轴向活塞转子发动机 本发明的技术领域
本发明涉及转子内燃发动机，特别是涉及到与许多目前开发的转子发动机具有不同基本原理的一种发动机。
背景技术
最近一些年来，已经设计的转子发动机的最通用类型是使用具有沿径向设置的、其中带有活塞的各气缸的转动气缸体，活塞的外端相对于导引轨道可以运动，例如德国波达(Bodda)第619,955号的技术说明书和许多美国专利如第4,003,351号、第4,023,536号和第4,974,553号所显示的那样。对这种类型的转子发动机的领域作出了有用贡献的这几个申请都有非常复杂地设计细节，包括对其操作极其重要的一些合适的辅助装置，例如为每个气缸和活塞周期性地将空气和燃料引入燃烧室的装置；使各自燃烧室内压缩空气和燃油混合物燃烧的装置；以及允许周期地排出空气和燃油燃烧产物的装置。
我们最近开发了上述一般类型的一种径向活塞型转子发动机，如我们的澳大利亚临时专利申请第PN6474号所公开的那样，我们相信它比具有径向活塞的转子发动机的当前一些申请具有许多优点。
不过，我们在发动机的这个目前热门的领域中的开发工作，已使我们研究了转子发动机的另一种类型，这种类型其气缸是围绕中心轴线等距排列的，活塞互相平行并与该轴线平行，为各活塞装设了驱动装置，从而它们与凸轮轨道装置相配合，凸轮轨道装置将使转子组件转动以驱动输出轴。可以在美国专利技术说明书，例如安扎隆(Anzalone)的第4,287,858号，张(Chang)的第4,250,283号和克里斯蒂森(Kristiansen)的第4,022,167号中找到平行气缸转子发动机的这种基本类型的各个例子。但是所有这些机器都有非常笨重的结构，活塞需要精细的安装和引导，从而使装配过分地长。当共同作用的凸轮装置装设在设备中间时，如专利第4,287,858号那样，尤其如此。在应用几个活塞的地方，每个都独立安装，所有通常的活塞裙体和轴向引导装置都必须装设，从而使组件很重、很笨和成本高昂。将会注意到，许多公开的内容可在先前公开的技术说明书中得到，从而不必在我们本申请的相应装置的详述中占有一定的篇幅，虽然这些装置在我们的辅助机构中同样是需要的，从而使本说明书可以集中在主要的原理、差别和各个方面。
本发明的设计目的是要克服或减轻已知类型发动机现有所遇到的问题，已知类型发动机的各活塞轴线互相平行并围绕中心轴线排列；本发明的主要目的是，提供一种新的驱动装置，它将保证使用相对较短的气缸和活塞而得到最大的效率。
本发明的另一个目标是，提供这样一种发动机，即它将是重量轻、尺寸小，而且包括的零件数目最少，特别是易损件。
本发明还有一个目标是，提供这样一种发动机，即它可用汽油或任何一种可燃的燃油运行，并特别适合于缓慢燃烧的燃油，如柴油。
本发明还有一个目标是，提供上述类型的一种转子发动机，从而将可燃烧所有的燃料，以获得最大的经济效果和减小废气排放。本发明的其他各项目标和优点在下面将会很清楚。
本发明的公开
考虑到上述和其他的目标，按照一个方面本发明主要属于这种类型的转子内燃发动机，以安装的各活塞在相应的各气缸内作往复运动，气缸围绕纵向转动轴线成等距排列，所述轴线是输出轴的转动轴线，输出轴可转动地和可密封地通过箱体相应的第一和第二端部板中的孔眼，活塞和气缸在箱体内运动，作为固定在输出轴的可转动转子组件的一部分，而各活塞可在气缸内同时作往复运动，凸轮随动装置与每个活塞相连，并适合于与围绕箱体的波浪形凸轮轨道装置共同作用，装设了一种装置，用于把可燃的燃油传送到气缸筒可操作端和用于把废气从气缸的气缸筒可操作端排放出去，从而所述气缸筒内所述燃料的周期燃烧会使活塞产生往复运动以及对凸轮轨道装置的合成推力，以致使转子组件和输出轴转动；其特征在于，活塞包括两组，每组至少有两个活塞，每组活塞在转子组件和输出轴的转动轴线的对置两侧，并由活塞连接装置相互连接，从而使每组活塞运动协调一致，各部件是这样制造和排列的，即活塞凸轮随动装置以某各种方式与凸轮轨道机构共同作用，以确保任何一组活塞在它们气缸内的运动方向与另一组活塞的运动方向相反。
每组活塞最好具有活塞安装板形式的活塞连接装置，安装板具有输出轴伸出的孔眼，这样装设的装置使活塞安装板作为转子组件的一部分可驱动地与输出轴连接，并允许它沿着所述轴线方向作受到导引的滑动，以允许它的各活塞在它们的气缸内运动。
在某些实施方案中，使每个活塞安装板能与输出轴可驱动地连接的装置包括沿着输出轴的各纵向花键棱条，它们可滑动地而又可转动地与所述安装板孔眼周围的相应各周边沟槽啮合。在另一些实施方案中，使每个活塞安装板能与输出轴可驱动地连接的装置包括安装板中朝向它对置两端的各导引孔眼，适合可滑动地接纳与输出轴平行设置的各导引销的自由端，而它们的另一端刚性地连接于构成转子组件一部分并固定于输出轴的驱动板装置。
发动机可以有任何所希望的气缸数，但一般每个安装板有3个、4个，或更多个相对于输出轴沿径向伸展的臂杆部分，各自具有刚性安装在它的外端处的活塞，每组活塞等距间隔开来，各邻近的活塞之间带有间隙，从而一组活塞与它们相应的间隔开来的气缸相套合时，另一组活塞与它们相应的气缸相套合，这些气缸中，每个气缸位于第一组相邻各气缸的中间，所有气缸都具有相对于所述转动轴线沿纵向对齐的接受燃油的操作端。在这样的结构中最好每个气缸包括可拆卸地固定在转子组件的气缸体部分上的气缸件，输出轴有固定装置，因而可以用销子或其他方式把它固定在转子组件的所述气缸体部分上。
就考虑到的凸轮装置来说，凸轮转动装置最好包括安装在它的相应活塞上的滚轮，围绕与所述输出轴轴线成直角的轴线在它的气缸筒的非操作端处转动，所有活塞的滚轮与所述输出轴轴线的距离都相等，凸轮轨道装置是安装在箱体所述第一端部板内面上的一个环，该板是发动机的驱动端，输出轴在该处伸展，从而能用它作为驱动轴。
在一个优选实施方案中，第一端部板具有各外部开口，其中装设固定的孔口装置，适用于对准转子组件上各相应的活动孔口，以允许燃油进入气缸筒的可操作端，第一端部板处在发动机的吸入和排气端，构成燃油注入装置、火花塞或相当装置和排气出口装置的安装板。
还有最好是，第一端部板有一对沿径向对置的火花塞组成所述火花塞或相当装置，一对沿径向对置的喷油器组件组成所述燃油注入器装置，一对沿径向对置的排气出口组成所述排气出口装置，所有所述各对都配置得具有等距间距，以便与各气缸孔口共同作用而使活塞能有连续吸气、压缩、作功和排气功能。
为了适当冷却发动机，发动机吸气和排气端的输出轴端部是中空的，以提供冷却剂进入装置，所述轴与转子组件刚性连接，并具有从它的中空内部到每个气缸外部周边的入口通道，用来冷却气缸，转子组件具有装设密封装置的冷却剂收集装置，从而使用过的冷却剂可从转子组件返回到第二端部板，该板装有冷却剂出口装置。
在某些实施方案中，每个气缸适合于通过一入口接纳燃油，该入口适合于与转子组件一起旋转，通过在与输出轴轴线垂直的平面之内的面对面滑动接触，与固定箱体内相应的孔口对齐，通过一环形密封圈实现各面之间的密封，该密封圈用来在它的下表面与气缸孔口凹槽之间压住一个弹性抗热圈，抗热圈与孔口内表面的距离基本上等于该密封圈上部凹入表面的宽度，以便能够平衡由气缸入口中的压力所施加的作用力。另一种是，可由一环形密封圈实现各面之间的密封，密封圈具有一内部凹槽，槽内包含一可倾斜的弹簧钢或类似材料的圈，适合于在压力下密封该凹槽边缘并使该密封圈的密封效果最大。
本发明还包括各种结构，如箱体具有第一和第二凸轮轨道装置，分别与第一和第二端部板相连，转子组件具有第一凸轮随动装置，与第一端部板共同作用而与活塞的往复运动相关，并具有第二凸轮随动装置，与第二端部板共同作用而与气缸的往复运动相关。在这样的结构中，第一和第二凸轮随动装置两者由滚轮适当组成，滚轮可围绕与输出轴的转动轴线成直角的轴线转动。
在大多数实施方案中，箱体适合于包括一基本圆筒形的壳体，壳体在两个箱体端部板之间并与其可密封地连接，端部板从转动轴线的方向看基本是圆形的。本发明的其他特点从下面的附图和描述中将会很清楚。
附图的简单描述
为了能更容易理解本发明并进行实施，现在参考各附图，其中：
图1是按照本发明发动机的一种形式的基本部件(以分离方式)的剖面或正面的草图或示意图，为了简化，省略了某些部件；
图2是与图1相似的图，但显示一种改进的发动机，在每一端而不是仅仅在一端具有间隔开来的对置的凸轮轨道机构；
图3图解说明设计细节，其中应用花键式的中心轴或输出轴，显示与轴承和端部板的关系；
图4示意说明结合转动的各冲程的操作，如图所示当向下看装置时，转动是顺时针的；
图5显示驱动力的比较波形，在相同的气缸筒和冲程下，依照的是按照先有技术的曲柄驱动发动机和本发明的凸轮驱动装置之间的扭矩对比；
图6是与图1相似的横剖面图，但更详细显示各活塞安装板、在下部板上的各活塞正在压缩和排气、在上部板上的各活塞刚刚完成做功和吸气冲程，可以理解，顶部端板有由旋转阀系统同步的孔口(没有显示在这个图或在图1和2中)，用于燃油、空气，排气和点火，如图5清楚表示那样；
图7，8和9分别是活塞的端视图和下活塞板的侧视图，以及上活塞板的侧视图；
图10是按照本发明设想的另一种设计的视图，部分已被切除，显示上活塞和下活塞机构、在它们各自的活塞安装板上的每一组4个活塞、当上活塞向下运动时下活塞可以向上运动等等，中心轴是花键式的；
图11是按照本发明发动机的优选实施方案的横剖面图；
图12显示，沿着转动轴线的方向看，发动机的吸入和排气端；
图13和14分别显示发动机输出轴的轴向视图和横剖面图；
图15显示发动机装置的轴向视图，在其对置两端具有各活塞(未显示)；
图16显示横剖的气缸安装板；
图17是从图16说明的板的下面看的轴向视图；
图18和19分别显示上活塞板的横剖面图和轴向视图；
图20显示横剖面的下活塞板；
图21是与图20相应的轴向视图；
图22和23分别是在发动机驱动端处端部板的轴向视图和剖面图；
图24显示孔口密封件的轴向视图，该件包括在图11中；
图25是装设图11所示密封件的放大图；
图26是与图25相对应的图，但显示密封装置的另一种形式，和
图27和28分别显示在图1至25中发动机吸入/排气端部板的横剖面图和轴向视图。
实施本发明的最佳模式
虽然，图1至10是以简单的形式使人们能够容易理解主要的原理，但应该认为，它们主要是示意性的，许多部件都被省略了，而后面参考图11至26所作的描述包括更为具体的结构。如图1最初显示的那样，发动机包括总体由10表示的箱体，它具有一圆筒形壳体部分11，可密封地连接在各圆形端部板之间，各端部板包括第一或驱动端部板12和第二或吸入/排气端部板13，端部板13有几个孔口(未显示)用于燃油进入和排气，以及适合装设火花塞或引火塞装置。该设计适合于冷却剂供应到围绕14所示气缸的整个中心系统，然后从箱体10的周边以离心方式排出。此图显示转子组件16的气缸装置15的两个气缸14，转子组件通过它与输出轴17操作连接可在箱体10内转动，输出轴枢轴式地安装在第二端部板13的轴承18和第一端部板12的轴承19之中。
将可看到，各气缸14可接纳各活塞20，这些活塞20，由于它们由带有等距分布的滚柱轴承或滚轮22的活塞安装板21连接起来，而滚柱轴承或滚轮适合与波浪形的凸轮轨道23的低和高的凸轮部分相啮合、凸轮轨道又固定在第一或驱动端部板12或构成该板的一部分，所以，可以协调一致地运动。在这个实施例中，输出轴17通过花键与安装板21中轴17穿之而过的开口周围的外部沟槽相啮合，以致板21可以被驱动，从而也可沿着轴17作轴向滑动。
图1图解说明该系统的基本操作，各活塞20可以平行于输出轴17轴线而移动，并在凸轮轨道23将各活塞20推入压缩冲程之后，点火动作将推动各活塞20再次向下并保持在它们的气缸14之间，各滚轮22则始终保持与波浪形凸轮轨道23表面接触，其它活塞也被带向下方形成它们的吸入冲程。然后凸轮轨道23推动各活塞又返回它们的气缸，两个在排气冲程和两个在压缩冲程，这个过程不断重复，以致各活塞和气缸以预定的方向转动，并使输出轴17转动而输出功率。第二对活塞(未显示)构成图1的4气缸排列，同样通过安装板(未显示)连接以使运动协调一致，4气缸等距地围绕在转动轴线周围。
图2显示一种修改的装置，在刚描述的各部件中，只用装设凸轮的端部板24代替图1的端部板13，而且凸轮轨道25与带有气缸的、因而与图1的装置15不同的装置27上的各滚轮26相啮合。自然，在这个实施方案中，带有气缸的装置27也可在输出轴花键连接部分上滑动，以允许凸轮作用于两组滚轮22和26。
这个具有平行气缸14的一般系统的优点是，与先有技术比较，它不需要离心力以使各活塞复位，不需要弹簧，以及不需要双轨道以推动滚轮进出。凸轮轨道一起推动所有的活塞，两个在压缩，使滚轮保持与轨道牢靠接触，另外两个在这时将由于点火塞或火花塞装置点火时活塞与气缸之间的轴向相对运动而通过与气缸对齐的孔口排气(尽管很清楚，本发明不局限于仅用4个活塞)。两个活塞在做功冲程上协调运动，其他两个在吸入冲程上协调运动，其原因在于，在各凸轮状表面上的驱动力产生转动力，致使刚刚完成点火的两个活塞回复到排气冲程，另外两个在压缩冲程。该过程不断重复，以致有4个活塞前后运动。为了平衡，这些气缸进行与活塞相反的前后运动。
在箱体每一端都装设凸轮系统的图2实施方案中，扭矩和冲程将加倍。但是，入口设在箱体的周边将比较合适，以在箱体的各侧进入转动的气缸体，通过油或其他合适的冷却剂进行冷却。显然，连接起来的各活塞将确保，一组沿一个方向运动，而另一组沿相反的方向运动，当然两组以相同的方向转动。
虽然为了达到上述的结果可以进行许多修改，但其基本特点是，每组活塞可以与它们的安装板做成一个整体而没有活动的部件。在最简单的实施方案中我们可使4个活塞点火，每个活塞直径为4英寸，冲程约1.3英寸。每转点火两次等于在扭转力矩等于350-CI-V8发动机的三倍的情况下每转点火8次。这给予我们2-1的对比扭矩，即在一转中我们得到的是通常V-8发动机中两转中才能得到的扭矩。这也可用1/4的每分钟转数(rpm)得到，我们发动机的1000转/分等于V-8发动机的4000转/分。这意味着我们有350V-8两倍的扭矩，还有，可以计算出，我们所用的燃油以可比单位计仅为1/3，这仅仅因为达到相同的结果我们需要的吸入只是1/3。
本发明还有的优点是，整个冲程都有扭矩，而且零部件减少，因为这里没有连杆，没有活塞销，没有大端轴承，没有转臂，没有推杆，没有阀挺杆，没有齿轮和没有曲柄。这里有两个主轴承在各端部板处，从图1和2清楚可见，每个活塞板一般有4个凸轮滚柱轴承，但其数目将按照高和低凸轮表面数或凸轮数和每转点火的总数而改变。这些轴承和滚轮是对各运动部件提供支持的全部零部件。将会很清楚，不需要油压，也不需要冷却剂泵，因为该装置可以以离心方式引入冷却剂。与发动机中目前的真空问题相比较，我们的机器设计为恒定的部分泄放，因而各空间有意用排出的气体充满以除去不希望吸入的燃油或空气。通过与350V-8发动机比较估计出，我们发动机的外形尺寸，如果需要，可在12英寸直径乘以6英寸轴向尺寸的范围之内。希望发动机的优选形式将应用8个气缸，每4个气缸一组，共两组，即使在图10示意表示的小型装置上也能达到优良的结果，图10所示为“下”板28的活塞板有4个径向臂杆29，每个安装一个活塞30，而“上”板31被切除，以致只能显示其两个活塞32，并显示在一侧上邻近的各下部活塞之间的两个间隙33。图10中的中心轴34将具有各式花键以允许板28和31沿着它滑动。
对活塞20的基本要求显示在图6至9中，它们显示了各上活塞板35和各下板36的细节，每个活塞20有圆筒形的操作端37，装有各活塞圈(未显示)，而它的非操作端有滚轮销38，在与输出轴轴线成直角的轴线上，以及一滚轮22。该设计允许在运行时很容易控制发动机的容量，这取决于在任一时刻所承担的负荷，例如在加速或常速时。还有，活塞的停顿可以设定持续任何时间，并可按照运行时发动机每分钟的转速予以改变，就象吸入和相关各功能的孔口设置全都可以予以改变一样。
还有一个优点是，各活塞在它们的气缸内不需要支承，因为在任何时候活塞的任何部分(不包括它的各活塞环)不会接触气缸壁部，因而气缸可以做成最小长度，只需要对活塞冲程和密封圈和所需压盖空间具有足够长度就行。因为每个活塞与一安装板成一整体，不需要支承裙板，所以不需要耳轴，或直杆，或转臂或任何种类的类似物。也因为每个活塞与它的安装板和同组的其他各活塞成一整体，各活塞在气缸中是与同一板上的所有其他活塞一道运动的，所以不需要装设在发动机运行时把各活塞滚轮保持在凸轮表面的装置，例如在凸轮轨道下装设滚轮以在吸入冲程时引导在气缸外面的活塞。当一组的两个活塞点火使它们沿气缸筒向下运动时，在同一板上的另外两个活塞自然也沿气缸筒向下运动，但这是它们的吸入冲程，等等。
图11至26所示的本发明优选实施方案，已经设计成包括上述的所有优点，体现了即使在某些情况下是任由选择的许多改进措施，例如使用弹簧装置以帮助活塞离开气缸的操作端的初始运动，而提高起动性能，在发动机运行后这是不需要的。如这些附图所示，箱体50具有圆形的吸入/排气端部板51，固定在气缸机壳52上，机壳通过各螺栓53与驱动端部板54连接。有一可转动的中心输出轴55，它具有中空管形端56，适合接纳冷却剂，轴55具有中间的固定用轴环板57和在它的另一端或驱动端有直径减小的实心部分58，在末端是直径进一步减小和带螺纹的部分59，用于锁紧螺母的连接。
轴55的端部59通过所述锁紧螺母连接被接纳和锁紧在夹紧管60内，所述管60在驱动端部板54的开口62中的轴承61内可以转动，在63处装设油密封，夹紧管60的内端与驱动板64成一整体，驱动板64可在环形波浪状凸轮轨道65之内的空间里转动，凸轮轨道通过螺栓47固定于端部板54的内表面。直驱动销钉49从驱动板64向内伸展，适合可滑动地嵌合在下活塞板67的孔眼66中的直衬套48之内，从而约束下活塞板67与驱动板64一起转动，同时可相对于驱动板64作轴向滑动。各弹簧导杆68也从驱动板64向内伸展，在它们的上端有压缩弹簧46，其作用是迫使活塞板67离开气缸体69以帮助发动机初始起动。
环形凸轮轨道65在高和低部分之间呈波浪形，在对置两侧处高度是一样的，各活塞70以与凸轮轨道部分距离相等地刚性地安装在对置两侧，凸轮滚轮71与凸轮轨道部分相靠合，每个凸轮滚轮可转动地安装在凸轮销72上，销72的轴线与输出轴55的轴线成直角，各活塞70的操作端具有活塞圈73，嵌合在相应气缸75的气缸筒74之中，各气缸75由固定在气缸体77中的可拆卸的气缸套筒76所固定，气缸体77是总的转子组件78的一部分，并与驱动轴或输出轴55一起转动。如图11所示，这里还有一块上活塞板79，在朝着下活塞板67的入口一侧的空间内沿着输出轴55可往复来回移动，对两块板67和79来说，活塞排列是相同的，每板有在各径向臂杆80端部处等距间隔开来的4个活塞70，在连续一圈气缸75中一组活塞与另一组活塞是交替的。每个活塞有顶盖81，密封它的操作端并适合经受操作中燃烧的气体。
排气/吸入端部板51(所述顶部板)为图12显示的外部元件提供安装板，外部元件安排在一圈气缸开口或孔口82(见图11和其他)上面，并包括对置的火花塞83，如图所示，有导线连到线圈；对置的喷油器84、对置的排气出口和管线85；输出轴55的冷却剂入口87的供应管线86；以及冷却剂出口和管线88，在89处显示电子点火的电极头，并在90处显示通过PCV(曲轴箱强制通风)阀连接到喷油器的真空软管。图13显示驱动端部板54的吸入和排气口91和92，而图14图示它的硬密封面93和用于夹持在可转动气缸体77附近的冷却剂收集器45的凹槽部分94，凹槽部分具有各开口以通过与各腔室96相连通的各通道95接纳使用过的冷却剂，各腔室96用于使冷却剂围绕各气缸套筒76循环，冷却剂从输出轴55的中空端部56通过各径向通道97穿过气缸体77供应到所述各腔室96。在98和99处显示两个油密封以防止冷却剂到达各气缸孔口82。
该顶部板79具有带螺纹的中心孔眼100，有螺纹的主体间隙调整套筒101拧入该孔眼内，套筒101包围输出轴55的止推轴承102，输出轴具有通过各销钉103固定于气缸体77的其固定轴环57。顶盖件104靠螺纹拧入到调整套筒101，以便封围油密封105和围绕输出轴的锁紧螺母106。
当气缸体转动时，在各气缸孔口82保持密封的方式从附图中将会看得很清楚，图11中的各元件放大显示在图24和25中，引向气缸75的每个孔口82具有密封环107，配有平直段108以防止转动，一并配有压力凹槽109和顶部密封面110，以便摩擦接触顶部板51的固定面111。孔口82的边缘是凹下的，使得VITON牌O型圈112被密封环107的内突缘以这样的方式压缩，即压力凹槽表面109由相等的下表面113予以补偿。设计这个密封使得不管存在着什么气体压力都可以对密封表面产生最小压力，从而因摩擦和热量最小而具有较长的寿命。
另一种密封装置显示在图26中，其中在凹槽115中保持一个可倾斜的圈114，该圈可向外朝着孔口附近的斜面边缘移动，此推力圈作为一种密封以防止气体泄漏，并做成所希望的斜面或角度以保证没有回复作用。这个实施方案的密封环116的其他方面与针对图24和25的环10所述的相同。
将会发现，与顶盖件104相关联的锁紧螺母装置在调整密封间隙方面是非常有效的能满足各种需要，但如前述那样，在直杆68处的导引弹簧和弹簧46对发动机的运行并不是必不可少的，仅对帮助起动有用，因为第一次点火需要它们迫使活塞板移向凸轮轨道。如果需要，弹簧也可由液压或气动装置代替。
将会发现，描述的发动机非常有效地达到本发明设计的各项目标。它也可作为带有适当孔口的两冲程发动机来运行，不管与增压机组合与否。该发动机也可用作柴油4冲程或2冲程或增压机等。无论发动机是正在运行还是已经停止，通过把凸轮轨道或转动的气缸体(转子组件)移动得互相更加靠近或离开，都可改变压缩比，以便达到最佳经济效果和在整个操作范围内的特定负载条件下的最大功率，或者为了使发动机在使用随意的另外各种燃油的情况下运行。由于如下事实，即这里没有一条象在曲柄轴发动机情况下那样的预定的限定发动机的路径，因而有可能在它运行或停止时改变发动机的立方容积，所获得的经济效果和功率优点是很明显的。发动机没有任何部件需要油压支承，因此不需要压力，由于它的交变压力，发动机可以不需要任何泵或运动部件的帮助而将油分配到它的各运动部件。
提出的各种各样设计修改将说明，各实施方案仅是示例，对熟悉本技术的人们将很容易明白，可以进行各种进一步的修改而不会背离如附录的权利要求书所定义的本发明的领域和范围。