专利名称：发动机的制作方法
技术领域：
本发明涉及发动机，特别是涉及可用作动力源或泵的发动机。
背景技术：
业已认识到，大多数活塞式发动机本质上是低效的。造成这种低效的因素包括活塞的运动，以及在很大程度上活塞处于静止或受阻(drag)状态，这样就会降低在发动机曲轴处所获得的能量。还有，在压缩或泵行程中，需要大量的能量来使活塞移动至气缸顶部。
例如在现有的内燃发动机中造成低效的另一个原因是必须有齿轮、凸轮和其它设备来使发动机工作。这样会降低效率，最后的分析表明，只有少量的输入能量被转变成输出动力。
旋转式发动机克服了上述的某些问题。然而，这种发动机比较复杂，并且在各移动部件之间存在密封问题。虽然这种旋转式发动机已经引人注目地改变了标准的活塞-气缸发动机的设计，但却导致复杂的密封和设计问题，进而使可靠性降低。
已知有混合式发动机。EP0964136揭示了一种混合式发动机，该发动机是一种旋转式构造，其中发动机组(engine block)限定了一气缸转子，该气缸转子具有多个在其周边附近敞开于燃烧室的孔。在每个孔内设置有一个活塞。每个活塞均具有其自身的曲轴，通过一行星齿轮变速箱配置将旋转运动传递至发动机组/转子。与传统的旋转式发动机一样，入口、火化塞和出口围绕发动机机体的周边布置。这种构造据称的优点是，活塞的动力/移动几乎完全转变成发动机的旋转运动，与传统的活塞式发动机相比，可以产生单位尺寸/重量上较大的动力输出。另一个据称的优点是，该发动机的旋转特性使其不必采用各种阀，进而避免了传统发动机中因阀损坏而造成的相关问题。然而，这种发动机还是会遇到相当大的密封问题，并且在将活塞杆联系于转子的行星齿轮变速箱中会有损失。
AU8496/27中描述了另一种混合式发动机。这种发动机具有一组连续旋转的气缸，该组气缸沿切线方向设置在一主旋转元件上。相应的活塞间歇地转动。这些活塞附连于活塞杆，而活塞杆围绕旋转中心枢转。为了使发动机正常地工作，在燃烧过程中，各活塞必须抵制双向的移动而锁定，从而使能量通过气缸传递至旋转元件。在燃烧之后，活塞必须加速成旋转元件转速的两倍，以便移回上死点进行下一个燃烧冲程。在此方式下，需要一个复杂的齿轮和活塞杆的配置来使活塞工作。由于活塞必需以两倍的转速来行进，因而发动机的最高速度受到其使活塞从静止点到上死点的移动能力的限制。
除了上述的缺点之外，在现有的活塞式发动机中，活塞在其行程的顶点和底点的时间非常短，因为在活塞到达极点位置那一瞬间，曲轴动作而使其变向。这样会减少停顿并导致气体燃烧不充分。燃烧不充分的气体被排出，导致发动机效率不高，并对大气造成污染。
因此，本发明的目的在于，提供一种能高效地、经济地运行的发动机。本发明的另一个目的在于，提供一种相对其尺寸和重量而言具有高转动惯量和扭矩的发动机。
本发明还有一个目的在于，提供一种能以各种不同方式控制而满足各种功能需求的发动机。本发明还有一个目的在于，提供一种能改善已知发动机中的某些缺陷，或者说至少为公众提供一种有用选择的发动机。
发明内容
在本发明的第一方面中，提供了一种发动机，包括设置在一个旋转元件之内或之上的一个或多个气缸和活塞组，一个或多个气缸和活塞组的纵轴线的取向为正切于旋转元件的边沿，其中气缸和活塞都相对于发动机的一固定部分连续地转动。
在本发明的第二方面中，提供了一种发动机，包括一旋转元件；围绕旋转元件的外周设置的一个或多个气缸，气缸的纵轴线正切于旋转元件的外周；以及一个或多个活塞，每个活塞均相关于一相应的气缸；发动机的特征在于，每个活塞均相关于一相对于旋转元件偏心枢转的活塞杆，其中每个活塞的运动都受到控制，从而通过气缸离开活塞的运动而将燃烧能量传递至旋转元件。
较佳的是，每个活塞的运动都独立于旋转元件的转动来控制。
较佳的是，活塞直接地或通过一连接杆配合于活塞杆的远端，活塞杆的近端受到操控，以便控制活塞相对于气缸的移动。
较佳的是，有一个或多个活塞控制器靠近活塞杆的近端设置，活塞杆的近端适于可动地配合于活塞控制器的一表面或边缘，并将运动联系于活塞杆。
较佳的是，只有一个活塞控制器同心地设置于旋转元件，活塞控制器是圆柱形的圆盘，在其外周面上有一个或多个凸角。
较佳的是，活塞控制器的转动与旋转元件无关。
较佳的是，活塞控制器沿着与旋转元件相反的方向转动。
较佳的是，活塞控制器被用来控制活塞在其各行程的每一终点处所耗费的时间。
较佳的是，传送至旋转元件的能量行程比活塞的燃烧行程长。
较佳的是，一压缩行程有助于将转动能量供给至旋转元件。
较佳的是，来自直径方向相对的两个或多个活塞的活塞杆的近端相互结合或联接，从而使一活塞在压缩行程的移动足以帮助一直径方向相对的活塞在一压缩行程的移动。
较佳的是，有一个或多个重块联系于一个或多个活塞杆，作用在这些重块上的离心力有助于使活塞在各气缸内移动。
较佳的是，施加于各气缸和各活塞之间的运动的基本上所有的力都是沿气缸的纵轴线，从而能减小作用于气缸孔的侧向推力。
较佳的是，在各气缸中所产生的力被直接传递至输出轴，不会对任何其它机械部件造成影响。
本发明的其它方面将通过以下仅以举例方式所作的描述而变得更加清楚。
下面将结合附图来描述本发明，附图中图1示出了根据本发明第一实施例的四冲程发动机；图2示出了根据本发明第二实施例的四冲程发动机；图3示出了根据本发明第三实施例的四冲程发动机；图4示出了根据本发明第四实施例的四冲程发动机；
图5示出了根据本发明的一个两冲程发动机的实施例；图6示出了根据本发明的一个两冲程往复式发动机的实施例；以及图7示出了根据本发明一个方面的离心力助力型发动机。
具体实施例方式
下面将结合对内燃发动机的应用来描述本发明。但并不排斥将发动机用作为泵，这样的使用应落入熟悉本领域人员的能力范围之内。
现请参见各附图，其中相同的标号表示相同的特征，图中示出了根据本发明的发动机的各个较佳实施例。下面将结合图1所示的实施例来描述本发明的原理。气缸1安装在一主旋转元件或称转子2上，其纵轴线正切于转子边沿3。每个气缸1均具有一相关的活塞杆9和活塞7，活塞7以已知的方式配合在缸孔8内。可以采用标准的活塞和气缸组件。该发动机与传统内燃发动机相反的是，在燃烧过程中，活塞7的移动受到控制，从而导致设置在转子2上的气缸1移动。这将导致转子2和输出轴6旋转。对图中所示的配置而言，旋转的方向由箭头A表示。
活塞杆9在一支点5处枢转配合于转子2，所述支点相对于转子2是偏心的。在转子2的中心或同心的位置上设置有一活塞控制器11。活塞控制器11是圆柱形的，围绕其外周面13设置有多个凸角12。在发动机的最简单的实施例中，活塞控制器11可转动地固定，从而使转子2、活塞杆9进而是活塞杆7可以围绕其转动。
在各活塞杆9的近端15设置有一滚子17，该滚子啮合于活塞控制器11的外周面13。随着气缸1和转子2的转动，活塞杆9也转动，因为其支点5是偏心设置的。滚子17跟随外周面13移动，并将此运动联系于活塞杆9。与活塞杆9的远端16相比，活塞杆9的支点5更靠近活塞杆的近端15，因此，在近端15的一个很少量的移动会在远端16转变成显著的移动。
活塞连接杆10可枢转地配合在活塞杆9的远端16和活塞7之间。随着滚子17跟随活塞控制器11的外周面13移动，活塞7会在缸孔8内移动。当滚子移动到凸角12上时，活塞7移动至缸孔8的上死点。若燃料已被引入并且火化塞已点火，就能使被压缩的燃料蒸汽燃烧。在传统的发动机中，燃烧气体的膨胀将驱使活塞7在缸孔8中重新向下，从而导致曲轴转动。然而，在本发明的发动机中，活塞7不会返回，因为它的移动受到活塞杆9和活塞控制器11的控制。于是，当燃烧发生时，气缸1会沿箭头A所示的方向离开活塞7，将转动能量传递给转子2。
由于活塞7通过活塞杆9可枢转地设置在转子2上，因而它会随着转子2连续地转动。然而，活塞相对于气缸1而言的速度/运动，进而是位置可以受到活塞控制器11上的凸角12的形状的控制，因而可以使活塞7在气缸1内从上死点到下死点所需的时间延长，从而延伸转子2所经历的有效能量行程。
虽然在图示实施例中采用了一相对于转子2同心设置的活塞控制器11，但在发动机的其它实施例中可以采用靠近活塞杆9近端设置的两个或更多个活塞控制器。这两个或多个活塞控制器可以由齿轮或定时皮带来联接和定时，并且单独地联系于相邻的活塞杆9。这种配置适用于具有大直径转子的发动机，并使较短的活塞杆也能被利用。虽然这样的实施例是可能的，但不是较佳，因为它引入附加的齿轮的定时机构，从而使发动机不太简单。
在某些工作情况下，滚子17不跟随活塞控制器11的外表面13。为了使滚子17保持抵靠于活塞控制器11，在一轴颈或套环18上设置有一机加工内表面，该表面平行于控制器表面13的廓形。在图2和3所示的变化型实施例中，省略了套环18。滚子17由一弹簧14作用而跟随表面13，所述弹簧是定位成可以在一个点20上对活塞杆9施力，所述点20位于远端16和支点5之间。在图2和3中，弹簧14的端部21处在一将弹簧夹紧的弹簧座22中。
图2和3所示的四冲程发动机的基本工作原理与图1所示的相同。然而，图2和3的实施例引入了借助离心力来帮助进行活塞控制的构思。参见图2，一重块4通过一臂23固定于活塞杆9的近端15。这种配置的结果是，在发动机的转动过程中，作用于重块4的离心力会产生一个径向作用力，这个径向作用力有助于使滚子17保持抵靠于活塞控制器的表面13。
在图3所示实施例中对离心力的使用在配置上是不同的，但是具有与图2所示原理相同的效果。在该实施例中，臂13在一支点24处可枢转地配合于转子2。在臂13的远端26有另一个杆件25，该杆件使枢转臂13配合于弹簧14的端部21。随着发动机的转动，离心力会迫使臂4沿径向向外，弹簧14被压缩或预加载，从而对活塞杆9施加更大的力。
图2和3所示配置是为了控制活塞杆9进而是活塞相对于发动机转速而言的偏移。这意味着在低速情况下，使发动机工作所需之设备的能量损失较小，而在高速情况下，当需要进行较强的控制时，所需的能量可以从旋转发动机所固有的离心力中获取。下面将描述利用离心力的其它方面。
熟悉本领域的人员应该明白，本发明的发动机可以用作两冲程或四冲程发动机。图1示出了一个四冲程发动机。这四个活塞行程分别是吸气、压缩、燃烧(或膨胀)和排气行程。熟悉本领域的人员应该理解，在图1所示的实施例中，滚子17和17’向上拱至凸角12和12’，同时迫使活塞7和7’移向上死点。一定时皮带(图中虚线19所示)可控制气缸盖阀(未图示)的动作。典型的配置可以是这样的，即，当活塞处于压缩行程时，(直)径向相对的活塞7’将处于排气行程。
熟悉本领域的人员还应该清楚，围绕转子2的边沿3可以设置任意数量的气缸，同时使阀、火化塞和凸轮控制器11上的凸角12正确地定时，可以实现各种点火顺序。火化塞的定时可以通过一直接由转子2的轴线驱动的机械型分配器或者通过定时皮带19上的一齿轮来进行。或者，一电子型分配器可以采用一适于检测转子或活塞控制器11之角度位置的传感器。
实践中，可围绕单个转子2设置的气缸数量受到实际尺寸以及活塞杆重叠以配合活塞控制器的复杂性的限制。在一个更实用的配置中，可以沿一共同的输出轴设置一个或多个携带有两个气缸的转子，以产生例如两缸、四缸、六缸的发动机。还应该理解，发动机可以只有一个气缸。在单个气缸的实施例中，转子2必须由与气缸、活塞和活塞杆相对的配重来加以平衡。
图4示出了一个四冲程发动机的实施例，该发动机每次回转有6个行程或1.5个点火循环。该发动机与前述实施例的不同之处在于，活塞7和7’是沿不同方向行进的。例如，当活塞7在膨胀行程中于缸孔8中下降时，活塞7’在压缩行程中于缸孔内上升。弹簧14使滚子17保持抵靠于活塞控制器表面13。还设置有一臂16，该臂将活塞杆的近端15和15’联系起来。
参见图5，其中示出了根据本发明的一个两冲程发动机的实施例。燃烧发生在活塞7抵靠或接近气缸1的上死点之时。在图5所示的配置中，两个活塞同时处于压缩行程和膨胀行程。然而，借助活塞控制器11上的凸角12，就可以将发动机布置成具有一个处于压缩行程的气缸，同时另一气缸处于膨胀行程。另外，围绕转子2可布置任意数量的气缸。
根据本发明的一个显著的优点是，它允许每次回转的燃烧行程的数量动态地变化。活塞控制器11可以很方便地制造，与转子2的旋转和方向无关。通过使活塞控制器11的转速和/或方向连同阀和点火正时相对于转子动态地变化，就可以使每次回转的行程的数量发生变化。例如，在图1所示的四冲程发动机中，固定的活塞控制器会导致每个活塞在每次回转时进行8个行程或两个点火循环。然而，如果转子的转速或方向是r，使活塞控制器在r速度下转动会导致每次回转零点火循环(即空行程)；使活塞控制器在0.5r的速度下转动会导致每次回转一个点火循环；使活塞控制器在-r的速度下转动会导致每次回转四个点火循环。这样一种配置的结果是，可以产生一个恒定转数、可变功率的发动机。这可以应用于例如AC发动机，其中转速必须保持恒定以控制供电频率，而功率随供给负载变化。
根据本发明的发动机的另一个优点是，它允许在行程的任何位置上对活塞的停留进行总的控制。这可以借助活塞控制器凸角12的形状来实现。这在传统的往复式活塞发动机中不可能实现，因为该发动机中的活塞运动受到曲轴和其它活塞的控制。通过采用活塞控制器11，可以实现更好的定时和停顿的控制，因而可以实现更高的燃料燃烧水平，从而提高效率并改善排放。
根据本发明的发动机的又一个优点是，能量是在燃烧和压缩行程中被引向转子2。在燃烧行程中施加的能量在前面已经描述过了。在压缩过程中，活塞7在缸孔8中从下死点移动至上死点。由于气体被压缩，会有力作用于缸孔顶部。这种能量是在转动方向上的，并被添加于发动机的转动能量。
根据本发明的发动机的又一个优点是，由于活塞在缸孔内的移动总是沿气缸的纵向进行，因而可以减小缸孔的侧向推力。这样就可以减少缸孔上的部件，并减小使活塞在缸孔内移动所需的力。在传统的活塞式发动机中，缸孔的侧向推力是一个很大的问题，这种侧向推力是由曲轴的转动引起的，可在上行程时将活塞推抵于缸孔壁的一侧，而在活塞下行程时将活塞推抵于缸孔壁的另一侧。另外，由于燃烧能量直接传递至转动元件进而是输出轴，而不是通过例如连接杆之类的其它移动部件来传递，因而使机械损失也减少。
参见图6，图中示出了根据本发明的一个两冲程发动机的实施例。该发动机借助了前述原理的显著优点。在该实施例中，采用一个大致为L形的活塞杆26。L形活塞杆26的支点5在其肘杆27处。在L形活塞杆26的近端15设置有一个枢转配合的杆件27，该杆件将L形活塞杆26联系于(直)径向相对的气缸/活塞组的活塞杆26’的近端15’。由于两冲程实施例在定时方面的要求降低，故省略了活塞控制器11。在燃烧行程中，活塞7可能有一些相对的往回移动。来自于这种往回移动的能量通过连杆配置(活塞杆26-连杆27-活塞杆26’)传递至(直)径向相对的活塞7’的压缩行程。在这种配置中，借助上述原理，可以在活塞7’的压缩行程时将能量传递给转子2。
图7示出了怎样利用离心力来控制活塞运动。这是通过一重块4和一围绕枢接点5工作的简单连杆9来实现的。由作用在重块4上的离心力所产生的力可以用来使被引向飞轮2的边沿3进而是输出轴6的点火能量最大化。最大扭矩发生在爆炸能量被引向飞轮边沿3之时，因为这是输出轴6上的杠杆作用的最大点。
在大多数发动机中，更具体地说是在飞轮2中，离心力是固有的。本申请人相信，这是第一次通过一个简单的枢转连杆系统9，用离心力来对活塞7进行控制。当燃料被引入时，发生燃烧。燃烧将驱使活塞7在气缸内往回移动一段很长的距离，但通过重块4和连杆9作用的离心力可减缓这种作用。结果是，气缸1所附连的质块(飞轮2)朝着离开活塞7的方向移动，从而对围绕轴线或输出轴6转动的飞轮2提供能量。具有惯性和杠杆作用的飞轮2可对轴6输出很高的扭矩能量。借助惯性，可以将非常平顺的扭矩源传递给轴输出口。
当活塞7在燃烧之后行进至端点时，正常情况下会排气。一种文杜里(venturi)真空效应有助于实现排气，所述真空是由于飞轮2的运动以及其能产生风(wind)文杜里真空效应而产生的。
离心力还有助于活塞腔的清洁。
还有，在缸孔8的相对侧，可以将入口设计成具有冲头(ram)作用，因此，随着气缸机体围绕飞轮2回转，可以铲起新鲜的空气，而这是由于风力造成的。
当排气发生时，爆炸的能量排空，但离心力仍保持不变。离心力驱使活塞沿缸孔8返回，重新开始所有循环。
借助能为燃烧提供能量的离心力，可以将几乎所有的燃烧爆炸能量引至飞轮2的边沿3，而损失最小。离心力还在为飞轮式发动机提供能量时起主要作用。随着活塞7沿气缸被驱动，会产生阻滞(drag)(可通过机械装置而加强)，这可以进一步地提供转动能量。随着活塞7在气缸1中被迫上升，会相对于缸孔8形成压缩，从而对旋转的飞轮2添加显著的附加能量。
利用恒定的离心力来驱动活塞7直到压缩行程，以及通过阻滞和压缩而赋予飞轮2的附加能量，这些在已知的其它发动机中都没有提及或实现。没有人揭示由于通过离心力对枢转连杆系统9进行控制而使气缸1移离活塞7的运动。
当试图进行变速之类操作时，与很大的扭矩和功率相关的离心力就会使动量的制动变得非常困难。该方案是为了设计和完善一液压泵系统而作出的，其中所有驱动轮都是从一个中心压力点被驱动，并且发动机可以为液压驱动系统提供一个很强的泵，或者是驱动轮中带有电动机来发电。这样就允许驱动力变化，不必每当要变速时就停止发动机的巨大动量。
在前面的描述中特别描述了特定的机械整体，可以设想的是，它们的变化形式是可以被代用的，就好像是单独阐述的一样。
虽然已经描述了本发明的特定例子，但可以设想的是，在不偏离本发明的范围的情况下，还可以有其它的改进和变型。
权利要求
1.一种发动机，包括设置在一个旋转元件之内或之上的一个或多个气缸和活塞组，所述一个或多个气缸和活塞组的纵轴线的取向为正切于旋转元件的边沿，其中气缸和活塞都相对于所述发动机的一固定部分连续地转动。
2.一种发动机，包括一旋转元件；围绕所述旋转元件的外周设置的一个或多个气缸，所述气缸的纵轴线正切于所述旋转元件的外周；以及一个或多个活塞，每个活塞均相关于一相应的气缸；所述发动机的特征在于，每个活塞均相关于一相对于所述旋转元件偏心枢转的活塞杆，其中每个活塞的运动都受到控制，从而通过气缸离开活塞的运动而将燃烧能量传递至旋转元件。
3.如权利要求2所述的发动机，其特征在于，每个活塞的运动都独立于所述旋转元件的转动来控制。
4.如权利要求2或3所述的发动机，其特征在于，所述活塞直接地或通过一连接杆配合于所述活塞杆的远端，所述活塞杆的近端受到操控，以便控制所述活塞相对于气缸的移动。
5.如权利要求2至4中任一项权利要求所述的发动机，其特征在于，有一个或多个活塞控制器靠近所述活塞杆的近端设置，所述活塞杆的近端适于可动地配合于所述活塞控制器的一表面或边缘，并将运动联系于所述活塞杆。
6.如权利要求5所述的发动机，其特征在于，只有一个活塞控制器同心地设置于所述旋转元件，所述活塞控制器是圆柱形的圆盘，在其外周面上有一个或多个凸角。
7.如权利要求5或6所述的发动机，其特征在于，所述活塞控制器的转动与所述旋转元件无关。
8.如权利要求5至7中任一项所述的发动机，其特征在于，所述活塞控制器沿着与所述旋转元件相反的方向转动。
9.如权利要求5至8中任一项所述的发动机，其特征在于，所述活塞控制器被用来控制所述活塞在其各行程的每一终点处所耗费的时间。
10.如前述任一项权利要求所述的发动机，其特征在于，传送至所述旋转元件的能量行程比所述活塞的燃烧行程长。
11.如前述任一项权利要求所述的发动机，其特征在于，一压缩行程有助于将转动能量供给至所述旋转元件。
12.如前述任一项权利要求所述的发动机，其特征在于，来自直径方向相对的两个或多个活塞的活塞杆的近端相互结合或联接，从而使一活塞在压缩行程的移动足以帮助一直径方向相对的活塞在一压缩行程的移动。
13.如前述任一项权利要求所述的发动机，其特征在于，有一个或多个重块联系于所述一个或多个活塞杆，作用在这些重块上的离心力有助于使所述活塞在各气缸内移动。
14.如前述任一项权利要求所述的发动机，其特征在于，施加于各气缸和各活塞之间的运动的基本上所有的力都是沿气缸的纵轴线，从而能减小作用于气缸孔的侧向推力。
15.如前述任一项权利要求所述的发动机，其特征在于，在各气缸中所产生的力被直接传递至输出轴，而没有任何其它机械部件介入。
16.一种如任一附图所示的发动机。
全文摘要
一种发动机，包括在一个旋转元件周围切向设置的一个或多个气缸。有一个或多个相应的活塞，每个活塞连有一偏心于旋转元件的活塞杆。控制每一活塞的运动，使燃烧能量借助汽缸离开活塞的运动传送至旋转元件。其中气缸和活塞都相对于发动机的一固定部分连续地转动。
文档编号F01B5/00GK1454283SQ00819637
公开日2003年11月5日 申请日期2000年12月7日 优先权日1999年12月7日
发明者D·L·哈考特, R·J·塞尔比, W·L·怀特 申请人:哈考特引擎控股有限公司