JP2007506894A

JP2007506894A - ロータリ内燃エンジン

Info

Publication number: JP2007506894A
Application number: JP2006515920A
Authority: JP
Inventors: アレッサンドロポンティッジャ
Original assignee: アレッサンドロポンティッジャ
Priority date: 2003-06-24
Filing date: 2004-06-14
Publication date: 2007-03-22
Also published as: US20060150948A1; ITMI20031283A0; ITMI20031283A1; WO2005001259A1; EP1639246A1

Abstract

【解決手段】ステータ（２）とローター（５）とからなり、ステータ（２）が、チャンバ（３）を有し、チャンバの表面は、ステータの軸線（１０ａ）を中心として円形対称であり、ローター（５）は、ステータの軸線（１０ａ）に対して偏心した回転軸線（９）を有するとともに、出力軸（６）にねじりの点で固定された部材（７）で構成され、この部材の外表面は、回転軸線（９）を中心として円形対称であり、ステータのチャンバ（３）に近似するロータリーエンジン。
【選択図】図１０

Description

本発明は、ロータリ内燃エンジンに関する。

レシプロエンジンは、長年市販されている。レシプロエンジンは、ピストンがスライドする円筒チャンバ内での連続した混合気の爆発によりもたらされるピストンの往復運動を、周知のコネクティングロッド・クランクリンクを用いて、極めて多様な用途に適用可能な連続する回転運動に変換する。レシプロエンジンを交流発電機、結合手段、機械部品等に接続することによって、電気エネルギの発生から機械的な車両の駆動に渡る、広範な運動をもたらすことができる。

レシプロ内燃エンジンは、利点を有することを否定できないが、同時に欠点も有する。この点に関し、レシプロ内燃エンジンは、ディーゼル・サイクルであろうと、オットーサイクルであろうと、全体的に効率が極めて低い。本質的に、利用可能な熱力学的エネルギの一部が、複雑なバルブ制御システムとバルブ自体の双方を駆動するために消費される。例えば、死点、下部死点と上部死点との間で大きく変化するピストン速度等の、コネクティングロッド・クランクシステムに固有な運動学的欠点により、ピストンを加速及び減速させるのにエネルギ浪費をもたらす。

コネクティングロッド・クランクリンクに由来する種々の問題を解消するために、ロータリーエンジンが開発され、最も普及しているのが、通常バンケルエンジンと呼ばれるものである。このタイプのエンジンでは、ローターが、ピストンとして機能し、各作動室を爆発室として機能させながら、ステータの壁と直接接触する。ローターは、一対の歯車により与えられる衛星運動で、ステータ内を移動する。歯車の一方は、ローターと同心でローターに固定され、歯車の他方は、出力軸と同心で、ステータに固定される。バンケルエネルギユニットの問題は、ステータ・ローターシステムの半径方向シールにある。このシールは、駆動軸線に平行で適切な溝内に設けるＵ字型のベーンによりもたらされるが、このシールは、ローターの運動特性とステータの独特の形状とから、相当なストレスに曝される。さらに、ベンケルエンジンは、運動学的にかなり複雑であり、製造とメインテナンスとが容易ではない。

レシプロエンジンであれ、バンケルエンジンであれ、混合気を、サイクル毎に圧縮する。前者では、圧縮行程は、吸気行程の直後となる。後者では、吸気行程の後には、ローターがステータに対して行う軌道運動により起こる圧縮がある圧縮行程もある。圧縮比は、前者のエンジンと後者のエンジン、それぞれ定められるが、前者の場合では、コネクティングロッド又はクランク等の可動部品の寸法を、後者の場合では、出力軸又はローターの歯車の寸法を機械的に調整すること以外の要因で変化することはない。特に、圧縮比は、例えば、ラジアルターボ型等の適切な圧縮機により、両タイプのエンジンで増加させて、吸気圧力を増やすことができるが、圧縮比を減らすことはできない。

このため、本発明の目的は、従来技術の上述の技術的欠点を解消する、ロータリーエンジンを、変形態様も含めて、提供することにある。

この技術的課題に沿って、本発明の目的は、従来の内燃エンジンに比べて、簡便で経済的であり、小型で軽量である、死点のない、ロータリーエンジンを提供することにある。

本発明のもう一つの目的は、運動力学上、エンジンに課せられる機械的制限を受けることなく、吸気圧力を簡単に変えることによって、エンジンの圧縮比を選択できるロータリーエンジンを提供することにある。

本発明のもう一つの目的は、かなり簡便、安全かつ信頼性のあるロータリーエンジンを提供することにある。

こうした技術的課題は、発明の、上述した目的及び上述した以外の目的とともに、特許請求の範囲に記載した、本発明に係るロータリーエンジンによって達成される。

本発明のこの他の特徴及び特有の効果は、本発明によるロータリーエンジンの好ましいが非限定的な実施形態について、添付図面に示した非限定的な実施形態を例示しながら、説明することによって、さらに明らかにする。

添付図面では、特に、図１では、全体を符号１で示すロータリーエンジンを図示してある。

ステータ２は、その内部に、実質的に球形のチャンバ３と、円筒空洞４を備え、円筒空洞は、ステータ２を横断するが、球形のチャンバ３の中心１０が位置する軸線１０ａとは整合しない。球形のチャンバは、実質的に球形な部材７（球形のチャンバ３と近似するが、径が小である）にねじりの点で固定された出力軸６を有するローター５用のハウジング及びガイドとして機能する。球形な部材の球表面は、回転軸線９に関して、実質的に球対称である。ステータ体７は、球形のチャンバ３内に収容され、球形のチャンバ３とステータ２の円筒空洞４の形状とは、球形体７が、Ｐ点で、球形なチャンバ３の表面に触れて動くようにする。球形体７は、９０度離れて設けられた２個の表面凹部８ａ、８ｂを備え、これらの表面凹部は、出力軸６の回転軸線９の方向に、出力軸６自体内にも少なくとも部分的に延びる。具体的には、図１０を参照すると、表面凹部８ａは、左側６ａでは、出力軸６を貫通し、右側では、部分的にのみ出力軸に入り込む。一方、表面凹部８ｂは、右側６ｂでは、出力軸を貫通し、左側６ａでは、部分的にのみ出力軸に入り込む。２組の分割シールリング１１ａ、１１ｂが、球形のチャンバ３の壁と接触したままスライドして、４個の分離密閉室Ａ、Ｂ、Ｃ及びＤを形成するように表面凹部８ａ、８ｂに収容される。これら密閉室の各々は、下部が、球形な部材７の表面により、上部が、球形なチャンバ３の内面により、両側部が、球形なチャンバ３と円筒空洞４の間の共通領域と、出力軸６との間に設けた、適切な密閉ガスケット１２により、背面部が、第１分割シールリング１１ａにより、正面部が、第２分割シールリング１１ｂにより、構成される。これら分割シールリング１１ａ、１１ｂは、密閉を確保することにより４個の分離密閉室Ａ、Ｂ、Ｃ及びＤを互いに隔離するように、球形のチャンバ３の内表面に適合する。

出力軸６は、その軸線９を中心として自由に回転し、出力軸の軸線は、ステータ２の軸線１０ａに対して平行でこれに対して位置を変えないので、出力軸が回転すると、分離密閉室Ａ、Ｂ、Ｃ及びＤは、球形のチャンバ３の内面に対してスライドし、出力軸６が時計方向回転するにつれて、ステータ上の固定点は、まず、分離密閉室Ａ内に、次いで、分離密閉室Ｄに、次に、分離密閉室Ｃに、さらに、分離密閉室Ｂに、順に入り、また、分離密閉室Ａに戻ってその一部をなす。球形のチャンバ３の内面上の、複数個の固定点で、ステータ２は、ポート２０ａ、２１ａ、２１ｂ、２２、２３ａ、２３ｂ、２３ｃ、２３ｄ、２３ｅ、２３ｆ、２６及び２７０を備え、これらポートは、出力軸が回転するにつれて、分離密閉室Ａ、Ｂ、Ｃ及びＤの一つ又は他の室へ、その時々に接続する。

図３乃至９を参照して、このローターエンジンのサイクルを、次のように図示できる。

分割シールリング１１ａが、球形体７に引きずられて、吸入ポート２０ａを閉じ、その後は、次のようになる。

圧縮された混合気が、第１供給ポート２１ａを通じて吸入される。圧縮は、圧縮機（例えば、遠心圧縮機）により行ってよい。

分割シールリング１１ａが、球形体７に引きずられて、第１供給ポート２１ａを閉じ、ポート２２内に設けられた点火プラグが、分離密閉室Ａ内にある混合気を点火する。

圧力が突然上昇して、分離密閉室Ａの全ての壁上で膨張行程が起こり（図３）、分割シールリング１１ｂに、合力Ｆ１が、生じて、この合力は、分割シールリング１１ｂ自体によりローターに伝達されて、駆動トルクをアームｍ、絶対値ｍｘＦで、出力軸６に生じさせる。

膨張行程が進行し、これにより、若干変動するが、正のトルクが、この工程全体を通じて、出力軸に伝達される。特に（図４参照）、分離密閉室Ａの全ての壁に作用する力が、駆動トルクを生み出すのではなく、分割シールリング１１ａ、１１ｂに加わる力のうち、分割シールリング１１ｂの面積Ｈを除く、分割シールリング１１ａ残りの部分Ｇに加わる力が、分割シールリング１１ａの等しい面積Ｌに加わる力と相殺されて、トルクを生み出す。したがって、出力軸に作用するトルクは、ｍ１ｘＦ１となる。

分割シールリング１１ｂが、第１排気ポート２３ａに到達すると、排気行程（図６）が開始され、燃焼生成物が、排気ポート２３ａ、２３ｂ、２３ｃ、２３ｄ、２３ｅ及び２３ｆを通じて、半径方向に排出される。これら排気ポートは、好ましくは、主排気マニホルド２４により互いに接続される。

排気ポート２３ｆが、分割シールリング１１ｂにより閉じされ、新鮮な空気が、吸気ポート２０ａを通じて導入された状態で、吸入行程が、開始される。この吸入された空気は、別の排出排気ポート２６を通じて、残留する排気ガスを押し出し、次のサイクルが、開始される。

詳述すると、出力軸６の１回転毎に、分離密閉室Ａ、Ｄ、Ｃ及びＢの各々について、４個の膨張行程が、したがって、１回転毎に４サイクルが、すなわち、分離密閉室毎に１サイクルが、生じ、実際上、連続した燃焼により、低回転数で高トルクを得ることできる。

ステータ２に形成する、ポートの形状、傾き及び数は、圧力低下、アイドリング中の流量等に関する、技術的条件に応じて変化する（例えば、バルブ２７により遮断されるポートを設けて、連続して点火させることなく、アイドリングを行えるようにしてもよい）。例えば、排気に関しては、６個のポートを設けてある。このことは、排気中の圧力低下を最適化するために、７個以上のポートを設けることが認められないことを意味しない。同様に、ポート２０ａ、２１ａ、２１ｂ、２２、２３ａ、２３ｂ、２３ｃ、２３ｄ、２３ｅ、２３ｆ、２６及び２７０の全て又はこれらの一部は、サイクルの各行程を最適化するために、電気機械的又は機械的バルブにより遮断されてもよい。

既に説明した実施形態に加えて、種々の修正形態及び変形形態が可能であることは明らかであり、例えば、ステータ２内に設ける球形のチャンバ３と、球形な部材７とは、異なる形状、例えば、楕円体（図１２）又は円筒体（図１３）等、表面が異なる形状を有していてもよい。

同様に、球形な部材７の表面に、表面が円形対称を維持したまま、複数個の切り込み部４０、凹部４１、突出部４２、スロット４４を設けて、エンジン効率を向上させ又は混合気の燃焼を容易化してもよい。

また、分割シールリング（１１ａ、１１ｂ）は、実質的に環状の硬質部品１１０と、２個の半環状の弾性シール部品１１１、１１２とから構成してもよい。こうすると、ガス膨張により生じた力の球形な部材７への伝達の信頼性が向上するため、これら部品に求められる機械的強度と、球形のチャンバ３の内表面に対するシールをもたらすのに必要な弾性度との間で調整を取る必要がなくなる。

分割シールリング１１ａ、１１ｂと球形のチャンバ３の内面との間の接触面の形状は、種々のものに変更可能で（図１６）、例えば、角張った形状、丸みを帯びた形状、面取りされた形状、尖った形状等としてよい。

同様に、分割シールリング１１ａ、１１ｂに加わる弾性力は、分割シールリングに作用する１個以上の弾性手段４５によりもたらされてもよく（図１７）、分割シールリング１１ａ、１１ｂは、複数個の層４６ａ、４６ｂ又は４６ｃから構成し、これら層は、異なる材料からなっていてもよい。

さらに、分割シールリング１１ａ、１１ｂが、硬質な環状部品１１０からなる場合には、硬質な環状部品１１０と半環状の弾性シール部品１１１、１１２との間に、（図１６、１７及び１８に示すように、適切な構造で、弾性手段４５を介在させて密閉力を確保するとよい。

別の実施形態では、硬質リング１１０は、球形な部材７を貫通する突起部３３１、３４１により互いに接続された２個の硬質ハーフリング３３０、３４０から構成してもよい。先に説明した実施形態のように、これらハーフリングは、それぞれ両側に設けられた半環状の弾性密閉部品１１１，１１２で構成する。突起部３３１、３４１には、回転ピン３１０，３２０を取り付け、これら回転ピンは、出力軸６の一側部内に形成した凹部と同心の貫通支持体３００を介してステータ２に固定した適切な形状にされたガイド１２０上に、交互に載る。こうして、ハーフリング３３０、３２０は、ローター５の回転により発生する遠心力を、ステータ２の内表面へではなく、ガイド１２０へ受け渡す。

図１９は、シールリング１１ａ、１１ｂによる密閉を確保するための、ガスケット等の密閉手段１４０を示すもので、密閉手段は、ばね４５により負荷をかけてもよい。

このように構成されたロータリーエンジンは、本発明の要旨に合致させて、種々の修正及び変更を加えることが可能である。例えば、別の実施形態において、球形な部材７を、ステータとして機能させ、球形のチャンバ３をその軸線１０ａを中心として回転させてもよい。

さらに、全ての部品は、技術的に均等な部品と交換可能である。

実際において、使用材料及び寸法は、必要性及び最新技術に応じて随時選択してよい。

図１は、本発明のロータリーエンジンの好ましい実施形態の一つのステータ・ローターユニットの簡略化した概略断面図である。図２は、図１に示したロータリーエンジンの行程のある段階を示す簡略化した概略断面図である。図３は、図１に示したロータリーエンジンの行程のある段階を示す簡略化した概略断面図である。図４は、図１に示したロータリーエンジンの行程のある段階を示す簡略化した概略断面図である。図５は、図１に示したロータリーエンジンの行程のある段階を示す簡略化した概略断面図である。図６は、図１に示したロータリーエンジンの行程のある段階を示す簡略化した概略断面図である。図７は、図１に示したロータリーエンジンの行程のある段階を示す簡略化した概略断面図である。図８は、図１に示したロータリーエンジンの行程のある段階を示す簡略化した概略断面図である。図９は、図１に示したロータリーエンジンの行程のある段階を示す簡略化した概略断面図である。図１０は、本発明のロータリーエンジンのステータ・ローターユニットの簡略化した斜視図である。図１１は、本発明のロータリーエンジンの断面図である。図１２は、本発明のロータリーエンジンの変形態様を示すものである。図１３は、本発明のロータリーエンジンの変形態様を示すものである。図１４は、本発明のロータリーエンジンの変形態様を示すものである。図１５は、本発明のロータリーエンジンの変形態様を示すものである。図１６は、本発明のロータリーエンジンの部品の変形態様を示すものである。図１７は、本発明のロータリーエンジンの部品の変形態様を示すものである。図１８は、本発明のロータリーエンジンの部品の変形態様を示すものである。図１９は、本発明のロータリーエンジンの部品の別の実施態様を示すものである。図２０は、本発明のロータリーエンジンの部品の別の実施態様を示すものである。

Claims

２個の部品、すなわち、ステータ（２）と、出力軸（６）にねじりの点で固定されたローター（５）とからなるロータリーエンジンにおいて、ステータ（２）及びローター（５）のうち、一方の部品（２）が、チャンバ（３）を有し、チャンバの表面は、該一方の部品（２）の軸線（１０ａ）を中心として円形対称であり、もう一方の部品（５）は、チャンバ（３）の内部に設けられた部材（７）からなり、該部材の外表面は、該もう一方の部品（５）の軸線（９）を中心として円形対称であり、該部材の外表面は、チャンバ（３）に近似し、両軸線（９、１０ａ）は、互いに平行で非一直線上に位置したまま固定され、両部品の一方が、自己の軸線（９）を中心として回転することを特徴とするロータリーエンジン。
前記一方の部品が、ステータ（２）であり、チャンバ（３）を有し、チャンバは、そのステータ軸線（１０ａ）を中心として円形対称であり、前記もう一方の部品が、ローター（５）であり、ローターは、ステータ軸線（１０ａ）に対して偏心した回転軸線（９）を有するとともに、出力軸（６）にねじりの点で固定された部材（７）から構成され、該部材の外表面は、回転軸線（９）を中心として円形対称であり、該部材の外表面は、ステータのチャンバ（３）に近似することを特徴とする請求項１に記載のエンジン。
前記ステータ（２）は、前記出力軸（６）を収容する円筒形空洞部（４）を有することを特徴とする、請求項２に記載のエンジン。
前記出力軸（６）を収容する円筒形空洞部（４）と前記部材（７）との間に、シール手段（１２）を設けることを特徴とする、請求項３に記載のエンジン。
前記ステータ（２）内に形成されるチャンバ（３）は、前記ステータ軸線（１０ａ）上にある、その中心（１０）に対して実質的に球形、楕円体又は円筒体であることを特徴とする、請求項２に記載のエンジン。
前記部材（７）は、実質的に球形、球形、楕円体又は円筒体の外表面を有するとともに、円形対称であることを特徴とする、請求項２に記載のエンジン。
前記部材（７）は、シール手段（１１ａ、１１ｂ）用のガイドとして機能する表面凹部（８ａ、８ｂ）を備え、シール手段は、前記部材（７）が回転するにつれて前記チャンバ（３）の表面に沿ってスライドし、さらに、シール手段は、前記部材（７）と前記チャンバ（３）の表面とともに、複数個の密閉室（Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ）を構成し、これら密閉室は、前記出力軸（６）が回転するにつれて、前記ステータのチャンバ（３）の表面に対してスライドすることを特徴とする、請求項２に記載のエンジン。
前記表面凹部（８ａ及びｂ）は、前記回転軸線（９）の方向において、９０度離れていることを特徴とする、請求項６に記載のエンジン。
前記チャンバ（３）の表面には、ポート（２０ａ、２１ａ、２１ｂ、２２、２３ａ、２３ｂ、２３ｃ、２３ｄ、２３ｅ、２３ｆ、２６、２７０）が形成され、これらポートには、バルブ手段（２７）を設けてもよいことを特徴とする、請求項２に記載のエンジン。
前記シール手段（１１ａ、１１ｂ）は、分割リングであることを特徴とする、請求項１乃至９のいずれか１に記載のエンジン。
前記シール手段（１１ａ、１１ｂ）は、硬質リング（１１０）と弾性シール部品（１１１、１１２）とからなることを特徴とする、請求項１乃至１０のいずれか１に記載のエンジン。
前記シール手段（１１ａ、１１ｂ）は、スライド端が、互いに異なる形状及び材料であることを特徴とする、請求項１乃至１１のいずれか１に記載のエンジン。
前記シール手段（１１ａ、１１ｂ）は、弾性手段（４５）により押圧されて前記チャンバ（３）の表面に対する密閉を向上させる、ことを特徴とする、請求項１乃至１２のいずれか１に記載のエンジン。
前記硬質リング（１１０）は、これに作用する遠心力を受け渡す手段（１２０）を備えることを特徴とする、請求項１乃至１３のいずれか１に記載のエンジン。
前記シール手段（１１ａ、１１ｂ）は、別個のシール手段（１４０）を備えることにより、前記表面凹部（８ａ及びｂ）の壁への密閉性を確保することを特徴とする、請求項１乃至１４のいずれか１に記載のエンジン。
前記部材（７）は、複数個の切り込み部（４０）、凹部（４１）、突出部（４２）、又はスロット（４４）を備えることによりエンジン効率を向上させることを特徴とする、請求項１乃至１５のいずれか１に記載のエンジン。
前記出力軸（６）が回転した状態において、圧縮空気を、第１供給ポート（２１ａ）を通じて噴射しながら、燃料を、第２供給ポート（２１ｂ）を通じて噴射させ、又は、混合気を、前記ポート（２１ａ）のみを通じて噴射させ、
前記ポート（２２）に設けた点火手段により、前記分離室Ａの内容物を点火し、
混合気を膨張させて密閉室Ａ内に圧力を生じさせることにより、前記部材（７）に伝達されると、前記出力軸（６）に可変駆動トルクを発生するエネルギにし、
出力軸（６）の回転により引きずられて，分離室Ａが、排気ポート（２３ａ）を連通して、ポート（２３ｂ、２３ｃ、２３ｄ、２３ｅ、２３ｆ）を通じて次々と排気を継続することを特徴とする、請求項１乃至１５のいずれか１に記載のエンジンを運転する方法。
前記一方の部品は、ローターであってその軸線１０ａを中心として回転し、前記もう一方の部品は、ステータであることを特徴とする、請求項１に記載のエンジン。