JP2005525503A - ロータリー型燃焼エンジン - Google Patents

Abstract

本発明の目的は、従来のエンジンの欠点の一部または全部を解消することにある。この目的は、それぞれ羽根（２，４）を有し、軸を中心に異なる速度で回転することができる互いに組み合って回転する２つの円筒部（１，３，５）によって達成される。４サイクルエンジンと同様に、空気-燃料混合気の吸気、自己発火に至る圧縮、爆発行程、及び燃焼ガスの排気が行われる。可変な吸気及び排気開口時間は制御スリーブ（１２）と特殊ステップモータ（６２）によって制御される。回転する羽根は、フリーホイール及び一方向に作用する流体式制動装置によって制御され、また逆回転が抑止される。シリンダ芯部（１３）に関連して、従来の固定したエンジン設計では不可能であった各ディスク排気部材につき２つの機能する可変作動室が形成される。これにより、特に新規な(セラミック)材料の使用に関して、新しい技術のオプションが提供される。上記エンジンは駆動装置や、変更を加えることで蒸気エンジン、コンプレッサ、ポンプとして使用可能である。

Description

本発明は、一般に駆動装置として利用することのできる軸型の燃焼エンジンに関するものである。このエンジンはまた、本発明の主要原理に触れない程度で任意に小規模な変更を加えることで、蒸気エンジン、コンプレッサ、またはポンプとして利用することができる。

＜目的＞
この新しいタイプの燃焼エンジンは、現在市場においてよく見られる燃焼エンジンの代わりとなるべきものである。

＜従来の技術的発明とその批判＞
今日の技術水準によると、主として２つのタイプの燃焼エンジンがある。１つは、オットーエンジンとも呼ばれる２及び４サイクル内燃ピストンエンジンであり、もう１つは、ヴァンケルエンジンとも呼ばれるロータリーエンジンである。オットーエンジンは、ガソリン及びディーゼル燃料により普通に使用されており、主として自動車産業において利用されている。

＜２サイクルオットーエンジンの欠点＞
・燃料消費が気化装置における掃気・吸気ロスにより負荷略５０％以下において及び、特に全負荷時において高いこと
・バックラッシュ（無負荷行程）がなく、排熱が難しいことにより熱負荷が高いこと
・低回転数時のトルクが低いこと
・アイドリング運転時のエンジン作動が断続的になること
・マスバランスが大抵の場合不完全であること
・作動時の騒音が大きいこと
・エンジンの排出ガス(ガソリン・オイル混合物)が環境に悪影響を与えること
・出力効率が冷却のために低いこと
・点火のみでしか機能しないこと
＜４サイクルオットーエンジンの欠点＞
・各作動サイクルにおいてクランクシャフトが２回転する必要があるためパワーユニットが半分しか利用されないこと
・低い均一形状（エンジンの円滑性が低い）
・無負荷行程が２行程あり且つバルブ作動を行うため機械的効率が低いこと
・出力効率が冷却のために低いこと
・点火のみでしか機能しないこと
＜ディーゼルエンジンの欠点＞
・必須条件として空気が３０〜５０ｂａｒに圧縮され、それによって温度が摂氏７００〜９００°に加熱されてはじめて燃料噴霧が可能であるために燃焼プロセスが悪いこと。早期燃料噴射はノッキングの原因となること
・遅延噴射は不完全燃焼の原因となること
・コールドスタート時にグロープラグが必要であること
・噴射ポンプの騒音が非常に大きいこと
・出力効率が冷却のために低いこと
＜ヴァンケルエンジンの欠点＞
・ロータリーエンジンの燃焼室における気密性が不足して問題となること
・ロータリーエンジンの偏心運動により不規則な動作となること
・トルク特性が好ましくないこと
・エンジン効率が好ましくないこと
・燃焼が悪いこと(有害排気物質)
・生産コストが高いこと
・出力効率が冷却のために低いこと
・点火のみでしか機能しないこと
出所／引用文献：Automotive (Engineering) Paperback of the Robert Bosch companyより抜粋
本発明の目的は、従来のエンジンのもつ前記欠点の一部または全部を解消し、より経済的なエンジンを得ることにある。本発明のエンジンの構造はまたセラミック等の先端技術の新しい材料を使用するのに適当な条件も備えている。これにより摩擦と冷却を最小限にまで削減することが可能であり、より高い作動温度を達成することができる。また、冷却水噴射の追加により燃費の向上も可能である。

上記の目的は、Fig.１〜１３に記載される本発明によれば、それぞれ対向する羽根を有し、１つの軸を中心に異なる速度でそれぞれ回転可能であり、且つ互いに組み合って回転する２つの円筒部によって達成される。異なる回転速度により、各ディスク（Fig.１）につき、４サイクルエンジンのそれに似た２つの機能する作動室が生成される（Fig.２とその断面Fig.２．１及び２．２、構成要素１〜５参照）。このような作動室はシリンダ周囲の任意の箇所に、様々な燃焼比とストローク長で形成することができる。

円滑な運転を可能にするため、ここではディスクと称する２つの室は、ヴァンケルエンジンと同様に、しかし互いに１８０°の角度ずらして配置される。角度分割を適当に行えば、３個以上のディスクも技術的に可能である。制御は、内側シリンダの中空軸とパルス発生ディスクとに接続されたステップモータによって行われる。パルス発生ディスクはさらに外側シリンダの中空軸に接続されている。

比較例となるエンジンは、一部機能は異なるが、米国特許US 13 67 591によって知られている。該エンジンでは各ディスクに１つの作動室は、対応する羽根を機械的に固定することで生成され、他方の羽根の制限された運動から軸の１/２回転、即ち１８０°の角度となる。しかしながら、このような固定構造では圧縮比が不十分となる。またその概略図を見る限り、その吸気サイクルは機能的に効率が良くない。さらに、第２の室における羽根間の空気抵抗（圧縮または真空）のために、低出力しか期待できない。

斯かる問題が存在することは、このようなエンジンが本発明の技術分野において未だに利用されていないことからも明らかである。

Fig.１〜１３は本発明の一実施の形態を示すもので、以下にこれを詳しく説明する。

Fig.１は、ロータリー型内燃エンジンの縦断面図であり、３つのディスクからなり、各ディスクは、羽根のついた１つの外側シリンダと、各ディスクにつき１つの羽根がついた共通の内側シリンダとを有する。ディスク３は圧縮機として機能すると共に、起動補助機としての役割を果たすものである。ディスク１及び２は、エンジンの作動シリンダとしての役割を果たすものである。

ロータリー型内燃エンジンは、さらに、吸気ならびに排気路が形成された固定シリンダ芯部を中心に軸方向に回転する、可動部を有する制御スリーブと、逆回転を防止する保持システムと、動力伝達部材と、制御システムとしての特殊な（回転する）ステップモータ６２とを含む。

Fig.２は、Fig.１及びFig.１．１と同様のエンジンの展開図であり、Ａ〜Ｄの断面図の箇所が示されている。Fig.２において、制御部材、逆回転を防止する保持システム、及び動力伝達部材は省略されている。

Fig.２．１及び２．２は、２つの作動室を有するエンジンのディスク１の断面図であり、羽根のついた外側シリンダ、羽根のついた内側シリンダ、シールプレートまたはラディアルシールリングのついた制御スリーブ、及び対応するシールを備える固定シリンダ芯部からなる。Ａ−Ａ断面図であるFig.２．１はディスク１の吸気路の断面を示し、Ｂ−Ｂ断面図であるFig.２．２はディスク１の排気路の断面を示す。

Fig.２ａは、Fig.２の３次元斜視図であり、制御スリーブとシリンダ芯部を省略している。

Fig.２ｂは、吸気口及び排気口並びにシールプレートとラディアルシールリングの溝が形成された制御スリーブと、内側シリンダの３次元斜視図である。

この例では、制御スリーブの円周は３０°づつ１２の領域に分割されており、ディスク１及び２において４つの領域毎に１つの開口部を有している。この３０°の分割は内側シリンダの開口部と同じでなければならない。

他の適当な開口部数や角度になるような間隔設定も可能である。

排気口は、機能上、１領域分、即ち３０°だけ回転方向に対してずれている。これは、ステップモータが制御スリーブを回転方向と逆方向に３０°戻るように設定しているからである。同様な設定は回転方向においても可能であるが好ましくはない。

ディスク２では開口部はディスク１と同じように配置されているが１８０°ずれている。これにより回転(サイクル)毎に全４行程が行われることになる。

圧縮機として機能するディスク３では、開口部はそれぞれ６０°の間隔で配置されている。即ち、開口部は２つの領域毎に設けられており、吸気口と排気口とは３０°ずれて配置されている。

Fig.３〜１０ａはFig.１〜２．２に示すエンジンの機能を示す全体図であり、それぞれ異なるポジションを示す図である。

Fig.３〜６ａはディスク１を示す。

Fig.７〜１０ａはディスク２を示すが、１８０°ずれている。

まず、Fig.３〜６ａをもとにディスク１について説明する。

ディスク１では作動室Ａ及び作動室Ｂと称す２つの作動室が形成される。

Fig.３〜６(Ａ−Ａ断面図)は、吸気路断面において作動室Ａ，Ｂにおける作動サイクルを示す。Fig.３ａ〜６ａ(Ｂ−Ｂ断面図)は、排気路断面において作動室Ａ，Ｂにおける作動サイクルを示す。

Fig.３，３ａは、作動室Ａにおける吸気行程の開始を、作動室Ｂにおける圧縮工程の開始をそれぞれ示す。

Fig.４，４ａは、作動室Ａにおける圧縮行程の開始を、作動室Ｂにおける爆発行程の開始をそれぞれ示す。

Fig.５，５ａは、作動室Ａにおける燃焼行程の開始を、作動室Ｂにおける排気行程の開始をそれぞれ示す。

Fig.６，６ａは、作動室Ａにおける排気行程の開始を、作動室Ｂにおける吸気行程の開始をそれぞれ示す。

Fig.７〜１０及びFig.７ａ〜１０ａ(Ｃ−Ｃ断面及びＤ−Ｄ断面図)に示すように、作動室Ｃ及びＤを有するディスク２においては、ディスク１と同じ作動サイクルが行われるが、１８０°の角度分ずれているため、羽根が完全に回転する毎に全４行程が作動室Ａ〜Ｄにおいて行われることになる。

これを下記の例により説明する。

作動室Ａ 作動室Ｂ 作動室Ｃ 作動室Ｄ
Fig.３：吸気 ３ａ：圧縮 ７：爆発行程 ７ａ：排気
Fig.４：圧縮 ４ａ：爆発行程 ８：排気 ８ａ：吸気
Fig.５：爆発行程 ５ａ：排気 ９：吸気 ９ａ：圧縮
Fig.６：排気 ６ａ：吸気 １０：圧縮 １０ａ：爆発行程
これは、ＡからＤの各作動室で全４作動サイクルが行われるように、吸気及び排気路を制御する（本実施の形態においては３０°の角度を有する）制御部材によって行われている。

Fig.１１は、吸気口及び排気口、燃料及び冷却水供給用の開口部、並びにシールリングの溝を有する固定シリンダ芯部を示す。

Fig.１２は、逆回転を防止する保持システムを示す。保持システムは、２つの固定外側ホイールブレード３０と、ベアリングによって枢着されて正回転のみを可能にする１つの両側タービンブレードホイール３２とを備える。

伝達中空軸１７／１８にも、可動ブレードを有するブレードが固定されている。

ホイールブレードは、オートマチックギア装置やリターダブレーキ（流体式制動装置）と同様に、流体（オイル）中で作動する。

ホイールブレードがオイル中を正回転するときは、ブレードが閉じ抵抗を何ら与えない。同時に他方のブレードホイールのブレードがオイル中で開いて、当該ホイールにブレーキをかけ、相手方ホイールを更に加速させる。

上述の行程が各爆発行程中に順次繰り返される。

Fig.１３は、エンジンの動力伝達部材の断面図(Ｅ−Ｅ断面)である。動力伝達部材は、中空軸５７と、歯車３８と完全に一体して回転する中空内歯車５１から成る遊星ギアと、２つの異なる適合した直径を有しシャフト５６を備えた遊星歯車５２，５３と、太陽歯車５４とから成る。歯車５１，５７が交互に運動することによって動力ホィール５５に同方向に均一な回転運動が生じる。

エンジンを起動するには、動力ホィール５５を駆動し、マグネットクラッチ（ブレーキ）によって中空軸を爆発行程が開始されるまで静止状態に保持する必要がある。また、エンジンの起動はディスク３(圧縮装置)に圧縮空気を圧入することによっても可能である。

Fig.１．２は、Fig.１に代わる構成を示し、従来の技術による差動歯車を有する動力伝達部材を示す。機能や作動方法に相違はない（Fig.１に対するFig.１．２において）。

Fig.１．１及び１．１．１による発電機５８が駆動される実施の形態では、遊星歯車あるいは差動歯車がなくてもよい。

発電機は逆の働きで、エンジンのスタータ、マグネットクラッチ、またはマグネットブレーキとして利用することもできる。

Fig.２．３は、Fig.２．１及びFig.２．２に代わる構成を示し、Ｂ−Ｂ断面で示される吸気路断面を示すもので、吸気用と排気用に別個の２つの制御スリーブを有している。これにより、より幅の広い開口部を両シリンダに設けることができ、吸気及び排気用の開口時間を互いに独立して任意に制御できる。

Fig.２ａ−１及び２ｂ−１はFig.２．３の変形例構成の３次元斜視図である。

全実施の形態において、ステップモータ６２は、(内部及び外部)伝達(中空)軸と１対１の割合で回転する角度エンコーダーとパルス発生ディスク（６０，６１）と協働して信号発生装置と制御装置からパルス信号を受信する。
パーツリスト：
１：ディスク１用外側シリンダ
２：ディスク１用外側シリンダの羽根
３：ディスク１，２，３用内側シリンダ
４：ディスク１用内側シリンダの羽根
５：仕切壁
６：ディスク２用外側シリンダ
７：ディスク２用外側シリンダの羽根
８：ディスク２用内側シリンダの羽根
９：ディスク３用外側シリンダ
１０：ディスク３用外側シリンダの羽根
１１：ディスク３用内側シリンダの羽根
１２：制御スリーブ
１３：吸気・排気路を有するシリンダ芯部
１４：シールプレート（アペックスシール）‐制御スリーブ
１５：ラディアルシールリング‐制御スリーブ
１６：ラディアルシールリング‐シリンダ芯部
１７：内部伝達中空軸
１８：外部伝達中空軸
１９：外部伝達中空軸用フリーホイーリング付ベアリング
２０：ブレードホイール用フリーホイーリング付ベアリング
２１：１２のベアリングと１３の固定部
２６：外部伝達中空軸の歯車またはコグベルト
２７：内部伝達中空軸の歯車またはコグベルト
２８：外部伝達中空軸の可動ブレード付ブレードホイール
２９：内部伝達中空軸の可動ブレード付ブレードホイール
３０．固定外部ブレード
３１：内部伝達中空軸のフリーホイーリング付ベアリング
３２：両側ブレードホイール、場合によりベアリングとフリーホイーリングを備える
３３：油圧オイル容器付き固定ハウジング、場合によりポンプを備える
３５：中空軸のハーフベアリングの平軸受ハウジング
３６：ベアリングフランジ
３７：中間歯車
３８：エンジン出力端用及び６０の制御用歯車またはコグベルト
３９：エンジン出力端用及び６１と６２の制御用歯車またはコグベルト
４０：内側シリンダのフライホイール
５１：内歯車
５２：“ｂ”と噛合う遊星歯車“ａ”
５３：遊星歯車“b”
５４：太陽歯車
５５：エンジン出力端用及び起動用歯車またはコグベルト（差動歯車をもった変形例、Fig.１．２）
５６：遊星歯車軸
５７：６２の電流供給ケーブルを有する動力伝達軸
５８：発電機
５９：発電機ブラシ
６０：ステップモータ用パルス発生ディスク
６１：パルス発生装置付ディスク
６２：制御スリーブ１２用ステップモータ
６３：ステップモータシャフト
６４：１２制御用歯車またはコグベルト
６５：１２制御用中間歯車
６６：１２制御用歯車またはコグベルト

Fig.１を示す図である。 Fig.２を示す図である。 Fig.２．１を示す図である。 Fig.２．２を示す図である。 Fig.２ａを示す図である。 Fig.２ｂを示す図である。 Fig.３〜６ａを示す図である。 Fig.７〜１０ａを示す図である。 Fig.１１を示す図である。 Fig.１２を示す図である。 Fig.１３を示す図である。 Fig.１．２を示す図である。 Fig.１．１を示す図である。 Fig.１．１．１を示す図である。 Fig.２．３を示す図である。 Fig.２ａ−１を示す図である。 Fig.２ｂ−１を示す図である。

Claims (16)

1. それぞれ対向する羽根を有し、１つの軸を中心に異なる速度でそれぞれ回転可能であり、該回転の際に空気‐燃料混合気の吸気、圧縮、爆発行程、燃焼ガスの排気を行い、対応する空気の吸気口と排気口とを有し、且つ互いに組み合って回転する２つの円筒部を有するロータリーエンジン（以下「ＲＣＥ」と略称する）において、前記吸気口と前記排気口は、回転する特殊ステップモータ（６２）によって駆動される制御スリーブ（１２）を介して制御されると共に、前記回転する羽根は一方向に作用する流体式制動装置として構成されているフリーホイールによって制御（加速又は減速）されることを特徴とするロータリー型燃焼エンジン。
2. 前記ステップモータ（６２）は、中空軸（１７）と動作部（２７，３７，３９）を介して連結していると共に、当該中空軸と１対１の比で一体に回転し、且つブラシ・ケーブル系を介して前記ステップモータの制御装置と接続されており、該制御装置は、前記中空軸の内側及び外側と１対１の比で一体に回転するディスク及び角度エンコーダーの相互作用を介して対応する信号を受信し、信号送信機（パルス発信機）から信号が供給され、前記ステップモータに対応する命令(パルス信号)を送信し、前記制御スリーブへ伝達することによって、回転数と負荷に応じて、開閉のタイミングや開時間を含む最適なサイクルタイムが決定される請求項１記載のＲＣＥ。
3. 前記制御スリーブ（１２）の前記吸気及び排気口は、内側シリンダ及び外側シリンダの各開口部と一致する計算された回転角（前記ステップモータの選択されたサイクル角度）分だけ重複していることを特徴とする請求項１又は２記載のＲＣＥ。実施例においては、ディスク１，２の領域における前記制御スリーブの円周において、１２０°間隔で３個の開口部が配置されており、当該円周は前記内側シリンダ（３）の開口部に嵌合するように各３０°の間隔で離隔した１２個の領域に分割されており、前記ステップモータ（６２）は３０°、本実施例では逆回転する。一方、前記排気口は当該回転方向と逆方向に３０°ずらして配置されている。前記ディスク２において開口部の位置は前記ディスク１と一致するが、１８０°ずれているため、回転（サイクル）毎に全４サイクルが前記２つのディスクにおいて行われる。
4. (本実施例では)圧縮装置の役割を果たすディスク３の前記制御スリーブ（１２）の前記吸気口及び前記排気口が前記円周上に６０°の間隔で離隔して６個配置されており、前記排気口は機能上互いに３０°ずれていることを特徴とする請求項１乃至３に記載のＲＣＥ。
5. 前記制御スリーブ（１２）には相応するシールプレートと板バネが装備されており、該シールプレートは技術水準に従った機能を有することを特徴とする請求項１乃至４に記載のＲＣＥ。
6. 前記内側シリンダは、互いに１サイクルの間隔(実施例では３０°) で離隔して配置された、各ディスクの羽根の両側にそれぞれ２つの開閉自在の開口部(即ち、吸気及び排気路断面にそれぞれ２つの開口部)を有することを特徴とする請求項１乃至５に記載のＲＣＥ。
7. 両羽根（２），（４）が１つの軸を中心に互いに独立して異なる速度で回転し、該回転の際に全４サイクルが任意の箇所で且つ任意のストローク長をもって行われることを特徴とする請求項１乃至６に記載のＲＣＥ。
8. シリンダ芯部（１３）が、対応する環状の溝を備え、該溝は、回転しないように固定されると共に隣接する室に対して気密にシールするシールリングを有し、且つ吸気、排気、及び燃料供給のための開口部とを備えていることを特徴とする請求項１乃至７に記載のＲＣＥ。
9. この設計及び制御技術が各ディスクに対して同時に２つの作動室の形成を可能とし、無負荷行程がないため、出力ロスが削減され、これにより効率が最大となることを特徴とする請求項１乃至８に記載のＲＣＥ。
10. 圧縮が自己発火に至るまで行われるため、ガソリン、ディーゼル、及び/または天然ガス等種々の燃料の使用を可能とする複燃料エンジンを可能とすることを特徴とする請求項１乃至９に記載のＲＣＥ。これにより、副室（吸気溝）で冷却水を噴射することによってさらにエネルギーを得ることも可能であり、この噴射のために加熱された冷却水を利用できる。
11. 前記内部シリンダ及び外側シリンダ（１，３）、前記シリンダ芯部（１３）、及び前記制御スリーブ（１２）における変更、第２の制御スリーブ（１２ａ）及びステップモータの追加により、前記吸気口及び前記排気口を互いに独立して任意に制御することができることを特徴とする請求項１乃至９に記載のＲＣＥ。
12. 保持システム（回転自在システム）が、２つの固定された外側のブレード（３０）と、中央で回動可能に保持された両側フリーホイールで、前記内側シリンダ及び前記外側シリンダが誤った方向に回転することを防止する両側タービンブレードホイール（３２）とを備えることを特徴とする請求項１に記載のＲＣＥ。可動ブレードを有する２つの両側タービンブレードホイール（２８／２９）は、オートマチックギア装置のようにオイル（流体）中で中空軸（１７／１８）と共に回転し、流体中で各タービンブレードホイールの正回転中に、そのブレードが閉じると同時に他方のタービンブレードホイールのブレードがオイルの流れによって開き、ホイールを減速し、他方のホイールを爆発行程によって加速する。該工程は各爆発行程中に順次繰り返されてシリンダの抑止及び解放が行なわれる。
13. 組立てまたは設計変更により時計方向回転及び反時計方向回転の双方が可能であることを特徴とする請求項１乃至４及び１２に記載のＲＣＥ。
14. 先端技術材料の使用を可能とすることを特徴とする請求項１に記載のＲＣＥ。
15. ２つのフライホイールによって両羽根ユニットの質量アンバランスが調整されることを特徴とする請求項１に記載のＲＣＥ。
16. 動力伝達ギアに代えて発電機（５８）が使用可能であることを特徴とする請求項１に記載のＲＣＥ。発電機（５８）はその場合エンジンの起動にも利用される。

Images