顺序旋转活塞发动机 【技术领域】
本发明一般地涉及间歇内燃机，特别是涉及顺序旋转活塞发动机。
背景技术
热力发动机分成外燃式(工质与燃油空气混合物完全分离，并且来自燃烧产物的热通过安全壳或锅炉的壁传递)和内燃式，在内燃式热力发动机中，工质包括燃油空气混合物本身的燃烧产物。现今，往复内燃机和蒸汽机是使用最多的热力发动机，而燃气轮机只在高速飞机上广泛应用。
往复内燃机与其他类型的发动机相比其基本优点是在工质流中没有热交换，内燃机的部件可以在大大低于最大循环温度的温度下工作，发动机的重量和体积与最大输出的比例低(除机组大于10000马力的情况之外)，机械结构简单，以及冷却系统传输的热量少。
往复内燃机的优点在陆上运输行业中特别重要，在这种情况下发动机和燃料的重量和体积小总是最重要的。在现代文明中，使用内燃机的机组数目和总的额定功率远远大于所有其他发动机的总合。
往复内燃机可以追溯到1876年，在那年德国发动机先驱，NikolausOtto研制了火花点火发动机，而1892年Diesel发明了压缩点火发动机。从那时以来，由于我们关于发动机生产的知识的增加，新技术不断出现，对新型发动机的需求日益增长，发动机经历了不断的研发。
通常，在间歇式内燃机中，主要地活动部件称之为活塞，其在称之为气缸的圆柱形空腔中滑动。这种运动引起由该活塞和气缸形成的空腔的容积的变化，这用来进行两冲程循环或四冲程循环。
直线往复内燃机的另一种结构是旋转式结构。与往复运动相比，旋转式的优点主要是紧凑性、几何形状、重量和制造成本。
甚至在Otto的119年的想法之前，得到其第一个积极的结果，开发了诸如Ramell的泵的一些想法(在16世纪开发的Ramell的泵是这种类型的发动机最早的资料)。已经制造了许多这种类别的发动机，但是开发到能够大量生产程度的唯一一种是Wankle发动机(由日本的Mazda用于运动型汽车生产线)，其中，旋转部件设置成在非圆形的空间内由偏心运动改变工作容积。这种发动机最困难的问题是密封燃烧室防止泄漏而又没有过分的摩擦和磨损。这个问题比常规的活塞环困难的多，常规活塞环通常是“线接触”而不是面接触，并且被密封的面是不连续的，具有明显的拐角。Wankle发动机的确很小很轻并且与具有同样输出的常规发动机相比，具有较小的振动。但是没有生产成本低的迹象。就合理的使用寿命而言，密封问题似乎已经解决，但是有不可忽视的渗漏迹象。这一缺点和燃烧室的变细的形状，是造成与等效的常规发动机相比燃油经济性较差的主要原因。
在圆形气缸内圆形活塞旋转或往复运动的发动机的构思也已经被提出(如二十世纪六十年代Scott的Omega发动机，其中，活塞借助于曲轴和轴的复杂设置在圆形气缸内往复运动)。利用简单可靠的机械结构将这种活塞连接于输出轴的困难和涉及的密封密封表面的问题一起导致了放弃这种想法。
【发明内容】
本发明公开一种旋转发动机(rotary engine)，其包括静止的圆形空腔，该空腔具有将燃油和空气引入该空腔中的进气口和用于从该空腔排出燃烧产物的排气口。包括第一输出轴的第一传动系和包括第二输出轴的第二传动系部分地设置在该空腔内并且能够沿第一方向旋转。多个活塞绕该圆形空腔的周边设置并且在该第一和第二传动系之间。该多个活塞相对于该空腔是可运动的，并包括连接成随第一传动系旋转的第一组活塞和连接成随第二传动系旋转的第二组活塞。该多个活塞在其间形成多个工作室。多个工作室的第一个中的燃油空气混合物的燃烧使得气体燃料混合物通过进气口被引入到所述多个工作室的第二个，使得燃烧物质从该多个工作室的第三个排出，并且使得第一和第二传动系中的其中一个沿第一方向旋转。多个工作室的其中一个中的燃油空气混合物的随后的燃烧使得第一和第二传动系中的另一个沿第一方向旋转，该第一和第二传动系根据随后的燃烧交替运动。
【附图说明】
当结合附图考虑时，由于本发明的各种其他目的、特征和附带的优点将变得更好理解，因而能更充分地理解本发明的各种其他目的、特征和附带的优点，在附图中相同的附图标记在全部附图中表示相同的或相似的零部件。
图1是本发明的圆形旋转发动机的透视图；
图2是沿图1的2-2线截取的本发明的圆形旋转发动机的剖面图，示出了圆形空腔外壳以及一个包含在另一个轴中的轴；
图3是沿图1的3-3线截取的本发明的圆形旋转发动机的剖面图，示出了形成1/2圆形空腔的中心旋转部件，其他所有的元件用虚线示出；
图4是沿图3的箭头4的方向的本发明的圆形旋转发动机的分解图；
图5是沿图1的5-5线截取的本发明的圆形旋转发动机的剖面图，示出了中心旋转部件和外固定部件，其他所有的元件用虚线示出；
图5A是沿图1的5-5线截取的本发明的圆形旋转发动机的剖面图，示出了弹簧加载销；
图6是沿图5的箭头6的方向的本发明的圆形旋转发动机的旋转和固定部件的分解图；
图7是沿图1的7-7线截取的本发明的圆形旋转发动机的剖面图，示出了上外齿轮和内输出轴的连接；
图8是沿图7的箭头8的方向的本发明的圆形旋转发动机的第一传动系的前透视图；
图9是沿图1的9-9线截取的本发明的圆形旋转发动机的剖面图，示出了连接于外轴的下外齿轮和连接于上中心旋转部件的两个活塞；
图10是沿图9的箭头10的方向的本发明的圆形旋转发动机的第二传动系的前透视图；
图11是本发明的圆形旋转发动机的第一传动系和固定部件的透视图；
图11A是本发明的圆形旋转发动机的第一传动系和固定部件的透视图，示出了用于接纳弹簧加载销的孔口；
图12A是进气循环时第一工作室位置的示意图；
图12B是燃油空气混合物压缩时第一工作室位置的示意图；
图12C是燃烧循环时第一工作室位置的示意图；
图12D是排气循环时第一工作室位置的示意图；
图13是本发明的圆形旋转发动机的防反向机构的剖面图；
图14是本发明的圆形旋转发动机的动力上防反向机构的剖视图；
图14A是本发明的圆形旋转发动机的动力上防反向机构的俯视图；
图15是本发明的圆形旋转发动机的动力下防反向机构的俯视图；以及
图15A是本发明的圆形旋转发动机的动力下防反向机构的俯视图。
用于附图的附图标记定义如下：
10本发明的圆形旋转发动机
14外壳
15空腔
16下罩
18上罩
20上外齿轮
22下外齿轮
24内输出轴
26外输出轴
28动力上防反向机构
29上轴向保持器和旋转滑动面
30动力下防反向机构
31下轴向保持器和旋转滑动面
32上外固定部件
34下外固定部件
36上中心旋转部件
38下中心旋转部件
40圆形活塞
42润滑管
44排气口
46进气口
48火花塞定位腔
50火花塞
51内轴上的角度止动块
52外轴上的角度止动块
54弹簧加载销的主孔
55销的弹簧
56弹簧加载销的次孔
57销凹口内的边缘
58弹簧加载销
60动力下防反向机构底板上的凸起
62外壳下罩中的凹口
64上中心旋转部件中的槽
66上中心旋转部件的底边
68下中心旋转部件中的槽
70下中心旋转部件的顶边
72连接上和下外固定部件的销
74上外固定部件中的凹口
76下外固定部件中的凹口
76连接销的第一端
78连接销的第二端
80第一板
82第二板
84弹簧加载销
86下板
88上板
90表示上下防反向机构运动方向的箭头
92下板的顶边
94上板的槽
96从上板伸出的凸起
98从上防反向机构伸出的凸起
100上防反向机构的锯齿
102从下防反向机构伸出的凸起
104下防反向机构的锯齿
106表示活塞运动方向的箭头
【具体实施方式】
现在参考附图，在附图中相同的附图标记在全部附图中表示类似的元件。图1至图15A示出根据本发明的旋转发动机，总体上用数字10表示。
图1示出旋转发动机10的透视图。该旋转发动机10包括具有下罩16和上罩18的外壳14，用于安装旋转发动机10的静止和顺序运动的结构。内输出轴24和外输出轴26从该外壳14伸出并穿过上罩18。该内输出轴24延伸通过该外输出轴26。该内输出轴24的长度大于该外输出轴26的长度，使得该内输出轴24当定位成从该外输出轴26伸出时可以从该外输出轴的任何一侧伸出。该内输出轴24包括连接于其一端的上外齿轮20。防反向角度止动块51从该内输出轴24的一侧伸出。下外齿轮22设置在该外输出轴26的一端并且角度止动块52连接于下外齿轮22。下外齿轮22设置在上外齿轮20和外壳14的上罩18之间。
虽然在这里示出角度止动块的优选结构并予以描述，但是阅读了本说明书的本领域的普通技术人员将会理解，有多种其他结构可用于角度止动块，并且因此，这里所用的术语“用于停止该第一和第二传动系的运动的装置”应当解释为包括所有这种结构，只要它们能够实现停止该第一和第二传动系的运动的所希望的结果，并且因此，所有这种不同机构都被认为是这里所描述的装置的等同物。
沿图1的2-2线截取的旋转发动机10的剖面图示于图2。从该图可以看出，外壳14形成一空腔15。外输出轴26部分地延伸进入该空腔15，在这里它固定于动力上防反向机构28。内输出轴24完全伸进外壳14，在这里它固定于动力下防反向机构30。内输出轴24在该外输出轴26的任何一侧延伸通过该外输出轴26。设置在该动力上防反向机构28和动力下防反向机构30之间的分别是上、下中心旋转部件36和38。下中心旋转部件38连接成与内输出轴24一起旋转，以形成第一传动系。下中心旋转部件38接纳在下外固定部件34内并且下轴向保持器和旋转滑动面31连接于下外固定部件34并且设置在下外固定部件34和动力下防反向机构30之间。上中心旋转部件36连接成与外输出轴26一起旋转以形成第二传动系。上中心旋转部件36接纳在上外固定部件32内并且上轴向保持器和旋转滑动面29连接于上外固定部件32并设置在该上外固定部件32和动力上防反向机构28之间。
第一传动系清楚地示于图7和图8，并包括连接于第一和第二圆形活塞40的下中心旋转部件38，该第一和第二圆形活塞40被设置在下中心旋转部件38的相对两侧。下中心旋转部件38连接成与内输出轴24、上外齿轮20、内轴角度止动块51以及动力下防反向机构30一起旋转。动力下防反向机构30包括在与内输出轴24连接侧的相对的一侧上的凸起。该凸起60接纳在外壳14的下罩16中的凹口62内，用于将第一传动系在外壳14中保持在位。内输出轴24固定于下中心旋转部件38以与其一起旋转。上外齿轮20和内轴角度止动块51连接于内输出轴24并且因此也与下中心旋转部件38一起旋转。下中心旋转部件38包括围绕其顶面70周边延伸的槽68，用于接纳第一和第二圆形活塞40。
第二传动系清楚地示于图9和图10并包括连接于第三和第四圆形活塞40的上中心旋转部件36，该第三和第四圆形活塞40设置在上中心旋转部件36的相对两侧并且在第一和第二圆形活塞40之间。上中心旋转部件36连接成与外输出轴26、下外齿轮22、外轴角度止动块52以及动力上防反向机构28一起旋转。外输出轴26固定于上中心旋转部件36并与其一起旋转。下外齿轮22和外轴角度止动块52连接于外输出轴26并因此也与上中心旋转部件36一起旋转。上中心旋转部件36包括围绕其底面66周边延伸的槽64，用于接纳第三和第四活塞40。第一和第二传动系形成第一和第二刚性结构。下中心旋转部件38接纳在下外固定部件34内并且上中心旋转部件36接纳在上外固定部件32内。
上、下中心旋转部件36和38的定位示于图3和图4。图3是沿图1的3-3线截取的剖面图，用虚线示出圆形旋转发动机的其余部分。从这些图中可见，围绕上中心旋转部件36延伸的槽64与围绕下中心旋转部件38延伸的槽68对齐，用于在其中接纳第一、第二、第三和第四活塞。第一、第二、第三和第四活塞40围绕槽64和68定位并且基本上分开90°。润滑管42也延伸通过上、下中心旋转部件36和38的侧壁，用于润滑该槽，因而允许活塞40在其中滑动。
图6示出了设置在空腔15中的旋转和固定部件的分解图。第一、第二、第三和第四活塞40的定位从该图中也可以清楚地看到。凹口设置成延伸通过上外固定部件32、上中心旋转部件36、下中心旋转部件38和下外固定部件34中的每个，用于通过其接纳内输出轴24。组装时，延伸通过上外固定部件32、上中心旋转部件36、下中心旋转部件38和下外固定部件34的每个的凹口对齐并且内输出轴24设置成延伸通过对齐的凹口。第一槽64围绕上中心旋转部件36的底面66延伸，而第二槽68围绕下中心旋转部件38的顶面70延伸。第一、第二、第三和第四活塞40分别接纳在第一和第二槽64和68之间，这在图3和图4中清楚地看到。排气口44和进气口46沿上外固定部件32和下中心旋转部件34的顶面延伸。排气口44和进气口46从上外固定部件32和下外固定部件34两者的外侧壁分别向着位于它们以及上下中心旋转部件36和38的中心的凹口延伸。当组装该旋转发动机10时，上外固定部件32上的排气口44和进气口46与下外固定部件34上的排气口44和进气口46对齐。
上、下中心旋转部件36和38分别相对于上、下外固定部件32和34的定位示于图5和图5A。从这些图中可以看到，上、下中心旋转部件36和38分别设置在上、下外固定部件32和34的中心部分。上、下外固定部件32和34每个包括围绕其周边延伸的槽，用于在其中接纳第一、第二、第三和第四活塞40。活塞40设置在上、下中心旋转部件36和38和上、下外固定部件32和34之间。
上外固定部件36包括至少一个凹口72，而下外固定部件38也包括至少一个延伸经过它的凹口74。上、下外固定部件36和38设置成使得延伸通过它们的凹口对齐。弹簧加载销58延伸通过对齐的凹口用于将上、下外固定部件固定在一起。弹簧加载销58延伸通过上、下外固定部件32和34，从而使连接销58之一的第一端76被动力上防反向机构28所接纳，而连接销58之二的第二端78被动力下防反向机构30所接纳。延伸通过下外固定部件34的第一凹口在一侧包括用于在其内接纳弹簧55的主开口54和在该凹口相对的一端的次开口56，该凹口具有设置在其内的边缘57。弹簧55接纳在凹口的位于该边缘57和该主开口54之间的区域内，以对连接销58提供弹簧加载。延伸通过下外固定部件34的第二凹口整个具有均匀的尺寸。上外固定部件32还包括一个第一凹口，它在一侧具有在其内接纳弹簧55的主开口54和在该凹口相对的一端的次开口56，该凹口具有设置在其内的边缘57。弹簧55接纳在该凹口的位于该边缘57和该主开口54之间的区域内，以对连接销58提供弹簧加载。延伸通过上外固定部件32的第二凹口整个具有均匀的尺寸。组装该旋转发动机10时，下外固定部件34的第一凹口与上外固定部件32的第二凹口对齐，并且下外固定部件34的第二凹口与上外固定部件32的第一凹口对齐。组装时，在下外固定部件34的第一凹口中的弹簧55定位在边缘57和上外固定部件32的围绕延伸通过它的第二凹口周围的顶面之间，而在上外固定部件32的第一凹口中的弹簧55定位在边缘57和下外固定部件34的围绕延伸通过它的第二凹口的顶面之间。连接销58为动力上、下防反向机构28和30增加了稳定性。
图11和图11A示出接纳在下外固定部件34内的下中心旋转部件38。设置在下外固定部件34的顶面70的是排气口44和进气口46。匹配的排气口44和进气口46分别设置在上外固定部件32的底面，如图6所示。还设置空腔48用于接纳火花塞50，如图12A-12D所示。
防反向机构示于图13，其中上防反向机构28示于图14和图14A，而下防反向机构30示于图15和图15A，防反向机构防止旋转部件进入不适当的/非功能性的位置，一旦旋转部件到达特定的位置，该防反向机构将防止该旋转部件返回到原先的位置并确保工作室形成正确的顺序以正确地操作。图13示出上、下防反向机构28和30的线性模式，以示出其运行。图13示出表示第一和第二传动系的相互固定的第一和第二板80和82。图中示出弹簧加载销84接合于表示下防反向机构30的下板86。表示上防反向机构28的上板88接触第二板82。上板88和下板86都能够沿用90标记的箭头所示的方向移动。弹簧加载销84在垂直于上下板86和88的方向可以自由移动。下板86包括锯齿状的顶面92，当下板86沿箭头90所示方向移动时，该顶面92在弹簧加载销84上向着上板88施加力。上板88包括用于接纳弹簧加载销84的槽94和用于限制弹簧加载销84的运动的凸起96。当下板86沿箭头90所示的方向移动时，销84将支撑在顶面92的一个锯齿上，并最终接触凸起96。当达到形成该锯齿顶部的边缘时，销84将落在该边缘上并受压以便通过凸起96并移动进入该凸起96的另一侧上的槽98。一旦通过凸起96，将防止销84返回到它已经离开的槽并因此返回到原来的位置。只要上下板86和88继续转动这种运行将一直继续。上防反向机构28的俯视和侧视图示于图14和14A。下防反向机构30的俯视和侧视图示于图15和15A。这些图示出了用于四循环、四活塞发动机的槽。上防反向机构28包括凸起98和锯齿100，而下防反向机构30包括凸起102和锯齿104。
虽然在这里示出并描述了防反向机构的优选结构，但是阅读了本说明书的本领域的普通技术人员将会明白，有许多种其他结构可用于防反向机构，并且因此这里所用的术语“防止第一和第二传动系返回到原来位置的装置”应当解释为包括所有的这种结构，只要它们能够实现所希望的防止第一和第二传动系返回到原来位置的结果，并且因此所有这种可选机构被认为是这里所描述的装置的等同物。
下面将参考附图，具体参考图12A-12D描述旋转发动机10的运行，图12A-12D示出该发动机的一个完整循环。示于附图中的是四个活塞40，由四个活塞40的间隔形成的四个密封工作室，以及活塞与三个静止元件，即排气口44、进气口46和火花塞50的相互作用。
图12A示出循环的开始。活塞用A、B、C和D标记，并且由此形成的四个工作室用1、2、3和4标记，以便容易说明。相对的活塞A和C属于第一传动系，而相对的活塞B和D属于第二传动系。发动机10将沿顺时针方向旋转。活塞A、B、C和D的每个的角度尺寸为40度，排气口44和进气口46的角度尺寸为10度。工作室2和4的初始角度尺寸为90度，而工作室1和3的初始角度尺寸为10度。工作室1包含压缩的燃油和空气的混合物，工作室2包含低压废气并与排气口44连通，工作室3包含低压废气并与进气口46连通，而工作室4包含燃油和空气的低压混合物并且被气密地密封。
为了起动发动机，火花塞50将工作室1中的被压缩的空气和燃油的混合物点火，它在其内迅速地燃烧空气和燃油的混合物对活塞A和D施加压力。活塞D由于防反向机构而被防止运动，因而活塞A被迫沿箭头106标记的顺时针方向运动。由于活塞B和活塞D属于同一传动系，活塞B被防止运动。由于活塞C和活塞A属于同一传动系，活塞C与活塞A一沿起顺时针方向运动。
从图12B可以看到，工作室1与工作室3一道尺寸增加，而工作室2和4的尺寸相应地减小。由于工作室2收缩，其内的低压废气流过排气口44。由于工作室3膨胀，形成吸力以通过进气口46吸入新鲜的空气和燃油的混合物。工作室3的膨胀引起工作室4的收缩，从而压缩其内的空气和燃油的混合物并大大地增加其所提供的动力。由于活塞A和C顺时针运动，内输出轴24旋转，从而旋转上外齿轮20。
图12C示出一旦工作室1和3达到角度尺寸为90度时发动机的运行。此时，工作室2和4达到角度尺寸为10度。此时内轴角度止动块51接触外轴角度止动块52，防止第一传动系的进一步转动，并防止工作室的尺寸进一步变化。
此时，工作室已经旋转运动到前面的位置使得工作室1、2、3和4现在占据原来由工作室2、3、4和1分别所占有的位置，如图12D所示。工作室1现在包含低压燃烧过的气体，当该工作室收缩时这些低压燃烧过的气体流过排气口44。工作室2包含低压废气并且将当该工作室膨胀时被来自进气口46的新鲜的空气和燃油的混合物所填充。工作室3包括低压燃油空气混合物，当该工作室收缩时这些低压燃油空气混合物将被压缩，而工作室4包括将被火花塞点火并燃烧的已经压缩的空气燃油混合物。当火花塞50点火时，活塞A和C由于压力和防反向机构的作用将被迫保持在位。活塞B和D将由燃油空气混合物的燃烧所引起的工作室4内的压力增加而被迫顺时针运动。活塞B和D的运动引起第二传动系旋转，导致外输出轴26向下外齿轮22施加旋转力。当起角度止动块51和52接触时外输出轴26和下外齿轮22的旋转将停止。由于第一和第二传动系被防止沿反时针方向运动，第一和第二传动系的这种顺序的运动将继续下去。
从上面描述可以看出，与往复式线性内燃机相比，通过提供较小的、较轻的、更加完全没有振动的、较廉价的、机械机结构较简单的旋转发动机，本发明的旋转发动机能够克服现有技术装置的缺点。圆形旋转发动机包括简单的控制机构，滑动表面的可接受的密封件，以及圆形活塞和输出轴之间的可靠的简单的连接。该圆形旋转发动机也能适合具有火花塞点火或压缩点火系统的两冲程或四冲程循环。而且，本发明的旋转发动机简单，容易使用，并且制造成本经济。