专利名称：产生连续转矩的相反置换的非对称旋转式发动机的制作方法
技术领域：
本发明揭示出一种具有一个或多个相反置换、非对称循环并且产生连续转矩的内燃机。
背景技术：
内燃机是一种热力发动机，其中热能来自工作流体内的化学反应。内燃机中的工作流体为如本领域技术人员所熟知的燃料，例如汽油、柴油以及类似物，和空气。热量由燃料的化学反应所释放并且通过排放所消耗的燃料的副产物而被排入到大气中。相反，在外燃机，例如蒸气机中，热量通过固体壁传递到工作流体中并且通过另一固体壁排放到大气中。
内燃机比其它类型的发动机，例如蒸气机来说具有两个固有的优点。第一，它们除了辅助冷却外，不需要热交换器，因此，减小了发动机的重量、体积、成本和复杂性。第二，内燃机不需要通过壁面的高温热传递。因此，工作流体的最高温度可能超过壁面材料的最高允许温度。然而，内燃机也已知具有固有的缺点。在实际中，工作流体被限制为易燃的能源，空气和燃烧产物，并且其燃烧条件也不灵活。不能采用例如废热、太阳能和核能等废燃料热源。另外，就目前设计的内燃机而言其效率非常低。
然而，内燃机的优点远远大于其缺点。今天，基于奥托的四循环内燃机已经得到广泛的运用。内燃机远比所有其它类型的热力发动机使用得都多。内燃机存在的一个问题就是发动机效率不高。目前用于内燃机设计的技术在将工作流体的能量转换为可用的动力时其效率大约为25％。因此，发动机的低效率增加了对燃料的需求，与此同时，对大气的污染也就更加严重。
发动机被设计为将燃料转换为可用的能量。在内燃机中，燃料被燃烧，以提供高压的动力，该动力通过一定的机械装置被转换为转矩、或者旋转运动，以使预期的目标，例如汽车的驱动轴、锯床叶片、割草机叶片以及类似物产生运动。在任何给定时间绕转轴的转矩如阿基米德定律所述等于正交作用力矢量与所述作用力到转轴之间距离的乘积。以下公式表示了马力与发动机转矩的输出之间的关系(1)马力＝转矩×(每分钟转数/5252)在目前发动机的设计中，转矩由在任何给定时间下作用于曲柄轴的力的大小，以及对作用力施加到转轴上角度和距离进行控制的机械位移几何关系来决定。在目前的内燃机技术中，几乎没有对于将作用力机械地转换成转矩的几何关系进行改变的灵活性。为了增大转矩，需要增大所产生的作用力的大小，这会产生更大的发动机排量并且需要更多的燃料。
在目前的内燃机技术中的一个关键点就是输出马力(hp)与发动机立方英寸的排量，或者发动机总的工作容积之间的关系。马力和立方英寸发动机排量之间的理想关系大约为1比1。这就意味着每立方英寸的发动机排量就会产生1马力的输出。然而目前，大多数内燃机不具有这种1∶1的关系，每立方英寸的发动机排量仅获得大约0.85hp。随着设计中的各种已知的巨大改进，例如，涡轮增压器的出现，每立方英寸的发动机的总排量将会使输出马力水平增加超过1hp。然而，目前所提高的效率仅仅只是获得了效果的增强，并且是以高复杂性和高费用为代价的。
大多数内燃机为活塞式发动机。在内燃活塞式发动机中，将燃料燃烧从而产生用于为活塞的运动提供动力的压力。如
图1a-1d所示，在活塞式发动机中，燃料被导入到腔室中并被活塞压缩。火花用于将燃料点燃，使燃料进行燃烧并且使腔室内部的压力和温度升高，这使得燃料位于其内的工作容积发生膨胀。燃烧产物或者废气被释放到大气中。已知作为(1)吸气、(2)压缩、(3)燃烧、和(4)排气的这四个依次发生的循环被统称为奥托循环。今天几乎所有的内燃机都采用奥托循环来设计。奥托循环的顺序以所列的次序发生。压缩和燃烧循环为伴随循环。在压缩循环中产生大部分输入功，同时大部分输出能量在燃烧循环中产生。这两个循环为彼此相反的过程并且通常在压力体积(PV)图表中一起采用相同的坐标以图示的方式示出，其中压力体积图表示出了系统的净输出功。排气和吸气循环也是伴随循环，并且在传统的发动机中也是彼此相反的过程。在排气循环中，工作容积被减小以将废气排出，而在吸气循环中，工作容积膨胀以将燃料吸入。由于在每个循环中所作的功可以忽略不计，因此排气和吸气循环没有在PV图表上示出。图2示出了示例性的PV图表，并且还示出了介于A和B之间的压缩循环、介于B和C之间的燃料的点火并且工作容积压力的升高，介于C和D之间的燃烧循环和工作容积的膨胀，以及介于D和A之间的排气和吸气循环。
由于在压缩或排气过程中工作容积收缩的方式分别是与在燃烧或吸气过程中发生膨胀的方式正相反的过程，因此压缩和燃烧是彼此相反的过程，排气和吸气也是彼此相反的过程。在活塞的每次运动中，工作容积总的改变可以是相同的，但是该改变是在活塞的前次运动的工作容积改变的相反的方向上，并且活塞运动的方向可以是相同的，但是是朝向与前次运动相反的方向。将作用于活塞上的力转换为转矩以及反过来将转矩转换为作用于活塞上的力的机械转换是相反的机械过程。
如图1a-1d所示，活塞式发动机的每个单独的冲程都对应于活塞20在腔室10内的一个直线运动。当活塞20如图1a所示沿着腔室壁以方向26运动时，工作容积170增加，燃料从吸入口60进入到腔室10内，于是形成吸气循环(图1b)。在吸气循环的结尾处并且如图1c所示，活塞20沿着腔室壁进行反方向运动，从而在方向27上运动，并且如图1d所示，对燃料和目前的空气进行压缩，于是形成了压缩循环。在燃烧循环(图1a)开始的附近处，被压缩的燃料/空气混合物由来自点火口80的火花点燃，使燃料/空气混合物的温度和压力急剧地上升，将燃料点燃并且燃烧以产生气体。受空间约束的气体使工作容积内的压力升高，并使腔室中的工作容积170发生膨胀(图1b)。燃烧中所包含的能量产生用于产生转矩的作用力。在排气循环中(图1d)燃烧产物通过排气口70排放到外界环境中。为了依次进行如上所述的奥托循环，活塞四次穿过腔室的长度。活塞能够依次通过奥托循环。然而，由于功仅仅只在燃烧循环中产生，因此不只使用一个活塞并使之相互连接，从而在任意给定的时间内，至少一个活塞能够产生转矩，同时迫使其它活塞通过其它循环。数量为偶数的多个活塞，例如2、4、6、8或更多的活塞，以联动的方式被使用，与在任何给定时间内的其余活塞相比，一个或多个活塞位于奥托循环不同部分内。多个活塞在反方向上的运动使得运动被平衡，从而发动机不会发生无法控制的振动，并且发动机更容易被起动。
在如图1a-d所示的活塞式发动机中，活塞20在腔室10内的运动能够通过将活塞20连接到曲柄轴50上而被转化为转矩，其中活塞20通过连杆30和曲柄40被连接到曲柄轴50上，而曲柄枢轴40通过曲柄枢轴42连接到连杆30上。活塞20的运动26、27与曲柄轴50在一条直线上。曲柄轴在活塞的直线运动的作用下被驱动旋转而作环形运动28。转矩等于作用力乘以作用力到枢轴点的垂直距离，在这种情况下，枢轴点为曲柄轴50。在燃烧循环开始时，活塞20和曲柄40与曲柄轴50在一条直线上，并且活塞20的全部作用力如图1a所示直接作用于曲柄轴50的顶部。在这个瞬时，作用力与枢轴点之间的垂直距离为零，因此所产生的转矩也为零。直到曲柄轴50旋转一定角度，曲柄40才获得到曲柄轴50一定的垂直距离并且开始产生转矩。这个关系大致根据角A的正弦发生变化，所述角A是指曲柄40与活塞运动的直线之间的夹角。当燃料首次燃烧并且处于最大压力和最小体积时，在燃烧循环开始附近，作用于活塞20上的力为最大。由于发动机的机构不允许来自活塞的力施加到会产生转矩的方向上，即，以一定的角度作用于曲柄轴上，因此能量的大部分都被损失掉了。实际上，来自活塞的作用力只有部分转化为转矩，而力的其余部分作为耗散热散发掉了。由于对于将来自活塞的作用力转换成作用于轴的转矩的这种转换存在有机械局限，因此在目前的内燃活塞式发动机中大部分能量都被损失掉了。这个问题也出现在现有的内燃旋转式发动机技术中，例如，“汪克尔”旋转式发动机中，如图3a-c所示。
例如在图3a-c中以其最基本的结构示出的旋转式发动机，它通常具有一单独的对称腔室10。取代活塞的是多面转子22，当它在腔室10内绕曲柄轴50旋转时挤靠着腔室壁。该转子可以例如如图3a-c中所示那样以顺时针方向旋转。当转子22旋转时，它使奥托循环的四个循环的每一循环所必需的工作容积170a、170b和170c发生变化。对于汪克尔旋转式发动机来说，腔室10大致为椭圆形，并且曲柄轴50位于中心。用于汪克尔旋转式发动机的转子22大致为矩形，形成了三个凸形的转子面5a-c以及三个单独的工作容积170a-c。曲柄轴50的圆孔55可以设置于转子22的中心处。转子22在曲柄轴50的周围作对称运动。腔室壁的形状可以被设计成如图3a-c所示，当转子绕曲柄轴50旋转以完成4个循环的每一循环时，转子22的3个顶点21a-c一直与腔室壁相接触。转子22的内部与曲柄轴50相互作用并且通过位于圆孔55内部的齿轮(未示出)使曲柄轴50发生旋转。与活塞式发动机类似，可以设置燃料吸入口60、排气口70以及点火口80，用以提供燃料、将燃料从其中排出、以及在工作容积170a-c中点火，从而实现奥托循环。
在旋转式发动机中，不能灵活地改变腔室壁或转子的形状。通过转子面与腔室壁之间的相互作用产生了转矩。与活塞式发动机类似，存在有在燃烧循环的某些部分处产生零转矩的问题。在燃烧循环的开始和结尾处，转子面和腔室壁之间没有倾角，它们直接彼此相互挤靠，这时没有转矩产生，就属于上述情况。为了沿着腔室壁进行滑动，转子面必须以一定的倾角挤靠在腔室壁上，从而使轴旋转并且产生转矩的分力。在旋转式发动机中，转子和腔室壁彼此挤靠的方向在燃烧循环开始和结束时与轴成一条直线。这样，和在活塞式发动机中的一样，由旋转式发动机产生的转矩在燃烧循环的开始和结束时都为零，从而浪费了大量产生的力。值得注意的是，在旋转式发动机中，转矩作为由转子面产生的力的方向和来自腔室壁外部的力的方向之间的倾角的函数而变化，并且转矩等于来自转子面的力乘以倾角的正弦值再乘以倾角的余弦值。倾角大约在0度到20度范围内变化。这就导致了与目前的活塞式发动机相比，其将力机械地转化为转矩的效率较差，其中转矩作为从0度到180度范围内变化的一个角的正弦值的函数而变化。
传统的内燃机将活塞或转子上的力的一部分转换为绕曲柄轴的转矩。在活塞和曲柄轴的几何关系中，描述了计算活塞发动机的转矩的数学表达式。图4示出了数学关系式可由其中得出的活塞作用力F(p)、连杆L、曲柄C和曲柄轴CS的几何关系。如图4所示，当曲柄C绕曲柄轴旋转时，可以产生角度A。在燃烧循环开始时，角度A等于0度。当燃烧循环进行时角A上升到180度。在燃烧循环过程中任何时间绕曲柄轴的转矩可以通过采用已知的三角和代数替换将力矩的水平分力F(x)和垂直分力F(y)相加，其中F(x)和F(y)由连杆L、曲柄C的运动产生，公式如下(2)转矩＝F(x)*C*sin(A)+F(y)*C*cos(A)(3)L^2＝X^2+Y^2(4)Y＝C*sin(A)将式(3)中的X进行代换，得到(5)----X=L^2-C^2*(sin(A))^2]]>(6)----F(y)/F(x)=Y/X=C*sin(A)/L^2-C^2*(sin(A))^2]]>假设F(x)＝F(p)(7)----F(y)=F(p)*C*sin(A)/L^2-C^2*(sin(A))^2]]>将上式带入到式(1)得出 如方程(2)中所示，发动机中总转矩等于力F(x)乘以它到轴的垂直距离C*sin(A)，再加上力F(y)乘以它到轴的垂直距离C*cos(A)。代换F(x)、F(y)和F(p)之间的关系得到转矩公式(8)。由于转矩的公式的每一部分中都具有sin(A)，因此，转矩将随着sin(A)变化。当A为0度或180度时转矩等于零。1升的活塞式发动机的力转换为转矩的机械转换函数如图5中的线P所示。
在活塞式发动机中，当腔室内的压力最大时，燃烧循环开始的附近处作用于活塞上的力最大。在燃烧循环开始时，角A为零度，因此转矩的分量等于零。燃烧循环开始的附近时，由于作用力没有被转换为转矩，因此来自活塞的整个作用力作为热和摩擦被耗散掉，浪费了能量。在传统的活塞式发动机中转矩直到曲柄旋转到超过零度的某个值时，才开始产生。
与活塞式发动机相比，传统的旋转式发动机以不同的方式产生转矩。旋转式发动机通过两个面以一定角度彼此接触或挤靠来产生转矩。转矩为倾角的函数，所述倾角位于由转子面所产生的力的方向和静止的凹形腔室壁面之间。如图6所示，当两个表面的力在正相反的方向上推挤时，由于转子的力F(r)和壁的力F(s)与曲柄轴CS在一条直线上，倾角为零，因此没有转矩分量产生。为了产生转矩分量，各力不得不以大于0度并且小于90度的倾角来彼此作用。如图7所示，在以非0或90度的某一角度下产生的力的相互作用将使相互作用的表面相对于彼此绕曲柄轴CS向侧面运动，并且产生转矩的分量F(t)。如图7所示，转矩等于转子力F(r)乘以从曲柄轴CS到腔室壁S之间的距离D，再乘以cos(C)*sin(C)，这里C为形成于腔室壁与产生转矩的力的分力F(t)的方向之间的倾角，并且F(s)为腔室壁的力。
(9)Torque＝F(t)*D(10)沿着腔室壁的力分量＝F(s)*sin(C)(11)产生转矩的力分量F(t)＝F(s)*sin(C)*cos(C)(12)F(s)＝F(r)，其中F(r)＝来自转子的力(13)力矩＝F(r)*sin(C)*cos(C)*Dsin(C)*cos(C)的值在45度处具有最大值。在45度处，sin(C)*cos(C)的值等于1/2。
传统的旋转式发动机在将力机械转换为转矩时存在与传统的活塞式发动机类似的问题。在旋转式发动机中，来自转子面的力的方向与来自外部腔室壁的力的方向在燃烧循环开始和结束时在一条直线上。由于转子面和外腔壁的作用力彼此在一条直线上，并且都与曲柄轴成一条直线，不能产生倾角，因此就没有转矩产生。仅仅只有在燃烧循环的中部，转子面和外部腔室壁以大于0度并且小于90度的倾角彼此挤靠时，才能产生转矩的分量。
采用目前的技术获得使作用力更多地转换为转矩时所面临的另一个问题就是曲柄的长度。转矩等于力乘以该力作用到的枢轴点或曲柄轴之间的垂直距离。如果曲柄做得越长，由于曲柄轴和力作用点之间的距离更大，因此与采用较短的曲柄相比，将会产生更大的转矩。从功能上来讲，曲柄的长度被发动机的结构所限制，例如，由发动机内的燃料的压缩比限制。在压缩循环中，曲柄越长，对应的压缩比就越高。在使用活塞式发动机的情况下，活塞需要行进更长的距离。然而，活塞行进越长的距离，就意味着在压缩循环中，发动机总的排量就越大并且燃料和空气混合的压缩比就越高。对于汽油这种最普通的燃料源来说，在它被引爆前，其压缩比的最大值被限制为大约为10∶1。在发动机中，曲柄长度由发动机的机械结构和燃料的最大压缩比决定。增加曲柄的长度是不可行的，这是由于增加曲柄的长度会导致比燃料源的最大压缩点更高的压缩比。
正如这里所描述以及现有技术中已知的，发动机的转矩通过公式(1)转换为马力。如果能设计出在保持有利的热力学和流体机械属性的同时、在整个燃烧循环过程中将作用于活塞或转子上的力连续地转换为转矩的机械转换装置，就能产生更多的马力。如果能够设计出在燃烧循环过程中能够以更有利的到轴的距离施加作用力的机械装置，那么就能产生更大的转矩，因此就能产生更大的马力。
发明内容
在各种实施方案中，将描述与传统的内燃机相比能够获得更大转矩的内燃机。在各种实施方案中，将描述能够产生马力与每立方英寸排量的关系为大约4∶1的的内燃机。
在各种实施方案中，将要描述具有绕凸起轮廓运动的凹形轮廓的旋转式发动机。
在各种实施方案中，将要描述能够在整个燃烧循环连续地产生转矩的内燃旋转式发动机。在各种实施方案中，转矩能够通过对由凹形轮廓产生的作用力的倾角和静止表面产生的反作用力加以控制，来使整个燃烧循环连续产生转矩。
在各种实施方案中，本发明所述的内燃旋转式发动机的曲柄能够比具有相同排量的内燃活塞式发动机的曲柄的长度更长。
在各种实施方案中，内燃机具有至少两个凹形的轮廓，以及一根位于彼此成180度对置的至少两个腔的每一个之内的轴，以形成平衡的发动机总成。在各种实施方案中，每个腔可以为非对称的形状。
在各种实施方案中，将描述在整个发动机循环内其曲柄长度发生变化的内燃机。在各种实施方案中，在燃烧循环过程中曲柄长度增加，在压缩循环中曲柄长度减小。
在各种实施方案中，曲柄轴可以偏心地位于内燃旋转式发动机的腔室内。
在各种实施方案中，内燃机具有燃烧、压缩、吸气、排气循环，它们相对于工作容积的变化呈非对称。
在各种实施方案中，内燃机在燃烧和压缩循环之间可以将力非对称地转换为转矩。
还将描述在燃烧循环中产生连续转矩的方法。
附图的简要说明 如下所述的附图中示出了在此所述的本发明的实施方案以及现有技术中的各种实施方案。
图1a-d示出了在活塞式发动机中发动机循环过程的活塞的各个位置；图2为活塞式发动机的压力-体积曲线图；图3a-c示出了在汪克尔旋转式发动机的发动机循环过程中转子的各种位置；图4示出了活塞力F(p)和在活塞的运动下绕曲柄轴CS产生的转矩之间的几何关系；图5示出了将力转换为用于活塞式发动机P的转矩的曲线以及将力转换为用于如这里所述的内燃旋转式发动机的转矩的曲线；图6示出了当转子的作用力和壁的分力在一条直线上时，壁的作用力F(s)和转子的作用力F(r)之间的几何关系；图7示出了当转子的作用力和壁的分力不在一条直线上时，壁的作用力F(s)和转子的作用力F(r)之间的几何关系；图8a为转子的一个面的示意图，其中转子面位于工作容积为最大时的位置；图8b为转子的一个面的示意图，其中转子面位于工作容积为最小时的位置；图9a为本发明的一个实施方案的示意图，其中凹面相对于静止凸面处于使工作容积达到最大的位置处；图9b为本发明的一个实施方案的示意图，其中凹面相对于静止凸面处于使工作容积达到最小的位置处；图10示出了本发明的凹形轮廓的一个实施方案的前视图；图11为沿图10线11-11剖开的本发明的凹陷轮廓的一个实施方案的剖面图；图12为示出了具有吸气口、点火口和排气口、面板(faceplate)、凹形轮廓、曲柄枢轴以及保持器的旋转式发动机腔室的一个实施方案的示意图；图13为沿线13-13剖开的图12的旋转式发动机的剖面图；图14示出了半径和由此半径产生的曲线的几何关系，其中当半径逆时针绕枢转点旋转一定增加值时，半径的长度保持不变；图15示出了半径和由此半径产生的曲线的几何关系，其中当半径逆时针绕枢转点旋转一定增加值时，半径的长度加大；图16为所产生的曲线图，其中当半径绕枢转点逆时针旋转时半径的长度持续地增加；图17示出了孤立体(island)的内部腔室壁的一个实施方案的形状以及位于该孤立体上的曲柄轴的位置，其中所述形状与图16中的曲线相关；图18为旋转式发动机的一个实施方案的示意图，其中该发动机具有图17的孤立体，它带有凹形轮廓、曲柄枢轴、保持器、曲柄轴和外腔壁；图19a为外部腔室壁与图17中的孤立体之间的关系的示意图；图19b为与图16中的部分曲线成比例的图，它匹配于图19a的外腔壁的形状；图20为发动机的一个实施方案的分解图，该发动机具有两个腔室、一个曲柄轴和一个曲柄盘，每个腔具有两个凹形的轮廓、一个面板、一个内腔壁、一个后腔壁以及一个外腔壁，并且每个凹形轮廓都具有一个保持器和一个曲柄枢轴。
在所有附图中相同的部件标以相同的附图标记。应该理解的是附图代表了本发明的各种实施方案，并且可以不按比例给出。本领域技术人员在阅读了后续的说明以及所附的权利要求后，将可获知其它的各种详细说明 为了获得更有效率的内燃机，这种内燃机在每单位的排量下产生更大的马力和转矩，将对传统的内燃机的一些特征进行单独或联合地改变。这些特征包括静止腔室表面和使工作容积发生变化的运动部件之间的一个或多个关系，在燃烧循环中作用于曲柄轴上的力的角度、在整个燃烧循环中将力转换为转矩的机械转换，以及相对于工作容积的改变的发动机循环的对称性。正如下面将结合附图所进行描述的，改变这些特征中的一个或多个将导致内燃机更有效率。
包括活塞式发动机和旋转式发动机在内的传统的内燃机的几何构造，通过改变空间的体积进行工作，其中工作流体出现在腔室中或者“工作容积”中。工作容积在燃料吸入时膨胀，在燃料压缩时收缩，在燃料点火时膨胀，并且随着将燃烧副产物从腔室中排出而减小。在传统的活塞式发动机和旋转式发动机中，工作容积的改变通过使基本上呈凸形的活塞或转子面沿着腔室的静止凹面运动来获得，如分别在图1a-d和附图3a-c中示出的。图8a和8b示出了腔室10的静止凹面11、凸形转子22的单独表面5以及由静止的凹面11和凸起的转子面5之间的空间产生的工作容积170之间的关系。如图8a所示，当凸起的转子面5绕曲柄轴50以方向23从腔室10的具有较大的旋转半径150的静止的凹形面11运动到腔室10的具有较小的旋转半径160的凹形面11的某位置处时，工作容积170增大。这样，当凸起转子面5处于腔室10的具有较小的旋转半径160的静止凹形面11的某位置处时，工作容积170达到最大。如图8b所示，当凸起的转子面5绕曲柄轴50以方向23从腔室10的具有较小的旋转半径160的凹形面11的某位置处运动到腔室10的具有较大的旋转半径160的凹形面11的某位置处时，工作容积170减小。这样，当凸形转子面5处于腔室10的具有较大的旋转半径150的静止凹形面11的某位置处时，工作容积170达到最小。
为了增加传统的旋转或活塞式发动机的效率，在本发明的一个实施方案中，用于形成工作容积的几何关系将被改变。在燃烧循环过程中，可以通过颠倒在传统的发动机中所发现的运动凸形和静止凹面之间的关系来使发动机机械地将力转换为转矩得到更大的控制。根据本发明的各种实施方案，如图9a和9b所示，基本上呈凹形的轮廓绕静止的凸面旋转以使工作容积发生改变。如图9a所示，与传统的发动机相比，当凹形轮廓24绕曲柄轴50在静止的凸形表面90上以方向29从静止的凸起表面90的具有较小旋转半径160的某位置处运动到静止凸起表面90的具有较大旋转半径150的某位置处时，这种将运动部件和静止部件相反置换的方式使工作容积170增大。如图9b所示，当凹形轮廓24绕曲柄轴50在静止的凸形表面90上以方向29从静止的凸起表面90的具有较大的旋转半径150的某位置处运动到静止凸起表面90的具有较小旋转半径160的某位置处时，工作容积170减小。与传统的旋转式发动机技术相比，工作容积的形成使静止表面处出现最大工作容积的地方产生了相反的关系。
对存在于发动机中的活动部件和腔室表面之间的传统空间关系的相反置换通过使限定了工作容积的凹形空间沿着某些静止的凸形表面运动来使工作容积发生改变，这与某些可运动的凸形表面在静止凹形腔室内运动穿过工作容积的现有发动机技术相反。与活塞式发动机类似，它将活塞保持静止并且使圆筒形腔室沿着活塞上下运动，以使工作容积发生改变。活动部件和静止表面的相反的置换被用于更改发动机内的旋转运动。在目前的发动机技术中，工作容积仅能以与其发生收缩的正相反的方式发生膨胀，这是因为当部件在腔室内穿过工作容积向内运动时，所述部件只能以其穿过工作流体向内运动的相同的方式再向外移动。传统发动机的工作容积的膨胀和收缩是正好相反的过程并且在吸气、压缩、燃烧和排气这四个循环中是对称的。采用将运动部件和静止表面进行相反的置换，工作容积的膨胀和收缩以及由此所产生的力能够通过指定工作容积的形状而对其控制。通过控制工作容积的路径和形状，就能设计出将力转换为转矩的有益的机械运动，从而提供在每单位的排气下产生更大马力的发动机。工作容积的变化作为凸形表面的曲线的半径的函数，其中运动的凹形轮廓抵靠着所述凸形表面。工作容积根据沿着凹形轮廓的运动路径的静止凸形表面在每点处的形状，以不同的值发生收缩和膨胀。在相反置换的发动机中，运动部件和静止表面的相反的关系允许吸气、压缩、燃烧和排气这四个循环彼此独立并且被优化，从而这些循环是非对称的。现在将详细对相反置换的发动机进行说明。
根据各个实施方案，如图10和11(沿图10的11-11线的剖面图)示出的凹形轮廓能够用于相反置换发动机中。如图10和11所示，凹形轮廓24可以为半球形，并且可以与汽缸纵向上的一半的形状类似。凹形轮廓24的内部曲线200可以为半圆形，或者可以为与发动机的腔室的内腔壁的形状互补的任意其它形状。凹形轮廓24的内部曲线200可以具有比内腔壁的最小旋转半径小的旋转半径。凹形轮廓24具有腿33和34，所述腿能够当凹形轮廓24围绕内腔壁时可滑动地邻靠着内腔壁。凹形轮廓24的内部曲线200和腿33、34与内腔壁一起限定了工作容积。当支撑33、34与发动机腔室的内腔壁相接触时，凹形轮廓24的外部曲线210可以是能够提供与发动机腔室的外腔壁相接触的任意适当形状。凹形轮廓24的内部曲线200可以是与内腔壁一同限定了工作容积的任意形状，其中在压缩循环中，工作容积在凹形轮廓24沿内腔壁滑动时为燃料和空气混合物提供了一理想的压缩比。
根据各种实施方案，凹形轮廓、内腔壁和外腔壁的形状是彼此相关的。这些形状必须能够相互作用，但是不能相互限制，并且可以是曲线形状的任何变形，但不局限于球形、椭圆或者其它传统定义的几何形状。根据各种实施方案，其中凹形轮廓24的内部曲线200为半圆形并且凹形轮廓具有大约等于凹形轮廓宽度的深度，凹形轮廓的内部曲线的有效压力表面积大约为类似体积的活塞的两倍，从而提供了更大的力(力＝压力*面积)以使曲柄轴发生转动。
根据各种实施方案并且如图10和11所示，凹形轮廓24可以通过保持器130可释放地或永久地滑动地连接或邻接于外腔壁上，其中保持器130允许凹形轮廓24沿着外腔壁的周围滑动。适用的保持器包括，但不局限于滚动轴承、齿轮，或者其它本领域技术人员熟知的可滑动的保持器。如图10和11所示，保持器可以定位于凹形轮廓24的外部曲线210的中心，或者在一个或多个方向上发生偏移。
根据各种实施方案，凹形轮廓24的腿33和34能够可释放地或永久地可滑动连接或相邻于内腔壁上。凹形轮廓24的腿33、34可以具有可滑动的连接器，例如，但不局限于滚动轴承、齿轮或其它本领域技术人员熟知的可滑动的连接器，它们位于凹形轮廓24的一个或多个腿33、34上，其中可滑动的连接器允许凹形轮廓34的腿33、34沿内腔壁的圆周上滑动。
根据各种实施方案并且如图10和11所示，曲柄枢轴120位于凹形轮廓24上，该曲柄枢轴120延伸在凹形轮廓24的前表面之外。根据各种实施方案，曲柄枢轴120被定位为其延伸到凹形轮廓24的前表面之外的可以与曲柄盘充分地相互作用的任何点处。曲柄枢轴120被用于当凹形轮廓24沿腔室的内腔壁运动时推动位于腔室外部的曲柄盘，使其绕曲柄轴运动。
根据各种实施方案并且如图12所示，凹形轮廓24可以具有与静止凸形表面100相作用的凹形内部曲线200。静止凸形表面是腔室10的内腔壁100。静止凸形表面100可以是孤立体90的外表面。静止凸形表面100、凹形轮廓24的内部曲线200以及后部腔壁180同面板140一起限定了工作容积170的工作容积腔室。凹形轮廓24的凹形内表面200在功能上等同于传统的旋转式发动机内的转子的一个面。凹形轮廓24的外部曲线210通过保持器130与外腔壁110相作用并且沿着该外腔壁滑动。根据各种实施方案，凹形轮廓24的外部曲线210使凹形轮廓24的腿33、34一直抵靠着外腔壁100。在可滑动的连接器的作用下，凹形轮廓24可以沿着内腔壁100滑动或运动。凹形轮廓24绕内腔壁的运动通过曲柄盘(未示出)使曲柄轴50发生旋转，其中曲柄盘在曲柄枢轴120处与曲柄轴50和凹形轮廓24相互作用。
根据各种实施方案，腔室10的深度可以被设计为等于凹形轮廓24的厚度。腔室10可以通过限定了孤立体90的内腔壁100、外腔壁110和内腔壁180形成。腔室可由一片或多片金属、陶瓷或其它本领域技术人员熟知的合适材料形成。根据各种实施方案，内腔壁100、孤立体90、外腔壁110和后腔壁180可以通过对适合材料进行铣或切削以及铸造而成。根据各种实施方案，孤立体90和与其一体形成的内腔壁100可以与外腔壁110和后腔壁180单独形成并且通过本领域技术人员熟知的任何方式连接在外腔壁和后腔壁上，例如但不局限于，例如，焊接、热熔、粘接、铸造或者机械地连接的方式。在另一实施方案中，孤立体90可以被置于由内腔壁100限定的空间中，其中内腔壁100可以与后腔壁180一体成形，并且还可选择地与外腔壁110一体成形。孤立体90可以是由内腔壁100限定的空心体。根据各种实施方案，孤立体90可以为实心体。
根据各种实施方案并且如图12所示，面板140可以位于腔室10之上以限定包括了工作容积170的工作容积腔室，其中腔室10覆盖了孤立体90、内腔壁100、一部分包括内部曲线200的凹形轮廓24和一部分后腔壁180。根据各种实施方案，面板140可以这样安装或连接在孤立体90、内腔壁100或者它们两者之上该面板140不会与曲柄轴50或者凹形轮廓24的运动发生接触或干涉。根据各种实施方案，面板140覆盖了孤立体90和内腔壁100，并且以足够距离延伸在位于腔室10之上的内腔壁100之外，从而与凹形轮廓24相互作用并且将工作容积170覆盖。面板140可以具有使曲柄轴50穿过面板140的孔。在又一实施方案中，面板140可以在腔10上以足够的距离从内腔壁100上延伸，从而与凹形轮廓24相互作用并且将工作容积170覆盖，但并没有覆盖孤立体90的全部。根据各种实施方案，面板140不会与位于凹形轮廓24上的曲柄枢轴120的运动发生干涉。根据各种实施方案，面板140不会与曲柄盘的运动发生干涉。
根据各种实施方案并且如图12所示，当工作容积170在腔室10内运动时，吸气口60、排气口70和点火口80可以位于工作容积170区域内的后腔壁180上的腔室10内。如图12所示，当发动机依次进行吸气、压缩、燃烧和排气循环时，所述口60、70和80的位置假定凹形轮廓24绕内腔壁100作逆时针的运动29。所述口60、70、80的位置可以与腔室10内各自每一循环发生的位置相应。根据各种实施方案，点火口80可以位于后腔壁180上的工作容积170最小并且出现在腔室10内的燃料在工作容积17内被压缩至最大值的位置处。在此处，工作容积170内的燃料和空气的混合物被来自点火口80内的火花点燃。当凹形轮廓绕内腔壁100运动并且工作容积170从燃料和空气混合物的燃烧膨胀到最大值时，燃烧循环完成。在燃烧循环之后，在凹形轮廓24绕内腔壁100运动的同时工作容积缩小，从而在排气循环中将消耗掉的燃料和气体从腔室10的排气口70中排出。凹形轮廓24继续绕内腔壁100运动，工作容积发生膨胀，燃料和空气通过吸气口60被吸入，这时吸气循环开始。凹形轮廓24继续绕内腔壁100运动，工作容积170减小，对燃料和空气混合物进行压缩直到到达点火口89。然后可以重复发动机循环。
根据各种实施方案，例如，如图12所示，曲柄轴50居中地位于孤立体90内。根据各种实施方案，曲柄轴50可以偏心地位于孤立体90内，从而允许凹形轮廓以可变的半径绕内腔壁100在腔室10内运动。该半径可以是在任何给定时间内从曲柄枢轴50到位于凹形轮廓24上的曲柄枢轴120之间的距离。这个距离可以为机械曲柄长度。在曲柄轴50处于偏置的位置时，当凹形轮廓24绕内腔壁100运动时，半径发生改变。改变的半径允许作用在曲柄轴50上的总转矩在整个发动机循环中发生改变。当半径增大时，作用于曲柄轴50上的转矩增大。当半径减小时，作用于曲柄轴50上的转矩减小。根据各种实施方案，其中曲柄轴50被偏置，当凹形轮廓24在曲柄轴50周围运动并且在通过曲柄枢轴120与曲柄盘相互作用使曲柄轴50发生旋转时，曲柄盘内可以设有可适应曲柄枢轴120的位置变化的狭槽。
图13是图12所示实施方案的沿线13-13剖开的剖视图，另外还示出了具有一个或多个狭槽36的曲柄盘35的位置。如图13所示，根据各种实施方案，发动机包括相对于腔室10位于面板140的相对侧上的曲柄盘35。根据各种实施方案，曲柄盘35包括一个或多个用于与凹形轮廓24上的曲柄枢轴120相互作用的狭槽36。根据各种实施方案，如图13所示，狭槽36可以是凹槽、腔、通道或者其它能够将曲柄枢轴120容纳于曲柄盘35内的凹部。根据各种实施方案，狭槽36延伸穿过曲柄盘35，以便曲柄枢轴120能够延伸穿过曲柄盘35并且位于曲柄盘35的上表面之外。曲柄盘35可以直接连接在曲柄轴50上，或者通过与一个或多个齿轮、皮带或其它能够使曲柄轴50转动的装置的相互作用连接在曲柄轴50上。根据各种实施方案，曲柄盘35可以永久地连接于曲柄轴50上，以便曲柄轴50和曲柄盘35一起旋转。根据各种实施方案，曲柄盘50可以通过凹形轮廓24的运动以圆形或接近圆形的路径绕曲柄轴50旋转，其中所述凹形轮廓24通过配合于曲柄盘35的狭槽内的曲柄枢轴120与曲柄盘35相作用。当凹形轮廓24绕内腔壁100运动时，随着半径增大或减小，曲柄枢轴120在狭槽36内向前后滑动。曲柄盘35、狭槽36和曲柄枢轴120的相互作用的功能就相当于是可变长度的曲柄。根据各种实施方案，曲柄轴50可以居中地穿过曲柄盘35。根据各种实施方案，曲柄盘35可以具有一个或多个狭槽36，从而可以不只一个凹形轮廓24同时与曲柄盘35相互作用。根据各种实施方案，其中不只一个凹形轮廓24能同时与曲柄盘35相作用，各狭槽36位于曲柄盘35内的位置使得每个凹形轮廓24以相对的位置安装在内腔壁100或曲柄轴50周围处。
根据各种实施方案，可以通过设计这种腔室来使整个燃烧循环获得转矩，所述腔室被设计为在燃烧循环过程中沿着外腔壁的每一点处来自凹形轮廓的力的方向和外腔壁的力的方向之间的倾角大于0度并且小于90度。导出介于0度到90度之间的倾角的内腔壁、外腔壁和凹形轮廓的形状根据预定的倾角代数地确定。由预定的倾角C产生的转矩值如前所述等于F(r)*距离D*cos(C)*sin(C)，其中倾角C由与表面相作用的力F(r)产生。正如由数学方法所确定的，当倾角C为45度时，转矩达到最大值。45度的正弦值乘以其余弦值等于0.5。根据各种实施方案，介于20度和70度之间的其它倾角也可以产生合适的转矩值。根据各种实施方案，倾角可以在整个燃烧循环中发生变化。倾角可以在整个燃烧循环中减小。
如图14所示，如果当绕点CS旋转通过一定角度D时，半径R保持恒定，那么由半径R所描述的圆弧的切线C限定了位于点X和Z之间的直线。切线C相对于在圆弧中心(角D/2)处的半径成直角。如果线X-Z也描述了在角D/2处的半径所抵靠的腔室的表面，那么从半径的力的方向和从所述表面的力的方向之间的倾角为0。这个关系描述了传统的旋转式发动机技术中的条件，其中倾角在燃烧循环的开始和结尾处为零。为了在整个燃烧循环都获得转矩，入射的角度要在燃烧循环中的每一点处都位于0到90度之间。
图15示出了位于点Y和Z之间的由变化的半径绕固定点CS旋转一定角度D所产生的圆弧的切线C。如果切线C是改变的半径所抵靠的腔室的表面，那么从半径的力的方向和从所述表面的力的方向之间的倾角为角E，该角E位于0度到90度之间。在图15中任意给定点处改变的半径的长度等于R+dR，其中R为起始半径长度，dR为等于或大于0的变化的长度。如果R和dR的值在角度D上为已知，那么就能够计算倾角E。相反，如果旋转角D的中点D/2处的倾角为已知，那么就可以确定长度dR。
根据各种实施方案，可以得出曲线的计算公式，其中当半径绕可旋转的参照物的固定点旋转时，曲线的半径使其与沿着曲线的每点处的表面之间的倾角大于0度并且小于90度。根据各种实施方案，沿着曲线每点处的倾角大约为20度和70度之间。计算公式用于得出曲线，该曲线为可运动轮廓的外轮廓和静止内部腔室的一部分。
参照图15，当半径(R+dR)绕曲柄轴旋转时，预定的倾角E被用于计算dR值，其中半径R必须以dR值增加以保持倾角E的大小。倾角E为45度时，图15的三角形XYZ具有等长的边XY和XZ。用于产生45度倾角的半径增量dR与半径R之间的关系的公式为(14)dR*cos(D/2)＝dR*sin(D/2)+2*R*sin(D/2)(15)dR＝(cos(D/2)-sin(D/2))＝2*R*sin(D/2)(16)dR/R＝2*sin(D/2)/(cos(D/2)-sin(D/2))公式16表明对于给定的转角D，例如，1度，半径R必须以一定的百分比以长度dR进行变化。为了在一定的转角D中使倾角保持为45度，R的变化dR/R必须是恒定的。百分比的改变可以是长度的增加。例如，采用公式16，对于在转角为1度内要产生45度的倾角E而言，半径R增加大约1.76％。半径R变化(dR)的百分比能够保持恒定，而不用考虑用于旋转每一度时R的初始值。用于除了45度角之外的角度的公式可以通过将公式16的右边乘以比例系数K来得到。当倾角E从45度改变时，比例系数K为三角形XYZ的边XY与边XZ的长度差，其中当倾角为45度时，XY与XZ的长度相等。当倾角E不等于45度时，公式为
(17)dR/R＝2*sin(D/2)/(K*cos(D/2)-sin(D/2))比例系数K等于1/tan(E)。当角E为45度时，1/tan(45)＝1，从而得到公式16。当角E不等于45度时，K为不等于1的某个值。公式17可以用于计算百分比R在转动了转角D后必须改变多少才能产生预定的倾角E。通过采用定常的倾角E的公式16或17所产生的曲线立即从固定的旋转点向外呈螺旋形地延伸。为了产生具有较小的变化的半径百分比的平缓的螺旋线，可以采用变化的倾角E。例如，在曲线的起始点处倾角可以为大于或等于45度并且小于90度，并且当R绕固定点旋转时倾角逐渐减小。根据各种实施方案，变化的倾角，例如连续减小的倾角可以保持在90和0度之间，或者70度和20度之间。结合附图15参考公式14，可以看到相对于公式中的其它项，项dR*sin(D/2)定义了非常小的值。如果将项dR*sin(D/2)从项2*R*sin(D/2)中减去，而不是加上的话，半径R的值将会仍然保持上升，但是上升得更为平缓，并且倾角E将会逐渐减小。对于初始角不为45度的倾角而言，将项dR*sin(D/2)从项2*R*sin(D/2)中减去并且通过采用比例系数K来缩放比例，从而得出下列公式(18)dR＝2*R*sin(D/2)/(K*cos(D/2)+sin(D/2))根据各种实施方案，当起始半径的长度R为2并且起始倾角E为45度采用上述公式18时，则K等于1，并且将得出如图16所示的曲线。
图16示出了由公式18得到的示例曲线，以及两个圆，其中一个圆的半径为1个单位，而另一个半径等于2个单位。参照图16，根据公式18，从原点到与曲线上任何点相切的直线在转角为0处的倾角为45度，并且倾角在转角为90度处倾角逐渐减小到大约为20度。可以产生具有附图16的曲线的轮廓的内腔壁，它产生了倾角，其中凹形轮廓在0度转角处以倾角为45度开始并且在旋转了90度后该倾角逐渐下降到大约为20度。由于外腔壁的轮廓随内腔壁轮廓而变化，因此凹形轮廓上的转矩的分力的方向与外腔壁的力之间的倾角也在燃烧循环期间从45度变化到20度。
为了形成内腔壁轮廓，由公式18产生的曲线，例如如图16所示的曲线能够被重复并且被旋转180度，以形成如图7所示的形状一致的两相交曲线。例如，图17中所产生的形状定义了内腔壁和凹形轮廓在腔室内绕其旋转的孤立体。由公式18产生的曲线的原点可以位于孤立体内曲柄轴的位置处。根据各种实施方案，并且如图17所示，曲柄轴偏心地位于孤立体内。如图18所示，产生了与内腔壁的形状匹配的凹形轮廓。
如图18示出的凹形轮廓24可以具有相对于内部曲线200的中心偏置的曲柄枢轴120和保持器130。曲柄枢轴120和保持器130的位置与用于构成内部曲线200的几何旋转中心相对应，该中心与通过公式18所产生的曲线的原点相应，或与曲柄轴50的位置相应。图18示出了腔室10内的内腔壁100、孤立体90、外腔壁110、具有曲柄枢轴120和保持器130的凹形轮廓24以及曲柄轴50的关系，它们每一个的轮廓和/或位置根据由公式18产生的曲线决定。
根据各种实施方案，外腔壁的形状通过使凹形轮廓绕内腔壁运动而产生。外部腔室可以被设计成在凹形轮廓的保持器或外部曲线沿着外腔壁运动的同时使凹形轮廓抵靠于内腔壁。图18示出了如图18所示的由内腔壁100和凹形轮廓24产生的外腔壁110的形状。外腔壁110可以由与内腔壁100相同的数学函数产生。根据各种实施方案，外腔壁110可以具有与至少一部分外腔壁100相同的形状，但是在比例上更大并且在与燃烧循环相对应的一部分腔室10中绕原点旋转一定的角度，例如90度。
图19a示出了由图16中的曲线产生的内腔壁100以及通过将凹形轮廓绕内腔壁100进行滑动所产生的外腔壁110。外腔壁110的轮廓对应于放大了的、用于产生内腔壁100的曲线。图19b示出了图16中示出的内腔壁曲线的放大图。通过参考图19a和19b，至少在对应于燃烧循环的一部分外腔壁110中，需要使凹形轮廓与内腔壁保持恒定接触的外腔壁110可以是与内腔壁100的轮廓的成比例版本。
内腔壁的曲线可以根据由本发明定义的公式进行变化。这种内腔壁曲线形状的变化被用于提高整个发动机循环的效率，并且在各个循环中使工作容积形成非对称的变化。例如，通常在传统的发动机中，排气循环和压缩循环的特征为每一循环分别以相同的量对工作容积进行压缩。在这里描述的发动机中，排气循环和压缩循环可以是彼此独立的，这是因为每个循环实际上位于发动机腔室中的不同部分，并且可以具有不同尺寸的工作容积。排气循环可以被设计为使工作容积比压缩循环中收缩得大，从而更完全地排出燃烧副产品。通过在对应于排气循环的位置改进内腔壁的形状，使得在这个循环中内腔壁的形状能够使工作容积发生更大的变化，从而获得更充分地排气。更改内腔壁的形状能够产生相对于工作容积的改变不对称的循环。可以产生这样的非对称的发动机循环其中在吸气、排气、压缩或燃烧循环中的某一个循环中的工作容积，相较于它在该吸气、排气、压缩或燃烧循环中的其余循环中一个或多个中的工作容积，改变了一个区别量。使内腔壁的形状产生其它的改变将会获得其它在效率上的巨大进步，本领域的技术人员在了解和/或实践了这部分披露的内容和相关的附图后，这部分内容对他们是明显的。
在图5中示出了在燃烧循环中，活塞式发动机中力转换为转矩的功能与这里所述的在相反置换的非对称式旋转发动机中力转换为转矩的功能的比较图，其中这两个发动机具有相同的排量。由活塞式发动机(P)所产生的转矩在燃烧循环开始时为零，即使作用于活塞上的力在此点处为最大。在燃烧循环中，所产生的转矩值将会增加到某个最大值，然后又降为零。用于比较的位移相反置换的非对称旋转式发动机(IDAR)的机械转换功能图表并不以零作为起始点。IDAR图表在燃烧循环的起始处具有一定的值，并且在燃烧循环过程中，该值增大，从而持续地将力转换为转矩。在IDAR曲线中所看到的将力持续地转换为转矩是由于在相反置换的非对称旋转发动机的整个燃烧循环中，曲柄的机械长度的增加。在IDAR曲线中所看到的将力持续地转换为转矩是由于对位于凹形轮廓的力的方向和外腔壁的力的方向之间的倾角进行优化的结果。比较转换功能的曲线P和IDAR下的面积表明相反置换的非对称旋转发动机与具有相同排量的传统的活塞式发动机相比，前者的转矩产生能力大约为后者4倍。
能够产生连续的转矩反向置换的非对称旋转(IDAR)发动机的介于来自凹形轮廓的力的方向和外腔壁的力的方向之间的倾角可以是定常或变化的。这种发动机在整个燃烧循环中连续地产生转矩。在IDAR发动机中，当凹形轮廓绕内腔壁运动时，孤立体上的曲柄轴的位置和内腔壁的形状能够为其产生非对称的路径。凹形轮廓的运动使工作容积腔发生运动，从而工作容积绕曲柄轴进行运动。当凹形轮廓绕内腔壁运动时，所述从曲柄轴到外腔壁或曲柄枢轴的半径在整个吸气、压缩、燃烧和排气中发生改变，从而使循环相对于从固定旋转点的距离成非对称，并且当工作腔的尺寸改变时，产生非对称的工作容积。
根据各种实施方案，能够得到具有两个或多个绕曲柄轴并且相对于彼此进行设置以使振动和抖动最小化并且在整个发动机中平衡运动的IDAR发动机。根据各种实施方案并且如图20所示，两个腔室10可以彼此相邻并且沿着曲柄轴50相连。每个腔10可以包括位于孤立体90周围的内腔壁100、外腔壁110、后腔壁180、具有曲柄枢轴120和保持器130的凹形轮廓24以及面板140。每个凹形轮廓24的曲柄枢轴120可以与位于连接在曲柄轴50上的曲柄枢轴35上的狭槽36相互作用。根据各种实施方案，狭槽可以是凹槽、腔、通道或其它能够将曲柄轴枢轴120容纳于曲柄盘35内的凹部。根据各种实施方案，狭槽可以延伸穿过曲柄盘35，使曲柄枢轴120可以延伸穿过曲柄盘35并且位于曲柄盘35的上表面之外。通过曲柄枢轴120与曲柄盘35的相互作用，凹形轮廓24每次绕内腔壁100的运动都会使曲柄盘和曲柄轴50发生旋转。根据各种实施方案，在不同的时候，每个凹形轮廓24位于各自的燃烧循环内。曲柄轴50被置于允许其不与面板140或内腔壁100内的孤立体90发生干涉的位置处。每个腔室10位于发动机组内。在曲柄盘35的空间之外，通过螺栓、螺钉、焊接、粘接或其它本领域技术人员熟知的连接技术而连接发动机组块，或通过利用这些技术的各种组合而连接发动机组块。发动机组块可以被连接在一起，从而为曲柄盘35的运动、将曲柄盘35放置于腔室10之间、以及将面板140放置于每个腔10上或者上述的组合提供足够的空间。根据各种实施方案，腔室10可以共享曲柄盘35，或者每个腔室10也可以具有独立的曲柄盘35。
根据各种实施方案并且正如图20所示，在一个腔室10内可以设置两个凹形轮廓24，并且多个这样的腔室也可以在它们的周围、在曲柄盘35的运动之外被连接。曲柄轴50可以延伸穿过每个腔10。每个凹形轮廓24可以通过各自的曲柄枢轴120连接到曲柄盘35上，这样一个曲柄盘35能通过4个连接于其上的曲柄枢轴被转动。根据各种实施方案，一个凹形轮廓能够位于四个腔的每一个中。根据各种实施方案，等于或大于一个的任意数目的凹形轮廓，例如一个、两个、四个或八个的凹形轮廓可以连接在单个的曲柄盘上。根据具有两个或多个腔10的各种实施方案，腔室10可以在曲柄轴50的周围彼此偏置以产生绕曲柄轴的平衡运动，如图20所示。根据各种实施方案，例如，两个腔可以位于曲柄轴的周围并且彼此旋转180度，三个腔可以位于曲柄轴的周围并且彼此旋转120度，或者四个腔可以位于曲柄轴的周围并且彼此旋转90度。
与传统的旋转式或活塞式发动机相比，在IDAR发动机中，其工作体积在燃烧循环过程中膨胀的方式与其在压缩循环中被压缩的方式是不相同的。当凹形轮廓绕腔室运动时，工作容积的改变可以随着半径的改变而改变，从改变机械曲柄的长度。根据各种实施方案，发动机的非对称可以通过曲柄轴进行偏心运动来产生，从而产生了在四个循环中凹形轮廓绕内腔壁的非对称运动。非对称可以是一个或多个内腔壁、外腔壁或凹形轮廓的形状被改变从而使在每个循环中的工作容积值发生非对称变化的结果。
本领域的技术人员可以想到在这里详细叙述的实施方案之外的其它实施方案。落入在权限和范围内的各种等同的方法、装置和设备的所有实施方案都应被包括。本发明的范围由所附的权利要求划定。
权利要求
1.一种旋转式发动机，包括位于工作容积腔内的工作容积、大致呈凹形的可运动的轮廓体，以及静止的凸形表面，其中大致呈凹形的可运动的轮廓体和静止的凸形表面限定了工作容积腔，并且其中工作容积腔能够绕静止的凸形表面运动。
2.如权利要求1所述的发动机，其中静止的凸形表面包括以极坐标表达为R+(2*Rsin(D/2)/(K*cos(D/2)+sin(D/2)))的轮廓，其中K为介于0.27到4.0之间的常数，R为半径的长度，D为半径绕旋转点旋转的角度。
3.如权利要求2所述的发动机，其中K为1.0。
4.如权利要求1所述的发动机，其中当工作容积腔绕静止的凸形表面运动时，工作容积可以发生变化。
5.如权利要求4所述的发动机，其中工作容积的改变可以对应于发动机吸气循环、压缩循环、燃烧循环或排气循环。
6.如权利要求4所述的发动机，其中工作体积可以在发动机的吸气循环、压缩循环、燃烧循环和排气循环的两个或多个中不相同。
7.如权利要求4所述的发动机，其中当工作容积腔从静止的凸形表面上的较小的旋转半径的位置处运动到在静止的凸形表面上的较大的旋转半径的位置处时，工作容积能够增大。
8.一种旋转式发动机，包括由外腔壁、后腔壁以及围绕在孤立体周围的内腔壁限定的腔，其中所述腔具有吸气口、排气口和点火口；在腔内可运动的并且能够可滑动地与外腔壁和内腔壁中的一个或多个相互作用的凹形轮廓；位于凹形轮廓上的曲柄枢轴；能够容纳曲柄枢轴并且通过曲柄枢轴产生运动的曲柄盘；穿过孤立体并且连接在曲柄盘上的曲柄轴；面板，其中面板、凹形轮廓、后腔壁和内腔壁限定了包括工作容积的工作容积腔。
9.如权利要求8所述的发动机，其中凹形轮廓通过保持器可滑动地与外腔壁相互作用。
10.如权利要求9所述的发动机，其中保持器为滚动轴承。
11.如权利要求8所述的发动机，其中当凹形的轮廓从内腔壁上较小的旋转半径的位置处运动到内腔壁上较大的旋转半径的某位置处时，工作容积能够增大。
12.如权利要求8所述的发动机，其中内腔壁的形状包括以极坐标表达为R+(2*Rsin(D/2)/(K*cos(D/2)+sin(D/2)))的轮廓，其中K为介于0.27到4.0之间的常数，R为半径的长度，D为绕旋转点的旋转半径。
13.如权利要求12所述的发动机，其中凹形轮廓的内部曲线为内腔壁的轮廓的函数。
14.如权利要求8所述的发动机，其中曲柄轴非对称地位于孤立体内。
15.如权利要求8所述的发动机，其中在整个发动机循环中，曲柄轴到曲柄枢轴的距离能够发生改变。
16.如权利要求8所述的发动机，其中在整个燃烧循环中，曲柄轴到曲柄枢轴的距离能够连续地增大。
17.如权利要求8所述的发动机，其中在整个压缩循环中，曲柄轴到曲柄枢轴的距离能够连续地减小。
18.如权利要求8所述的发动机，其中发动机的每个循环包括吸气、压缩、燃烧和排气的副循环，并且每一副循环对应于凹形轮廓绕内腔壁旋转的一个用度数测量的值。
19.如权利要求18所述的发动机，其中至少一个副循环的旋转值不同于至少一个其它副循环的旋转值。
20.如权利要求18所述的发动机，其中在至少一个副循环中的工作容积不同于至少其它两个副循环的工作容积。
21.如权利要求8所述的发动机，其中在燃烧循环中，位于来自凹形轮廓的产生力矩的力的方向和外腔壁的切线之间的倾角介于0度到90度之间。
22.如权利要求21所述的发动机，其中当凹形轮廓绕内腔壁运动时，倾角能够发生改变。
23.如权利要求21所述的发动机，其中倾角在大约15度到大约75度之间。
24.如权利要求21所述的发动机，其中倾角在大约30度到大约60之间。
25.如权利要求21所述的发动机，其中倾角为45度。
26.如权利要求8所述的发动机，还包括位于腔内并且能够与外腔壁和内腔壁可滑动地相互作用的可运动的第二凹形轮廓。
27.如权利要求26所述的发动机，其中第二凹形轮廓从位于腔内的凹形轮廓处绕曲柄大约180度而设置。
28.如权利要求8所述的发动机，具有从所述腔处绕曲柄轴旋转大约180度的第二腔。
29.如权利要求8所述的发动机，其中工作容积腔能够在发动机内运动。
30.如权利要求29所述的发动机，其中工作容积腔绕曲柄轴运动。
31.如权利要求8所述的发动机，其中内腔壁为非对称形状。
32.一种在旋转式发动机的燃烧循环中连续地产生转矩的方法，包括在静止的凸形内腔壁、后腔壁、可运动的大致呈凹形的轮廓以及面板之间形成工作容积；然后通过使大致呈凹形的轮廓沿外腔壁滑动，从而使大致呈凹形的轮廓绕静止的凸形内腔壁运动。
33.如权利要求32所述的方法，其中来自凹形轮廓的产生力矩的力的方向和外腔壁的切线之间的倾角介于0度到90度之间。
34.如权利要求32所述的方法，其中倾角在大约15度到大约75度之间。
35.如权利要求32所述的方法，其中倾角在大约30度到大约60度之间。
全文摘要
一种旋转式发动机，它通过将运动腔体(170)和静止的凸形表面(100)进行相反的置换在整个燃烧循环过程中产生连续的转矩。公开了一种具有一个或多个非对称的腔(170)、进行非对称布置的曲柄轴(50)以及具有变化长度的机械曲柄(120)的旋转式发动机。描述了一种与传统的活塞式或旋转式发动机相比，在每单位发动机排量下具有更大马力的发动机。
文档编号F02B53/02GK1662732SQ03815027
公开日2005年8月31日 申请日期2003年5月12日 优先权日2002年7月16日
发明者J·B·伍德里奇 申请人:卢门纽姆公司