專利名稱：逆位移非對稱旋轉(idar)發(fā)動機的制作方法
逆位移非對稱旋轉(IDAR)發(fā)動機連續(xù)性本申請要求美國臨時專利申請No. 61/211，192的優(yōu)先權，該美國臨時專利申請公開的內容通過引用而包含在本申請中。
背景技術：
題為 “Continuous Torque Inverse Displacement Asymmetric Rotary Engine，，的美國專利No. 6，758，188公開了一種逆位移非對稱旋轉(IDAR)發(fā)動機，該專利公開的內容通過引用而包含在本申請中。這種發(fā)動機包括內部艙室壁、外部艙室壁和由以下論述所限定的移動仿形件(contour)。通過在旋轉發(fā)動機中設計艙室以使燃燒循環(huán)過程中，來自凹形仿形件的作用力的方向與來自外部艙室壁的作用力的方向之間的入射角沿著外部艙室壁在每一點都大于0度而小于90度，可以在整個燃燒循環(huán)中實現扭矩。促成0度和90度之間的入射角的內部艙室壁、外部艙室壁以及凹形仿形件的形狀可以針對預定的入射角從代數方面確定。如圖1所示，S表示艙室壁表面而CS表示曲軸，由與表面相互作用的作用力F(r)產生的預定入射角C所產生的扭矩量可以等于F(r)*距離D*c0S(C)*Sin(C)。正如可以從數學方面確定的，當入射角C為45度時，扭矩處于最大值。對于45度來說，CoS*Sin的值等于0. 5。大約20度和大約70度之間的其他入射角可以產生適當量的扭矩。如圖2所示，如果半徑R在圍繞點CS轉過一定的角度D時，保持不變，由半徑R表示的弧線的切線C將在點X和Z之間限定直線。切線C在弧線中點相對于半徑形成直角(角度D/2)。如果直線X-Z也表示半徑以角度D/2推壓的艙室表面，則來自半徑的作用力方向和來自該表面的作用力方向之間的入射角將會是0。這種關系描述了傳統(tǒng)旋轉式發(fā)動機技術中的一種狀態(tài)，其中在燃燒循環(huán)開始和結束時的入射角為0。為了在整個燃燒循環(huán)過程中實現扭矩，在燃燒循環(huán)過程中，入射角可以在每個點都處于0和90度之間。圖3描繪了圍繞固定點CS轉動變長度半徑經過一定角度D而產生的弧線上點Y和Z之間的切線C。如果切線C是變長度半徑推壓的表面，則來自半徑的作用力方向和來自該表面的作用力方向之間的入射角將會是E，該入射角是介于0度和90度之間的某個角度。在圖3中的任一給定點改變長度的半徑可以等于R+dR，其中R是起始半徑長度，而dR是大于或等于0的變量長度。如果R和dR值在角度D上已知，則入射角E可以計算得出。相反，如果對于一定的轉角D的中點D/2知道入射角E，則可以確定長度dR?？梢酝茖€的數學公式，其中在半徑圍繞旋轉基準的固定點轉動時，沿著曲線在每一點，曲線半徑與表面形成大于0度而小于90度的入射角。沿著該曲線在每一點，入射角可以介于大約20度和大約70度之間?？梢允褂脭祵W公式推導能作為移動仿形件和IDAR一部分靜止內艙室壁的輪廓的曲線。繼續(xù)參照圖3，可以使用預定的入射角E來計算量值dR，由此隨著半徑(R+dR)圍繞曲軸轉動，半徑R必須增大以保持入射角E。對于45度的入射角E來說，圖3中的三角形XYZ具有長度相等的邊XY和\τ。建立45度入射角E所需的用來確定相對于半徑R的半徑變化量dR的公式是dR*(cos(D/2)) = DR*sin(D/2)+2*R*sin(D/2)(2)dR*(cos(D/^)-sin(D/2)) = 2*R*sin(D/2)(4)dR/R = 2*sin (D/2) /* (cos (D/2) -sin (D/2))(6)公式(6)表示對于給定的轉角D，例如1度，半徑R必須改變等于長度dR的特定的百分比。百分比R必須改變，dR/R保持不變，以便保持在轉角D范圍內的45度的恒定入射角E。百分比變化可以是長度增大。例如，利用公式(6)，為了在1度轉角上產生45度的入射角E，半徑R必須增大大約1.76%。對于每一度轉角，R改變的百分比(dR)保持不變，與R的初始值無關?？梢宰尮?6)的右側乘以縮放因子K來產生用于除45度之外角度的通用公式?？s放因子K是在入射角E從45度(即邊XY和YL相等)而改變時，三角形XYZ的邊XY的長度與邊)(Z的長度的差異。當入射角E不是45度時，公式為dR/R = 2*sin (D/2) / (K*cos (D/2) -sin (D/2))(8)縮放因子K等于l/tan(E)。當角度E為45度時，l/tar^45) = 1，得到公式(6)。當角度E不是45度時，K為不等于1的某值。公式(8)可以用來計算在轉角D上，百分比R必須改變多少來產生預定的入射角E。利用恒定的入射角E根據公式(6)或⑶產生的曲線可以從固定的旋轉點迅速向外螺旋。對于半徑百分比變化較小的擴張性較小的螺旋來說，可以使用變化的入射角E。例如，在曲線開始時入射角可以是45度或45度以上且小于90度，并且隨著R圍繞固定點轉動而逐漸減小。變化的入射角，例如持續(xù)減小的入射角，可以保持在90度和0度之間，或者70度和20度之間。對于圖3參照公式0)，可以看出參量dR*sin(D/2)針對該公式中的其他參量定義了非常小的取值。如果從2*R*sin(D/2)減去參量dR*sin (D/2)而非加上，半徑R值仍然會增大，但是更為舒緩，并且入射角E將逐漸減小。從參量2*R*Sin(D/^)減去參量dR*sin(D/2)并且利用縮放因子K對非45度的起始入射角進行縮放，將得到下列公式
dR/R = 2*R*sin(D/2)/(K*cos(D/2)-sin(D/2)) (10)針對為2的起始半徑長度R，以及45度的起始入射角E應用以上公式(10)，K將等于1，并且可以產生如圖4所示的曲線。圖4描繪了利用公式(10)產生的示例曲線，以及兩個圓的圖形，一個圓的半徑等于1個單位，一個圓的半徑等于2個單位。繼續(xù)參照圖4，在根據公式(10)產生的曲線上的任一點，從原點向切線畫的直線在0度轉角時將具有45度的入射角，并且入射角將逐漸減小，在90度轉角時達到大約20度?？梢援a生具有圖4所示曲線的輪廓的IDAR的內艙室壁，這樣將導致與凹形仿形件的入射角在0度轉角時開始為45度，并且逐漸減小，在90度轉角時達到大約20度。由于IDAR外艙室壁的輪廓可以是內艙室壁輪廓的函數，所以來自凹形仿形件的產生扭矩的作用力分量方向和外艙室壁作用力方向之間的入射角將在燃燒循環(huán)中從45度變化到大約20度。為了形成內艙室壁輪廓，利用公式(10)產生的曲線，例如圖4所示的曲線，可以重復并轉動180度，以形成形狀相同的兩條相交曲線，如圖5所示。圖5中形成的形狀可以限定IDAR的內艙室壁以及島形件，IDAR的凹形仿形件可以圍繞島形件在IDAR的艙室內轉動。利用公式(10)產生的曲線的原點可以位于IDAR的島形件內的曲軸上的某位置。如圖5所示，該曲軸可以在IDAR的島形件內偏心?？梢援a生與內艙室壁的形狀配合的凹形仿形件，如圖6所示。帶有凹形仿形件4的艙室2，如圖6所例示，可以具有曲軸樞轉點6和相對于內部曲線10的中心偏移的保持件8。曲軸樞轉點6和保持件8的位置，較之仿形件的幾何中心，可以向仿形件一側偏移。外艙室壁14的形狀可以通過圍繞內艙室壁移動凹形仿形件而形成。外艙室壁可以設計成抵靠內艙室壁保持凹形仿形件，而保持件或者凹形仿形件的外曲面沿著外艙室壁運動。因此，圖6描繪了在艙室2內，內艙室壁16、島形件18、曲軸12、外艙室壁14、凹形仿形件4、曲軸樞轉點6和保持件8的輪廓和/或位置針對根據公式(10)形成的曲線來確定。通過觀察圖6可以理解，外艙室壁14的形狀可以像內艙室壁16 —樣從相同的數學函數推導得出。外艙室壁14與內艙室壁16的至少一部分形狀相同，但是尺寸更大并且在與燃燒循環(huán)對應的一部分艙室2范圍內圍繞原點轉過一定的角度，例如90度。上述IDAR發(fā)動機技術較之常用的內燃活塞式發(fā)動機技術具有眾多優(yōu)勢。IDAR幾何構造提供的一些優(yōu)勢是尺寸不同的循環(huán)長度。例如，壓縮循環(huán)可以較之膨脹(燃燒)循環(huán)在更短的行程上發(fā)生。較之位移相同的活塞式技術，允許在更長的膨脹循環(huán)過程中獲取更多的功。類似地，排氣和進氣循環(huán)也不必具備相同的長度。IDAR發(fā)動機的膨脹循環(huán)也具有近似連續(xù)的機械能到功的傳遞函數，而非活塞技術的鐘形曲線傳遞函數。這樣導致扭矩曲線在rpm范圍內非常平坦，變動很小。出現這種情況的部分原因是，實際上，曲軸臂隨著膨脹循環(huán)進行而長度增大。而且，發(fā)動機的全部4個循環(huán)進氣、壓縮、燃燒和排氣，都可以具有不同的長度和不同的體積，并且在相同的四沖程序列中以不同的速率發(fā)生。這樣允許IDAR發(fā)動機設計者采用優(yōu)于活塞式發(fā)動機技術的方式優(yōu)化發(fā)動機性能并且減少污染副產品。此外，全部四個循環(huán)在軸旋轉一整圈內發(fā)生。IDAR發(fā)動機的操作有點類似二循環(huán)發(fā)動機，因為其具有非常高的加速速率，但是與此同時，又具有類似位移的長行程柴油發(fā)動機的扭矩發(fā)生特性。IDAR發(fā)動機幾何曲線不應該根據孔-沖程比來分類到性能子類中，如針對活塞式技術所做的那樣，因為在進行類似比較時，IDAR跨越了所有這些類別。在實際制造IDAR發(fā)動機時，存在復雜的曲面和平面。但是，密封件總是抵靠平坦并且沿著密封材料長度方向取向的表面密封。這意味著關鍵的制造方面是部件表面的平坦度以及對齊部件的能力，以使相對的側部在發(fā)動機的寬度范圍內平行。同樣具有重要性的是，部件不能在運動路徑的方向上發(fā)生扭轉，并且開始彼此垂直的表面在燃燒循環(huán)過程中要保持彼此垂直。由于循環(huán)長度、體積和速率可以彼此不同，并且不像活塞式發(fā)動機技術中那樣對稱，所以重要的是在進氣和排氣過程中具有良好的端口流動控制。這樣允許滿足超越活塞式發(fā)動機技術能力的性能標準。此外，由于IDAR發(fā)動機具有獨特的膨脹沖程，所以僅基于IDAR的膨脹沖程，幾何形狀就對基本電廠設計有所幫助。當IDAR連接到外部裝置時，它形成利用其它一些推進劑(諸如壓縮空氣)提供動力的外燃式發(fā)動機或者電廠。本發(fā)明的目的是對IDAR技術的控制、性能、制造便利性以及IDAR技術的用途擴展
提供改進。

發(fā)明內容
提供了一種逆位移非對稱旋轉發(fā)動機，該發(fā)動機包括艙室。所述艙室包括具有島形件外表面的靜止島形件。所述外表面為細長的凸起形狀。所述島形件包括與所述島形件中心隔開的曲軸端口。所述艙室包括連接到島形件前表面的前板。凹形移動仿形件包括在其中，所述仿形件被向著島形件外表面偏壓并且圍繞島形件回轉。工作體積限定在所述仿形件內表面和所述島形件外表面之間。設置至少一個前板接合軸承，該軸承從移動仿形件的前表面延伸并超過前板的引導邊緣。所述前板接合軸承在燃燒循環(huán)過程中接合所述引導邊緣。


應該理解，以下附圖描繪的僅僅是本發(fā)明典型實施方式，因此不應該認為限制了本發(fā)明的范圍，具體為圖1描繪了轉子作用力和壁部作用力分量成直線時，壁部作用力F(S)和轉子作用力F(r)之間的幾何關系；圖2描繪了半徑與由半徑產生的曲線的幾何關系，其中在半徑圍繞樞轉點以一定的增量逆時針轉動時，半徑長度保持不變。圖3描繪了半徑與由半徑產生的曲線的幾何關系，隨著半徑圍繞樞轉點逆時針轉動一定的增量，半徑長度增大；圖4是所產生的曲線的圖形，其中隨著半徑圍繞樞轉點逆時針轉動，半徑長度持續(xù)增大；圖5描繪了島形件內艙室壁和島形件上的曲軸位置的實施例的形狀，其中所述形狀與圖2所示的曲線有關；圖6是具有圖3所示島形件的旋轉式發(fā)動機的示意草圖，具有凹形仿形件、曲柄樞軸、保持件、曲軸和外艙室壁；圖7是發(fā)動機艙室的分解視圖，示出了帶有定位短柱的多個部件；圖8是位于背板上的島形件的透視圖；圖9是仿形件的側視圖，示出了輥子軸承布置；圖10是發(fā)動機艙室的側視圖，仿形件處于壓縮位置；圖11是發(fā)動機艙室的側視圖，仿形件處于膨脹位置；圖12是發(fā)動機艙室的側視圖，仿形件處于排氣位置；圖13是發(fā)動機艙室的側視圖，仿形件處于進氣位置；圖14是筒閥設計方案的透視圖；圖15是旋轉閥設計方案的透視圖；圖16是仿形件的側視圖，火花塞安裝在其中；
圖17是能安裝火花塞的仿形件的透視圖；圖18是瓣閥設計方案的分解視圖；圖19是雙仿形件發(fā)動機組件的分解視圖；圖20是替代背板的正視立面圖；和圖21是替代仿形件和前板的透視圖。
具體實施例方式如本發(fā)明背景技術部分所述，IDAR發(fā)動機制造涉及復雜的曲面和平面。密封表面為平面并且沿著密封長度取向。該發(fā)動機還布置成使得多個平坦表面部件依次對準以形成整個發(fā)動機。這意味著如果在前部或者背部的任一表面不平坦，則誤差可能在整體范圍內擴展。如果誤差擴展，則抵靠另一表面密封適當表面的難度將增大。而且，部件越寬，則使得穿過其全部寬度的整個表面平坦的難度就越大。為了提高相對平坦度的精度等級并降低所有平面的總體誤差，最好表面打磨每個部件的前部和后部。如果使用精度適當打磨機，表面打磨可以將表面的表面平坦度差異降低到1英寸的1/10，000以下。這樣在更寬的區(qū)域范圍內保證了精度。因此，最好將實際的發(fā)動機艙室形成兩件式或者多件式，而非一件式。通常，艙室大約為圓形金屬部件，大致為所述仿形件的厚度加上形成艙室背部的額外的量。并且通常所述艙室利用到達空腔中的計算機“控制”的車削刀頭挖空。如果艙室制成一件式，則它將具有輪圈。該輪圈將不允許使用砂輪將艙室背腔打磨到精確平坦。如果艙室由多個部件構成，則所述輪圈可以是一個部件，而艙室的背腔可以是另一個部件。然后背板可以單獨精確打磨并利用定位柱或者螺釘連接到所述輪圈，以形成整個艙室。密封平坦表面的另一方面在于，在三維空腔中，兩個密封表面以直角交匯。這意味著要密封拐角區(qū)域，密封拐角區(qū)域不僅要求平行表面要相對于彼此平坦，而且要求垂直表面成精確的直角。單獨表面打磨每個部件對此也有助益。IDAR發(fā)動機的目的在于與另一個可能處于運動中的平坦表面對準的平坦表面可以保持它們的對準性質。這意味著在整個循環(huán)過程中，部件在其運動中都不能發(fā)生扭轉。移動仿形件是僅有的具備密封表面并在艙室中運動的部件。圖7至13示出了根據公開實施方式的一種IDAR20。這種IDAR具有燃燒室22和工作體積對，S卩引入、壓縮、燃燒并排出燃料的空間。更具體地說，IDAR20包括前板26、島形件觀、仿形件30、輪圈32和背板34。這些IDAR部件每一個具有相對的前面36-44和背面(未示出)，以使在IDAR20中，前板的背面抵靠島形件的前面38和仿形件的前面40定位，而背板的前面44抵靠島形件的背面、仿形件的背面和輪圈的背面定位。前板26、島形件觀、仿形件30、輪圈32和背板34分別具有外表面56_64，仿形件30和輪圈32具有內表面66、68，而背板34包括具有外邊緣72的輔助背板70?；谶@些IDAR部件，IDAR燃燒室22由輪圈內表面68和島形件外表面58限定，而工作體積由仿形件內表面66和島形件外表面58來限定。輔助背板的外邊緣72足夠大，以覆蓋鉆設在背板的背面的進氣端口和排氣端口以及鉆設到輔助背板中的端口。輔助背板的形狀為圓形。輔助背板連同背板的剩余部分以及前板26包封工作體積M，但是并不包封燃燒室22，正如以下更為詳細地討論。島形件外表面58的形狀建立在背景技術部分所述的公式的基礎之上，以下將更為詳細地討論。所有其他內外邊緣，除了輪圈外邊緣62和背板外邊緣64之外，都是島形件形狀的函數。輪圈和背板外邊緣62、64獨立于燃燒室的形狀。此外，當燃料包含在工作體積中的時候，輪圈的厚度基本上獨立于工作體積的形狀。就是說，雖然仿形件背面基本上與背板34上的輪圈背面平齊，但是仿形件前面38可以穿過輪圈前面42延伸，延伸的距離為形成所述工作體積所需的距離。因此，輪圈和背板可以用相同的坯料制造，并且如圖所示，具有相同的外邊緣形狀和厚度。輪圈和背板的外邊緣62、64各自包括底部輪廓74、76，所述底部輪廓適合于在制造過程中以及安裝在汽車中的時候，協(xié)助保持IDAR就位。底部輪廓74、76可以大致描述為具有半徑，該半徑偏移到輪圈和背板的外側半徑，帶有圓整或舒緩的相對內邊緣，例如78、80。輪圈32和背板34具有匹配定位孔82_88，這些孔沿著板的厚度方向延伸，并適配成接收定位銷90、92。定位孔82-88彼此偏移大約180度，并且與輪圈和背板的外邊緣62、64隔開。一旦定位銷90、92就位，固定螺栓或者類似部件穿過一系列固定孔例如94、96，所述固定孔沿著板的厚度方向延伸并且圍繞輪圈和背板32、34的外徑圓周隔開。在附圖中，每塊板上存在1打以上的這種固定孔。一組定位孔98-108穿過前板26、島形件28和背板34的厚度設置。第二對定位銷110,112穿過孔98-108延伸，以將前板26、島形件28和背板34彼此抵靠地設置。在這種安置過程中，仿形件30抵靠島形件觀定位，通過閱讀本公開文件將會理解。前板沈、島形件38和背板34的每一個具有匹配的固定孔，例如114-118，這些孔沿著厚度方向延伸。在附圖中，每個具有8個這種固定孔。利用這些孔，在施加定位銷110-112之后，前板26、島形件38和背板34彼此固定。仿形件30、輪圈32和背板各自具有多個孔120-130，這些孔沉入各前面中，有助于制造過程。例如，這些孔允許板和仿形件固定地定位在CNC加工臺上。前板沈和島形件觀各自具有至少一個出于相同目的而沉入各自前面內的孔132、134。輪圈32和背板34上的這種沉孔圓周隔開并且鄰近外側邊緣62、64。仿形件30上的沉孔如圖所示彼此隔開，用于提供合理的距離并提供適當的機加工幫助。前板沈和島形件觀上的沉孔定位成提供作為閥道的額外功能，正如下述。背板；34還包括燃料進氣端口 136和排氣端口 138。端口 136、138由背板背面44上的圓形開口 140、142所限定。這些端口的位置細節(jié)從以下討論的燃燒循環(huán)的進氣和排氣相位的討論中變得明顯。圓形排出開口 142的直徑大于圓形進氣開口 140，以允許排出膨脹的可燃物。圓形的進氣和排氣開口具有相同的開口面積，正如類似設置的活塞式燃燒發(fā)動機中所提供的。圓形開口 140、142經由各弧形曲面144、146過渡到背板前面44?；⌒吻娴哪康氖鞘箒碜愿鏖_口 136、138的進氣流速和排氣流速最大。
鑒于以下討論的弧形曲面的復雜本質，弧形曲面銑削到輔助背板70而非背板34。輔助背板然后焊接到背板前面44?？梢岳斫猓b于其最小的結構需求，輔助背板70可以是厚材料塊。背板34還可以包括位于發(fā)生壓縮的區(qū)域中的火花塞端口 148。傳感器端口 50也位于發(fā)生壓縮的區(qū)域中。轉回到圖7和8所示的島形件28，外輪廓可以描述為非圓形的、細長的、凸起輪廓。這種輪廓利用背景技術部分所述的公式和方法產生。一旦在程序(諸如位于馬薩諸塞州康科德鎮(zhèn)Baker大街300號的Dassault Systemes Solidfforks公司(郵編01742)的SolidWorks程序)中產生，則形狀可以容易地縮放以配合給定的場合。作為替代，帶有偏移曲軸位置的卵形(諸如橢圓形)將提供具有類似益處的類似結構。同樣，橢圓形可以在SolidWorks中創(chuàng)建，并且根據需要縮放。橢圓形具有長軸和短軸，并且對于公開的實施方式，長軸至少比短軸長25%。橢圓形的半正焦弦(長軸上焦點和局部邊緣之間的距離)可以優(yōu)化，考慮到該變量越大則相對于壓縮提供的膨脹量越大。同樣，這可以根據設計約束而利用SolidWorks進行優(yōu)化。此外，前板沈、島形件觀和背板34各自具有曲軸開口 156-160。對于島形件觀，曲軸開口 158的位置可以描述為在采用背景技術部分公開的公式時，正如背景技術部分中那樣設置。作為替代，在采用橢圓時，曲軸開口的位置基本上位于由橢圓長短軸構成的圖形中的右下象限中。在附圖中，沉孔的外徑相切地接觸橢圓長短軸(參見圖10)。但是，曲軸孔可以根據需要進一步移動到該象限中。當曲軸的位置進一步向該象限移動時，移動仿形件移動地更加緩慢，同時橫穿壓縮階段，這改變了壓縮循環(huán)定時。同樣，利用SolidWorks建模，可以在給定的設計約束下，對其進行優(yōu)化。前板上的曲軸開口沉入其前面，以使下面討論的連接到曲軸的盤件可以與前板平齊。圖9和10示出了處于燃燒循環(huán)中的壓縮階段的仿形件30。可以看出，仿形件內表面66是島形件外表面58的函數。就是說，仿形件30的內表面66在壓縮區(qū)域基本上與島形件的形狀相同，但是略大，從而能圍繞島形件自由移動。該空間也可以調節(jié)，以便為工作體積實現期望的壓縮比。如圖所示，該仿形件具有相對的基本上圓周的端部162、164。處于燃燒循環(huán)的該階段的工作體積等于活塞在上死點位置的體積。在壓縮峰值過程中，火花塞端口 148將火花塞電極定位在工作體積的中心。在仿形件處于艙室22中的該位置時，傳感器端口 150暴露于燃料。該仿形件包括位于其前面和背面(圖中僅示出了前面的密封件)上的一對側密封件166、168。仿形件的前面上的側密封件壓靠前板46的后表面。仿形件的后面上的側密封件壓靠背板34上的輔助背板70。側密封件166、168終止于兩對峰部密封孔170、172 (密封件未示出)，一對密封孔位于仿形件的每個相對的圓周端部162、164上。峰部密封件在前板和唇形件之間延伸，它們接觸島形件、前板和背板的表面，并且例如以鑄鐵制成。密封件的作用是密封工作體積中的燃料。在每一對峰部密封孔中，外側密封孔174徑向終止于內側密封孔176的外側。該徑向梯度有助于防止所述仿形件在圍繞島形件回轉時卡住。仿形件30包括定位在仿形件30的前面上的一對輥子軸承178、180。軸承178、180位于仿形件30的相對的圓周端部處，并且處于峰部和側部密封件的徑向外側，位于仿形件外表面60的相對的端部182、184處。在IDAR操作過程中，所述軸承圍繞前板的外邊緣56滾動，以使外邊緣56用作引導邊緣。因此，這種運動的軌跡限定了前板外邊緣56的輪廓。如圖所示，仿形件外表面60的相對的端部182、184以及前板外邊緣56徑向地處于輪圈內表面68之內。這樣保證了在IDAR操作過程中，端部182、184不會干擾仿形件30的運動。仿形件外表面60在一個位置與輪圈內表面68連接。該位置是仿形件外表面60上的外峰部186。仿形件外峰部186也是曲柄樞軸開口 188的位置。如背景技術部分所示，仿形件外峰部的位置沿著一個圓周端164的方向圓周偏移，較之仿形件幾何中心而言，偏移量例如為25%。作為替代，利用SolidWorks，通過將外峰部向著島形件表面或背離島形件表面進一步移動，并向著仿形件圓周端部162、164任一個進一步移動，可以根據設計標準優(yōu)化該位置。保持仿形件外峰部與島形件表面存在相同的徑向間隔，并且向著仿形件的任一圓周端部移動仿形件外峰部，可以改變上死點的位置，因此相對于燃燒循環(huán)調整仿形件運動的相位。另一方面，縮減該徑向間隔，但是保持圓周間隔不變，將會發(fā)生削弱益處的結果，即放置仿形件全部部件的空間較小。背離島形件表面徑向更遠地推壓仿形件外峰部，輪圈可能變得太大，而不必然獲得扭矩實現方面的益處。所述仿形件包括外峰部輥子192，該輥子允許仿形件外峰部186抵靠輪圈光滑滾動。因此，輪圈厚度，雖然基本上獨立于工作體積，但是也要足夠厚，以支撐峰部外輥子192。此外，輪圈內表面68的輪廓也迫使仿形件就位，以便峰部密封件170、172被抵靠仿形件內表面66持續(xù)擠壓?？梢岳斫猓鞍逋獗砻?6的輪廓、島形件外表面58、仿形件內表面66、仿形件外表面60、輔助背板輪廓(鑒于進氣和排氣端口的位置)以及輪圈內表面68全都相互依存。在這些部件中，島形件外表面58是起點，因為它在IDAR效率中提供最大的回報圖11示出了燃燒循環(huán)的膨脹階段。燃燒循環(huán)在這個部分的工作體積等于活塞在下死點處的體積。通過與圖10比較，可以理解弧形排氣開口 146。在膨脹循環(huán)過程中，排氣端口“關閉”。為了實現這種效果，排氣端口具有引導邊緣194，即仿形件30首先到達的邊緣。邊緣194定位使得仿形件66的內邊緣不接觸排氣端口，直到膨脹階段結束。如圖11所示，排氣端口的引導邊緣194在工作體積中不可見。轉到圖12，圖中示出了燃燒循環(huán)的排氣階段。較之圖10，排氣端口具有頂邊緣196、拖尾邊緣198和徑向內邊緣200。在排氣階段的峰部，在仿形件30的位置，這些邊緣基本上跟隨仿形件內表面66相對輔助背板70的投影?；⌒闻艢廨喞?46中的角形間隔202幫助控制排出的可燃物的流動。間隔202與處于其位置的流線對準。轉到圖13，圖中示出了燃燒循環(huán)的進氣階段。在比較圖13與圖10和12并理解如何獲得弧形排氣開口時，可以理解弧形進氣開口 142的形狀。如圖12所示，弧形進氣開口具有引導邊緣204，在仿形件30處于最大排氣位置時，該引導邊緣不會伸出到仿形件30上。弧形進氣開口具有底部邊緣206，如圖13所示，隨著仿形件經歷進氣階段，該底部邊緣基于仿形件在基板上的投影。進氣部的頂部邊緣的第一部分208延伸到島形件，而更大的第二部分210則不延伸。在壓縮階段(未示出)開始時，該更大的部分210跟隨仿形件內表面66。還提供了一系列孔212和角形間隔214以協(xié)助正確的燃料流。該間隔214在其位置時，沿著流線的方向延伸。上述輥子軸承178、180防止仿形件30在上述燃燒循環(huán)過程中扭轉和綁縛側密封件166、168和峰部密封件170、172。軸承178、180使密封件166-172以及仿形件30擺脫扭
轉力矩。對于IDAR進氣體積效率的改善可以在下述替代實施方式中實現。作為進氣端口136的替代方案，尺寸類似于圖10所示的孔212的小孔(未示出)可以成直角地穿過島形件的外表面58鉆設。這些孔將在先前公開的實施例中圓形進氣開口 140所處的區(qū)域鉆入島形件的沉孔132中。對應的沉孔218設置在前板沈中，并且通孔220設置在背板34中。這些孔的直徑大約為1/2英寸。如圖14所示，筒閥222插入前板開口 218中并插入由孔132形成的通道中，以控制更小的進氣孔的打開和關閉。具體來說，筒閥包括中空柱體224，該中空柱體帶有位于筒閥222的圓周相對側的兩組多個狹槽226、228(圖中示出每一組有7個狹槽)。這些狹槽垂直于筒閥縱軸線并且圍繞筒閥延伸整個筒閥圓周的四分之一。所述閥包括帶齒的頂盤230，該頂盤位于下沉凹槽218中并在其中轉動。齒輪230與位于第一下沉前板孔134中的曲軸(未示出)上相同的齒輪嚙合。通過這種嚙合，對于IDAR發(fā)動機的每一轉來說，筒閥222可以打開和關閉兩次。利用上述技術，可以實現體積效率比大于100%。替代的進氣構造包括最先公開的進氣部136和旋轉閥232，如圖15所示。該實施方式不包括位于仿形件外表面60上的較小的孔，但是包括額外的下沉前板孔218和背板通孔 220。旋轉閥232還包括帶齒的頂盤230、中空或者非中空的柱體234、和底盤236。底盤236抵靠背板底面，并且直徑足夠大，以延伸覆蓋圓形進氣開口 140。底盤236具有位于底盤236上圓周相對位置的兩個弧形開口 238J40。所述開口每一個大約占盤236面積的30 %到40 %。利用閥232，對于發(fā)動機每一轉來說，進氣部136借助盤開口 238、240打開和關閉兩次。進一步的替代實施方式在圖16和17中示出。在該實施方式中，背板34上的火花塞進入孔148不再需要。相反，在這種實施方式中，替代的移動仿形件242包括一個或多個沉孔對4，每個沉孔適于配合火花塞M6。所述仿形件的外側表面250上的孔244中的開口248為火花塞提供入口，而仿形件254的內表面上的開口 252允許電極256進入工作體積。天線(未示出)連接到火花塞連接部。較之將火花塞定位在背板上的固定位置，該替代實施方式提供能可靠預測的燃燒形式，即使仿形件運動速率不同的情況下。這是因為安裝在仿形件上的火花塞總是處于希望燃燒過程開始的精確位置。此外，沿著前板沈在燃燒區(qū)域附近放置連接到高壓線圈(未示出)的金屬板(未示出)，可以形成火花隙。隨著仿形件M2在高壓板附近移動，火花跳躍到運動的火花塞M8并經過火花塞到達火花塞間隙，以啟動燃燒過程。
在進一步的替代實施方式中，與排氣循環(huán)關聯(lián)的泵浦損失可以通過在背板的背面上的排氣端口 138處增加控制瓣閥258來改善，如圖18所示。在排氣循環(huán)過程中，所述仿形件經過排氣區(qū)域，然后保持排氣端口向大氣壓力打開。這樣增大了排氣時的泵浦摩擦，因為氣體并不是包含在一個運動方向上。具體來說，在不存在仿形件30的過程中，瓣閥密封排氣端口并且防止廢氣返回到發(fā)動機艙室內。在本發(fā)明的另一種實施方式中，旋轉閥(未示出)用于這一目的。在另一種替代實施方式中，仿形件經過改動，以存儲特定量的廢氣并且在進氣過程中將其與新的燃料混合。在排氣循環(huán)到進氣循環(huán)的過渡過程中，這將是希望的結果，目的是控制燃燒副產物的種類和數量?？梢愿膭右栽试S內部氣體再次循環(huán)的那種仿形件類似于圖17所示的仿形件M2。設置半球形的內表面開口 252，該開口不再終止于外側仿形件表面250的開口 248處，而是在仿形件內部終止，并且俘獲使用過的燃料。通過這種方式，預選數量的廢氣與新的燃料重新混合并用于控制燃燒溫度，以減少有害的污染物。作為替代，移動或者縮小排氣端口以使其無法排出全部燃燒過的燃料來實現再循環(huán)(例如，出口區(qū)域無法適應排出的質量流量)，由此在進氣過程中將剩余部分運輸到新的燃料中。如果不使用額外的閥，以及復雜的凸輪-軸定時，活塞式發(fā)動機無法實現這種效果，正如本領域所知。圖19是雙仿形件發(fā)動機組件的分解視圖，該組件包括原始仿形件30和相同的第二仿形件沈0。上述最初公開的實施方式中的各個方面與該替代實施方式相同。產生的結構等于雙閥發(fā)動機，即使僅采用了一個艙室。作為替代，利用圖20所示的背板沈2，在內燃機的技術類別之外，可以使用所公開的IDAR發(fā)動機發(fā)明。IDAR技術較之排量類似的活塞技術具有更為吸引人的機械到扭矩的傳遞性能。較之活塞技術，每單位排量輸出更多的有用功。鑒于此，僅使用IDAR膨脹循環(huán)(燃燒，而不存在火花引起的爆炸)和IDAR排氣循環(huán)，支撐性的進氣和壓縮循環(huán)發(fā)生在外部相連的裝置中，這樣提高了總體效率。此外，在這種應用中，由于仿形件仍然圍繞整個島形件運動，所以IDAR進氣和壓縮循環(huán)可以在相同的艙室中用作輔助IDAR膨脹和排氣循環(huán)。在技術上，這些應用僅采用了 IDAR膨脹和排氣循環(huán)來提供外燃發(fā)動機或者壓縮空氣電廠，而非內燃機。高壓空氣或者其它推進劑從外部相連的裝置供應，以產生仿形件的運動。為了實現這種替代配置，背板262包括兩個進氣孔沈4、沈6，所述進氣孔的尺寸類似于火花塞孔，為供應推動膨脹循環(huán)的高壓空氣的管道提供端口。還示出了兩個排氣端口沈6、沈8，它們出現在膨脹循環(huán)結束時。排氣端口如上所述設計。相對的端口基本上位于島形件相對的圓周端部，對于仿形件的每一整圈來說，允許在艙室中發(fā)生兩個完整的膨脹和排氣過程。就是說，由于在發(fā)動機中不發(fā)生進氣和壓縮過程(高壓空氣在發(fā)動機外由其他裝置產生)，所以這兩個循環(huán)作為第二膨脹和排氣循環(huán)而用于加倍。對于每360度轉動來說，仿形件將完成兩個膨脹循環(huán)和兩個排氣循環(huán)。圖21提供了替代的仿形件270和替代的前板272，原因將在下面描述。在第一公開仿形件30中，位于仿形件30的圓周相對端部162、164處的軸承178、180從仿形件40的前面向外伸出相同的距離并且它們具有相同的外徑。軸承178、180伸出超過前板外側邊緣56，該外側邊緣具有統(tǒng)一的徑向外輪廓56。仿形件的相對的圓周端部162、164不沿著精確相同的路徑圍繞島形件外表面58運動，因為島形件觀形狀不對稱。在仿形件圍繞島形件轉動時，它們與島形件外表面的輕微失準，要求峰部密封件向內或外移動，以適應這種輕微差異。為了讓峰部密封件在仿形件的圓周相對端部274、276處的不希望的行程最小，設置具有相互唯一特征的軸承278J80。就是說，較之位于仿形件270的拖尾圓周端276處的軸承280而言，位于仿形件270的引導圓周端274的軸承278從仿形件270的前面282伸出更遠并具有更大的外徑。為了接收這些軸承278J80，前板外邊緣282具有兩個不同的外側輪廓觀4、觀6，即外部輪廓284和內部輪廓觀6。外部輪廓284更接近前板后面，而內部輪廓286更接近前板前面觀8。前板外輪廓284徑向大于前板內輪廓286，并且外輪廓284設計成跟隨拖尾端軸承280的路徑。另一方面，內輪廓286設計成跟隨引導端軸承278的路徑。引導端軸承278和拖尾端軸承觀0的外徑設計成抵靠各輪廓觀6、觀4。引導軸承178的桿部290足夠長并且足夠細，以便將引導端軸承278抵靠內輪廓286定位而不使自身接觸前板272的外輪廓觀4。應該理解，哪個軸承278、280具有更長的桿部并不重要。在該實施方式中，重要的是前板具有能接收各軸承的外邊緣輪廓，而該輪廓跟隨各軸承278、280行進的路徑。這樣將減弱或者防止仿形件270在燃燒循環(huán)過程中發(fā)生所述不希望的運動。總之，以上公開實施方式用于沿著移動仿形件的側部安置一個或者多個輥子軸承，以使輥子軸承與前板外表面形成恒定接觸，以使該仿形件在圍繞固定的島形件轉動時，在艙室區(qū)域內回轉。燃燒室配置為依次層疊的多個部件，以形成整個IDAR，并且每一層通過一系列定位短柱或者連接件與其他層對準。在一個公開實施方式中，進氣端口通過島形件周邊上的一系列小孔來提供，這些小孔連接到行經島形件主體并且從艙室的背部引出的較大開口。在這種實施方式中，通過艙室的背部和島形件主體放置筒閥，以便連接和控制通過島形件配置的進氣孔的進氣流。在另一種公開實施方式中，通過艙室的背部和島形件的主體放置具有相連的桿部的旋轉閥，以連接和控制通過島形件配置的進氣口的進氣流。在另一種公開實施方式中，配置發(fā)動機，其中一個或多個火花塞安裝在移動仿形件中，使得連接到火花塞的連接點連接到天線，以便在其相對于靜止的高壓導體移動經過附近區(qū)域時拾取定時火花能量。在公開實施方式中，使用了峰部密封件，該峰部密封件接觸前板和背板的表面。在一種公開實施方式中，瓣閥安裝在發(fā)動機艙室的背側，覆蓋排氣端口，以打開和關閉排氣端口。在另一種公開實施方式中，旋轉閥安裝在發(fā)動機艙室的背側，覆蓋排氣端口，以打開和關閉排氣端口。在另一種公開實施方式中，凹形仿形件表面的面對島形件表面的一部分被去除，以便直接在排氣和進氣循環(huán)之間產生內部氣體再循環(huán)過程。因此，顯示了對逆位移非對稱旋轉(IDAR)內燃機的改進。描述了簡化組裝過程并改善發(fā)動機內公差的發(fā)動機艙室設計改進方案。描述了對仿形件設計的改進，以消除側部密封件和峰部密封件上的應力并且改進發(fā)動機的壓縮、功能可重復性并且延長了發(fā)動機壽命。討論了對端口設計的改進，對進氣和排氣以及兼容的閥設計的改進，以提高每個循環(huán)的性能。在IDAR技術的另一種公開實施方式中，公開了擴展用途，涉及使用其他技術以使IDAR作為發(fā)電廠來工作，同時現有技術向IDAR發(fā)電廠提供高壓空氣源或者燃料和空氣的混合物。在這種情況下，IDAR技術作為外燃式發(fā)電廠操作，諸如利用壓縮空氣而非內燃機作為動力。雖然以上公開了本發(fā)明的若干實施方式，但是本發(fā)明不應該受此限制。實際上，應該理解，本領域技術人員能設計出眾多結構，雖然未具體顯示或者描述，但是這些結構將體現本發(fā)明的原理并且落入本發(fā)明的范圍。對于上述方案改動對于本領域技術人員是顯而易見的，但是不會讓如此改動的本發(fā)明超出附帶的權利要求書的范圍。
權利要求
1.一種包括艙室的逆位移非對稱旋轉發(fā)動機，所述艙室包括具有島形件外表面的靜止島形件，所述外表面為細長的凸起形狀，所述島形件包括與所述島形件中心隔開的曲軸端口；連接到所述島形件的前表面的前板；凹形移動仿形件，所述仿形件被向著所述島形件外表面偏壓并且所述仿形件圍繞所述島形件回轉，在所述仿形件的內表面和所述島形件外表面之間限定一工作體積；和至少一個前板接合軸承，所述軸承從所述移動仿形件的前表面延伸并且越過所述前板的引導邊緣，所述前板接合軸承在燃燒循環(huán)過程中接合所述引導邊緣。
2.如權利要求1所述的發(fā)動機，其特征在于，所述仿形件包括兩個前板接合軸承，它們設置在所述仿形件的相對的各圓周端部。
3.如權利要求2所述的發(fā)動機，其特征在于，所述兩個軸承包括引導端軸承和拖尾端軸承，所述軸承其中之一較之所述軸承其中另一個從所述移動仿形件的所述前表面延伸得更遠；和所述前板引導邊緣包括兩個具有不同輪廓的引導邊緣，所述引導邊緣中的第一個安置其中一個所述軸承，所述引導邊緣中的第二個安置所述側部軸承中的另一個。
4.如權利要求2所述的發(fā)動機，其特征在于，所述艙室進一步包括輪圈內表面，所述靜止島形件至少一部分和所述仿形件位于所述輪圈內表面中；用于接合所述輪圈內表面的軸承，所述軸承從所述移動仿形件的外表面延伸；其中所述輪圈內表面構造成向所述島形件偏壓所述仿形件，由此所述前板接合軸承接合所述引導邊緣。
5.如權利要求4所述的發(fā)動機，進一步包括包含進氣端口和排氣端口的背板；所述排氣端口包括弧形形狀，在所述工作體積處于所述燃燒循環(huán)的排氣階段時，該弧形形狀至少部分地由所述工作體積在所述背板上的投影來限定。
6.如權利要求5所述的發(fā)動機，其特征在于，所述進氣端口包括弧形形狀，當所述工作體積處于所述燃燒循環(huán)的進氣階段時，所述弧形形狀至少部分地由所述工作體積在所述背板上的投影限定。
7.如權利要求5所述的發(fā)動機，其特征在于，所述發(fā)動機包括兩個進氣端口和兩個排氣端口，所述進氣端口位于所述島形件的相對的圓周端，并且所述排氣端口位于所述島形件的另外的相對的圓周端；和燃燒不在所述艙室中發(fā)生。
8.一種根據權利要求7所述的發(fā)動機的壓縮空氣驅動的發(fā)動機。
9.如權利要求6所述的發(fā)動機，其特征在于，所述弧形形狀包括流線控制結構。
10.如權利要求6所述的發(fā)動機，其特征在于，所述弧形形狀銑削成輔助背板，所述輔助背板定位在所述背板上。
11.如權利要求6所述的發(fā)動機，其特征在于，所述移動仿形件進一步包括接合所述前面和所述背板的側面密封件；和圓周相對的峰部密封件，在所述仿形件被向著所述島形件偏壓時，所述峰部密封件接合所述島形件外表面。
12.如權利要求8所述的發(fā)動機，其特征在于，所述峰部密封件為鑄鐵。
13.如權利要求6所述的發(fā)動機，其特征在于，所述背板包括火花塞接收端口，所述火花塞接收端口位于發(fā)生所述燃燒循環(huán)的壓縮階段的預定區(qū)域中。
14.如權利要求4所述的發(fā)動機，其特征在于，所述移動仿形件包括火花塞接收端口，所述火花塞接收端口穿過所述仿形件內表面延伸，由此火花塞電極進入所述工作體積。
15.如權利要求4所述的發(fā)動機，包括穿過所述島形件的厚度銑削的閥通道；從所述閥通道穿過所述島形件外表面進一步銑削的一個或多個開口 ；和開狹槽的筒閥，所述筒閥旋轉地定位在所述閥通道中，由此燃料有選擇地輸送到所述工作體積中。
16.如權利要求15所述的發(fā)動機，其特征在于，所述筒閥包括齒輪盤，該齒輪盤直接或間接嚙合所述曲軸端口中的曲軸，由此所述仿形件在所述艙室中的運動轉動所述筒閥以便向所述工作體積有選擇地輸送燃料。
17.如權利要求6所述的發(fā)動機，包括穿過所述島形件的厚度的閥端口和旋轉地定位在所述閥端口中的旋轉閥，由此在所述燃燒循環(huán)過程中，所述進氣端口被有選擇地覆蓋和打開。
18.如權利要求17所述的發(fā)動機，其特征在于，所述旋轉閥包括具有多個開口的盤，所述盤抵靠所述背板定位并且延伸越過所述進氣端口。
19.如權利要求18所述的發(fā)動機，其特征在于，所述旋轉閥包括齒輪盤，所述齒輪盤直接或間接嚙合所述曲軸端口中的曲軸，由此所述仿形件在所述艙室中的運動轉動所述旋轉閥，以便在所述燃燒循環(huán)過程中有選擇地覆蓋和打開所述進氣端口。
20.如權利要求4所述的發(fā)動機，其特征在于，所述仿形件包括允許廢氣再循環(huán)的再循環(huán)端口。
21.如權利要求6所述的發(fā)動機，進一步包括控制閥，所述控制閥設置在所述背板的背面上的所述排氣端口處，用于密封所述排氣端口，除非所述燃燒循環(huán)處于排氣階段。
22.如權利要求21所述的發(fā)動機，其特征在于，所述控制閥是瓣閥。
23.如權利要求21所述的發(fā)動機，其特征在于，所述控制閥是旋轉閥。
24.如權利要求4所述的發(fā)動機，其特征在于，包括多個移動仿形件。
25.如權利要求6所述的發(fā)動機，其特征在于，所述背板和所述輪圈外表面具有相同形狀。
全文摘要
提供了一種包括艙室的逆位移非對稱旋轉發(fā)動機。所述艙室包括具有島形件外表面的靜止島形件。所述外表面為細長的凸起形狀。所述島形件包括與所述島形件中心隔開的曲軸端口。所述艙室包括連接到所述島形件的前表面的前板。凹形移動仿形件包括在內，所述仿形件被向著所述島形件外表面偏壓并且所述仿形件圍繞所述島形件回轉。工作體積限定在所述仿形件的內表面和所述島形件外表面之間。設置至少一個前板接合軸承，所述軸承從所述移動仿形件的前表面延伸并且越過所述前板的引導邊緣。所述前板接合軸承在燃燒循環(huán)過程中接合所述引導邊緣。
文檔編號F01C1/22GK102575522SQ201080013906
公開日2012年7月11日 申請日期2010年3月25日 優(yōu)先權日2009年3月25日
發(fā)明者威廉·R.·安德森, 約瑟夫·B.·伍爾德里奇, 邁克爾·W.·羅奇 申請人:盧門紐姆公司