JP2005214105A - ハイブリッドエンジン - Google Patents

Abstract

【課題】ロータリエンジンに電動機と発電機を組み込んだハイブリッドエンジンを提供する。
【解決手段】発電機と電動機とロータリーエンジンとで構成されるハイブリッドエンジンであって、そのロータリーエンジンがロータ６に回動自在に取り付けられたピボット翼７を環状中間部材９で構成されるハウジングと係合することで、ロータ６と環状中間部材９との間に、吸気室、圧縮室、燃焼室及び排気室を順次形成するハイブリッドエンジン。
【選択図】 図１

Description

本発明は内燃機関に電動機と発電機を組み合わせたハイブリッドエンジンに関し、さらに詳しくは、電動機と発電機をロータリーエンジンに組み込んだハイブリッドエンジンに係る。

周知のとおり、自動車製造業界では、内燃機関と電動機とを組み合わせたハイブリッドエンジンを搭載した自動車が開発され、製造されている。ハイブリッドエンジンが目指す方向の一つは、自動車の減速時の余剰エネルギーを、バッテリーでの充電量増大と駆動シャフトへの制動力増大とに利用しながら、バッテリーを発電機にて定常的に充電することであって、この場合、自動車の加速時では電動機が常にエンジンをアシストし、同時に、電動機は要求に応じて駆動シャフトンへの負荷を常に感知する。このような構成においては、電動機はバッテリーの過充電を予防する。

周知のように、往復動ピストンエンジンに比較して、ロータリーエンジンが優れている点は、構成部材が少ないこと、いろいろな燃料で稼動できること、小型で効率が高いことなどである。

米国特許第3,971,347号（特公昭52‐14363号公報、日本特許第888008号参照）には、ハウジングと、当該ハウジング内に同心的に配置されたチャンバーとで構成されるロータリーエンジンが記載されており、前記チャンバーの内部には、円筒状ロータが偏心的に設置されている。このロータリーエンジンでは、前記のチャンバーとロータとが三日月型チャンバーを形成し、その三日月型チャンバーは、ロータに回動可能に取り付けたピボット翼（羽根）によって吸気室、圧縮室、燃焼室及び排気室に分割される。すなわち、ロータに設けたピボット翼（羽根）が旋回し、前記ハウジングの内面に接触することで、三日月型チャンバーが、吸気室、圧縮室、燃焼室及び排気室に分割される。このロータリーエンジンは、作動効率が高く、ロータとハウジングとの間のシールが良好であり、接触摩擦による熱の蓄積を最少に抑えることができなどの利点を備えている。

米国特許第4,307,695号は、ロータリーエンジンによって駆動されるブロア及び／又はスーパーチャージャーを持ったエンジンを提案している。このエンジンの構成は、ロータと、角度をつけてロータ内に収納した複数個のピストンと、前記ロータの回転に関して偏心回転するアクチュエータと、ブロアと、前記の各ピストンを前記アクチュエータに接続する作動ピンと、前記アクチュエータを前記ロータに接続するためのロータに設けた複数個の固定ピンからなる。ロータに設けた当該固定ピンを前記ブロアの隙間穴に差込み、固定ピンの延長歯車を前記アクチュエータの内歯車と噛み合わせることにより、ロータの回転に連動させてブロア及びアクチュエータを回転させることができる。

本発明は、ロータリーエンジンに電動機と発電機を組み込んだハイブリッドエンジンを提供することを目的とする。

本発明の好ましい具体例の一つであるハイブリッドエンジンに利用されるロータリーエンジンは、米国特許第4,307,695号と同様な基本構造を備えているが、この特許で採用しているピストンを使用する代わりに、米国特許第3,971,347号で採用しているピポット翼を多少改良して使用する。つまり、本発明で使用するロータリーエンジンは、米国特許第4,307,695号のブロア及びスーパーチャージャーを備えていない。
なお、米国特許第3,971,347号明細書とこれに対応する特公昭52‐14363号公報並びに米国特許第4,307,695号明細書は、それぞれ本発明に関係する先行技術、特にロータリーエンジンに関する先行技術を記載しているので、これらを参考文献として特記する。
本発明のハイブリッドエンジンは、標準的なシリンダーエンジンを使用したハイブリッドエンジンに比較して、これに匹敵する出力をもちながら、極めてコンパクトである。

本発明に係るハイブリッドエンジンの一つは、一つのエンジン区画に収めた発電機と、電動機と、ロータリーエンジンとを備え、そのロータリーエンジンは、ロータ収納室が形成される環状中間部材を持った円筒状ハウジングと、前記収納室内のロータと、少なくとも一対の端板と、各端板のそれぞれの内面に支持されたアクチュエータと、これらのアクチュエータの内面にそれぞれ支持され、前記ロータに固定されたファンディスクと、前記アクチュエータを貫いて延び、前記端板で支持されたシャフトと、前記ロータに旋回（回動）可能に取り付けられ、旋回（回動）して前記の環状中間部材と係合することで、前記のロータ収納室内に吸気室、圧縮室、燃焼室及び排気室を形成するピボット翼と、前記燃焼室に燃料を導入し、前記吸気室に空気を導入する第１通路と、前記ピボット翼を前記環状中間部材に強制的に係合させるところの、ロータ内に延びるスロットに設けた押圧手段と、前記ピボット翼が外側に旋回偏った時に前記燃焼室からガスを排出するために、前記スロットに接続して前記ロータ内に設けた第２通路とを備えている。

好ましくは本発明で使用されるロータリーエンジンは、前記のファンディスク及びアクチュエータを介して、前記のロータを前記端板に取り付けるために、複数個の固定ピン及び作動ピンを備えている。このうち固定ピンは、複動軸受にてアクチュエータを取り付け、作動ピンは、ロータの各回転ごとに前記ピボット翼を交互運動させるように機能する。ロータには、その周辺に前記ピボット翼が収まる凹部を設けることが好ましい。

好ましい実施態様では、前記の第１通路は、環状壁に通じる吸気口と排気口を前記の環状中間部材に持ち、さらに、吸気口と排気口の間の前記環状壁に、ピボット翼を引っ込ませて吸気口と排気口の間の領域をシールするためのパージ手段を備えている。
本発明のエンジンはさらに、発電機と接続されるバッテリー群と、ロータと結合した駆動シャフトとを備え、前記発電機は自動車の減速時には充電量を増大させながら、バッテリー群を常に充電する。

本発明はまた、一つのエンジン区画に収めた発電機と、電動機と、ロータリーエンジンとを有するハイブリッドエンジンの作動方法を提供するものであって、その作動方法は、ロータ収納室を形成する環状中間部材で構成される円筒状ハウジングと、前記ロータ収納室内に設けたロータと、一対のハウジング端板と、その端板の内面にそれぞれ支持されたアクチュエータと、これらアクチュエータの内面にそれぞれ支持され、前記ロータに固定されたファンディスクと、前記アクチュエータを貫いて延び、前記端板に支持されたシャフトと、前記ロータに旋回（回動）可能に取り付けたピボット翼とを備えたロータリーエンジンの作動を、次の諸工程を包含させて遂行させることを特徴とする。
すなわち、前記ピボット翼を偏らせて（回動させて）前記環状中間部材に係合させることで、前記ロータ収納室内に吸気室と圧縮室と燃焼室と排気室を形成させる工程と、燃料を前記ハウジングに設けた第１通路を通して前記燃焼室に導入する工程と、前記第１通路を通して空気を吸気室に導入する工程と、ロータ内に設けた押圧手段によって前記のピボット翼を前記環状中間部材に強制的に係合させる工程と、前記ピボット翼が外側に回動した時に前記ロータに設けた第２通路を介して前記燃焼室からガスを排出する工程を包含させて、前記のロータリーエンジンを作動させることを特徴とする。

ロータリーエンジンは、ロータの運動エネルギーで出力を増し、標準的なピストンエンジンより少ない燃焼力で、同程度の動力を得ることができるので、本発明のロータリーエンジンの効率は、標準的なピストンエンジンのそれよりも５０％以上高い。本発明によれば、ピストンエンジンに固有のピストンアーム並びにそれに付帯する各種の部品の設置を省略できるので、翼を改良して排気量を増大させることにより、エンジン全体をより小型化してもこれをより安定に作動させることができる。

以下、添付図面を参照して本発明の好ましい具体例の一つを説明する。図1に示すところの本発明に係るロータリーエンジンにおいて、符号1はエンジンハウジングの端板を、符号2はアクチュエータを、符号3は固定ピンを、符号4は作動ピンを、符号5はファンディスクを、符号6はロータをそれそれ示し、これらは円筒状ハウジング（環状中間部材）9内に延びるシャフト8に装着されている。エンジンの排気口は、符号10で示される。ロータリーエンジン14を、発電機12と電動機13と連結させた本発明のハイブリッドエンジンは（図2参照）、その深さ100が、例えば61ｃｍ（24インチ）であり、高さ101が例えば20.2ｃｍ（18インチ）である。発電機の深さ102、電動機の深さ103及びロータリーエンジンの深さ104は、それぞれ記載順に、例えば、12.7ｃｍ（5インチ）、17.8ｃｍ（7インチ）及び30.5ｃｍ（12インチ）である。

図3に示す駆動系において、バッテリー群17からの電力は、通路16経由で電動機13に供給され、一方、発電機12は通路15経由で電力をバッテリー群17に充電する。燃料タンク18はガソリン又は他の燃料を燃料導管19でエンジン14に供給する。

当業者に周知のように、図4に横断面図で示すロータリーエンジン14は、燃料噴射口11、アクチュエータ軸受20、ロータ軸受21、偏心輪22、複動軸受23、ペアのファンシール24及びペアのリングシール25を備えている。符号26は、ロータ6内のオイルポートを示し、符号8はロータリーエンジンのシャフトである。

図5は図4に示したロータリーエンジンのアクチュエータ2を通るＡ−Ａ線における断面図である。また、図6は同じくロータ6を通るＢ−Ｂ線における断面図を示し、そこでは吸気行程、圧縮行程、燃焼行程及び排気行程にある各ピボット翼が示され、吸気行程のピボット翼が浄化モードにあり、燃焼行程のピボット翼が上死点（ＴＤＣ）にある場合が図示されている。符号27はパージ位置での吸気行程を示し、以下時計回りに、圧縮行程、燃焼行程、仕事行程となる。図示のように燃料及び空気の投入は、下死点を示す記号ＢＤＣで行われる。一方、図7は、吸気行程のピボット翼が下死点（ＢＤＣ）の位置にあり、燃焼行程のピボット翼が仕事行程まで進んだ状態を示す図6と同様な断面図であって、下死点（ＢＤＣ）にある吸気行程のピボット翼は、符号28で示されている。

図8は、図4のロータリーエンジンに冷却・潤滑系を付加した場合の構成を示し、符号29は冷却・潤滑流体であるオイルの入口を、符号30は同出口を、符号31はフィルタを、符号32は熱交換器をそれぞれ示す。そして、オイルの供給ポンプ及び排出ポンプをそれぞれ符号33及び34で示す。図中の矢印は、冷却・潤滑流体の流れ方向を示している。

本発明のロータリーエンジンは、背景技術で説明した米国特許第3,971,347号のピボット翼と、米国特許第4,307,695号のアクチュエータを組合せて利用する。しかし、米国特許第4,307,695号のシリンダー・ピストン機構やスーパーチャージャは使用しない。本発明のハイブリッドエンジンでは、主たる動力源がロータリーエンジンであり、主たるエネルギー源は燃料であって、電動機は要求された場合を除いて、ロータリーエンジンをアシストするだけである。ピボット翼7はピボット運動（回動）を支援する固定ピンを備えるが、この固定ピンは、ロータの回転運動を安定化させることにも寄与している。各ピボット翼7はまた、ロータの回転ごとにピボット翼の可逆回動を可能にする作動ピンを備えている。
回動可能にロータに取り付けられたピボット翼を、環状中間部材に強制的に係合させる手段としては、例えば、前記米国特許第4,307,695号明細書又は特公昭52-14363号公報に示されるように、ロータの内部に延びるスロットに設けた押圧手段（スプリングとピストンで構成される）を使用することができる。

エンジンが作動すると、ロータはファンディスクによる過給作用を受けて回転し、各回転毎に吸気、圧縮、燃焼、排気の各行程を繰り返す。図6に示すように、吸気行程の初期段階では、排ガスの掃気が同時に進行する。エネルギー源としての燃料は、ガソリンでも軽油でもよく、吸気バルブ及び排気バルブを設けないで済むことは、効率を向上させる一方で、順序付け（シーケンシング）を不用とする。これは上死点（ＴＤＣ）及び下死点（ＢＤＣ）でのストップモーションがないことと相俟って、エンジンの効率を一層向上させる。

部材の寸法に関して言えば、発電機、電動機及びロータリーエンジンの３要素は、図2に例示されるように、単一の駆動シャフトを持つ小型円筒形を形成し、電動機には８馬力程度のものが使用できる。図2に示す円筒体の直径は45.7ｃｍ（18インチ）であり、このハイブリッドエンジンの容積は、ほぼ11471ｃｃ（700立方インチ）である。エンジンロータの寸法（ディスクを除く）は、直径25.4ｃｍ（10インチ）、長さ16.5ｃｍ（6.5インチ）であり、その容積は約3277ｃｃ（200立方インチ）である。電動機と発電機は別に13110ｃｃ（800立方インチ）の容積を占めるので、本発明のハイブリッドエンジンが占める容積は、24581ｃｃ（1500立方インチ）である。４つのピポット翼7はそれぞれ長さが14ｃｍ（5.5インチ）、幅が16.5ｃｍ（6.5インチ）、ストロークが約7.62ｃｍ（3インチ）であるので、例えば、燃焼室の容積は約819ｃｃ（50立方インチ）となり、従って、ピボット翼４つによる合計排気量は、約3277ｃｃ（200立方インチ）、すなわち、約3.3リットルとなる。標準的なエンジンに比べてロータリーエンジンの効率が100％であるとすると、排気量が3.3リットルであることは、通常のエンジンの１／１０の総容積で、より大き馬力を出すことを物語っている（電動機及び発電機と組み合わせたロータリーエンジンは、標準的な６気筒エンジンよりも容積が１／６以下である）。そして、本発明のエンジンには吸気バルブや排気バルブがないので、通常のピストンエンジンの如く、点火タイミングなどを配慮する必要がない。

本発明のハイブリッドエンジンでは、発電機12はバッテリー群17を常に充電し、減速時に生ずる余剰エネルギーは、バッテリーへの充電量増加と駆動シャフトへの制動力増加に利用される。加速時には電動機13はエンジン14を常にアシストし、要求に応じて駆動シャフトの負荷を常に感知し、さらにバッテリーの過充電を防止する役目を担っている。

本発明に係るロータリーエンジンの分解斜視図。 本発明を具体化したハイブリッド自動車の駆動系を形成する３要素、すなわち、図１のロータリーエンジンとモーターと発電機の横断面図。 バッテリー群と燃料タンクを含む自動車駆動系の輪郭図。 図１に示すロータリーエンジンの横断面図。 ロータリーエンジンの断面図。 吸気行程、圧縮行程、燃焼行程及び排気行程にある各ピボット翼を示すロータリーエンジンの断面図。 吸気行程のピボット翼が下死点（BDC）にあり、燃焼行程のピボット翼が仕事行程にある場合を示す図６と同様な断面図。 図１に示すロータリーエンジンに適用された冷却・潤滑統合系を示す。

符号の説明

１：端板 ２：アクチュエータ
３：固定ピン ４：作動ピン
５：ファンディスク ６：ロータ
７：ピボット翼 ８：駆動シャフト
９：円筒状ハウジング １０：排気出口
１２：発電機 １３：電動機
１４：ロータリーエンジン １７：バッテリー群
１８：燃料タンク ２０：アクチュエータ軸受
２１：ロータ軸受 ２２：偏心輪
２３：複動軸受 ２４：ファンシール
２５：リングシール ２６：オイル口

Claims (8)

1. 一つのエンジン区画に収められた発電機（12）と電動機（13）とロータリーエンジン（14）とで構成されるハイブリッドエンジンであって、前記のロータリーエンジン（14）が、ロータ収納室を形成する環状中間部材（9）で構成されるハウジングと、ロータ収納室内に収めたロータ（6）と、一対のハウジング端板（1）と、各端板のそれぞれの内面に支持されたアクチュエータ（2）と、アクチュエータ（2）のそれぞれの内面に支持され、且つ前記ロータ（6）に固定されたファンディスク（5）と、前記一対のアクチュエータ（2）を貫いて延び、前記一対の端板（1）に支持されたシャフト（8）と、前記ロータに回動可能に取り付けられ、回動して前記環状中間部材と係合することで、前記ロータ収納室内に吸気室、圧縮室、燃焼室及び排気室を形成するピボット翼（7）と、前記燃焼室に燃料を取り入れ、前記吸気室に空気を取り入れる第１通路と、前記ピボット翼を前記環状チャンバーに強制的に係合させるところの、ロータ内に延びるスロットに設けた押圧手段と、前記ピボット翼が外向きに回動した時に前記燃焼室からガスを排気するために、前記のスロットに連通させて前記ロータに設けた第２通路とを備えているハイブリッドエンジン。
2. 前記のファンディスク及びアクチュエータを介して前記のロータを前記の端板に結合させる複数個の固定ピンと作動ピンを備えている請求項１記載のエンジン。
3. 前記の固定ピンがそれぞれ複動軸受で前記のアクチュエータに結合されている請求項２記載のエンジン。
4. 各ピボット翼が回転毎に交互運動できるように、前記の作動ピンそれぞれが取り付けられている請求項２記載のエンジン。
5. 前記のロータがその周辺に前記ピボット翼を収容できる溝を備えている請求項２記載のエンジン。
6. 前記の第１通路が、前記環状中間部材に設けられ、環状壁に通じる吸気口と排気口とを有し、前記ピボット翼を強制的に引っ込めさせ、前記吸気口と排気口の間の領域をシールするために、前記吸気口と排気口の間の環状壁にパージ手段を設けた請求項２記載のエンジン。
7. 発電機（12）にバッテリー群（17）を接続させ、エンジンの減速時には発電機によるバッテリー群への充電量を増大させながら、バッテリー群を常時発電機で充電できる先行請求項のいずれかに記載のエンジン。
8. 一つのエンジン区画に収めた発電機（12）と電動機（13）とロータリーエンジン（14）とを有するハイブリッドエンジンであって、前記のロータリーエンジン（14）が、ロータ収納室を形成する環状中間部材（9）で構成される円筒状ハウジングと、ロータ収納室内に設けたロータ（6）と、一対のハウジング端板（1）と、それぞれの端板の内面に設けられたアクチュエータ（2）と、そのアクチュエータそれぞれの内面に設けられ、前記ロータに固定されたファンディスク（5）と、前記一対のアクチュエータを貫いて延び、前記端板（1）に回転可能に取り付けられたシャフト（8）と、前記ロータに回動可能に設けたピボット翼（7）とを備えている前記のハイブリッドエンジンを作動させるに際し、
   前記のピボット翼（7）を強制的に回動させて前記の環状中間部材（9）と係合させることで、前記のロータ収納室内に吸気室、圧縮室、燃焼室及び排気室を形成させる工程と、
   前記円筒状ハウジング内の第１通路を介して前記燃焼室に燃料を取り入れる工程と、
   前記第１通路を介して前記吸気室に空気を取り入れる工程と、
   前記ロータに設けた押圧手段で前記のピボット翼を前記の環状中間部材に強制的に係合させる工程と、
   前記のピボット翼が外側に回動した時に前記ロータに設けた第２通路を介して前記燃焼室からガスを排気する工程
   を包含する前記ハイブリッドエンジンの作動方法。

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