹段1d已經(jīng)完全旋轉(zhuǎn)經(jīng)過第二旋轉(zhuǎn)件3a時(shí)為止。由于第一旋轉(zhuǎn)件1的壓縮段1b和膨脹段1d具有不同的半徑，因此第一轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮比和膨脹比不同。因此，本發(fā)明允許使用高效率的Atkinson-Miller循環(huán)。
最后，密封段1a開始旋轉(zhuǎn)到限定在第二旋轉(zhuǎn)件3a和3c之間的空腔工作部分中。廢氣被迫經(jīng)流體出口通道9排出，當(dāng)新鮮氣體經(jīng)由流體入口通道4而抽入到空腔工作部分中時(shí)，新的循環(huán)開始。
在發(fā)動(dòng)機(jī)的操作期間，上述壓縮-燃燒-膨脹循環(huán)也在限定于第二旋轉(zhuǎn)件3a和3b以及3b和3c之間的工作空腔內(nèi)同時(shí)進(jìn)行。動(dòng)力可經(jīng)由與第一旋轉(zhuǎn)件1相連的動(dòng)力輸出軸(未示出)從第一轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)中輸出。
圖6顯示了根據(jù)本發(fā)明的第二轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)。在該轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)中，執(zhí)行與如圖1到5所示的相同功能的部件采用了相同的標(biāo)號(hào)。第二轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)具有環(huán)形的第一旋轉(zhuǎn)件1，其安裝在外殼2之外。在外殼2內(nèi)安裝了三個(gè)第二旋轉(zhuǎn)件3a，3b，3c。第二轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)以與第一轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)相同的方式工作，其中壓縮-燃燒-膨脹循環(huán)在限定于相鄰第二旋轉(zhuǎn)件之間的空腔工作部分內(nèi)同時(shí)進(jìn)行。
圖7顯示了根據(jù)本發(fā)明的第三轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)。在該第三轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)中，第一旋轉(zhuǎn)件1是大致圓柱形的。然而，密封段1a、壓縮段1b、燃燒段1c和膨脹段1d均在平行于第一軸線6的方向上突出。因此，包括端壁2a的外殼2采用了圍繞第一軸線6延伸且具有槽形截面的環(huán)體的形式。然而，第三轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)仍以與第一和第二轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)類似的方式工作。第三轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)優(yōu)選還允許在第一旋轉(zhuǎn)件的一側(cè)中結(jié)合冷卻翅片。第一旋轉(zhuǎn)件的其它設(shè)置對(duì)本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說也是顯而易見的。
在第三轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)中，外殼2的端壁不平行，而是相互間形成了角θ。角θ是由外殼端壁2a的內(nèi)表面所限定的圍繞著第二旋轉(zhuǎn)件的中心的角。在使用中，當(dāng)空腔工作部分的體積處于最小值時(shí)，限定了工作部分的各第二旋轉(zhuǎn)件的段必須同時(shí)至少以角θ伸入到外殼中。在采用了三個(gè)第二旋轉(zhuǎn)件的第三轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)中，各第二旋轉(zhuǎn)件存在120°角的異相。因此，對(duì)應(yīng)于第一旋轉(zhuǎn)件的燃燒段的第二旋轉(zhuǎn)件的段必須跨過120°+θ的角。
由于角θ更小一些，因此圖7所示外殼2的端壁2a提供了比圖4和5所示更有效的設(shè)置。
在如圖4、5和7所示的轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)中，角θ必須比較小，因此，一旦第二旋轉(zhuǎn)件的段旋轉(zhuǎn)到外殼2達(dá)角θ以形成密封并限定了兩個(gè)空腔工作部分，那么就可以保持密封，直到與之相互配合的第一旋轉(zhuǎn)件1的段已經(jīng)旋轉(zhuǎn)過去為止。這便限制了空腔的尺寸，因而限制了發(fā)動(dòng)機(jī)可產(chǎn)生的動(dòng)力。
圖8和9顯示了可克服上述問題的根據(jù)本發(fā)明的第四轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)。第四轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)中的角θ比第一到第三轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)中的更大。角θ的這種增大可通過修改構(gòu)成了第一旋轉(zhuǎn)件1和各個(gè)第二旋轉(zhuǎn)件3a，3b，3c的段來實(shí)現(xiàn)。在第四轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)中，與第一旋轉(zhuǎn)件的燃燒段1c配合操作的各個(gè)第二旋轉(zhuǎn)件的段跨過了θ+120°的角。這就保證了可在第一旋轉(zhuǎn)件的燃燒段1c和相關(guān)第二旋轉(zhuǎn)件之間形成密封達(dá)足夠的持續(xù)時(shí)間。為了容納這一額外的跨距，與第一旋轉(zhuǎn)件1的壓縮段1b配合操作的各個(gè)第二旋轉(zhuǎn)件的段的跨距減小。然而，該段的半徑增大以補(bǔ)償跨距的減小。這還伴隨有第一旋轉(zhuǎn)件1的壓縮段1b的相應(yīng)的跨距減小和半徑減小。
當(dāng)氣體被抽入到第四轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)中時(shí)，它們被抽入到相鄰于第一旋轉(zhuǎn)件1的壓縮段1b的空腔工作部分中。雖然這個(gè)段比第一到第三轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)中的第一旋轉(zhuǎn)件1跨過更小的角，然而緊接于壓縮之前的空腔工作部分的體積是相似的，因?yàn)閴嚎s段1b的半徑更小，因此給出了更大的空腔截面積。
圖10到16顯示了根據(jù)本發(fā)明的第五轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)。與第四轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)相同，第一旋轉(zhuǎn)件1的壓縮段和膨脹段的半徑相同。壓縮段和膨脹段也跨過不同的角。
在圖10中，第一旋轉(zhuǎn)件1的密封段的終端剛剛旋轉(zhuǎn)經(jīng)過第二旋轉(zhuǎn)件3a，因此氣體開始經(jīng)由開口而被抽入到空腔工作部分中，該開口處于與第一旋轉(zhuǎn)件1的壓縮段1b配合操作的第二旋轉(zhuǎn)件3a的段的附近。
在圖11中，發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)一步旋轉(zhuǎn)。氣體仍被抽入到發(fā)動(dòng)機(jī)中，然而這并未示出。與第一旋轉(zhuǎn)件1的壓縮段配合操作的第二旋轉(zhuǎn)件3a的段此時(shí)已旋轉(zhuǎn)到第一旋轉(zhuǎn)件中，因此便形成了密封并限定了兩個(gè)空腔工作部分。
在圖12中，發(fā)動(dòng)機(jī)幾乎旋轉(zhuǎn)到與第一旋轉(zhuǎn)件1的燃燒段配合操作。
在圖13中，發(fā)動(dòng)機(jī)已旋轉(zhuǎn)了另一個(gè)120度。在空腔工作部分的另一端，旋轉(zhuǎn)件處于如圖12所示的位置。氣體此時(shí)處于其最大壓縮下，并且進(jìn)行燃燒。
在圖14中，發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)一步旋轉(zhuǎn)。第二旋轉(zhuǎn)件3a此時(shí)與第一旋轉(zhuǎn)件1的膨脹段配合操作。因此，氣體在其膨脹時(shí)做功。
發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)一步旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致第二旋轉(zhuǎn)件3a回到圖10所示的位置，在此位置點(diǎn)處氣體完全膨脹。發(fā)動(dòng)機(jī)的更進(jìn)一步旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致廢氣被排出發(fā)動(dòng)機(jī)，如圖11所示。
圖15和16顯示了第五轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)的第一旋轉(zhuǎn)件1的表面。圖15和16還顯示了第二旋轉(zhuǎn)件3a，3b，3c的相對(duì)位置。在圖16中，第一旋轉(zhuǎn)件1相比于圖15已旋轉(zhuǎn)了60°。剖面區(qū)域顯示出限定了空腔的第一旋轉(zhuǎn)件1的表面，以及第二旋轉(zhuǎn)件3a，3b，3c的表面。
圖17顯示了根據(jù)本發(fā)明的第六轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)的第一旋轉(zhuǎn)件1的表面。圖17還顯示了第二旋轉(zhuǎn)件3的相對(duì)位置。第六轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)具有六個(gè)第二旋轉(zhuǎn)件3，它們在腔的六個(gè)工作部分內(nèi)進(jìn)行壓縮-燃燒-膨脹循環(huán)。設(shè)置六個(gè)第二旋轉(zhuǎn)件3允許它們中的一些定位在第一軸線6的相對(duì)側(cè)上，因此便平衡了燃燒期間所產(chǎn)生的力。這便減小了第一旋轉(zhuǎn)件1上的凈力，并且保證了第一旋轉(zhuǎn)件1的質(zhì)心處于第一軸線6上。
圖18顯示了根據(jù)本發(fā)明的第七轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)的截面。第七轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)也具有六個(gè)第二旋轉(zhuǎn)件3，其在腔的六個(gè)工作部分內(nèi)進(jìn)行壓縮-燃燒-膨脹循環(huán)。燃燒期間所產(chǎn)生的力通過將第二旋轉(zhuǎn)件3定位在第一旋轉(zhuǎn)件1的相對(duì)側(cè)上來實(shí)現(xiàn)。
圖19到27顯示了根據(jù)本發(fā)明的第八轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)的截面。第八轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)包括多個(gè)圍繞外殼2分布的第二旋轉(zhuǎn)件3。各個(gè)第二旋轉(zhuǎn)件3包括不同長度的兩瓣。當(dāng)?shù)诙D(zhuǎn)件3旋轉(zhuǎn)時(shí)，它們伸出到限定在第一旋轉(zhuǎn)件1和外殼2之間的空腔中。與第一到第七轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)不同，空腔的截面積在第一軸線6的周圍逐漸變化。
圖20到27顯示了在壓縮-燃燒-膨脹過程中的不同階段處的第八轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)。在圖20中，第二旋轉(zhuǎn)件3旋轉(zhuǎn)到它不會(huì)伸入到第一旋轉(zhuǎn)件1中的位置。在該位置中，在第一旋轉(zhuǎn)件1和外殼2之間形成了密封。該密封限定了在第一軸線6的周圍延伸的空腔的兩端，并且保證了被抽入空腔中的新鮮氣體不會(huì)與廢氣混合。
在圖21中，第一旋轉(zhuǎn)件1已旋轉(zhuǎn)到限定在第一旋轉(zhuǎn)件1和外殼2之間的空腔?？涨还ぷ鞑糠执藭r(shí)限定在由第一旋轉(zhuǎn)件1和外殼2所形成的密封與第二旋轉(zhuǎn)件3之間。氣體在膨脹時(shí)經(jīng)由流體入口通道4被抽入到空腔工作部分中，如箭頭所示。
發(fā)動(dòng)機(jī)繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，氣體被抽入到空腔內(nèi)，直到第二旋轉(zhuǎn)件3旋轉(zhuǎn)到圖22所示的位置為止。在該位置中，空腔工作部分限定在相鄰的第二旋轉(zhuǎn)件3之間。流體入口通道4旋轉(zhuǎn)離開空腔工作部分，此時(shí)其被完全封閉。
發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)一步旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致第二旋轉(zhuǎn)件進(jìn)一步旋轉(zhuǎn)，如圖23所示。在該位置中，空腔工作部分被壓縮，因此壓縮了包含在其中的氣體。
空腔工作部分繼續(xù)被壓縮，直到第二旋轉(zhuǎn)件3達(dá)到如圖24所示的位置為止。在該位置中，空腔工作部分的體積處于最小值，包含在其中的氣體已被壓縮。然后會(huì)引發(fā)氣體的燃燒，因而導(dǎo)致氣體壓力的進(jìn)一步增大。
發(fā)動(dòng)機(jī)的繼續(xù)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致空腔膨脹，如圖25所示。氣體在其膨脹時(shí)做功，動(dòng)力經(jīng)由與第一旋轉(zhuǎn)件相連的動(dòng)力輸出軸(未示出)從發(fā)動(dòng)機(jī)中輸出。
空腔工作部分中的氣體繼續(xù)膨脹，直到第二旋轉(zhuǎn)件3到達(dá)如圖26所示的位置。在該位置中，空腔工作部分的體積處于最大值。圖26所示的空腔截面積比圖22所示的更大。因此，發(fā)動(dòng)機(jī)的膨脹比大于其壓縮比。由于各個(gè)第二旋轉(zhuǎn)件3包括不同形狀的兩瓣，因此可以實(shí)現(xiàn)不同的膨脹比和壓縮比。在壓縮期間使用一個(gè)瓣，而在膨脹期間使用另一個(gè)瓣。
一旦氣體已經(jīng)完全膨脹，發(fā)動(dòng)機(jī)便繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，直到廢氣被排出，如圖27所示。在該位置中，第二旋轉(zhuǎn)件3已經(jīng)進(jìn)一步旋轉(zhuǎn)，使得空腔工作部分縮小。第一旋轉(zhuǎn)件1也已旋轉(zhuǎn)，使得流體出口通道暴露于空腔工作部分中。當(dāng)空腔工作部分縮小時(shí)，包含在其中的氣體經(jīng)由流體出口通道9從發(fā)動(dòng)機(jī)中排出，這樣就完成了轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)的循環(huán)。
圖28到30顯示了根據(jù)本發(fā)明的第九轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)。該第九轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)采用了滑閥10來控制其壓縮比?；y10位于外殼表面上的在氣體壓縮期間而不是在氣體膨脹期間限定了空腔工作部分的區(qū)域中。通過保證與第一旋轉(zhuǎn)件1的壓縮段配合操作的各個(gè)第二旋轉(zhuǎn)件的段具有最大的半徑，就可以實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。
為了阻止廢氣經(jīng)過滑閥10，可將流體出口通道9設(shè)置在第一旋轉(zhuǎn)件1內(nèi)，如圖29所示。在這一方面，第九轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)與根據(jù)本發(fā)明的其它轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)、例如圖11所示的第五發(fā)動(dòng)機(jī)不同。如圖29所示，第一旋轉(zhuǎn)件1的設(shè)計(jì)允許氣體在排放期間在限定于第二旋轉(zhuǎn)件3a的相對(duì)側(cè)上的空腔工作部分之間流動(dòng)，因此在空腔工作部分縮小時(shí)提供了氣體的逸出路徑。
圖30顯示了第九轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)的第一旋轉(zhuǎn)件1的表面，并且顯示出了第二旋轉(zhuǎn)件3a，3b，3c和滑閥10的相對(duì)位置。各閥10具有滑蓋11。圖30顯示了在滑閥10完全打開時(shí)滑蓋的位置。
滑閥10允許修改發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮-燃燒-膨脹循環(huán)。特別是，該循環(huán)可被修改成使得一些壓縮氣體在燃燒之前便從空腔工作部分中排出，因此便降低了發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮比。優(yōu)選的是，所排出的氣體將重新循環(huán)以便提高燃料效率。通過改動(dòng)滑閥10的打開程度，就可以控制氣體壓力，因而控制發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮比。這樣，滑閥10可用來控制發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力輸出。
滑閥10僅用于氣體壓縮的期間。因此，滑閥10在整個(gè)壓縮-燃燒-膨脹循環(huán)中保持在同一位置。只有需要改變發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮比時(shí)才改變滑閥10的位置。該操作原理不同于傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)，其中閥在每一壓縮-燃燒-膨脹循環(huán)中均打開和關(guān)閉。
也可采用其它的閥構(gòu)造，這些都是本領(lǐng)域的技術(shù)人員已知的。例如，可以提供其它的側(cè)閥，這些側(cè)閥的滑蓋可在不同于圖中所示的方向上滑動(dòng)，也可以提供未設(shè)滑蓋的側(cè)閥來代替滑閥。閥可形成用于轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)的專用流體入口，或者提供成與第一旋轉(zhuǎn)件1中的一個(gè)或多個(gè)流體入口通道相結(jié)合。當(dāng)閥形成了通到轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)中的流體入口時(shí)，它們可用來調(diào)節(jié)其中氣體不再被抽入到發(fā)動(dòng)機(jī)中的正時(shí)。
圖31到33顯示了根據(jù)本發(fā)明的第一壓縮機(jī)。該第一壓縮機(jī)以與上述轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)相類似的方式工作。然而，從工作循環(huán)中取消了燃燒和膨脹階段，這便實(shí)現(xiàn)了簡化。壓縮機(jī)包括一個(gè)第二旋轉(zhuǎn)件3，其以第一旋轉(zhuǎn)件1的角速度的一半旋轉(zhuǎn)。氣體被抽入到壓縮機(jī)中，被壓縮，然后經(jīng)由滑閥10釋放?；y10用來控制氣體被壓縮機(jī)所壓縮的程度。第一旋轉(zhuǎn)件1設(shè)計(jì)成使得在壓縮氣體的釋放期間，氣體可在限定于第二旋轉(zhuǎn)件3的相對(duì)側(cè)上的空腔工作部分之間流動(dòng)。這就提供了在空腔工作部分縮小時(shí)氣體的逸出路徑。
壓縮機(jī)可包括兩個(gè)第二旋轉(zhuǎn)件，以便平衡第一旋轉(zhuǎn)件1上的力。這可通過采用圖17和18所公開的技術(shù)及其描述來實(shí)現(xiàn)。
圖34顯示了根據(jù)本發(fā)明的第二壓縮機(jī)。在該壓縮機(jī)中，空腔工作部分的體積比第一壓縮機(jī)中的更大。
圖35和36顯示了根據(jù)本發(fā)明的第三壓縮機(jī)。在該壓縮機(jī)中，滑閥10用來控制氣體的吸入而非其排出。
第一、第二和第三壓縮機(jī)可如膨脹機(jī)地工作。在這種情況下，壓縮氣體輸送到流體出口中，第一和第二旋轉(zhuǎn)件沿著與圖中所示相反的方向被驅(qū)動(dòng)。
圖37顯示了根據(jù)本發(fā)明的第十轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)的截面。在該第十轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)中，在第二旋轉(zhuǎn)件3上增設(shè)了多個(gè)小齒12。這樣，第一旋轉(zhuǎn)件1可以正確的角速度來直接驅(qū)動(dòng)第二旋轉(zhuǎn)件3。優(yōu)選的是，小齒12和第一旋轉(zhuǎn)件1上的與之嚙合的部分應(yīng)當(dāng)具有圓角。
圖38和39分別顯示了根據(jù)本發(fā)明的第十一和第十二轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)的截面。第十一轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)包括第二旋轉(zhuǎn)件3，其重心處于其旋轉(zhuǎn)軸線上。這就通過提供作為在其它所述轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)的第二旋轉(zhuǎn)件中所提供的二倍多的段而實(shí)現(xiàn)了容易制造。第二旋轉(zhuǎn)件3的段所跨過的角度小于其它所述轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)中的情況，因此它們所限定的空腔工作部分的空腔體積更小。然而在第十一轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)中，通過使空腔處于第二旋轉(zhuǎn)件3的兩側(cè)就可在一定程度上補(bǔ)償這一點(diǎn)。這樣，第十一轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)可作為復(fù)合式發(fā)動(dòng)機(jī)來工作。
如圖39所示，在第十二轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)中，兩個(gè)空腔定位成異相，因此產(chǎn)生了平穩(wěn)的功率輸出。還已經(jīng)從第十二轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)的第一旋轉(zhuǎn)件1中除去了多余的材料。這便降低了發(fā)動(dòng)機(jī)重量，減小了第一旋轉(zhuǎn)件1和外殼2之間的接觸面積，并且為發(fā)動(dòng)機(jī)提供了增強(qiáng)的通風(fēng)。
第二旋轉(zhuǎn)件的形狀對(duì)應(yīng)于空腔的截面形狀。由于力與壓力差乘以面積成比例，因此精心地設(shè)計(jì)第二旋轉(zhuǎn)件的形狀可以提供一種在整轉(zhuǎn)中保持恒定的功率輸出的發(fā)動(dòng)機(jī)。對(duì)于具有一個(gè)空腔的發(fā)動(dòng)機(jī)來說，在其上做功的第一旋轉(zhuǎn)件的面積為限定了空腔各端的第二旋轉(zhuǎn)件的面積之間的差值。可以計(jì)算出空腔的體積以及空腔內(nèi)的氣體壓力。該壓力和體積允許計(jì)算出作為第一旋轉(zhuǎn)件旋轉(zhuǎn)的函數(shù)的可得能量，因此允許計(jì)算出發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩。可以得到各空腔的扭矩。這樣就可以得到第二旋轉(zhuǎn)件的形狀，從而提供具有平穩(wěn)功率輸出的發(fā)動(dòng)機(jī)。
第二旋轉(zhuǎn)件的形狀可以通過作為角度函數(shù)的半徑來確定。確定一個(gè)目標(biāo)如“使最小扭矩最大”允許采用本領(lǐng)域的技術(shù)人員所知的計(jì)算方法來得到第二旋轉(zhuǎn)件的形狀，從而提供具有平穩(wěn)功率輸出的發(fā)動(dòng)機(jī)。
圖40顯示了可用來提供具有平穩(wěn)功率輸出的發(fā)動(dòng)機(jī)的第二旋轉(zhuǎn)件3的形狀的一個(gè)例子。第二旋轉(zhuǎn)件3a的左上方尖點(diǎn)減小了在壓力較高時(shí)進(jìn)行氣體壓縮的面積。類似的，第二旋轉(zhuǎn)件3a的右下方尖點(diǎn)允許在壓力較高時(shí)氣體逐步膨脹，以及在壓力較低時(shí)氣體快速膨脹，從而提供具有穩(wěn)態(tài)功率輸出的發(fā)動(dòng)機(jī)。
圖41顯示了根據(jù)本發(fā)明的第十四轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)的截面。第十四轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)具有安裝在外殼2之外的環(huán)形的第一旋轉(zhuǎn)件1。兩個(gè)第二旋轉(zhuǎn)件3a，3b安裝在外殼2內(nèi)。在第十四轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)中，這些零件已經(jīng)安裝成使得第二旋轉(zhuǎn)件的平面不與第一旋轉(zhuǎn)件的軸線相交。這就允許第二旋轉(zhuǎn)件具有比外殼的內(nèi)半徑更大的最大半徑，對(duì)于給定的發(fā)動(dòng)機(jī)半徑來說允許有更大的工作體積。另外，該發(fā)動(dòng)機(jī)具有比第一旋轉(zhuǎn)件的外半徑更小一些的外殼半徑。這使得第一旋轉(zhuǎn)件和外殼之間的摩擦具有更小的區(qū)域，并且使得外殼和第一旋轉(zhuǎn)件之間的泄漏具有更小的長度。這一構(gòu)造也為壓縮機(jī)和膨脹機(jī)提供了這些優(yōu)點(diǎn)。
圖42到46顯示了根據(jù)本發(fā)明的裝置區(qū)別于已知旋轉(zhuǎn)裝置的一些特征。應(yīng)當(dāng)注意的是，這些圖中所示的零件已經(jīng)參考前圖進(jìn)行了介紹，圖42到46并未增加構(gòu)造發(fā)動(dòng)機(jī)或理解其操作所必須的知識(shí)。
圖42到44顯示了可視為具有一個(gè)較大的齒或突出部分的第二旋轉(zhuǎn)件3。圖45顯示了可視為具有兩個(gè)較大的齒或突出部分的第二旋轉(zhuǎn)件。該齒或突出部分是第二旋轉(zhuǎn)件中的伸入到在循環(huán)中的一些部分期間由外殼和第一旋轉(zhuǎn)件所限定的空腔中的部分。這些齒限定了“齒角”，其圍繞著旋轉(zhuǎn)件3的軸線來測量。通常來說，第二旋轉(zhuǎn)件設(shè)計(jì)成使得齒角稍小于360°/t，其中t是齒數(shù)。在圖42和43中，齒角稍小于360°。在圖45中，齒角稍小于180°。圖46顯示了具有槽角ψ的外殼2，該槽角圍繞著第一旋轉(zhuǎn)件3的軸線來測量，并且由第二旋轉(zhuǎn)件伸入到空腔中的區(qū)域來限定。在該裝置的最簡單的實(shí)施例中，齒角大于槽角ψ。
上面參考附圖來介紹的本發(fā)明的上述實(shí)施例僅是優(yōu)選實(shí)施例，并且只通過示例的方式來描述。本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以清楚，存在有許多尚未描述的本發(fā)明的其它實(shí)施例，本發(fā)明的范圍由權(quán)利要求來限定。
權(quán)利要求書(按照條約第19條的修改)1.一種與可壓縮流體一起使用的旋轉(zhuǎn)裝置，所述裝置包括安裝成可圍繞第一軸線旋轉(zhuǎn)的第一旋轉(zhuǎn)件；具有封閉了所述第一旋轉(zhuǎn)件的至少一部分的表面的外殼，在所述第一旋轉(zhuǎn)件的表面和所述外殼表面之間限定了具有變化截面積的細(xì)長空腔；多個(gè)安裝成可圍繞相應(yīng)的第二軸線旋轉(zhuǎn)的第二旋轉(zhuǎn)件，各所述第二旋轉(zhuǎn)件安裝成穿過所述外殼表面中的槽而伸出，并與所述第一旋轉(zhuǎn)件表面配合而將所述空腔分成相鄰的工作部分，在所述裝置的一部分循環(huán)中，至少一個(gè)所述工作部分是由相鄰的第二旋轉(zhuǎn)件在相對(duì)端部處所限定的封閉體積，所述工作部分的體積隨著所述第一和第二旋轉(zhuǎn)件旋轉(zhuǎn)而變化，其中，各所述第二旋轉(zhuǎn)件均包括多個(gè)突出部分，其具有圍繞相應(yīng)的第二軸線為變化的半徑，使得各所述突出部分穿過所述外殼中的槽而以變化的量伸入到所述空腔中，以便與所述第一旋轉(zhuǎn)件表面配合。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述第二旋轉(zhuǎn)件的各突出部分圍繞著所述相應(yīng)的第二軸線跨過一定的角度，所述突出部分的半徑圍繞所述軸線恒定地變化。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述第二旋轉(zhuǎn)件的各突出部分圍繞著所述相應(yīng)的第二軸線跨過一定的角度，所述突出部分的半徑圍繞所述軸線步進(jìn)式變化。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的裝置，其特征在于，各所述第二旋轉(zhuǎn)件的突出部分在所述第一和第二旋轉(zhuǎn)件的旋轉(zhuǎn)期間的任意時(shí)刻僅穿過相應(yīng)的槽而部分地伸出。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的裝置，其特征在于，由槽圍繞相應(yīng)的第二軸線所跨過的最大角度小于各所述第二旋轉(zhuǎn)件的突出部分所跨過的角度。
6.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的裝置，其特征在于，所述第一旋轉(zhuǎn)件表面是圓柱面。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的裝置，其特征在于，所述第一旋轉(zhuǎn)件處于所述外殼表面的內(nèi)部，所述第二旋轉(zhuǎn)件處于所述外殼表面的外部。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的裝置，其特征在于，所述第一旋轉(zhuǎn)件處于所述外殼表面的外部，所述多個(gè)第二旋轉(zhuǎn)件處于所述外殼表面的內(nèi)部。
9.根據(jù)權(quán)利要求1到5中任一項(xiàng)所述的裝置，其特征在于，所述第一旋轉(zhuǎn)表面是端面。
10.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的裝置，其特征在于，所述裝置是旋轉(zhuǎn)壓縮機(jī)或旋轉(zhuǎn)膨脹機(jī)，所述第一和第二旋轉(zhuǎn)件的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致所述空腔工作部分的體積在所述第一和第二旋轉(zhuǎn)件的旋轉(zhuǎn)期間減小或增大。
11.根據(jù)權(quán)利要求1到10中任一項(xiàng)所述的裝置，其特征在于，所述裝置是轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)，所述裝置執(zhí)行壓縮，之后執(zhí)行膨脹，所述第一旋轉(zhuǎn)件和所述多個(gè)第二旋轉(zhuǎn)件的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致所述空腔工作部分的體積在所述第一和第二旋轉(zhuǎn)件的旋轉(zhuǎn)期間減小，然后增大。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的裝置，其特征在于，所述裝置還包括點(diǎn)火裝置，用于在膨脹前點(diǎn)燃?jí)嚎s流體。
13.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的裝置，其特征在于，所述第一旋轉(zhuǎn)件還包括至少一個(gè)用于流體入口和/或流體出口的通道。
14.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的裝置，其特征在于，所述外殼還包括多個(gè)閥，各閥僅在相鄰于空腔工作部分時(shí)用作流體入口或流體出口，并且各閥僅在所述裝置的一部分循環(huán)期間相鄰于空腔工作部分。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的裝置，其特征在于，各閥在所述裝置的循環(huán)期間決不會(huì)相鄰于最小體積的空腔工作部分，因而避免了閥與最高壓力流體之間的接觸。
16.根據(jù)權(quán)利要求14或15所述的裝置，其特征在于，所述至少一個(gè)閥中的各閥可被操作以改變流入空腔工作部分的流體的流率，改變空腔工作部分內(nèi)的流體的壓力，或者改變所述裝置的壓縮比和/或膨脹比。
17.根據(jù)權(quán)利要求14到16中任一項(xiàng)所述的裝置，其特征在于，采用閉環(huán)反饋控制來控制所述至少一個(gè)閥中的各閥的操作，所述閉環(huán)反饋控制基于至少一個(gè)裝置操作參數(shù)。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的裝置，其特征在于，所述至少一個(gè)裝置操作參數(shù)包括流體入口壓力、流體出口壓力和旋轉(zhuǎn)速度中的至少一個(gè)。
19.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的裝置，其特征在于，所述第二旋轉(zhuǎn)件圍繞所述第一旋轉(zhuǎn)件分布，各所述第二旋轉(zhuǎn)件安裝成可圍繞垂直于所述第一軸線的相應(yīng)的第二軸線旋轉(zhuǎn)。
20.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的裝置，其特征在于，所述第一旋轉(zhuǎn)件表面和外殼表面還限定了空腔工作部分之間的密封。
21.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的裝置，其特征在于，其中至少一個(gè)工作部分是由相鄰的第二旋轉(zhuǎn)件在相對(duì)端部處所限定的封閉體積的裝置循環(huán)部分包括所述工作部分發(fā)生壓縮的循環(huán)部分。
22.根據(jù)權(quán)利要求21所述的裝置，其特征在于，其中至少一個(gè)工作部分是由相鄰的第二旋轉(zhuǎn)件在相對(duì)端部處所限定的封閉體積的裝置循環(huán)部分包括所述工作部分發(fā)生最大壓縮的循環(huán)部分。
23.根據(jù)權(quán)利要求21或22所述的裝置，其特征在于，其中至少一個(gè)工作部分是由相鄰的第二旋轉(zhuǎn)件在相對(duì)端部處所限定的封閉體積的裝置循環(huán)部分還包括所述工作部分發(fā)生膨脹的循環(huán)部分。
24.根據(jù)權(quán)利要求24所述的裝置，其特征在于，在所述工作部分發(fā)生壓縮和膨脹的循環(huán)部分中，限定了至少一個(gè)工作部分的相對(duì)端部的所述相鄰的第二旋轉(zhuǎn)件是同一第二旋轉(zhuǎn)件。
權(quán)利要求
1.一種與可壓縮流體一起使用的旋轉(zhuǎn)裝置，所述裝置包括安裝成可圍繞第一軸線旋轉(zhuǎn)的第一旋轉(zhuǎn)件，以及具有封閉了所述第一旋轉(zhuǎn)件的至少一部分的表面的外殼，在所述第一旋轉(zhuǎn)件的表面和所述外殼表面之間限定了具有變化截面積的細(xì)長空腔，所述旋轉(zhuǎn)裝置還包括多個(gè)安裝成可圍繞相應(yīng)的第二軸線旋轉(zhuǎn)的第二旋轉(zhuǎn)件，各所述第二旋轉(zhuǎn)件安裝成穿過所述外殼表面而伸出，并與所述第一旋轉(zhuǎn)件表面配合而將所述空腔分成相鄰的工作部分，至少一個(gè)所述工作部分限定了用于所述裝置的一部分循環(huán)的封閉體積，所述工作部分的體積隨著所述第一和第二旋轉(zhuǎn)件旋轉(zhuǎn)而變化，其中，各所述第二旋轉(zhuǎn)件均包括多個(gè)突出部分，其具有圍繞相應(yīng)的第二軸線為變化的半徑，使得各所述突出部分以變化的量穿過所述外殼伸入到所述空腔中，以便與所述第一旋轉(zhuǎn)件表面配合。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述第二旋轉(zhuǎn)件的各突出部分圍繞著所述相應(yīng)的第二軸線跨過一定的角度，所述突出部分的半徑圍繞所述軸線恒定地變化。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述第二旋轉(zhuǎn)件的各突出部分圍繞著所述相應(yīng)的第二軸線跨過一定的角度，所述突出部分的半徑圍繞所述軸線步進(jìn)式變化。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的裝置，其特征在于，各所述第二旋轉(zhuǎn)件安裝成穿過所述外殼表面中的槽而伸出，各所述第二旋轉(zhuǎn)件的突出部分在所述第一和第二旋轉(zhuǎn)件的旋轉(zhuǎn)期間的任意時(shí)刻僅穿過相應(yīng)的槽而部分地伸出。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的裝置，其特征在于，由槽圍繞相應(yīng)的第二軸線所跨過的最大角度小于各所述第二旋轉(zhuǎn)件的突出部分所跨過的角度。
6.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的裝置，其特征在于，所述第一旋轉(zhuǎn)件表面是圓柱面。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的裝置，其特征在于，所述第一旋轉(zhuǎn)件處于所述外殼表面的內(nèi)部，所述第二旋轉(zhuǎn)件處于所述外殼表面的外部。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的裝置，其特征在于，所述第一旋轉(zhuǎn)件處于所述外殼表面的外部，所述多個(gè)第二旋轉(zhuǎn)件處于所述外殼表面的內(nèi)部。
9.根據(jù)權(quán)利要求1到5中任一項(xiàng)所述的裝置，其特征在于，所述第一旋轉(zhuǎn)表面是端面。
10.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的裝置，其特征在于，所述裝置是旋轉(zhuǎn)壓縮機(jī)或旋轉(zhuǎn)膨脹機(jī)，所述第一和第二旋轉(zhuǎn)件的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致所述空腔工作部分的體積在所述第一和第二旋轉(zhuǎn)件的旋轉(zhuǎn)期間減小或增大。
11.根據(jù)權(quán)利要求1到10中任一項(xiàng)所述的裝置，其特征在于，所述裝置是轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)，所述裝置執(zhí)行壓縮，之后執(zhí)行膨脹，所述第一旋轉(zhuǎn)件和所述多個(gè)第二旋轉(zhuǎn)件的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致所述空腔工作部分的體積在所述第一和第二旋轉(zhuǎn)件的旋轉(zhuǎn)期間減小，然后增大。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的裝置，其特征在于，所述裝置還包括點(diǎn)火裝置，用于在膨脹前點(diǎn)燃?jí)嚎s流體。
13.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的裝置，其特征在于，所述第一旋轉(zhuǎn)件還包括至少一個(gè)用于流體入口和/或流體出口的通道。
14.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的裝置，其特征在于，所述外殼還包括多個(gè)閥，各閥僅在相鄰于空腔工作部分時(shí)用作流體入口或流體出口，并且各閥僅在所述裝置的一部分循環(huán)期間相鄰于空腔工作部分。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的裝置，其特征在于，各閥在所述裝置的循環(huán)期間決不會(huì)相鄰于最小體積的空腔工作部分，因而避免了閥與最高壓力流體之間的接觸。
16.根據(jù)權(quán)利要求14或15所述的裝置，其特征在于，所述至少一個(gè)閥中的各閥可被操作以改變流入空腔工作部分的流體的流率，改變空腔工作部分內(nèi)的流體的壓力，或者改變所述裝置的壓縮比和/或膨脹比。
17.根據(jù)權(quán)利要求14到16中任一項(xiàng)所述的裝置，其特征在于，采用閉環(huán)反饋控制來控制所述至少一個(gè)閥中的各閥的操作，所述閉環(huán)反饋控制基于至少一個(gè)裝置操作參數(shù)。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的裝置，其特征在于，所述至少一個(gè)裝置操作參數(shù)包括流體入口壓力、流體出口壓力和旋轉(zhuǎn)速度中的至少一個(gè)。
19.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的裝置，其特征在于，所述第二旋轉(zhuǎn)件圍繞所述第一旋轉(zhuǎn)件分布，各所述第二旋轉(zhuǎn)件安裝成可圍繞垂直于所述第一軸線的相應(yīng)的第二軸線旋轉(zhuǎn)。
20.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的裝置，其特征在于，所述第一旋轉(zhuǎn)件表面和外殼表面還限定了空腔工作部分之間的密封。
21.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的裝置，其特征在于，所述裝置與可壓縮流體一起使用。
全文摘要
一種與可壓縮流體一起工作的旋轉(zhuǎn)裝置，包括安裝成可圍繞第一軸線旋轉(zhuǎn)的第一旋轉(zhuǎn)件，以及具有封閉了第一旋轉(zhuǎn)件的至少一部分的表面的外殼。在第一旋轉(zhuǎn)件的表面和外殼表面之間限定了具有變化截面積的細(xì)長空腔。該旋轉(zhuǎn)裝置還包括多個(gè)安裝成可圍繞相應(yīng)的第二軸線旋轉(zhuǎn)的第二旋轉(zhuǎn)件。各第二旋轉(zhuǎn)件安裝成穿過外殼表面而伸出，并與第一旋轉(zhuǎn)件表面配合而將空腔分成相鄰的工作部分。至少一個(gè)工作部分限定了用于裝置的一部分循環(huán)的封閉體積。該工作部分的體積隨著第一和第二旋轉(zhuǎn)件旋轉(zhuǎn)而變化。各第二旋轉(zhuǎn)件均包括多個(gè)突出部分，其具有圍繞相應(yīng)的第二軸線為變化的半徑，使得各突出部分以變化的量穿過外殼伸入到空腔中，以便與第一旋轉(zhuǎn)件表面配合。
文檔編號(hào)F01C20/00GK1829853SQ200480016536
公開日2006年9月6日 申請(qǐng)日期2004年6月15日 優(yōu)先權(quán)日2003年6月17日
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