TWI589769B - 循環活塞式引擎 - Google Patents

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Description

循環活塞式引擎
本發明係關於循環活塞式引擎。
習知活塞式引擎包括多個用於驅動曲柄軸的氣缸總成。為了驅動曲柄軸，各個氣缸總成需要燃料，諸如經由燃料噴射器由燃料泵提供。在操作期間，各個氣缸總成的火星塞對自燃料噴射器接收的燃料/空氣混合物點火，並使混合物膨脹。已點火混合物的膨脹使氣缸總成的活塞在氣缸總成外殼內位移以旋轉曲柄軸。
相比習知活塞式引擎，本發明實施方式係關於循環活塞式引擎。在一種佈置中，循環活塞式引擎包括外殼，該外殼界定圍繞其外周邊延伸的環形孔，且包括安置於孔內且緊固至驅動機構或驅動軸的一組活塞。引擎亦包括可移動地安置於孔內的一組閥，各個閥經建構以界定相對於對應活塞的臨時燃燒腔室。
在操作期間，當安置於第一位置時，各個閥界定相對於對應活塞的燃燒腔室，燃料噴射器將氣體/空氣混合物引入腔室，且火星塞對混合物進行點火。混合物的燃燒對各個活塞產生對應力(例如，沿著環形孔的實質上切線方向，而環形孔沿著驅動器機構的旋轉方向)且在環形孔內 推進活塞向前。當各個活塞朝向下一安置閥前進時，各個閥在環形孔內移動至第二位置，以便允許各個閥旋轉通過對應閥。接著，引擎將孔內的各個閥再定位至第一位置，以便與對應活塞界定燃燒腔室，且程序再次開始。因此，當該組活塞環繞引擎周邊旋轉時，驅動機構產生相對大扭矩，諸如約4500ft-lbs的平均扭矩。點火時，驅動機構可產生約10,000ft-lbs的扭矩。此等扭矩由各個活塞與驅動機構之間的相對大力臂以及施加至各個活塞的90°方向的力產生。
在一種佈置中，由引擎外殼界定的環形孔具有相對大的周長。在操作期間，當由活塞劃分時，此舉導致相對長的衝程距離，該距離利用燃燒腔室內燃料/空氣混合物的燃燒所產生能量的高百分比。另外，活塞在環形孔內實質上連續的運動縮短各個活塞暴露至燃燒熱量的持續時間，藉此向引擎提供相對高的熱效率(例如，相對於基於曲柄軸的引擎)。另外，引擎的燃料遞送系統的建構允許燃料在與燃燒程序分開但並行的程序中遞送至引擎。此實際上形成單個循環引擎，其中燃燒程序實質上連續，且其中引擎的動力輸出可相對於習知引擎增大(例如，於800RPM時，增大至約685的馬力)。因此，引擎建構使得燃料以更精確的比率遞送、燃料/空氣混合物的燃燒更完全，及相比習知活塞式引擎較短的高溫時間。此可減少引擎所產生的且作為排放部分的輸出的污染物量，且可增加引擎效率，諸如達到約60%的效率。
在一種佈置中，本發明實施方式係關於一種引擎，諸如循環活塞式引擎。引擎包括界定一環形孔的外殼、一活塞總成及一閥。活塞總成安置於環形孔內且經建構以連接至驅動機構。閥經建構以間歇性地安置 於環形孔內，以便界定相對於活塞總成的燃燒腔室。
10‧‧‧循環活塞式引
12‧‧‧外殼
14‧‧‧環形孔
15‧‧‧半徑
16‧‧‧活塞總成
18‧‧‧閥總成
20‧‧‧驅動機構
21‧‧‧旋轉軸線
22‧‧‧飛輪
24‧‧‧活塞
24-1‧‧‧第一活塞
24-2‧‧‧第二活塞
24-3‧‧‧第三活塞
24-4‧‧‧第四活塞
25‧‧‧大體矩形截面區域
26‧‧‧燃燒腔室
26-1‧‧‧第一燃燒腔室
26-2‧‧‧第二燃燒腔室
26-3‧‧‧第三燃燒腔室
26-4‧‧‧第四燃燒腔室
27‧‧‧矩形截面區域
30‧‧‧閥
30-1‧‧‧第一閥
30-2‧‧‧第二閥
30-3‧‧‧第三閥
30-4‧‧‧第四閥
32‧‧‧燃料噴射器
34‧‧‧燃料-空氣混合物
36‧‧‧負荷
38-1‧‧‧排放埠
38-2‧‧‧排放埠
38-3‧‧‧排放埠
38-4‧‧‧排放埠
118‧‧‧閥總成
129‧‧‧外殼
130‧‧‧閥
133‧‧‧燃料源埠
135‧‧‧通道
137‧‧‧艙壁部分
139‧‧‧方向
141‧‧‧開口
155‧‧‧觸發總成
157‧‧‧第一臂
158‧‧‧第一末端
159‧‧‧第二臂
160‧‧‧第二末端
162‧‧‧第一線性正向負荷
164‧‧‧第二線性正向負荷
165‧‧‧凸輪總成
170‧‧‧共軛栓槽筒件凸輪
172‧‧‧縱向軸線
174‧‧‧搖桿臂
176‧‧‧觸發元件
180‧‧‧剖面
182‧‧‧上升部分
184‧‧‧下降部分
186‧‧‧暫停部分
188‧‧‧第一凸輪隨動件
190‧‧‧第二凸輪隨動件
192‧‧‧滑動/樞轉接頭
194‧‧‧縱向軸線
195‧‧‧振盪槓桿
196‧‧‧菱形銷
197‧‧‧彈簧機構
198‧‧‧方向
199‧‧‧距離
200‧‧‧壓縮器
202‧‧‧變速箱系統
204-1‧‧‧第一皮帶
204-2‧‧‧第二皮帶
206-1‧‧‧第一齒輪
206-2‧‧‧第二齒輪
207‧‧‧壓縮器軸
209‧‧‧軸
231‧‧‧閥支撐件
233‧‧‧旋轉軸線
235‧‧‧第一末端
237‧‧‧第二末端
239‧‧‧旋轉軸線
241‧‧‧第一旋轉負荷
243‧‧‧第二旋轉負荷
250‧‧‧空氣進氣總成
252‧‧‧外殼
254‧‧‧空氣進氣埠
255‧‧‧觸發總成
256‧‧‧洩放管線
257‧‧‧外殼體積
258‧‧‧空氣輸出埠
262‧‧‧燃料分配總成
263‧‧‧總成外殼
264‧‧‧旋轉路徑
265‧‧‧撓曲閥
266‧‧‧第一打開位置
267‧‧‧懸置燃料
270‧‧‧驅動總成
272‧‧‧軸
274‧‧‧齒輪
276‧‧‧齒件
278‧‧‧板件
280‧‧‧縱向軸線
282‧‧‧孔徑
自本發明特定實施方式的以下描述，可顯而易見上述及其他目標、特徵及優勢，如附隨圖式中所例示的，附圖中類似元件符號指代不同視圖中的相同元件。圖式並未按比例繪製，而只是強調例示本發明各個實施方式的原理。
圖1例示根據一種佈置引擎的頂部截面示意圖，其中引擎的活塞總成安置於第一位置。
圖2A例示根據一種佈置圖1環形孔部分的部分截面圖。
圖2B例示根據一種佈置圖2A環形孔部分的部分截面圖。
圖3例示根據一種佈置圖1引擎的頂部截面示意圖，其中引擎的活塞總成安置於第二位置。
圖4例示根據一種佈置圖1閥佈置的前視圖。
圖5例示根據一種佈置圖4閥的後視圖。
圖6例示根據一種佈置安置於引擎中的圖4閥。
圖7A例示根據一種佈置連接至圖4閥的觸發機構佈置。
圖7B例示根據一種佈置圖7A搖桿臂的透視圖。
圖8例示圖6引擎的壓縮器佈置。
圖9A例示根據一種佈置空氣進氣總成的俯視示意圖。
圖9B例示圖9A空氣進氣總成的可旋轉板件的透視剖視圖。
圖9C例示圖9B空氣進氣總成及燃料分配總成的示意圖。
圖10例示安置於閥與栓槽筒件凸輪之間的搖桿臂的透視 圖。
本發明實施方式係關於循環活塞式引擎。在一種佈置中，循環活塞式引擎包括外殼，該外殼界定圍繞其外周邊延伸的環形孔，且包括安置於孔內且緊固至驅動機構或驅動軸的一組活塞。引擎亦包括可移動地安置於孔內的一組閥，各個閥經建構以界定相對於對應活塞的臨時燃燒腔室。
圖1例示根據一種佈置循環活塞式引擎10的頂部截面示意圖。引擎10包括外殼12，該外殼12界定環形通道或孔14，且含有活塞總成16及閥總成18。
環形孔14安置於外殼12的外周邊。儘管環形孔14可以各種尺寸建構，在一種佈置中，環形孔14經建構為相對於活塞總成16旋轉軸線21具有約12英吋的半徑15。如下文將描述的，藉由此類建構，環形孔14的相對大半徑15將引擎燃燒腔室安置於距旋轉軸線21最大距離處，且允許活塞總成對安置於旋轉軸線上的相關聯驅動機構20(諸如，驅動軸)產生相對大扭矩。
環形孔14可建構有各種形狀的橫截面。舉例而言，參閱圖2B，在活塞總成16的活塞24經建構以界定大體矩形截面區域25的情況下，環形孔14亦可界定對應的矩形截面區域27。在此類佈置中，環形孔14的截面區域27大於活塞24的截面區域25，以便允許在操作期間活塞24在環形孔14內行進。
返回圖1，在所例示的佈置中，活塞總成16安置於環形孔 14內，且經由飛輪22連接至驅動機構20。儘管活塞總成16可包括任何數目個個別活塞24，在所例示的佈置中，活塞總成16包括圍繞飛輪22的周邊安置的四個活塞24-1至24-4。儘管活塞24可圍繞飛輪22的周邊安置於各個定位處，在一種佈置中，相對活塞安置為相對於彼此成約180°角定向，且相鄰活塞安置為相對於彼此成約90°角定向。舉例而言，如所例示，第一活塞24-1和第三活塞24-3相對於彼此以約180°安置於飛輪22上，而第二活塞24-2和第四活塞24-4相對於彼此以約180°安置於飛輪22上。另外，第一活塞24-1和第二活塞24-2以約90°相對角定向安置於飛輪22上，第二活塞24-2和第三活塞24-3以約90°相對角定向安置於飛輪22上，第三活塞24-3和第四活塞24-4以約90°相對角定向安置於飛輪22上，且第四活塞24-4和第一活塞24-1以約90°相對角定向安置於飛輪22上。
在操作期間，活塞總成16的活塞24經建構以在環形孔14內旋轉。如所例示，活塞24經建構以在環形孔14內沿順時針方向旋轉。然而，應注意的是，活塞亦可在環形孔14內以逆時針方式旋轉。此類旋轉引起驅動機構20旋轉。
閥總成18包括一組閥30，該組閥30經建構以界定相對於活塞總成16的各別活塞24的燃燒腔室26。舉例而言，儘管閥總成18可包括任何數目個個別閥30，在所例示的佈置中，閥總成18包括安置於外殼12的環形孔14內的閥30-1至30-4。儘管閥30可圍繞外殼12的周邊安置於各個定位處，在一種佈置中，相對閥安置為相對於彼此成約180°角定向，且相鄰閥安置為相對於彼此成約90°角定向。舉例而言，如所例示，第一閥30-1和第三閥30-3相對於彼此以約180°圍繞外殼12的周邊安置，而第二閥30-2 和第四閥30-4相對於彼此以約180°圍繞外殼12的周邊安置。另外，第一閥30-1和第二閥30-2以約90°相對角定向圍繞外殼12的周邊安置，第二閥30-2和第三閥30-3以約90°相對角定向圍繞外殼12的周邊安置，第三閥30-3和第四閥30-4以約90°相對角定向圍繞外殼12的周邊安置，且第四閥30-4和第一閥30-1以約90°相對角定向圍繞外殼12的周邊安置。在此類佈置中，閥總成18的閥30的相對定位對應於活塞總成16的活塞24的相對定位。
閥總成18的各個閥30可移動地安置於環形孔14內，以形成相對於對應活塞24的臨時燃燒腔室26。舉例而言，在操作期間，活塞總成16的各個活塞24在環形孔14內且朝向閥總成18的閥30旋轉。以活塞24-1及閥30-1為例，且參閱圖2A，當活塞24-1在環形孔14內自相對於對應閥30-1的遠端位置轉移至近端位置時，閥30-1安置於相對於環形孔14的第一位置。在第一位置，閥30-1至少部分地自環形孔14內活塞24-1的行進路徑撤回，以允許活塞24-1沿其行進路徑前進。參閱圖2B，當活塞24-1達到環形孔14內的給定定位(例如，一旦活塞24-1已通過閥30)，閥30-1移動至相對於環形孔14的第二位置(例如，移動至關閉位置)，諸如例示。藉由此類定位，閥30-1界定相對於活塞24-1的燃燒腔室26-1，且經建構為燃燒可藉以工作以便產生動力的艙壁。
舉例而言，在各個閥30如圖1所指示安置於關閉位置的情況下，燃料噴射器32隨後將燃料-空氣混合物34遞送至相關聯燃燒腔室26，且隨後由諸如火星塞的點火設備(未圖示)點火。當點火設備以實質上同時的方式對所有四個燃燒腔室26-1至26-4中的燃料-空氣混合物34點火時，燃料-空氣混合物34抵靠各個閥30-1至30-4而膨脹以對對應活塞24-1 至24-4中的每一者產生負荷36，以便沿著環形孔14所界定的旋轉行進路徑推進各個活塞24-1至24-4。
參閱圖3，活塞24-1至24-4中的每一者在孔14內沿著相對大衝程距離(諸如，約12英吋與15英吋之間的距離)朝向下一閥30行進。在孔14內的特定點處，諸如如圖1所例示的衝程長度13的末端，各個活塞24通過對應排放埠38(亦即，安置於下一閥30遠端)，該排放埠38將腔室26內所含有的廢氣排至大氣。舉例而言，當活塞24-1通過排放埠38-1時，活塞24-1與閥30-1之間的腔室26-1內所含有的廢氣可經由排放埠38-1排出腔室26-1。
在一種佈置中，排放埠38經建構為被動埠，該等埠朝向大氣打開且並不要求機械元件。在一種佈置中，各個排放埠38經建構為相對大，以便向引擎10提供有效排放。舉例而言，活塞24與閥30之間的衝程距離，諸如約12英吋與15英吋之間的衝程距離，可形成各個排放埠38的部分，以便增大埠38的總長度。
另外，當各個活塞24接近後續安置的閥30，各個閥30自相對於對應活塞24的第二關閉位置(圖1及圖2B)移動至第一位置(圖3及圖2A)。舉例而言，當活塞24-1接近閥30-2時，閥30-2至少部分地自孔14撤回，以允許活塞24-1移動通過發30-2。一旦活塞24中的每一者已平移至對應閥30遠端位置，對應閥30移動至第一位置，且程序再次開始。因此，在操作期間，每個回轉引擎10可產生多至十六個燃燒事件(亦即，單個回轉中四個活塞24中的每一者經歷多至四個燃燒事件)，藉此使活塞總成16相對於驅動機構20旋轉。
使用時，活塞24及閥總成16安置於引擎外殼12的外徑處，諸如距驅動機構20約十二英吋的距離處。沿著旋轉方向的切線方向及垂直於距離驅動機構20的距離15的方向向活塞24施加燃燒力，此類燃燒力可使驅動機構20上的扭矩最大。另外，活塞24相對長的衝程路徑，排放埠38的存在，以及引擎10客製化孔14中產生的燃燒事件的數目的能力可增強引擎10的效能。舉例而言，引擎10可生成具有相對高扭矩(例如，約4500ft-lbs的平均扭矩)的相對大量的持續動力(例如，以800RPM約685的馬力)，以及相對於效率為約25-30%的習知引擎的高效率(例如，約60%的效率)。
在一種佈置中，相比當前引擎，引擎10的操作可大幅減少污染物。舉例而言，相對長衝程距離以及其他因素可減少燃燒腔室26中所含有的未燃燒碳氫化合物及一氧化碳。氧化氮亦應減少，因為燃燒期間形成的氧化氮量與溫度及暫停時間成比例。活塞24在孔14內的快速及連續運動可減少此種形成，從而暫停時間將減少。
如上文所指示的，引擎10可產生相對大量的扭矩(例如，為習知引擎所產生扭矩的15倍)。在習知活塞式引擎中，需要複雜6速(及較大)變速箱來倍增引擎扭矩以供足夠效能，而此添加變速箱的重量、損耗及複雜性。然而，因為上文所描述的引擎10產生相對較大量的扭矩，引擎要求相對於習知引擎的較小齒輪比，且因此利用較輕及較便宜的變速箱。
應注意的是，引擎10所產生的相對大扭矩可由引擎10內燃燒事件(亦即，活塞30及起爆機構的點燃序列)的調整來管理。舉例而言，每個回轉各個活塞24可經歷四次燃燒，以使得每個回轉整個活塞總成16 經歷一共十六次燃燒。為了必要時控制引擎10的動力及輸出扭矩，每個回轉引擎10可點燃一次至十六次中的任何次數。舉例而言，燃燒腔室26佈置為圍繞周邊，且可取決於彼此而點燃。此舉允許每個回轉燃燒事件點燃一次至十六次，以便調整環形孔內活塞24的速度及調整引擎10所產生的動力或輸出扭矩。引擎10的此類建構對比習知引擎中的節流閥的使用，該節流閥管理空氣的流動且相對低效。
如上文所指示的，閥總成18的各個閥30可移動地安置於環形孔內，以便形成相對於對應活塞24的臨時燃燒腔室26。閥成18及閥30可以各種方式建構，以便提供此類臨時燃燒腔室的形成。圖4至圖7例示閥總成118的一種佈置，其中閥130經建構以在孔14內往復。
在一種佈置中，閥總成118包括外殼129，其中閥130可旋轉地連接至外殼129。閥130經建構以在外殼129內在第一位置與第二位置之間樞轉，其中第一位置允許活塞24在環形孔14內行進以通過閥130，而第二位置界定相對於活塞24的燃燒腔室26。舉例而言，閥130經建構有界定相對於外殼10環形孔14的通道135的凹口。當閥130安置於第一位置，如圖4及圖5所指示，通道135經建構以允許活塞24在環形孔14內在閥總成118遠端的第一位置(諸如圖3中閥30-1相對於活塞24-4所指示的)與閥總成118近端的第二位置之間行進。當閥130在外殼129內沿著方向139樞轉或旋轉時，閥130的艙壁部分137進入環形孔14，以便與活塞24界定燃燒腔室26，如圖6所例示。
在一種佈置中，引擎10燃料噴射器32的部分與閥130整體地形成。舉例而言，參閱圖4至圖6，閥129包括燃料源埠133，該埠133 安置為與閥130所界定的一組開口141(參見圖7A)及燃料源及空氣源或空氣進氣總成250(參見圖6及圖9A至圖9C)流體連通。在操作期間，閥130經建構以將來自燃料源的燃料及來自空氣源250的空氣組合為燃燒腔室26內的燃料-空氣混合物，如圖6所例示。
在一種佈置中，閥130在外殼129內的旋轉可控制燃料及空氣自燃料源埠133至閥130的該組開口141的遞送，且隨後至燃燒腔室26的遞送。舉例而言，當閥130安置於第一位置時，如圖4及圖5所指示，該組開口141與外殼129的壁對準，以便以流體方式使該組開口141與燃料源埠133去連接。在此類佈置中，外殼129的壁阻斷燃料及空氣自燃料源及空氣源250至開口141的遞送。因此，當活塞24旋轉通過閥130時，閥130無法將燃料或空氣遞送至環形孔14。當閥130旋轉至第二位置，如圖6所例示，該組開口141與燃料源及空氣源250對準，且經由燃料源埠133與燃料源及空氣源250流體連通。因此，藉由此類定位，閥130可將燃料及空氣導向活塞24與閥130之間界定的燃燒腔室26。
閥130自第二關閉位置至第一打開位置的致動，利用同步致動機構以限制或防止在操作期間循環活塞24與閥閥130之間的機械接觸。習知引擎利用凸輪及凸輪隨動件來驅動閥至打開位置，且利用重負載返回彈簧來將閥移動至關閉位置。然而，習知引擎中的返回彈簧可引起歸因於返回彈簧在高操作頻率下的共振而產生的問題。當引擎的操作頻率配合彈簧的自然頻率時，彈簧中發生共振，此舉可將閥安置於不同於凸輪動作所預定位置的位置。
另外，共振可引起熟知為閥浮動的現象。在此類共振振盪的 情況下，返回彈簧並不具有足夠的儲存能量以加速閥的質量。結果，閥有效地在實質上靜止的位置浮動。因此，當凸輪隨動件離開並再接觸凸輪表面時，凸輪隨動件與凸輪面之間的接觸產生接觸應力，已知為von Mises應力。若接觸應力超出凸輪表面的屈服強度，則凸輪表面可發生撓曲(gaulling)。
儘管閥130可以各種方式在外殼129內致動，在一種佈置中，為了使閥的可能共振所引起的問題最少，閥總成118包括觸發總成155，如圖4、圖5及圖7A所示，該觸發總成155經建構以觸發外殼129內的閥130。觸發總成155經建構以當將閥130定位於第一位置與第二位置之間時向閥130施加正向負荷(亦即，向閥130的相對末端施加推動/推動動作)。舉例而言，參閱圖7A，觸發總成155可包括第一臂157及第二臂159，其中第一臂157連接至閥130第一末端158，且第二臂159連接至閥130第二末端160。在操作期間，第一臂157經建構以沿著正向位移方向向閥130第一或遠端末端158產生第一線性正向負荷162以便朝向第一位置樞轉閥130，如圖4及圖5所例示。此外，在操作期間，第二臂159經建構以沿著正向位移方向向閥130第二或遠端末端160產生第二線性正向負荷164以便朝向第二位置樞轉閥130，如圖6所例示。
觸發總成155可以各種方式致動。在一種佈置中，如圖7A所例示，觸發總成155的臂157、159連接至凸輪總成165，該凸輪總成165包括諸如共軛栓槽筒件凸輪170的筒件凸輪、搖桿臂174及連接於搖桿臂174與第一臂157及第二臂159之間的觸發元件176。
共軛栓槽筒件凸輪170界定各個閥130的栓槽剖面180。凸 輪170的剖面180包括上升部分182、暫停部分186及下降部分184，該下降部分184界定在操作期間閥130的相對移動。在操作期間，當凸輪圍繞縱向軸線172旋轉時，剖面180經由搖桿臂174及觸發元件176給予閥130振盪運動。
搖桿臂174經建構以將剖面180的運動轉換為觸發元件176的往復運動。舉例而言，搖桿臂174包括第一凸輪隨動件188及第二凸輪隨動件190，各自安置於凸輪170的剖面180附近。搖桿臂174包括滑動/樞轉接頭192，該接頭192回應於搖桿臂174的運動而圍繞縱向軸線194致動觸發元件176。因為觸發元件176的總體角運動被平均地二等分，當一個臂或推動桿157在一個方向上移動時，另一臂或推動桿159在相反方向上位移相同量。因此，凸輪總成165達成打開及關閉燃燒閥130時操作期間的實質上零後退。
在操作期間，當共軛栓槽筒件凸輪170圍繞軸線172旋轉時，凸輪170的栓槽剖面或元件180致動臂157、159以於第一位置與第二位置之間驅動閥130。舉例而言，凸輪剖面180驅動閥130至打開位置，且當活塞24通過時維持打開，且隨後當活塞24已通過時驅動閥130至關閉位置。
在一種佈置中，為了增大觸發總成155及凸輪總成165的耐久性及較低摩擦損失，所有接頭可建構為滾筒軸承，該等滾筒軸承可經受壓力潤滑或安置於燃油浴。在一種佈置中，捕獲凸輪剖面180的兩個凸輪隨動件188、190由順應材料製成以慮及在操作期間搖桿臂174、兩個凸輪隨動件188、190及搖桿臂174的相對樞轉位置的容限欠匹配。
儘管容限可保持標準，以最小化或防止後退，此類標準化可增大製造製程的成本。在一種佈置中，為了限制容限標準的使用，且參閱圖7B，第二凸輪隨動件190經由菱形銷196緊固至振盪槓桿195。振盪槓桿195又經由彈簧機構197連接至搖桿臂174。菱形銷196允許第二凸輪隨動件190在一個方向198上的相對小幅移動，而維持第一凸輪隨動件188的位置。在圖7B所示的應用中，菱形銷196允許凸輪隨動件188、190之間的距離199由壓縮力恆定地調整，但維持第二凸輪隨動件190相對於其自身樞轉點的徑向位置。因此，在第一凸輪隨動件188及第二凸輪隨動件190經建構以抵靠栓槽剖面180施加預負荷力的情況下，作為凸輪總成165部分的搖桿臂174使容限標準的使用最少。
觸發總成155及凸輪總成165中缺失彈簧確保，閥位置由凸輪剖面180嚴格控制，該凸輪剖面對引擎10功能很重要，且可限制或防止循環活塞24與閥130之間的任何接觸。在歸因於統計失效發生接觸的情況下，閥130經設計以在與循環活塞24相同的方向上移動，且很有可能在失效的情況下安置於關閉位置。
習知引擎利用四個階段或循環來產生動力。此等循環包括經由活塞回縮所形成的閥系統提供空氣機燃料的進氣的進氣循環，壓縮空氣及燃料的後續壓縮循環，點火/燃燒/動力循環，及經由分開的閥系統強迫地排放燃燒副產物的排放循環。四個階段藉由引擎氣缸內所含有的活塞以順序方式執行。
在習知活塞式引擎中，氣缸內所含有的空氣及燃料混合物的燃燒所形成的熱氣體的壓力可形成漏氣，其中熱氣體及其腐蝕性副產物被 迫通過活塞環至引擎內部。當氣體及副產物通過進入引擎時，氣體及副產物可燃燒氣缸內所含有的部分潤滑油，藉此增大污染物形成及燃油供應的腐蝕。因此，習知引擎要求相對頻繁的燃油更換。另外，習知活塞式引擎並未慮及相對高的壓縮比率，此是因為相對長暫停時間所引起的所得爆震/自動點火，此可損壞活塞機氣缸壁。
參閱圖8，引擎10可包括壓縮器200，該壓縮器200經建構以執行進氣循環以將空氣及燃料遞送至引擎10中，及執行壓縮循環以壓縮空氣及燃料。壓縮器200獨立於閥及活塞總成16、18所執行的動力及排放循環而執行此等循環。藉由分開壓縮程序與燃燒程序，如習知引擎中所實踐的，壓縮器200允許引擎10僅使用空氣壓力而開始操作。舉例而言，壓縮器200可經建構以將來自貯存器的受壓空氣***至活塞24與關閉的前一閥30之間的燃燒腔室26。此類噴射將活塞24移動至環形孔14中的下一點以供再點火。為了確保活塞24的適當定位，當引擎10關閉時可向飛輪22施加小幅制動，以便確活塞24的適當定位以供重新開始。因此，將壓縮器200用作引擎的一部分，可使得對啟動器馬達(如習知引擎中所實踐的)的需要最小或免除需要，且可減小與引擎10相關聯的總體尺寸、重量及成本。
在一種佈置中，壓縮器與引擎同步操作。舉例而言，壓縮器200經由變速箱系統202連接至由引擎10提供動力的驅動機構20。變速箱系統202可建構為皮帶及齒輪系統，該皮帶及齒輪系統包括一組皮帶204-1、204-2及對應齒輪206-1、206-2。如所例示，第一皮帶204-1可操作地連接至引擎10的驅動機構或驅動軸20且連接至第一齒輪206-1，第二皮帶204-2可操作地連接至第二齒輪206-2且連接至壓縮器軸207，且第一齒 輪206-1經由軸209可操作地連接至第二齒輪206-2。在一種佈置中，為了覆蓋每小時約0至155英里(mph)的速度範圍，可利用約1.00：1(例如，提供約60mph)與2.57：1(例如，提供約155mph)之間的齒輪比(亦即，包括後部及變速箱後部)。此類建構可利用後部齒輪比為1：1且第一齒輪比亦為1：1的四速變速箱。此係與具有自第一齒輪為12.23：1(例如，最大30mph)至第六齒輪為2.81：1(例如，最大155mph)的總比的六速變速箱的習知驅動火車相比。
變速箱系統202經建構以改變壓縮器速度與引擎速度的比率，以便控制壓縮器200所產生的受壓空氣體積，且控制與空氣及燃料相關聯的壓縮比。舉例而言，當變速箱系統202接收自驅動軸20的旋轉輸入時，系統202向壓縮器軸207施加旋轉輸出，以便以比驅動軸20的旋轉速率快的速率旋轉軸207。此舉以相對高壓力產生大體積的空氣。因此，變速箱系統202允許壓縮器200以各種比/速度操作以使效能最佳化。
在操作期間，壓縮器200產生相對高度增壓的空氣，該空氣隨後與來自靠近燃燒腔室26的噴射器的燃料混合。此舉允許空氣/燃料混合物以極高壓力輸入至燃燒腔室26，諸如每平方英吋約150與200磅(psi)之間的壓力。因此，空氣/燃料混合物以相對高速進入燃燒腔室26，以在燃燒腔室26內形成紊流，此將促進空氣與燃料的混合，以及短的輸入持續時間(例如，如以毫秒的部分量測)。空氣/燃料混合物的高速及壓力促進快速燃燒，此相對高效地促進引擎10的高速及壓力。
如上文所指示的，壓縮器200經建構以執行在操作期間由引擎利用(與燃燒程序分開)的四個階段或循環中的兩個。此類建構允許孔 14中的循環活塞24專門執行操作期間的第三階段(亦即，產生實質上連續的動力)。引擎10藉由大型無閥埠被動地執行第四排放階段，該埠與孔14相關聯且朝向空氣處理系統及大氣開口。當燃燒機膨脹完成時，活塞24通過排放開口38且腔室26內的廢氣自引擎排出。壓縮器200與燃燒程序實體隔離及熱隔離。因此，壓縮器200並不經歷漏氣，而漏氣在習知活塞引擎中與燃燒氣體通過活塞環並進入曲軸箱的通路有關。傳統漏氣使得引擎加速受污染排放氣體，而此類氣體要求在排放至大氣之前經受處理。另外，在習知活塞式引擎中，受污染排放氣體與儲存在曲軸箱中的燃油的混合顯著縮短燃油使用壽命，從而導致更頻繁的燃油更換。此燃油本身必須在棄置或再使用之前經受處理。
參閱圖6，且如上文所指示的，閥130經建構以將來自燃料分配總成262的燃料-空氣混合物輸入至燃燒腔室26。圖9A至圖9C例示空氣進氣總成250及燃料分配總成262的示意性表示。
如所例示，空氣進氣總成250包括外殼252，該外殼252具有空氣進氣埠254及空氣輸出埠258。空氣進氣埠254經建構以接收來自空氣源(諸如，高壓空氣源)的空氣。空氣輸出埠258選擇性地以流體連通方式安置於外殼體積257與燃料分配總成262之間。
空氣進氣總成250進一步包括驅動總成270，該驅動總成270經建構以在空氣輸出埠258與外殼252內部體積257之間提供可選連通。舉例而言，驅動總成270包括安置為與引擎10及安置於軸272末端的齒輪274(諸如，蝸輪)操作連通的軸272，及可旋轉地連接至外殼252的板件278。齒輪274安置為與圍繞板件278外周邊安置的一組對應齒件276操作連通。 板件278經建構以回應於驅動總成270的軸向旋轉而在外殼252內圍繞縱向軸線280旋轉。舉例而言，在操作期間，軸272與齒輪274圍繞縱向軸線282在順時針方向上的旋轉使得板件278在外殼252內圍繞外殼252內縱向軸線280在逆時針方向上旋轉。另外，板件278界定孔徑282，該孔徑282經建構以選擇性地允許埠258與外殼體積257之間的流體連通，如下文將詳細描述。
參閱圖9C，燃料分配總成262靠近空氣進氣總成250而定位。燃料分配總成262經建構以允許在總成外殼263內燃料與空氣的混合。至少一個燃料噴射器32附接至外殼263。
在操作期間，板件278沿著旋轉路徑264安置孔徑282，如圖9A所指示。當板件278沿著逆時針方向朝向輸出埠258旋轉時，板件278沿著路徑264定位孔徑282。藉由此類定位，板件278相對於外殼體積257阻斷輸出埠258，以便最小化或防止其間的流體連通。因此，外殼體積257可經由空氣進氣埠254接收相對高壓的空氣。
當孔徑282接近第一打開位置266時，燃料噴射器32將燃料噴射至燃料分配總成262的外殼263。當板件278繼續沿著逆時針方向旋轉時，板件278將孔徑282安置於第一打開位置266中，該第一打開位置266將孔徑282與空氣輸出埠258對準。藉由此類定位，緊隨燃料噴射，來自總成250的受壓空氣經由總成250的埠258傳送至燃料分配總成262，以便混合空氣與懸置燃料267。此混合物隨後流經撓曲閥265至閥130的開口141，如圖6所指示。附接至壓縮器200進氣系統的洩放管線256抽出過量空氣，從而降低總成262中的高壓以允許燃料噴射器32針對以較低壓力操 作的下一循環的操作。
在將空氣遞送至燃料分配總成262之後，板件278逆時針方向旋轉孔徑282通過空氣輸出埠258，以允許受壓空氣進入體積257以供下一燃料分配循環。
儘管已特定展示及描述本發明各個實施方式，但熟習此項技術者將理解，可在並不脫離如附隨申請專利範圍所界定之發明的精神及範疇的情況下進行形式及細節的各種變化。
舉例而言，如上文所描述，活塞總成包括四個活塞，且閥總成包括四個閥。此類描述僅以實例說明。在一種佈置中，活塞總成可包括第一活塞及第二活塞，該第一活塞於相對於第二活塞實質上180°的位置安置於環形孔內。另外，閥總成科包括在外殼內安置於第一位置的第一閥，及在外殼內安置於第二位置的第二閥，該第二閥沿著環形孔安置於相對於第一閥實質上180°的位置。
如上文所指示的，閥總成118包括觸發總成155，如圖4、圖5及圖7A所示，該觸發總成155經建構以觸發外殼129內的閥130。如所描述，觸發總成155的臂157、159連接至凸輪總成165，該凸輪總成165包括諸如共軛栓槽筒件凸輪170的筒件凸輪、搖桿臂174及連接於搖桿臂174與第一臂157及第二臂159之間的觸發元件176。在操作期間，第一臂157經建構以沿著正向位移方向向閥130第一末端158產生第一線性正向負荷162以便朝向第一位置樞轉閥130，且第二臂159經建構以沿著正向位移方向向閥130第二末端160產生第二線性正向負荷164以便朝向第二位置樞轉閥130。此類描述僅以實例說明。在一種佈置中，觸發總成經建構有沿著 閥130旋轉軸線延伸閥130與凸輪170之間連接的減少數目個移動元件。
舉例而言，參閱圖10，觸發總成255包括閥支撐件231，該括閥支撐件231沿著閥130旋轉軸線233於閥130與搖桿臂174之間延伸。閥支撐件231第一末端235連接至閥130，而閥支撐件第二末端237經由滑動/樞轉接頭192可滑動地連接至搖桿臂174。儘管閥支撐件231可以各種方式建構，在一種佈置中，閥支撐件231建構為實質上圓柱形的管狀結構。
在操作期間，當共軛栓槽筒件凸輪170圍繞軸線172旋轉時，凸輪170的栓槽剖面或元件180圍繞旋轉軸線239在順時針及逆時針方向上振盪搖桿臂174。回應於搖桿臂174的振盪，滑動/樞轉接頭192向閥支撐件231施加第一旋轉負荷241及相對第二旋轉負荷243，以便圍繞縱向軸線233振盪閥支撐件231及閥130。此類振盪將閥130定位於閥外殼內第一(例如，打開)位置與第二(例如，關閉)位置之間。
使用閥支撐件231向觸發總成255提供相對低的慣性力矩，而此又允許搖桿臂174以相對高速觸發閥外殼內的閥130。因此，因為閥支撐件231具有相對少的元件，閥支撐件231降低觸發總成255在操作期間失效的可能性。
此外，閥支撐件231向觸發總成255提供相對長的使用壽命。舉例而言，在操作期間，當活塞24接近閥130時，閥130必須移動至打開位置(亦即，離開活塞路徑)，然後在相對短的時間返回至關閉位置。一旦觸發總成255將閥130移動至關閉位置，閥130界定相對於活塞24的燃燒腔室，且腔室內的氣體壓力以相對高速率累積。燃燒腔室內的氣體壓力不僅形成推進活塞24向前的力，而且在閥130自身上形成相等的反向力。 藉由將閥支撐件231建構為實質上圓柱形的管狀結構，閥支撐件231具有相對大的硬度，此又增大閥總成的總體硬度並減少失效。
如上文所指示的，閥總成18的各個閥30可移動地安置於環形孔內，以便形成相對於對應活塞24的臨時燃燒腔室26。舉例而言，參閱圖2B，當活塞24-1達到環形孔14內的給定定位，閥30-1移動至相對於環形孔14的第二位置。藉由此類定位，閥30-1形成相對於活塞24-1的燃燒腔室26-1，且經建構為燃燒可藉以工作以便產生動力的艙壁。在一種佈置中，燃燒腔室26的尺寸可在操作期間改變，以便調整引擎的動力輸出或效率。舉例而言，燃燒腔室26的體積可藉由改變燃燒輸入程序至燃燒腔室26的持續時間及藉由相應調整(例如，延遲)點火時間而減小或增大。在燃燒腔室26的體積增大的情況下，引擎可包括鄰近相對較大燃燒腔室26而定位的第二火星塞(未圖示)，以便加速擴大腔室中的燃燒。
應注意的是，燃燒腔室26的壁及燃料相對於閥的進入方向可經更改以針對空氣/燃料混合物形成各種幾何行進路徑。舉例而言，燃燒腔室26的壁及燃料的進入方向可界定圓形或其他幾何形狀以加速點火及燃燒效率。
如上文所指示的，為了必要時控制引擎10的動力及輸出扭矩，每個回轉引擎10可點燃一次至十六次中的任何次數。在一種佈置中，引擎10可經建構以交替燃燒腔室26的點燃次序，以便降低引擎10的操作溫度。舉例而言，參閱圖1，在引擎10已加速至特定驅動機構20速度時，引擎10可在引擎10內活塞總成30的回轉期間要求點燃僅僅兩個燃燒腔室26，以便維持速度。為了使引擎溫度最低，在第一回轉循環中第一燃燒腔 室26-1及第三燃燒腔室26-3可被點燃，而在第二回轉循環中第二燃燒腔室26-2及第四燃燒腔室26-4可被點燃。當特定燃燒腔室26未被點燃時，相對低溫空氣流經此等燃燒腔室及環形孔14，藉此降低引擎10的操作溫度。此舉允許在操作期間利用劣質燃料-空氣混合物，以便改進引擎效率及空氣品質。
10‧‧‧循環活塞式引
12‧‧‧外殼
14‧‧‧環形孔
15‧‧‧半徑
16‧‧‧活塞總成
18‧‧‧閥總成
20‧‧‧驅動機構
22‧‧‧飛輪
24-1‧‧‧第一活塞
24-2‧‧‧第二活塞
24-3‧‧‧第三活塞
24-4‧‧‧第四活塞
26-1‧‧‧第一燃燒腔室
26-2‧‧‧第二燃燒腔室
26-3‧‧‧第三燃燒腔室
26-4‧‧‧第四燃燒腔室
30-1‧‧‧第一閥
30-2‧‧‧第二閥
30-3‧‧‧第三閥
30-4‧‧‧第四閥
36‧‧‧負荷
38-1‧‧‧排放埠
38-2‧‧‧排放埠
38-3‧‧‧排放埠
38-4‧‧‧排放埠

Claims (13)

  1. 一種引擎，包含：一外殼，該外殼界定一環形孔；一活塞總成，該活塞總成安置於該環形孔內，該活塞總成經建構以連接至一驅動機構；及一閥，該閥經建構以可移動地安置於該環形孔內一第一位置與一第二位置之間，該第一位置用以允許該活塞總成在該環形孔內自該閥近端的一第一定位行進至該閥遠端的一第二定位，該第二位置用以在該第二定位界定相對於該活塞總成的一燃燒腔室；其中該閥經建構以在該第一位置與該第二位置之間樞轉，該第一位置允許該活塞總成在該環形孔內自該閥近端的該第一定位行進至該閥遠端的該第二定位，該第二位置界定相對於該活塞總成的該燃燒腔室；及一凸輪總成，其包含：一共軛栓槽筒件凸輪，該共軛栓槽筒件凸輪界定一圍繞其外周邊的栓槽剖面，且該共軛栓槽筒件凸輪經建構以圍繞一旋轉軸線而旋轉該栓槽剖面；一搖桿臂，該搖桿臂包含一安置於該共軛栓槽筒件凸輪的該栓槽剖面附近的凸輪隨動件，且該搖桿臂經建構而圍繞一樞轉接頭旋轉，以回應於該共軛栓槽筒件凸輪的該栓槽剖面圍繞該旋轉軸線的旋轉；及一觸發機構，該觸發機構安置於該搖桿臂與該閥之間，且該觸發機構經建構以(i)對該閥產生一第一旋轉負荷以朝向該第一位置樞 轉該閥，及(ii)對該閥產生一第二旋轉負荷，該第二旋轉負荷與該第一旋轉負荷相對以朝向該第二位置樞轉該閥，進而回應於該搖桿臂圍繞該樞轉接頭的旋轉。
  2. 如申請專利範圍第1項之引擎，其中：該活塞總成包含一第一活塞及一第二活塞，該第一活塞在一相對於該第二活塞實質上180°的位置定位於該環形孔內；及該閥包含一在該外殼內安置於一第一定位的第一閥，及一在該外殼內安置於一第二定位的第二閥，該第二閥沿著該環形孔安置於一相對於該第一閥實質上180°的位置。
  3. 如申請專利範圍第1項之引擎，其中：該活塞總成包含一第一活塞、一第二活塞、一第三活塞及一第四活塞，該第一活塞、該第二活塞、該第三活塞及該第四活塞中的每一者連續地安置於該環形孔內，以使得各個活塞以相對於前一安置活塞實質上90°安置於該環形孔內；及該閥包含一在一第一定位安置於該環形孔內的第一閥，一在一第二定位安置於該環形孔內的第二閥，一在一第三定位安置於該環形孔內的第三閥，及一在一第四定位安置於該環形孔內的第四閥，該第一閥、該第二閥、該第三閥及該第四閥中的每一者沿著該環形孔在一相對於前一閥實質上90°的位置連續地安置於該外殼內。
  4. 如申請專利範圍第1項之引擎，其中該閥的旋轉經建構以控制將一燃料-空氣混合物至界定於該活塞總成與該閥之間的該燃燒腔室的遞送。
  5. 如申請專利範圍第4項之引擎，其中該閥界定一組開口，且該閥經建 構以在一第一位置與一第二位置之間移動，其中：(i)該第一位置以流體方式使該組開口與一燃料分配總成去連接，該燃料分配總成經建構以在一總成外殼之中將來自一燃料源的燃料及來自一空氣源的空氣混合，與(ii)該第二位置以流體方式連接該組開口與該燃料分配總成，以將燃料及空氣的混合物導向至界定於該活塞總成與該閥之間的該燃燒腔室。
  6. 如申請專利範圍第1項之引擎，其中該閥界定一通道，該通道經建構以與該外殼共同界定一通路，該通路允許當該閥安置於該第一位置時，該活塞總成在該環形孔內自該閥近端的該第一定位行進至該閥遠端的該第二定位。
  7. 如申請專利範圍第1項之引擎，進一步包含一壓縮器，該壓縮器經建構以執行一進氣循環以將空氣及燃料遞送至該引擎，且執行一壓縮循環以在該引擎中壓縮該空氣及該燃料，該進氣循環及該壓縮循環和一與該活塞總成及該閥總成相關聯的燃燒程序分開。
  8. 如申請專利範圍第7項之引擎，包含一連接至該壓縮器的皮帶及齒輪系統，該皮帶及齒輪系統經建構以調整壓縮器速度與引擎速度的一比率，以便控制該壓縮器所產生的受壓空氣的一體積及與該空氣及該燃料相關聯的一壓縮比。
  9. 如申請專利範圍第8項之引擎，其中該皮帶及齒輪系統包含：一可操作地連接至該驅動機構及一第一齒輪的第一皮帶；一可操作地連接至一第二齒輪及一壓縮器軸的第二皮帶；及一可操作地連接至該第一齒輪及該第二齒輪的軸。
  10. 如申請專利範圍第1項之引擎，包含一安置為與該環形孔流體連通 的排放埠，該排放埠安置於該閥的實質上遠端的一定位處。
  11. 如申請專利範圍第1項之引擎，其包含：一空氣進氣總成，其包含：一外殼，該外殼界定一外殼體積，一空氣進氣埠，該空氣進氣埠由該外殼承載，一空氣出口埠，該空氣出口埠由該外殼承載，一驅動總成，該驅動總成由該外殼承載，該驅動總成經建構以提供該外殼體積與該空氣出口埠之間的可選連通；及一燃料分配總成，該燃料分配總成安置為與該空氣進氣總成該空氣出口埠及與一壓縮器的進氣部分流體連通，該燃料分配總成包含：一燃料噴射器，該燃料噴射器經建構以提供燃料至一由該燃料分配總成界定的體積，及一組撓曲埠，該組撓曲埠安置為與該燃燒腔室流體連通。
  12. 如申請專利範圍第11項之引擎，其中該驅動總成包含一板件，該板件可旋轉地連接至該外殼且經建構以將一由該板件界定的孔徑與該空氣出口埠選擇性地對準，以提供界於該空氣出口埠與該燃料分配總成之間的流體連通。
  13. 如申請專利範圍第1項之引擎，其中該栓槽剖面包含一上升部分、一暫停部分及一下降部分。
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