專利名稱：旋轉(zhuǎn)機(jī)械及熱循環(huán)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明通常涉及旋轉(zhuǎn)機(jī)械，尤其是涉及旋轉(zhuǎn)內(nèi)燃機(jī)和外燃機(jī)、流體壓縮機(jī)、真空泵，以及用于可膨脹氣體或壓縮流體及水的驅(qū)動(dòng)渦輪機(jī)。
背景技術(shù)：
當(dāng)人類已經(jīng)進(jìn)化了若干個(gè)世紀(jì)時(shí)，作為人，我們已經(jīng)使用我們的頭腦開發(fā)了機(jī)械和工具來幫助我們實(shí)現(xiàn)更高的進(jìn)化標(biāo)準(zhǔn)。技術(shù)進(jìn)步包括從早期的杠桿和輪子的發(fā)明和發(fā)現(xiàn)到我們現(xiàn)在日常生活所享受的更復(fù)雜的通訊和計(jì)算裝置。幾乎各方面的技術(shù)，從非常根本的到非常復(fù)雜的，已經(jīng)取得了偉大的進(jìn)步，這使這個(gè)行星(地球)上的人和動(dòng)物的日常生活更容易了。但是，有一種長期伴隨我們的發(fā)明幾乎沒有技術(shù)進(jìn)步，盡管它在我們的日常生活中具有非常重要的用途。
典型的四沖程往復(fù)內(nèi)燃機(jī)給所述行星表面上的幾乎所有車輛提供動(dòng)力。同樣地，相同的發(fā)動(dòng)機(jī)被用來給船、發(fā)電機(jī)、壓縮機(jī)、泵及各種類型和設(shè)計(jì)的機(jī)械提供動(dòng)力。但是，盡管它擁有廣泛的用途，內(nèi)燃機(jī)或奧托循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)，或者在一定的情況下狄塞爾循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)具有非常少的技術(shù)進(jìn)步。對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行的改進(jìn)未觸及發(fā)動(dòng)機(jī)的基本熱循環(huán)。
普通內(nèi)燃機(jī)、奧托循環(huán)和狄賽爾循環(huán)的往復(fù)運(yùn)動(dòng)是一種效率低的產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)動(dòng)力的方法。典型的四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)于它傳送的每個(gè)單元的動(dòng)力需要四次往復(fù)運(yùn)動(dòng)。首先，發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行進(jìn)氣和壓縮沖程，接著進(jìn)行燃燒膨脹和排氣沖程。四缸發(fā)動(dòng)機(jī)的往復(fù)運(yùn)動(dòng)需要活塞、連桿和組件的旋轉(zhuǎn)質(zhì)量的四次慣性變化--每次慣性變化給系統(tǒng)帶來一次能量損失。同樣地，對(duì)于相關(guān)的閥、彈簧、升降桿、搖臂和推桿，內(nèi)燃機(jī)的一次完整循環(huán)需要四次慣性變化，這會(huì)產(chǎn)生發(fā)動(dòng)機(jī)的附加總損失。
普通內(nèi)燃機(jī)的機(jī)械復(fù)雜性給設(shè)計(jì)整體帶來了低效率。單缸四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)需要許多運(yùn)動(dòng)部件，包括活塞，活塞銷，連桿，曲軸，若干升降桿、推桿、搖臂、閥、閥彈簧、齒輪，定時(shí)鏈和飛輪。這些部件中的每個(gè)都會(huì)由于疲勞或磨損而增加發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)故障的概率。同樣地，這些大量部件增加了每循環(huán)必須改變四次的慣性質(zhì)量的數(shù)量，降低了系統(tǒng)產(chǎn)生的功率。各運(yùn)動(dòng)部件受到各相關(guān)部件之間的摩擦損失，增加了功率損耗。另外，制造并維護(hù)需要這種大量運(yùn)動(dòng)部件的設(shè)備是昂貴的。
典型的四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)是一種低扭矩、高轉(zhuǎn)速的機(jī)械。因?yàn)榍谋容^短的軸柄產(chǎn)生很低的扭矩，所以奧托循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)需要較高的轉(zhuǎn)速來實(shí)現(xiàn)較高的額定功率。具體地說，奧托和狄賽爾循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)都在活塞循環(huán)的最低扭矩處，即上止點(diǎn)處達(dá)到它們的最高內(nèi)部壓力。因此，這種發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)沒有使發(fā)動(dòng)機(jī)的最大做功潛能-最高內(nèi)部壓力-和發(fā)動(dòng)機(jī)利用那種潛能或?qū)⑺D(zhuǎn)換為動(dòng)力的最佳能力匹配。另外，扭矩不是恒定的。而是，扭矩在上止點(diǎn)處近似為零，在行程中部達(dá)到最大值，并在下止點(diǎn)處回到零。通過設(shè)計(jì)，當(dāng)活塞處于接近全行程處或擴(kuò)展時(shí)，出現(xiàn)最高內(nèi)壓。因此，燃燒期間產(chǎn)生的初始?jí)毫Υ蟛糠直惠S向傳遞到活塞和連桿，而沒有轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)動(dòng)力。只有隨后，當(dāng)扭矩增加時(shí)，大部分膨脹力被轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)動(dòng)力。這種最終的結(jié)構(gòu)需求限制了活塞組件的設(shè)計(jì)、增加了質(zhì)量并限制了材料選擇。另外，必需傳動(dòng)裝置來放大往復(fù)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的較低扭矩，因此增加了重量、成本、復(fù)雜性和對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)的額外功率需求。
原始單位體積的燃燒產(chǎn)物的壓縮和相應(yīng)的變熱導(dǎo)致進(jìn)一步的能量損失。氣體膨脹取決于點(diǎn)火前的氣體溫度(所有其它變量保持恒定)，氣體在較低點(diǎn)火溫度時(shí)比較高點(diǎn)火溫度時(shí)膨脹的多，被給定空間這樣做。因此，在點(diǎn)火之前通過壓縮使燃料/空氣混合物變熱減少了膨脹量，因此減少了隨后的膨脹沖程期間可得到的功。同樣地，往復(fù)結(jié)構(gòu)限制了燃燒產(chǎn)物作有用功的能力，這是因?yàn)榕蛎浫莘e不等于壓縮容積-燃燒加熱氣體，因此使膨脹容積增加超過原始容積。因此，相關(guān)的高壓燃燒氣體被排出，而沒有作任何有用功。
奧托、狄塞爾和其它旋轉(zhuǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)的整體設(shè)計(jì)受到高壓時(shí)交叉泄漏(crossleakage)的限制。具體地說，交叉泄漏是指，當(dāng)活塞在整個(gè)行程中運(yùn)動(dòng)時(shí)，由從系統(tǒng)高壓側(cè)到低壓側(cè)的溢流引起的內(nèi)部壓力損失。泄漏通常出現(xiàn)在活塞和氣缸壁周圍、排出和進(jìn)氣口處，以及氣缸蓋和氣缸體之間。其它內(nèi)燃機(jī)中過多數(shù)量的密封和連接部件產(chǎn)生交叉泄漏的傾向。因此，發(fā)動(dòng)機(jī)的工作內(nèi)部壓力范圍被大大降低。
當(dāng)前的旋轉(zhuǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的另一限制是發(fā)動(dòng)機(jī)的內(nèi)部燃燒設(shè)計(jì)。具體地說，目前的旋轉(zhuǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)僅可作為內(nèi)燃機(jī)工作。當(dāng)前的設(shè)計(jì)不能容許旋轉(zhuǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)用作外部燃燒或外部爆燃循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)。因此，比起本發(fā)明的外部方式，當(dāng)前狀態(tài)的旋轉(zhuǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)需要相當(dāng)大的氣體膨脹容積。
當(dāng)前的發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的又一限制是缺乏設(shè)計(jì)多樣性。普通內(nèi)燃機(jī)的多樣性程度受到需要由若干往復(fù)運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)公共曲軸的限制。甚至其它旋轉(zhuǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)在它們的旋轉(zhuǎn)元件布置中也是單一的。替換的活塞布置，例如交叉旋轉(zhuǎn)，還沒有被研究。這種受限的設(shè)計(jì)多樣性阻止了可能的空間節(jié)約設(shè)計(jì)的發(fā)展。
內(nèi)燃機(jī)的又一設(shè)計(jì)限制是使用的單一性。內(nèi)燃機(jī)僅可作為內(nèi)部燃燒發(fā)動(dòng)機(jī)工作。它是一種將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的動(dòng)力源，機(jī)械能呈旋轉(zhuǎn)軸的形式。內(nèi)燃機(jī)本身沒有能力通過爆燃室而不是內(nèi)部燃燒室作用，例如一種成形裝藥(shaped charge)或其它爆燃循環(huán)裝置，它們中的一些提供外部燃燒。另外，內(nèi)燃機(jī)本身不能用作空氣壓縮機(jī)、真空泵、外燃機(jī)、水泵、用于可膨脹氣體的驅(qū)動(dòng)渦輪機(jī)，或者驅(qū)動(dòng)渦輪機(jī)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明包括一種旋轉(zhuǎn)機(jī)械，其能用作旋轉(zhuǎn)內(nèi)燃機(jī)或外燃機(jī)，成形的進(jìn)料或爆燃進(jìn)料旋轉(zhuǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)，流體壓縮機(jī)，真空泵，或者用于可膨脹氣體或加壓流體和水的驅(qū)動(dòng)渦輪機(jī)。根據(jù)本發(fā)明的一些方面，旋轉(zhuǎn)機(jī)械采用一種通常為環(huán)形的外殼，該外殼在周邊處的形狀為圓柱狀。主要設(shè)置在環(huán)形外殼內(nèi)并一體連接到外殼上的是若干旋轉(zhuǎn)元件，包括一個(gè)具有一與密封氣缸合作的膨脹環(huán)突出部的膨脹環(huán)，所述氣缸具有一機(jī)械地和膨脹環(huán)突出部配合的凹槽。
根據(jù)本發(fā)明的其它方面，本發(fā)明包括進(jìn)氣和排氣口，根據(jù)旋轉(zhuǎn)機(jī)械執(zhí)行的功能，這些口容許各種氣體、燃料或流體進(jìn)入或排出一限定在旋轉(zhuǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)的室中。
根據(jù)本發(fā)明的另外方面，當(dāng)用作內(nèi)燃機(jī)時(shí)，進(jìn)入進(jìn)氣口的燃燒產(chǎn)物在點(diǎn)火之前不被燃燒室壓縮。
根據(jù)本發(fā)明的其它方面，在一些實(shí)施例中，膨脹比比壓縮容積大。
根據(jù)本發(fā)明的另外方面，廢氣被在任何理想的排氣壓力下排出，包括在環(huán)境壓力下。
根據(jù)本方面的另外方面，環(huán)形外殼防止由交叉泄漏引起的壓力損失。
根據(jù)本發(fā)明的另外方面，扭矩在整個(gè)循環(huán)中恒定，但扭矩值隨壓力增加而減小。
根據(jù)本發(fā)明的另外方面，恒定扭矩容許旋轉(zhuǎn)機(jī)械在較低的轉(zhuǎn)速下運(yùn)轉(zhuǎn)。
根據(jù)本發(fā)明的另外方面，最高扭矩和最高壓縮或內(nèi)部壓力相符。
根據(jù)本發(fā)明的另外方面，扭矩值和轉(zhuǎn)速是無關(guān)變量，它們可以被控制以實(shí)現(xiàn)所需的動(dòng)力輸出。
根據(jù)本發(fā)明的另外方面，壓縮比是獨(dú)立的，而且可以被調(diào)節(jié)以實(shí)現(xiàn)所需的輸出。
根據(jù)本發(fā)明的另外方面，活塞和輸出軸的相對(duì)運(yùn)動(dòng)可調(diào)節(jié)為任何配置。
根據(jù)本發(fā)明的另外方面，點(diǎn)火定時(shí)是可變的，以得到理想的燃燒壓力。
根據(jù)本發(fā)明的另外方面，多種點(diǎn)火裝置可以和旋轉(zhuǎn)機(jī)械一起使用，例如變壓放電系統(tǒng)、電壓裝置、火花塞、光電管、壓電和等離子電弧裝置。
根據(jù)本發(fā)明的另外方面，旋轉(zhuǎn)機(jī)械產(chǎn)生可以被單獨(dú)或結(jié)合使用的雙向旋轉(zhuǎn)動(dòng)力。
根據(jù)本發(fā)明的另外方面，可以選擇地使用多個(gè)旋轉(zhuǎn)機(jī)械，以得到所需的動(dòng)力輸出。
根據(jù)本發(fā)明的另外方面，可以選擇地使用多個(gè)旋轉(zhuǎn)機(jī)械，以得到所需的真空或壓縮值。
據(jù)本發(fā)明的另外方面，開發(fā)一種新的熱循環(huán)，其具有進(jìn)氣、膨脹和排氣沖程，而沒有燃燒產(chǎn)物在燃燒室內(nèi)的壓縮。
根據(jù)本發(fā)明的另外方面，在一些實(shí)施例中，燃燒產(chǎn)物在燃燒之前被壓縮。
根據(jù)本發(fā)明的另外方面，燃燒和膨脹室被制成一定的形狀，以容許具有最小慣性損失的燃燒產(chǎn)物的有效膨脹。
根據(jù)本方面的另外方面，活塞尺寸和扭矩是可變的，以實(shí)現(xiàn)所需的轉(zhuǎn)速和動(dòng)力需求。
附圖簡要說明下面參照附圖詳細(xì)說明本發(fā)明的優(yōu)選和替換實(shí)施例。


圖1為旋轉(zhuǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)的半分解立體圖；圖2為旋轉(zhuǎn)元件的正面剖視圖；圖3為本發(fā)明的外燃方式的分解立體圖；圖4為本發(fā)明的成形進(jìn)料或其它爆燃循環(huán)外燃機(jī)的分解立體圖；圖5為一些旋轉(zhuǎn)元件沿圖2中5-5線的立體剖視圖；圖6為一些旋轉(zhuǎn)元件沿圖2中6-6線的立體剖視圖；圖7為一些旋轉(zhuǎn)元件沿圖2中7-7線的立體剖視圖；圖8為一些旋轉(zhuǎn)元件沿圖2中8-8線的立體剖視圖；圖9為本發(fā)明多缸方式的立體圖；圖10為本發(fā)明多點(diǎn)火方式的正視圖；圖11為一種旋轉(zhuǎn)循環(huán)狀態(tài)的正視圖；圖12為一種旋轉(zhuǎn)循環(huán)狀態(tài)的正視圖；圖13為一種旋轉(zhuǎn)循環(huán)狀態(tài)的正視圖；圖14為一種旋轉(zhuǎn)循環(huán)狀態(tài)的正視圖；圖15為熱循環(huán)的圖形。
優(yōu)選實(shí)施例的詳細(xì)說明圖1描述了旋轉(zhuǎn)機(jī)械40的一優(yōu)選實(shí)施例。旋轉(zhuǎn)機(jī)械40通常采用環(huán)形外殼42，該外殼在其一端具有一罩43。主要設(shè)置在環(huán)形外殼42內(nèi)并一體地連接到外殼42上的是若干旋轉(zhuǎn)元件。通常環(huán)形的外殼42在其周邊處的形狀基本為圓柱狀。但是，在和罩43相對(duì)的外殼42的一端處，外殼形成一通常為環(huán)形的內(nèi)殼56(見圖2)。
一膨脹環(huán)44被設(shè)置在外殼42和罩43內(nèi)。具體地說，膨脹環(huán)44被設(shè)置在環(huán)形外殼42和環(huán)形內(nèi)殼56之間。膨脹環(huán)44通常為圓柱狀，在其內(nèi)表面的一部分上設(shè)有膨脹環(huán)齒輪46(見圖2)。膨脹環(huán)齒輪46和膨脹環(huán)44的對(duì)應(yīng)部分通常被設(shè)置在一形成在環(huán)形外殼42中的膨脹環(huán)齒輪座圈48內(nèi)(最好見圖5-6)。座圈48基本為圓柱狀的槽，該槽的直徑比膨脹環(huán)齒輪46的直徑稍小。座圈48的深度主要由旋轉(zhuǎn)機(jī)械40的應(yīng)用場合確定。在相對(duì)的高速、低扭矩應(yīng)用中，座圈深度可以比較低轉(zhuǎn)速時(shí)的大。關(guān)于座圈48的指導(dǎo)原則是提供一導(dǎo)軌來幫助保持膨脹環(huán)44的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)整體性。
用來進(jìn)行旋轉(zhuǎn)元件相對(duì)運(yùn)動(dòng)的軸承(未示出)類型隨應(yīng)用場合而變化。在優(yōu)選的高速、低扭矩實(shí)施例中，采用滾柱軸承。但是，其它軸承被認(rèn)為也在本發(fā)明的范圍內(nèi)，例如，球軸承、錐形軸承、空氣軸承、液體金屬軸承和磁性軸承也可以。同樣地，在高扭矩、低速應(yīng)用中，優(yōu)選使用碳(石墨)軸套。但是，其它軸承被認(rèn)為也屬于本發(fā)明的范圍，例如陶瓷合成物、浸油合成物和青銅、浸碳合成物、碳化物和粉末金屬合成物。
另外，在優(yōu)選實(shí)施例中，設(shè)置在膨脹環(huán)44內(nèi)表面上的是一膨脹環(huán)突出部50(圖2)。膨脹環(huán)突出部50被徑向形成在膨脹環(huán)44的內(nèi)表面上。突出部50基本從膨脹環(huán)44的內(nèi)表面延伸到環(huán)形內(nèi)殼壁60(圖2)。另外，設(shè)置在膨脹環(huán)44內(nèi)，并因此設(shè)置在環(huán)形外殼42內(nèi)的是一密封氣缸62。密封氣缸62通過膨脹環(huán)齒輪46和密封氣缸齒輪66機(jī)械地連接到膨脹環(huán)44。在如上所述的類似方式中，密封氣缸齒輪66依托在一密封氣缸座圈67中(見圖5)。另外，在和密封氣缸齒輪66相對(duì)的一端處，密封氣缸62具有一位于其外周上的密封氣缸凹槽64(圖2)。密封氣缸凹槽64具有一定的形狀和位置，以與指定間隔處的膨脹環(huán)突出部50機(jī)械地配合。
其它的膨脹環(huán)44設(shè)計(jì)被認(rèn)為是位于本發(fā)明的范圍內(nèi)。具體地說，膨脹環(huán)在外殼內(nèi)的設(shè)置可以使環(huán)44位于空間110的內(nèi)部，其中突出部50向外延伸(未示出)。同樣地，所述環(huán)可以被大約設(shè)置在空間110的中央，其中突出部50向內(nèi)和向外延伸(未示出)。因此，環(huán)44和突出部50的任何可能設(shè)置都被認(rèn)為是位于本發(fā)明的范圍內(nèi)。
密封氣缸62和膨脹環(huán)44之間的齒輪傳動(dòng)關(guān)系以及旋轉(zhuǎn)元件的相對(duì)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)也是可調(diào)的。在優(yōu)選實(shí)施例中，對(duì)于較高扭矩的應(yīng)用場合，低的齒輪傳動(dòng)比通常是優(yōu)選的。例如，密封氣缸62和膨脹環(huán)44的1∶1速度比是理想的。相反，對(duì)于較高速度、較低扭矩的應(yīng)用，可以采用較高的比值，例如可以使用1∶10的膨脹環(huán)44和密封氣缸62的比值。但是，上述比值僅作為該旋轉(zhuǎn)機(jī)械可以采用的各種比值的例子，認(rèn)為任何其它比值也位于本發(fā)明的范圍內(nèi)，目的是得到任何所需的輸出。
本發(fā)明的另一方面是旋轉(zhuǎn)元件的可變關(guān)系。在附圖所示的優(yōu)選實(shí)施例中，環(huán)44和氣缸62在相同的平面中轉(zhuǎn)動(dòng)。但是，也可以采用其它的機(jī)械連接，以容許環(huán)44和氣缸62在不同的平面中轉(zhuǎn)動(dòng)?？梢圆捎酶鞣N齒輪傳動(dòng)組合(未示出)或現(xiàn)有技術(shù)中公知的其它機(jī)械裝置，以便環(huán)44的轉(zhuǎn)動(dòng)可以出現(xiàn)在非氣缸62的旋轉(zhuǎn)平面的平面中。
在優(yōu)選實(shí)施例中，密封氣缸62在其氣缸軸線處具有一從密封氣缸62的各端向外軸向延伸的密封氣缸突出部68。密封氣缸延伸部68延伸到環(huán)形外殼42和罩43之外，以在旋轉(zhuǎn)機(jī)械40外部提供順時(shí)針和逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。在一替換實(shí)施例中，突出部68可以僅從密封氣缸62的一側(cè)延伸。這樣，可以構(gòu)造更緊湊的旋轉(zhuǎn)機(jī)械40，或者可以得到特定的旋轉(zhuǎn)動(dòng)力。
在優(yōu)選實(shí)施例中，穿過環(huán)形外殼42延伸的密封氣缸突出部68還控制閥口86的開啟時(shí)間。閥口開啟時(shí)間由高速齒輪82和低速的有齒閥84控制。高速齒輪82連接到突出部68并隨突出部68的轉(zhuǎn)動(dòng)而轉(zhuǎn)動(dòng)。低速的有齒閥84也連接到高速齒輪82上，閥84具有一貫通其設(shè)置的閥口86。另外，進(jìn)氣口74(圖2)穿過外殼42的表面設(shè)置并位于由有齒閥84包圍的區(qū)域中。有齒閥84通過高速齒輪82的旋轉(zhuǎn)使閥口86和進(jìn)氣口74間歇地對(duì)準(zhǔn)，容許燃燒產(chǎn)物進(jìn)入。
另外，一點(diǎn)火裝置88設(shè)置在外殼42的表面上，其和點(diǎn)火口76(見圖2)一體地連接。優(yōu)選實(shí)施例將火花塞用作點(diǎn)火裝置88。但是，也可以使用現(xiàn)有技術(shù)中公知的任何其它點(diǎn)火裝置88。例如，變壓放電系統(tǒng)、電壓裝置、光電管、壓電和等離子電弧裝置也屬于本發(fā)明的范圍。另外，一排氣口78穿過環(huán)形外殼的表面設(shè)置。
點(diǎn)火口76(見圖2)和進(jìn)氣口74相對(duì)隔開，以提供點(diǎn)火和進(jìn)入物質(zhì)的有效相互作用。如各圖中所示，點(diǎn)火口76相對(duì)于進(jìn)氣口74位于逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的位置處。在優(yōu)選實(shí)施例中，進(jìn)氣口位置盡可能靠近密封氣缸62，包括和密封氣缸62重疊。但是，在替換實(shí)施例中，進(jìn)氣口74和點(diǎn)火口76的相對(duì)位置可以變化。另外，所述口可以具有任何尺寸或形狀，例如所述口可以是圓的、方的、三角形或橢圓形的。所述口的相對(duì)尺寸取決于給定應(yīng)用中質(zhì)量傳遞出現(xiàn)的時(shí)間和必需的質(zhì)量傳遞量?？梢允褂萌舾煽趤淼玫剿璧墓ぷ鳁l件。另外，可以使用相對(duì)于室表面(未示出)成一角度的相對(duì)口。這樣，進(jìn)氣和點(diǎn)火產(chǎn)物由膨脹環(huán)43沿前進(jìn)方向推進(jìn)。
本發(fā)明的另一設(shè)計(jì)考慮是材料選擇。在優(yōu)選實(shí)施例中，旋轉(zhuǎn)機(jī)械40由耐高溫鋼或任何鋼合金構(gòu)成。但是，其它材料也被認(rèn)為位于本發(fā)明的范圍內(nèi)，例如鈦、鎳、鎳合金、碳基合成物、碳化物、粉末金屬合成物、陶瓷、陶瓷合成物、鐵類和非鐵類金屬。
圖2還示出了多種元件和旋轉(zhuǎn)機(jī)械40之間的關(guān)系。外殼42的內(nèi)表面上的支承表面支撐膨脹環(huán)44。如上所述，一部分膨脹環(huán)44和膨脹環(huán)齒輪46由環(huán)形外殼42中的膨脹環(huán)座圈48支撐。膨脹環(huán)44的內(nèi)表面、密封氣缸壁70、基本環(huán)形的外殼壁60和突出部后緣52限定一內(nèi)部空間71。位于內(nèi)部空間71中的是進(jìn)氣口74、點(diǎn)火口76和排氣口78。
徑向延伸經(jīng)過內(nèi)部空間71的是膨脹環(huán)突出部50。膨脹環(huán)突出部50的內(nèi)邊緣和環(huán)形內(nèi)殼壁60在其間形成一可動(dòng)的、基本氣密的密封部。另外，密封氣缸壁70和膨脹環(huán)44在接觸區(qū)域72處基本可密封地接觸。接觸區(qū)域72在進(jìn)氣口74和排氣口78之間形成一基本密封的分隔部。
環(huán)形內(nèi)殼壁60通過大致C形的環(huán)形內(nèi)殼切口58支撐密封氣缸62。C形的環(huán)形內(nèi)殼切口58給旋轉(zhuǎn)的密封氣缸62提供支撐。如上所述，密封氣缸座圈67被形成在內(nèi)殼切口58的內(nèi)殼壁60的相關(guān)部分中，其中密封氣缸座圈67為密封氣缸62提供旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定性。
內(nèi)殼切口58和密封氣缸壁70相對(duì)于彼此隔開，以便容許密封氣缸62的自由轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)在氣缸62和外殼58之間提供基本上氣密的密封。同樣地，切口58的端部或終端圍繞密封氣缸62延伸，以分別伸到進(jìn)氣口和排氣口74和78之外。這樣，內(nèi)殼切口58的幾何形狀有助于密封外殼58和密封氣缸62之間的空間。
還示出一去掉區(qū)域65。去掉區(qū)域65具有許多功能。首先，去掉區(qū)域降低了旋轉(zhuǎn)機(jī)械40的整體重量，能增加機(jī)械40的功率—重量比。另外，去掉區(qū)域65用于增加機(jī)械40的表面積，因此提高機(jī)械40的熱傳遞性能，從而容許機(jī)械40在較低的溫度下工作。去掉區(qū)域可以具有任何幾何形狀。例如，橢圓形、圓形、葉狀或其它幾何形狀都位于此次公開的范圍內(nèi)。另外，散熱片或管(未示出)可以被設(shè)置在去掉區(qū)域65中，因此進(jìn)一步增加了旋轉(zhuǎn)機(jī)械的冷卻能力。
如上所述，所有現(xiàn)有的旋轉(zhuǎn)機(jī)械受到側(cè)密封問題的困擾，增壓氣體圍繞驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子氣缸泄漏。這種泄漏是不利地影響發(fā)動(dòng)機(jī)效率的系統(tǒng)整體能量損失。去掉區(qū)域和環(huán)形外殼42的形狀一起防止從高壓區(qū)域到低壓區(qū)域的任何交叉泄漏。環(huán)形外殼設(shè)計(jì)有效地去掉了端部，從而使側(cè)密封問題不可能發(fā)生。
圖3示出用作外燃機(jī)的旋轉(zhuǎn)機(jī)械40。外燃元件設(shè)置在和罩43相對(duì)的一端上。外燃元件和旋轉(zhuǎn)機(jī)器40機(jī)械并流體地結(jié)合成一體。歧管和傳動(dòng)閥罩90在進(jìn)氣口74(見圖2)、高速齒輪82和有齒閥84上方延伸并基本包圍它們。歧管點(diǎn)火入口92位于歧管和傳動(dòng)閥罩90的外表面上。歧管點(diǎn)火入口92被機(jī)械并流體連通地連接到外燃燒室上。外燃燒室94一體地和點(diǎn)火裝置88及燃料/空氣進(jìn)入裝置連接。
旋轉(zhuǎn)機(jī)械可以包括若干外燃燒室94。例如，歧管90可以被用來從數(shù)個(gè)外燃燒室接受膨脹的燃燒產(chǎn)物。多燃燒室歧管(未示出)被如此設(shè)計(jì)，以便以類似于本發(fā)明單燃燒室實(shí)施例的方式通過進(jìn)氣口74引導(dǎo)組合的燃燒產(chǎn)物。但是，對(duì)于多燃燒室實(shí)施例，所述歧管給產(chǎn)生的各沖擊波整形，以便各波基本被消除。相對(duì)于單燃燒室實(shí)施例，多燃燒室實(shí)施例的整體效果是漸增空間110中的內(nèi)部壓力的增大。具體地說，若干外燃燒室用于增加易膨脹氣體的容積，而且因此增加旋轉(zhuǎn)機(jī)械40的內(nèi)部壓力。
圖4描述了外燃旋轉(zhuǎn)機(jī)械40的一替換實(shí)施例。在該實(shí)施例中，外燃燒室94由一種成形的進(jìn)料或其它爆燃循環(huán)室98代替。成形的進(jìn)料或其它爆燃循環(huán)室98包括燃料/空氣進(jìn)入裝置96和點(diǎn)火裝置88中的至少一個(gè)。在本發(fā)明的這方面中，成形的壓縮波或脈沖壓縮波在循環(huán)室98內(nèi)傳播并被流體地輸送環(huán)形外殼42中，以由旋轉(zhuǎn)機(jī)械40產(chǎn)生功。盡管圖4中示出一種成形的進(jìn)料或其它爆燃循環(huán)燃燒室98，和外燃燒室實(shí)施例一樣，使用數(shù)個(gè)成形的進(jìn)料燃燒室98也屬于本發(fā)明的范圍。
外燃燒室94或爆燃循環(huán)室98的形狀是可變的，而且可以具有任何內(nèi)部或外部幾何形狀。可以改變?nèi)我皇业男螤?，以得到所需的壓力或者壓?壓縮波的一些其它所需特性。
圖5描述了旋轉(zhuǎn)機(jī)械40的剖視圖。如圖5所示，外殼42圍繞膨脹環(huán)44并與其支承地接觸。同樣地，膨脹環(huán)突出部50基本與內(nèi)殼壁60密封地接觸。另外，密封氣缸62被嵌套在C形內(nèi)殼切口58中，并在密封氣缸接觸區(qū)域72處與膨脹環(huán)44密封地、支承地接觸。密封氣缸突出部68從密封氣缸的相應(yīng)軸向表面延伸。突出部68分別延伸穿過外殼42和罩43。
圖6是一部分旋轉(zhuǎn)機(jī)械40的另一剖視圖。高速齒輪82被連接到密封氣缸突出部68上。高速齒輪82被機(jī)械地連接到有齒閥84上。取決于應(yīng)用場合，高速齒輪82和有齒閥84用作主動(dòng)齒輪或從動(dòng)齒輪。例如，當(dāng)旋轉(zhuǎn)機(jī)械被用作內(nèi)燃機(jī)時(shí)，由于燃燒，膨脹環(huán)42和密封氣缸被以逆時(shí)針方式驅(qū)動(dòng)。密封氣缸62的旋轉(zhuǎn)引起突出部68的旋轉(zhuǎn)，從而驅(qū)動(dòng)高速齒輪82轉(zhuǎn)動(dòng)。作為主動(dòng)齒輪的高速齒輪82將旋轉(zhuǎn)位移傳遞到有齒輪旋轉(zhuǎn)閥84，從而控制閥口86的定時(shí)。相反地，當(dāng)旋轉(zhuǎn)機(jī)械40用作流體泵時(shí)，有齒閥84控制流體的導(dǎo)入，而且因此閥動(dòng)作的控制支配內(nèi)部元件的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。因此，有齒閥84驅(qū)動(dòng)高速齒輪82。
圖7提供了環(huán)形外殼42和膨脹環(huán)44之間的支承關(guān)系的另一視圖。以相同的方式示出密封氣缸62和內(nèi)殼切口58之間的支承關(guān)系。膨脹環(huán)齒輪46和一部分膨脹環(huán)44被保持在膨脹環(huán)座圈48中。膨脹環(huán)座圈和環(huán)形外殼42的內(nèi)壁一起將膨脹環(huán)保持在外殼內(nèi)，同時(shí)容許環(huán)42的自由旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。在內(nèi)殼切口58、密封氣缸62和膨脹環(huán)44之間存在類似的關(guān)系。
圖8還公開了密封氣缸62、膨脹環(huán)44、高速齒輪82、有齒閥84和閥口86之間的機(jī)械關(guān)系。膨脹環(huán)44和密封氣缸62的相對(duì)運(yùn)動(dòng)分別通過膨脹環(huán)齒輪44和密封氣缸齒輪66在這兩個(gè)元件之間傳遞。同樣地，密封氣缸62的任何旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)通過密封氣缸突出部68和高速齒輪82傳遞到有齒閥84。因此，打開和關(guān)閉閥口86的定時(shí)與密封氣缸62和膨脹環(huán)的相對(duì)方位有關(guān)。
圖9描述了本發(fā)明的一種多缸實(shí)施例。本發(fā)明的這方面披露了設(shè)置在公共軸線，例如一個(gè)密封氣缸突出部68上的多個(gè)氣缸。這樣，可以連接任何數(shù)量的氣缸，以得到所需的動(dòng)力輸出。
本發(fā)明的多缸實(shí)施例可以預(yù)料多種操作狀態(tài)。例如，一個(gè)四缸旋轉(zhuǎn)機(jī)械可用一個(gè)、兩個(gè)、三個(gè)或所有四個(gè)氣缸的點(diǎn)火操作-點(diǎn)火狀態(tài)為動(dòng)力需求的一種功能。不點(diǎn)火的氣缸處于空轉(zhuǎn)模式，其中它們的質(zhì)量僅增加飛輪質(zhì)量，而且因此增加旋轉(zhuǎn)機(jī)械的角動(dòng)量。
圖10描述了一種旋轉(zhuǎn)機(jī)械40(b)，每次膨脹環(huán)44(b)的轉(zhuǎn)動(dòng)發(fā)生多次循環(huán)。該實(shí)施例各元件的相互關(guān)系基本上和上述的膨脹環(huán)42每轉(zhuǎn)一次點(diǎn)火相同。
本實(shí)施例描述了膨脹環(huán)44(b)每轉(zhuǎn)兩個(gè)點(diǎn)火周期。在該優(yōu)先實(shí)施例中，這通過橫過膨脹環(huán)44(b)內(nèi)徑的兩個(gè)基本相同的密封氣缸62(a)和(b)。密封氣缸通過密封氣缸齒輪66(b)和膨脹環(huán)齒輪46(b)彼此機(jī)械地連接并和膨脹環(huán)機(jī)械地連接。各密封氣缸62(b)和膨脹環(huán)44(b)形成一接觸區(qū)域72(b)。接觸區(qū)域72(b)將旋轉(zhuǎn)機(jī)械40(b)分為基本相同的作功區(qū)域。各作功區(qū)域包括一進(jìn)氣口74(b)、點(diǎn)火口76(b)和排氣口78(b)。在各作功區(qū)域發(fā)生一個(gè)完整的熱循環(huán)，膨脹環(huán)每轉(zhuǎn)產(chǎn)生兩個(gè)膨脹或作功沖程。
在圖10所示的優(yōu)先實(shí)施例中，點(diǎn)火裝置(未示出)的點(diǎn)火是順序的。因此，當(dāng)膨脹環(huán)突出部50(b)相對(duì)于各點(diǎn)火口76(b)到達(dá)一逆時(shí)針方向的位置時(shí)，發(fā)生點(diǎn)火。膨脹的燃燒產(chǎn)物驅(qū)動(dòng)膨脹環(huán)44(b)，直到它們通過排氣口78(b)排出。然后膨脹環(huán)突出部50(b)通過和密封氣缸凹槽64(b)的配合接觸部并進(jìn)入第二點(diǎn)火位置。
可預(yù)測，膨脹環(huán)44(b)可以具有膨脹環(huán)突出部50(b)，從而允許燃燒產(chǎn)物的同時(shí)點(diǎn)火。此外，同樣在本發(fā)明的范圍之中，還可以增加膨脹環(huán)44(b)每轉(zhuǎn)中的作功區(qū)域數(shù)量。例如，可以加入第三或第四密封氣缸來相應(yīng)地增加作功區(qū)域的數(shù)量。
循環(huán)內(nèi)燃機(jī)本發(fā)明產(chǎn)生一種發(fā)動(dòng)機(jī)的新的熱循環(huán)。這種新的熱循環(huán)是進(jìn)氣、作功和排氣。因此，新的熱循環(huán)沒有壓縮沖程，該沖程從系統(tǒng)回收能量，同時(shí)限制通過預(yù)熱原始充氣所產(chǎn)生的功。同樣地，該循環(huán)在作功沖程期間通過在大氣壓力或稍高于大氣壓力的壓力下排出氣體而容許充分的氣體膨脹。因此，在使循環(huán)所產(chǎn)生的功最大化的同時(shí)，幾乎所有的功率損耗被排除。
下面所列的是關(guān)于新發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)的更詳細(xì)說明。另外，在本發(fā)明的內(nèi)燃方式之后，詳細(xì)地披露本發(fā)明的其它方面。
圖11披露了發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)中接近進(jìn)氣狀態(tài)時(shí)的旋轉(zhuǎn)機(jī)械40。示出的膨脹環(huán)突出部50相對(duì)于進(jìn)氣口74和點(diǎn)火口76處于逆時(shí)針方向的位置，限定了空間110和空間112。當(dāng)所述環(huán)突出部50逆時(shí)針運(yùn)動(dòng)時(shí)，發(fā)生若干精確的定時(shí)事件。密封氣缸62被旋轉(zhuǎn)地移動(dòng)，主要控制有齒閥84的旋轉(zhuǎn)。在一特定的時(shí)刻處(如下所述)，有齒閥84的旋轉(zhuǎn)使閥口86和進(jìn)氣口74對(duì)準(zhǔn)。當(dāng)實(shí)現(xiàn)對(duì)準(zhǔn)時(shí)，燃燒產(chǎn)物被引入空間110并隨后通過點(diǎn)火裝置88點(diǎn)火。
燃燒產(chǎn)物在大氣壓力或在一種壓縮狀態(tài)下被引入空間110。在優(yōu)選實(shí)施例中，燃燒產(chǎn)物在1～25大氣壓下被引入。但是，任何其它燃燒產(chǎn)物壓力被認(rèn)為也位于本發(fā)明的范圍內(nèi)。當(dāng)燃燒產(chǎn)物在大氣壓力下被引入，或者沒有預(yù)壓縮時(shí)，它們由通過膨脹環(huán)44的逆時(shí)針方向位移產(chǎn)生的真空吸入空間110。當(dāng)燃燒產(chǎn)物在約環(huán)境壓力下被引入時(shí)，旋轉(zhuǎn)機(jī)械40的總效率稍降低。但是，當(dāng)以這種模式操作時(shí)，進(jìn)氣口74的直徑較大，從而降低流動(dòng)阻力并容許最多的流體輸送到空間110中。在類似的方式下，閥口86可以具有稍增大的尺寸，容許稍長的進(jìn)氣循環(huán)。
加壓的燃燒產(chǎn)物也可以被引入空間110。在優(yōu)選的加壓實(shí)施例中，燃料泵給燃燒產(chǎn)物加壓。但是，用于給流體加壓的任何其它公知裝置也位于本發(fā)明的范圍內(nèi)。將燃燒產(chǎn)物引入空間110的全過程基本和上面論述的相同。但是，當(dāng)燃燒產(chǎn)物在壓力下被引入時(shí)，燃燒產(chǎn)物的正壓力驅(qū)動(dòng)流體進(jìn)入空間110，而不是上面所述的空間110內(nèi)產(chǎn)生的負(fù)壓力。另外，流體傳送速率通常比上述真空吸入實(shí)施例的快。因此，優(yōu)選的是，閥口86的相對(duì)尺寸比用在上述實(shí)施例中的閥口86的尺寸小。
進(jìn)入空氣可以由風(fēng)扇、鼓風(fēng)機(jī)或增壓器(未示出)壓縮，以適應(yīng)較高的循環(huán)速度和燃燒壓力。通過操縱廢氣(下面論述)或通過現(xiàn)有技術(shù)中公知的其它方式，可以從密封氣缸突出部68的旋轉(zhuǎn)得到操作這些裝置的動(dòng)力。和奧托循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)截然不同，燃燒產(chǎn)物的加壓沒有出現(xiàn)在燃燒區(qū)域或空間110中；加壓在外部進(jìn)行。這樣，在加壓過程中沒有損失活塞動(dòng)量，從而產(chǎn)生更有效的發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)。
在又一優(yōu)選實(shí)施例中，通過僅通過進(jìn)氣閥吸入空間并使用直接的缸內(nèi)噴射器(未示出)將燃料直接噴射到空間110中，可以在空間110內(nèi)部混合燃料和空氣。這種燃料的增壓噴射和真空吸入空氣的組合具有不同于其它實(shí)施例的優(yōu)點(diǎn)。燃料和空氣的比值可以被控制，以得到所需的燃燒率?？梢酝ㄟ^調(diào)節(jié)口的尺寸或噴射壓力和點(diǎn)火定時(shí)(下面論述)控制所述比值。通過在空間110中混合燃燒產(chǎn)物，消除了進(jìn)氣歧管點(diǎn)火的可能性。
進(jìn)氣口74的軸線相對(duì)于膨脹環(huán)44的軸線的角度可以變化，以提供膨脹環(huán)44的附加旋轉(zhuǎn)激勵(lì)。具體地說，在上述真空吸入實(shí)施例或加壓實(shí)施例中，進(jìn)氣口可以被傾斜設(shè)置，以便燃燒產(chǎn)物直接進(jìn)入膨脹環(huán)突出部50的后緣(傾斜的口未示出)。在加壓實(shí)施例中，通過沿旋轉(zhuǎn)方向?qū)肴紵a(chǎn)物，大部分燃燒產(chǎn)物和因此產(chǎn)生的燃燒壓力波被盡可能靠近突出部50產(chǎn)生。因此，燃燒更有效地將燃燒產(chǎn)物產(chǎn)生的化學(xué)能通過膨脹環(huán)44轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。
在優(yōu)選實(shí)施例中，閥機(jī)構(gòu)為一種旋轉(zhuǎn)的有齒閥84。但是，其它閥機(jī)構(gòu)被認(rèn)為也位于本發(fā)明的范圍內(nèi)，例如電磁控制的提升閥、滑閥、舌形閥、片狀閥，凸輪致動(dòng)的鼓形閥、簧片閥、desmobromic凸輪閥、閘門閥、單向閥和球閥。不管所采用的閥的類型，所述閥必須有效地使流體進(jìn)入空間110。閥的選擇主要取決于旋轉(zhuǎn)機(jī)械40的應(yīng)用，例如快速作用閥用于較高速度的應(yīng)用場合中。
在圖11示意表示的旋轉(zhuǎn)狀態(tài)中，燃燒產(chǎn)物被引入空間110。燃燒產(chǎn)物引入的精確定時(shí)由閥控制，但是，最重要的閥設(shè)計(jì)由相對(duì)的進(jìn)氣和膨脹容積-膨脹比控制。具體地說，如圖11所示，引入空間110的燃燒產(chǎn)物的容積和通過空間112的可能膨脹值之間的比值定義了膨脹比。在優(yōu)選實(shí)施例中，最好是膨脹容積約為進(jìn)氣容積的3～4倍。這容許可燃?xì)怏w的幾乎完全膨脹，因此使燃燒過程所作的功最大化。但是，獨(dú)立地選擇膨脹比也屬于本發(fā)明的范圍。在該實(shí)施例中，燃燒產(chǎn)物在近似大氣壓力下被排出。但是，由于有時(shí)理想的是具有稍加壓的廢氣，所以可以控制膨脹比以得到所需的廢氣狀態(tài)。
在引入燃燒產(chǎn)物之后的一控制時(shí)刻，進(jìn)氣口74關(guān)閉，點(diǎn)火裝置88點(diǎn)燃漸增空間中的燃燒產(chǎn)物。導(dǎo)致的燃燒大大增加了漸增空間110內(nèi)的壓力，這迫使膨脹環(huán)突出部50遠(yuǎn)離密封氣缸62，開始作功沖程。
燃燒產(chǎn)物點(diǎn)火的時(shí)刻也是一變量，可以被控制以得到規(guī)定的旋轉(zhuǎn)機(jī)械40效率。例如，進(jìn)氣過程早期的點(diǎn)火與相對(duì)較小的空間110對(duì)應(yīng)，因此空間110內(nèi)的較高初始燃燒壓力和稍高的膨脹比被得到。相反地，當(dāng)在所述循環(huán)中，旋轉(zhuǎn)機(jī)械40的點(diǎn)火時(shí)刻被設(shè)定得更靠前時(shí)，存在較大的空間110。因此，對(duì)于同樣的機(jī)械，得到較低的燃燒壓力和稍小的膨脹比。
點(diǎn)火定時(shí)還以進(jìn)氣口74和點(diǎn)火口76的相對(duì)位置為依據(jù)。在所有實(shí)施例中，點(diǎn)火口沿旋轉(zhuǎn)方向遠(yuǎn)離進(jìn)氣口。這樣，無論是加壓還是未加壓的燃燒產(chǎn)物都流經(jīng)點(diǎn)火口74。在一優(yōu)選實(shí)施例中，當(dāng)燃燒產(chǎn)物流經(jīng)點(diǎn)火口74時(shí)，控制點(diǎn)火的時(shí)間以近似在燃燒產(chǎn)物的中間點(diǎn)火。這樣，發(fā)生更完全的初始燃燒，提供相對(duì)更快的壓力增加。但是，可以設(shè)置點(diǎn)火定時(shí)，以近似在燃燒產(chǎn)物的前沿處點(diǎn)火，或者在燃燒產(chǎn)物的尾部處點(diǎn)火也可以。在各種情況中得到略有不同的燃燒率，產(chǎn)生不同的內(nèi)部壓力。另外，優(yōu)選的是，點(diǎn)火定時(shí)在旋轉(zhuǎn)機(jī)械40的操作期間是連續(xù)可調(diào)的。具體地說，可以根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)速度或負(fù)載需求提前或延遲定時(shí)。
點(diǎn)火定時(shí)和相對(duì)的口位置、設(shè)計(jì)及尺寸容許燃燒產(chǎn)物容積獨(dú)立于密封氣缸突出部68的轉(zhuǎn)速需求。具體地說，如上所述，可以采用齒輪傳動(dòng)關(guān)系來產(chǎn)生一種和燃燒進(jìn)料容積無關(guān)的突出部68的速度。這樣，特定的燃燒進(jìn)料容積與發(fā)動(dòng)機(jī)的尺寸無關(guān)。另外，可以控制膨脹環(huán)44和突出部68的相對(duì)速度，以得到這兩個(gè)元件之間任何理想的相對(duì)速度。
燃料的化學(xué)成分也影響旋轉(zhuǎn)機(jī)械40的性能，而且因此影響閥機(jī)構(gòu)和點(diǎn)火機(jī)構(gòu)的定時(shí)。不同的燃料具有不同的燃燒率。因此，閥機(jī)構(gòu)和點(diǎn)火機(jī)構(gòu)的相對(duì)定時(shí)將變化以優(yōu)化效率。優(yōu)選實(shí)施例采用汽油作為燃料源。但是，現(xiàn)有技術(shù)中公知的任何其它燃料也可以和該裝置一起使用。例如，氫、甲烷、丙烷、煤油、柴油、丁烷、乙炔、辛烷、燃油、所有爆發(fā)性氣體或可燃液體、碳循環(huán)燃料(如煤塵)、可燃金屬(如粉末)和其它燃料也屬于本發(fā)明的范圍。
圖12示出膨脹環(huán)44和內(nèi)密封氣缸62，各自由于漸增空間110內(nèi)的相關(guān)燃燒壓力增加而沿逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)。在動(dòng)力階段，漸增空間110內(nèi)的內(nèi)部壓力隨空間110容積的增加而降低。當(dāng)膨脹環(huán)44旋轉(zhuǎn)時(shí)，同樣地，密封氣缸62被沿逆時(shí)針方向驅(qū)動(dòng)。因此，突出部68旋轉(zhuǎn)并在外殼42外側(cè)產(chǎn)生一旋轉(zhuǎn)動(dòng)力源。
在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中需要一種均勻且連貫的膨脹。通常，如上所述，通過控制點(diǎn)火定時(shí)、燃料成分和進(jìn)氣口74與點(diǎn)火口76的相對(duì)位置實(shí)現(xiàn)均勻膨脹或可控氧化率。但是，可以使用本發(fā)明的其它設(shè)計(jì)方面來使可燃?xì)怏w的有效利用最大化，例如，使用燃燒和膨脹空間110的幾何形狀設(shè)計(jì)。
發(fā)生燃燒的空間110的幾何形狀和相應(yīng)的突出部50的幾何形狀被如此設(shè)計(jì)，以便使化學(xué)能到機(jī)械能的轉(zhuǎn)化最大化。具體地說，附圖中所示的優(yōu)選實(shí)施例披露的外殼42內(nèi)的空間110通常為圓柱狀環(huán)。設(shè)計(jì)這種環(huán)結(jié)構(gòu)，以不僅容許燃燒產(chǎn)物的平穩(wěn)進(jìn)入和分散，而且容許最低限度的膨脹區(qū)域。漸增空間110的平滑膨脹區(qū)域促使了點(diǎn)火期間火焰的有效傳播率和膨脹期間氣體的理想渦流。膨脹環(huán)44的單向旋轉(zhuǎn)和空間110的相對(duì)平滑內(nèi)表面使膨脹燃燒產(chǎn)物的慣性損失最小。另外，優(yōu)選實(shí)施例的幾何形狀通過容許燃燒期間的平滑流體移動(dòng)來防止動(dòng)力回收多次爆燃?？臻g110和突出部50的任何其它幾何形狀被認(rèn)為屬于本發(fā)明的范圍。
圖13披露了膨脹循環(huán)中的一階段。在此位置，膨脹循環(huán)是幾乎完整的，而且?guī)缀跛锌傻玫降墓Ρ粡呐蛎洑怏w獲得。取決于所需采用的實(shí)施例、膨脹比和使用的燃料，漸增室110中的壓力近似為環(huán)境壓力或高于環(huán)境壓力。對(duì)于在近似環(huán)境壓力下具有膨脹氣體的實(shí)施例，基本所有可得到的膨脹功被通過這種新的熱循環(huán)回收。
在某優(yōu)選實(shí)施例中，理想的是采用一種膨脹循環(huán)，其中當(dāng)排氣循環(huán)開始時(shí)，燃燒產(chǎn)物位于環(huán)境壓力之上。這樣，出來驅(qū)動(dòng)密封氣缸突出部68的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，廢氣可以用來作功。例如，增壓的廢氣可以被導(dǎo)入渦流增壓器或其它空氣泵(未示出)，它們反過來將在燃燒產(chǎn)物進(jìn)入空間110之前給燃燒產(chǎn)物加壓。同樣地，廢氣可以驅(qū)動(dòng)渦輪(未示出)以產(chǎn)生電能，或者被用來和其它結(jié)構(gòu)(未示出)組合成為一種熱源。
自然地，在突出部50前沿之前的任何流體將通過旋轉(zhuǎn)膨脹環(huán)被驅(qū)出空間112。因此，環(huán)境壓力下的膨脹產(chǎn)物就在排出之前被稍加壓。但是，可以預(yù)料，控制排氣口的尺寸和幾何形狀來實(shí)現(xiàn)所需的排氣壓力。例如，在需要廢氣處于稍高于環(huán)境壓力的壓力下時(shí)，可以采用較大的、較少限制性的排氣口78，或者采用若干口78(未示出)。相反地，當(dāng)需要較大程度加壓的廢氣時(shí)，口的尺寸可以較小。
圖14示出本發(fā)明的內(nèi)燃實(shí)施例的完成的熱循環(huán)。此時(shí)，膨脹環(huán)突出部52和內(nèi)部的密封氣缸凹槽48機(jī)械地配合。從該位置，又開始新的循環(huán)。
這種新的熱循環(huán)沒有影響典型奧托循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)效率的慣性損失變化。另外，沒有對(duì)燃燒產(chǎn)物的重要預(yù)熱，從而容許該循環(huán)從燃燒過程獲得最大的膨脹功。同樣地，沒有和燃燒產(chǎn)物的壓縮相關(guān)的非常小的損失。
脈動(dòng)旋轉(zhuǎn)燃燒發(fā)動(dòng)機(jī)的分析對(duì)新的熱循環(huán)進(jìn)行單獨(dú)的分析，證明其提高的效率。
綜述已經(jīng)在旋轉(zhuǎn)脈動(dòng)燃燒發(fā)動(dòng)機(jī)上進(jìn)行了熱循環(huán)分析。在具有可燃混合物進(jìn)料的預(yù)壓縮和沒有預(yù)壓縮的實(shí)施例上進(jìn)行分析。特別是，分析一種概念，即為何燃燒后的容積壓縮比超過燃燒前的容積壓縮比。用往復(fù)(或汪克爾)火花點(diǎn)火內(nèi)燃機(jī)的典型奧托循環(huán)進(jìn)行比較。內(nèi)燃(IC)機(jī)受這種設(shè)計(jì)，即壓縮容積比等于膨脹比的限制。脈動(dòng)旋轉(zhuǎn)燃燒發(fā)動(dòng)機(jī)的固有優(yōu)點(diǎn)是膨脹比可以超過壓縮比，容許增加的熱能到有用功的轉(zhuǎn)化。
分析典型的熱循環(huán)分析是調(diào)查用于可燃混合物進(jìn)料的壓力(p)-容積(F)曲線圖的軌跡。圖上的軌跡線內(nèi)的面積為從原始可燃混合物進(jìn)料得到的功的大小。即，功W＝□pdV。功和與進(jìn)料相關(guān)的化學(xué)能的大小的比值為熱效率(乘以100％之后)。
該循環(huán)包括圖15中點(diǎn)1所示的進(jìn)氣，壓縮(軌跡12)，燃燒(軌跡2-3)，膨脹(軌跡3-4或3-5，期間取得功)，和排氣(軌跡4-1或點(diǎn)5)。壓縮期間在進(jìn)料上施加功，但是它比膨脹期間得到的功小，因此凈功實(shí)際上為正。在壓縮和膨脹沖程期間，沒有熱量增加或減少，因此進(jìn)行絕熱過程。從而量pvγ1)在各過程中保持不變；γ為1.36~1.40。進(jìn)料中重量或容積占主要部分的主要是空氣；室溫下的空氣具有1.40的γ值。溫度增加時(shí)它會(huì)稍微減少，因此我們可以預(yù)料壓縮期間它在1.40~1.36之間變化。在我們的計(jì)算中取一平均值。燃燒產(chǎn)物氣體將具有仍較低的γ值，原因有兩方面較高的溫度和三原子分子如二氧化碳和水蒸汽的存在。對(duì)于產(chǎn)物氣體，可以預(yù)料γ的平均值約為1.3。
在模擬循環(huán)中，進(jìn)氣過程包括氣體在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓p1和容積V1下的進(jìn)入。壓縮(軌跡1-2)包括根據(jù)絕熱定律增加壓力和溫度并減小容積。然后燃燒(軌跡2-3)在具有增加的壓力和溫度的恒定容積下出現(xiàn)。膨脹(軌跡3-4或3-5)包括根據(jù)絕熱定律通過降低壓力和溫度來增加容積。最后排氣以仍處于升高溫度的氣體出現(xiàn)(點(diǎn)4或5)。如果排氣容積等于進(jìn)氣容積，那么排氣開始時(shí)的壓力比大氣壓力低。由于排氣時(shí)的壓力等于大氣壓力，所以排氣容積必須比進(jìn)氣容積大得多。
在比較各種發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)時(shí)，我們將使用相同的燃料，在燃料和空氣的化學(xué)計(jì)量比下，每m質(zhì)量的可燃混合物具有化學(xué)能Q。實(shí)際值6.50被作為量Q/(mcpT1)，其中cp和T1為規(guī)定的熱量和進(jìn)氣溫度。這意味著進(jìn)氣混合物的化學(xué)能(Q)為原始熱能(mcpT1)的6.5倍。當(dāng)發(fā)生燃燒時(shí)，化學(xué)能被轉(zhuǎn)化為熱能，因此Q＝mcp(T3-T2)＝mcp(T2′-T1)2)注意T1′＝T1，其為大氣中空氣的通常溫度。
我們?cè)O(shè)想一種理想氣體，從而我們可以采用定律pV＝mRT 3)來論述壓力、容積和溫度之間的關(guān)系。M為進(jìn)料的質(zhì)量，R為特定的氣體常數(shù)。通過公式(2)和(3)，我們可以確定定容過程中的相對(duì)壓力增。
p3-p2p2=QmcpT2]]>或 4a)p2'-p1p1=QmcpT1=6.5--4b)]]>公式3)、4a)和4b)可以被結(jié)合以給出p3-p2p2'-p1=V1V2=CR--5)]]>
其中容積比CR為通常所說的壓縮比。通常，用于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的CR值為9～11，而動(dòng)力工具的CR值通常為7～8。
我們可以使用用于壓縮過程的公式(1)來表示p1V1γ＝p2V2γ6a)或者p2p1=CRγ--6b)]]>注意公式(4b)和(6b)表示CR＝4.22的值或者較大的值將使壓力p2比值p2′大，如圖15所示。公式(6a)中的p和V可以具有沿圖15中軌跡1-2的任何值。
在膨脹過程中，公式(1)可以應(yīng)用并產(chǎn)生p3V3γe＝p4V4γe＝p5V5γe＝pVγe7)其中p和V可以具有沿圖15中軌跡3-4-5的任何值。γe為特定的廢氣熱量的比值，如前所述，其可以具有和用于進(jìn)氣的γ值不同的值。
熱循環(huán)每次進(jìn)料所作的凈功W為膨脹期間獲得的功減去壓縮期間作用在進(jìn)料上的功。對(duì)于奧托循環(huán)，我們具有WIC=∫V3V4pdV-∫V1V2pdV--8)]]>即，凈功等于圖15的封閉軌跡1-2-3-4-1所圍起的面積。公式(7)可以被用來表示p3、V1和V的關(guān)系。然后使用積分法計(jì)算。
我們得到的經(jīng)典內(nèi)燃機(jī)奧托循環(huán)的結(jié)果為WICp1V1=1γe-1[1+QmcpT1(CR)γ-1][(CR)γ-1-(CR)γ-γe]-1γ-1[(CR)γ-1-1]--9)]]>對(duì)于提出的旋轉(zhuǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)，凈功將由下面的公式給出WRE=∫V3V5pdV-∫V1V2pdV-p1(V5-V1)--10)]]>即，凈功等于由軌跡1-2-3-5-1圍繞的圖15中的面積。現(xiàn)在，再次使用公式7)和8)，可以進(jìn)行積分產(chǎn)生
WREp1V1=1λe-1(1+QmcpT1(CR)γ-1)(CR)λe-1-1(γ-1)[(CR)γ-1-1]+1--11)]]>-(1+QmcpT1(CR)γ-1)(1-γe)/γeCR[γ/γe-1]]]>顯然，WRE值將超過由圖15中軌跡4-5-1-4包圍的面積WIC的大小。
對(duì)于經(jīng)典的奧托循環(huán)，膨脹終了的容積等于進(jìn)氣容積；即V4＝V1。對(duì)于旋轉(zhuǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)，它可以被表示為V5V1=(1+QmcpT1CRγ-1)1γeCRγ/γe-1--12)]]>因此，膨脹終了的容積可以比排氣容積大得多。
可以看出，沒有預(yù)壓縮，通過旋轉(zhuǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)得到的功為圖15中由軌跡1′-2′-3′-1′包圍的面積。特別是，我們得到WNCp1V2=1γe-1[1+QmcpT1][1-(1+QmcpT1)(1-γe)/γe]-[(1+QmcpT1)1/γe-1]--13)]]>在公式(9)、(11)和(13)中，凈功以一種形式存在于公式的左側(cè)，其中它被特定發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣壓力和進(jìn)氣容積的乘積除(或標(biāo)準(zhǔn)化)。發(fā)動(dòng)機(jī)的功將和各進(jìn)氣充量容積成比例地增加。因此自然地，較大的發(fā)動(dòng)機(jī)將作較多的功。發(fā)動(dòng)機(jī)的功率通過將W乘以發(fā)動(dòng)機(jī)每轉(zhuǎn)的點(diǎn)火數(shù)(旋轉(zhuǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)為1，往復(fù)四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)為1/2)，然后再乘以每單位時(shí)間的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)預(yù)測。如果功W以尺磅單位給出，發(fā)動(dòng)機(jī)速度以rpm給出，那么通過將乘積除以33,000可以得到理論功率額定值。即HPRE=W·rpm33000--14a)]]>和HPIC=W·rpm/233000--14b)]]>
注意這些為沒有考慮熱損失和機(jī)械損失的理想賦值。但是它們?yōu)橛杏玫墓?，用于進(jìn)行首次估算，以比較不同的發(fā)動(dòng)機(jī)。
公式(9)，(11)和(13)右側(cè)可以在僅指定我們已經(jīng)討論過的四個(gè)值Q/mcpT1，CR，γ和γe之后計(jì)算。
結(jié)果對(duì)于表中給出的七個(gè)例子進(jìn)行計(jì)算。對(duì)于三種發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)進(jìn)行比較用于往復(fù)發(fā)動(dòng)機(jī)的奧托循環(huán)，具有和奧托循環(huán)相同壓縮比的旋轉(zhuǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)，和沒有預(yù)壓縮但是具有其它兩種循環(huán)的相同參數(shù)的旋轉(zhuǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)。表中給出了各循環(huán)的輸出功和旋轉(zhuǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)的膨脹容積-進(jìn)氣容積比。從表中可以看出相對(duì)四種輸入?yún)?shù)變化的結(jié)果靈敏度。
通過比較例1、2和3可以看出相對(duì)壓縮比的靈敏性。雖然輸出功隨壓縮比增加，但是旋轉(zhuǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)(具有預(yù)壓縮)的優(yōu)點(diǎn)隨壓縮比增加而減少。另外，旋轉(zhuǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)具有明顯的優(yōu)點(diǎn)。多20％的輸出功優(yōu)點(diǎn)伴隨著較大容積的缺點(diǎn)。
對(duì)于可燃混合物進(jìn)料的理想配比混合氣，Q/mcpT1的值通常為6.5。非理想配比混合氣被在例4種模擬?？梢钥吹捷敵龉Φ慕档?，但是當(dāng)比較例1和4時(shí)，旋轉(zhuǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)的相關(guān)優(yōu)點(diǎn)大約相同。
通過比較例1，5，6，和7可以看出相對(duì)特定熱量值的敏感度。γ和γe的增加將使兩種循環(huán)的輸出功都降低，但是保持旋轉(zhuǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)的相關(guān)優(yōu)點(diǎn)。
參照輸出功到功率的轉(zhuǎn)化，對(duì)于在大氣壓力下具有1升(約61立方英寸)可燃進(jìn)氣充量的3000rpm發(fā)動(dòng)機(jī)，公式14給出值W/p1V1＝13，產(chǎn)生88.3馬力的功率。當(dāng)然，這是一種沒有考慮熱損失和機(jī)械損失的理論值。
旋轉(zhuǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)及其熱循環(huán)的另一優(yōu)點(diǎn)是機(jī)械40在不同構(gòu)造下工作的能力。所述機(jī)械可用作外燃旋轉(zhuǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)、流體壓縮機(jī)、真空泵、驅(qū)動(dòng)渦輪機(jī)，和用于可膨脹氣體或壓縮流體的驅(qū)動(dòng)渦輪機(jī)。下面給出各種構(gòu)造的詳細(xì)論述。
外燃機(jī)圖3描述了一種可能的外燃發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)造。內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)和外燃發(fā)動(dòng)機(jī)的唯一顯著區(qū)別是燃燒室94的位置。在這種模式中，燃燒在外殼42外部的外燃室94中發(fā)生，其中由燃燒產(chǎn)生的膨脹氣體通過進(jìn)氣口74進(jìn)入漸增空間110。另外，由于燃燒發(fā)生在外殼之外，所以點(diǎn)火口76或者被塞緊或者不存在。另外，圖11至14中示出的各種旋轉(zhuǎn)狀態(tài)和上述內(nèi)部燃燒構(gòu)造中的相同。另外，在所有例子中，燃料和空氣可通過傳統(tǒng)裝置如化油器或口型燃料噴射器在外部混合。
具有成形的進(jìn)料或爆燃循環(huán)室的外燃機(jī)圖4描述了一種具有成形的進(jìn)料或爆燃循環(huán)室結(jié)構(gòu)的可能外燃發(fā)動(dòng)機(jī)。這種結(jié)構(gòu)類似于上述的標(biāo)準(zhǔn)外燃裝置。但是，這里，一種成形的進(jìn)料或其它爆燃循環(huán)室98產(chǎn)生一種壓縮波來驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)機(jī)械40。由于壓縮波傳播所產(chǎn)生的極高壓力，旋轉(zhuǎn)機(jī)械40被以比典型的奧托循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)中可能的壓力高的多的壓力驅(qū)動(dòng)。和外部燃燒結(jié)構(gòu)一樣，圖11至14示出本發(fā)明的一完整熱循環(huán)。
在上面討論的外部燃燒例子中，可以使用不止一個(gè)燃燒室。這對(duì)于通過設(shè)置兩個(gè)彼此相對(duì)的室并同時(shí)點(diǎn)火來消除爆燃或成形的進(jìn)料沖擊波是有益的。
另外，在上面所述的所有燃燒發(fā)動(dòng)機(jī)中，所述發(fā)動(dòng)機(jī)可以被連接其它發(fā)動(dòng)機(jī)上以產(chǎn)生多缸發(fā)動(dòng)機(jī)。所述發(fā)動(dòng)機(jī)能在低負(fù)載條件下不需要時(shí)中斷所述氣缸，并在負(fù)載條件增大時(shí)增加氣缸數(shù)-其它發(fā)動(dòng)機(jī)上不可得到的一種燃料節(jié)約選擇。當(dāng)不點(diǎn)火時(shí)，未點(diǎn)火的發(fā)動(dòng)機(jī)變成空轉(zhuǎn)。
氣體或空氣壓縮機(jī)在該例中，主動(dòng)氣缸變?yōu)閮?nèi)密封氣缸44，其通過從外部施加到密封氣缸突出部68上的力旋轉(zhuǎn)，而且一排氣閥(未示出)控制排氣口78。另外，進(jìn)氣口持續(xù)打開。如圖11至14中所示，密封氣缸62和膨脹環(huán)被逆時(shí)針方向驅(qū)動(dòng)。旋轉(zhuǎn)和關(guān)閉的排氣閥壓縮漸減空間112中的流體產(chǎn)物，同時(shí)在新的進(jìn)料中在漸增空間110中吸入原料。在大約圖13所示的時(shí)刻，排氣閥打開，容許被壓縮的流體從排氣口78排出。在開始下一循環(huán)期間，新充入的氣體通過進(jìn)氣口74引入。通過串聯(lián)連接不止一個(gè)壓縮機(jī)可以得到更大的壓縮氣體容積，其中一個(gè)壓縮機(jī)的排氣變?yōu)榱硪粋€(gè)壓縮機(jī)的進(jìn)氣。這樣，可得到非常高的壓縮值。
真空泵圖11至14示出一種真空泵循環(huán)。真空泵循環(huán)類似于上述氣體或空氣壓縮機(jī)循環(huán)，只是進(jìn)氣閥84位于和排氣口(和空氣壓縮機(jī)構(gòu)造中的相同)相對(duì)的進(jìn)氣口上。這樣，進(jìn)氣閥84保持進(jìn)氣口74關(guān)閉，直到膨脹環(huán)突出部68逆時(shí)針方向經(jīng)過進(jìn)氣口74的時(shí)刻為止，在該時(shí)刻，進(jìn)氣閥84打開進(jìn)氣口74，而且膨脹環(huán)的運(yùn)動(dòng)在漸增空間110中產(chǎn)生一真空或負(fù)壓，從而通過進(jìn)氣口54抽入流體產(chǎn)物。和上述空氣壓縮機(jī)構(gòu)造相同，通過將若干氣缸連接在一起可以得到更大的容積。
流體或水泵(壓力式)這種結(jié)構(gòu)以和上述空氣壓縮機(jī)相同的方式作用。但是，這種結(jié)構(gòu)中的流體為液體，而且因此通常是不可壓縮的。因此，流體將以單位容積排出氣缸進(jìn)入一池或室(未示出)，以被液位上方的壓縮氣體加壓。
流體或水泵(吸入式)以和上述真空泵類似的方式，該旋轉(zhuǎn)機(jī)械能用作流體或水泵(吸入式)。在這種模式下，設(shè)置進(jìn)給閥，以控制流體產(chǎn)物(液體)進(jìn)入內(nèi)部空間的定時(shí)。
用于可膨脹氣體或空氣的驅(qū)動(dòng)渦輪機(jī)旋轉(zhuǎn)機(jī)械40能被用作用于可膨脹(壓縮)氣體或空氣的渦輪機(jī)。本發(fā)明的這方面容許旋轉(zhuǎn)機(jī)械40被用作一種脈動(dòng)或一種經(jīng)濟(jì)型驅(qū)動(dòng)渦輪機(jī)。在這種模式中，當(dāng)膨脹環(huán)突出部68經(jīng)過進(jìn)氣口74時(shí)，氣體或空氣被引入漸增空間110中。氣體通過進(jìn)氣閥84被引入。被引入的氣體被壓縮，而且每循環(huán)進(jìn)入一定單元容積的氣體。進(jìn)入漸增空間110的壓縮氣體迫使膨脹環(huán)44和內(nèi)部密封氣缸62沿順時(shí)針方向移動(dòng)，從而當(dāng)膨脹環(huán)44運(yùn)動(dòng)時(shí)，漸增空間110尺寸增大。當(dāng)膨脹環(huán)完成一整個(gè)循環(huán)并經(jīng)過排氣口78時(shí)，氣體或空氣的容積回至大氣壓下。因此，實(shí)現(xiàn)了作用到活塞的全部功。在這種結(jié)構(gòu)中，旋轉(zhuǎn)動(dòng)力來自密封氣缸突出部68并施加到外部元件以作功。
用于液體(加壓的)的驅(qū)動(dòng)渦輪這類似于上述用于可膨脹氣體或空氣的驅(qū)動(dòng)渦輪機(jī)。當(dāng)膨脹環(huán)突出部68經(jīng)過進(jìn)口74時(shí)，加壓液體被通過進(jìn)給閥84噴入。該進(jìn)給閥被打開，而且由于液體的普遍不可壓縮性，該閥在整個(gè)循環(huán)中保持打開。圖4表示一種有齒閥84，其具有控制進(jìn)入液體的細(xì)長閥口86。在這種結(jié)構(gòu)中，加壓液體在整個(gè)循環(huán)中推動(dòng)膨脹環(huán)44，直到它被排出出口78。
上述的組合上述結(jié)構(gòu)可以被組合以產(chǎn)生多種結(jié)果。例如，可以組合多個(gè)密封氣缸，一個(gè)為另一個(gè)的進(jìn)氣提供一定程度的壓縮。另外，氣體壓縮機(jī)可以和流體壓縮機(jī)組合。實(shí)際上上述結(jié)構(gòu)的任何組合都被認(rèn)為屬于本發(fā)明的范圍。
同樣，本申請(qǐng)中的附圖僅用作示例目的，而不是以任何方式限制任何旋轉(zhuǎn)元件的幾何形狀或相對(duì)位置。任何幾何形狀都被認(rèn)為屬于本發(fā)明的范圍。
權(quán)利要求
1.一種旋轉(zhuǎn)機(jī)械，包括一基本環(huán)形的外殼，其在外殼外壁和外殼內(nèi)壁之間限定一室，所述外殼在其端部具有一罩；一可旋轉(zhuǎn)地設(shè)置在所述室內(nèi)的膨脹環(huán)；一機(jī)械地連接到膨脹環(huán)上的密封缸，其中密封缸和膨脹環(huán)形成一基本密封的接觸區(qū)域；一進(jìn)口，用于容許第一產(chǎn)物進(jìn)入所述室中；和一出口，用于容許第二產(chǎn)物從所述室排出。
2.如權(quán)利要求1所述的旋轉(zhuǎn)機(jī)械，還包括一與所述室相聯(lián)的點(diǎn)火器，用以點(diǎn)燃第一產(chǎn)物。
3.如權(quán)利要求2所述的旋轉(zhuǎn)機(jī)械，還包括一膨脹環(huán)突出部，該突出部從膨脹環(huán)徑向地延伸以可密封地接合內(nèi)壁。
4.如權(quán)利要求3所述的旋轉(zhuǎn)機(jī)械，其特征在于密封缸形成有一接收所述膨脹環(huán)突出部的凹槽。
5.如權(quán)利要求4所述的旋轉(zhuǎn)機(jī)械，其特征在于密封缸被機(jī)械地連接到膨脹環(huán)上，以便一個(gè)的相關(guān)運(yùn)動(dòng)被傳遞給另一個(gè)。
6.如權(quán)利要求5所述的旋轉(zhuǎn)機(jī)械，其特征在于至少一個(gè)密封缸突出部通常從密封氣缸穿過外殼軸向地延伸，以將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)傳遞給密封缸或從從密封缸傳遞旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。
7.如權(quán)利要求3所述的旋轉(zhuǎn)機(jī)械，其特征在于所述內(nèi)壁、膨脹環(huán)、接觸區(qū)域和膨脹環(huán)突出部的后緣限定一位于所述室內(nèi)的空間。
8.如權(quán)利要求7所述的旋轉(zhuǎn)機(jī)械，其特征在于在進(jìn)料時(shí)，所述空間從引入控制裝置接收產(chǎn)物。
9.如權(quán)利要求8所述的旋轉(zhuǎn)機(jī)械，其特征在于所述空間中接收的產(chǎn)物是將要在該空間內(nèi)被點(diǎn)火的燃燒產(chǎn)物。
10.如權(quán)利要求8所述的旋轉(zhuǎn)機(jī)械，其特征在于所述空間中接收的產(chǎn)物是從外部燃燒室中接收的膨脹燃燒氣體。
11.如權(quán)利要求8所述的旋轉(zhuǎn)機(jī)械，其特征在于所述空間中接收的產(chǎn)物是由成形進(jìn)料(裝藥)或爆燃循環(huán)燃燒室產(chǎn)生的壓縮波。
12.如權(quán)利要求8所述的旋轉(zhuǎn)機(jī)械，其特征在于所述空間中接收的產(chǎn)物是可壓縮流體。
13.如權(quán)利要求8所述的旋轉(zhuǎn)機(jī)械，其特征在于所述空間中接收的產(chǎn)物是通過膨脹環(huán)和密封缸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)導(dǎo)入所述空間中的真空產(chǎn)物。
14.如權(quán)利要求8所述的旋轉(zhuǎn)機(jī)械，其特征在于所述空間中接收的產(chǎn)物是被導(dǎo)入所述空間以驅(qū)動(dòng)膨脹環(huán)和密封缸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的加壓流體。
15.一種燃燒發(fā)動(dòng)機(jī)熱循環(huán)，包括一進(jìn)氣沖程，其中燃燒產(chǎn)物被引入一空間中，點(diǎn)火之前在該空間中沒有被壓縮；一作功沖程；和一排氣沖程。
16.如權(quán)利要求15所述的燃燒發(fā)動(dòng)機(jī)熱循環(huán)，其特征在于燃燒產(chǎn)物約在環(huán)境壓力下被引入。
17.如權(quán)利要求15所述的燃燒發(fā)動(dòng)機(jī)熱循環(huán)，其特征在于燃燒產(chǎn)物在比環(huán)境壓力大的壓力下被引入。
18.如權(quán)利要求15所述的燃燒發(fā)動(dòng)機(jī)熱循環(huán)，其特征在于動(dòng)力沖程容積約等于進(jìn)氣室容積。
19.如權(quán)利要求15所述的燃燒發(fā)動(dòng)機(jī)熱循環(huán)，其特征在于動(dòng)力沖程容積比進(jìn)氣室容積大。
20.如權(quán)利要求15所述的燃燒發(fā)動(dòng)機(jī)熱循環(huán)，其特征在于動(dòng)力沖程容積約等于燃料空氣混合物的膨脹容積或比它大。
21.如權(quán)利要求15所述的燃燒發(fā)動(dòng)機(jī)熱循環(huán)，其特征在于排氣沖程壓力約為環(huán)境壓力。
22.如權(quán)利要求15所述的燃燒發(fā)動(dòng)機(jī)熱循環(huán)，其特征在于排氣沖程壓力高于環(huán)境壓力。
23.如權(quán)利要求15所述的燃燒發(fā)動(dòng)機(jī)熱循環(huán)，其特征在于所述熱循環(huán)與一種內(nèi)燃機(jī)對(duì)應(yīng)。
24.如權(quán)利要求15所述的燃燒發(fā)動(dòng)機(jī)熱循環(huán)，其特征在于所述熱循環(huán)與一種外燃機(jī)對(duì)應(yīng)。
25.如權(quán)利要求15所述的燃燒發(fā)動(dòng)機(jī)熱循環(huán)，其特征在于所述熱循環(huán)與一種成形裝藥或爆燃循環(huán)燃燒發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)應(yīng)。
26.一種使用旋轉(zhuǎn)機(jī)械產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)動(dòng)力的方法，包括點(diǎn)燃燃燒產(chǎn)物，以通過燃燒產(chǎn)物的膨脹產(chǎn)生增大的壓力；將增大的壓力導(dǎo)入可旋轉(zhuǎn)的膨脹環(huán)；將膨脹環(huán)旋轉(zhuǎn)一段和增加壓力成比例的距離，以容納膨脹的燃燒產(chǎn)物；和排出燃燒產(chǎn)物。
27.如權(quán)利要求27所述的使用旋轉(zhuǎn)機(jī)械產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)動(dòng)力的方法，其中所述燃燒產(chǎn)物約在環(huán)境壓力下被引入。
28.如權(quán)利要求27所述的使用旋轉(zhuǎn)機(jī)械產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)動(dòng)力的方法，其中所述燃燒產(chǎn)物約在高于環(huán)境壓力的壓力下被引入。
29.如權(quán)利要求27所述的使用旋轉(zhuǎn)機(jī)械產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)動(dòng)力的方法，其中動(dòng)力沖程容積約等于進(jìn)氣室容積。
30.如權(quán)利要求27所述的使用旋轉(zhuǎn)機(jī)械產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)動(dòng)力的方法，其中動(dòng)力沖程容積大于進(jìn)氣室容積。
31.如權(quán)利要求27所述的使用旋轉(zhuǎn)機(jī)械產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)動(dòng)力的方法，其中動(dòng)力沖程容積約為進(jìn)氣室容積的3到4倍。。
32.如權(quán)利要求27所述的使用旋轉(zhuǎn)機(jī)械產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)動(dòng)力的方法，其中排氣沖程壓力約為環(huán)境壓力。
33.如權(quán)利要求27所述的使用旋轉(zhuǎn)機(jī)械產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)動(dòng)力的方法，其中排氣沖程壓力高于環(huán)境壓力。
34.如權(quán)利要求27所述的使用旋轉(zhuǎn)機(jī)械產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)動(dòng)力的方法，其中熱循環(huán)和一種內(nèi)燃機(jī)對(duì)應(yīng)。
35.如權(quán)利要求27所述的使用旋轉(zhuǎn)機(jī)械產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)動(dòng)力的方法，其中熱循環(huán)和一種外燃機(jī)對(duì)應(yīng)。
36.如權(quán)利要求27所述的使用旋轉(zhuǎn)機(jī)械產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)動(dòng)力的方法，其中熱循環(huán)和一種成形裝藥或爆燃循環(huán)燃燒發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)應(yīng)。
37.一種旋轉(zhuǎn)機(jī)械，包括一基本環(huán)形的外殼，其在外殼外壁和外殼內(nèi)壁之間限定一室，所述外殼在其端部具有一罩；一可旋轉(zhuǎn)地設(shè)置在所述室內(nèi)的膨脹環(huán)；一機(jī)械地連接到膨脹環(huán)上的密封缸，其中密封缸和膨脹環(huán)形成一基本密封的接觸區(qū)域；一進(jìn)口，用于容許第一產(chǎn)物進(jìn)入所述室中，所述第一產(chǎn)物具有一進(jìn)氣容積和一膨脹容積；和一出口，用于容許第二產(chǎn)物從所述室排出；其特征在于所述膨脹容積和進(jìn)氣容積的比值是這樣的，以致于第二產(chǎn)物通過出口的排出發(fā)生在近似環(huán)境壓力下。
38.如權(quán)利要求37所述的旋轉(zhuǎn)機(jī)械，還包括一個(gè)與進(jìn)口相聯(lián)的閥，用以控制第一產(chǎn)物的引入。
39.如權(quán)利要求38所述的旋轉(zhuǎn)機(jī)械，還包括一與所述室相聯(lián)的點(diǎn)火器，用以點(diǎn)燃第一產(chǎn)物。
40.如權(quán)利要求39所述的旋轉(zhuǎn)機(jī)械，還包括一膨脹環(huán)突出部，該突出部從膨脹環(huán)徑向地延伸以可密封地接合所述內(nèi)壁。
41.如權(quán)利要求40所述的旋轉(zhuǎn)機(jī)械，其特征在于所述密封缸形成有一接收所述膨脹環(huán)突出部的凹槽。
42.如權(quán)利要求41所述的旋轉(zhuǎn)機(jī)械，其特征在于所述密封缸被機(jī)械地連接到膨脹環(huán)上，以便一個(gè)的相關(guān)運(yùn)動(dòng)被傳遞給另一個(gè)。
43.如權(quán)利要求42所述的旋轉(zhuǎn)機(jī)械，其特征在于至少一個(gè)密封缸突出部從密封缸穿過外殼基本軸向地延伸，以將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)傳遞給密封缸或從其傳遞旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。
44.如權(quán)利要求40所述的旋轉(zhuǎn)機(jī)械，其特征在于所述內(nèi)壁、膨脹環(huán)、接觸區(qū)域和膨脹環(huán)突出部的后緣限定一位于所述室內(nèi)的空間。
45.如權(quán)利要求44所述的旋轉(zhuǎn)機(jī)械，其特征在于在進(jìn)料時(shí)，所述空間從引入控制裝置接收產(chǎn)物。
46.如權(quán)利要求45所述的旋轉(zhuǎn)機(jī)械，其特征在于所述空間中接收的產(chǎn)物是將要在該空間內(nèi)被點(diǎn)火的燃燒產(chǎn)物。
47.如權(quán)利要求45所述的旋轉(zhuǎn)機(jī)械，其特征在于所述空間中接收的產(chǎn)物是從外部燃燒室中接收的膨脹燃燒氣體。
48.如權(quán)利要求45所述的旋轉(zhuǎn)機(jī)械，其特征在于所述空間中接收的產(chǎn)物是由成形進(jìn)料或爆燃循環(huán)燃燒室產(chǎn)生的壓縮波。
49.如權(quán)利要求45所述的旋轉(zhuǎn)機(jī)械，其特征在于所述空間中接收的產(chǎn)物是可壓縮流體。
50.如權(quán)利要求45所述的旋轉(zhuǎn)機(jī)械，其特征在于所述空間中接收的產(chǎn)物是通過膨脹環(huán)和密封缸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)導(dǎo)入所述空間中的真空產(chǎn)物。
51.如權(quán)利要求45所述的旋轉(zhuǎn)機(jī)械，其特征在于所述空間中接收的產(chǎn)物是被導(dǎo)入所述空間以驅(qū)動(dòng)膨脹環(huán)和密封缸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的加壓流體。
全文摘要
本發(fā)明披露了一種具有一容納旋轉(zhuǎn)元件的外殼的旋轉(zhuǎn)機(jī)械。該旋轉(zhuǎn)機(jī)械可被構(gòu)造為旋轉(zhuǎn)內(nèi)燃機(jī)、旋轉(zhuǎn)外燃機(jī)、氣體壓縮機(jī)、真空泵、流體泵、驅(qū)動(dòng)渦輪機(jī)、或者用于可膨脹氣體或加壓流體的驅(qū)動(dòng)渦輪機(jī)。該燃燒發(fā)動(dòng)機(jī)采用新的熱循環(huán)，消除了奧托循環(huán)的作為循環(huán)一部分的燃燒產(chǎn)物的內(nèi)部壓縮。新的燃燒熱循環(huán)是進(jìn)氣、膨脹和排氣。
文檔編號(hào)F01C1/20GK1520491SQ02812969
公開日2004年8月11日 申請(qǐng)日期2002年5月7日 優(yōu)先權(quán)日2001年5月7日
發(fā)明者龍尼·J·鄧肯, 龍尼 J 鄧肯 申請(qǐng)人:塞德勒羅克技術(shù)有限責(zé)任公司