内燃机 本发明涉及根据四冲程原理运行的内燃机。
尽管在用于非轨道道路的车辆的发动机在技术上进步很大，但使用最广的内燃机还是四冲程曲轴活塞内燃机，特别是奥托和狄塞尔内燃机，已久为人知。当然这些发动机历年来改进颇大，但其原理包含着若干很难克服或无法克服的缺点。奥托内燃机的缺点如下：压缩比和膨胀比相等，因而理论效率比较低；活塞到达上死点之前混合气体就点火，因此质量效率较低；压缩和膨胀在活塞同一侧进行由于强的热交换而造成热及能量损失大，所以质量效率较低；由于负荷减少，摩擦损耗却不变，因而发动机处于低负荷状态下的机械效率较低；难以实现汽缸的分离，奥托内燃机也很难与电动机结合使用。
汪克尔内燃机是避免奥托内燃机若干缺点的一种尝试，特别是避免与活塞往复运动有关和与阀门机构有关的那些缺点，但是这种内燃机也未能取代奥托内燃机。
本发明的目的是提供一种克服了上述缺点，至少是上述缺点大为减少地新型内燃机。
为实现本发明的目的，本发明提供了一种根据四冲程原理工作的内燃机，该机具有：其内部有转子运转区的壳体：在转子运转区内最好至少有一对规则地沿圆周隔开的燃烧室；在转子运转区内真正绕转子轴线旋转的转子，所述转子的形状是非圆形、最好至少有两个沿圆周间隔的凸轮；位于转子周边在转子与转子运转区之间形成密封的密封装置；适于与燃烧室相通的进气道和排气道；与转子的凸轮配合对各对燃烧室把转子和壳体之间的区域分为四个不断变化着的，供四冲程过程的四个冲程在其内进行的空间的阀门装置。
此种内燃机的优点如下：
由于使用真正作旋转运动而不靠于壁上的转子，摩擦损耗极小。除了轴承之外产生的摩擦损失就只有必要的密封和阀门装置运动引起的运动与摩擦损失了。
在设计阶段选定转子上的凸轮的周边宽度就可以确定转子或多或少产生上死点的转子的角度转动，其中可点火及建立压力而不会产生被推动活塞或转子倒退而作负功。
把阀门装置锁定于较上面的位置，可以关断转子的燃烧循环，使转子只是像飞轮一样旋转。如果没有气体的作用力，这样密封装置的摩擦只是一种最小的机械损失，如果使用间隔接触密封，密封装置就什么摩擦阻力也没有。
由于阀门装置的工作造成的定时在任何转速下都是最佳的，所以扫气是最佳的，混合气体的流入和排出不在燃烧室内进行，避免了进入的和排出的气体之间的接触(阀门不重叠，没有逆火的危险)。根据实施例的情况，进气道和排气道可以延伸展于转子的整个宽度范围内，因而燃烧室的充气合适。
此种内燃机与奥托内燃机相比，转矩趋向更为平稳。机型简单只有一个转子两个相对的燃烧室，因而每转180°只有一次燃烧，相当于1个4缸4冲程的奥托内燃机。
因为转子分为冷热两面，所以压缩比和膨胀比可以通过使转子形状不对称和/或凸轮间隔不一致的办法独立选定，这样就有了提高理论效率的可能。
本发明的内燃机非常适合与电动机结合，从而进行混合驱动。这两种机器结合使用时，如果阀装置不工作，转子可以作为飞轮随电动机旋转。在需要内燃机接替电动机驱动时，将阀门装置投入工作即可，但应该注意做到点火和喷入燃料恰当，使驱动转换平稳。此外这种内燃机，跟电动机一样，大致是圆形的，其直径也可根据各自电动机的大小适当选择。
本发明的内燃机如果有一个在转子低负荷期间把压缩阀门稍稍上提，离开转子的装置，空气可以从机器内部的压缩空间吸入而不是从几乎关闭了的节流阀从空气中吸入而遭到大的阻力，那么低负荷时的效率还可以进一步提高。
下面参照本发明的内燃机各实施例的附图以举例的方法对本发明作进一步说明。
图1a-h以示意的剖视图示出内燃机运行中八个不同的位置。
图2a-h以同样的剖视图示出本发明内燃机另一可供选择的实施例的四个位置。
图3是沿图2a的III-III线剖开的剖面图。
图4、5、6是沿图3III-III，V-V和VI-VI线的剖面图。
图7是本发明内燃机另一可供选择的实施例的放大了的局部剖面图。
图8是显示又一可供选择实施例的大体与图7相当的剖面图。
图9是沿图8IX-IX线剖开的剖面图。
图10是图8的比例稍小一些的部分剖面的底视图。
图11是图8中本发明内燃机实施例的局部剖面图。
图12和13分别是沿图11中XII-XII和XIII-XIII线剖开的示意局部剖面图，但比例较小，其中剖面图的左部示出与右部所显示的转子之部分径向相反的转子部分；视图的右部相应于图11的剖面线。
图14示意地示出本发明内燃机的一个典型的实施例，转子在轴向上分隔为压缩部分和膨胀部分，图的左边分别显示了转子相应部分的横剖面形状。
图15是图14实施例中的内燃机的局部剖面图。
图16和图17是与图14相应的示图，示出转子作轴向分隔的另一些实施例。
图1是本发明内燃机的非常简单的设计。此内燃机有一个壳体，这里只简单地予以表示，其内设有转子运转区2。除了两个相对配置的燃烧室3、4之外，转子运转区为圆桶形，其轴线垂直于图平面。正如上面提到的那样，在本实施例中，在转子运转区内有一对沿圆周规则间隔的燃烧室3、4，但也很可能有若干对燃烧室。转子5可以旋转地安装于转子运转区2内的转子轴6上，使转子轴6与转子运转区2的轴线相重合。转子5的形状非圆形，在本例里其上有抵达转子运转区2周边的凸轮7、8，即压缩与膨胀凸轮7和进、排气凸轮8。对凸轮7、8的安排与燃烧室3、4的分布状况相同，因此在本例中，它们为径向相对。转子5因此有一根长几何轴线9和一根短几何轴线10，转子的形状相对轴线9和10不必对称，但是一般说其是基于180°的旋转对称的。然而为了获得最佳膨胀比和最佳压缩比，凸轮7、8在安排上可以不是相对180°。为此目的转子在两凸轮两边的形状可以有所不同。在长几何轴线9的两侧，在凸轮7、8上各安设一个密封装置11以保证在转子5与壳体1之间形成密封。
从转子5旋转方向(沿前头)看，排气口12、13开在各自的燃烧室3、4之前，所述排气道12、13由相应的排气阀14、15开闭。进气口16、17各开在燃烧室3、4之后，这两个气道可由各自相应的进气阀18、19开、闭。阀14、15和18、19可内部操纵，例如，以凸轮轴、凸轮导轨之类的装置操纵(未显示)。阀14、15和18、19不仅可以操纵各自的进、排气道12、13和16、17的开闭，而且还起到把转子5与壳体1之间的空间以气密方式分隔为四个空间的作用，4冲程工作过程的四个冲程即在这四个空间内进行。当然，分为四个空间还得靠凸轮7、8的密封装置11的配合。在这四个空间的每一空间内，分别依次完成进气、压缩、膨胀、排气等各冲程。在图中，以A表示进气冲程的空间，以B表示压缩冲程的空间，以C表示膨胀冲程的空间，以D表示排气冲程的空间。转子5的周边跟阀14、15及18、19的各内端在形状上当然应该互相近似，从而使它们在运行中贴合没有太大摩擦，而又能具有良好的密封效果。能达到这种目的的技术是已有的。
图1a-h显示了转子5旋转半周的八个不同位置，四冲程在其间全部完成。
在图1a中四个空间A-D全都显示出，其中还显示了进气阀18开启让新鲜混合气体从进气道16进入。进气阀18还形成空间A一侧的界限，而进气冲程空间A的另一侧则为转子5的凸轮8的密封装置11所密封。因为转子5的凸轮8离开进气阀18，空间A的容积增加，因而新鲜混合燃气从进气道16吸入。在进气阀18密封对着转子5的另一侧，在该处限定的空间B内则进行着压缩冲程，排气阀14关闭，转子5的凸轮7向燃烧室3的方向移动，因而空间B的容量减少，其中的新鲜混合燃气被压缩。膨胀冲程则在空间C内进行，其中点火燃烧引起燃烧室4中的混合气体压力增加，空间C中的这种压力对转子5产生转矩从而使之向空间C增加容积的方向旋转即向箭头所示方向旋转。最后，可以看到排气冲程在空间D内接近完成，与邻近的转子5的凸轮8的密封装置11一起对空间D起限界作用的排气阀15已经接近关闭。
在图1b中转子5又稍微向前移动了一点，其中排气空间D的容积减少为0，此时排气阀15完全关闭。
图1c和图1d显示的是继续向前旋转的两个位置，其中在图1d中进气阀18接近关闭。
图1e显示的是转子转到了空间A和C的容积达到最大值的空间B和D达到最小值的位置。空间A内填入适量的新鲜混合燃气，转子继续旋转即会受到压缩。压缩冲程在空间B中刚刚完成，可对燃烧室3内的压缩燃气点火，所述点火以火花进行(未示出)。转子5的凸轮7前边的密封装置11与排气阀19一起确保燃烧室3的密封使得可顶住高压气体。凸轮7的周边宽决定转子5在产生静止的上死点即转子旋转而空间B的容积不变时的旋转角的大小。在该角度转动时，气体混合物的点火燃烧不会由于产生的压力而对转子5作负功。在设计阶段可以为一定的马达类型选定可取得最佳理想静止上死点的凸轮7的宽度。在空间C内膨胀冲程结束，该室内的压力能量用完。最后，空间D即将转变为空间B，其中新鲜混合燃气受到压缩，将在随后的图中显示。
图1f显示空间A-D或多或少转换一个位置，因此例如：曾经首先在其内进行吸气冲程的空间A，现在变成了压缩空间B，进入的混合气体将在其内被压缩。在图1f的位置上吸气和压缩尚未真正开始。另一方面，在图1e中的先前的压缩空间B即现在的空间C中膨胀冲程已经开始，其容积由于驱动转子5而增加，因而点火后的混合气体得以膨胀。在现在的空间D内，即由排气阀14及其转子凸轮8的邻近的密封装置11限定的空间内，排气冲程已经在进行之中。在图1g和图1h中，在空间A-D中，四个冲程进一步发展。图1h中转子5的位置与图1a的位置相比转动了180°的角。从该位置开始如图1b-1g的动作重复进行，只是转过了180°角。
从上面所说的可以清楚地看到在转子5的一侧进行进气冲程和压缩冲程，在另一侧只进行膨胀冲程和排气冲程。在转子5的该侧可以称之为转子5的热侧，相对侧则是转子5的冷侧。此种冷热相分，对混合气体的热散失和能量散失是有利的。这对提高发动机的质量效率会产生良好的影响。
图2a-图2h显示的是图1的内燃机的另一实施例，其中只有1个排气口12和1个进气口16，而且进气口和排气道不是形成于壳体1上而是于转子5上。进、排气道始终开启，而阀14，15和18、19只起分隔四个空间A-D的作用，然而，这样做却有这样的功效，即排气道12和进气道16分别始终专门与空间D或空间A相通。在此种结构内，排气道12和进气口16应贯穿于转子轴6，因此该轴应该采用中空结构。从原理讲，当然可以使壳体而不是转子5旋转，使转子5保持静止状态。
图3-图6是显示本发明内燃机图2中的实施例的详细结构的示意图。可以看出，壳体1、转子5、转子轴6、排气道12、进气口16、排气阀14和进气阀19。可以看出在此情形下，阀14、15和18、19可转动地安装于阀轴20上，阀门可以活动。在本实施例里阀轴20还起操纵阀14、15和18、19的作用，因为数根阀轴20分别可以转动地定位在阀14、15、18、19中，而这些阀轴的两端各有一个凸轮21，可转地装于阀轴20上并分别与凸轮盘20、23接触。两凸轮盘23操纵其上侧的上进气阀18的凸轮21和其下侧的下进气阀19(见图3)的凸轮21。由于结构对称，成对工作的凸轮盘23同时操纵阀18、19是可以做到的。凸轮盘22也可以同时操纵排气阀14、15。图5和图6显示凸轮盘22，23的形状。把盘簧24之类的扭簧上于阀轴20，使阀轴20具有某种内在的分别使阀14、15和18、19旋转的力量。
图3和图4还显示转子5的两侧都固定了具有圆形外周的共转盘25。共转盘与密封装置26一起保证转子5与壳体1之间的接合部的侧密封。密封装置26可以既附于壳体1上又附于共转盘25上。
图3还显示转子轴6是中空的，其轴颈通过轴承27装于壳体1内。转子轴6中间封闭，一侧用作排气道，另一侧用作进气道16。
图7显示的是本发明内燃机的又一实施例。其中使用了特殊的阀门结构。在此例中，压缩阀14和膨胀阀18跟阀轴20一起以轴颈支承于燃烧室内的轴承28上。因为有了这个轴承28，就产生了通向燃烧室3的管道29。在本实施例中，进气道和排气道可以设在转子5之内。本实施例的优点有：非常有利于压缩气体流到燃烧室3；这样，压缩气体不流过膨胀阀18。而且温度很高的膨胀气体也不流过压缩阀14，因而该阀的热负荷很低。本实施例还使燃料能喷到有利位置。喷口在压缩阀14打开时把燃料直接喷入燃烧室3。阀的密封装置当然应该达到很高的标准。
图8-10显示的是又一种阀结构，其第一个引人注意的特点是阀14，18都支承于同一根轴31上，至少这两个阀都绕同一轴线旋转。这样做的优点是位于阀14和18上方通到燃烧室3的通流道29可以尽可能地短，从而使得燃烧室紧凑，对压缩气体的制动作用降至最小，通过管道29向燃烧室3内直接喷射燃料更加容易。制造一个供喷射燃料之用的安装孔30，其喷头最好制造得能在压缩冲程最终部分把所需的汽油喷入燃烧室3。因为压缩阀14把燃烧室3关闭了，燃料喷射器不受燃烧的高压力。
图10简单显示阀14和18如何吊挂于轴上的，其中阀14通过内轴32吊挂起来的，内轴32以轴颈支承于所述阀14两边的压紧零件33，阀18固定于空心轴34上，空心轴34又以轴颈支承于所述内轴32上。
图8和图9进一步显示，为了有足够的压缩，膨胀阀有一个具有尽量限制燃烧室3的宽度的侧密封隔板35的特种密封结构。由于有了这些密封隔板35，压缩气体可以从相对狭窄的压缩阀14流入类似的相对狭窄的燃烧室3，从而能有所述足够的压缩。另一方面密封隔板35还保证，膨胀阀门18开启时燃气不立即流出，通过宽阔的膨胀阀18的整个宽度，那样会引起来自膨胀压力的功率迅速下降。在本例内，这种情况不会发生，因为横前壁部分36把密封隔板35外侧的空间38与膨胀空间37分隔开来了。这些横前壁部分36为壳体1内的配合腔39所引导与密封。
在图8和图11中还可以看到，压缩阀14和膨胀阀18面向转子5的一边是凹形的，因此有一凹腔40，阀14和18从而在凸轮7或8的密封装置41过后能与转子结合，并以其自由端与转子5之间形成密封，以便阀14、18的开闭运动得以在密封装置41上实现，以及，凸轮7、8如果通过这些阀，转子与阀之间的密封仍能保持。
转子与壳体之间的密封最好是非接触式密封，从而在转子5关掉时摩擦损耗极小或者一点也没有，这在有若干个转子的实施例里并且所需功率很小而关掉一个转子时就可能出现这种情况。另外在转子5与电动机相结合的实施例里，可能开动电动机而将内燃机关掉，这也是可以想像得到的。在这两种情况下，阀14、18都要保持于关闭位置。
图12和图13显示的是转子5两侧与壳体1之间的间隔的接触密封件42。此种密封件42包含1个例如0.03-0.05mm的紧密配合间隙43。在靠近转子5周边发生膨胀的部位(图中断面右部)，间隙43在内侧方向与设在转子5内的最好是切向分段的气室44相连，有一个设在壳体1内的气道适于向气室44开放。可以例如用空气容器向气道45供气，使之在气道内形成压力和气流，此种压力和气流以电子设备控制，并促成对转子5外圆周的气体压力的反气压和反气流。图12与图13相对比，显示出气室44径向长度和/或轴向深度可以根据预期的转子5上局部气压的大小，在转子5的圆周方向上而有变化。通过改变气室44的长度，密封间隙43的长度也会改变，随之可得到密封隙43内的压力和气流的比率改变。为了防止转子轴6的轴承受到从气道45轴向内漏出的加压的空气的压力，在壳体1靠近转子轴6的位置设一个释压管道53。转子5的压缩部分(见图12和图13的左部)没有气室44，因为在那里在转子5周边的压力和漏气的危险很小。
参看图11，转子压缩和膨胀凸轮7上的密封件41也可能有一个0.03-0.05mm的紧密配合间隙45。为了抵销通过凸轮的气流，这个凸轮7可以有一个或多个指向膨胀空间的楔形凹槽46以扰乱凸轮7上方的气流，使其成条流，结果一定程度上任何气体可通过。这里也可使用提供加压空气的办法，在该情形下，通过转子5，以便抵抗气体漏出。进气和排气凸轮8上的密封装置则可以结构简单一些。
本发明的其他变型可能有：例如把转子5和转子运转区2轴向分隔为压缩部和膨胀部的办法进一步以至完全地把冷热部分分隔开。通过把转子支运转区2分为进气与压缩空间和膨胀与排气空间、转子壳体内的进气道和排气道可以不断地保持开启状态。进气道也可以设在转子内，并通过中空的转子轴6与空气源连结。
图14显示的是一个将转子5在轴向上完全分为压缩和膨胀两部分的例子。在本实施例里，转子的中部47用作膨胀部分，两个外侧部分48用作压缩部分。阀14和阀18在横向上各自只有转子5的膨胀部分47或压缩部分48那么宽。图15显示压缩空气是怎样通过管道49提供到燃烧室3的。当然，此种结构的后果与转子5不完全分开(两部分)相比当然会是产生的功率要小一些，因为压缩机膨胀只在转子的一部分宽度内进行。然而此种结构的优点则是压缩阀14和膨胀阀18都各由转子的两部分47、48的转动来引导，因而无需外部控制装置。
图16显示的是部分轴向分隔膨胀和压缩部分的典型实施例。在本实施例里，有5部分：最外边的两部分50只起压缩作用，中央部分51只起膨胀作用，夹在上述两部分中间的两部分52既起膨胀作用又起压缩作用。本实施例也无需外部操纵阀门，因为外边的部分50能控制压缩阀14，中央部分51能控制膨胀阀18。
图17显示的是以另一种方法实现的转子5的部分轴向分隔。中部47既起压缩作用又起膨胀作用，而两个外边部分48只起膨胀作用。两个外边部分48，因此也可称为膨胀部分，只与膨胀阀18重叠，其一半为圆形，因此有一半(上面的一半)不起作用。与此相反，中部47(在图的左边)全为椭圆形。在本实施例里，膨胀阀18的动作可以由转子的两个外边部分48引导，但压缩阀14需要外部控制。图12和图13中显示的转子5是根据图17的实施例的结构。
为了完全起见，应该指出，从原理上讲，本发明也可以只使用一个燃烧室和一个转子凸轮。在这种情况下提出了包括两个无用冲程的六冲程原理。转子转三周有一个燃烧冲程。燃烧空间具有4、6、8……个燃烧室也是可以想象的。
还可能有其它改变和变型。例如转子边上的间隔接触密封可以有迷宫气封，其迷宫式出气口，例如，可与废气排气口或压力气道连结。