专利名称：章动内燃机的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种章动内燃机，更具体来说，涉及一种高效章动内燃机。本发明章动内燃机包括具有圆锥形表面的圆盘，和一放置在中央的球，该球位于一对称的，球截形腔室中，该腔室适用于容放圆盘，并具有一中央轴承可活动地接合球，使圆盘可在腔室中章动以转动驱动轴。章动内燃机最好按四循环原理工作，将进气和压缩腔室并成单一的腔室，将燃烧和排气腔室并成单一的腔室以便每180°点火。
四冲程内燃机已使用了一个多世纪。力学中物体的进动和章动概念为人所知的时间更长。从章动体的转动能量转变成其它形式的运动也已为人所知。虽然在内燃机中使用章动体的构思已有人进行过尝试，但尚未获得成功。直至本申请中公开的装置之前，在有效地使用章动体来限定内燃机的腔室方面，甚至进展更小。
一般来说，物体的进动是当所加转矩倾向于改变旋转体(例如陀螺)转动轴线的方向，使该轴线产生圆锥形并以直角转变转矩的方向时，旋转体所呈现出的效应。章动是指与自旋体(例如陀螺)进动转轴垂直面所成倾斜度的周期性变化。
任何章动内燃机的基本零件包括一球体，及沿球的轴线穿过球体的一根轴。球体和轴位于一腔室中，球和轴的运动方式使轴的运动扫过一圆锥面。章动的总效应是产生晃动而不是纯转动。
已经有人在各种机械装置中使用章动零件来转变能量。例如，早在1904年，美国专利773，206号中公开了一种汽油发动机，其活塞驱动一球及轴作章动以转动一根驱动轴。与其相似，在1908年，美国专利876，202号公开了一种发动机的传动装置，用章动零件作为活塞和传动轴的连接件。具体来说，活塞驱动章动零件的臂，从而以扫过一圆锥形的章动方式驱动一根轴。这根轴的能量通过齿轮机构传递至另一根驱动轴。
其它各专利也使用章动的球和轴零件将一种形式的运动转变成另一种形式的运动。在1942年，美国专利2，278，696号公开了一种用于转缸式发动机的章动零件。该专利的活塞连接于垂直于一根轴的若干臂。这根轴绕一中心枢轴点转动以产生两个圆锥形的转动，轴的两端连接于转动另一根驱动轴的装置。该轴借助轴承以球和盘布置而运动。但是，上述各专利只是利用章动的球和轴将一种运动传至另一种运动。这些专利都没有利用章动零件(即球和盘、轴等)来限定内燃机中的腔室。
在1963年，美国专利3，102，517号中公开了一种以章动体原理工作的章动盘内燃机。这种章动盘设计本身是内燃机实际循环的一整体零件。具体来说，球和盘限定了腔室，即进气，压缩，燃烧和排气腔室。该专利所公开的发动机包括一包围和支承一球面的壳体，球面上带有一圆盘，将腔室分成两个腔室和一个连通两腔室的挡块。由于球和盘以章动方式转动，进气，压缩，燃烧和排气用的腔室相互作用而驱动轴。该专利公开的内燃机每360°点火。该专利所公开的发动机只有一根轴，因此，球和轴件的质心不在球的球心。与本申请公开的章动内燃机不同，其球和轴的质心是不停运动着的，将附加应力作用在发动机上。因为该专利公开的发动机只有一个挡块，这种内燃机具有两个或三个腔室。另外，进气和压缩冲程是在盘的一侧同时完成的，膨胀和排气冲程是在盘的另一侧完成的。因此，盘的两侧都要求完成一个四冲程过程。
本发明的一个目的是提供一种章动内燃机，它将进气和压缩腔室结合为一个腔室，将压缩和排气腔室结合为一个腔室，分别位于内燃机的两侧。
本发明的另一个目的是提供一种章动内燃机，它每360°在一侧点火，每侧180°异相。因此，整个内燃机每180°点火。
本发明的另一个目的是通过使腔室合并成进气/压缩腔室和燃烧/排气腔室而减小内燃机的尺寸。
本发明的另一个目的是通过分享腔室，即盘两侧的下部区域的容积，用于进气/压缩，而盘两侧的上部区域的容积用于燃烧/排气。
本发明的章动内燃机包括一个具有圆锥形表面的圆盘和放置在中央的球。一对称的，球截形的腔室适于容纳上述盘，并具有中央轴承以活动地接合球，使盘在腔室中章动。曲轴可转动地放置在球中的圆盘轴线上。在腔室两侧，驱动轴放置在腔室的轴线上。驱动轴偏心地连接于曲轴，从而使盘的章动引起驱动轴旋转。在推荐实施例中，圆盘具有两个隔开180°的间隙。腔室具有同样数目的挡块，与盘中的间隙对准，使腔室分成进气/压缩部分和燃烧/排气部分，从而使内燃机的每侧每360°点火，使整个发动机每180°点火。
本发明的其它实施例也可设有其它结构的挡块。其中一种结构具有多于两个的挡块和间隙。另一种结构中，使两挡块移位，使其间隙为非180°的角。具体来说，挡块向不同于180°的位置的运动使在挡块上、下分别形成一较大的腔室和一个较小的腔室。这种结构使进气和压缩在较小腔室，而燃烧和排气在较大的腔室，因而使阿特金森循环(Atkinsoncycle)有了实际成果。另一种替代方案是，进气/压缩腔室可大于膨胀/排气腔室，从而有效地创造一种自增压循环(Self-SuperchargingCycle)。另外，这种结构可以用作一种泵或一种空气压缩机。
现对照以下附图详细描述本发明
图1A是球和盘布置的侧视图;
图1B是球和盘布置的端视图;
图2A是图1B所示盘的横截面图;
图2B是图1A所示盘的横截面图;
图3是盘和腔室的横截面图，表示盘的密封装置;
图4是外腔室的顶视图，表示排气歧管;
图5是剖开腔室中的球，轴和盘布置的部分切除的侧剖视图;
图6是沿图4中的6-6线的剖视图;
图7是沿图4中的7-7线的剖视图;
图8是沿图6中8-8线的剖视图;
图9是沿图6中的9-9线的剖视图;
图10是沿图6中的10-10线的剖视图;
图11是章动内燃机的横剖视图，表示另一种排气孔;
图12表示图6所示的空气进口挡块和燃油喷射挡块;
图13表示图9所示的空气进口和燃油喷射挡块;
图14表示章动内燃机中各腔室，部分和区域的组成;
图14a-g是腔室的横截面图表示盘的活动支承作用以产生次级腔室;
图15a-c表示燃烧的不同容积和一个改变压缩比的电子控制装置的框图;
图16a-b表示单和双燃油喷射系统的空气和燃油喷射的定时;
图17a-c表示挡块的各种结构，以便使内燃机以颚图循环，自增压循环和阿特金森循环工作;
图18表示串联工作的复式章动内燃机。
本发明的内燃机是以下述机械原理为基础的。作章动同时与一腔室的两平行平壁实际接触的等分圆锥盘能够产生可变的容积。这种单个的等分圆锥盘110是产生动力的零件。对称的结构和共用的腔室有效地利用了结构空间。这种结构大大增加了功率重量比和功率密度，减少了可能的燃料消耗。
在本说明书中，章动内燃机是以图5所示的结构定向的，其中，排气阀位于内燃机顶部，驱动轴从内燃机两侧横向伸出。但是，这种定向是随意选定的，只是为了描述这种内燃机时保持统一而选定的。这种内燃机的运转定向并不限于这种结构。显然任何定向都不超出本发明的范围。
现在参阅图1A，图中示出球100和盘110的侧视图。盘的两表面不是平行的，在图1B可清楚看出是锥形的。间隙190和192将盘分成圆盘部分120和圆盘部分130。两间隙190和192的位置可接纳相应的挡块390和480，挡块390和480后面将结合图12和13描述。在推荐实施例中，间隙190和192相隔180°，不过，如后面结合图17将要讲到的那样，也可相隔某种其它角度。因为章动内燃机的球和盘是对称的，球和盘的质心总是静止的。另外，由于质心静止大大减小了曲轴应力，故章动内燃机可以很高的每分转数(RPMs)运转。当挡块不相隔180°时，两圆盘部分的重量分布可以调整，以便具有静止的质心。另外，间隔的数目可以增加以便形成增加的腔室。
图1B是球和盘布置的端视图。如图所示，球100在球周围上带有两个圆盘部分120和130。曲轴200(在图5中示出)穿过孔102，从球的两面伸出。曲轴200垂直于盘所在的平面。上面的圆盘部分120具有第一侧面122和第二侧面124，下面的圆盘部分130具有侧面132和134。圆盘部分的边缘140将结合图3详述。另外，如图所示，在上方的挡块密封件160和右下方的挡块密封件162沿盘的内缘从球100延伸至盘的边缘140。
图2-13表示球，轴和盘装在一腔室内时的各种横截面。图5表示图1所示球和盘布置在腔室内的侧视图。图2-4所示的冷却和润滑系统和内燃机的外腔室将对照图5详述。
现在描述图5所示的章动内燃机的基本结构，章动内燃机包括一个球100，其圆周上带有两个装在腔室300中的圆盘部分120和130。圆盘部分是圆锥形的，当盘的侧面与腔室的壁接触时形成一条与腔室壁的接触线。腔室300是由能够承受内燃机应力的适当材料制成的。球100借助两个腔室球密封件308密封在腔室300中。设置密封件308是为了防止任何气体通过腔室(图5中的部分322和352)，密封件308可在图11中看得更清楚。图11示出拆去球和盘的腔室的横截面。密封件308是圆形的，密封球100在腔室300之外延伸的区域。
与球和盘一起，腔室300包括两个装配进盘的间隙190和192中的挡块390和480(如图9所示，如图12和13单独表示)。挡块390和480也提供在内燃机中燃烧所需要的空气和燃油。
为了在下面描述章动内燃机的结构和工作时保持统一和清楚起见，腔室将按照上腔室部分312和下腔室部分342描述，由球和两抵住球体的挡块形成，图14是描述章动内燃机内各腔室部分和区域的图表。上腔室部分是由球和在底部的挡块围住的区域，在侧面由壁320和330(图5)和挡块上方的球截形腔310约束。下腔室部分是由球和在顶部的挡块围住的区域，在侧面由壁350和360(图5)和止动件下方的球截形腔340约束。
如图14所示，每个腔室部分又进而分成左、右腔室部分。具体来说，右腔室部分322和左腔室部分332由在上腔室312中的圆盘部分120限定。另外，右腔室部分362和左腔室部分352由下腔室342中的圆盘部分130限定。另外，每个腔室部分又分成连续变化的区域，包括吸气，压缩，燃烧和排气区域，将对照图14a-g详述。
如图8所示，排气孔368-382沿上腔室312的侧壁320和330为压缩和排气两个区域而设置。在这些排气孔中设有排气阀422-438。虽然在图8中在上腔室部分的侧壁上画有4个排气阀，但是也可使用任意数目的排气孔。在推荐实施例中，排气阀是靠凸轮操纵的，这在本专业中是熟知的。但是，也可以使用任何打开或关闭排气阀的装置。
曲轴200偏心地装在从球两端延伸的驱动轴210和220上。在推荐实施例中，使用花键230来提供曲轴200在驱动轴210和220上的刚性连接，以便维持在盘180两侧异相180°的循环。由于将曲轴连接在驱动轴上，故本发明的设计不需任何齿轮传动。轴承202设在球内并延伸至驱动轴。曲轴200可转动地设置在轴承202内。在推荐实施例中，轴承202是刚性固定在球100上的单滚柱轴承。如图2A和2B所示，轴承202具有与盘的油出口180对准的孔203，使油能从盘流向曲轴。轴承由本专业公知的任何适当材料制成。
放在球和轴承202中的曲轴200与驱动轴中心线成一角度，该角度的范围在10°和70°之间，这取决于所要求的功率和扭矩，最理想的曲轴角度在10°和30°之间。在推荐实施例中，曲轴的该角度为20°。膨胀的气体作用在圆盘部分的侧壁上引起球和盘的章动，从而通过轴承202驱动曲轴。假想一条从曲轴200的中心点延伸至外端的线以便更好地描述曲轴200的运动。由于曲轴绕中心点摆动，上述假想线会产生两个圆锥，两圆锥的顶部在中心点相连。随着曲轴200的转动，它驱动两根驱动轴210和220转动，驱动轴的转动轴线是通过驱动轴中心的直线。但是，也可以只有一根驱动轴。不与驱动轴相连的曲轴的端部借助轴承在内燃机中转动。随着球和圆锥盘的章动，由盘和腔室的壁所限定的内燃机的各腔室不断变化，如图14a-g所示。
现在一般地描述章动内燃机的各个腔室，吸气和压缩循环发生在内燃机下腔室部分342的每一侧的单一部分中。燃烧和排气循环也发生在内燃机上腔室部分312的每一侧的单一部分中。在右上部分322和左上部分332(如图8所示)的每一个中的燃烧区域每360°点火，使整个内燃机每180°点火。取决于盘的位置，两个或三个区存在于上腔室312中，两个或三个区存在于下腔室342中，如图14a-g所示，这将在下文中详述。这些区域用于在内燃机的每一侧的四个循环。
现具体参阅图5中的腔室，临近圆盘部分120的表面122的部分构成用于压缩/排气的部分322。排气孔374(可以看到一个)在右上部分322的排气循环中构成废气的出口。随着章动体在其全运动范围里的转动，第二个上腔室部分将在上腔室部分312中变得明显起来。具体来说，在圆盘部分120的壁124和包含排气孔382的壁330之间形成第二上燃烧区。在左侧的这个上部将与在右侧的部分相同，从右侧异相180°点火。
如图5所示，左下部分352由盘130的壁134和下腔室部分的外壁350限定。左下部分352是进气/压缩部分。随着章动体转过其全部运动范围，一个第二右下部分362(如图10所示)将在下部腔室部分342中变得明显。在上部腔室312或下部腔室342内两个或三个区域的存在和这些区域的连续变化将在图14a-g的说明中详述。
现在描述冷却系统，如图5和图2所示，内燃机中有许多液体通道。具体来说，图2A表示沿图1B中的B-B线的圆盘的横截面。在球的右侧，画出了圆盘的液体进口170。在推荐实施例中，液体通过(图13所示的)燃油喷射挡块480送入球和盘，挡块480位于圆盘部分之间的间隙190中。但是，也可以采用任何其它适当位置或任何其它喷射液体的装置。虽然任何适当的液体可以用来冷却和润滑圆盘，但是最好使用油。进口170通向一系列冷却通路172，这些冷却通路172盘绕着许多隔岛174，这些冷却通路开放于球左侧的圆盘液体出口180。图2B表示沿图1A中的A-A线的球和盘的横截面。图中可见冷却通路172和隔岛174。圆盘液体出口与液槽179直接相通，使液体可以借助液体通道181通向液体出口通道182，液体通道181位于曲轴内，如图5所示。液体出口通道182使液体通向驱动轴内的液体出口184。然后，液体被冷却并通过本专业中使用的适当油泵再循环至燃油喷射挡块的油进口部分。
现在描述球和盘在腔室中的密封。章动内燃机包括四个主要的密封区。首先，球借助密封件308在腔室中密封。密封件308包括两个位于腔室内的密封环，在球延伸过腔室的部位密封腔室。图11中未画球和盘，可以见到这些密封件。内燃机还包括另一个密封件400，位于抵住球的挡块390和480的端部。在图11中，画出了进气挡块390的密封件。燃油进口挡块密封件与空气进口密封件相同。
其余的密封件位于圆盘部分120和130的周围。这些密封件是用来防止来自上、下腔室部分中的任何部分或区域的气体通过的。如图2A所示，挡块密封件160-166沿着与挡块接触的盘的边缘放置，下文还要讲述。图3中示出圆锥形盘的横截面，一对密封件148和158放置在盘的边缘和腔室的球截形表面之间。这些密封件包括两个C形环152和162，将压力作用在密封件上以保持盘的外缘和腔室的球壁之间的液体。借助通道143，液体从盘中冷却通路172输送至槽144，借助通道145返回，液体对密封件提供润滑和冷却作用。
包括密封件148和158的密封设施的工作原理是，如果圆盘部分120正沿壁310移向右方，在壁124上的高压区将作用在密封件158上迫使其向右抵住壁142。与此相似，一个压力较高区域及盘沿壁122向右的运动也迫使密封件148向左。因此，这种独特的密封设施维持着液槽144中的液体，用于充分的密封和润滑。
现参阅图4，该图画出章动内燃机的外部腔室。在内燃机顶部的是排气歧管302和304。进气装置396通向空气通路398，在内燃机相对的另一侧是燃油喷射部分。具体来说，燃油喷射系统(下文将详述)包括储存器500，其上具有通向内燃机两侧的储存器通道502。储存器通道502通向右空气喷射器532和左空气喷射器552，这两个空气喷射器将压缩空气从储存器喷入预燃室484和494(图9中示出)。另外，章动内燃机包括右燃油喷射器536和左燃油喷射器556。图中可见驱动轴210和220从内燃机两侧伸出。
现参阅图6。图6是沿图4中的6-6线的横截面图。图的顶部是具有空气通路398的进气装置396。空气通过进气装置进入并在内燃机中的腔室中以逆时钟方向运行。在内燃机中的空气流将对照图14a-g详述。压缩空气从供气通道501(如图7所示)进入储存器500，并通过储存器通道502运行，通过压力阀504。下文将要讲到，燃油是从燃油喷射器556喷射的，在预燃室中与来自储存器的进气混合。进气和燃油由预燃室中的火花塞554点燃。如图所示，燃烧和排气一般出现在阀门432-438所在的腔室的右半部。
现参阅图7。图7是沿图4中7-7线的横截面。如图7所示，靠近内燃机顶部，进气装置396具有空气通道398。空气顺时钟通过进气和压缩部分进入储存器供气通道501，以便从进气和压缩部分将空气送进储存器500。来自储存器的压缩空气在预燃室与燃油混合。燃油喷射系统将燃油送入基本处于图中左侧的燃烧部分。在此横截面图中还画出了排气阀368-374和废气出口302。
图7也画出了章动内燃机的空气输送系统。压缩空气从右下腔室部分的一部分的压缩室通过储存器输送通道501，从圆盘每一侧的右下部分输送至储存器500。曲轴每转动360°，圆盘的每一侧将压缩空气送入储存器。因为每一侧是180°异相的，储存器在曲轴每转动180°充气一次。压缩空气以预定的压力储存在储存器500中，这取决于内燃机要求的压缩比。虽然储存器可以是任意尺寸的以容纳内燃机的任意次数的充气量，但是，储存器最好容纳足够次数的充气量以减小当充气从压缩区域送至储存器和从储存器送至燃烧区域时，在储存器中压力的浮动。
在最初点火中，一个可变压力阀504位于储存器500和空气喷射阀532之间。压力阀504仍处于闭合以便使储存器可达到其工作压力。当达到工作压力时，可变压力阀504打开使压缩空气可流向空气喷射阀。空气喷射阀可借助凸轮或任何其它适当的机构来操纵。最好使用由电子控制装置操纵的电磁铁。当打开空气喷射阀时，空气充入挡块预燃室。参照图14a-g和15将要详细讲到，当燃烧室开始膨胀时，压缩空气进入预燃室和膨胀燃烧室。在此期间，所需燃油亦被喷射。当综合的预燃室容积和燃烧室容积等于喷入的空气量时，空气喷射阀关闭，点火发生以开始燃烧。
现参阅图8。图8是章动内燃机的顶视图。图中只能看到圆盘部分120。在此图中圆盘部分120的位置表明，圆盘部分120将上部腔室分成三个区域。具体来说，限定了一个左侧部分332，部分332又分成区域334和区域326。与此相似，右侧部分322示出区域326。如图所示，上表面122的接触线316与排气孔380对准。
随着球100和圆盘部分120章动，接触线316改变其位置以便限定各区域的腔室容积。在一具体的位置，当接触线316达到挡块的一边缘时，在上部腔室中只限定了两个区域(如图14a所示)。具体来说，如图所示，区域322在上部腔室312的右侧，区域332在上部腔室312的左侧，圆盘部分120对角地横过上部腔室312。由于球和盘继续章动，接触线316将沿壁330移动，从而在腔室的具有一条接触线的那一侧形成两个区域，而在腔室的无接触线的那一侧形成一个区域。
因为在内燃机的一侧，进气和压缩区域结合入一个部分，燃烧和排气区域结合入一个部分，所以在推荐实施例中，一个章动内燃机包括两个燃烧区域。图8中所示的每个燃烧区域每360°点火，从而使整个章动内燃机每180°点火。
另外，由于本发明章动内燃机两侧180°异相，故本发明的章动内燃机在其左、右两部分的腔室之间共用容积。具体来说，左上区域332包括在区域336中的燃烧阶段，和在区域334中的最后排气模式，两者占据上部腔室部分312中的一个小容积。同时，右上区域322处于最初排气模式，占据上部腔室部分的一个大容积。由于共用腔室，两侧180°间隔点火，因而章动内燃机的尺寸和重量都大大减小，而效率大大增加。
图8中也画出了上部腔室的排气孔。具体来说，右腔室中有沿壁320设置的排气孔。这些排气孔都处于打开位置。沿左侧壁330设置的排气孔都处于闭合位置。阀门同时打开以便排气，但相继在接触线之前闭合。在推荐实施例中，阀门由连接于驱动轴的凸轮轴控制。由于章动内燃机的独特结构，壁320和330提供了排气阀门工作的很大面积。具体来说，因为章动内燃机工作时，其各腔室的尺寸随着球和盘的章动而变化，很大的面积可以用于设置排气孔。这种特点与普通的活塞式发动机相比，减小了泵送损失。
另外，由于提供了球面三角形开放式燃烧室，与旋转式沃克尔(Wankel)发动机的狭长燃烧室相比，并不限制火焰前锋，因而本发明的章动内燃机改善了燃烧室特性。另外，锥形圆盘与平的腔室板的实际接触而形成的线呈现相对滑动，这一滑动的清洗特性也是很有益处的，具体来说，这种滑动可清除在燃烧和排气过程中可能沉积在表面上的物质。
现参阅图9。图9是章动内燃机的横截面，表示其独特的燃油喷射系统。燃油喷射系统包括燃油喷射挡块480，储存器500，储存器输送通道501(见图7)，储存器出口通道502，压力阀504，燃油喷射器536和556(见图8)，空气喷射阀532和552以及火花塞534和554。具体来说，燃油喷射系统包括储存来自内燃机的压缩空气的储存器500。现在描述推荐实施例中的燃油喷射系统的右侧，一凸轮操纵的空气喷射阀532使空气能够放入预燃室484。但是，也可以使用任何其它能使空气进入预燃室的装置，包括液压阀。现在讲右燃烧腔室，燃油通过燃油喷射器536加入预燃室，如图8所示。同时，空气喷射阀打开使空气-燃油混合物进入预燃室，由火花塞534点燃。燃油和空气喷射的定时将对照图16A详述。
现在参阅图10。图10是章动内燃机的底视图，包括右下部分362和左下部分352。章动内燃机最好具有两个挡块，不过也可具有更多的挡块。图10中示出挡块390的进气装置，它包括进气区域开口394和空气通道396。进气挡块390有选择地将空气送入内燃机的两侧，这取决于圆盘以章动方式通过进气开口的位置。本发明的章动内燃机没有为进气循环设置机械式阀门元件。与圆盘部分130的下缘接触的腔室挡块侧表面也可具有专门的形状以便减少挡块密封的方位行程，如果腔室挡块侧是平面的话，该方位行程可能会很大。
具体来说，图10中示出了圆盘部分130和球100，在图10中，接触线大约位于沿壁360的腔室的中部。圆盘部分130在下部腔室中限定了进气和压缩区域。具体来说，左下部分352在图中位于腔室的左侧，它限定了向储存器500(图4)提供压缩空气的进气区域。图中右侧的右下部分362被进气区域364和压缩区域366所限定，这是在壁面360上的接触线346所产生的结果。当空气在压缩循环中被压缩之后，压缩空气被输送至储存器，然后被放入预燃室，这将在下文中对照图14详述。
现在参阅图11。图11是排气系统的另一实施例。具体来说，通过图11所示的微小改进，某些排气阀可以被腔室球面上的一个孔402或多个孔所取代。孔402的位置可临近于挡块和壳体的交界处。具体来说，图11中未画球和盘布置。在挡块位置的上方有一个排气孔。因此，一个排气孔由两个排气腔室所共用。在推荐实施例中，单一排气孔368和367仍沿侧壁设置，以便当圆盘在排气孔上经过后排出任何残留在排气腔室中残留气体。孔的基本形状为球面中的球面三角形，以利用圆盘横过球形壳体的章动所形成的几何形状。排气孔的尺寸应能扩大燃烧循环并且不妨碍排气循环的效率。图11中可见到密封球和腔室的密封件308，以及密封喷气挡块和球的喷气挡块密封件400。相似的密封装置也用在燃油喷射挡块上以密封燃油喷射挡块和球。
现参阅图12和13。这两幅图是从不同的横截面图分离出来的以显示两个挡块。图12表示使空气进入空气通道398的进气挡块390的进气装置396。空气通道中的空气向前通过内燃机中的进气孔进入空气腔室。图12中画出的燃油喷射挡块480已对照图9作过描述。图12中，两挡块位于球和盘的间隙中。图13也显示燃油喷射装置的横截面，该装置已对照图9作过描述。
现在已参照各截面图对章动内燃机作了描述，通过对图14a-g的描述会更清楚理解各腔室的定向和相互作用。图14中描述了各个腔室，部分和区域，其中，左下部分352和左上部分332构成了内燃机一半，四循环中的每一个循环都在那儿发生。另外，右下部分362和右上部分322构成内燃机的另一半，四循环中的每一个循环也在那里发生。因此，本发明的一个章动内燃机的工作在点火频率方面相当于两个转子式沃克尔旋转发动机或相当于一个四循环，四缸活塞发动机。但是，章动内燃机在尺寸和重量上都大大减小了，只要求两个火花塞，而四缸活塞发动机却需要4个火花塞。
现参阅图14a-g，同时结合图14中描述各腔室，部分和区域的图表。图14a-g表示章动内燃机相继的工作过程。图14a-g表示随着曲轴转过各曲轴角度时在各个同时刻，圆盘在上部腔室312和下部腔室342中的位置。具体来说，当曲轴以90°间隔转过全部540°时，图14a-g的上半部分相应于上部腔室312，而其下半部分则相应于下部腔室342。每个循环(即进气，压缩，燃烧和排气)持续270°，内燃机的几何布置使其每180°点火。图中示出整个540°的转动，从而可以看到在右上部322和左上部分332中的整个燃烧和排气循环，以及在右下部分362和左下部分352中的全部进气和压缩循环。但是显然，章动盘每360°重复一个循环。这里讲转动540°只是为了描述方便。沿图14a-g的图例表示各个区域的阶段。
上部腔室与下部腔室是配合工作的，一个下部腔室中的进气和压缩为上部腔室中的动力和排气冲程提供压缩空气。具体来说，图14a表示图盘部分120位于上部腔室312的对角位置，这时的曲轴位置随意地定为0°，此时限定了一个右上部分322和一个左上部分332。在曲轴0°位置，右上部分322含有一个右上排气区326。左上部分332含有一个左上动力区域334。
图14a表示位于下部腔室342对角位置的下部圆盘部分130和曲轴在0°位置，限定了一个右下部分362和一个左下部分352。在曲轴0°位置时，右下部分362含有一个右下进气区域364，左下部分352含有一左下压缩区域356。
当曲轴转动90°时，上部圆盘部分120移至图14b所示位置。此时，圆盘边缘122构成一条与上部腔室的右侧壁320的接触线316。接触线316形成了一个右上动力区域324和一个右上排气区域326。接触线316移动圆盘限定容积连续变化的腔室。在左上部分332中，只存在一个左上动力区域334。动力冲程正在动力区域334中结束，此时动力区域达到其最大容积，排气相即将开始。
同时，下部圆盘部分130移至图14b所示位置。圆盘130的边缘构成一条与下部腔室的左侧壁350的接触线346。接触线346形成一个左下进气区域354和一个左下压缩区域356。随着接触线346的移动，下部圆盘部分130限定了连续变化的腔室。压缩空气正被送入储存器500并将在点火前的压缩相(图14c)被送入上部腔室。在燃烧室中点火的定时将对照图15详述。在右下腔室362中，只存在一个右下进气区域364。进气冲程正在右下区域364中结束，此时达到其最大容积，即将开始压缩相。
如图14c所示，当曲轴又转过90°(共转过180°)时，圆盘部分120又处于上部腔室的对角位置，只限定了两个腔室。具体来说，右上排气区域326已消失，右上动力区域324随着在右侧的动力循环的继续而变大。在左上部分只存在一个左上排气区域336。随着左侧腔室部分继续排气，排气区域336已经变小。值得注意的是，随着圆盘部分120继续章动，设置在上部腔室左侧壁330上的阀门相继在接触线316前方关闭。
此时，下部圆盘部分又位于下部腔室的对角位置，只限定了两个腔室。具体来说，随着在右侧的压缩循环的继续，右下进气区域364已经消失，右下压缩区域366正在变小。在左下腔室中，只存在左下进气区域354。由于下部圆盘部分经过进气孔394，随着左侧腔室部分继续进气，进气区域已经变大。
如图14d所示，当曲轴转过270°时，右上部分322在动力冲程结束时仍只有一个右上动力区域324。此时阀门刚刚打开，在右上腔室中的排气冲程即将开始。在左上部分中，接触线316正沿着左上侧壁330形成。接触线316限定了左上动力区域334，在左上动力冲程过程中，左上动力区域正在开始形成。由于动力冲程的开始和左上动力区域334开始膨胀，左上排气区域336随着排气相的结束而变小。随着排气相的结束，阀门开始相继关闭。
在转过270°时，左下部分352在进气冲程结束时仍只有一个左下进气区域354。此时，在下部腔室中的压缩冲程即将开始。在右下部分，一条接触线346正在沿右下侧咅360上形成。接触线346限定了右下进气区域364，在右下部分362中进气冲程过程中，进气区域364正开始形成。由于右下区域继续进气，随着进气和压缩冲程的继续，右下进气区域364变大，由于压缩相正在结束，右下压缩区域366变小。压缩气体被送入储存器，并且在燃烧相中点火之前被放入上部腔室。
如图14e所示，当曲轴转到360°／0°位置时，上部圆盘部分120现正位于与0°时相同的对角位置。此时，在右侧的一个完整的动力循环已经完成。与此相似，下部圆盘部分130正处于与0°位置相同的对角位置。此时，在左侧的一个完整的进气循环已经完成。图14f和图14g分别表示曲轴位于转动450°和540°的位置时的章动内燃机。这两张附图是为了便于表示在每个上部腔室部分中的完整的动力循环和完整的排气循环，以及在每个下部室部分中的完整的进气循环和完整的压缩循环。
本发明的章动内燃机的一个显著优点是动力冲程的重叠，动力冲程的重叠从图14c和图14d中可以看出。在图14c中，左上动力区域334正开始形成而右上动力区域324已经存在。在图14d中，左上动力区域334已经存在，而右上动力区域324正即将结束，整个腔室即将变成左上排气区域336。取决于挡块的位置，上述动力重叠可以变化，这一点下文将要讲至。
图15A至图15C说明压缩比可以怎样变化而在内燃机中不对硬件作重大改变。更重要的是，压缩比的变化可以在发动机工作期间完成。压缩比的改变可通过下述方法实现(1)改变储存器中空气的压力。(2)改变限定燃烧室容积的圆盘接触线的位置，(3)改变在燃烧阶段中的空气喷射阀工作，燃油喷射和点火的定时。上述改变可以由一电子控制装置控制。
具体来说，储存器中压力的变化可使用可变压力阀，由电子控制装置控制可变压力阀来实现。另外，电子控制装置可以控制燃烧室 和预燃室的总容积以及点火的定时。在图15A和图15B示出了限定不同尺寸的燃烧室区域的不同的接触线的位置(阴影线)。可变压缩比构想是基于要具有能使用多种燃料的性能的重大考虑，这一点在许多地区是十分有用的，包括军事中的应用。
现在参阅图15c中的框图，电子控制装置确定对特定压缩比的储存器中所需要的压力。如果尚未达到该压力，可变压力阀关闭。一旦达到该压力，可变压力阀即打开。电子控制装置也按照曲轴角度确定接触线的位置。当接触线达到需要的曲轴角度时，空气喷射器关闭，火花塞点火开始燃烧。
图16A表示图9所示章动内燃机单一喷射器实施例中的空气和燃油输入的定时。具体来说，图16A所示燃油和空气喷射是曲轴角度的函数。以描述右部为例，燃油在某一曲轴转角标示的给定期间通过喷射器536喷入。空气也是通过打开空气喷射阀532的方式加入。当曲轴达到对规定压缩比的所需转角时，空气喷射阀关闭，然后内燃机点火。
图16B表示图16A所示实施例在右部具有另一个稀薄燃油喷射器540，它是用来形成分层进气的。当空气正被喷入预燃室时，从喷射器540来的燃油加入空气喷射器中的气流而形成在某一曲轴转角期间中的稀薄混合气体。在点火之前，通过浓燃油喷射器536加入一定量的附加燃油以便在预燃室中形成浓的混合气体。这种附加燃油在预燃室中构成浓混合气体。通过这种方法在燃烧室中形成分层进气。然后由火花塞534点燃分层进气。分层进气有助于更有效的燃烧。
图17表示挡块390和480定位的各种实施例。具体来说，取决于挡块的位置，将改变重叠度。下面将要描述三种情况。在第一种情况中，挡块环绕腔室对称布置，因而上部腔室和下部腔室有相等的容积，这种情况下的重叠度等于90°减去挡块圆弧厚度的一半。例如，若挡块圆弧厚度是20°，那么重叠度将为90-1/2(20)＝80度。第二种情况是图17B，其中使用阿特金森循环，重叠度可大于90°。具体来说，在阿特金森循环中，较小的腔室用于进气和压缩，而较大的腔室用于燃烧和排气。这样，一定量的燃油-空气混合物点火后比在对称挡块(相等容积)结构中膨胀至更大的程度，从而获得在功率和效率方面的净增加。图17c所示第三种情况称为自增压布置，其中，较小的腔室用于燃烧和排气，而较大的腔室用于进气和压缩。这里，燃烧/排气冲程的重叠度可为最大的90-1/2(a)，式中a为挡块圆弧厚度。由于空气-燃油混合物的加入量比对称式(相等容积)结构来得大，从而达到更高的压力，这样可以得到功率的净增加。
除了上面公开的章动内燃机以外，也可设想，将章动结构用作一种泵，这是本发明的自然延伸。这种泵的重要特征是这种泵有两种工作方式。具体来说，第一种方式是用作一种机械式泵，用驱动轴来驱动章动盘。腔室则用作一种泵室。第二种方式是使腔室之一用作主动腔室，使另一腔室用作从动腔室。值得注意的是，可以用上部腔室作为主动腔室，下部腔室作为泵室，或者用泵的左侧(左上和左下腔室)作为主动腔室，而泵的右侧(右上和右下腔室)作为泵室。另外，在这种泵中，也可以使用对称的挡块和更多的挡块来实现变量的多种输出。因此，可以使用多个腔室来泵送或混合各种尺寸的容积或液体种类。
另外，本发明的结构可以用做一压缩机。以对称挡块布置，可以得到单级压缩机。以非对称挡块布置，较大的容积用于进气和压缩，而较小的容积用做第二级压缩机。具体来说，可以将其用做多级压缩机，其中，第二腔室的容积与储存器的容积相同。来自储存器的压缩空气又一次地在第二腔室中被压缩，从而形成多级压缩机。
虽然上面描述了章动内燃机的推荐结构，但是，可以做出种种变化而并不超出本发明的范围。例如，可制成复式内燃机组，将内燃机联结起来以提供更大的功率。因此，对照附图对章动内燃机特征所作的描述并不是为了限定而是为了说明。因此本发明的范围是由权利要求书所限定的。
权利要求
1.一种章动内燃机，具有一章动圆盘，它具有圆锥形表面和放置在中央的球；一个对称的适于容纳所述圆盘的球截形腔室，所述腔室有一中央轴承可活动地接合所述球，并使所述圆盘在所述腔室中章动；一根曲轴在所述球内可转动地设置在所述圆盘的轴线上；驱动轴在所述腔室两侧设置在所述腔室的轴线上，所述驱动轴偏心地连接在所述曲轴上，从而所述圆盘的章动使驱动轴旋转；所述圆盘具有多个间隙，所述腔室具有多个与所述间隙对准的挡块，将所述腔室分成一个进气/压缩部分和一个燃烧/排气部分，所述圆盘具有一个第一圆盘部分，将所述进气/压缩部分划分成两个区域，所述圆盘具有一个第二圆盘部分，将所述燃烧/排气部分划分成两个区域；其中，至少一个所述挡块包括至少一个孔，使燃油进入至少一个所述腔室部分。
2.按照权利要求1所述的章动内燃机，其特征在于至少一个所述挡块包括一个进气装置，用于将空气送入至少一个所述腔室部分。
3.按照权利要求1所述的章动内燃机，其特征在于所述挡块之一具有一条向所述球和圆盘输送液体的通道，用于润滑和冷却圆盘。
4.按照权利要求1所述的章动内燃机，其特征在于还具有一燃油喷射系统，该系统包括一适于储存来自进气/压缩部分的压缩空气的储存器，一个预燃室，将所储存的压缩空气喷入所述预燃室的装置，将燃油喷入所述预燃室的第一装置和点燃燃油-空气混合物的装置。
5.按照权利要求4所述的章动内燃机，其特征在于还具有一个控制装置，用来监控所述储存器中的空气压力，所述燃烧/排气部分中的燃烧区域的容积以及所述点燃燃油-空气混合物的装置的定时。
6.按照权利要求1所述的章动内燃机，其特征在于所述对称的，球截形腔室具有垂直于所述驱动轴的平面，在所述平面上设有排气孔。
7.按照权利要求1所述的章动内燃机，其特征在于所述章动圆盘包括位于所述圆盘外周的第一密封装置，所述第一密封装置具有两个沿着所述圆盘接触腔室的曲线边缘的密封件。
8.按照权利要求7所述的章动内燃机，其特征在于所述第一密封装置具有两个沿所述圆盘外周设置的C形环，所述C形环压迫所述密封件以维持在所述圆盘和所述腔室壁之间的液密密封。
9.按照权利要求1所述的章动内燃机，其特征在于所述间隙相互间隔在60°-80°之间，因而所述进气/压缩部分的容积小于所述燃烧/排气部分的容积，以及所述圆盘是非对称的，以便在所述球和圆盘章动时维持一个静止的质心。
10.按照权利要求1所述的章动内燃机，其特征在于所述间隙相互间隔在60°-80°之间，因而所述进气/压缩部分的容积大于所述燃烧/排气部分的容积，以及所述圆盘是非对称的，以便在所述球和圆盘章动时维持一个静止的质心。
全文摘要
一种章动内燃机具有一圆盘，圆盘带有圆锥形表面及中央放置的球，圆盘和球放置在一对称的，球截形的腔室中，腔室有一中央轴承活动地接合球，并且使圆盘可在腔室中章动以转动驱动轴。章动内燃机最好以四循环原理工作，且将进气和压缩腔室并成一个腔室，而将燃烧和排气腔室并成一个腔室以便每180°点火。
文档编号F02B53/00GK1076005SQ92115020
公开日1993年9月8日 申请日期1992年12月30日 优先权日1991年12月31日
发明者莱昂纳德·梅耶 申请人:莱昂纳德·梅耶