[0002] 本申请要求2013年3月15日提交的第13/832,876号美国
专利申请的优先权。
技术领域
背景技术
[0004] 内燃机是指这样的
发动机：发动机中的可燃混合物，如空气-
燃料混合物，在发动机的
燃烧室内被点燃，从而将
力作用到发动机的组件上。在往复式
活塞内燃机例如奥托(Otto)循环发动机或
柴油发动机中，燃烧室是容纳往复式活塞的
气缸。燃料燃烧引起活塞持续的往复运动，而活塞的往复运动通过
曲轴转换成旋转输出，其中曲轴通过
连接杆连接到往复活塞上。低效率与活塞的往复运动相关。例如，当燃烧发生在或靠近于
上止点的
位置时，活塞与曲轴之间的转矩
角为零或接近于零。
[0005] 许多类型的旋转式内燃机已被提出作为往复式活塞内燃机的替代产品，并且它们有着不同程度的成功。一些旋转式内燃机设计为以环面的形式在“气缸”内放置一个或多个活塞。这些旋转式内燃机有时也被称为环形内燃机。这些设计有的包括一个或多个不做往复运动而做连续圆周运动的活塞，从而带动
输出轴，使之与活塞的运动相一致地转动。虽然这样的设置避免了一些在往复式活塞内燃发动机中所遇到的低效率根源，但先前提出的设计都未能取得成功。
发明内容
[0006] 本申请所公开
实施例的一个方面是一种旋转式内燃机，其包括：弧形压缩室；弧形膨胀室；输出轴；活塞，其连接到输出轴上，用于在所述弧形压缩室和弧形膨胀室中运动。所述活塞具有：前端；后端；进给
阀，其位于所述活塞前端，用于接收来自所述弧形压缩室的可压缩
流体；排出阀，其位于所述活塞后端，用于将燃烧气体排入所述弧形膨胀室。
[0007] 本申请所公开实施例的另一方面是一种旋转式内燃机，其包括：弧形压缩室；弧形膨胀室；输出轴；活塞，其连接到输出轴上。所述活塞具有：前端；后端；进给阀，其位于所述前端；排出阀，其位于所述后端；内室，其与所述进给阀和排出阀相连通。
附图说明
[0008] 参照以下详细描述和其中的附图，可以更清楚的显示本发明装置的各种特征、优点以及其它用途。附图中：
[0009] 图1为旋转式内燃机的侧剖面图；
[0010] 图2为旋转式内燃机的剖切立体图；
[0011] 图3为旋转式内燃机第一横向阀组件的侧视图，其中第一压缩室阀和第二膨胀室阀的关闭位置用实线表示，打开位置用虚线表示；
[0012] 图4为旋转式内燃机的活塞的俯视截面图；
[0013] 图5A为旋转式内燃机在压缩/吸入阶段开始时的俯视截面图；
[0014] 图5B为旋转式内燃机在压缩/吸入阶段结束时的俯视截面图；
[0015] 图6A为旋转式内燃机在膨胀/排出阶段开始时的俯视截面图；
[0016] 图6B为旋转式内燃机在膨胀/排出阶段结束时的俯视截面图；和
[0017] 图7为旋转式内燃机的另一种活塞的俯视截面图。
具体实施方式
[0018] 本公开涉及旋转式内燃机，其中活塞在弧形气缸内沿着圆形路径以恒定的方向运动。这里讨论的旋转式内燃机通过提供以下优点的一部分或全部改进了先前的设计：不同负载条件下有利的
氧化剂燃料比率，可燃混合物的适当压缩，热节能，灵活的燃料性能，以及可燃混合物的完全燃烧和排出。如将要在此中解释的，当活塞在气缸内运动时，活塞内燃烧室的设置允许在活塞内压缩可燃混合物。活塞包括可以打开和关闭的进给阀和排出阀，以允
许可燃混合物在活塞内被压缩以及其在点燃之后膨胀。为了最大限度地提高发动机循环中压缩和膨胀阶段的有效性，所述气缸被分为弧形压缩室和弧形膨胀室，它们通过横向阀组件彼此隔离，横向阀组件的打开允许活塞从压缩室进入膨胀室以及从膨胀室进入压缩室。在一些实现方式中，横向阀组件和活塞可以相对于彼此互补地成型，以尽量减少当阀打开或关闭时在活塞和阀之间的死区。
[0019] 图1示出旋转式内燃机100的侧剖面图。旋转式内燃机100包括
外壳110，其限定了弧形压缩室120和弧形膨胀室130。弧形压缩室120和弧形膨胀室130共同限定大致成环形的气缸，活塞140在其内连续、单向地沿圆形(环形)路径运动。
[0020] 活塞140连接到输出轴160上。输出轴160可以沿着旋转式内燃机100的中
心轴线102延伸，其中大致成环形的气缸被弧形压缩室120和弧形膨胀室130所限定且围绕中心轴线102设置，而中心轴线102在气缸的中心位置。在一些实现方式中，此中所描述的两个或更多的旋转式内燃机可以结合在一起，例如通过输出轴160互连，可以使发动机的输出功率与想要的应用相匹配。
[0021] 活塞140连接到输出轴160上，使得活塞穿过弧形压缩室120和弧形膨胀室130的运动引起输出轴160的旋转。特别地，活塞140可以连接到输出轴160上，使得输出轴160的旋转与活塞140的运动相一致。为了使输出轴160的旋转与活塞140的运动相一致，活塞140可被刚性地连接到输出轴160上。在一个例子中，活塞140和输出轴160分别连接在设置在外壳110内的
转子170上。在一些实现方式中，输出轴160和/或活塞140可与转子
170一体地打造。在其他实现方式中，转子170可通过常规方法，例如机械
紧固件刚性地连接到活塞140和/或输出轴160上。虽然此中描述的实现方式包括单个连接到转子170上的活塞140，但在其他实现方式中，可以包括两个或更多逐一连接到转子170上的活塞140。
[0022] 为了密封弧形压缩室120和弧形膨胀室130，可以在转子170和外壳110的交接处设置
密封件112，以允许在弧形压缩室120和弧形膨胀室130内加压。
[0023] 考虑到阀
门的致动对应于弧形压缩室120和弧形膨胀室130内活塞140的运动，转子170可包括具有表面特征174的
凸轮表面172，例如凸轮表面172高度的改变，如将要在此中被详细描述的，其被设置为能引起阀门或旋转式内燃机100其他部分致动。
[0024] 如图2所示，弧形压缩室120从第一端122延伸到第二端124。活塞140适于穿过弧形压缩室120，使其在弧形压缩室120的第一端122进入弧形压缩室120并在弧形压缩室120的第二端124退出。
[0025] 为了允许可压缩流体进入弧形压缩室120，进入口126由外壳所形成并与弧形压缩室120连通，用于向弧形压缩室120提供可压缩流体。在图示的例子中，单个进入口126被设置在邻近弧形压缩室第一端122的位置。在其它实现方式中，多个进入口126可设置在沿弧形压缩室120的多个位置。例如，多个进入口可以实现不同的压缩比或者帮助移除来自活塞140的燃烧副产品。
[0026] 在一些实现方式中，可压缩流体是气态的
氧化剂，例如空气。此外，可压缩的流体可基本由空气组成。从进入口126引入可压缩流体到弧形压缩室120的实现方式中，可压缩流体是氧化剂且不包括燃料，燃料可以被引入到活塞140的内部，并与活塞内的可压缩流体混合以形成可燃混合物，例如在活塞140内形成了空气-燃料混合物，在此说明中将会被进一步描述。在其他实现方式中，可压缩流体可以是可燃混合物，其包括例如空气的氧化剂和燃料。
[0027] 弧形压缩室120大致成弧形，并沿着以中心轴线102为中心的弧延伸，使得弧形压缩室120的形状基本上是环形的一部分。在图示的例子中，相对于中心轴线102所测得的，弧形压缩室120沿着弧度约为110°的弧延伸。然而，应该理解的是，在这个例子中弧形压缩室120的长度仅是示例性的，旋转式内燃机100不限于具有任何特定长度弧形压缩室120的设计。
[0028] 弧形膨胀室130从第一端132延伸到第二端134。活塞140适于在第一端132进入弧形膨胀室130且穿过弧形膨胀室130，在第二端134退出弧形膨胀室130。排出口136由外壳110形成，其位置与弧形膨胀室130的第二端134相邻。排出口136与弧形膨胀室130连通，用于接收因可燃混合物燃烧而产生的燃烧气体。弧形膨胀室130大致呈弧形，并且该弧形的中心在中心轴线102上。因此，弧形膨胀室130的形状是以中心轴线102为中心的环形的一部分。在图示的例子中，在中心轴线102处所测得的，弧形膨胀室130沿着弧度约220°的弧延伸。然而，旋转内燃机100并不限于与具有任何特定长度的弧形膨胀室130一起使用，应该注意的是，弧形膨胀室130的长度与一个角度相关，在该角度下活塞140能够将转矩施加到输出轴160上。因此，一些优点可以通过提供这样的旋转式内燃机100实现，如在中心轴线102上所测，其弧形膨胀室130沿着大于180°的弧延伸。
[0029] 为了将弧形压缩室120和弧形膨胀室130相对于彼此分离，设置了第一横向阀组件180和第二横向阀组件190。第一横向阀组件180
定位在弧形膨胀室130的第二端134和弧形压缩室120的第一端122之间。为了密封弧形压缩室120，第一横向阀组件180包括第一压缩室阀182，第二横向阀组件190包括第二压缩室阀192。第一压缩室阀182位于弧形压缩室120的第一端122，且其能从关闭位置到打开位置移动，处于关闭位置时弧形压缩室120的第一端122被密封，处于打开位置时弧形压缩室120的第一端122不密封，以允许活塞140进入弧形压缩室120。第二压缩室阀192能从关闭位置到打开位置移动，处于关闭位置时弧形压缩室120的第二端124被密封，处于打开位置时弧形压缩室120的第二端124不密封，以允许活塞140在第二端124退出弧形压缩室120。
[0030] 为了密封膨胀室130，第二横向阀组件190包括第一膨胀室阀194，且第一横向阀组件180包括第二膨胀室阀184。第一膨胀室阀194位于弧形膨胀室130的第一端132。第二膨胀室阀184位于弧形膨胀室130的第二端134。第一膨胀室阀194能从关闭位置到打开位置移动，处于关闭位置时弧形膨胀室130在第一端132被密封，处于打开位置时弧形膨胀室130在第一端132不密封，以允许活塞140进入弧形膨胀室130。第二膨胀室阀184能从关闭位置到打开位置移动，处于关闭位置时弧形膨胀室130在第二端134被密封，处于打开位置时弧形膨胀室130在第二端134不密封，以允许活塞140在第二端134退出弧形膨胀室130。
[0031] 第一压缩室阀182，第二压缩室阀192，第一膨胀室阀194，以及第二膨胀室阀184各自可以设置有
接触部件186，例如辊，其适于配合转子170的凸轮表面172，并且通过与凸轮表面172形成的一个或多个特征如表面特征174相配合，来打开各自的阀。为了促进其与凸轮表面172的配合以及使阀偏向关闭位置，第一压缩室阀182，第二压缩室阀192，第一膨胀室阀194，以及第二膨胀室阀184可各自包括偏置元件188，例如
张力弹簧，其适于使各自的阀偏向关闭位置。
[0032] 图3示出旋转式内燃机100第一横向阀组件180的侧视图。由于第二横向阀组件190在结构上与第一横向阀组件180基本相似，对于图3所作的第一横向阀组件180的描述同样适用于第二横向阀组件190。
[0033] 第一压缩室阀182和第二压缩室阀192都包括上阀部分185和下阀部分187。上阀部分185和下阀部分187都大致成四分之一的球形，这使得第一压缩室阀182和第二压缩室阀192各自的上阀部分185和下阀部分187共同将第一压缩室阀182和第二压缩室阀192限定为大致成半球的形状。第一压缩室阀182和第二压缩室阀192的内部形状各自与活塞140的外部形状互补，因此，第一横向阀组件180的阀正时(valve timing)可以使活塞140与第二膨胀室阀184的内表面189之间的间隙在打开第二膨胀室阀184之前最小化。
同样地，第一压缩室阀182的内表面与活塞140外部之间的间隙可以在关闭第一压缩室阀
182时最小化。已经认识到，第一压缩室阀182和第二压缩室阀192的半球形状，非常适合分别将第一压缩室阀182和第二压缩室阀192与活塞140之间的间隙最小化，但应当理解，其它形状也可以用于第一压缩室阀182和第二压缩室阀192。
[0034] 如图4所示，活塞140从前端142到后端144延伸。活塞140的形状与弧形压缩室120和弧形膨胀室130，以及与每个第一横向阀组件180和第二横向阀组件190的阀的内表面189的形状互补。
[0035] 活塞140包括进给阀146和排出阀148。进给阀146位于活塞140的前端142上，排出阀148位于在活塞140的后端144上。进给阀146和排出阀148都与活塞140的内室150连通。进给阀146和排出阀148各自能独立地在打开位置和关闭位置间移动，而打开位置和关闭位置分别允许和阻止流体在活塞140的内室150和活塞外部之间的连通。
[0036] 进给阀146和排出阀148可以是任何合适类型的阀，其能够选择性地建立和破坏活塞140的内室150与活塞外部之间的连通。作为一个例子，进给阀146和排出阀148可以是
气动阀，其响应于活塞140外部的压力打开和关闭。例如，进给阀146可响应于靠近活塞140前端142位置处的高压状况而打开，排出阀148可响应于活塞140的内室150中的高压状况而打开。作为另一个例子，进给阀146和排出阀148可以是机械操作阀，其响应于凸轮机构(未示出)的操作而打开或关闭，该凸轮机构的操作依赖于活塞140分别相对于弧形压缩腔室120和弧形膨胀室130的位置。作为另一个例子，进给阀146和排出阀148可以是电操作阀，例如
电磁阀，当活塞在弧形压缩室120和弧形膨胀室130中运动期间，其被电控制以在预定点打开和关闭。其它类型的阀也可以被用作进给阀146和排出阀148。
[0037] 为了允许活塞140相对于外壳110密封，密封件152可设置在槽154内，槽154被限定在活塞140内并环绕活塞140延伸，使得密封件152相对于外壳110密封活塞140，从而把活塞140外部的与流体连通的前方区域和后方区域密封开来。密封件152可以具有内部扩口部分156，其以燕尾结构来扩宽槽154，使得当活塞140在弧形压缩室120和弧形膨胀室130之间运动时，密封件152保留在槽154内。
[0038] 活塞140可以包括置于内室中的点火源150。作为一个例子，火花产生
电极158可以设置在内室150内，用于选择性地引起内室150内可燃混合物的燃烧。在另一实现方式中，活塞140不包括点火源。例如，在一些实现方式中，可以通过加压对可燃混合物点火，类似于循环柴油发动机的操作。
[0039] 在一些实现方式中，活塞140包括燃料输送组件159。作为一个例子，燃料输送组件可以是或者包括通道，可沿着该通道输送燃料。作为另一个例子，燃料输送组件可以是或者包括
喷嘴、燃料喷射器和/或阀。从所述进入口引入可压缩性流体到弧形压缩室120中的实现方式中，可压缩性流体为不含燃料的氧化剂，并利用燃料输送组件159为活塞140的内室150提供燃料。作为一个例子，当活塞穿过压缩室120且入口阀146在打开位置以及出口阀148在关闭位置时，燃料可以提供给内室150。因此，由于可压缩流体被压缩到内室150，可压缩流体与燃料发生混合以形成可燃混合物，而对可压缩流体的加压导致燃料仍在活塞的内室150中。在可压缩流体包括燃料的实现方式中，燃料输送组件可以省略。
[0040] 为了使活塞140冷却，流体管道(未显示在图4中)可以设置在活塞140内相邻于内室150的位置，并且冷却流体例如液体冷却剂溶液或
水，可在流体管道中流通。
[0041] 现在参照图5A至图5B解释旋转式内燃机100的压缩/进入阶段。图5A示出在压缩/进入阶段开始时的旋转式内燃机100。活塞140位于弧形压缩室120中，且在弧形压缩室120的第一端122。第一压缩室阀182是关闭的，并且活塞140的后端144位于与第一压缩室阀182直接相邻的位置，使得活塞140和第一压缩室阀182之间存在的间隙最小。当活塞140进入弧形压缩室120时，可压缩流体在弧形压缩室120内，第一压缩室阀182关闭，第二压缩室阀192也关闭。当活塞140进入弧形压缩室120或活塞140穿过弧形压缩室120的运动过程中，活塞140的进给阀146打开。在活塞140进入弧形压缩室120之前，或活塞140进入弧形压缩室120时，或活塞140穿过弧形压缩室120时，活塞140的排出阀
148都关闭。当排出阀148移动到关闭位置后，活塞140在弧形压缩室120内运动时，位于弧形压缩室120内的可压缩流体被压缩且被强制送入活塞140。因为排出阀148是关闭的，活塞140相对于弧形压缩室120是密封的，可压缩流体被阻止从活塞140前端的弧形压缩室120区域进入活塞140后端的弧形压缩室120区域，从而可以促进压缩。在同一时间，附加量的可压缩流体通过进入口126被引入到活塞140后面的弧形压缩室120。
[0042] 如图5B所示，当活塞140位于弧形压缩室120的第二端124时，活塞140的前端142和第二压缩室阀192之间的间隙被限制为最小，活塞140的进给阀146关闭，从而可以限制住活塞140内室150中的可压缩流体，并且可压缩流体的附加量已被引入到弧形压缩室120中，以在下一次发生的压缩/进气阶段中使用。在此刻，通过把可燃混合物作为可压缩流体，或者是通过利用燃料输送组件159向活塞140的内室150提供燃料，并在压缩可压缩流体的过程中混合可压缩流体与燃料而形成可燃混合物，可燃混合物现在已经被设置在活塞140的内室150中。
[0043] 在压缩/进入阶段，第一压缩室阀182和第二压缩室阀192保持关闭，从而将弧形压缩室120与旋转式内燃机100包括弧形膨胀室130在内的其它部分的流体连通隔离。活塞140到达第二压缩室阀192时，第二压缩室阀192打开，第一膨胀室阀194也在随后打开，从而允许活塞140穿出弧形压缩室120并进入弧形膨胀室130。活塞140如此运动时，进给阀146和排出阀148是关闭的。
[0044] 以下参照图6A至6B解释旋转式内燃机100的膨胀/排出阶段。如图6A所示，活塞140在膨胀/排出阶段位于弧形膨胀室130的第一端132。当活塞140被定好位时，第一膨胀室阀194关闭，这样能确使其位于弧形膨胀室130内，且活塞140的后端144与第一膨胀室阀194之间建立的间隙最小。此时，第一膨胀室阀194和第二膨胀室阀184都是封闭的。
[0045] 可燃混合物的燃烧是在活塞进给阀146关闭后，在活塞140的内室150开始的。这可能发生在当活塞的前缘最接近其第二压缩室阀192的位置时，或发生在活塞进给阀146被关闭后而使可燃混合物在内室150被隔离后的任何点。这一事件的定时可以相对于特定燃料的火焰峰传播速度进行选择。随着活塞140被定位在弧形膨胀室130内，以及第一膨胀室阀194和第二膨胀室阀184都位于各自的关闭位置，活塞140的排出阀打开而活塞140的进给阀146仍然关闭。当可燃混合物在燃烧过程中膨胀，膨胀的燃烧气体作用在活塞内部并被强行压出活塞140的排出阀148。活塞140和第一膨胀室阀194之间的压力会导致旋转力施加到活塞140和转子170上，从而在弧形膨胀室130内推动活塞140。
[0046] 随着活塞140向弧形膨胀室130的第二端移动，先前由弧形膨胀室内的可燃混合物燃烧而产生的附加容积的燃烧气体位于活塞140的前部，并通过活塞的运动被压出弧形膨胀室130并进入排出口136，从而使燃烧气体可从旋转式内燃机100中移除并耗尽。
[0047] 当活塞140到达弧形膨胀室130的第二端134时，如图6B所示，活塞140的进给阀146打开，以便于将活塞内室150中在燃烧过程中产生的副产物去除。到此刻，第一膨胀室阀194和第二膨胀室阀184已位于其各自的关闭位置，使得弧形膨胀室130已与旋转式内燃机100的其他组件如弧形压缩室120隔离。当活塞140的前端和第二膨胀室阀184之间的间隙达到最小时，第二膨胀室阀184打开以允许活塞140从弧形膨胀室130退出。第一压缩室阀182随后打开，以允许活塞140进入弧形压缩室120，从而重新启动四冲程循环的动力产生程序。
[0048] 在另一实现方式中，以上描述的燃烧推进循环可以与将在此中要描述的冷却推进循环相结合。作为一个例子，可以进行三次
迭代的燃烧循环，随后进行冷却推进循环。每个类型的循环迭代次数可以调整，以适应不同的操作特性。
[0049] 除了旋转式内燃机100的四个循环操作，包括进入，压缩，膨胀，以及燃烧副产物的排出，第二膨胀循环可以通过某种物质例如水来冷却活塞。图7示出了可包含在旋转式内燃机100的活塞240。除了要在此注明的部分之外，活塞240与活塞140都相同。活塞240包括热交换室153和排出口155。在膨胀循环中，冷却物质在换热器153中膨胀，而换热器153在活塞240的内外壁之间形成。在一个例子中，冷却物质是液体冷却剂，例如水。
[0050] 当活塞140位于膨胀室130中时，冷却物质被引入换热器153。由于冷却物质将与燃烧阶段有关系的部件冷却，其会发生膨胀，来自膨胀的冷却物质的压力会作用于
热交换器153或活塞240的内部，且冷却物质会被压出排出口155。在另一个例子中，排出口155被去掉，膨胀的冷却物质从活塞140的排出阀148排出，在这样一个实现方式中换热器153如内室150一样打开和关闭。活塞140和第一膨胀室阀194之间的压力会导致旋转力施加在活塞140和转子170上，从而在弧形膨胀室130内驱动活塞140。另外，冷却物质可以直接注入到内部燃烧室150，并且通
过冷却物质膨胀而产生的推进可经活塞的排出阀148产生。
[0051] 虽然此中所做的描述与目前被认为最实际的和最优选的实施例相联系，但必须理解，
权利要求并不限于所披露的实施例，恰恰相反，其旨在
覆盖各种形式的
修改和等同的设置。
