专利名称：内燃机和方法
技术领域：
本发明一般涉及机器，例如发动机、泵等等，更具体地涉及一种变容式内燃机(a positive displacement internal combustion engine)和方法。
超过一个世纪以来，内燃机在各种应用中一直被倚靠为主要的动力源，对于那些发动机，最广泛使用的是往复式活塞发动机，在汽车和其它形式的运输工具以及在各种工业和用户应用中都有使用。依据特定应用的动力需求，这种发动机能以各种尺寸构造，范围从单缸到32缸或更多。例如转式发动机和内燃涡轮机等其它类型的内燃机也在大量应用中使用，但不象往复式活塞发动机一样广泛。
较小的内燃机由汽油提供动力，它们包括在大多数汽车中使用的内燃机。然而，柴油机也在一些汽车中使用，虽然它们在大型应用中更常见，例如在机车和船上。
所有这些发动机都具有某些限制和缺点。在往复式活塞发动机中，在4冲程发动机中，活塞在每个输出轴的回转必须停止和颠倒方向四次，在2冲程发动机中，活塞在每个输出轴的回转必须停止和颠倒方向两次。为了获得燃料混合物和在正确的时间将气体排入和排出燃烧室，那些发动机还需要相当复杂的阀系统。
转式发动机例如汪克尔发动机(美国专利US 2988065)避免了活塞停止和反向的问题，并且另外能为转子和轴的每个回转提供一个作功冲程，而4冲程的往复式活塞发动机对于每两个轴的回转仅仅有一个作功冲程。尽管具有那些优点，可是由于差的燃油经济性、短的工作寿命和脏的排气，转式发动机仅仅得到有限的使用。
本发明的一个大体上的目标是提供一种新的和改进的内燃机和方法。
本发明的另一个目标是提供一种上述特性的内燃机和方法，其克服现有技术的局限性和缺点。
本发明的另一个目标是提供一种上述特性的内燃机和方法，与迄今提供的往复式活塞发动机和转式发动机相比，其在每个轴旋转显著地提供更多的作功冲程。
本发明的另一个目标是提供一种上述特性的内燃机和方法，其在小空间中提供大的排量。
根据本发明，通过提供一种内燃机和方法来实现这些和其它目标，其中不同转子上的活塞在环形汽缸中彼此相对移动以形成可变容积的腔，所述活塞以步进方式移动，在一个转子上的活塞移动一个预定距离的同时，在另一个转子上的活塞基本上保持静止，当确定一个腔的活塞之一移动远离另一个时，燃料被吸入该腔，然后当所述第二活塞朝着第一活塞移动时，燃料被压缩。燃料的燃烧驱动第一活塞远离第二活塞，然后废气被再次朝着第一活塞移动的第二活塞从该腔中排出。
转子以这种方式连接到一个输出轴以使得当活塞和转子以它们的步进方式转动时，所述轴连续旋转，以提供平稳、连续的动力。在披露的实施方式中，一对曲轴安装在一个接合(affixed to)到该轴的托架上，并通过连接到曲柄的连杆绕着它们的轴连续旋转，曲柄与转子一起转动。当曲轴上的齿轮绕着一个与输出轴同轴布置的太阳齿轮移动时，在曲轴上的齿轮将该连续转动传递到托架和轴。
在每个转子上四个活塞和在太阳齿轮与曲轴齿轮之间4∶1的传动比的情况下，八个腔形成于活塞之间，并且在这些腔的每个中，对于输出轴的每个回转都有两个作功冲程。在两个轴回转中，有32个作功冲程，这等于在传统的4冲程发动机中具有32个缸。
图1是根据本发明的容积式发动机的一个实施方式的中心线剖视图；图2是沿图1中的线2-2得到的横截面图；图3是沿图1中的线3-3得到的放大横截面图；图4A-4E是表示在图1-3的实施方式中，转子和活塞的步进移动与输出轴的连续转动之间的关系的图；图5是一个表，表示在与图1的实施方式相似的原型发动机中，活塞移动和输出轴转动之间的关系；图6A-6I是表示在图1-3的实施方式中，活塞在输出轴的一个回转期间进行的冲程的图；图7是一个表，表示在360度的输出轴转动期间，在图1-3的实施方式中，在所有的腔中发生的冲程；
图8是一个根据本发明的容积式发动机的另一个实施方式的部分切掉的等距视图；图9是在不同的工作位置中，图8的实施方式的曲轴箱部件的不完整的等距视图；图10是图8的实施方式中的外壳的等距视图，端盖之一处于打开位置；图11是大致与图10相似的不完整的等距视图，端盖处于本来位置中；图12是图8的实施方式中的转子之一的等距视图，活塞处于环形汽缸中；图13是图8的实施方式中的输出轴的等距视图；图14是图8的实施方式中的转子的不完整的横截面图；图15是图8的实施方式中的曲柄臂的横截面图；图16A-16I是与图6A-6I相似的图，表示构形为一个泵的发动机的工作；图17是一个表，表示当发动机作为一个泵工作时，发生在所有的腔中的冲程。
如图1-3中所示，发动机具有一对带有活塞23、24的转子21、22，活塞23、24在转子的圆周方向上隔开并布置在一个环形腔或汽缸26内。两个转子上的活塞绕汽缸放入彼此之间，腔27形成于两个转子上相继的活塞之间。如在下文更充分论述的，两个转子以步进方式交替转动，一个转子上的活塞基本上保持静止的同时，另一个转子上的活塞前进。当活塞前进时，腔27在容积上改变，在移动活塞的后侧上的腔容积增加，在前侧上的腔容积减小。通过转子的交替运动，在一个步进期间容积增加的腔将在下一个步进期间容积减小。
燃料通过进气口28引入腔中，而废气通过排气口29排出，这些口成对地绕汽缸布置，在所示实施方式中，两对口直接彼此相对地放置。这些口开放并直接地与汽缸连通。
输出轴31与汽缸同轴地延伸并由活塞和转子以连续旋转的方式驱动，转子22通过花键连接接合到旋转地安装在输出轴上的第一空心轴或套筒32，而转子21相似地接合到旋转地安装在第一空心轴上的第二空心轴或套筒33。曲柄臂34、36通过花键分别接合到空心轴32、33的另一端，以与转子21、22一致地运动。
一个托架或支架37通过花键连接接合到输出轴，一对曲轴38、39旋转地安装在托架上，离输出轴的轴线距离相等。行星齿轮41设置在曲轴的端部，并且它们与一个太阳齿轮42啮合，太阳齿轮42与输出轴同轴地安装在一个固定位置中。太阳齿轮和行星齿轮的传动比优选地与每个转子上的活塞数量相同，即n∶1，其中n是每个转子上的活塞数量。在图1的实施方式中，每个转子上有四个活塞，齿轮传动比是4∶1。在该传动比的情况下，活塞进行的步进大约是每次90度，对于输出轴的每个回转，每个活塞进行四次这种步进。
当然，能使用不同数量的活塞和不同的齿轮传动比，但每个转子的活塞数量和齿轮传动比优选地应该是相同的，即每个转子n个活塞并且齿轮传动比为n∶1。在更多的活塞和更高的传动比的情况下，活塞步进在尺寸上减小和在数量上增加，而在较少的活塞和较低的齿轮传动比的情况下，步进在尺寸上增大和在数量上减小。因而，例如，在每个转子八个活塞和8∶1的齿轮传动比的情况下，对于输出轴的每个回转，每个活塞将进行八次步进，每次22.5度。在每个转子两个活塞和2∶1的传动比的情况下，活塞将仅仅进行两次步进，每次180度。换句话说，n∶1的齿轮传动比在每个回转提供n次步进，每次步进为360°/n。
曲柄臂和曲轴具有曲柄销43、44，它们通过连杆46、47连接在一起，曲轴的偏心距(throw)小于曲柄臂的偏心距，这使得曲轴能连续旋转，即使活塞和转子不能这样。
在图4A-4E中进一步阐明了转子和活塞的步进移动与输出轴的连续转动之间的关系，在这些图中，使用了下面的符号太阳齿轮S曲轴CS1，CS2曲柄销 P1，P2行星齿轮G1，G2曲柄臂 CA1，CA2连杆R1，R2假定齿轮传动比是4∶1，曲轴CS1在上止点(TDC)位置开始，曲轴CS2在下止点(BDC)开始。在那些位置中，曲轴和曲柄臂上的曲柄销在通过曲轴轴线的直线上对齐。在TDC位置中，曲柄销位于曲柄臂和曲轴轴线之间，曲柄臂处于其最大前进位置中，即离曲轴轴线最远的位置。在BDC位置中，曲柄销位于曲轴轴线之外，曲柄臂处于其靠近曲轴轴线的最小前进位置中。
曲轴和行星齿轮被安装在一个托架上，该托架接合到输出轴，曲轴和行星齿轮绕着输出轴的轴线与输出轴一致地旋转。由于行星齿轮环绕太阳齿轮移动，所以它们使曲轴绕着它们的轴连续旋转，输出轴每转动90度，曲轴和行星齿轮就进行一个回转。
在输出轴转动22.5度之后，曲轴和行星齿轮将旋转到图4B中所示的位置。在该点，除了已经绕着太阳齿轮移动22.5度之外，曲轴和行星齿轮还绕着它们本身的轴转动了90度，曲柄销P1，P2的净行程是它们由这两个旋转引起的行程的总和。
因为由行星齿轮G1绕着其本身的轴旋转所引起的曲柄销的移动与行星齿轮G1绕着太阳齿轮的移动处于相同的方向上，所以这两个移动分量加在一起将曲柄臂CA1朝着其前进位置移动。
然而，在循环的该部分期间，由行星齿轮G2绕其本身的轴旋转所引起的曲柄销P2的移动与行星齿轮绕太阳齿轮移动的方向相反，结果，这两个移动分量彼此抵消，曲柄臂CA2基本上在其原始位置中保持静止。
在下一个22.5度的轴旋转期间，曲轴和行星齿轮绕着太阳齿轮移动另一个22.5度并绕着它们本身的轴旋转另一个90度，到达图4C中所示的位置，分别使得曲轴CS1、CS2到达它们的TDC和BDC位置。在循环的该部分期间，由曲轴和行星齿轮的旋转引起的曲柄销P1的移动继续处于与绕着太阳齿轮的移动相同的方向上，并且曲柄臂CA1前进到其最大前进位置。曲柄销CP2绕着曲轴轴线的旋转移动仍与绕着太阳齿轮的移动相反，这两个分量继续彼此抵消，曲柄臂CA2基本上保持静止。
一旦曲轴CS1到达TDC，曲柄销P2绕着曲轴轴线的旋转移动就处于与绕着太阳齿轮的移动相同的方向上，于是两个分量加在一起，曲柄臂CA2开始前进。然而，现在，曲柄销CA1绕着其曲轴轴线的旋转移动与绕着太阳齿轮的移动的方向相反，这两个移动分量彼此抵消，曲柄臂CA1基本上保持静止。在22.5度的轴旋转之后，齿轮将到达图4D中所示的位置。
在下一个22.5度的轴旋转期间，曲轴和行星齿轮将绕着它们本身的轴旋转另一个90度并绕着太阳齿轮移动另一个22.5度，到达图4E中所示的位置。在循环的该部分中，曲柄销CP2的旋转移动仍然处于与其绕着太阳齿轮的移动相同的方向上，并且两个分量继续叠加并使曲柄臂CA2前进。曲柄销P1的旋转移动继续与其绕着太阳齿轮的移动相反，这两个分量继续彼此抵消，曲柄臂CA1基本上保持静止。
在该点，曲轴和行星齿轮已经绕着它们本身的轴旋转了一个完整的360度，它们已经绕着太阳齿轮移动了90度，并且输出轴已经绕着其轴旋转了90度。曲柄臂也前进了90度，但是是以步进的方式，正如活塞和连接到活塞上的转子一样。对于输出轴的每个回转，该循环重复四次。
由于输出轴和转子通过连杆连接在一起，所以它们以相同的总速度一起旋转，对于输出轴的每个回转，转子都进行一个完全的回转。然而，由于曲轴和曲柄臂的作用，当转子与输出轴一起旋转时，转子实际上也来回摆动，产生步进旋转。
由于曲柄臂的运动部分地被曲轴上的曲柄销的圆周运动约束，所以曲柄臂和转子的运动不是线性的。当曲轴在TDC和BDC附近时，它是最慢的，圆周运动大致垂直于连杆轴，而当曲轴在TDC和BDC之间的中间位置附近时，它是最快的，圆周运动与连杆轴更接近成一直线。该非线性在整个持续时间内导致大约9度的维持行程(carry)，这使得两个转子上的活塞能在不同的时间在进气口和排气口之间的基本上相同的位置停下来。
在图5中更加以实验为依据地表示了活塞移动和输出轴转动之间的关系。在该表中的数据是通过在具有4∶1的齿轮传动比的样机发动机(prototypeengine)上进行的测量而获得的，在该例子中，循环从处于BDC(0°)处的曲轴开始，转子上的一个活塞在零度(0°)参考点连接到那个曲轴。
该数据表示当输出轴从10度转动到40度时，净活塞行程仅仅是2.5度，和在活塞从15度移动到35度的时间期间，净活塞移动是零，当轴从25度移动到30度时，活塞实际上有了少量倒退。当轴到达40度的点时，活塞开始更快地移动，当轴从40度前进到90度时，活塞从12.5度前进到90度。对于50度和85度之间的轴位置，轴每转动5度，活塞移动大约8到10度，当轴到达85度时，活塞再次减慢到大约与轴相同的速度。在整个循环中，输出轴和曲轴连续并均匀地旋转，正如在它们运动中的规则的间隔所表明的。
当曲轴绕着它们本身的轴旋转和绕着太阳齿轮移动时，曲轴的抵消移动有效地将转子和活塞锁止在它们的基本上静止的位置中。当一个转子和其上的活塞被锁止时，另一个转子和其上的活塞自由前进，因而，当燃烧发生时，被锁止的转子基本上保持静止，而在另一个转子上的活塞用膨胀气体的全力向前驱动，那个转子的运动驱动连接到其上的曲轴，曲轴的旋转促使那个曲轴上的行星齿轮绕着太阳齿轮移动，当它这么进行时，就使接合到托架的输出轴旋转。在几乎立即开始的下一个作功冲程，另一个转子被驱动，连接到那个转子的曲轴驱动输出轴，输出轴连续转动，每360度旋转容纳16个作功冲程。
在不打断或颠倒曲轴、齿轮和输出轴的旋转的情况下，转子的步进运动和锁止被实现。这是优于传统发动机的一个主要改进，在传统发动机中，输出轴每旋转一圈，活塞必须停止和颠倒方向两次，每个作功冲程，活塞必须停止和颠倒方向四次。
转子能设定成使活塞的相对表面在每个冲程的开始和结束非常靠近，并且发动机能具有非常高的压缩比，例如35∶1或更高。因而，发动机能以柴油机模式运行，没有火花塞或点火线路和点火正时。然而，如果希望，它也能靠汽油或另一种需要火花以便燃烧的燃料运行，在这种情况下，可采用合适的点火系统。
发动机运行在4冲程循环中，其在图6A-6I中用图解表示。在这些图中，转子用A和B标明，转子上的活塞用A1、B1等等标明。在循环的开始，转子处于图6A所示的位置中，活塞B1和B3形成进气口28和排气口29之间的密封。在这些图中，进气口和排气口分别由标记为IN和EX的箭头代表。
在第一个45度的轴旋转期间，转子A上的活塞前进大约90度，到达图6B中所示的位置，转子B上的活塞基本上保持静止。当转子A上的活塞前进时，形成于活塞A1、B1和A3、B3之间的腔经历一个进气冲程，容积增加，并通过进气口28将燃料混合物吸入它们自身中。
在下一个45度的轴旋转期间，转子B上的活塞前进大约90度，到达图6C中所示的位置，转子A上的活塞基本上保持静止。当转子B上的活塞前进时，在活塞A1、B1和A3、B3之间的腔经历一个压缩冲程，容积减小，并在它们中压缩燃料混合物。
燃料混合物的压缩使其温度升高到燃点，引起的燃烧促使活塞A1、B1和A3、B3之间的腔容积增大，转子B基本上保持静止而转子A前进另一个90度，到达图6D中所示的位置。在该作功冲程期间，输出轴旋转另一个45度。
在下一个45度的轴旋转期间，转子B上的活塞前进大约90度，到达图6E中所示的位置，转子A上的活塞基本上保持静止，并且A1和A3形成进气口和排气口之间的密封。当转子B上的活塞前进时，在活塞A1、B1和A3、B3之间的腔容积减小，通过排气口29排出燃烧废气。
在排气冲程之后，该循环重复，在活塞A1、B1和A3、B3之间的腔经历另一个进气冲程，转子A上的活塞前进到图6F中所示的位置。在下一个45度的轴旋转期间，转子B上的活塞前进到图6G中所示的位置，在这些腔中压缩燃料混合物。被压缩的燃料混合物的燃烧将转子A上的活塞驱动到图6H中所示的位置，输出轴前进另一个45度。在下一个45度的轴旋转期间，转子B上的活塞前进到图6I中所示的位置，排出废气并完成循环。现在，活塞和轴完成了360度的旋转，活塞回到图6A所示的位置中，准备下一个循环。
同时，形成于活塞A1、B1和A3、B3之间的腔正在经历它们的工作循环，相似的循环也正发生在形成于其它活塞之间的腔中。因而，例如，当转子A在图6A和6B中所示的位置之间移动和在活塞A1、B1和A3、B3之间的腔中正在发生进气冲程时，在活塞A1、B2和A3、B4之间的腔中正在发生压缩冲程，在活塞A2、B2和A4、B4之间的腔中正在发生作功冲程，在活塞A2、B3和A4、B1之间的腔中正在发生排气冲程。
图7表示在360度的轴旋转中发生于腔中的冲程。从该图表中，可以看到在输出轴的每个回转期间，发动机在八个腔的每一个中都经历两个完整的工作循环，因而，在每个腔中有两个作功冲程，在输出轴的两个回转中，在八个腔中有总共32个作功冲程，这等于传统设计的32缸发动机。
采用在环形汽缸中旋转和共享相同空间的工作腔，发动机在相对小的空间中获得相当高的排量(displacement)。例如，在一个实施方式中，环形汽缸具有11.25英寸的外径，每个腔具有3.0英寸的直径和3.75英寸的冲程，在输出轴的一个回转中具有424立方英寸的总有效排量。用如同传统4冲程发动机中的轴的两个回转，发动机就具有几乎850立方英寸的有效排量。当由高强度、轻重量的材料构造时，发动机每个具有大约14英寸的总直径和长度，和大约200磅的重量。这是优于对等排量的传统6缸直列式发动机的非常大和重要的改进，传统的6缸直列式发动机通常具有大约5英尺的长度，大约2英尺的宽度，大约4英尺的高度和大约2500磅的重量。
此外，动力输出实质上大于对等排量的传统发动机的动力输出。上述850立方英寸排量(C.I.D.)的发动机被认为能输出2000马力或更大，而传统的850C.I.D.通常输出不超过大约400马力。
图8-15表示当前优选实施方式，其中发动机在一个圆柱外壳51中构造，圆柱外壳包括中央部分52和端盖53、54，散热片设在所有三个部分的外部上。外壳的一端用作发动机汽缸体55，另一端容纳一个曲轴箱。在汽缸体中，半圆形横截面的圆形凹槽56、57形成于中央部分52和盖53的相对表面中，以形成活塞的环形腔或汽缸58。径向孔59、61开口穿过相对表面并结合形成进气和排气口，环桥(未示出)跨越进排气口，以防止在活塞环移动过进排气口时损坏活塞环。
输出轴63与外壳同轴延伸并突出于两个端盖，以连接到其它装置。在一端，该轴具有外部花键64，而在另一端，它具有相应的内部花键66和环形结合凸缘67，这些花键允许两个或更多发动机容易地连接在一起，或分级，如果希望的话。
一对具有在圆周上隔开的叶片状活塞71、72的转子68、69与输出轴同轴布置，两个转子上的活塞绕汽缸58放入彼此之间。在该实施方式中，转子和活塞形成为单一结构，活塞具有圆形的横截面，并且在其截取了大约9度角度的相对侧上具有径向面73、74。转子具有盘状主体68a、69a，盘状主体具有凹入弯曲的外围表面68b、69b，外围表面与凹槽56、57的曲率相匹配并用作汽缸壁的一部分。
两个转子之间的密封由环76提供，环76处于转子盘的内表面中的环形槽68c、69c中。转子和汽缸体之间的密封由环77提供，环77处于转子外表面中的和外壳部分52与端盖53的表面中的环形槽68d、69d中。活塞具有外围的环槽和环70，环70紧靠汽缸壁形成密封。
如果如同优选实施方式中那样，则活塞和汽缸的横截面是圆形的，可以使用传统的活塞环。然而，活塞和汽缸不是必须成圆形，它们能具有所希望的任何其它的横截面轮廓，包括矩形和梯形。
转子通过空心轴或套筒81、82连接到曲轴箱中的曲柄臂78、79，空心轴81、82与图1-3的实施方式中的空心轴31、32相似，这些轴与输出轴63同轴布置，内空心轴81旋转地安装在输出轴上，外空心轴82旋转地安装在内空心轴上。内空心轴稍长于外空心轴，转子68和曲柄臂78通过花键83接合到外轴的端部，转子69和曲柄臂79同样通过花键84接合到内轴的突出端。
每个曲柄臂具有两个大致径向的臂78a、78b和79a、79b，仅仅它们中的一个接合到空心轴，另一个臂旋转地安装在输出轴上以增加强度和稳定性，曲柄销78c、79c在每个曲柄的两个臂之间延伸。
一个支架或托架86通过花键87接合到输出轴63，一对曲轴88、89在直径相对的位置上旋转地安装在托架上。曲轴具有行星齿轮88a、89a，它们形成为曲轴的整体部分并与太阳齿轮91、92啮合，太阳齿轮接合到外壳并与轴63同轴布置。曲轴还具有偏心装置(eccentric)，其通过连杆93、94连接到曲柄臂上的曲柄销78c、79c。
该实施方式的运行和使用与前述的相似，在每个转子四个活塞和4∶1的齿轮传动比的情况下，该发动机也在输出轴的每个回转点火16次和在两个回转中点火32次。如上面提及的，它能从尺寸仅仅为14英寸直径和14英寸长度以及重量仅仅为大约200磅的成套设备中输出2000以上的马力。
如果希望，通过将一个第二环形汽缸增加到曲轴箱的外侧端和将该汽缸中的转子与活塞结合到现有的驱动机构，一个第二级可以增加到图8-15的发动机上。它可以通过如下方式实现，将输出轴63延伸通过增加的汽缸和将另外一对空心轴安装在驱动轴的延伸部分，空心轴的一端花键连接到曲柄臂的自由臂78b、79b，而另一端花键连接到增加的转子。当这完成时，单一的驱动机构为两个汽缸中的活塞服务，发动机的功率能加倍，而不会使发动机的尺寸也加倍。
发动机非常有效地运转并能使用各种替换燃料以及柴油与汽油，它也能用作焚烧炉，用来燃烧已经液化并与另一燃料结合的垃圾，其中高达大约百分之70的混合物是垃圾。它也能构造为微型发动机，和用于例如给电池电源组充电的应用。
通过将所述口重新排列和驱动输出轴，发动机还能构形成用作一个泵。对于一个泵，优选地使得口的数量等于转子上的活塞的数量，因而，例如，在每个转子四个活塞的情况下，四对进气和排气口绕汽缸平均隔开。如在图*(IN)和*(DIS)中所示，活塞每次前进，它都将流体吸入在它之后的腔中，并从在它之前的腔中排出流体，这产生一个泵，该泵能具有高容积、高流量和高压力，全部都在一个紧凑的单元内。
如果希望，泵可以用图8-15的发动机形式分级，一个单一的驱动机构用于两级中。
本发明具有大量重要的特征和优点，它提供非常紧凑和高效的发动机，其能用于大的和小的各种应用中，它能燃烧各种燃料并能在柴油机模式中运行或用火花点火运行。在汽车应用中，高的燃烧效率和大的排量提供了非常高的燃料行车里程和高动力，发动机部件很少，其设计简单且优美，它还能在不改变基本机构的情况下构形为一个泵。
从前述内容中很明显，已经提供了一种新的和改进的内燃机和方法。尽管只详细描述了某些优选实施方式，但对于那些本领域普通技术人员，很明显的，在不背离本发明范围的情况下能进行某些改变和修改，本发明的范围由后面的权利要求限定。
权利要求
1.一种内燃机，包括一环形汽缸，放入彼此之间以绕所述汽缸形成可变容积的腔的第一和第二组活塞，和以这种方式连接到所述活塞的输出轴，即当所述两组中的活塞绕着汽缸以步进方式交替移动，一组中的活塞移动一个预定距离的同时，另一组中的活塞基本上保持静止时，所述轴被以连续转动的方式驱动。
2.如权利要求1所述的内燃机，其中所述输出轴以这种方式连接到所述活塞，即对于输出轴的每个回转，在每个组中的活塞移动经过360°/n的n次步进，其中n是每个组中的活塞数量。
3.一种运行内燃机的方法，所述内燃机具有一环形汽缸，绕所述汽缸放入彼此之间以形成可变容积的腔的第一和第二组活塞，和可操作地连接到所述活塞的输出轴，其步骤包括使两组中的活塞响应所述腔中的燃烧，绕汽缸以步进方式交替前进，一组中的活塞移动一个预定距离的同时，另一组中的活塞基本上保持静止，和所述输出轴连续转动。
4.如权利要求3所述的方法，其中对于输出轴的每个回转，在每个组中的活塞移动经过360°/n的n次步进，其中n是每个组中的活塞数量。
5.一种内燃机，包括一环形汽缸，与所述汽缸同轴布置的第一和第二转子，在每个转子上的多个活塞，所述转子之一上的活塞被放入另一个转子上的活塞之间以绕所述汽缸形成多个可变容积的腔，和以这种方式连接到所述转子的输出轴，即当两个转子上的活塞绕着汽缸以步进方式交替移动，一个转子上的活塞移动一个预定距离的同时，另一个转子上的活塞基本上保持静止时，所述输出轴被以连续转动的方式驱动。
6.如权利要求5所述的内燃机，其中所述输出轴以这种方式连接到所述转子，即对于输出轴的每个回转，每个转子上的活塞移动经过360°/n的n次步进，其中n是每个转子上的活塞数量。
7.一种内燃机，包括a.一环形汽缸；b.绕所述汽缸交替布置并将汽缸分成多个腔的第一和第二组活塞；c.用来在进气冲程期间使第二组中的活塞基本上保持静止和使第一组中的活塞移动远离第二组活塞以将燃料吸入所述腔中，在压缩冲程期间使第一组中的活塞基本上保持静止和使第二组中的活塞朝着第一组活塞移动以压缩所述燃料，在作功冲程期间使第二组中的活塞基本上保持静止和允许第一组中的活塞响应被压缩燃料的燃烧移动远离第二组活塞，和在排气冲程期间使第一组中的活塞基本上保持静止和使第二组中的活塞朝着第一组活塞移动以从所述腔中排出废气的装置；和d.由所述活塞驱动的输出轴。
8.如权利要求7所述的内燃机，其中每个组都包括n个活塞，所述汽缸被分成2n个腔，在输出轴的每个回转期间，在2n个腔的每一个中都发生n/2个作功冲程。
9.如权利要求7所述的内燃机，其中每个组由四个活塞构成，所述汽缸被分成八个腔，在输出轴的每个回转期间，在八个腔的每一个中都发生两个作功冲程。
10.一种运行内燃机的方法，所述内燃机具有一环形汽缸，环形汽缸带有绕所述汽缸交替布置并将汽缸分成多个腔的第一和第二组活塞，和可操作地连接到所述活塞的输出轴，其步骤包括在进气冲程期间使第二组中的活塞基本上保持静止和使第一组中的活塞移动远离第二组活塞以将燃料吸入所述腔中，在压缩冲程期间使第一组中的活塞基本上保持静止和使第二组中的活塞朝着第一组活塞移动以压缩所述燃料，在作功冲程期间使第二组中的活塞基本上保持静止和允许第一组中的活塞响应被压缩燃料的燃烧移动远离第二组活塞，和在排气冲程期间使第一组中的活塞基本上保持静止和使第二组中的活塞朝着第一组活塞移动以从所述腔中排出废气，输出轴由所述活塞驱动。
11.一种内燃机，包括能彼此独立地绕一个公共轴转动的第一和第二转子，在每个转子上的多个叶片状活塞，在第一转子上的活塞被放入第二转子上的活塞之间以形成多个腔，所述腔在两个转子相对旋转时改变容积。
12.一种内燃机，包括第一和第二组可独立移动的活塞，它们在环状封闭的汽缸中被放入彼此之间以形成若干腔，当所述两组活塞在汽缸内相对移动时，所述腔改变容积。
13.一种内燃机，包括第一和第二组可独立移动的活塞，它们被放入彼此之间以形成若干腔，所述腔在两组活塞相对移动时改变容积。
14.一种内燃机，包括a.一环形汽缸；b.绕所述汽缸交替布置将汽缸分成多个腔的第一和第二组活塞；和c.以这种方式连接到所述活塞的输出轴，即在进气冲程期间，第二组中的活塞基本上保持静止，同时第一组中的活塞移动远离第二组活塞以将燃料吸入所述腔中，在压缩冲程期间，第一组中的活塞基本上保持静止，同时第二组中的活塞朝着第一组活塞移动以压缩所述燃料，在作功冲程期间，第二组中的活塞基本上保持静止，同时第一组中的活塞响应被压缩燃料的燃烧移动远离第二组活塞，和在排气冲程期间，第一组中的活塞基本上保持静止，同时第二组中的活塞朝着第一组活塞移动以从所述腔中排出废气，并且所述输出轴连续旋转。
15.如权利要求14所述的内燃机，其中每个组都包括n个活塞，所述汽缸被分成2n个腔，在输出轴的每个回转期间，在2n个腔的每一个中都发生n/2个作功冲程。
16.如权利要求14所述的内燃机，其中每个组由四个活塞构成，所述汽缸被分成八个腔，在输出轴的每个回转期间，在八个腔的每一个中都发生两个作功冲程。
17.一种运行内燃机的方法，所述内燃机具有一环形汽缸，环形汽缸带有绕所述汽缸交替布置并将汽缸分成多个腔的第一和第二组活塞，和可操作地连接到所述活塞的输出轴，其步骤包括在进气冲程期间使第二组中的活塞基本上保持静止和使第一组中的活塞移动远离第二组活塞以将燃料吸入所述腔中，在压缩冲程期间使第一组中的活塞基本上保持静止和使第二组中的活塞朝着第一组活塞移动以压缩所述燃料，在作功冲程期间使第二组中的活塞基本上保持静止和允许第一组中的活塞响应被压缩燃料的燃烧移动远离第二组活塞，和在排气冲程期间使第一组中的活塞基本上保持静止和使第二组中的活塞朝着第一组活塞移动以从所述腔中排出废气，输出轴以连续旋转的方式转动。
18.一种内燃机，包括一环形汽缸，绕所述汽缸成对安置的进气口和排气口，绕所述汽缸交替布置并将汽缸分成多个腔的第一和第二组活塞，和使所述两组活塞以这种方式互相连接的装置，即一组中的活塞基本上保持静止并在所述进气口和排气口之间形成密封，同时另一组中的活塞前进，将燃料吸入与进气口连通的腔中和将废气从与排气口连通的腔中排出。
19.一种运行内燃机的方法，所述内燃机具有一环形汽缸，绕所述汽缸成对安置的进气口和排气口，和绕所述汽缸交替布置并将汽缸分成多个腔的第一和第二组活塞，其包括下列步骤使一组中的活塞在所述进气口和排气口之间基本上保持静止，移动另一组中的活塞，以将燃料吸入与进气口连通的腔中和将废气从与排气口连通的腔中排出。
20.一种内燃机，包括一环形汽缸，绕所述汽缸成对安置的进气口和排气口，能彼此独立地绕所述汽缸的轴旋转的第一和第二转子，在每个转子上的多个叶片状活塞，在第一转子上的活塞被放入第二转子上的活塞之间以将所述汽缸分成多个腔，和以这种方式使所述转子互相连接的装置，即一个转子上的活塞基本上保持静止并在所述进气口和排气口之间形成密封，同时另一个转子上的活塞前进，将燃料吸入与进气口连通的腔中和将废气从与排气口连通的腔中排出。
21.一种内燃机，包括一环形汽缸，与所述汽缸同轴布置的输出轴，与所述轴同轴布置的太阳齿轮，接合到所述轴的托架，一对旋转地安装在所述托架上的曲轴，所述曲轴上的齿轮与太阳齿轮啮合，一对适合于绕着所述汽缸的轴旋转的转子，在转子上的多个活塞，所述活塞绕汽缸被放入彼此之间以将汽缸分成多个腔，和使转子与曲轴互相连接的连杆，以致对于输出轴的每个回转，所述曲轴连续转动，转子以步进方式交替旋转，对于输出轴的每个回转都进行一个完整的回转。
22.如权利要求21所述的内燃机，其中在每个转子上有n个活塞，和所述太阳齿轮和曲轴齿轮具有n∶1的传动比。
23.如权利要求21所述的内燃机，其中在每个转子上有4个活塞，和所述太阳齿轮和曲轴齿轮具有4∶1的传动比。
24.一种运行内燃机的方法，所述内燃机具有一环形汽缸，与所述汽缸同轴布置的输出轴，一对适合于绕着所述汽缸的轴旋转的转子，和在转子上的多个活塞，所述活塞将汽缸分成多个可变容积的腔，其包括下列步骤通过所述腔中的燃料混合物的燃烧使活塞绕着汽缸以步进方式前进，所述转子与活塞一致地以步进方式旋转，将所述转子的步进旋转转变成一对安装在一托架上的曲轴的连续旋转，托架接合到所述输出轴，和将来自曲轴的连续旋转传给所述托架和输出轴。
25.如权利要求24所述的方法，其中通过连接到所述转子的曲柄和连接在所述曲柄和曲轴之间的连杆，所述转子的步进旋转被转变成曲轴的连续旋转，所述曲柄比曲轴具有更长的偏心距。
26.如权利要求24所述的方法，其中通过使连接到曲轴的行星齿轮与太阳齿轮啮合，所述连续旋转被传给所述托架和输出轴，太阳齿轮与所述输出轴同轴地布置。
27.一种内燃机，包括a.一环形汽缸；b.绕所述汽缸成对安置的进气口和排气口；c.与所述汽缸同轴布置的输出轴；d.与所述输出轴同轴布置的太阳齿轮；e.接合到所述输出轴的托架；f.一对旋转地安装在所述托架上的曲轴；g.一对适合于绕所述汽缸的轴线旋转的转子；h.在所述转子上的多个活塞，其绕所述汽缸被放入彼此之间以将汽缸分成多个腔；i.使所述转子与曲轴互相连接的连杆，以致当转子以步进方式交替转动时，所述曲轴连续旋转，在一个转子上的活塞基本上保持静止并在所述进气口和排气口之间形成密封的同时，另一个转子上的活塞前进，将燃料吸入与进气口连通的腔中和将废气从与排气口连通的腔中排出；和j.在所述曲轴上的齿轮，其与所述太阳齿轮啮合，用来当所述活塞以步进方式移动和所述曲轴绕着它们的轴旋转时，使所述托架和输出轴绕着输出轴的轴线连续旋转。
28.如权利要求27所述的内燃机，其中在每个转子上有n个活塞，n/2对进气口和排气口，和所述太阳齿轮与曲轴齿轮之间的传动比是n∶1。
29.如权利要求27所述的内燃机，其中在每个转子上有四个活塞，两对进气口和排气口，和所述太阳齿轮与曲轴齿轮具有4∶1的传动比。
30.一种运行内燃机的方法，所述内燃机具有一环形汽缸，绕所述汽缸成对安置的进气口和排气口，与所述汽缸同轴布置的输出轴，一对适合于绕着所述汽缸的轴旋转的转子，和在转子上的多个活塞，所述活塞绕汽缸被放入彼此之间以将汽缸分成多个腔，其包括下列步骤通过所述腔中的燃料混合物的燃烧使活塞绕着汽缸以步进方式前进，转子之一上的活塞在所述进气口和排气口之间基本上保持静止，另一个转子上的活塞前进以将燃料吸入与进气口连通的腔中和将废气从与排气口连通的腔中排出，将所述转子的步进旋转转变成一对安装在一托架上的曲轴的连续旋转，托架接合到所述输出轴，和将来自曲轴的连续旋转传给所述托架和输出轴。
31.如权利要求30所述的方法，其中通过连接到所述转子的曲柄和连接在所述曲柄和曲轴之间的连杆，所述转子的步进旋转被转变成曲轴的连续旋转，所述曲柄比曲轴具有更长的偏心距。
32.如权利要求30所述的方法，其中通过使连接到曲轴的行星齿轮与一个齿轮啮合，所述连续旋转被传给托架和输出轴，该齿轮与所述输出轴同轴地布置。
33.一种内燃机，包括a.一环形汽缸；b.与所述汽缸同轴布置的输出轴；c.旋转地安装在所述输出轴上的第一空心轴；d.旋转地安装在所述第一空心轴上的第二空心轴；e.一对接合到所述空心轴中相应的空心轴上的转子；f.在所述转子上的多个活塞，所述两个转子上的活塞绕所述汽缸被放入彼此之间并将汽缸分成多个腔；g.与所述输出轴同轴布置的太阳齿轮；h.接合到所述输出轴的托架；i.一对旋转地安装在所述托架上的曲轴，曲轴上的齿轮与所述太阳齿轮啮合，用来当所述曲轴绕着它们的轴旋转时，使所述托架和输出轴绕着输出轴的轴线旋转；j.一对接合到所述空心轴中相应的空心轴上的曲柄臂；和k.使所述曲柄臂和曲轴互相连接的连杆，以致曲柄臂以步进方式交替转动，在一个转子上的活塞绕着汽缸移动一个预定距离的同时，另一个转子上的活塞基本上保持静止并且所述曲轴和输出轴连续旋转。
34.一种内燃机，包括a.一环形汽缸；b.绕所述汽缸成对安置的进气口和排气口；c.与所述汽缸同轴布置的输出轴；d.旋转地安装在所述输出轴上的第一空心轴；e.旋转地安装在所述第一空心轴上的第二空心轴；f.一对接合到所述空心轴中相应的空心轴上的转子；g.在所述转子上的多个活塞，所述两个转子上的活塞绕所述汽缸被放入彼此之间并将汽缸分成多个腔；h.一对接合到所述空心轴中相应的空心轴上的曲柄臂，用来与所述转子和活塞一致地旋转；i.与所述输出轴同轴布置的太阳齿轮；l.接合到所述输出轴的托架；j.一对旋转地安装在所述托架上的曲轴；l.使所述曲柄臂和曲轴互相连接的连杆，以致当所述曲柄臂以步进方式交替转动时，所述曲轴连续旋转，在一个转子上的活塞基本上保持静止并在所述进气口和排气口之间形成密封的同时，另一个转子上的活塞前进，将燃料吸入与进气口连通的腔中和将废气从与排气口连通的腔中排出；和m.在所述曲轴上的齿轮，其与所述太阳齿轮啮合，用来当所述活塞以步进方式移动和所述曲轴绕着它们的轴旋转时，使所述托架和输出轴绕着输出轴的轴线连续旋转。
35.一种内燃机，包括a.并排放置的第一和第二环形汽缸；b.绕所述两个汽缸的每一个成对安置的进气口和排气口；c.与所述两个汽缸同轴布置的公共轴；d.与所述公共轴同轴布置的第一和第二套空心轴，每套都包括一个旋转地安装在所述公共轴上的第一空心轴和一个旋转地安装在所述第一空心轴上的第二空心轴；e.第一对转子，其接合到第一套中的空心轴的相应的空心轴上；f.在所述第一对中的转子上的多个活塞，所述两个转子上的活塞绕第一汽缸被放入彼此之间并将第一汽缸分成多个腔；g.第二对转子，其接合到第二套中的空心轴的相应的空心轴上；h.在所述第二对中的转子上的多个活塞，所述两个转子上的活塞绕第二汽缸被放入彼此之间并将第二汽缸分成多个腔；i.与所述公共轴同轴布置的太阳齿轮；j.接合到所述公共轴的托架；k.一对旋转地安装在所述托架上的曲轴，曲轴上的齿轮与所述太阳齿轮啮合，用来当所述曲轴绕着它们的轴旋转时，使所述托架和输出轴绕着输出轴的轴线旋转；l.一对曲柄臂，其接合到所述两套中的空心轴的相应的空心轴上，用来与所述转子一致地旋转；和m.使所述曲柄臂和曲轴互相连接的连杆，以致当转子以步进方式交替转动时，所述曲轴连续旋转，在每个汽缸中的一个转子上的活塞基本上保持静止并在所述进气口和排气口之间形成密封的同时，在每个汽缸中的另一个转子上的活塞前进，将燃料吸入与进气口连通的腔中和将废气从与排气口连通的腔中排出。
36.一种内燃机，包括a.并排放置的第一和第二环形汽缸；b.绕所述第一汽缸成对安置的进气口和排气口；c.绕所述第二汽缸成对安置的进入口和排出口；d.与所述汽缸同轴布置的公共轴；e.与所述公共轴同轴布置的第一和第二套空心轴，每套都包括一个旋转地安装在所述公共轴上的第一空心轴和一个旋转地安装在所述第一空心轴上的第二空心轴；f.第一对转子，其接合到第一套中的空心轴的相应的空心轴上；g.在所述第一对中的转子上的多个活塞，所述两个转子上的活塞绕第一汽缸被放入彼此之间并将第一汽缸分成多个腔；h.第二对转子，其接合到第二套中的空心轴的相应的空心轴上；i.在所述第二对中的转子上的多个活塞，所述两个转子上的活塞绕第二汽缸被放入彼此之间并将第二汽缸分成多个腔；l.与所述公共轴同轴布置的太阳齿轮；m.接合到所述公共轴的托架；n.一对旋转地安装在所述托架上的曲轴，曲轴上的齿轮与所述太阳齿轮啮合，用来当所述曲轴绕着它们的轴旋转时，使所述托架和公共轴绕着公共轴的轴线旋转；o.一对曲柄臂，其接合到所述两套中的空心轴的相应的空心轴上，用来与所述转子一致地旋转；和p.使所述曲柄臂和曲轴互相连接的连杆，以致当转子以步进方式交替转动时，所述曲轴连续旋转，且(1)在第一汽缸中的转子之一上的活塞基本上保持静止并在所述进气口和排气口之间形成密封的同时，在第一汽缸中的另一个转子上的活塞前进，将燃料吸入与进气口连通的腔中和将废气从与排气口连通的腔中排出，和(2)在第二汽缸中的转子之一上的活塞基本上保持静止并在所述进入口和排出口之间形成密封的同时，在第二汽缸中的另一个转子上的活塞前进，将流体吸入与进入口连通的腔中和将流体从与排出口连通的腔中排出。
37.一种机器包括a.并排放置的第一和第二环形汽缸；b.与所述汽缸同轴布置的公共轴；c.与所述公共轴同轴布置的第一和第二套空心轴，每套都包括一个旋转地安装在所述公共轴上的第一空心轴和一个旋转地安装在所述第一空心轴上的第二空心轴；d.第一对转子，其接合到第一套中的空心轴的相应的空心轴上；e.在所述第一套中的转子上的多个活塞，所述两个转子上的活塞绕第一汽缸被放入彼此之间并将第一汽缸分成多个腔；f.第二对转子，其接合到第二套中的空心轴的相应的空心轴上；g.在所述第二套中的转子上的多个活塞，所述两个转子上的活塞绕第二汽缸被放入彼此之间并将第二汽缸分成多个腔；h.与所述公共轴同轴布置的太阳齿轮；i.接合到所述公共轴的托架；j.一对旋转地安装在所述托架上的曲轴，曲轴上的齿轮与所述太阳齿轮啮合，用来当所述曲轴绕着它们的轴旋转时，使所述托架和公共轴绕着公共轴的轴线旋转；k.一对曲柄臂，其接合到所述两套中的空心轴的相应的空心轴上，用来与所述转子一致地移动；和l.使所述曲柄臂和曲轴互相连接的连杆，以致当所述转子以步进方式交替转动时，所述曲轴连续旋转，在每个汽缸中的转子之一上的活塞绕汽缸移动一个预定距离的同时，在另一个转子上的活塞基本上保持静止。
38.一个用于在连续旋转和步进旋转之间转换的机器，包括一个轴，与所述轴同轴布置的太阳齿轮，接合到所述轴的托架，一具有偏心曲柄销的曲轴，曲柄销旋转地安装在带有行星齿轮的托架上，行星齿轮与太阳齿轮啮合，以致当所述行星齿轮绕着太阳齿轮移动时，所述轴和曲轴绕着它们的轴连续旋转，一旋转地安装的曲柄，和一连杆，该连杆使所述曲柄销和曲柄互相连接，以致当曲轴连续旋转时，所述曲柄以步进方式旋转，当由曲轴的旋转所引起的曲柄销的运动叠加到由行星齿轮绕太阳齿轮的移动所引起的所述销的运动时前进，和当由曲轴旋转所引起的曲柄销的运动抵消了由行星齿轮移动所引起的所述销的运动时基本上保持静止。
39.如权利要求38所述的机器，进一步包括带有偏心曲柄销的第二曲轴，曲柄销旋转地安装在所述托架上，与所述太阳齿轮啮合的第二行星齿轮，以致当所述第二行星齿轮绕太阳齿轮移动时，所述第二曲轴绕其轴线连续旋转，第二旋转地安装的曲柄，和第二连杆，该连杆使第二曲轴上的曲柄销和第二曲柄互相连接，以致当第二曲轴连续旋转时，所述第二曲柄以步进方式旋转，当由第二曲轴的旋转所引起的曲柄销的运动叠加到由第二行星齿轮绕太阳齿轮的移动所引起的所述销的运动时前进，和当由曲轴旋转所引起的曲柄销的运动抵消了由行星齿轮移动所引起的所述销的运动时基本上保持静止。
40.如权利要求39所述的机器，其中所述两个曲轴上的曲柄销相位相隔180度，以致在所述曲柄之一基本上保持静止的同时，另一个前进。
41.一种内燃机，包括a.圆柱外壳，具有朝着其相对端的汽缸体和曲轴箱；b.形成于所述汽缸体中的环形汽缸；c.在所述外壳的轴向上延伸的输出轴；d.旋转地安装在所述输出轴上的第一空心轴；e.旋转地安装在所述第一空心轴上的第二空心轴；f.一对转子，其接合到所述汽缸体中的空心轴的相应的空心轴上；g.在每个转子上的多个活塞，所述两个转子上的活塞绕所述环形汽缸被放入彼此之间并将环形汽缸分成多个腔；h.使所述空心轴和曲轴箱中的输出轴互相连接的装置，其用于活塞和转子的步进旋转以及输出轴的连续旋转。
42.如权利要求41所述的内燃机，其中所述使空心轴和输出轴互相连接的装置包括(1)一对曲轴臂，其接合到所述空心轴中相应的空心轴上，用来与所述转子一致地旋转；(2)接合到所述输出轴的托架；(3)一对旋转地安装在所述托架上的曲轴；(4)与所述输出轴同轴布置的太阳齿轮；(5)在曲轴上的与所述太阳齿轮啮合的齿轮，用来当所述曲轴绕着它们的轴旋转时，使所述托架和输出轴绕着输出轴的轴线旋转；和(6)使所述曲柄臂和曲轴互相连接的连杆。
43.如权利要求41所述的内燃机，包括成对的进气口和排气口，它们在圆周上隔开，与所述环形汽缸连通。
44.如权利要求41所述的内燃机，其中在每个转子上有n个活塞，n/2对进气口和排气口绕汽缸平均地隔开，和所述太阳齿轮与曲轴齿轮具有n∶1的传动比。
全文摘要
内燃机和方法，其中不同转子(21，22)上的活塞在环形汽缸(26)中彼此相对移动以形成可变容积的腔(27)，活塞(23，24)以步进方式移动，一个转子上的活塞移动一个预定距离的同时，另一个转子上的活塞基本上保持静止。当确定腔(27)的活塞之一移动远离另一个活塞时，燃料被吸入一个腔中，然后当第二活塞朝着第一活塞移动时，燃料被压缩，燃料的燃烧驱动第一活塞(23)远离第二活塞(24)，然后废气被再次朝着第一活塞移动的第二活塞从腔中排出。一个输出轴(31)以这种方式连接到转子(21，22)，即当转子和活塞以它们的步进方式移动时，轴(31)连续旋转。
文档编号F01C1/07GK1643241SQ03807174
公开日2005年7月20日 申请日期2003年3月20日 优先权日2002年3月26日
发明者拉尔夫·G·摩加多 申请人:拉尔夫·G·摩加多