旋转发动机、其零件和方法与流程

本发明总体上涉及发动机。更具体而言，本发明涉及旋转发动机、其部件以及与之相关的方法。

背景技术：

1、大多数现有的内燃发动机属于两个主要的类别——燃气涡轮发动机和往复式发动机——他们各有各的优缺点。例如，与往复式发动机相比时，燃气涡轮发动机具有非常高的动力重量比。燃气涡轮发动机在尺寸上也比同等动力的往复式发动机小。这些优势使得飞机制造业几乎完全转向使用燃气涡轮发动机(小型飞机应用除外)。另一方面，往复式发动机往往更省油，且对动力设定的变化更敏感。往复式发动机也比同等动力的燃气涡轮发动机便宜。这些优势使得汽车工业几乎完全转向使用往复式发动机。尽管燃气涡轮发动机和往复式发动机之间有许多不同之处，但它们都依赖于与燃烧过程相关的流体膨胀。

2、燃气涡轮发动机，比如“喷气式”发动机，利用富含能量的燃料燃烧来产生热能，热能又被用来为涡轮提供动力。更具体而言，来自燃烧过程的热能被用于加热一定体积的工作流体，从而致使工作流体膨胀。膨胀的工作流体被引导通过涡轮的叶片，从而致使涡轮旋转。根据燃气涡轮的特定应用，可以通过多种方式来利用涡轮的旋转。

3、美国专利no.2,168,726教导了一种具有为压缩机提供动力的涡轮的“涡轮喷气发动机”，该专利的全部公开内容通过引用并入本文。压缩机将流体(空气)流吸入涡轮喷气发动机的前部部分，并将流体排出涡轮喷气发动机的后部部分，从而产生推力。压缩流体流的一部分被转移到燃烧室，以启动燃烧过程，并在随后的膨胀过程期间用作工作流体。在通过涡轮膨胀后，从而为压缩机提供动力，工作流体与主流重新结合。结果是产生了高速的排气气体流(“喷气推进”)。

4、美国专利no.2,478,206(授予“雷丁(redding)”)、2,504,414(授予“霍桑(hawthorne)”)、2,505,660(授予“鲍曼(baumann)”)、2,526,409(授予“普莱斯(price)”)、2,526,941(授予“菲什拜因(fishbein)”)、2,541,098(授予“雷丁(redding)”)、2,702,985(授予“豪威尔(howell)”)和3,153,907(授予“格里菲斯(griffith)”)教导了“涡轮螺旋桨发动机”的多个构造，这些申请的全部公开内容通过引用并入本文。一般来说，除了涡轮螺旋桨发动机利用大部分流体流来驱动推进器之外，涡轮螺旋桨发动机类似于涡轮喷气发动机。相应地，与涡轮喷气发动机的喷气推进相比，喷气推进减小了。以类似的方式，涡轮轴(比如用于为直升机转子或发电机提供动力的涡轮轴)利用更多的流体流动，从而进一步减少甚至消除了喷气推进。相反，“涡扇”(无论是高涵道比还是低涵道比)利用流体流来驱动大风扇，以增加或以其它方式改变喷气推进。

5、往复式发动机也利用富含能量的燃料燃烧来产生热能，但是这种能量被用来膨胀燃烧室，而不是为涡轮提供动力。随着燃烧室膨胀，活塞远离上死点位置被线性驱动到下死点位置。在某些情况下，根据发动机的构造，膨胀气体从气缸中排放，以便更多的燃料和空气(“装料”)可以被吸入室，用于随后的燃烧过程。往复式发动机可以利用外部压缩源(比如通过增压器、涡轮增压器或类似物)，但是压缩通常通过在燃烧之前将活塞从下死点移动到上死点来获得。这样，活塞在下死点和上死点之间往复运动，这就是给予发动机其名称的原因。

6、虽然往复式发动机的往复作用由于其复杂的机械运动(与涡轮的相对简单的旋转相反)而增加了成本和维护，但是其燃烧室仅经受间歇的燃烧周期，从而允许燃烧室冷却和/或防止燃烧室过热。相反，燃气涡轮发动机利用连续燃烧(燃气涡轮发动机的燃烧室有时被称为“燃烧器”)，通常需要昂贵的材料和日常维修，以确保发动机能够承受长时间的高温。因此，具有一种不需要复杂的机械运动就能实现间歇燃烧的系统和方法将是有益的。

7、燃气涡轮发动机使用布雷顿循环运行，布雷顿循环是恒压循环，其需要压缩机、燃烧器(燃烧室)和膨胀涡轮。布雷顿循环的效率高度依赖于燃烧室内部相对于环境压力的压力。另一方面，往复式发动机通常使用奥托循环或柴油循环运行，每个循环的效率高度依赖于其压缩比。

8、美国专利no.367,496(授予“阿特金斯(atkins)”，该专利的全部公开内容通过引用并入本文)教导了一种膨胀比大于其压缩比的往复式发动机(阿特金斯教导2：1的比率“被发现给出良好的结果”)，从而利用了现在称为阿特金斯循环的热力学循环。尽管阿特金森循环相比于同等的奥托循环发动机提供了改进的燃料效率，但它在低速时会经受动力损失。美国专利no.2,817,322(授予“米勒(miller)”，该专利的全部公开内容通过引用并入本文)教导了一种增压发动机，该增压发动机在压缩冲程期间从气缸“排出”空气(比如通过在压缩冲程的第一部分期间保持阀打开)，使得在燃烧期间“将捕集的空气比气缸的全部体积容量少得多”。这样，米勒循环获得超过压缩比的膨胀比，类似于阿特金森循环，在低速下没有(或具有较少的)动力损失。遗憾的是，米勒循环仍然存在效率低的问题，比如往复式发动机的总体低效率以及米勒循环的具体低效率(与之相关的是有效延长的进气冲程)。因此，具有一种使内燃发动机的效率最大化的系统和方法将将是有益的。

技术实现思路

1、本发明包括一种用于最大化内燃发动机的效率，同时最小化内燃发动机的成本和重量，并且同时还最小化内燃发动机的维护要求的系统和方法。该系统包括用于将流体压缩到燃烧所需压力(比如高于220psi)的压缩组件和用于容纳大体积的压缩流体的罐组件。本发明的燃烧组件被构造成针对每个动力冲程接收一小部分压缩空气体积。这样，发动机的动力冲程独立于发动机的压缩冲程，从而消除或以其它方式最小化与之相关的过渡损失。

2、与利用布雷顿循环的燃气涡轮不同，本发明利用不需要连续燃烧来旋转涡轮的循环(“莱利循环”)。相反，莱利循环使得间歇燃烧与保持连续旋转运动相关联，而不需要往复运动。这样，莱利循环实现了往复式发动机和燃气涡轮发动机的优点。

3、与使用奥托循环和柴油循环的往复式发动机不同，本发明不需要膨胀冲程与压缩冲程交替。相反，莱利循环允许重复的膨胀冲程，每个膨胀冲程与动力转子的部分回转相关联。这样，利用莱利循环的发动机更容易生产，燃油效率更高，并且需要更少的维护。

4、像阿特金斯循环一样，莱利循环能够最大化燃料的膨胀比；但与阿特金斯循环不同，莱利循环不需要复杂的往复运动部件。相反，莱利循环能够通过控制入口阀打开的时间长度来最大化膨胀比，从而控制装料的大小。这样，莱利循环为用户提供了使用替代燃料和/或根据需要和/或期望更换燃料的灵活性。

5、像使用米勒循环的发动机一样，本发明通过控制入口阀保持打开的时间量来控制系统的效率。但是米勒循环通过在压缩室收缩时将入口阀保持在打开位置来获得这种益处。换言之，米勒循环通过使一部分装料在压缩装料之前从燃烧室排出来获得其效率。这种方案必然需要在从室中排出之前首先将装料的排出部分吸入室。莱利循环不需要排出任何部分的装料。相反，莱利循环通过控制装料的初始尺寸(通过控制打开和入口阀的定时以及通过进一步控制入口阀打开的时间量)来获得其效率，从而消除了排放任何部分装料的需要。

6、本发明的燃烧组件包括具有第一叶片的动力转子。当邻近第一叶片点燃第一装料时，第一叶片被朝向排气端口驱动，从而驱动动力转子。燃烧组件被构造成使得第一叶片向排气端口的移动使来自第一装料的可用能量(膨胀)最大化。当第一叶片移动经过排气端口时，第一装料的膨胀的流体通过排气端口排出。在一些实施例中，动力转子包括多个叶片，其包括第二叶片，该第二叶片被构造成比如在第二装料点燃之后通过排气端口排出第一装料。在一些实施例中，第一叶片构造成比如在第二装料点燃之后通过排气端口排出第一装料。

7、本发明的燃烧组件进一步包括第一隔离器转子，该第一隔离器转子定位在点火点的后面，并且被构造成防止或以其它方式抑制装料远离相应叶片的膨胀。在一些实施例中，第一隔离器转子被定位成刚好超过排气端口，使得其防止排气气体绕过排气端口。在一些实施例中，燃烧组件包括多个隔离器转子，包括定位成刚好超过排气端口的第二隔离器转子，从而防止排气气体绕过排气端口。每个隔离器转子包括至少一个容纳部，用于接收动力转子的一个或更多个叶片，从而允许动力转子旋转超过隔离器转子。这样，燃烧组件能够执行连续重复的动力冲程，同时还能够根据期望或需要跳过一个或更多个动力冲程。

8、本发明改进和/或结合了现有技术。在一些实施例中，发动机能够以2,500转每分空转。在一些实施例中，发动机具有线性动力和扭矩曲线。在一些实施例中，发动机以30,000转每分或高于30,000转每分全速运转。在一些实施例中，发动机便于对每个循环的喷射进行独立控制。在一些实施例中，寄生损失比现有技术显著降低。在一些实施例中，发动机能够分层喷射和点火。在一些实施例中，发动机避免了与往复运动概率相关联的问题。在一些实施例中，发动机避免了与压缩机失速相关的问题。在一些实施例中，发动机避免了与密封相关的问题。在一些实施例中，发动机能够促进预燃室燃烧。在一些实施例中，发动机包括飞行中自适应压缩比能力、飞行中海拔补偿能力和/或飞行中自适应燃料技术。在一些实施例中，发动机是空气冷却的。在一些实施例中，发动机的热特征实际上不存在。在一些实施例中，与现有技术相比时，发动机提供了改善的动力重量比和/或改善的排放。在一些实施例中，发动机在几乎没有nox排放的同时运转。

9、前述和其它目的旨在说明本发明，并不意味着限制。通过研究以下说明书和包括其一部分的附图，可以做出本发明的许多可能的实施例，并且这些实施例将是明显的。可以采用本发明的各种特征和子组合，而不参考其它特征和子组合。从以下结合附图的描述中，本发明的其它目的和优点将变得明显，其中通过说明和示例的方式阐述了本发明的实施例及其各种特征。