专利名称：双转子内燃机的制作方法
技术领域：
本发明一般地涉及内燃机，具体来说，涉及双转子内燃机。
背景技术：
内燃机已经问世多年，其用来将燃烧气体的能量转换为呈曲轴转动形式的机械能。本技术领域内公知的一种类型的内燃机是往复活塞式内燃机。传统的往复活塞式内燃机通常包括一外壳，其一般地称之为气缸体，它形成多个气缸排列，气缸布置成直线的V型或对置型。轴颈地支承在气缸下端处的是一曲轴。各个气缸容纳一活塞，曲轴通过对应的连杆往复地驱动活塞。气缸和活塞合作而形成工作腔室，以便对空气/燃料混合物实施吸入、压缩、燃烧和废气排出。内燃机还包括成对的凸轮轴，它们通过一链传动或其它传动装置可操作地连接到曲轴上，这样，它们被驱动而与曲轴转动同步地转动。
各气缸顶包括吸气端口和排气端口。吸气和排气端口通过对应的阀而打开和关闭。诸阀相反地安装在外壳内并通过曲轴致动。凸轮轴通过可枢转地安装在气缸头内的摇臂可操作地连接到各个阀，气缸头安装在内燃机气缸体上。诸阀通常通过弹簧偏置将吸气和排气端口密封在关闭的位置。弹簧还可操作来保持各阀顶部和对应摇臂的一枢转部分之间恒定的接合。尽管内燃机的该特殊结构合理地良好地工作，将燃烧气体的能量转换为转动的机械能，但由于其固有的设计它具有许多不足之处。首先，这些内燃机通常需要有大的位移来产生要求的工作量。这通常要求内燃机气缸体的物理尺寸相当大，这在对空间敏感的应用中会造成诸多问题。此外，根据连杆的偏移角、曲轴结构、凸轮、弹簧、往复活塞，内燃机在将活塞的往复运动转换为曲轴的转动方面不是非常有效。而且，这些内燃机需要过多的零件，它们会增加成本并降低可靠性。
发明内容
根据本发明的诸方面，提供一内燃机，其包括一外壳，外壳包括一对端壁和一对相交的平行气缸壁，气缸壁具有内壁表面，它们形成第一和第二互连的气缸内腔。相交的气缸壁形成间隔开的平行的第一和第二边缘。内燃机还包括第一和第二轴，它们同轴地延伸在诸内腔中，并在端壁处被支承以便转动。内燃机还包括固定到所述第一和第二轴的第一和第二转子，以便在对应的内腔中转动。第一和第二转子各具有多个带有外端的径向延伸的突耳。各突耳形成一燃烧室，燃烧室在突耳外端处打开。
根据本发明的另一方面，提供一内燃机，其包括一外壳，外壳形成有一对并排相交的大致圆柱形内腔和一对可转动地安装在内腔内的相对转动的动力转子。该对动力转子包括互相啮合的突耳，它们各形成敞开端部的燃烧室。内燃机还包括至少两个形成在外壳内并与成对的内腔流体地连通的排气端口，以及与内腔连通的点火装置。内燃机还包括第一和第二燃料吸入端口，它们设置在外壳内并连接成与内腔流体地连通，而第一和第二空气吸入端口设置在外壳内并连接成与内腔流体地连通。
根据本发明的另一方面，提供一内燃机，其包括一外壳，外壳形成平行的圆柱形形状的相交内腔和一对可转动地安装在内腔内的平行轴。该对平行轴在外壳外延伸以形成至少一个驱动轴。内燃机还包括第一和第二互相啮合的转子，它们可转动地安装在外壳内。各个转子构造有一中心毂部分，其偶联到其中一个轴上以便随轴转动，以及多个径向向外地延伸的突耳，以形成敞开端部的燃烧室。
根据本发明的另一方面，提供一内燃机，其包括一外壳，外壳形成有一对并排相交的大致圆柱形内腔和一对可转动地安装在内腔内的相对转动的动力转子。该对动力转子包括互相啮合的突耳，它们各形成敞开端部的燃烧室。内燃机还包括第一和第二吸气端口，它们形成在外壳内并连接成与内腔流体地连通，以及一用来将空气注入各燃烧室的空气源，以及第三和第四吸气端口，它们形成在外壳内并连接成与内腔流体地连通，以及一用来将燃料注入各充有空气的燃烧室内以形成空气/燃料混合物的燃料源。内燃机还包括一点火装置，其偶联到外壳上并在转子突耳完全地互相啮合时与对应的燃烧室大致地对齐。点火装置适于点燃在对齐的燃烧室内的空气/燃料混合物，由此，因空气/燃料混合物的点燃而造成的燃烧气体作用在突耳上，从而转动转子。内燃机还包括至少两个排气端口，它们形成在外壳内并与成对的内腔流体地连通。通过转子进一步转动，其后，燃烧的气体通过排气端口排出。
附图的简要说明结合诸附图，参照以下详细的描述，将会更加容易地认识到本发明上述诸方面和许多相随的优点，在诸附图中
图1是根据本发明构造的一双转子内燃机的示意的截面图；图2是图1的双转子内燃机的外壳的示意的截面图；图3是图1内燃机的简化的立体图；图4是图1双转子内燃机的一转子的侧视图；图5-12示出当内燃机一燃烧室操作通过其六个循环时，图1内燃机的转子的相继的位置；图13是根据本发明构造的内燃机的另一实施例的示意的截面图，其中，内燃机还包括附加的吸气端口；图14是根据本发明构造的内燃机的另一实施例的示意的截面图，其中，内燃机还包括附加的燃料吸入端口和/或引入空气或其它增加内燃机输出的组分(诸如水或一氧化氮)的吸气端口；图15是适用于根据本发明构造的内燃机的转子的替代实施例的侧视图；图16是根据本发明构造的内燃机的另一实施例的示意的截面图，其中，转子各包括形成燃烧室的四个突耳；图17是图16内燃机的外壳的示意的截面图；图18是图16的双转子内燃机的一转子的侧视图。
具体实施例方式
现将参照附图描述本发明，附图中相同的标号对应于相同的零件。本发明涉及到具有双逆向转动的转子的内燃机。具体来说，本发明涉及将由燃烧气体产生的能量转换为双转动的输出轴的一双转子内燃机。
根据本发明诸方面构造的一双转子内燃机20的合适的实施例示于图1中。为了便于图示，图1以截面图示出内燃机20的示意图。内燃机20包括一外壳22，其形成具有相交区域的一对平行的圆柱形内腔24A和24B。内燃机20还包括与一公共水平平面共面的一对平行轴26A和26B。各轴26A和26B沿着外壳22的纵向轴线通过传统的轴承轴颈地被支承，以允许平行轴26A和26B在内腔24A和24B内转动。分别刚性地固定到轴26A和26B上以便随其转动的是第一和第二转子28A和28B。在所示的实施例中，转子28A和28B分别具有三个突耳32A、34A、36A和32B、34B、36B，它们围绕转子28A和28B的周缘等距离地间隔。突耳32A-32B、34A-34B、36A-36B分别形成燃烧室172A-172B、174A-174B、176A-176B。突耳32A、34A、36A和32B、34B、36B显示为摆线形；然而，也可使用其它互相啮合的形状，例如，卵形。第一和第二转子28A和28B牢固地固定到轴26A和26B，以便以偏移的方式随其转动，这样，转子28A的一个突耳啮合转子28B两个相邻突耳的中间，反之亦然。
为了能实现第一和第二转子几乎无摩擦或无接触的内啮合，一对齿轮30A和30B固定地布置在外壳22其中一个端壁40外面的轴26A和26B上(如图3清晰地所示)。为了图示的方便起见，图3所示内燃机是内燃机的简化视图；然而，应该认识到，图3所示内燃机包括其它的特征和部件，它们将在下文中作详细描述。齿轮30A和30B的尺寸和构造使其能够啮合，由此，形成一锁定连接的力，以便同步逆向转动轴26A和26B的转动。应该认识到，齿轮30A和30B可邻近于如图所示的外壳22一个端壁40定位，或可安装成离一个端壁40有一间隔开的距离，以便为其它的内燃机附件或部件提供空间，或确认为进入内燃机20的外壳22的通道。
轴26A和26B可分别随位于两个端壁40外面的驱动轴52A、54A和52B、54B延伸，如果需要的话，还可适于驱动辅助机构，例如，发电机、分配器、水泵、流体泵。驱动轴52A、54A和52B、54B还适于驱动发电机、双螺旋桨的航运工具、有轮的陆上工具，仅例举几个而已。此外，应该认识到，根据特殊的应用，可利用驱动轴来驱动单独的和不同的部件。例如，诸如建筑机械的车辆使用内燃机20，其可利用一个驱动轴来提供车辆的推进动力，而利用另一个驱动轴来偶联到一驱动这种车辆的液压或气动系统的动力输出上。因此，根据所欲实现的应用，可使用任何数量的驱动轴。
现参照图2，现将详细描述外壳22。外壳22可由本技术领域内公知的任何合适的内燃机气缸体材料进行构造，诸如铝、铸铁或铸钢等，仅举几个例子而已，并使用任何传统的技术进行加工制造，例如，铸造、CNC(计算机数字控制)金加工或诸如此类的技术。外壳22包括一对平行的圆柱形壁部分38A和38B，它们相交在一公共垂直平面P处，以形成纵向边缘，它们通常称之为空气腔顶点42和排气腔顶点44。相交圆柱形壁部分38A和38B的内壁表面48连同端壁40的内表面(见图3)一起形成成对并排相交的大致圆柱形内腔24A和24B。轴26A和26B分别用传统的轴承通过孔(图2中被轴遮蔽)而轴颈地支承，所述孔通过端壁40设置(见图3)并定位成与各内腔24A和24B的纵向轴线同轴。顶点42和44之间的距离可用角50来定义，该角顶是轴26A或26B的中心点。在所示实施例中，角50近似为95°。外壳22构造成基本上关于垂直平面P对称。在顶点42的部位处，形成一压力释放端口56，其连接成与内腔24A和24B流体地连通，其可以是受一传统卸压阀(未示出)调节的阀，它在一选定的内腔压力(例如，200psi)下打开，以便在使用过程中释放积聚在内燃机内的压力。
外壳22还包括两个一次的排气端口60A和60B，以及两个二次的排气端口64A和64B，它们分别形成在第一和第二气缸壁部分38A和38B内，并关于公共垂直平面P对称地设置。或者，一次和二次排气端口可形成在任何内燃机气缸体表面内并可由多个端口组成。在所示的实施例中，一次排气端口60A和60B的起始边缘70A和70B开始在通过排气腔顶点44的转角68处，在此实施例中，它较佳地约为110°。一次排气端口60A和60B的终端边缘72A和72B设置在转角80处，其较佳地约为10度，分别通过起始边缘70A和70B。外壁部分或间隔84A和84B分别形成在一次和二次排气端口之间。间隔84A和84B的长度由形成在一次排气端口终端边缘72A和72B和二次排气端口起始边缘90A和90B之间的转角88定义。在此实施例中转角88近似为10度，并可对应于燃烧室开口的转角，这将在下文中描述。或者，如果需要的话，转角88可大于或小于10度。二次排气端口64A和64B终止在终端边缘92A和92B处，它们处于转角96，通过起始边缘90A和90B。在所示的实施例中，转角96较佳地约为35°。这样，分别从二次排气端口64A和64B的终端边缘到空气腔顶点42的其余的转角近似为100°。
根据本发明的诸方面，一次排气端口60A和60B的起始边缘70A和70B部位(定义为通过顶点44的转角68)对应地可用以下方程式(1)确定。
(1)L＝(360/N)-X其中L＝一次排气端口60A和60B起始部位，其确定为离排气腔顶点44的转角68；N＝每个转子的燃烧室数量；以及X＝转角(度)，其定义各燃烧室的打开。
因此，在图1-4的实施例中，其中，N等于3，X等于10度，L或转角68等于110度(如上所述)。
回头参照图1，一次排气端口60A-60B可将由内腔24A-24B内的空气/燃料混合物燃烧产生的废气运输到传统的涡轮增压器110A和110B。涡轮增压器110A和110B包括与一次排气端口60A和60B流体地连通的涡轮114A和114B。由废气驱动的涡轮114A和114B又驱动压缩机118A和118B。新鲜空气通过空气管线122A和122B和通过涡轮增压器110A和110B的压缩机118A和118B吸入，并通过通道126A和126B由压缩机118A和118B供应到空气吸入端口132A和132B。空气吸入端口132A和132B设置在外壳22内(一个端壁40内)并连接成与内腔24A-24B流体地连通。空气吸入端口132A和132B可分别设置成近似地介于130-160度之间的转动，离顶点44顺时针和逆时针转动，在所示实施例中，较佳地介于145-150度之间。空气吸入端口132A和132B较佳地构造成将空气从涡轮增压器110A和110B引入到内腔24A和24B内(如箭头所示沿径向向外的方向)。外壳22可供选择地构造有分别邻近空气吸入端口132A和132B定位的辅助吸气端口136A和136B，它们连接成与通道126A和126B流体地连通。辅助吸气端口136A和136B较佳地构造成沿转子转动的方向将空气引入到内腔24A和24B内(如箭头所示)，其好处将在下面作详细描述。
在一实施例中(未示出)，其它端口可设置在与空气吸入端口132A和132B和可供选择的辅助吸气端口136A和136B相对的端壁内。本发明者认为，附加的端口将允许引入的空气吹过腔室，形成附加的涡流并增加冷却和排气的能力。
尽管一次排气端口60A和60B已在上文中描述和显示为连接到两个涡轮增压器110A和110B，但本技术领域内的技术人员将会明白，一次排气端口60A和60B也可连接到一单一的涡轮增压器。此外，涡轮增压器显示为通过空气吸入端口132A和132B和可供选择的辅助吸气端口136A和136B将新鲜空气量引入内腔，但也可使用其它的装置来如此引入新鲜空气。例如，吸气端口可连接成与鼓风机、风扇、增压器(仅例举几个)流体地连通，它们都是本技术领域内公知的。
二次排气端口64A和64B通过废气通道将燃烧过的气体运输到大气中。本技术领域内的技术人员将会明白，废气通道可以传统的方式连接到催化净化器、消声器、废气管或它们的任何组合等。或者，为了进一步利用废气的能量，二次排气端口64A和64B可连接成与涡轮增压器流体地连通，该涡轮增压器构造有第二涡轮，其结合连接在一次排气端口60A和60B的第一涡轮一起驱动一修改的两涡轮的涡轮增压器的压缩机。
现参照图2，诸如火花塞142A和142B的两个点火装置以任何传统的方式分别通过孔144A和144B连接到外壳22。火花塞142A和142B可以凹入地安装或齐平地安装在孔144A和144B内，以便不干扰转子的转动。火花塞孔144A和144B可形成到外壳的一个或两个端壁40内(见图3)。为了点火的目的，火花塞142A和142B适于连接到本技术领域内公知的任何电源上，火花塞142A和142B将一电荷提供给内腔24A和24B，以启动燃料/空气混合物的燃烧。火花塞孔144A和144B间隔开，并可如图所示地与轴26A和26B共面，或者，可与垂直平面P共面。尽管图中仅示出两个火花塞孔，但应该认识到，多组的火花塞孔和因此多组的火花塞可用于本发明中，以提供空气-燃料混合物更加完全的燃烧(如果要求的话)。此外，应该认识到，当转子处于图1所示位置中时，火花塞孔和因此火花塞可定位在与燃烧室172A连通的任何地方。
此外，形成在外壳22内的一个或两个端壁40处(见图3)的是燃料喷射器端口154A和154B，其适于连接到一燃料源并与内腔24A和24B流体地连通，以便对内腔供应燃料。本发明的实施例可利用节气门段或多端口的(相继的)电子燃料喷射器，以本技术领域内公知的方式，通过燃料喷射器端口154A和154B将燃料注入到内腔。然而，应该认识到，燃料或燃料/空气混合物可使用传统的汽化器或其它的机械装置注入到腔室内，这将在下文中作详细地描述，传统的汽化器或其它的机械装置的使用，可连同电子燃料喷射器或与电子燃料喷射器分离。本发明中使用的燃料可以是任何可燃流体，例如，汽油、酒精，或氢(仅举几个例子而已)。
燃料喷射器端口154A和154B设置在外壳22的端壁40内(见图3)，这样，各燃料喷射器端口154A和154B的对分线定位在转角160处(见图2)，较佳地约为30度，分别离空气腔顶点42逆时针和顺时针转动。应该认识到，转角160可小于30度，并可在离顶点42约30度或以上(例如，45度)至约负15度转动的范围内，以便延长二次排气端口的排气循环。燃料喷射器端口154A和154B较佳地构造成沿下燃烧室壁的方向引入燃料(或燃料/空气混合物)，以帮助阻止燃料因转子的转动而离心地甩出燃烧室，并形成涡流和燃料和空气的循环，由此，改进注入的燃料和存在于燃烧室内空气之间的混和过程。应该认识到，燃料喷射器端口154A和154B沿径向在轴26A和26B的外面间隔一足够的距离，这样，当燃料喷射器端口154A和154B与转子突耳对齐时，燃料可注入到燃烧室内。
现参照图4，现将详细地描述第一和第二转子。由于第一和第二转子在结构上基本上相同，所以，这里将只详细地描述第一转子28A。如以上简要地讨论的，第一转子28A形成有三个径向地延伸的摆线形突耳32A、34A和36A，它们分别形成燃烧室172A、174A和176A。摆线形突耳32A、34A和36A等距离间隔设置，这样，对分相邻突耳的纵向轴线之间形成的角168是120°。转子中心点和突耳自由端之间的长度略小于内腔的半径，这样，转子可在内腔内自由地转动，但在突耳和气缸部分的内壁表面之间提供足够的密封(例如，突耳自由端和气缸壁部分的内表面之间的公差可考虑为百分之几英寸或甚至千分之几英寸)。
燃烧室172A、174A和176A分别在突耳32A、34A和36A的自由端处敞开。诸开口的宽度由角180定义(也称之为转角并在上述方程(1)中用“X”表达)，该角180由两个虚线形成，它们从转子28A的转动中心点(RCP)延伸并分别延伸通过外突耳前导边缘和尾部边缘184A和188A。在一实施例中，角180较佳地约为10°，并较佳地与间距84A和84B以及一次排气端口60A和60B的宽度对应。然而，其它大于或小于10度的角也被认为纳入本发明范围之内。而且，角180可具有不同于间距和/或一次排气端口60A和60B的宽度的值。
燃烧室的特殊形状不是本发明的一部分，因此，将不作任何更详细的描述。然而，应该认识到，只要转子突耳侧壁保持足够的刚度，以包含燃烧的空气/燃料混合物的膨胀而没有不希望的转子弯曲，则本发明可使用任何的形状和尺寸。在一实施例中，如图15所示，转子突耳可供选择地用加强杆178支撑或加强，以阻止突耳侧壁弯曲。应该认识到，加强杆178的直径小于燃烧室开口纵向的尺寸，以允许燃烧后的气体退出燃烧室。该加强杆178的固定可通过在突耳侧壁内钻孔并对钻孔进行攻丝(即，攻螺纹)而接纳杆178，但也可使用诸如焊接之类的其它技术。此外，燃烧室可形成有邻近于燃烧室开口处的突出部182。突出部182可呈杯状或中空结构并沿着突耳的前导和尾部边缘延伸，以有助于在转动过程中将燃料保持在燃烧室内。突出部182可构造成不锈钢内衬，其从转子侧插入到燃烧室内。
现将特别地参照图5-12，描述根据本发明的内燃机20的操作。为了图示的方便和以下描述的清晰起见，涡流增压器未示出；然而，应该认识到涡流增压器可以是本发明一实施例的部分并可如图1所示地进行构造。在图5-12中，转子28A和28B显示为八个(8)相继发生的位置。通过轴26A和26B一个全周的转动，这些位置遵从一转子突耳32A(在全部的图5和12中显示为截面图)的循环。一般地来说，转子28A和28B的各个突耳以及由此的各燃烧室操作通过六个循环，就如以下将详细地解释的，它们可重叠。这些循环是1)换气；2)燃料喷射；3)位移复合压缩；4)燃烧；5)膨胀；以及6)排气。
在该特殊的描述中，内燃机20的循环将从图5开始。如图5清晰地所示，转子28A定位成使突耳32A的纵向轴线近似地与外壳22的二次排气端口64A的对分轴线同轴，突耳34A的尾部边缘188A接近于顶点42，而突耳34B互相啮合在突耳34A和36A之间。在此位置，由前个排气循环排出的废气所驱动的涡流增压器(见图1)将新鲜空气注入到内腔24A内，这将在下文中作详细地描述，具体来说，通过吸气端口132A和可供选择的吸气端口136A进入燃烧室172A内。或者，也可使用诸如传统的增压器、鼓风机、风扇，或压缩空气之类的其它手段注入空气，以代替涡流增压器，或结合涡流增压器一起使用。由于较佳结构的端口132A，空气沿径向向外朝向二次排气端口64A引入。这致使引入的空气将仍存在于燃烧室172A内的废气(用点显示)流通到二次排气端口64A内，同时，用新鲜空气填充燃烧室172A。不仅新鲜空气流入燃烧室172A，而且还起到冷却外壳22和转子的作用。这样，引导到吸气端口的新鲜空气可在引入到内腔内之前首先引入到一传统的中间冷却器以便进一步冷却内燃机。
这就完成了换气的循环，其中，新鲜空气注入到燃烧室172A内，并从燃烧室移去剩余的燃烧过的气体。在此情形中，涡轮增压器起作一气泵将大量空气泵入和通过燃烧室172A，以从燃烧室内置换燃烧过的气体，同时对其供应新鲜空气。因此，涡轮增压器一般地可称之为涡轮换气器。应该认识到，换气循环在吸气端口132A和/或136A与燃烧室172A流体地连通时开始，而大约在吸气端口132A和/或136A停止与燃烧室172A流体地连通时结束。还应认识到，前一个突耳的排气循环可与换气循环同时发生，这将在下文中作详细地描述。
从图5中可见，由于另一燃烧室的燃烧气体的膨胀力，使得转子28A和28B沿箭头的方向转动到一如图6所示的位置。图6示出转子28A处于某一位置，以使燃料喷射器端口154A与燃烧室172A流体地连通，而突耳34A的前导边缘184A接近顶点44。在此位置上，燃料喷射器端口154A将燃料注射到已填充新鲜空气的燃烧室172A内，其瞬时蒸发而形成一空气/燃料混合物。这一般地称之为燃料喷射循环。本发明的实施例可使用电子燃料喷射装置将燃料注入到燃烧室内，就如本技术领域内所公知的。然而，应该认识到，燃料或一燃料/空气混合物可使用一传统的汽化器或其它机械装置注入到燃烧室，这将在下面作更详细地描述，传统的汽化器或其它机械装置的使用，可连同电子燃料喷射器或与电子燃料喷射器分离。
在内燃机操作过程中，转子28A和28B继续从图6所示位置转动到图7所示的位置。当转子从图6转动到图7时，位于腔室200(它也可含有来自前一循环的燃烧过的气体)内的空气可通过沿逆时针方向朝向燃烧室172A转动的突耳32B的外壁的泵送作用强制地送入燃烧室172A内。应该认识到，该泵送作用可压缩空气/燃料混合物和/或增大存在于燃烧室172A内空气的体积。这一般地称之为位移复合压缩循环。此外，应该认识到，在位移复合压缩循环过程中，由邻近于顶点42并与端口56流体地连通的突耳32B和32A的互相啮合而形成的腔内的压力可足够地提高，以通过端口56换气。在端口由卸压阀控制的实施例中，如果压力超过一预选的阈值(例如，200psi)，则积聚在所形成腔室内的压力将被排放。
图7示出处于某一位置的转子28A和28B，其中，突耳32A定向成使突耳32A的纵向轴线基本上与互连轴26A和26B的水平线共轴，由于突耳32A的自由端并置在转子28B的突耳32B和36B之间的外表面，燃烧室172A基本上关闭，火花塞通过火花塞孔144A和144B与燃烧室172A连通，而燃烧室172A包含空气/燃料混合物用于其后的燃烧。此时，火花塞以传统的方式从分配器或其它装置中接受电荷并点火，由此，点燃含在燃烧室172A内的空气/燃料混合物。燃烧气体(图中显示为许多点)产生一膨胀力，其通常称之为轴向力并用双头的箭头F1表示。由于燃烧气体继续由轴向力F1对相对的转子28B的凹陷部分施加压力，且气体其后膨胀，所以转子28B逆时针方向转动，由于同步齿轮，它又将转子28A转动到图8所示的位置。尽管在突耳32A的纵向轴线与轴26A和26B同轴的瞬间，火花塞可被控制点火，这样，一旦燃烧，轴可帮助接受膨胀力，但应该认识到，火花塞可被控制成在公共轴线之前或之后的几度(例如，约10度)转动时点火。
当转子28A和28B从图7所示位置转动到图8所示位置时，由于突耳32A的前导边缘184A与相对的转子28B的凹陷部分分离，所以，燃烧气体从燃烧室172A跑逸，并膨胀到一由燃烧室172A形成的腔室204内，该空间界限在突耳32A和34A的外壁与起始于突耳34A的尾部边缘188A终止在顶点44的气缸部分38A的内壁表面48之间，该空间还界限在突耳32B和36B(面对突耳32A)的外壁与起始于突耳36B的尾部边缘188B终止在顶点44的气缸部分38B的内壁表面48之间。当燃烧气体从燃烧室172A跑逸到新形成的腔室204内时，燃烧气体体积膨胀，它又复合地压缩来自另一循环现存在于腔室内(且已经增压)的燃烧气体，由此，形成一如图8所示的第二力F2。因此，气体占据腔室204时的二次膨胀以及存在的气体的同时复合地压缩，将力F2作用在转子突耳36B的侧面，它又致使转子28B逆时针方向转动。这一般地称之为膨胀循环，由此，进一步控制燃烧循环产生的能量来转动转子28A和28B。正如继续将会解释的，在转子继续转动时膨胀循环可继续操作。膨胀循环的时间长度可依赖于若干个变量，诸如存在于燃烧循环中的空气/燃料混合物量。
转子28A和28B因膨胀循环而继续转动到图9的位置。当突耳32A的前导边缘184A接近排气腔顶点44时(如图9清晰地所示)，突耳34A的尾部边缘188A接近于一次排气端口的起始边缘70A，腔室204(图8)划分而形成腔室206和208。腔室206界限在转子28A的相邻突耳32A和34A的外表面与顶点44和一次排气端口60A的起始边缘70A之间的气缸壁的毗邻内表面48内。腔室208界限在燃烧室172A和转子28B的相邻突耳34B和36B的外表面与从突耳36B的尾部边缘188B延伸到顶点44的气缸壁部分38B的毗邻内表面48内。此时，包含在腔室208内的燃烧气体处于高压下，来自复合压缩燃烧气体的其余的力F2作用在转子28B的突耳36B上，这又沿逆时针方向转动转子28B。
当转子从图9所示位置转到图10所示位置时，突耳34A的尾部边缘188A通过一次排气端口60A的起始边缘70A到结束边缘72A，突耳32A的尾部边缘188A邻近于顶点44，造成以下情况的发生。首先，这在腔室206和一次排气端口60A之间建立流体的连通，这又开始横贯一次排气端口60A的腔室206的排气循环的一次排气部分。由于排气端口60A燃烧气体的压力低于腔室206的压力，所以，燃烧的气体退出腔室206进入一次排气端口60A内。如上所述，燃烧气体通过端口60A排出，并引导到涡轮增压器的涡轮，或引导到大气中。
其次，其中包含排出气体的燃烧室172A与腔室208分离。最后，腔室208内的复合压缩的气体可继续将力F2作用在突耳36B的外壁上，因此，延长如上所述的膨胀循环。应该认识到，腔室208的体积现被以下表面界限相邻突耳32B和36B外表面、突耳36B的尾部边缘188B和顶点44之间的气缸壁的毗邻内表面，以及从突耳32A的尾部边缘188A到突耳32A和突耳32B之间接口突耳32A的毗邻的外壁部分，腔室208的体积随着转子转动继续放大，因此，降低其中的压力。
由于部分地通过其它突耳燃烧室内的其后的燃烧循环，转子从图10所示位置转动到图11所示位置。在图11中，突耳34A的尾部边缘188A通过二次排气端口64A的结束边缘92A。当突耳34A的尾部边缘188A从其图10中位于一次排气端口60A的结束边缘72A处的位置转动到通过二次排气端口64A的结束边缘92A的位置时，腔室206建立与二次排气端口64A流体地连通，这又横贯二次排气端口64A开始腔室206的排气循环的二次排气部分。由于排气端口64A的燃烧气体压力低于腔室206的压力，所以，燃烧气体退出腔室206进入二次排气端口64A。燃烧气体通过端口64A排出并引导到大气中，或者，引导到涡轮增压器的涡轮。因此，此时，先前包含在腔室206内的燃烧气体分别通过一次和二次端口60A和64A排出。
内燃机的操作将转子28A和28B继续转动到图12所示的位置。如图12清晰地所示，突耳36B的尾部边缘188B已转过二次排气端口64B的起始边缘90B，因此，建立腔室208与一次排气端口60B和二次排气端口64B之间的流体连通。这开始了横贯一次和二次排气端口60B和64B的腔室208的排气循环的一次和二次排气部分。由于排气端口60B和64B的燃烧气体压力低于腔室208的压力，所以，燃烧气体退出腔室208进入一次和二次排气端口60B和64B。燃烧气体通过端口60B和64B排出并引导到大气中，或者，引导到上述涡轮增压器的涡轮。在废气从腔室208排出的同时，腔室206的燃烧气体横贯一次和二次排气端口60A和64A继续排气循环的一次和二次排气部分。当排气循环发生时，新鲜空气通过吸气端口132A和可供选择的吸气端口136A注入到外壳内。如上所述，可供选择的吸气端口较佳地构造成沿转子转动方向将空气引入到外壳内。沿转子转动方向引入的空气对转子突耳34A的外壁作用一力F3。因此，注入的空气有助于转子的转动，同时，帮助燃烧室的排气循环。
从图12所示的转子位置到图5的转子开始位置，腔室206和208继续分别通过一次和二次排气端口60A、64A和60B、64B排出燃烧气体。此外，当突耳32A的燃烧室172A通过一次排气端口60A到二次排气端口64A时，其间建立了流体连通，因此，燃烧室172A开始其排气循环的一次和二次部分。因此，当腔室206和208建立与一次排气端口60A和60B的流体连通时，排气循环开始，而当突耳32A的尾部边缘188A通过二次排气端口64A的结束边缘92A且突耳36B的尾部边缘188B通过二次排气端口64B的结束边缘92B时，排气循环结束。
尽管在内燃机20的操作中只详细地描述了突耳32A的循环，但应该理解到，其它的突耳通过其对应的循环与突耳32A同时地在进行操作。
在本发明的另一实施例中，内燃机20可供选择地分别包括位于燃料喷射器端口154A和154B和火花塞孔144A和144B之间的吸气端口240A和240B，以便从供应导管将空气或可燃气体喷射到燃烧室内(如图13清晰地所示)。注入的空气可操作而提高空气/燃料混合物的压缩比，和/或提高包含在燃烧室内的空气的总体积，由此，增加内燃机的输出。从供应导管供应到吸气端口240A和240B的空气可以用传统的控制器电子地予以控制，传统控制器诸如与电磁阀那样的阀机构连通的内燃机控制单元(ECU)。应该认识到，供应到吸气端口240A和240B的空气源可合适地利用机械地连接到其中一个驱动轴的传统气泵、鼓风机或压缩机来进行注射。
在操作中，当转子28A和28B的各燃烧室转动到相对于吸气端口240A或240B对齐时，通过从ECU接受一控制信号的操作阀机构(未示出)将空气注入到对应的燃烧室内。
或者，从刚才所描述的可供选择的吸气端口将注入的空气供应到燃烧室内，也可用机械方法进行控制，现将详细地解释该种机械方法。现转到图14，内燃机包括从图13所示实施例沿径向向内定位的吸气端口240A和240B。具体来说，吸气端口240A和240B设置在其中一个端壁40内(图3)并对中在半径为R的一假想圆IC上，且与轴26A和26B同轴。选择假想圆IC的半径R，使吸气端口240A和240B能位于燃烧室的内端和轴的外表面之间。结合吸气端口240A和240B的放置，转子28A和28B还包括形成在转子28A和28B中心毂部分内并与各燃烧室相连的槽262A-262B、264A-264B和266A-266B。各槽纵向地延伸通过全部的毂部分并构造和布置成与对应燃烧室流体地连通。
在操作中，当转子28A和28B的各槽转动到相对于吸气端口240A或240B对齐时，空气通过其相关的槽自动地注入到对应的燃烧室内。当与对应燃烧室相连的槽转动通过对应的吸气端口时，空气的供应被对应转子的中心毂部分的端面切断。应该认识到，注入的空气量可用以下各种方法的组合进行计量供应导管内的干线压力、吸气端口和/或槽的尺寸和形状。此外，如果需要的话，空气供应导管也可用阀进行控制。
尽管在此实施例中介绍了用空气可提高内燃机的输出，但空气不是用来可实现这样结果的唯一组分。例如，水，或一氧化氮或其它可挥发的气体或液体组分可注入到吸气端口240A和240B内，可提高内燃机的作功输出。
根据本发明另一实施例，内燃机20可使用类似于刚才所述的机械地控制空气供应的机械技术，将燃料和/或空气/燃料混合物注入到燃烧室内。为此目的，内燃机20还可包括从吸气端口154A和154B向内沿径向定位的吸气端口280A和280B，并近似地对中在半径为R的假想圆IC上。吸气端口280A和280B适于连接到一燃料源或空气/燃料混合物。应该指出的是，在此实施例中，吸气端口240A和240B和吸气端口154A和154B可以省略(如果需要的话)。如果吸气端口240A和240B被图14所示内燃机的实施例利用，则应该认识到，吸气端口280A和280B离吸气端口240A和240B间隔开一距离(以转动的度数计)。或者，根据本发明的另一实施例，一组端口，吸气端口240A和240B或吸气端口280A和280B可用来注射燃料/空气混合物和空气，或如上所述的提高内燃机输出的其它组分，而其它端口则被省略。在此特定的实施例中，诸端口可连接到单独的燃料源和空气源(或如上所述的提高内燃机输出的其它组分)且用一阀机构进行控制。这样一结构可由本技术领域内的技术人员用本技术领域内公知的部件进行构造。
在操作中，当转子28A和28B的一槽转动到与燃料喷射器端口280A或280B对齐时，燃料或空气/燃料混合物自动地注入到对应的燃烧室内，且当槽转动通过对应的燃料喷射器端口时，燃料或空气/燃料混合物的供应被对应转子的端面切断。应该认识到，对于内燃机停车时的情形可使用一控制阀。根据本发明的另一实施例，喷射器端口280A-280B可结合图14所示的喷射器端口154A和154B一起使用，以在变化的内燃机运行状态中，为燃料供应给燃烧室提供灵活性。例如，第一组喷射器端口280A和280B可连接到燃料源，并在正常运行条件下操作。第二组燃料吸入端口154A和154B可连接到传统的电子燃料喷射器，并可在内燃机峰值条件下操作。当内燃机在正常运行条件下运行时，吸气端口280A和280B用来将燃料输入到燃烧室内。当内燃机需要更大的输出时，燃料吸入端口154A和154B可结合吸气端口280A和280B一起使用以将更多的燃料供应到燃烧室。
在图1-14所示和上述的内燃机20的实施例中，转子包括三个突耳，各突耳形成一个燃烧室。然而，本发明的其它实施例可使用具有任何数量的同样标号突耳的转子。现转向图16一18，图中示出根据本发明诸方面的一双转子内燃机320的另一实施例。图16-18中的内燃机320在结构和操作上基本上等同于图1所示内燃机20，例外的差异将在下面描述。为了使后续描述清晰明了，同样的或类似的元件将具有以前缀300或400开头的相同的标号。例如，在此实施例中，外壳现在的标号是322。
如图16和17清晰地所示，转子328A和328B具有四个摆线形的突耳332A、334A、336A、337A和332B、334B、336B、337B，它们分别围绕转子328A和328B的周缘等距离地间隔。摆线形突耳332A、334A、336A和337A等距离间隔开地设置，这样，形成在对分相邻突耳的纵向轴线之间的角468(见图18)是90°。转子328A的各个突耳332A、334A、336A、337A分别形成有燃烧室472A、474A和476A和477A，而转子328B的各个突耳332B、334B、336B、337B分别形成有燃烧室472B、474B、476B和477B。
现参照图17，外壳322构造成使顶点342和顶点344之间的角350近似地为88度。外壳322还包括两个一次排气端口360A和360B，以及分别形成在第一和第二气缸壁部分338A和338B内的两个二次排气端口364A和364B，它们关于公共垂直平面P对称地设置。一次排气端口360A和360B的起始边缘370A和370B开始在通过顶点44的转角368处。一次排气端口的起始边缘370A和370B的转角368可由上述方程(1)求得。因此，令X较佳地为10度，则转角368等于80度((360度/4)-10度＝80度)。
一次排气端口360A和360B的终端边缘372A和372B设置在转角380处，其较佳地约为10度，分别通过起始边缘370A-370B。一外壁部分或间隔384分别设置在一次和二次排气端口之间。间隔384的长度分别由形成在一次排气端口终端边缘372A和372B和二次排气端口起始边缘390A和390B之间的转角388定义。在此实施例中转角388近似为10度，但如果需要的话也可大于并或小于10度。二次排气端口364A和364B终止在终端边缘392A和392B处，它们处于转角396，通过起始边缘390A和390B。在所示的实施例中，转角396较佳地约为35°；然而，可采用高达约70度的角。
尽管已经图示和描述了本发明代表性的实施例，但应该认识到，在不脱离所主张的本发明的精神和范围的前提下，可以作出各种变化。例如，如果需要的话，燃料喷射器可设置在其它区域内。此外，在某些实施例中，可省略间距以使一次和二次端口变成一个尺寸可变化的大的端口。
权利要求
1.一内燃机，包括一外壳，外壳包括一对端壁和一对相交的平行气缸壁，气缸壁具有内壁表面，所述内壁表面形成第一和第二互连的气缸内腔，相交的气缸壁形成间隔开的平行的第一和第二边缘；第一和第二轴，所述第一和第二轴同轴地延伸在诸内腔中，并在端壁处被支承以便转动；以及固定到所述第一和第二轴的第一和第二转子，以便在对应的内腔中转动，第一和第二转子各具有多个带有外端的径向延伸的突耳，各突耳形成一燃烧室，燃烧室在突耳外端处打开。
2.如权利要求1所述的内燃机，其特征在于，第一和第二轴偶联在一起，以便沿相对的方向同步地转动。
3.如权利要求1所述的内燃机，其特征在于，突耳是摆线形。
4.如权利要求1所述的内燃机，其特征在于，还包括第一和第二吸气端口，所述第一和第二吸气端口分别与第一和第二内腔流体地连通。
5.如权利要求4所述的内燃机，其特征在于，诸吸气端口连接到一流体源。
6.如权利要求5所述的内燃机，其特征在于，由一装置供应给流体源，该装置选自以下的组群涡轮增压器、鼓风机、增压器，以及风扇。
7.如权利要求5所述的内燃机，其特征在于，流体选自以下的组群空气和可燃流体。
8.如权利要求4所述的内燃机，其特征在于，诸吸气端口的中心线定位成一转动角，其范围在离第一边缘约45度和约负15度之间。
9.如权利要求1所述的内燃机，其特征在于，还包括至少两个排气端口，所述至少两个排气端口形成在外壳内并与第一和第二内腔流体地连通。
10.如权利要求9所述的内燃机，其特征在于，排气端口对称地布置在与第一和第二边缘共面的对分平面的相对侧上。
11.如权利要求9所述的内燃机，其特征在于，排气端口包括开始边缘和结束边缘，排气端口定位成开始边缘分别定位在离第二边缘的一选定的顺时针转动角和一逆时针转动角。
12.如权利要求11所述的内燃机，其特征在于，选定的转动角约为110度。
13.如权利要求11所述的内燃机，其特征在于，选定的转动角约为80度。
14.如权利要求9所述的内燃机，其特征在于，还包括第三和第四排气端口，所述第三和第四排气端口形成在外壳内并与成对的内腔流体地连通，第三和第四排气端口对称地布置在与第一和第二边缘共面的对分平面的相对侧上，并分别地与第一和第二排气端口间隔一选定的转动距离。
15.如权利要求14所述的内燃机，其特征在于，选定的转动距离近似地等于或大于10度。
16.如权利要求1所述的内燃机，其特征在于，还包括至少一个与外壳相连的点火装置。
17.如权利要求16所述的内燃机，其特征在于，点火装置是一火花塞。
18.如权利要求1所述的内燃机，其特征在于，还包括第一和第二空气吸入端口，所述第一和第二空气吸入端口形成在外壳内并与内腔流体地连通，第一和第二空气吸入端口连接成与一空气源流体地连通，以便将空气注入内腔。
19.如权利要求18所述的内燃机，其特征在于，第一和第二空气吸入端口从一涡轮增压器中接受空气。
20.如权利要求19所述的内燃机，其特征在于，还包括至少两个排气端口，所述至少两个排气端口形成在外壳内并与第一和第二内腔流体地连通，排气端口还与涡轮增压器流体地连通。
21.如权利要求19所述的内燃机，其特征在于，第一和第二空气吸入端口从一由第一或第二轴之一驱动的泵中接受空气。
22.如权利要求18所述的内燃机，其特征在于，还包括第一和第二燃料吸入端口，所述第一和第二燃料吸入端口形成在外壳内并与内腔流体地连通。
23.如权利要求22所述的内燃机，其特征在于，第一和第二燃料吸入端口连接成与一燃料源流体地连通。
24.如权利要求23所述的内燃机，其特征在于，燃料源是一有选择地控制的燃料注射器喷嘴。
25.如权利要求23所述的内燃机，其特征在于，燃料源供应到内腔受转子的转动控制。
26.在某种类型的内燃机中，包括一外壳，外壳形成一对平行的相交的气缸，以及一对附连到在所述气缸内同轴地延伸的平行轴的转子，各转子具有多个突耳，转子定位成其突耳互相啮合；其改进包括其中，各转子的各突耳形成一敞开端部的燃烧室。
27.一内燃机，包括一外壳，外壳形成有一对并排相交的大致圆柱形内腔；一对可转动地安装在内腔内的相对转动的动力转子，该对动力转子包括互相啮合的突耳，各突耳形成敞开端部的燃烧室；至少两个形成在外壳内并与成对的内腔流体地连通的排气端口；与内腔连通的点火装置；第一和第二燃料吸入端口，设置在外壳内并连接成与内腔流体地连通；以及第一和第二空气吸入端口，设置在外壳内并连接成与内腔流体地连通。
28.如权利要求27所述的内燃机，其特征在于，还包括第三和第四燃料吸入端口，所述第三和第四燃料吸入端口形成在外壳内并连接成与内腔流体地连通。
29.如权利要求28所述的内燃机，其特征在于，第三和第四燃料吸入端口可在选定的内燃机操作条件下操作而将燃料注入到内腔内。
30.如权利要求27所述的内燃机，其特征在于，还包括第三和第四空气吸入端口，所述第三和第四空气吸入端口设置在外壳内并连接成与内腔流体地连通。
31.一内燃机，包括一外壳，外壳形成平行的圆柱形形状的相交内腔；一对可转动地安装在内腔内的平行轴，该对平行轴在外壳外延伸以形成至少一个驱动轴；以及第一和第二互相啮合的转子，可转动地安装在外壳内，各个转子构造有一中心毂部分，偶联到其中一个轴上以便随轴转动，以及多个径向向外地延伸的突耳，以形成敞开端部的燃烧室。
32.如权利要求31所述的内燃机，其特征在于，各转子还包括一用于各燃烧室的形成在中心毂部分内的流体供应通道，流体供应通道连接成与对应的燃烧室流体地连通，并有选择地连接成与一流体源流体地连通。
33.如权利要求32所述的内燃机，其特征在于，流体是空气或燃料。
34.一内燃机，包括一外壳，外壳形成有一对并排相交的大致圆柱形内腔；一对可转动地安装在内腔内的相对转动的动力转子，该对动力转子包括互相啮合的突耳，各突耳形成敞开端部的燃烧室；第一和第二吸气端口，形成在外壳内并连接成与内腔流体地连通，以及一用来将空气注入各燃烧室的空气源；第三和第四吸气端口，形成在外壳内并连接成与内腔流体地连通，以及一用来将燃料注入各充有空气的燃烧室内以形成空气/燃料混合物的燃料源；一点火装置，偶联到外壳上并在转子突耳完全地互相啮合时与对应的燃烧室大致地对齐，点火装置适于点燃在对齐的燃烧室内的空气/燃料混合物，由此，因空气/燃料混合物的点燃而造成的燃烧气体作用在突耳上，从而转动转子；以及至少两个排气端口，形成在外壳内并与成对的内腔流体地连通，其中，通过转子进一步转动，其后，燃烧的气体将通过排气端口排出。
35.如权利要求34所述的内燃机，其特征在于，排气端口对称地布置在外壳的一对分平面的相对侧上，该对分平面在内腔的相交处对分外壳。
36.如权利要求35所述的内燃机，其特征在于，第一和第二吸气端口构造成以径向向外的方式朝向排气端口将空气注入到内腔内。
37.如权利要求34所述的内燃机，其特征在于，第三和第四吸气端口构造成朝向内腔的腔室壁将燃料注入到内腔内。
全文摘要
一内燃机包括一外壳，外壳形成有一对并排相交的大致圆柱形内腔，以及可转动地安装在内腔内的一对相对地转动的动力转子。该对动力转子包括互相啮合的突耳，它们各形成敞开端部的燃烧室。
文档编号F02B53/06GK1882768SQ200480034472
公开日2006年12月20日 申请日期2004年11月22日 优先权日2003年11月26日
发明者尼尔·洛基特 申请人:尼尔·洛基特