旋转活塞发动机
阅读：957发布：2020-05-12
专利汇可以提供旋转活塞发动机专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 涉及一种所谓旋转 活塞 发动机 或者 泵 ，包括相对于Δ轴 旋转对称 的形体F，并且其相对于包络线V围绕所述轴Δ可旋转移动，其中，n个腔体分布在F的周界上。每个腔体中容纳有旋转滚轴，其特征在于至少一个旋转滚轴具有确定的中心 角 ，使得获得所限定的封闭容积尽可能大。，下面是旋转活塞发动机专利的具体信息内容。
1.一种称为旋转活塞发动机或者泵的发动机或泵，包括：
-相对于轴Δ旋转的形体F，并且相对于包络线V绕所述轴Δ旋转运动，-绕轴β_i旋转成形的n个腔体A_i分布在F的周界，
-每个腔体A_i中容纳有滚轴G_i，该滚轴G_i绕着轴β_i旋转，并且具有至少两个面，G_i_1和G_i_2，第一面G_i_1当其在腔体A_i的内部时，在系统循环的某些时刻，能够保证与腔体A_i密封，并且其由垂直于β_i的平面产生的截面是以β_i为中心的圆弧，具有中心角(G_i_1)，
-机械装置，其使得每个G_i绕β_i的旋转与形体F的轴Δ相对于包络线V的相对旋转成正比，
-包络线V是通过由F驱动滚轴G_i绕β_i自身的转动运动，以及形体F的轴Δ相对于包络线V的相对转动生成的包络线，
-G_i的面G_i_2是由包络线V在G_i的层面上生成的包络线，并且因此保证了G_i和包络线V之间的密封，
如果我们考虑由垂直于轴Δ的平面产生的截面，执行组件使得包络线V、形体F和G_i的圆弧G_i_1的一端，在循环的特定时刻，在相同的位置相接触，
-侧壁或者法兰J1和J2，在其上承载形体F、滚轴Li、和包络线V，
-形体F、滚轴G_i、包络线V、法兰J1和J2限定了封闭的容积并且在F相对于V的相对旋转循环的不同时刻是可变的，
所述组件其特征在于，至少一个滚轴G_i具有确定的中心角(G_i_1)使得获得其限定的封闭容积尽可能大。
2.根据上述权利要求所述的发动机或者泵，其特征在于，至少一个滚轴G_i具有低于
180度的中心角(G_i_1)。
3.根据上述权利要求中任一项所述的发动机或者泵，其特征在于，将至少一个滚轴G_i的中心角(G_i_1)确定为使得前述容积封闭，同时打开下一个封闭的容积。
4.根据上述权利要求中任一项所述的发动机或者泵，其特征在于，旋转形体F相对于包络线V在外侧。
5.根据权利要求1到3中任一项所述的发动机或者泵，其特征在于，旋转形体F相对于包络线V在内侧。
6.根据上述权利要求中任一项所述的发动机或者泵，其特征在于，至少两个腔体A_i和A_i+1是连续的。
7.根据上述权利要求中任一项所述的发动机或者泵，其特征在于，在至少两个连续的腔体A_i和A_i+1之间，设置有通道使得当包络线V的一端在所述两个腔体之间时，被包络线V的末端的一面压缩的流体，可以流过另一面。
8.根据上述权利要求中任一项所述的发动机或者泵，其特征在于，轴β_i平行于轴Δ并且位于离轴Δ相同的距离上。
9.根据上述权利要求中任一项所述的发动机或者泵，其特征在于，形体F、A_i、G_i和V，为母线平行于轴Δ的柱形。
10.根据上述权利要求中任一项所述的发动机或者泵，其特征在于，每个滚轴G_i沿着穿过β_i的平面的截面是非矩形面。
11.根据上述权利要求中任一项所述的发动机或者泵，其特征在于，经中心旋转活塞的内侧引入新鲜气体。
12.根据上述权利要求中任一项所述的发动机或者泵，其特征在于，经中心旋转活塞的内侧排出燃烧废气。
旋转活塞发动机
技术领域
背景技术
[0002] 当前的内燃机是由活塞线性移动构成的，并且所述线性运动是通过连杆和机轴转变为圆周运动的。以每秒数十次和数百次改变方向的所述运动是实际存在的问题，众所周知，我们不能再次越过这个问题。因此产生试图设计一种带有将具有圆周运动的活塞的发动机的想法。尽管涉及的利益和事宜很重大，目前对于这个问题还没有真正的答案。
[0003] 已经连续生产的唯一的旋转活塞发动机是“汪克尔(Wankel)”发动机。然而，与其复杂度有关的其缺点已经导致它从没有真正成功地利用自身，尽管在已经反复进行的研究和开发上做了大量的投资。
[0004] 作为将在这里展示的相同种类的发动机，已经是专利的客体：US1 003263A(1911),GB 570 776 A(1945),FR 1 489 283 A(1967),US7 188 602 B1(2007),和US
5 819 699 A(1998)。
5 819 699 A(1998)。
[0005] 这些发动机都没有被制造或者进行任何后续行动。
[0006] 这些专利都没有提到从活塞的一侧到另一侧的流体的通路。
[0007] 然而，在专利US 1 003 263 A,US 7 188 602 B1和US 5 819 699 A中，次级活塞、或者滚轴具有与这里展示的发动机的滚轴形状相反的扁平椭圆形。
[0008] 在专利FR 1 489 283 A中，滚轴保持与自身平行，然而这里排除该特殊情况，因为认为它是无效的。
[0009] 最接近的概念是在专利GB 570 776 A的临时说明(“临时说明书”)中描述的概念。它最后的说明(“完整说明书”)，用于转变临时说明的想法到发动机中，导致这里展示的发动机的不同结果至少存在两个原因：活塞和滚轴没有以成比例的旋转速度(具有两个直径的齿轮系统在循环期间改变传动比)旋转并且主活塞具有不同的形状。
[0010] 在非常简明的临时说明中，在获得期望几何结构的过程中没有给出任何指示，没有证明存在对于形成问题的几何学解决方法，通常情况下特别当旋转活塞的尖端扩大时，提示已经变得非常不明显。此外，滚轴具有180度的中心角，与这里展示的解决方法相反，其中所述角小于180度。已经表明如果所述角不低于180度，在100度到160度的范围内，发动机具有降低的特性。
[0011] 回想到允许获得可变容积的机械系统如果足够精确，则能够生成泵和发动机。该发动机可以是内燃机，或者是由增压流体驱动。
发明内容
[0013] 为此，本发明涉及一种发动机，主要包括：
[0014] -相对于轴Δ旋转的形体F，并且相对于包络线V绕所述轴Δ旋转运动。这意味着所述形体F是活动的，在这种情况下，它绕着其轴Δ旋转运动。形体F还可以是固定的，并且在这种情况下，包络线V会绕着轴Δ旋转。F和V都可以绕着轴Δ旋转，并且要考虑该相对转动。
[0015] -F包括n个(n是整数)腔体A_i(i表示第i个,并且i<＝n)，其绕轴β_i旋转成形。它们分布在F的周界，每个腔体A_i和形体F的交叉点为：T_i和U_i.。
[0016] -每个腔体A_i中容纳有滚轴G_i，该滚轴G_i绕着轴β_i旋转，并且具有至少两个面，G_i_1和G_i_2，第一面G_i_1当其在腔体A_i的内部时，在系统循环的某些时刻，能够保证与腔体A_i密封。垂直于β_i的平面的截面的是以β_i上的P_i为中心的圆弧(R_i，S_i)，具有端点R_i和S_i，具有中心角(R_i,P_i,S_i)，也称为中心角(G_i_1)。G_i的位置可以由中心P_i的位置和弧(R_i,S_i)的对称轴(P_i,z)相对初始位置的旋转角θ追踪。
[0018] 因此，假设已经定义：
[0020] 系统的初始位置：在时间点t0处是Pos_0，
[0021] 相对包络线V用于追踪形体F的相对转动的角度ω(t)，
[0022] 因此，当形体F相对包络线V完成一转(ω＝360°)，每个G_i相对其初始位置完成m转，m是整数，根据方向m是正数或者负数。
[0023] 换句话说，在每个时间点t上，θ(t)＝m*ω(t)，t是时间，
[0024] m排除两种特殊情况：
[0025] a)m＝1，因为这样滚轴的就象固定到F上一样旋转，以及
[0026] b)m＝0，因为在该情况下，P_iy一直平行于Ox，并且认为该情况没有价值。
[0027] -包络线V，如果它是活动的，则绕着轴Δ旋转，并且它是通过由F驱动滚轴G_i绕β_i自身的转动运动，以及形体F的轴Δ相对于包络线V的相对转动生成的包络线，[0028] -G_i的面G_i_2是由包络线V在G_i层面上生成的包络线。因此，保证了G_i和包络线V之间的密封，
[0029] 如果我们考虑由垂直于轴Δ的平面产生的截面，执行组件使得包络线V、形体F和G_i的圆弧G_i_1的一端，无论R_i或S_i，在循环的特定时刻，在相同的位置相接触。
[0030] 第一位置，例如对于G_1是位置Pos_1，从角度ω＝ω1(称为限制角度)求出，位置：对于V,F和G_1通用:C1。
[0031] -侧壁或者法兰J1和J2，在其上承载形体F、滚轴Li、和包络线V，[0032] 包络线V、形体F、滚轴G_i、法兰J1和J2限定了封闭的容积，并且在F相对于V的相对旋转循环的不同时刻是可变的。
[0033] 为了保证封闭容积的密封，不同的部分可以设置有密封圈、分割段、或者任何其他的密封装置。
[0034] 今后将该整体称为发动机。
[0035] 有利地，至少一个滚轴G_i具有其确定的中心角(G_i_1)，使得获得所限定的封闭容积尽可能大，考虑系统的其他参数、约束例如执行和设计约束(制造约束、材料强度约束、关于密封的问题，等等)。
[0036] 有利地，至少一个滚轴G_i具有低于180度的中心角(G_i_1)。
[0037] 实际上，如果封闭容积的最大值是基于中心角(G_i_1)考虑的，虽然该曲线依赖于系统的不同几何结构特性，但是发现其最大值低于180度，通常明显更低，大约是130度。
[0038] 包络线V具有尖端，或者末端Qa,Qb,以及甚至Qc,……根据m的值。如果我们考虑，如Qa，所述末端在循环的某一个时刻，在其每个表面上，在具有G_i-1的一侧，以及具有G_i的另一侧，限定了可变容积。
[0039] 有利地，至少一个滚轴G_i上的中心角(G_i_1)被确定为使得之前的容积封闭，从而在该容积上开始压缩，同时它打开下一个封闭容积以允许燃烧废气的排出。
[0040] 根据基本几何结构设计，包络线V的末端Q具有有角形状。所述末端可以因经受较强约束、密封、制造等的材料强度的原因而扩大。
[0041] 至此没有明确的认定在旋转的形体F和包络线V之间的哪个是在另一个的里面。
[0042] 有利地，在第一实施方案中，旋转形体F相对包络线V是在外侧(并且因此，包络线V相对形体F旋转是在内侧)。
[0044] 有利地，在第二实施方案中，旋转形体F相对包络线V在内侧(并且因此，包络线V相对旋转形体F在外侧)。
[0045] 可以说在最后的实施方案中，在组价里面具有旋转活塞，组件的F和腔体形成外表面。所述活塞具有轴β_i。在组件的外面，具有可以固定到包络线V的内表面。
[0046] 有利地，至少两个腔体A_i和A_i+1是邻近的，也就是说它们尽可能靠近。它们保持独立，但是之间的间隔具有减到最小的厚度，考虑材料的强度、密封和设计约束：这将在后面进行说明，然而靠近意味着两个连续腔体之间的较小距离，以便能够安排从包络线V的一侧到另一侧的流体的通道。此外，如果包络线V的末端不包括尖端，但是被扩大，这也导致扩大了所述间隔。
[0047] 如果腔体的个数是奇数，在某一时刻发生一次爆震(explosion)，从而操作更加有规律。
[0048] 对于所述类型的旋转发动机，必要的是通过这种或者那种方式，能够使得在包络线V的一端Q的一侧上的压缩流体朝向所述端Q的另一侧的封闭容积流动。所述流体保持被压缩因为被截留在它们的各自连续的腔体、形体F和包络线V中的两个滚轴之间。在热机中，爆震发生在所述时间点上，并且因此，在Q的另一个侧上的压力使得包络线在正确的方向上旋转。
[0049] 有利地，在至少两个连续的腔体A_i和A_i+1之间，设置通道以便当包络线V的一端Q处于所述两个腔体之间时，已经被包络线V的一端Q的一个面压缩的流体，可以流经另一个面(爆震后，在其上流体膨胀)。
[0050] 预燃烧室可以设置所述通道。
[0051] 有利地，轴β_i平行于轴Δ并且处于离轴Δ相同的距离d＝距离(OP)。
[0052] 有利地，形体F、A_i、G_i和V，是母线平行于轴Δ的柱形。
[0053] 在所述情况中，滚轴G_i沿着穿过β_i平面的产生的截面为矩形，并且沿着穿过V的轴Δ的平面产生的截面也是矩形。令人感兴趣的是能够将所述矩形的角倒圆。
[0054] 有利地，所述滚轴是G_i使得沿着穿过β_i的平面产生的截面是非矩形面。相应地绘出了包络线V。
[0055] 新绘出的滚轴和V的还允许与密封圈(或者分割段)集成。
[0057] 为此，有利地，经中心旋转活塞的内侧引入新鲜空气。
[0059] 下面的附图和对一些特定实施例的说明有助于更好地进行理解。
[0060] 图1到23c涵盖了根据第一实施方案的实施例，也就是说，形体F处于外侧，包络线V处于内侧。形体F被固定，而包络线V旋转。包络线V是中心旋转活塞。
[0061] 图1到5展示了根据本发明的发动机的第一实施例的进行设计的不同步骤，能够获得所述发动机的几何结构形状。
[0062] 图6到11说明了根据本发明的发动机的操作循环的不同步骤。
[0063] 图12到16展示了带有滚轴的发动机，所述滚轴具有不同值的中心角。
[0064] 图17展示了约束角ω1的值和基于滚轴的半中心角(μ)的值的长度OQ。
[0065] 图18和18b示出了无阀发动机。
[0066] 图19到22示出了具有不同系数m和不同腔体个数值的一些例子。
[0067] 图23和23b示出了用齿轮驱动的例子。图23c示出了G_i的非矩形截面。
[0068] 图24到31b示出了根据本发明的发动机的第二实施例。
具体实施方式
[0069] 在这些例子中，轴β_i平行于轴Δ并且位于离轴Δ相同的距离d上。
[0070] 形体F和其腔体A_i、滚轴G_i、包络线V是母线平行于轴Δ的柱形。侧壁J1和J2垂直于轴Δ。
[0071] 在这些条件中，为了便于理解，优选地通过垂直于轴Δ的平面的截面BB来表示系统(图23)。
[0072] 为了不使附图上的书写过多，对于第一滚轴G_1，点P_1，腔体A_1，将标记它们为G、P、A，同样应用于G_1的其他元件上。对于其他的滚轴，元件G_i、P_i、A_i,等等在图中将被标记为Gi、Pi、Ai。
[0073] 图1：系统位于初始位置Pos_0，其中水平轴Ox是组件的对称轴。设置活塞F以便腔体A_1位于轴Ox上，第一面G_1_1在其腔体内。
[0074] 在该图中，我们区分：
[0075] -O，剖切面与轴Δ的交叉点，
[0076] -P和P2是剖切面和轴β_1和β_2的交叉点。他们是腔体A和A2的中心，以及是滚轴G和G2的旋转中心。
[0077] -形体F，
[0078] -包络线V，其一端Qa朝向腔体A1(在位置Pos_0)，以及另一端Qb。
[0079] 在所述位置Pos_0，V和G在Q上相接触。
[0080] 在固定参考坐标系Qx，Qw上的点Q是Q0(0对于Pos_0)。
[0081] Qa是V的点，我们将称其为Qa0，
[0082] 以及G的点，我们将称其为qa0。
[0083] -滚轴G，具有半中心角μ，其末端是R和S，具有对称轴Py，以及滚轴G2，其末端是R2和S2。
[0084] 在其他的图中：
[0085] -ω是活塞V的旋转(Ox,Oy)角，
[0086] -θ是滚轴G的旋转(Ox,Oz)角，在此，θ＝2*ω(m＝2)。
[0087] 初始数据是：
[0088] -n等于2
[0089] -m等于2
[0090] -距离d，等于距离(OP)
[0091] -中心角(R,P,S)的半径r
[0092] -滚轴G的中心角(R,P,S)的半角μ。
[0093] 从这些数据中，我们将绘出余下的系统。
[0094] 图2对应于位置Pos_1，其中点Q，S和U相遇。
[0095] 所述图能够确定ω1，和形体F的半径R。实际上，通过观察所述三角形，发现：
[0096] d*sin(ω1)＝r*sin(μ+(m-1)*ω1),以及
[0097] R＝d*cos(ω1)+r*cos(μ+(m-1)*ω1)
[0098] 图3：它是确定G的曲线G_1_2的弧度的问题。
[0099] 为此，返回到Pos_0。qa0是G_1_2的第一点。我们从0到ω1来增加ω。在每个时间点t上以及在每个ω(t)值上，Qa是与G在qa(qa是G的点)上相接触的V的点。G的半曲线G_1_2是一组点qa。
[0100] 最后的点是S。另一个半曲线是对称获得的。
[0101] 图4：目标是确定包络线V的第一部分。
[0102] 为此，我们从Pos_1开始。Q是研究的包络线弧的第一点。我们从ω1开始增加ω直到(P，S)与Ox对准在同一直线上。在每个时间点t上以及在每个ω(t)值上，S是在s上与V相接触的G的点，s是V的点。
[0103] 包络线V的第一部分是一组点s。
[0104] 图5，位置是Pos_2：(P,S)与Ox对准在同一直线上并且ω＝ω2。我们从ω2到90度来增加ω。包络线V的所述部分是一段圆弧，其中心为O，半径为d-r。
[0105] 通过两个的对称性，在该情况下，获得了余下的活塞。
[0106] 我们因此看到已经独立地获得了G_1_2和包络线V。曲线G_1_2已经通过Qa被“加工”(“加工”意味着Qa是切削工具，加工材料以提供给G_1_2创造其形体，Qa和G_1_2在它们各自的如前所述的转动运动中被驱动)，并且包络线V的第一部分已经被S“加工”。
[0107] 所述曲线已经逐点地得到以便理解。它们也可以分析性地获得。
[0108] 这是一种方法。还存在其他的方法。例如，假设我们考虑活塞的末端Q必须更大，例如，为了涉及密封、制造的原因，或者因为在激增的时刻上巨大的压力导致扩大了活塞的末端Q。
[0109] 然后描绘“改善的活塞”，它是将加工滚轴的活塞。该“改善的活塞”可以是非对称的；在这种情况下，曲线弧G_1_2不再是对称的。
[0110] 例如，活塞Q的形状在其末端Qa和Qb上可以是圆的，以便更容易地加工(圆的铣刀比用于加工更复杂形体的工具便宜)。相同的原则，Qa“将生产”弧G_1_2的第一部分。
[0111] 另一个例子，如果Q的末端不再是尖端，但是被小间隔分离的两个点Qaa和Qab(对于Qa)与材料强度约束相匹配，从而OQaa＝OQab＝d，为了简化，我们不考虑这两个点之间的活塞的形状，Qaa“将加工”弧G_1_2的第一部分(第二部分由Qab，将是对称的)。
[0112] 在更普遍的方法中，相对于基本绘图的任何改动是可能的，如果滚轴G和包络线V在每个时间点上保持接触的话，也就是说在它们各自的运动中一个是另一个的包络线。
[0113] 图6到11示出了根据本发明的带有四个滚轴的发动机的操作。
[0114] 图6：容积V2刚被滚轴G2封闭。它包含被压缩的新鲜空气。在该例子中，中心角μ＝90°-ω1，以便滚轴G2封闭v2，同时作为滚轴G4打开容积v1。
[0115] 图7：ω＝ω1，空气体积v2已经被压缩并且占据了体积v3。
[0116] 图8：体积v3在Qa的另一个边上，通过适当的路径(未表现)已经进入v4。在该时间点上可能发生注入然后发生激增。燃烧废气施加很大的压力到中心活塞上，这使得活塞旋转。
[0117] 图9：是膨胀的末端，容积v4增加直到变为最大的容积v5。
[0118] 图10：直角回转设置为疏散燃烧废气并且使得新鲜空气填充到容积v6中。进气阀和排气阀未示出。
[0119] 图11：容积v7包含新鲜空气，并且滚轴L1封闭所述容积。我们以图10的情况结束。
[0120] 用不同的方法和依照所述结构可以执行排气和进气。例如，这里可以在f2等级上执行排气(图9)。在e1的层面上执行吸气：腔体v8的底部预先可以填充低压新鲜气体，使得它能更快地通过在S层面处的开口将的剩余的燃烧废气朝向f2除去。
[0123] 图12到16展示了中心角对发动机特性的影响。这些图展示，对于不同的μ值，膨胀气体的最大容积v5。长度d和半径r在所有的这些图中是相同的。
[0124] 图12：μ＝90°
[0125] 图13：μ＝80：我们看到，与前述情况相比，对于仅10的差别，容积V5基本上更大，几乎加倍。
[0126] 图14：μ＝66，我们看到，与前述情况相比，所述容积再次几乎加倍。
[0127] 图15：μ＝90°-ω1即这里几乎为60度。对于该值，滚轴G_1封闭前述容积v8，并且在相同的时间点上打开容积v5。容积v5相对于上述情况稍稍不同：设置有上限。
[0128] 图16：μ＝55°：我们看到，与前述情况相比，容积v5稍稍改变了。发现对于μ<90°-ω1，在腔体底部上的容积从没有封闭。
[0129] 因此我们看到当μ增加时，最大容积v5增加，直到达到上限并且当考虑到不同的约束时，要被保存的值位于其邻近处。
[0130] 图17展示ω1也通过了最大值，获得大约为65°。我们还看到当μ增加时，间隔OQ增加。尽管这里不是正式地进行示范，ω1最大值和v5最大值位于相同的邻近值处。
[0131] 对于比率r/d的特殊值已经对所述结果进行了说明，但是可能证明的是它们是普遍的。
[0132] 适合于气体膨胀的也适合于压缩因为存在对称性。
[0133] 由此得出结论μ＝90°不是明智的选择。为了使发动机更加有效，μ必须优选地小于90度。
[0134] 图18和18b给出了无阀操作的例子，新鲜空气经过中心活塞内部，以及穿过该活塞的圆弧形状部分。展示了两个进气阀fa和fb。仅展示了G上的出气阀f1；对于每个滚轴存在一个出气阀。
[0135] 上面画有阴影线的区域(从左侧出发到右侧)相当于被压缩的新鲜空气，下面画有阴影线的区域相当于膨胀的燃烧废气，正方形区域相当于燃烧废气，被新鲜空气替代。
[0136] 在前述附图中，旋转速率比是m＝2。
[0137] 该旋转速率比m可以不同。图19到22示出了具有范围为从3到5的系数m的一些例子。
[0138] 图19：m＝3和9腔体。
[0139] 图20：m＝4和9腔体。
[0140] 图21：m＝5和9腔体。
[0141] 图22：m＝5和11腔体。
[0142] 图23和23b示出了用齿轮驱动的例子。旋转(wheels)G1和G5给出了旋转方向和比率m。
[0143] 在图23b中，截面AA、V的截面和滚轴这里由(阴影的)矩形组成因为所有的母面平行于轴Δ。但是所述滚轴可以不同，尤其在外角上。因此修改包络线V。图23b展示了倒角的滚轴。它们也可以是圆形的。更具体地说，相对于基本绘图的任何改动是可能的，如果滚轴G和包络线V在每个时间点上保持接触，也就是说在它们各自的运动中一个是另一个的包络线。
[0144] 图24到31涵盖了根据第二实施方案的实施例，也就是说，形体F在内部，包络线V在外部。这里，形体F旋转，而包络线V固定。形体F是中心旋转活塞。
[0145] 对于第一实施方案所有这些已经描述的以及对于第二实施方案保持有效的这里不再重述。
[0146] 图24展示了在位置Pos_0上的发动机。
[0147] 图25展示了如何获得ω1和OQ。
[0148] 图26到29展示了所述操作。
[0149] 图30对应于第一实施方案的图7，具有封闭滚轴。压缩空气的容积v3通过未展示的通道传到v4中的包络线V的另一边。
[0150] 图31和31b展示了用齿轮驱动的例子。
[0152] 与具有汽缸和活塞的发动机相比，除去活塞非常抗机械的往复直线运动，简易性、不存在振动将允许带有较少磨损的经济和可靠的操作。
[0154] 所述发动机还适合于实现非污染燃气发动机或者氢气发动机。
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