專利名稱：振蕩活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的制作方法
振蕩活塞發(fā)動(dòng)機(jī)相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用
本申請(qǐng)要求2010年3月30日提交的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)61/282，774號(hào)的優(yōu)先權(quán)，通過引用將其公開內(nèi)容合并至本申請(qǐng)中。發(fā)明技術(shù)領(lǐng)域 本發(fā)明大體上涉及內(nèi)燃機(jī)的領(lǐng)域，也涉及高壓氣體膨脹器。更具體地說，本發(fā)明涉及利用振蕩圓盤方法將一種形式的能量(無論是通過燃燒各種石油產(chǎn)品所產(chǎn)生的化學(xué)能抑或是在高壓氣體中的能量)轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)機(jī)械能。旋轉(zhuǎn)機(jī)械能可被用來驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電或者驅(qū)動(dòng)正在行駛的交通工具(汽車、卡車、飛機(jī)或船)變速。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)的內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)用了在直線上作往復(fù)運(yùn)動(dòng)的活塞。這種運(yùn)動(dòng)通過一組偏移軸承被轉(zhuǎn)移到一個(gè)旋轉(zhuǎn)的曲軸上。柴油發(fā)動(dòng)機(jī)和傳統(tǒng)的燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)都基于進(jìn)氣、壓縮、點(diǎn)火/擴(kuò)展(或引爆)和排氣這四個(gè)循環(huán)。二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)通常使用端口來代替閥門，且其結(jié)合進(jìn)氣/壓縮循環(huán)和膨脹/排氣循環(huán)。然而，傳統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)傾向于具有較低的效率、大的質(zhì)能比以及較大的容量需求，對(duì)所述任一方面所進(jìn)行的改進(jìn)都將具有重大的意義。此外，傳統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)往往要求較高的轉(zhuǎn)速來形成足夠高的轉(zhuǎn)矩?，F(xiàn)有技術(shù)中，有人試圖利用一套活塞來克服所述發(fā)動(dòng)機(jī)的某些問題，當(dāng)燃燒定位在環(huán)形活塞腔的一部分時(shí)，這一套活塞沿著環(huán)形腔室運(yùn)動(dòng)。該環(huán)形腔室具有一個(gè)復(fù)雜的中心軸結(jié)構(gòu)、具有端口而非閥門、具有一個(gè)固定的連接至底架上的主齒輪以及繞著主齒輪的行星驅(qū)動(dòng)齒輪。然而，這樣的解決方案存在局部溫度過高，以及傳輸高轉(zhuǎn)矩到驅(qū)動(dòng)軸的材料強(qiáng)度問題。其他發(fā)動(dòng)機(jī)是基于早期的摩根引擎，采用了具有振蕩活塞的旋轉(zhuǎn)環(huán)形室(整個(gè)腔旋轉(zhuǎn))。轉(zhuǎn)矩通過一個(gè)“撥叉”轉(zhuǎn)移到曲柄軸上，該“撥叉”與中央共線汽缸連接，汽缸又依次與振蕩活塞的圓盤相接。這種發(fā)動(dòng)機(jī)需要大的旋轉(zhuǎn)環(huán)形腔室，這種腔室需要電滑環(huán)來輸出火花塞中的電流，也需要一個(gè)重的撥叉配置來傳遞轉(zhuǎn)矩至曲柄軸。近期，C02制冷循環(huán)重新引起了人們的關(guān)注，因?yàn)樗氖褂脴O少引發(fā)，甚至是不會(huì)引發(fā)環(huán)境問題。在其循環(huán)周期中，跨臨界階段的高壓二氧化碳通過膨脹閥迅速移動(dòng)至冰箱內(nèi)以創(chuàng)建一個(gè)制冷點(diǎn)。氣體/液體的組合通過吸收冰箱內(nèi)部的熱量而被加熱并且變成蒸汽，然后，蒸汽被壓縮機(jī)壓縮至跨臨界狀態(tài)。該壓縮氣體在冰箱外被周圍的空氣冷卻，然后泵入到冰箱中的膨脹閥以完成循環(huán)。通過反向運(yùn)行的制冷循環(huán)，可以將低品質(zhì)的熱量(攝氏300度的溫度范圍內(nèi)的熱)轉(zhuǎn)換成機(jī)械能。在這種逆循環(huán)中，液體二氧化碳被加壓至其跨臨界狀態(tài)，然后加熱以提高其溫度。接著，氣體通過一個(gè)膨脹器，該膨脹器能夠冷卻跨臨界二氧化碳并且將高壓氣體的能量轉(zhuǎn)換為機(jī)械能。最后，氣體又冷凝成液體，并重復(fù)該循環(huán)?；贑02循環(huán)的膨脹器系統(tǒng)的理論已是早前即存在的，但在該循環(huán)中，缺少了可用于高壓力和低容量氣體的膨脹器。此外，對(duì)轉(zhuǎn)化效率、質(zhì)能比，以及對(duì)空間容積考慮上的優(yōu)化，也將是具有重要意義的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所公開的示例設(shè)備包括對(duì)傳統(tǒng)的四沖程內(nèi)燃機(jī)和二沖程內(nèi)燃機(jī)的改進(jìn)，所作的改進(jìn)具有新穎性和非顯而易見性(或說創(chuàng)造性)。本文中所提供的示例主要是基于一個(gè)環(huán)形燃燒室，該燃燒室具有新穎的齒輪裝置和布局，以使本發(fā)明區(qū)別于目前任何已知的現(xiàn)有技術(shù)。本發(fā)明所記載的某些發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)施例具有活塞，這些活塞剛性地安裝在至少兩個(gè)圓盤周圍。兩個(gè)圓盤相鄰設(shè)置，其各自的活塞相互交錯(cuò)。當(dāng)活塞在一個(gè)圍繞在圓盤圓周的固定的環(huán)形腔室內(nèi)移動(dòng)時(shí)，活塞盤來回振蕩?；钊膩砘剡\(yùn)動(dòng)通過推臂轉(zhuǎn)移至旋轉(zhuǎn)曲柄軸，推臂沿著與圓盤相連的銷旋轉(zhuǎn)。例如在一些實(shí)施例中，發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)用了多個(gè)曲軸，這些曲軸都穿過了圓盤上的孔。這些孔使得每個(gè)曲柄軸連接兩個(gè)圓盤。多個(gè)曲軸通過負(fù)載共享的方式讓高轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)移到主軸上，而不需要其中任何一個(gè)軸過度承重，從而使質(zhì)量大幅度減少。曲柄軸的對(duì)稱設(shè)置使力達(dá)到平衡，并最大限度地減少了振動(dòng)。圓盤之間的燃燒室圍繞了整個(gè)環(huán)形腔室周圍，這種結(jié)構(gòu)·可使得溫度分布均一。另一個(gè)例子中，發(fā)動(dòng)機(jī)使用了單一的曲柄軸，該軸穿過一對(duì)圓盤中的孔，其中一個(gè)圓盤融合在環(huán)形燃燒室的一側(cè)，另一個(gè)圓盤是自由振蕩的，并且，對(duì)于每對(duì)活塞來說，第一活塞固定于融合圓盤處，第二活塞盤隨所述第二圓盤自由振蕩。發(fā)動(dòng)機(jī)可設(shè)有一對(duì)或者多對(duì)活塞。本發(fā)明提供了多個(gè)實(shí)施例，包括但不限于一種發(fā)動(dòng)機(jī)，其包括第一圓盤，具有穿過第一圓盤的第一軸向孔和與第一圓盤的軸線偏移的第一偏移孔；第二圓盤，具有穿過第二圓盤的第二軸向孔和與第二圓盤的軸線偏移的第二偏移孔；第一活塞，連接至第一圓盤的圓周；第二活塞，連接至第二圓盤的圓周；主軸，該主軸穿過第一軸向孔和第二軸向孔，其中，主軸能夠在所述第一軸向孔和第二軸向孔內(nèi)旋轉(zhuǎn)；曲柄軸，該曲柄軸穿過第一偏移孔和第二偏移孔，其中，曲柄軸能夠在所述第一偏移孔和第二偏移孔內(nèi)旋轉(zhuǎn)；旋轉(zhuǎn)傳遞裝置，該旋轉(zhuǎn)傳遞裝置將所述曲柄軸連接至所述主軸，所述旋轉(zhuǎn)傳遞裝置的結(jié)構(gòu)使得曲柄軸的旋轉(zhuǎn)在所述主軸上施加一旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；振蕩傳遞裝置，該振蕩傳遞裝置將第一圓盤或第二圓盤中的一個(gè)連接至曲柄軸，該振蕩傳遞裝置被構(gòu)造得用于將第一圓盤或者第二圓盤中的一個(gè)的振蕩運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為曲柄軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；以及，殼體。所述發(fā)動(dòng)機(jī)的殼體形成了一個(gè)腔室，用于至少部分包括第一活塞和第二活塞，由此第一圓盤上的第一活塞以及第二圓盤上的第二活塞，連同腔室形成位于第一活塞和第二活塞之間的膨脹容積。當(dāng)所述第一圓盤或第二圓盤中的至少一個(gè)繞所述主軸振蕩時(shí)，所述發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，膨脹容積在該膨脹容積內(nèi)交替地壓縮和膨脹出一個(gè)容積，從而將振蕩轉(zhuǎn)化為曲柄軸的旋轉(zhuǎn)，從而使得主軸旋轉(zhuǎn)。本發(fā)明進(jìn)一步提供了所述發(fā)動(dòng)機(jī)的一種可選方案，其中圓盤中的一個(gè)可以被固定到殼體上，以使其不振蕩，由此不需要與曲軸連接。本發(fā)明還提供一種發(fā)動(dòng)機(jī)，包括第一圓盤，具有穿過所述第一圓盤的第一軸向孔和多個(gè)第一偏移孔，每個(gè)第一偏移孔均與第一圓盤的軸線偏移；第二圓盤，具有穿過所述第二圓盤的第二軸向孔和多個(gè)第二偏移孔，其第二偏移孔的數(shù)目與第一偏移孔的數(shù)目相同，每個(gè)第二偏移孔均與第一圓盤的軸線偏移；多組活塞對(duì)，每組活塞對(duì)包括連接于第一圓盤圓周上的第一活塞以及連接于第二圓盤圓周上的第二活塞；主軸，該主軸穿過第一軸向孔和第二軸向孔，該主軸具有至少一個(gè)主齒輪；多個(gè)曲柄軸，每個(gè)曲柄軸對(duì)應(yīng)于第一偏移孔之一，其中，每個(gè)曲柄軸穿過對(duì)應(yīng)的第一偏移孔之一，也穿過相對(duì)應(yīng)的第二偏移孔之一；多個(gè)曲柄軸齒輪，每個(gè)曲柄軸齒輪連接至對(duì)應(yīng)的曲柄軸之一，用以將對(duì)應(yīng)的曲柄軸之一連接至主軸的至少一個(gè)主齒輪，從而將對(duì)應(yīng)曲柄軸之一的旋轉(zhuǎn)傳遞至主軸；多個(gè)推桿，每個(gè)推桿連接至第一圓盤或者第二圓盤中的一個(gè)，并且每個(gè)推桿與相應(yīng)的曲柄軸之一上的曲柄結(jié)構(gòu)(曲臂)相連，每個(gè)推桿將第一圓盤或者第二圓盤中的一個(gè)的振蕩轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)曲柄軸的旋轉(zhuǎn)；以及，殼體。發(fā)動(dòng)機(jī)的殼體形成至少一個(gè)腔室，所述腔室至少部分地包含多組活塞對(duì)，由此每組活塞對(duì)中的第一活塞和第二活塞，連同所述至少一個(gè)腔室形成一個(gè)位于第一活塞和第二活塞之間的相應(yīng)的膨脹容積；對(duì)于每個(gè)膨脹容積來說，當(dāng)所述第一圓盤繞所述主軸振蕩時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，對(duì)應(yīng)的活塞對(duì)在所述膨脹容積中交替地壓縮及膨脹體積，由此將所述振蕩轉(zhuǎn)化為每個(gè)所述曲柄軸的旋轉(zhuǎn)，從而使得主軸旋轉(zhuǎn)。
本發(fā)明進(jìn)一步提供一種發(fā)動(dòng)機(jī)，其包括活塞對(duì)，包括一個(gè)與第二活塞相對(duì)的第一活塞；殼體，用于形成與活塞對(duì)對(duì)應(yīng)的腔室，由此第一活塞和第二活塞設(shè)置于腔室內(nèi)，形成了位于所述第一活塞和第二活塞之間的一個(gè)膨脹容積；主軸；多個(gè)曲柄軸；一個(gè)裝置，該裝置用于將膨脹容積擴(kuò)張所引起的第一活塞或/和第二活塞的運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為每一個(gè)所述的多個(gè)曲柄軸的旋轉(zhuǎn)；以及一個(gè)或多個(gè)旋轉(zhuǎn)傳遞裝置，用于將每個(gè)曲柄軸連接至主軸，由此一個(gè)或者多個(gè)曲柄軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，使主軸旋轉(zhuǎn)。本發(fā)明還提供了一種發(fā)動(dòng)機(jī)，包括多組活塞對(duì)，每組活塞對(duì)包括一個(gè)與第二活塞相對(duì)的第一活塞；主軸；多個(gè)曲柄軸；第一裝置，用于使每個(gè)曲柄軸旋轉(zhuǎn)，所述旋轉(zhuǎn)源于位于每組活塞對(duì)中的第一活塞和第二活塞之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)；以及，第二裝置，用于將曲柄軸的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)化為主軸的旋轉(zhuǎn)。本發(fā)明還提供了一種發(fā)動(dòng)機(jī)，包括至少一個(gè)活塞；主軸，該主軸至少具有一個(gè)主齒輪；多個(gè)曲柄軸，所述曲柄軸繞主軸分布，每個(gè)曲柄軸具有一個(gè)曲柄軸齒輪，該曲柄軸齒輪連接至至少一個(gè)主齒輪；以及，一個(gè)裝置，用于將一旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為每個(gè)所述曲柄軸的運(yùn)動(dòng)，所述旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)源于所述至少一個(gè)活塞的運(yùn)動(dòng)，由此曲柄軸的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)化為主軸的旋轉(zhuǎn)。本發(fā)明還提供了一種發(fā)動(dòng)機(jī)，其包括多個(gè)活塞對(duì)，該活塞對(duì)圍繞具有中心軸線的圓周分布；殼體，該殼體容納所述活塞；主軸，該主軸所在位置穿過軸線并通過殼體；以及，一個(gè)裝置，該裝置將活塞運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為主軸的旋轉(zhuǎn)?；钊倪\(yùn)動(dòng)是活塞繞所述軸線的小于90°圓弧的部分旋轉(zhuǎn)振蕩，并且發(fā)動(dòng)機(jī)通過主軸將轉(zhuǎn)矩傳遞至負(fù)載。本發(fā)明還提供了另一種發(fā)動(dòng)機(jī)，其包括多組相對(duì)的活塞對(duì)，這些活塞對(duì)圍繞具有中心軸線的圓周分布；殼體，該殼體容納所述活塞；主軸，該主軸所在位置穿過軸線并通過殼體；以及，一個(gè)裝置，該裝置將每一活塞對(duì)中的活塞的相對(duì)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為主軸的旋轉(zhuǎn)。對(duì)于每組活塞對(duì)中的活塞，活塞的相對(duì)運(yùn)動(dòng)包括每個(gè)活塞相對(duì)于一個(gè)固定的點(diǎn)作來回的交替振蕩，所述的固定的點(diǎn)位于該活塞對(duì)之間。而且，發(fā)動(dòng)機(jī)通過主軸將轉(zhuǎn)矩傳遞至負(fù)載。關(guān)于本發(fā)明還另外提供了一些實(shí)施例，其中一部分，但并非所有，將在下面作更為詳細(xì)的描述。


為了更充分地理解本發(fā)明的性質(zhì)，以下結(jié)合附圖作詳細(xì)描述。圖I為一個(gè)實(shí)施例的發(fā)動(dòng)機(jī)的外部視圖。圖2為一個(gè)實(shí)施例的發(fā)動(dòng)機(jī)的內(nèi)部組成的復(fù)合圖，展示了其主軸、曲柄軸、活塞圓盤、推桿以及具有活塞和電熱塞的開放式環(huán)形腔。圖3為一個(gè)實(shí)施例的發(fā)動(dòng)機(jī)的外部分解圖，展示了其中央環(huán)形腔室、進(jìn)氣和排氣歧管以及支撐主軸和曲柄軸軸承的套管之間的關(guān)系。圖4顯示了一個(gè)示例性實(shí)施例的發(fā)動(dòng)機(jī)的一個(gè)活塞圓盤組件。
圖5為本發(fā)明示例性實(shí)施例的主動(dòng)軸的一個(gè)例子，展示了其主齒輪和和軸承組件。圖6為曲柄軸的一個(gè)實(shí)施例，顯示了示例性實(shí)施例中的二級(jí)齒輪、軸承以及偏心軸上的活塞銷軸承。圖7為一個(gè)示例性實(shí)施例中左活塞圓盤的分解視圖，其中包括六個(gè)活塞和三個(gè)推針及推桿。圖8為圖7實(shí)施例中左活塞圓盤的平面視圖。圖9顯示了圖7實(shí)施例中左邊圓盤的左側(cè)圖，顯示了推桿銷的位置以及用于曲柄軸的貫穿孔。圖10顯示了圖7實(shí)施例中右邊圓盤的右側(cè)圖，顯示了支撐活塞的活塞栓的位置。圖11顯示了圖7中活塞結(jié)構(gòu)的一個(gè)實(shí)施例，顯示了活塞環(huán)和用于活塞栓的狹槽。圖12顯示了圖7中活塞掛鉤的一個(gè)實(shí)施例，活塞栓將活塞連接至活塞圓盤。圖13顯示了圖7中的推桿蓋板。圖14顯示了圖7中推桿的一個(gè)實(shí)施例，其中一孔用于曲柄軸的軸承，另一孔用于安裝在活塞圓盤上的推針。圖15顯示了圖7中活塞栓蓋板的一個(gè)實(shí)施例。圖16顯示了一種環(huán)形燃燒室的兩個(gè)半室的一個(gè)示例性實(shí)施例，顯示了電熱塞、進(jìn)氣口和排氣口的位置。圖17顯示了示例性環(huán)形腔室的左半側(cè)，顯示了相對(duì)于電熱塞位置的進(jìn)氣口位置。圖18顯示了示例性環(huán)形腔室的右半側(cè)，顯示了相對(duì)于電熱塞位置的排氣口位置。圖19為顯示了示例性推針的兩個(gè)極端位置的示意圖；推針連接于活塞盤，活塞的運(yùn)動(dòng)關(guān)于上止點(diǎn)非對(duì)稱。圖20為顯示了示例性推桿的尺寸以及推針位置的示意圖；活塞圓盤的運(yùn)動(dòng)與上止點(diǎn)對(duì)稱。圖21為顯示了示例性活塞圓盤在兩個(gè)方向上以不同的速度運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生一個(gè)“快”腔和一個(gè)“慢”腔的示意圖。圖22顯示了示例性曲柄軸離下止點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)角度與示例性活塞圓盤的角運(yùn)動(dòng)之間的關(guān)系。圖23顯示了示例性曲柄軸離上止點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)角度與示例性活塞圓盤的角運(yùn)動(dòng)之間的關(guān)系；其中，活塞盤比圖19中的延后半個(gè)周期。
圖24顯示了用于示例性發(fā)動(dòng)機(jī)性能計(jì)算所使用的角度。圖25顯示了用于計(jì)算轉(zhuǎn)矩的角度和力；該轉(zhuǎn)矩來自于發(fā)動(dòng)機(jī)在每分鐘內(nèi)隨旋轉(zhuǎn)速率旋轉(zhuǎn)以獲得功率這一過程。圖26顯示了本發(fā)明的二沖程實(shí)施例中用于轉(zhuǎn)矩計(jì)算所用的壓力。圖27顯示了本發(fā)明的二沖程實(shí)施例中主軸上產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩與曲柄軸旋轉(zhuǎn)角度的函數(shù)關(guān)系。圖28顯示了具有12個(gè)汽缸和3個(gè)曲柄軸的二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)的一個(gè)實(shí)施例。圖29、30和31顯示了一個(gè)示例性二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)在曲柄軸的整個(gè)旋轉(zhuǎn)中活塞圓盤和曲柄軸的運(yùn)動(dòng)次序。圖32顯示了一個(gè)具有8個(gè)汽缸和2個(gè)曲柄軸的四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)示例性實(shí)施例。
圖33顯示了一個(gè)可用于四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)或膨脹器的旋轉(zhuǎn)閥的實(shí)施例。圖34顯示了另一可用于四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)的閥的實(shí)施例。圖35顯示了使用本發(fā)明備選方案9的一個(gè)實(shí)施例，其中一個(gè)活塞套剛性地固定在半個(gè)環(huán)形室上。發(fā)明詳述
本發(fā)明中，對(duì)特定實(shí)施例發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)置特定的參數(shù)，可作多項(xiàng)選擇。但是一旦發(fā)動(dòng)機(jī)的某些參數(shù)設(shè)定后，其另外一些參數(shù)很可能會(huì)限制在特定的值或特定的范圍內(nèi)。在該發(fā)明詳述中，只對(duì)一些可能用于本發(fā)明發(fā)動(dòng)機(jī)配置的選項(xiàng)進(jìn)行了說明。為了使發(fā)動(dòng)機(jī)以一種更有利和更佳的方式運(yùn)行，本申請(qǐng)還公開了發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)若干零件的尺寸上的一些限制。當(dāng)然，盡管本申請(qǐng)僅提供了一些示例性實(shí)施例用以闡釋發(fā)明涉及的基本理念，但除此之外的其他一些具體實(shí)施方式
也可能會(huì)落入本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。本發(fā)明還有許多不同的實(shí)施例，這是因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)的可選參數(shù)很多，其中一些將在下文描述。即使參數(shù)選擇不同，本發(fā)明的基本原則維持不變。這些選擇在下面的發(fā)明詳述部分進(jìn)行了劃定，這包括發(fā)動(dòng)機(jī)的類型(二沖程、四沖程或者膨脹器)、壓縮比、活塞數(shù)目、曲柄軸數(shù)目、齒輪比、活塞大小、活塞厚度和圓盤半徑。這些選擇形成了不同的實(shí)施例，這些實(shí)施例在功率、重量、以及發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速上不盡相同。為了說明這些選項(xiàng)的細(xì)節(jié)，本申請(qǐng)公開的內(nèi)容中對(duì)一些示例性實(shí)施例作了更為全面的闡述。本申請(qǐng)所公開的示例設(shè)備包括以下特征對(duì)現(xiàn)有的四沖程內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)和二沖程內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)以及膨脹發(fā)動(dòng)機(jī)提供新穎的和非顯而易見的改進(jìn)。所公開的實(shí)施例主要基于環(huán)形燃燒室的使用，這種燃燒室包括新穎的齒輪裝置和布局，這些元素使得這些示例性發(fā)動(dòng)機(jī)不同于任何現(xiàn)有技術(shù)。此外，一些實(shí)施例利用了二氧化碳制冷循環(huán)，其中，跨臨界階段的高壓二氧化碳作為一種環(huán)境友好型制冷劑而被使用。然而，相對(duì)于傳統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)從高壓氣體中提取能量，本發(fā)明的膨脹器實(shí)施例采用的是制冷循環(huán)。如下所述，更多細(xì)節(jié)可參見附圖，在此描述的一些發(fā)動(dòng)機(jī)示例性實(shí)施例使用了剛性安裝在至少兩個(gè)圓盤圓周上的活塞。兩個(gè)圓盤相鄰設(shè)置，其各自的活塞相互交錯(cuò)。當(dāng)活塞在固定的環(huán)形腔室內(nèi)移動(dòng)時(shí)，活塞盤來回振蕩，環(huán)形腔室作為一個(gè)殼體圍繞在圓盤的周圍并且將活塞包在里面?；钊膩砘剡\(yùn)動(dòng)通過推臂轉(zhuǎn)移至旋轉(zhuǎn)曲柄軸，推臂沿著連接到圓盤上的銷旋轉(zhuǎn)，并且曲柄軸對(duì)中央主軸施加一個(gè)旋轉(zhuǎn)。這樣，活塞沿著中心軸振蕩一定的弧度，這一弧度實(shí)質(zhì)上小于90度(B卩，活塞不圍繞主軸旋轉(zhuǎn)，只圍繞其某個(gè)弧度振蕩)。在大多數(shù)應(yīng)用中，這一弧度大約為45度。盡管如此，本發(fā)明還提供一個(gè)簡(jiǎn)化的發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)施例，以下有更詳細(xì)的描述。該發(fā)動(dòng)機(jī)利用了一個(gè)單一的曲柄軸，這一曲柄軸穿過了一對(duì)圓盤上偏移中心的孔，其中一個(gè)圓盤融合在環(huán)形燃燒室的一側(cè)，另一圓盤可自由振蕩，并且，對(duì)于每一組活塞對(duì)來說，第一活塞固定在融合圓盤的位置，第二活塞盤隨所述第二圓盤自由振蕩。發(fā)動(dòng)機(jī)可設(shè)有一對(duì)或者多對(duì)活塞。以下描述的是另外一種發(fā)動(dòng)機(jī)示例，該發(fā)動(dòng)機(jī)利用了多個(gè)曲柄軸，曲柄軸貫通圓盤上的孔，這些孔偏離圓盤的中心并且可允許每個(gè)曲柄軸與兩個(gè)圓盤相連，而且，該孔也被設(shè)計(jì)成可允許圓盤自由振蕩。多個(gè)曲柄軸使用齒輪裝置(或使用傳遞旋轉(zhuǎn)的另一種替代裝置，例如，通過使用傳送帶/滑輪、鏈條等)，通過負(fù)載共享的方式讓高轉(zhuǎn)矩傳遞到主軸上，無需其中任何一個(gè)軸過度承重，使得其質(zhì)量相對(duì)于傳統(tǒng)設(shè)計(jì)來說大幅度減少。曲柄軸的對(duì)稱設(shè)置使力達(dá)到平衡，并最大限度地減少了振動(dòng)。圓盤之間的燃燒室環(huán)繞整個(gè)環(huán)形腔室設(shè)置，這種結(jié)構(gòu)可使得溫度分布均一。這些基本設(shè)計(jì)讓這些示例性發(fā)動(dòng)機(jī)克服了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中的一 個(gè)或多個(gè)缺陷。此外，不同于傳統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)，具有多個(gè)活塞的高轉(zhuǎn)矩使得發(fā)動(dòng)機(jī)可以在相對(duì)較低的轉(zhuǎn)速下輸出高馬力。通過本申請(qǐng)公開的特征，發(fā)動(dòng)機(jī)的大小可以從非常小(例如，一個(gè)D-cell電池或更小)變化到非常大(例如，大小足以推進(jìn)大型船舶)。小型發(fā)動(dòng)機(jī)能夠用作跨臨界二氧化碳相關(guān)應(yīng)用的膨脹器。對(duì)于可產(chǎn)生幾千瓦能量的系統(tǒng)，氣體流速較低，現(xiàn)存沒有膨脹器可有效地供低流速氣體使用。本發(fā)明某些實(shí)施例中的發(fā)動(dòng)機(jī)可滿足這一需求。高壓二氧化碳(大約120至200個(gè)大氣壓，150到400攝氏度)被注入活塞室，活塞移動(dòng)并使氣體膨脹，將氣壓減至60到120個(gè)大氣壓之間，并且將溫度降至50到150攝氏度。然后，氣體冷卻至環(huán)境溫度，冷凝液被加壓至跨臨界狀態(tài)，加熱以升溫，從而重復(fù)該循環(huán)。這一循環(huán)需要的熱量級(jí)別較低，熱量可以來自安裝在屋頂上的太陽能熱水器或者是從電廠或其他內(nèi)燃機(jī)產(chǎn)生的廢熱等，這些熱被轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)機(jī)械能，可驅(qū)動(dòng)像發(fā)電系統(tǒng)之類的負(fù)載。用于滿足家用能量需求，這一循環(huán)所需的氣體體積是很小的。配置選項(xiàng)
本發(fā)明至少提供了九種不同的發(fā)動(dòng)機(jī)的基本選項(xiàng)，這也導(dǎo)致了大量潛在的不同實(shí)施例。所有這樣的示例性實(shí)施例，除其他外，都在公開的覆蓋范圍內(nèi)。九選項(xiàng)概述如下
選項(xiàng)I :發(fā)動(dòng)機(jī)可配置在二沖程、四沖程或者膨脹器等類型上。此選項(xiàng)確定了每個(gè)活塞腔室中控制進(jìn)氣和排氣的閥或端口的性質(zhì)。詳細(xì)的實(shí)施例如圖1-25所示，該實(shí)施例為一個(gè)二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)，基于本發(fā)明公開的內(nèi)容，這一發(fā)動(dòng)機(jī)的其他選項(xiàng)需要在本領(lǐng)域的技能之內(nèi)作一些修改。選項(xiàng)2 :應(yīng)該選擇所需的壓縮比(腔室的最大尺寸與最小尺寸之比)。對(duì)于四沖程的燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)，該比率可約為8:1，對(duì)于二沖程的燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)，該比率約為14:1，柴油機(jī)約為18:1，膨脹器約為2:1。這一選擇有利于確定推臂在曲柄軸的軸向偏移位移以及閥門定時(shí)(或端口定徑)。圖1-25所示的示例其壓縮比大約為14:1(該值為幾何比；排氣口的大小能有效改變實(shí)際的壓力壓縮，其壓縮比值接近于8:1)。選項(xiàng)3 :單一環(huán)形室的汽缸數(shù)目通常為限于6和16之間任何的偶數(shù)(或者更多)，這取決于活塞的尺寸和環(huán)形室的半徑。圖1-25所示的實(shí)施例為12汽缸的類型，但正如所討論的，可根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的用途來選擇任何偶數(shù)(2或更大的偶數(shù))的汽缸。選項(xiàng)4 :曲柄軸的數(shù)目可以在一個(gè)和四個(gè)(或更多)之間變化。這一選擇會(huì)影響每個(gè)活塞圓盤上貫通孔的數(shù)目。選擇一個(gè)以上的曲柄軸的原因在于必須被轉(zhuǎn)移到所述曲柄軸上的由多個(gè)活塞產(chǎn)生的高轉(zhuǎn)矩。例如，可能有人希望有一個(gè)能用于一個(gè)圓盤上每個(gè)活塞的曲柄軸。多個(gè)曲柄軸允許沿多條路徑共享負(fù)載的轉(zhuǎn)矩。圖1-25所示的實(shí)施例具有三個(gè)曲柄軸，但可根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)預(yù)設(shè)的用途選用I或大于I的任何數(shù)目的曲柄軸，對(duì)于低轉(zhuǎn)速的高轉(zhuǎn)矩，需要使用更多的曲柄軸。選項(xiàng)5 :曲柄軸上主齒輪和二級(jí)齒輪之間的齒輪比也應(yīng)進(jìn)行選擇。比率可以是任何值，但考慮實(shí)用性的目的其值一般設(shè)于I: I和2:1之間,這樣個(gè)別齒輪的承重就不會(huì)與轉(zhuǎn)矩不成比例。圖1-25所示的實(shí)施例使用的齒輪比為49:33 (齒數(shù))或I. 485。選項(xiàng)6 :活塞面直徑可以是任意值，這取決于最終所需的發(fā)動(dòng)機(jī)的功率，更大的功率需要更大的直徑。如圖1-25所示的實(shí)施例中，活塞的直徑為I. 8厘米，但根據(jù)需求，其值 可減少1/3或者更多，也可增加10個(gè)因子或者更多。選項(xiàng)7 :活塞厚度對(duì)于確定馬力以及通過發(fā)動(dòng)機(jī)的空氣體積來說是較為重要的。更薄的活塞可產(chǎn)生更高的馬力，但活塞和支撐盤之間的連接點(diǎn)所要得到的力以及所用的材料會(huì)形成實(shí)際的限制?；钊穸纫原h(huán)形弧度來測(cè)定。圖1-25所示的實(shí)施例使用的活塞厚度約18度，但如果需要的話可根據(jù)用戶的需求使用其他厚度。選項(xiàng)8 :圓盤半徑(與活塞基座的距離)也應(yīng)進(jìn)行選擇。該值的下限受傳動(dòng)齒輪的維度(尺寸)所限制，因?yàn)辇X輪設(shè)定了主軸中心線與曲柄軸中心線之間的距離，并且曲柄軸貫穿圓盤上的孔。大多數(shù)情況下，考慮到實(shí)用性目的，圓盤的半徑應(yīng)大于主齒輪的半徑的2倍。圖1-25所示的實(shí)施例使用了半徑2厘米左右的主齒輪和半徑約5厘米的圓盤，盡管如此，這些值也可以根據(jù)實(shí)際情況做修改。選項(xiàng)9 :最后一個(gè)選項(xiàng)是選擇是否將某個(gè)活塞圓盤鎖定于環(huán)形室內(nèi)，這樣就只有一個(gè)可移動(dòng)的具有活塞的圓盤。對(duì)于此選項(xiàng)，不同圓盤上的活塞大小可以不同。在這種方式中，鎖定于環(huán)形室的圓盤不與曲柄軸相連。由于只有一個(gè)可移動(dòng)的圓盤，相比于兩個(gè)圓盤都移動(dòng)的情況，活塞移動(dòng)的行程較長(zhǎng)，這使得曲柄軸偏移較大。此選項(xiàng)將有一個(gè)與第一環(huán)形腔室成鏡像的第二環(huán)形腔室，并且所述第二環(huán)形室中的可移動(dòng)圓盤的運(yùn)動(dòng)將與所述第一環(huán)形腔室上的可移動(dòng)圓盤相異，由此，對(duì)于兩個(gè)可移動(dòng)圓盤來說都是常見的曲柄軸，可具有偏移的不成一條直線的凸輪。這9個(gè)選項(xiàng)限定了各式可能存在的，并且在本發(fā)明覆蓋范圍內(nèi)的主要的發(fā)動(dòng)機(jī)配置。作為對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的限定，其他參數(shù)的確定都是基于所述選項(xiàng)衍生而來的。具體實(shí)施例方式
在所述9種選項(xiàng)的上述選擇下，圖1-31所示的特定實(shí)施例中其發(fā)動(dòng)機(jī)概述如下它是一種具12個(gè)活塞的二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)，每個(gè)活塞的直徑約I. 8厘米，安裝在半徑為5厘米的圓盤邊緣，每個(gè)活塞的厚度約為18度的弧。傳動(dòng)裝置由3個(gè)曲柄軸組成，該曲柄軸通過齒輪連接至中心主軸，其齒輪比約為I. 485。發(fā)動(dòng)機(jī)的外部尺寸略大于6英寸(約一個(gè)2磅咖啡罐的大小)，并且其輸出功率在轉(zhuǎn)速為5000時(shí)超過10馬力(對(duì)于這個(gè)尺寸的發(fā)動(dòng)機(jī)來說，這一轉(zhuǎn)速相對(duì)較慢)。圖I顯示了發(fā)動(dòng)機(jī)主體部分的外部視圖。從一端突出的是主軸I和三個(gè)曲柄軸2。電動(dòng)機(jī)的中心是環(huán)形燃燒室的兩個(gè)部分8a和8b，其中包含12個(gè)電熱塞9 (或火花塞)。進(jìn)氣歧管62位于環(huán)形腔室的一側(cè)8a上，排氣歧管63位于環(huán)形腔室另一側(cè)8b上。主軸和曲柄軸的軸承由軸承板61、進(jìn)氣歧管62和排氣歧管63所支撐。端板60包含軸的閥座，板64和65用于引導(dǎo)廢氣排出發(fā)動(dòng)機(jī)外部。覆蓋進(jìn)氣歧管端口部分的結(jié)構(gòu)及引導(dǎo)廢氣至廢棄處理器的結(jié)構(gòu)，并未在圖中顯示。圖2顯示了具有特定配置的發(fā)動(dòng)機(jī)的核心的剖視圖。(剖視圖未顯示可容納活塞移動(dòng)的環(huán)形腔室的一半腔室，也未顯示用于承載每個(gè)移動(dòng)部件軸承的外部殼體)。發(fā)動(dòng)機(jī)核心的外部為閥門和歧管，其設(shè)計(jì)主要取決于所需的特定發(fā)動(dòng)機(jī)的配置(柴油機(jī)、汽油機(jī)、或膨脹器)。如圖2所示的，左活塞圓盤5 (右活塞圓盤在其背后，圖中未能顯示)位于環(huán)形燃燒室右半部分8b的內(nèi)部。六個(gè)活塞6位于左活塞圓盤5上，并且另有同等數(shù)目的活塞位于右活塞圓盤上，這樣環(huán)形腔室中共有12個(gè)活塞，形成了 12個(gè)獨(dú)立的燃燒室。燃燒室位于12個(gè)火花塞/電熱塞9下面。每個(gè)圓盤具有三個(gè)推桿7，每個(gè)推桿連接到位于各個(gè)曲柄軸2 (共有3個(gè)曲柄軸)中的偏移軸承上。每個(gè)曲柄軸具有一個(gè)二級(jí)齒輪4，該齒輪能驅(qū)動(dòng)安裝在主軸I上的主齒輪3。運(yùn)行過程中，所形成的活塞圓盤的振蕩運(yùn) 動(dòng)通過曲柄軸2轉(zhuǎn)化為主軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。每個(gè)曲柄軸2貫穿了圓盤中相應(yīng)的孔，由此兩個(gè)圓盤中的每一個(gè)通過一個(gè)推桿連接到每個(gè)曲柄軸上。圖3顯示了本實(shí)施例發(fā)動(dòng)機(jī)的外部殼體的分解視圖。端板60上具有為主軸和3個(gè)曲柄軸而設(shè)的貫通孔66的閥座。軸承板61具有孔68，其尺寸適合于主軸和曲柄軸上的軸承。進(jìn)氣歧管62具有6個(gè)端口 69，該端口將燃料空氣混合物導(dǎo)入環(huán)形腔室8a內(nèi)的端口。進(jìn)氣歧管也對(duì)三個(gè)曲柄軸的軸承(圖中未顯示)提供了支撐。類似于軸承板61，排氣歧管63也具有孔68，用于支撐主軸和三個(gè)曲柄軸的軸承。除此，排氣歧管63具有六個(gè)排氣端口 70，該排氣端口對(duì)準(zhǔn)了環(huán)形腔室8b的排氣端口。排氣端口 70貫穿板64并且通過排氣偏轉(zhuǎn)板/端板65重新定向。端板65也具有開口 66，其包含用于主軸和曲柄軸的閥座。圖3還顯示了 6個(gè)螺栓孔67，這些螺栓孔環(huán)繞于每個(gè)圓盤的周圍使得這些結(jié)構(gòu)閂為一體。圖4顯示了其中的一個(gè)圓盤5，其剛性地裝有六個(gè)活塞6。推針20通過一推桿(圖中未顯示)連接至曲柄軸(也未在圖中顯示)。曲柄軸貫穿了圓盤上的曲柄軸孔22，由此連接到相鄰的活塞圓盤的推桿上。中心孔21支撐著軸承，使得圓盤可以在主旋轉(zhuǎn)軸(參見圖5)上自由振蕩。圓盤不隨發(fā)動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)，而是相對(duì)于固定中心作來回的振蕩(沿某一弧度部分旋轉(zhuǎn))。曲柄軸孔22呈狹長(zhǎng)形(有點(diǎn)橢圓形或“豆”形)，以在振蕩圓盤和貫穿其中的曲柄軸之間提供間隙。圖5顯示了主軸I的結(jié)構(gòu)，主軸支持著主齒輪3。主軸I貫穿整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)。在該示例性實(shí)施例中，主軸I具有一個(gè)安裝有四個(gè)主軸承10的桿1A，其中兩個(gè)軸承由發(fā)動(dòng)機(jī)外部殼體所支撐(軸承板61和排氣歧管63)，另兩個(gè)支持兩個(gè)振蕩圓盤。此外，還有五個(gè)推力軸承11，這些軸承夾在10個(gè)軸承座圈12之間。這些推力軸承允許圓盤和齒輪相對(duì)于固定的殼體作獨(dú)立運(yùn)動(dòng)。圖6顯不了三個(gè)曲柄軸2的其中之一。每個(gè)曲柄軸具有一個(gè)桿2A,其上安裝有一個(gè)二級(jí)齒輪4和兩個(gè)偏移曲柄部件，偏移曲柄部件形成于肘銷軸承14覆蓋的桿2A。2B處的曲柄軸桿部分位于兩個(gè)肘銷軸承14之間，該部分通過了圖4所示的活塞盤圓5上的孔22。在該實(shí)施例中，每個(gè)曲柄軸2包含三個(gè)曲柄軸軸承13，所述三個(gè)曲柄軸承由外部殼體(軸承板61、進(jìn)氣歧管62，和排氣歧管63)支撐。圖7顯示了某一活塞圓盤的分解視圖，圖8顯示了某一活塞圓盤平面視圖的分解視圖。在本發(fā)明的示例性實(shí)施例中，左側(cè)圓盤的主盤結(jié)構(gòu)5支持六個(gè)活塞6?；钊?與圓盤5的連接方式有很多，圖7中所示的該種連接方式為每個(gè)活塞6使用了一個(gè)活塞栓18。活塞栓18安裝于圓盤5，并且位于具有活塞栓蓋板19的位置。其他一些安裝活塞6的方法也是可以接受的，包括，將活塞圓盤5和活塞6鑄為一體。活塞圓盤5的左側(cè)面上有三個(gè)推針20，該推針被推桿軸承16覆蓋，且支撐著推桿
7。軸承16和推桿7位于帶有推針蓋板15的區(qū)域上，推針蓋板具有額外的功能，它能對(duì)推針20施力，推針20需要能夠承受足夠大的受力，以承載從活塞圓盤至曲柄軸肘銷軸承14(圖6所示)的高轉(zhuǎn)矩。圓盤每側(cè)上的密封環(huán)17也在顯示于圖7和圖8。這些密封環(huán)17減 少了燃燒室或膨脹室內(nèi)高壓氣體的泄漏。圖9顯示了左活塞圓盤5的左側(cè)面5a的細(xì)節(jié)。貫通孔22允許曲柄軸2通過，每個(gè)貫通孔呈細(xì)長(zhǎng)形，由此提供間隙供活塞圓盤5來回振蕩。圓盤的中心孔21允許主軸I通過圓盤，并且該中心孔與其中一主軸承相配合。支撐推桿軸承16的三個(gè)推針20所在的位置與中心線保持一定的距離，并且相對(duì)于曲柄軸貫通孔22的中心保持一定的角度。圖19、20,21及對(duì)應(yīng)的描述中，將對(duì)這一特定的尺寸和角度作出更為詳細(xì)的解釋。推針蓋板15通過螺紋孔23固定。右活塞圓盤在圖中并未顯示，該圓盤與左活塞圓盤5是成對(duì)的，并且其右側(cè)面為左側(cè)面5a的鏡像(參見圖9)。通過這種方式，兩圓盤的推桿7，以及相對(duì)的每個(gè)曲柄軸2上的曲柄軸位置14恰當(dāng)?shù)嘏帕?，使曲柄軸2的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)帶來活塞6適當(dāng)?shù)恼袷庍\(yùn)動(dòng)。圖10顯示了左活塞圓盤5的右側(cè)面5b的細(xì)節(jié)。這是圖9所示圓盤的相對(duì)面。供曲柄軸2通過的貫通孔22以及供主軸I通過的的中心孔21，均在圖中顯示。6個(gè)活塞栓18 (參見圖7-8以及圖12-15)與活塞栓插槽25相吻合?；钊?8通過配于孔27中的緊固銷固定?；钊ㄉw板19通過螺紋孔26固定至圓盤。右活塞圓盤(另一個(gè)圓盤)的左側(cè)面未在圖中顯示，其并非圖10的鏡像。其中，曲柄軸的貫通孔22和供主軸通過的中心孔21是與圖10相同的，但活塞栓插槽25逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)了 15度。這樣的效果是，當(dāng)兩活塞圓盤對(duì)面設(shè)置時(shí)，活塞能如圖2所示彼此適當(dāng)對(duì)齊。圖11顯示了單一活塞6的一個(gè)實(shí)施例的細(xì)節(jié)，該活塞的曲率與環(huán)形腔室8a、8b(參見圖2)相應(yīng)。活塞6具有多個(gè)用于將活塞6密封于環(huán)形腔室8中的活塞環(huán)28，圖中顯示了其中兩個(gè)?；钊ǖ牟宀?9也在圖中顯示，此時(shí)活塞栓用于固定活塞。圖12顯示了這一示例性實(shí)施例中活塞栓18的細(xì)節(jié)。栓18與活塞插槽29相匹配，并且緊固到活塞盤5的某一插槽25中。用于穩(wěn)定銷的銷孔27，以及用于將活塞栓18固定至活塞6的銷所在的銷孔30也在圖中進(jìn)行了標(biāo)示。圖13顯示了推桿蓋板15的細(xì)節(jié)，該推桿蓋板安裝于左活塞圓盤5的左側(cè)面5a。主軸I穿過中心孔21。推針20緊緊安裝于銷孔31中以提供更強(qiáng)的力度。銷孔31與中心的距離是一個(gè)重要的測(cè)試參數(shù)，這將在以下圖19中進(jìn)行解釋。蓋板15通過配于孔32的螺釘與圓盤面5a相接。圖14顯示了一個(gè)推桿7，該推桿將推針20連接至曲柄軸2的肘銷軸承14 (參見圖6)。推針20與推桿7上的軸承孔33之間是一個(gè)與肘銷軸承14等同的軸承。推桿7上兩個(gè)軸承孔33的中心之間的距離是設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)考慮的一個(gè)重要因素。
圖15顯示了活塞栓蓋板19，該蓋板在左活塞圓盤5的右側(cè)面5b上蓋住活塞栓18。穩(wěn)定銷所在的銷孔27，以及用于將蓋板19固定至活塞圓盤5的螺釘孔32，也在圖中顯示。右活塞圓盤(另一活塞圓盤)的左側(cè)面上的活塞栓蓋板并不是圖15中蓋板的鏡像。相反，穩(wěn)定銷所在的銷孔逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)15度，從而匹配于活塞栓所在的位置。圖16、17、18顯示了環(huán)形燃燒室8的左半側(cè)8a和右半側(cè)Sb?；钊?與環(huán)形腔室的兩半緊密配合，環(huán)形腔室的內(nèi)側(cè)部分完全由兩個(gè)活塞圓盤5的外側(cè)部分構(gòu)成。環(huán)形燃燒室的每個(gè)半側(cè)都具有適用于圓盤密封環(huán)24的槽。如圖所示的二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)施例中，12個(gè)電熱塞插口位于位置34。在四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)施例中，這些槽所在的位置即為火花塞插口的位置。對(duì)于二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)施例來說，環(huán)形腔室左半側(cè)8a包含進(jìn)氣端口 35，環(huán)形腔室右半側(cè)8b的包含排氣端口 36。這些端口的角位置是設(shè)計(jì)需要考慮的一個(gè)重要方面。正因?yàn)橛幸粋€(gè)“快”側(cè)和“慢”側(cè)的活塞運(yùn)動(dòng)，使得這些尺寸尤為特別，由此端口所在的位置相對(duì)于所述活塞的下止點(diǎn)是非對(duì)稱的。對(duì)于本發(fā)明膨脹器的實(shí)施例，開放兩種腔室進(jìn)氣閥的時(shí)間是不相同的。這兩種情況都在下面作了詳細(xì)討論。此外，當(dāng)環(huán)形腔室的右半側(cè)和左半側(cè)相結(jié)合時(shí)，進(jìn)氣端口位于交替的電熱塞對(duì)之間，排氣端口位于其他交替的電熱塞對(duì)之間。 端口并非彼此相對(duì)，而是彼此相對(duì)位移一個(gè)電熱塞的位置。圖19闡明了對(duì)置于振蕩活塞圓盤5上的推針20的可能位置進(jìn)行限制，以及對(duì)推臂7的長(zhǎng)度進(jìn)行限制的必要性。圖19中，主齒輪3的半徑是變量a (38)，二級(jí)齒輪4的半徑為變量b (39)。圓盤上安裝推針20處在圖中標(biāo)示為位置P。推桿7的長(zhǎng)度是變量h(37),推針20與主齒輪3中心的距尚是變量d (40 )。曲柄軸上的曲柄偏移距尚設(shè)為變量c (41)。當(dāng)曲柄軸的二級(jí)齒輪4從角度BI (43a)旋轉(zhuǎn)到角度B2 (43b)時(shí)，活塞圓盤隨著推針20來回振蕩，該推針的角度變化范圍為Amax (42a)到Amin(42b)，即振蕩的兩個(gè)極值。需要指明的是，兩個(gè)極端位置之間的角度B (43)并不是相差180度。這意味著，所示活塞圓盤向右移動(dòng)的速率比向左側(cè)移動(dòng)的速率快。另一置于在曲柄軸相反軸線上的活塞圓盤也這樣運(yùn)作，但在曲柄軸的旋轉(zhuǎn)的一半時(shí)即被及時(shí)地移位。因此，安裝在每個(gè)圓盤上的活塞在不同時(shí)間到達(dá)上止點(diǎn)(TDC)和下止點(diǎn)(BDC)。運(yùn)動(dòng)過程中這種不對(duì)稱使不可取的，因?yàn)樗拗屏藟嚎s比以及功率。所述的問題在如圖20所示的方案中得到解決。在該圖中，標(biāo)記為Cl和C2的點(diǎn)被曲柄軸的正好二分之一旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)分離開。為了使活塞相對(duì)于上止點(diǎn)呈對(duì)稱的運(yùn)動(dòng)，推針20到中心線d (40)的直線與推桿h (37)所在的直線之間所形成的角度應(yīng)為90度。當(dāng)推桿h
(37)在Cl或C2所在位置時(shí)，角A (42)是一樣的，此時(shí)活塞也在左移動(dòng)或右移動(dòng)的等同位置上。推桿h (37)從Cl移動(dòng)至C2所需的時(shí)間量與其從C2移動(dòng)至Cl的時(shí)間相同。因此，活塞的運(yùn)動(dòng)在該位置剛好將時(shí)間中分(左右移動(dòng)的時(shí)間保持一致)。不論向哪個(gè)方向移動(dòng)，兩個(gè)活塞圓盤在同一時(shí)間抵達(dá)TDC，并且這一運(yùn)動(dòng)關(guān)于TDC對(duì)稱。對(duì)于本發(fā)明的設(shè)計(jì)，能導(dǎo)致這種平衡的值都是特定的，該值可通過以下方程得出
Eq. (I) : d = g = (a+b) / V 2Eq. (2) : h = (d2+c2)1/2變量c (41)的值設(shè)為發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮比。一旦連同齒輪尺寸a和b對(duì)c值進(jìn)行設(shè)定，根據(jù)以上方程，可以確定出d和h值。即使運(yùn)動(dòng)關(guān)于上止點(diǎn)對(duì)稱，偶數(shù)腔室和奇數(shù)腔室也不相同。如圖21所示，從時(shí)間的中點(diǎn)位置開始，活塞在一個(gè)方向上移動(dòng)的距離比在另一個(gè)方向上移動(dòng)的距離遠(yuǎn)。所有具有旋轉(zhuǎn)曲柄軸配置的發(fā)動(dòng)機(jī)都是這樣，甚至傳統(tǒng)的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)也是如此。對(duì)于這一公開的發(fā)動(dòng)機(jī)，其在各個(gè)方向上的運(yùn)動(dòng)都會(huì)導(dǎo)致偶數(shù)腔室或奇數(shù)腔室的壓縮。因此，發(fā)動(dòng)機(jī)具有一組腔室，在該組腔室中，所述活塞移動(dòng)“快”，而與此同時(shí)在另一組腔室中，活塞移動(dòng)“慢”。當(dāng)曲柄軸4從Cl到C3再到C2旋轉(zhuǎn)半圈時(shí)，活塞圓盤20上的推針的位置旋轉(zhuǎn)了 A2 (46a)的角度。這一角度小于A1 (46b)，所述A1角度即是曲柄軸從C2到C4再到Cl旋轉(zhuǎn)的另一半圈時(shí)，活塞圓盤20隨所旋轉(zhuǎn)的角度。這對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)影響就是使閥的定時(shí)或端口的位置因偶數(shù)腔室和奇數(shù)腔室的不同而不同。二沖程的實(shí)施例中端口位置的定位方法以及膨脹器中閥的計(jì)時(shí)方法顯示于圖22和圖23。在圖22中，相對(duì)于下止點(diǎn)所在位置，曲柄軸旋轉(zhuǎn)了 dB (44a)的角度，這使得活塞圓盤移動(dòng)了 dA (45a)的角度。在圖23中，相對(duì)于上止點(diǎn)所在位置，曲柄軸旋轉(zhuǎn)了同樣的dB (44b)的角度，使得活塞圓盤移動(dòng)了不同的角度dA (45b)。盡管兩圖中角度dB的大小一樣，這說明兩者從極端位置經(jīng)過的時(shí)間相同，但角度dA卻不相同。對(duì)于二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)施例，每個(gè)腔室進(jìn)氣端口和排氣端口的大小由暴露端口的 單個(gè)沖程的時(shí)間量來確定。在相同運(yùn)行時(shí)間內(nèi)，由于偶數(shù)腔室和奇數(shù)腔室的角度dA不同，由此，相對(duì)于下止點(diǎn)所在的位置，活塞關(guān)閉端口時(shí)端口邊緣所處的位置將位于不同的角度。類似的，在本發(fā)明的膨脹器實(shí)施例中，進(jìn)氣閥的關(guān)閉時(shí)間點(diǎn)決定了高壓氣體的膨脹比。由于存在一個(gè)快室和一個(gè)慢室，偶數(shù)腔室和奇數(shù)腔室的時(shí)間略有不同。計(jì)算這兩類腔室差異的方法將在下文講述。圖24顯示了用以計(jì)算本發(fā)明發(fā)動(dòng)機(jī)性能參數(shù)的角度。該圖中，a (38)是主齒輪的半徑，b (39)是二級(jí)齒輪的半徑，c (41)是凸輪的偏移距離，d (40)是推針與中心線的距離，h (37)是推臂的長(zhǎng)度，該推臂將振蕩圓盤與曲柄軸的偏移軸連接在一起。主齒輪順時(shí)針旋轉(zhuǎn)角度Θ，二級(jí)齒輪逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)角度Φ，角度Ψ表示了圓盤上的活塞的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩時(shí)需用到角度ξ和H。角度S、ε以及距離r是用于計(jì)算其他參數(shù)所需的中間值。圖24 (B)和(C)顯示了圖中的兩個(gè)三角形，用于找到所有的角度。等式(3)根據(jù)與軋制齒輪上的弧長(zhǎng)度相等的值而得出。Eq. (3): a9 =b(J)
等式(4)、(6)和(7)根據(jù)圖24 (B)和24 (C)中角度的余弦定理而得出。等式(5)根據(jù)這些三角形的正弦定律得出。Eq. (4): r2 = (a+b)2 + c2 - 2 (a+b) c*cos (180-Φ)
Eq. (5): sin ( δ ) = c*sin(180_ Φ) /r
Eq. (6) : cos ε = (r2 + d2 - h2) / (2rd)
Eq. (7): cos ξ = (h2 + d2 - r2) / (2hd)
等(8)和(9)根據(jù)圖24 (A)的檢驗(yàn)而得出。Eq. (8) : Ψ = ε + δ
Eq. (9) : η = 180 - ψ - ξ + φ等式(10)和(11)給出Ψ (圖19中標(biāo)記為角A (42))的極端值。這些角度顯示了活塞運(yùn)動(dòng)的極限，由此用以確定壓縮比。該等式根據(jù)相關(guān)三角形的余弦定律而得出。
Eq. (10): cos ￥min = cos Amin = ((a+b)2 + d2 - (h_c)2) / (2d (a+b))
Eq. (11):cos ￥max = cos Amax= ((a+b)2 + d2 - (h+c)2)/(2d(a+b))
使用圖25中所示的角度和力，計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩和功率。對(duì)于一個(gè)圓盤上的單個(gè)活塞來說，P1表示其一側(cè)上所受的壓力，P2表示其在另一側(cè)上所受的壓力。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，所述這些壓力在燃燒過程或膨脹過程中隨著時(shí)間變化。如果活塞面的面積以Ap表示，則活塞在任何時(shí)刻所受的力F1可由等式(12)得出。Eq. (12): F1 = (P1-P2)Ap
如果活塞面中心到發(fā)動(dòng)機(jī)中心線的距離用R表示，則在圓盤上產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩T1可由等式
(13)計(jì)算得出，其中N為圓盤上的活塞數(shù)目。
Eq. (13) :T1 = NF1R
由于活塞圓盤是剛性的，推針上的轉(zhuǎn)矩與等式(13)相同，并且由于相對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)中心線的力臂是變量d (40)，推針上的力F3可由等式(14)得出。Eq. (14) : F3 = T1Zd = NF1RZd
推桿位于相對(duì)于推針力臂的角I (接近90度)上，且桿所在方向上的力F4隨著該角度的余弦值的逆向而增加(這是由于關(guān)于中心點(diǎn)的杠桿增加所致)，如等式(15)所示。Eq. (15): F4 = F3/cos (90- ξ )
曲柄軸中心線的轉(zhuǎn)矩是力F4乘以與該力垂直的力臂。當(dāng)曲柄軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，這一力臂不斷變化。在任何時(shí)刻，轉(zhuǎn)矩都可由等式(16)得出。Eq. (16): T4 = F4 c sin ( η)
現(xiàn)在，由于二級(jí)齒輪是剛性的，位于齒輪邊緣的轉(zhuǎn)矩與等式(16)等同，因此齒輪邊緣的力F5可寫為等式(17)。Eq. (17) : F5 = T4/b
最后，主齒輪的轉(zhuǎn)矩T5與等式(18)中的力相關(guān)。Eq. (18) : T5 = F5 a
當(dāng)將等式(12)與等式(18)結(jié)合時(shí)，與活塞腔室中的壓力有關(guān)的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)變?yōu)楣?19)。Eq. (19): T5 = N(P1_P2)AP Rac cos (90—ξ) sin( n)/(b d)
根據(jù)等式(4)和(9)，角度ξ和η與曲柄軸的旋轉(zhuǎn)角度相關(guān)。剩下的工作就是將腔室內(nèi)的壓力與旋轉(zhuǎn)角度關(guān)聯(lián)，這樣就可以算出發(fā)動(dòng)機(jī)的性能。對(duì)于圖中作為示例的二沖程實(shí)施例，其燃燒室中的壓力可以建模，如圖26所示。圖左側(cè)的部分顯示了二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)常見的壓力曲線，該曲線是關(guān)于燃燒室大小的一個(gè)函數(shù)。在壓縮階段，腔室的尺寸減小，其內(nèi)部的氣體壓力上升。當(dāng)活塞到達(dá)上止點(diǎn)，氣體燃燒，壓力迅速上升。然后，隨著活塞離開上止點(diǎn)，壓力在膨脹階段下降。最后，當(dāng)活塞接近下止點(diǎn)，排氣端口打開，壓力下降至外界環(huán)境氣壓。除了對(duì)曲柄軸的角度作圖外，圖26右側(cè)的部分也顯示了相同的壓力曲線。奇數(shù)腔室中的壓力與偶數(shù)腔室的壓力形狀相同，區(qū)別在于兩者相差曲柄軸旋轉(zhuǎn)一半的位移。圖27顯示了主軸上的轉(zhuǎn)矩關(guān)于曲柄軸角度的函數(shù)關(guān)系。轉(zhuǎn)矩的峰值大約為40 ft.-lbs.，當(dāng)在氣體最大化壓縮時(shí)，轉(zhuǎn)矩在短時(shí)間內(nèi)變?yōu)樨?fù)值，轉(zhuǎn)矩的平均值約為10ft. -lbs.。當(dāng)主軸的旋轉(zhuǎn)速度為5，000轉(zhuǎn)/分時(shí)(這一速度對(duì)于這種小尺寸的發(fā)動(dòng)機(jī)來說相對(duì)偏低)，二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的功率略微超過10馬力。發(fā)動(dòng)機(jī)的最高速度受活塞平均速度的限制。對(duì)于普通的汽油發(fā)動(dòng)機(jī)，運(yùn)行過程中平均活塞速度約為2500英尺/分(ft/min)。對(duì)于本實(shí)施中的發(fā)動(dòng)機(jī)，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行速度〉35，000轉(zhuǎn)/分。因此，2磅咖啡的大小的示例性發(fā)動(dòng)機(jī)可產(chǎn)生約70馬力的功率。圖28顯示了一示例性二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)，其中活塞6在奇數(shù)腔室中位于上止點(diǎn)。該圖顯示了 12個(gè)電熱塞9的位置，以及主齒輪3和二級(jí)齒輪4的大小。本實(shí)施例為如本申請(qǐng)發(fā)明內(nèi)容部分所屬的具有進(jìn)氣端口和排氣端口的12缸二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)。每個(gè)活塞的寬為18度，活塞面的直徑為I. 8厘米，活塞安裝在半徑為5. O厘米的圓盤上。壓縮比為14:1，主齒輪和二級(jí)齒輪之間的齒輪比為I. 485。所述參數(shù)的選擇,使得曲柄軸的偏移距離為2. 18毫米，中心線與推針之間的距離為24. I毫米，推桿的長(zhǎng)度為24. 2毫米。在曲柄軸通過下止點(diǎn)旋轉(zhuǎn)50度處，設(shè)定進(jìn)氣端口的大小和位置，在曲柄軸通過下止點(diǎn)旋轉(zhuǎn)80度處，設(shè)定排氣端口的大小和位置。
圖29、30和31顯示了曲柄軸在360度旋轉(zhuǎn)中的運(yùn)動(dòng)次序，其中每次旋轉(zhuǎn)60度。所述次序始于圖29 (A)，該圖中奇數(shù)活塞位于上止點(diǎn)，而偶數(shù)活塞位于下止點(diǎn)。當(dāng)進(jìn)氣端口和排氣端口完全暴露于偶數(shù)腔室中時(shí)，奇數(shù)腔室中剛開始燃燒。隨著曲柄軸旋轉(zhuǎn)，端口在偶數(shù)腔室中隨著壓縮過程而被封閉，在奇數(shù)腔室中隨著擴(kuò)展過程而被打開。圖30 (B)所示的旋轉(zhuǎn)半途中，偶數(shù)腔室到達(dá)上止點(diǎn)，在該位置發(fā)生燃燒，此時(shí)奇數(shù)腔室位于下止點(diǎn)。接著在圖31中，奇數(shù)腔室處于壓縮狀態(tài)，偶數(shù)腔室處于膨脹狀態(tài)。該圖示范圍內(nèi)，端口看似對(duì)稱地置于兩種類型的腔室之間，但事實(shí)上，因?yàn)榛钊\(yùn)動(dòng)存在一個(gè)快側(cè)和慢側(cè)，端口并非對(duì)稱設(shè)置。結(jié)合等式(3)至等式(8)(如上所述)，可計(jì)算出與曲柄軸角度相對(duì)的活塞面位置，并且這一具體的計(jì)算也可以給出端口邊緣的確切位置。圖32顯示了本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施例，該實(shí)施例的發(fā)動(dòng)機(jī)具有9個(gè)選項(xiàng)的另外一組設(shè)置。本實(shí)施例中，發(fā)動(dòng)機(jī)為四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)，其壓縮比為8:1，具有8個(gè)汽缸(每個(gè)圓盤上4個(gè)活塞)以及兩個(gè)曲柄軸。主齒輪和二級(jí)齒輪之間的齒輪比為2:1，活塞面直徑為5. O厘米，活塞厚度為24度，并且活塞圓盤的半徑為10厘米。對(duì)于這組選擇，曲柄軸的軸線偏移距離為6. 78暈米，中心線到推針的距尚為47. 7暈米，推桿的長(zhǎng)度為48. 2暈米。對(duì)于進(jìn)氣和排氣功能，本實(shí)施例使用的是閥，而不是端口。與二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)中的端口不同，四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)中的閥與火花塞位于環(huán)形腔室的同一角位上。圖33顯示了閥的某一種可能的實(shí)施例。旋轉(zhuǎn)閥組件48緊貼在固定的閥殼體54的內(nèi)部。當(dāng)閥旋轉(zhuǎn)時(shí)，旋轉(zhuǎn)槽49對(duì)齊固定槽47以打開燃燒室或膨脹室的閥。該閥組件具有軸承51、O形環(huán)52以及墊圈53，以便于旋轉(zhuǎn)和提供密封。該閥具有一個(gè)齒輪50，該齒輪由環(huán)形齒輪驅(qū)動(dòng)，環(huán)形齒輪以曲柄軸四分之一的速率轉(zhuǎn)動(dòng)閥。進(jìn)氣閥開口的定相是這樣的在活塞的進(jìn)氣沖程期間，閥49和閥殼體47的槽相互對(duì)齊。排氣閥的定相為從進(jìn)氣閥的定相偏移45度，由此在活塞的排氣沖程期間，所述的槽相互對(duì)齊。如本實(shí)施例中的閥也可用于本發(fā)明的膨脹器實(shí)施例。對(duì)于膨脹器來說，環(huán)形齒輪以曲柄軸二分之一的速率轉(zhuǎn)動(dòng)閥。排氣閥在完全的排氣沖程中打開，但進(jìn)氣閥只在進(jìn)氣沖程的某段過程中打開。該不同的時(shí)間選擇可以通過控制閥和閥殼體中的槽的大小來確定。進(jìn)氣閥的時(shí)間選擇由膨脹器所選擇的膨脹比決定。假如膨脹比為2:1，這時(shí)進(jìn)氣閥就只在進(jìn)氣沖程的一半中開放。圖34顯示了另一種類型的閥，該閥可用于四沖程實(shí)施例的發(fā)動(dòng)機(jī)。該閥常見于摩托車的發(fā)動(dòng)機(jī)，也可用于旋轉(zhuǎn)凸輪作為活動(dòng)元件的情況。閥的主體(55)配于閥導(dǎo)向器(56)內(nèi)。當(dāng)關(guān)閉時(shí)，閥的斜削端緊靠著閥座(57)。該閥通過一彈簧保持其關(guān)閉狀態(tài)，這一彈簧位于彈簧支持墊圈(58)和閥導(dǎo)向器(56)的凸緣之間。該閥由凸輪激活，所述凸輪對(duì)閥的一端施加推力，這一端接近彈簧支持墊圈并且與曲柄軸中的一個(gè)嚙合?？梢允褂萌我鈹?shù)量的不同實(shí)施例的閥設(shè)計(jì)。圖35顯示了選項(xiàng)9的一個(gè)實(shí)施例，其中一組活塞剛性地固定在環(huán)形腔室內(nèi)，而可移動(dòng)的活塞組在環(huán)形腔室內(nèi)移動(dòng)兩倍距離。在該實(shí)施例中，主軸I上的主齒輪3與曲柄軸
2上曲軸齒輪4的尺寸相同?？梢苿?dòng)圓盤5上共有四個(gè)活塞6，并且在這個(gè)例子中只有一個(gè)曲柄軸。同樣，有四個(gè)活塞60剛性地固定在半邊環(huán)形腔室SB上。剛性固定的活塞60的厚度為20度圓弧，而移動(dòng)的活塞6的厚度為30度的圓弧?；钊叽缫部梢赃x擇其它值，不同的值可導(dǎo)致推桿7的凸輪偏移距離不同。也可以使用其他一些利用了不同數(shù)量活塞的設(shè)計(jì)。本文公開的發(fā)動(dòng)機(jī)可用于多種不同用途，并且可以根據(jù)需要定義其大小，比如適 當(dāng)?shù)卣{(diào)整組件的大小，或通過添加多個(gè)環(huán)形腔室/活塞/圓盤對(duì)單元到單一的主軸上以提高發(fā)動(dòng)機(jī)的功率。許多其他的示例性實(shí)施例可通過對(duì)上述特征進(jìn)行各種組合得到。盡管上文已經(jīng)通過具體示例和實(shí)施例描述了本發(fā)明，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該明白，可以使用各種替代方案，并且在此描述的元件和/或步驟也可由其他等同特征所替換，這樣并不偏離本發(fā)明的保護(hù)范圍。在不脫離本發(fā)明保護(hù)范圍的情況下，一些修改可能也是必要的，以便適應(yīng)特定的情況或特定的需要。這樣的目的在于本發(fā)明不局限于這里描述的特定示例和實(shí)施例，但權(quán)利要求應(yīng)當(dāng)基于最廣的合理解釋來理解，以覆蓋所有被涵蓋在內(nèi)的新穎的和非顯而易見的實(shí)施例、文字或等效物，無論其是否在此公開。
權(quán)利要求
1.一種發(fā)動(dòng)機(jī)，包括 第一圓盤，具有穿過所述第一圓盤的第一軸向孔以及與所述第一圓盤的軸線偏移的第一偏移孔； 第二圓盤，具有穿過所述第二圓盤的第二軸向孔以及與所述第二圓盤的軸線偏移的第二偏移孔； 第一活塞，連接至所述第一圓盤的圓周； 第二活塞，連接至所述第二圓盤的圓周； 主軸，該主軸穿過所述第一軸向孔和所述第二軸向孔，其中，主軸能夠在所述第一軸向孔和所述第二軸向孔內(nèi)旋轉(zhuǎn)； 曲柄軸，該曲柄軸穿過所述第一偏移孔和所述第二偏移孔，其中，曲柄軸能夠在所述第·一偏移孔和所述第二偏移孔內(nèi)旋轉(zhuǎn)； 旋轉(zhuǎn)傳遞裝置，該旋轉(zhuǎn)傳遞裝置將所述曲柄軸連接至所述主軸，所述旋轉(zhuǎn)傳遞裝置的結(jié)構(gòu)使得曲柄軸的旋轉(zhuǎn)在所述主軸上施加一旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)； 振蕩傳遞裝置，該振蕩傳遞裝置將所述第一圓盤或所述第二圓盤中的一個(gè)連接至曲柄軸，所述振蕩傳遞裝置被構(gòu)造得用于將所述第一圓盤或所述第二圓盤中的一個(gè)的振蕩運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為曲柄軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；和， 殼體，其中 所述殼體形成一個(gè)腔室，用于至少部分包括所述第一活塞和所述第二活塞，由此所述第一圓盤上的所述第一活塞以及所述第二圓盤上的所述第二活塞，連同腔室形成位于所述第一活塞和第二活塞之間的膨脹容積；并且其中 當(dāng)所述第一圓盤或第二圓盤中的至少一個(gè)繞所述主軸振蕩時(shí)，所述發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，所述膨脹容積在該膨脹容積內(nèi)交替地壓縮和膨脹出一個(gè)容積，從而將所述振蕩轉(zhuǎn)化為所述曲柄軸的旋轉(zhuǎn)，從而使得主軸旋轉(zhuǎn)。
2.如權(quán)利要求I所述的發(fā)動(dòng)機(jī)，其中所述第一圓盤或第二圓盤中的另外一個(gè)連接至所述殼體，并且在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)不振蕩。
3.如權(quán)利要求2所述的發(fā)動(dòng)機(jī)，其中連接至所述第一圓盤或第二圓盤中的一個(gè)的活塞本質(zhì)上短于連接至所述第一活塞或第二活塞中的另外一個(gè)的活塞。
4.如權(quán)利要求I所述的發(fā)動(dòng)機(jī)，還包括一個(gè)額外的振蕩傳遞裝置，所述額外的振蕩傳遞裝置連接至所述第一圓盤或者第二圓盤中的另外一個(gè)，所述額外的振蕩傳遞裝置用于當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)作時(shí)，將所述第一圓盤或者第二圓盤中的另外一個(gè)的振蕩轉(zhuǎn)化為所述曲柄軸的旋轉(zhuǎn)。
5.如權(quán)利要求I所述的發(fā)動(dòng)機(jī)，其中所述旋轉(zhuǎn)傳遞裝置包括一個(gè)連接至所述曲柄軸的第一齒輪，所述曲柄軸與一連接至所述主軸的第二齒輪相聯(lián)系。
6.如權(quán)利要求I所述的發(fā)動(dòng)機(jī)，其中所述振蕩傳遞裝置包括一個(gè)推桿，所述推桿連接至所述第一圓盤或第二圓盤中的一個(gè)，并且連接至所述曲柄軸上的曲柄結(jié)構(gòu)。
7.如權(quán)利要求I所述的發(fā)動(dòng)機(jī)，其中所述發(fā)動(dòng)機(jī)適于將燃料/空氣混合物注入所述膨脹容積，用于在所述膨脹容積中壓縮，由此在點(diǎn)燃所述燃料/空氣混合物時(shí)，使得膨脹容積膨脹，從而通過所述活塞在所述第一和第二圓盤上施加轉(zhuǎn)矩。
8.如權(quán)利要求I所述的發(fā)動(dòng)機(jī)，其中所述發(fā)動(dòng)機(jī)適于將氣體注入所述膨脹體積，使得膨脹容積膨脹，從而通過所述活塞在所述第一和第二圓盤上施加轉(zhuǎn)矩。
9.權(quán)利要求I所述的發(fā)動(dòng)機(jī)，其中所述腔室具有一個(gè)曲率半徑，并且所述活塞具有與所述腔室的曲率相匹配的曲率。
10.一種發(fā)動(dòng)機(jī)，包括 第一圓盤，具有穿過所述第一圓盤的第一軸向孔和第一偏移孔，所述第一偏移孔與所述第一圓盤的軸線偏移； 第二圓盤，具有穿過所述第二圓盤的第二軸向孔和第二偏移孔，所述第二偏移孔與第一圓盤的軸線偏移，其中，所述第二偏移孔距所述第二圓盤軸線的距離對(duì)應(yīng)于所述第一偏移孔距第一圓盤軸線間的距離； 多組活塞對(duì)，每組所述活塞對(duì)包括連接于第一圓盤圓周上的第一活塞以及連接于所述第二圓盤圓周上的第二活塞； 主軸，該主軸穿過所述第一軸向孔和所述第二軸向孔，所述主軸具有一個(gè)主齒輪； 曲柄軸，該曲柄軸穿過所述第一偏移孔和所述第二偏移孔； 曲柄軸齒輪，該曲柄軸齒輪連接于所述曲柄軸，用于將所述曲柄軸連接至所述主軸的主齒輪，以將所述曲柄軸的旋轉(zhuǎn)傳遞至主軸； 推桿，該推桿連接至所述第一圓盤，并且連接至所述曲柄軸上的曲柄結(jié)構(gòu)，所述推桿將所述第一圓盤的振蕩轉(zhuǎn)化為曲柄軸的旋轉(zhuǎn)； 殼體，其中 所述殼體形成至少一個(gè)腔室，所述腔室至少部分地包含所述多組活塞對(duì)，由此所述每組活塞對(duì)中的第一活塞和第二活塞，連同所述至少一個(gè)腔室形成了一個(gè)位于第一活塞和第二活塞之間的相應(yīng)的膨脹容積；并且其中 對(duì)于每個(gè)膨脹容積來說，當(dāng)所述第一圓盤繞所述主軸振蕩時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，對(duì)應(yīng)的活塞對(duì)在膨脹容積中交替地壓縮和膨脹體積，將所述第一圓盤的振蕩轉(zhuǎn)化為曲柄軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而使所述主軸旋轉(zhuǎn)。
11.如權(quán)利要求10所述的發(fā)動(dòng)機(jī)，其中所述腔室具有一個(gè)曲率半徑，并且活塞具有與所述腔室的曲率相匹配的曲率。
12.如權(quán)利要求10所述的發(fā)動(dòng)機(jī)，其中所述殼體呈環(huán)形，其中，所述發(fā)動(dòng)機(jī)包括一個(gè)外殼以容納所述發(fā)動(dòng)機(jī)，所述外殼允許所述主軸中的一部分從殼體中伸出。
13.如權(quán)利要求10所述的發(fā)動(dòng)機(jī)，所述發(fā)動(dòng)機(jī)包括多個(gè)所述曲柄軸。
14.如權(quán)利要求10所述的發(fā)動(dòng)機(jī)，其中所述發(fā)動(dòng)機(jī)適于在膨脹容積中注入燃料/空氣混合物，用于在膨脹容積中壓縮，由此點(diǎn)燃燃料/空氣混合物時(shí)，膨脹容積得以膨脹，從而在所述第一和第二圓盤上施加轉(zhuǎn)矩。
15.權(quán)利要求10中所述的發(fā)動(dòng)機(jī)，其中所述發(fā)動(dòng)機(jī)適于注入氣體進(jìn)入所述膨脹體積，使得膨脹容積膨脹，進(jìn)而在所述第一和第二圓盤上施加轉(zhuǎn)矩。
16.—種發(fā)動(dòng)機(jī),包括 第一圓盤，具有穿過所述第一圓盤的第一軸向孔和多個(gè)第一偏移孔，每個(gè)所述第一偏移孔均與所述第一圓盤的軸線偏移； 第二圓盤，具有穿過所述第二圓盤的第二軸向孔和多個(gè)第二偏移孔，所述第二偏移孔的數(shù)目與第一偏移孔的數(shù)目相同，每個(gè)所述第二偏移孔均與所述第一圓盤的軸線偏移；多組活塞對(duì)，所述每組活塞對(duì)包括連接于所述第一圓盤圓周上的第一活塞，以及連接于所述第二圓盤圓周上的第二活塞； 主軸，該主軸穿過所述第一軸向孔和所述第二軸向孔，所述主軸具有至少一個(gè)主齒輪； 多個(gè)曲柄軸，每個(gè)所述曲柄軸對(duì)應(yīng)于所述第一偏移孔之一，其中，每個(gè)所述曲柄軸穿過對(duì)應(yīng)的第一偏移孔之一，也穿過相對(duì)應(yīng)的第二偏移孔之一； 多個(gè)曲柄軸齒輪，每個(gè)所述曲柄軸齒輪連接至對(duì)應(yīng)的所述曲柄軸之一，用以將對(duì)應(yīng)的曲柄軸之一連接至所述主軸的至少一個(gè)主齒輪，從而將對(duì)應(yīng)曲柄軸之一的旋轉(zhuǎn)傳遞至主軸； 多個(gè)推桿，每個(gè)所述推桿連接至所述第一圓盤或第二圓盤中的一個(gè)，并且每個(gè)推桿與相應(yīng)的曲柄軸之一上的曲柄結(jié)構(gòu)相連，每個(gè)所述推桿將所述第一圓盤或第二圓盤中的一個(gè)的振蕩轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)曲柄軸的旋轉(zhuǎn)；和， 殼體，其中 所述殼體形成至少一個(gè)腔室，所述腔室至少部分地包含所述多組活塞對(duì)，由此所述每組活塞對(duì)中的第一活塞和第二活塞，連同至少一個(gè)腔室形成一個(gè)位于第一活塞和第二活塞之間的相應(yīng)的膨脹容積；并且其中 對(duì)于每個(gè)膨脹容積來說，當(dāng)?shù)谝粓A盤繞主軸振蕩時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，對(duì)應(yīng)的活塞對(duì)在膨脹容積中交替地壓縮和膨脹體積，由此將所述振蕩轉(zhuǎn)化為每個(gè)所述曲柄軸的旋轉(zhuǎn)，從而使得主軸旋轉(zhuǎn)。
17.如權(quán)利要求16所述的發(fā)動(dòng)機(jī)，其中對(duì)于每個(gè)所述推桿，連接銷連接至所述第一或第二圓盤中的一個(gè)上的點(diǎn)，至所述推桿之一連接至所述第一或第二圓盤中的一個(gè)的中心線上的點(diǎn)，兩點(diǎn)之間的距離，以及所述推桿的長(zhǎng)度，均符合以下規(guī)律活塞在每個(gè)腔室中的運(yùn)動(dòng)，關(guān)于上止點(diǎn)和下止點(diǎn)都是對(duì)稱運(yùn)動(dòng)的；所述推桿用于將所述第一圓盤或第二圓盤中的一個(gè)，于曲柄軸處連接至一偏移凸輪。
18.如權(quán)利要求16所述的發(fā)動(dòng)機(jī)，其中圓盤上的活塞相對(duì)于與之相關(guān)的推針的位置的角位置使得偶數(shù)腔室和奇數(shù)腔室的壓縮比相同，從而使偶數(shù)腔室和奇數(shù)腔室端口的打開和關(guān)閉時(shí)間相同。
19.如權(quán)利要求16所述的發(fā)動(dòng)機(jī)，其中對(duì)于偶數(shù)腔室和奇數(shù)腔室來說，其端口的位置或閥門的計(jì)時(shí)是不一樣的；這是因?yàn)橄鄬?duì)于下止點(diǎn)來說，所述端口或閥門處于關(guān)閉，基于此時(shí)的曲軸角大小，活塞的運(yùn)動(dòng)就有“快”的一面也有“慢”的一面。
20.—種發(fā)動(dòng)機(jī),包括 第一圓盤，具有穿過所述第一圓盤的第一軸向孔和多個(gè)第一偏移孔，每個(gè)所述第一偏移孔均與所述第一圓盤的軸線偏移； 第二圓盤，具有穿過所述第二圓盤的第二軸向孔和多個(gè)第二偏移孔，所述第二偏移孔的數(shù)目與第一偏移孔相同，每個(gè)所述第二偏移孔均與所述第一圓盤的軸線偏移； 多組活塞對(duì)，每組所述活塞對(duì)包括連接至所述第一圓盤圓周上的第一活塞以及連接至所述第二圓盤圓周上的第二活塞； 主軸，該主軸穿過所述第一軸向孔和所述第二軸向孔，所述主軸具有至少一個(gè)主齒輪；多個(gè)曲柄軸，所述每個(gè)曲柄軸對(duì)應(yīng)于所述第一偏移孔之一，其中，每個(gè)所述曲柄軸穿過對(duì)應(yīng)的第一偏移孔之一，也穿過相對(duì)應(yīng)的第二偏移孔之一； 多個(gè)曲柄軸齒輪，所述每個(gè)曲柄軸齒輪連接至對(duì)應(yīng)的曲柄軸之一，用于將對(duì)應(yīng)的曲柄軸之一連接至所述主軸的至少一個(gè)主齒輪，從而將對(duì)應(yīng)曲柄軸的旋轉(zhuǎn)傳遞至主軸； 多個(gè)第一推桿，每個(gè)所述第一推桿連接至所述第一圓盤，并且每個(gè)第一推桿連接至所述對(duì)應(yīng)的曲柄軸上的曲柄結(jié)構(gòu)，每個(gè)所述第一推桿將所述第一圓盤的振蕩轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)曲柄軸的旋轉(zhuǎn)； 多個(gè)第二推桿，每個(gè)所述第二推桿之一連接至所述第二圓盤，并且每個(gè)第二推桿連接至對(duì)應(yīng)的曲柄軸上的所述曲柄結(jié)構(gòu)或另一曲柄結(jié)構(gòu)，每個(gè)所述第二推桿將所述第二圓盤的振蕩轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)曲柄軸的旋轉(zhuǎn)；以及， 殼體，其中，對(duì)于所述的每個(gè)活塞對(duì)，所述殼體形成一個(gè)相應(yīng)的腔室，所述腔室至少部分地包含該活塞對(duì)，由此第一活塞和第二活塞，連同相應(yīng)的腔室形成一相應(yīng)的膨脹容積，所 述膨脹容積位于所述第一活塞和第二活塞之間；對(duì)于每個(gè)膨脹容積來說，當(dāng)所述第一圓盤繞所述主軸振蕩，所述第二圓盤繞所述主軸振蕩時(shí)，所述發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，對(duì)應(yīng)的活塞對(duì)在所述膨脹容積中交替壓縮和膨脹體積，從而將所述圓盤的振蕩轉(zhuǎn)化為所述每個(gè)曲柄軸的旋轉(zhuǎn)，從而使得所述主軸旋轉(zhuǎn)。
21.—種發(fā)動(dòng)機(jī),包括 活塞對(duì)，包括一個(gè)與第二活塞相對(duì)的第一活塞； 殼體，該殼體形成了與活塞對(duì)相應(yīng)的腔室，由此第一活塞和第二活塞設(shè)置于腔室內(nèi)，形成了一位于所述第一活塞和第二活塞之間的膨脹容積； 主軸； 多個(gè)曲柄軸； 一裝置，該裝置將所述膨脹容積擴(kuò)張所引起的所述第一活塞或/和第二活塞的運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為每一個(gè)所述的多個(gè)曲柄軸的旋轉(zhuǎn)； 一個(gè)或多個(gè)旋轉(zhuǎn)傳遞裝置，該裝置將所述每個(gè)曲柄軸連接至所述主軸，由此當(dāng)一個(gè)或多個(gè)所述曲柄軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，使所述主軸旋轉(zhuǎn)。
22.如權(quán)利要求21所述的發(fā)動(dòng)機(jī)，其中所述多個(gè)曲柄軸繞所述主軸分布，并且所述曲柄軸偏離，但平行于主軸。
23.—種發(fā)動(dòng)機(jī),包括 多組活塞對(duì)，每組所述活塞對(duì)包括一個(gè)與第二活塞相對(duì)的第一活塞； 主軸； 多個(gè)曲柄軸； 第一裝置，該裝置用于使每個(gè)所述曲柄軸旋轉(zhuǎn)，所述旋轉(zhuǎn)源于位于每組活塞對(duì)中的第一活塞和第二活塞之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)； 第二裝置，該裝置用于將所述曲柄軸的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)化為主軸的旋轉(zhuǎn)。
24.如權(quán)利要求23所述的發(fā)動(dòng)機(jī)，其中所述多個(gè)曲柄軸繞主軸分布，所述曲柄軸偏離，但平行于主軸。
25.如權(quán)利要求23所述的發(fā)動(dòng)機(jī)，其中所述的用于將曲柄軸的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)化為主軸的旋轉(zhuǎn)的第二裝置，包括一個(gè)在所述每個(gè)曲柄軸上的齒輪，該曲柄軸連接至所述主軸的一個(gè)或多個(gè)齒輪上。
26.—種發(fā)動(dòng)機(jī),包括 至少一個(gè)活塞； 主軸，該主軸至少具有一個(gè)主齒輪； 多個(gè)曲柄軸，所述曲柄軸繞主軸分布，所述的每個(gè)曲柄軸具有一個(gè)曲柄軸齒輪，該曲柄軸齒輪連接至所述至少一個(gè)主齒輪；以及， 一裝置，該裝置用于將一旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為每個(gè)所述曲柄軸的運(yùn)動(dòng)，所述旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)源于所述至少一個(gè)活塞的運(yùn)動(dòng)；其中，所述曲柄軸的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)化為主軸的旋轉(zhuǎn)。
27.如權(quán)利要求26所述的發(fā)動(dòng)機(jī)，其中所述的至少一個(gè)活塞包含有多組相對(duì)的活塞 對(duì)。
28.如權(quán)利要求27所述的發(fā)動(dòng)機(jī)，其中所述每組活塞對(duì)中的一個(gè)活塞安裝于一第一圓盤，并且每組活塞對(duì)中的另一個(gè)活塞安裝于一第二圓盤。
29.如權(quán)利要求28所述的發(fā)動(dòng)機(jī)，其中發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，所述活塞對(duì)在所述第一圓盤上施加一振蕩作用，在所述第二圓盤上施加一個(gè)相反的振蕩作用，并且伴隨著將所述振蕩轉(zhuǎn)化為所述曲柄軸的旋轉(zhuǎn)，所述裝置將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為所述每個(gè)曲柄軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)。
30.一種發(fā)動(dòng)機(jī)，其特征在于包括 多個(gè)活塞對(duì)，該活塞對(duì)圍繞具有中心軸線的圓周分布； 殼體，該殼體容納所述活塞； 主軸，該主軸所在位置穿過軸線并且通過所述殼體； 一裝置，該裝置將所述活塞的運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為所述主軸的旋轉(zhuǎn)，其中，所述活塞的所述運(yùn)動(dòng)是活塞繞所述軸線的小于90°圓弧的部分旋轉(zhuǎn)振蕩，并且所述發(fā)動(dòng)機(jī)通過主軸將轉(zhuǎn)矩傳遞至一負(fù)載。
31.一種發(fā)動(dòng)機(jī)，包括 多組相對(duì)的活塞對(duì)，該活塞對(duì)圍繞具有中心軸線的圓周分布； 殼體，該殼體容納所述活塞； 主軸，該主軸所在位置穿過軸線并且通過所述殼體；和 一裝置，該裝置將所述每一活塞對(duì)中的活塞的相對(duì)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為所述主軸的旋轉(zhuǎn)，其中，對(duì)于每一組活塞對(duì)的活塞來說，活塞的相對(duì)運(yùn)動(dòng)包括每個(gè)活塞相對(duì)于一個(gè)固定的點(diǎn)作來回的交替振蕩，所述的固定的點(diǎn)位于該活塞對(duì)之間；其中，所述發(fā)動(dòng)機(jī)通過主軸將轉(zhuǎn)矩傳遞至一負(fù)載。
全文摘要
一種將多個(gè)活塞安置于一個(gè)或兩個(gè)振蕩盤上的發(fā)動(dòng)機(jī)。所述發(fā)動(dòng)機(jī)可作為使用柴油、汽油或天然氣的內(nèi)燃機(jī)使用，也可被配置為將高溫高壓氣體轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)能量的膨脹器。對(duì)于任何參數(shù)的設(shè)置，如活塞的數(shù)量，活塞、圓盤和齒輪的尺寸等，本發(fā)明中已公開其尺寸限制，以使發(fā)動(dòng)機(jī)更廣泛而有效地運(yùn)用。本發(fā)動(dòng)機(jī)特別適用于發(fā)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)，因?yàn)槠湓诒姸喟l(fā)電機(jī)中，是一種可低轉(zhuǎn)速下提供高轉(zhuǎn)矩的發(fā)電機(jī)，其緊湊的設(shè)計(jì)帶來了高的功率重量比。
文檔編號(hào)F02B53/00GK102906393SQ201180023895
公開日2013年1月30日 申請(qǐng)日期2011年3月29日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月30日
發(fā)明者斯蒂芬·李·坎寧安, 馬丁·A·斯圖爾特 申請(qǐng)人:斯蒂芬·李·坎寧安, 馬丁·A·斯圖爾特