JP2010540833A - 可変容量型回転装置、高性能2ストローク球形エンジン - Google Patents

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Abstract

本発明は、球形の内部空洞、吸気口、排気口、およびバイパス流路を有するハウジング(1)を備えた可変容量型回転装置ハウジング(1)内には、ハウジングの球形の内部表面の中心点の回りを回転可能な球形の外部形状の回転変位部材が設置される。前記回転変位部材は、ハウジング(1)の球形の内部空洞内に互いに独立した区域を形成するために中心に配置されたディスク状の仕切り(6)を備え、ハウジング空洞をさらに4つの独立したコドラントに分割する2つのピボット翼部(7、8)を有する。コドラントの容量は回転運動中に変化する。翼部(7、8)は、オレンジ片に似た形状を有する。翼部(7、8)は、中央ディスク(6)の対向面上に、その互いに直交する径に沿って接続し、互いに直角に交わる面内に伸び、それによって回転運動が可能になる。吸気口と排気口はハウジング(1)上に配置され、回転変位部材の回転中に、吸気口は、ハウジング(1)の球形の内部空洞内のディスク(6)の小さい球形突起部によって規定されるコドラントだけに接続し、一方、排気口は、ハウジング(1)の球形の内部空洞内のディスク(6)の大きい球形突起部によって規定されるコドラントだけに接続する。
【選択図】図1

Description

本発明は、球形の内部空洞を有し、吸気口および排気口と、バイパス流路とを備えた可変容量型回転装置、高性能2ストローク球形エンジンに関する。
ハウジング内には、ハウジングの球形の内部表面の中心点の回りを回転可能な球形の外部形状をなした回転変位部材が設置されている。この変位部材のケーシングは、ハウジングの球形の内部表面と一致し、吸気口および排気口と、バイパス流路との開閉を制御する。前記回転変位部材は、ハウジング空洞内を互いに独立した区域を形成するためにその中心に配置されたディスク状の仕切りを備え、ハウジング空洞をさらに4つの独立したコドラントに分割する2つのピボット翼部を有している。コドラントの容量は回転運動中に変化する。ハウジング内には、ベアリングPTOシャフトが前記翼部に鈍角をなして取り付けられている。前記シャフトの軸はハウジングの球形内部表面の中心点と交差する。
容量を可変させるとの発想に基づく機械は、公知の技術である。その下位範疇は、交互動作を実行するピストンを備えた装置であり、内燃エンジン、液体やガスポンプ、および水素や空気エンジンとして主に利用されている。その交互動作の結果、ピストンおよびこれと接続する全ての部品は、大きな機械的応力を受けることになる。ただし、そのペースは一様ではない。
内燃機関において最も広く普及しているものは、2ストロークおよび4ストロークの交互ピストン燃焼装置である。2ストロークエンジンは、その高い排出量と燃料消費量のために長い間その影が薄れていた。より動的な作動と高い規格性能に関しては、4ストロークエンジンのほうが有利である。しかし、4ストロークエンジンでは、フルワークサイクルに主軸が2回転する必要があるのに対して、2ストロークエンジン内のフルワークサイクルは主軸の1回転で実行される。すなわち、2ストロークエンジンでは、主軸の各回転がフルワークサイクルを表すのに対し、4ストローク装置では同じワークサイクルに主軸の2回転を要する。さらに2ストロークエンジンの有利な点は、点火と作動が両方向でサポートされていることである。その利点の結果、2ストロークエンジンは、特に最も低い性能領域および最も高い性能領域において、より広い支持を得ている。
ピストンの交互動作に起因する問題点を取り除くために、回転または球形ピストンの容量変位の原理の基で動作する機械が開発されている。
米国特許番号第2,204,760号は、ポンプ、圧縮機、ロータリーエンジンなどに使用可能な流体運転装置について述べている。ポンプとして使用する場合、等速度での一定の体積流量を維持する。エンジンとして使用する場合、装置を変更することなく回転方向を変えられる。ハウジング内には球形チャンバーがあり、その中には球形のベアリング回転装置が設置されている。ベアリング回転装置は、多数の部品から成り、収縮および膨張を交互に行うチャンバーを形成する。
米国特許番号第2,727,465号は、回転型容量ポンプについて記述している。そのハウジングは、ベアリングクランクシャフトを備えた球形回転装置が設置された球形の空洞を有している。回転装置は、3つの球形の部品を備えている。それは、ユニバーサルジョイントと同種であり、2つの外部部品が第3の球形の内部部品に接続されている。
米国特許番号第877,129号は、回転変位ポンプについて記述している。そのハウジングは、いくつかの部品を備えた回転装置が軸受設置された球形の内部表面を有している。この装置は、軸方向運動のために設置された放射状に広がる翼部を構成する。本発明の目的は、表面の密封性を向上することである。それは、ハウジングの内面と接触する外表面の直径方向の平面を部分的に増加することによって実現される。
米国特許番号第5,171,142号は、可変出力または(たとえば蒸気、液体、気体等のような)伝達流動媒体を備えた、エンジンまたはポンプとして使用できる回転変位装置について述べている。本発明は、ディスク状の仕切りおよび一対の翼部によって形成されたローターを収容する球形の内部空間を有するケーシングを備えている。ディスク状の仕切りおよび一対の翼部のそれぞれは、各PTOシャフトに強固に固定されている。両翼部は、相互に共有する球形形状および互いに斜めに交差する2つの平面によって規定され、回転用に取り付けられたディスク上に設置される。本解決法の問題点は、ディスク状の要素がハウジングの内部空間を2つの等しい作業区画に仕切り、それによって媒体が定常圧力で流れることである。本装置は、回転装置が動作中に、それぞれが両作業区画の各コドラントに所定の角度をなして接続する2つの吸気口と2つの排気口を特徴とする。本技術の欠点は、異なるコドラント内の媒体が混合してしまうことである。本発明をエンジンに利用した場合、必要な容量を得ることができない。その効率は比較的低く、著しく高い排出量となってしまう。
本発明の目的は、環境に対する負荷を軽減しながら、高い効率水準を実現するための可変容量型エンジンの改良を行うことである。
本明細書で記述される可変容量型回転構成を採用することによって本目的を達成できる。
中央ディスクが、ハウジングの球形の内部空洞に対応する球面と、その他の側面上の平面とによって、物体として規定される。前記各側面に、ハウジングの球形の内部表面と同心円状で、直径の異なる球形突起部が取り付けられる。翼部は、ハウジングの球形の内部表面に対応する外表面を有するオレンジ片に似た形状であり、その球形の内部表面は球形突起部の外表面に一致する。また、その2つの側面は、凹角で互いに交差し、ハウジングの中心点と交差する平面によって規定される。翼部は、ディスクの径に沿ってディスクの対向面に接続し、互いに直角に交わる面内に伸び、それによって回転運動が可能になる。吸気口と排気口がハウジング上に配置され、回転変位部材の回転中に、吸気口は、ハウジングの球形の内部空洞内のディスクの小さい球形突起部によって規定されるコドラントだけに接続し、一方、排気口は、ディスクの大きい球形突起部によって規定されるコドラントだけに接続する。バイパス流路は、中央ディスクの小さい球形突起部を含むハウジング区画と、大きい球形突起部を含む区画とを接続する。
本発明の可変容量型回転内部表面を有するハウジングを備えている。そのようなハウジングは、その有利な幾何学的な構成のために、従来のエンジンよりもさらに高い性能を有するエンジンまたはポンプの構造そのようなハウジングは分割方法で製造され、。効率的に設計されれば、ハウジングは従来のエンジンのハウジングと同様に、外表面は冷却を向上するためのヒートシンクを特徴とする。ハウジングの材質は、当該技術分野で周知のアルミニウム合金または合金鋼とすることができる。吸気口と排気口およびバイパス流路はハウジングと一体になっている。回転変位部材のベアリングは、球形の内部表面の径に適合している。ベアリングの位置は軸間の90°から180°の範囲内に規定される。有効な解決法において、回転変位部材の翼部に接続した軸間の角度は135°である。
回転変位部材は、3つの主要部品からなり、中央ディスク状仕切りとPTOシャフトに接続された2つの翼部とを有する球体として構成される。本回転変位部材の構成は、ユニバーサルジョイントと同種であり、ユニバーサルクロスである回転ディスクとシャフトに相当する翼部を有する。中央ディスクは、ハウジングの内部空間を2つの区画に分割し、また、ディスクに接続された翼部はそれらをさらに分割して、ハウジングの内部空洞が動作中に4つのコドラントに分かれるようにする。ハウジング内のベアリングでPTOシャフトは翼部に固定される。これらのシャフトを回転することによって、中央ディスクとその翼部も回転を始め、コドラントの容量がゼロと最大値の間を交互に繰り返すようになる。
本発明により、回転変位部材の中央ディスクは、球形表面と平面によって規定される物体として構成される。この球形表面は、ハウジングの内部表面と一致する。平面は互いに平行とすることができるが、有利な設計では、これらの平面のそれぞれは、鋭角で交差する一対の平面によって拘束される。本発明をさらに有利に実施した場合、この平面間の角度は160°から170°までの範囲となる。ここでは平面の概念は通常より広い意味で使われる。それ自体は、実際の平面だけでなく凸凹のある弓なりの表面としてもよく、その機能的な面からは平面と見なすことができる。球形突起部が中央ディスクの両面に取り付けられる。それらは同心円状になっていて、ディスクの中心点と同じ中心点を有する。それらの球形突起部の半径は異なっている。有効な解決法においては、それらの半径の比は1:1.3と1:2.0との間の値である。本発明の別の有用なバージョンでは、1:1.5の半径比を提案する。中央ディスクと球形突起部は一体であると見なされるが、本発明は、中央ディスクと球形突起部とが別々に製造され、後でパーマネントジョイントまたは解除式継ぎ手を使って結合されるという変形例をも含む。
翼部は、ディスクの対向面にディスクの径に沿って取り付けられ、互いに直角に交わる平面内に伸び、それによって回転運動ができるようになっている。翼部は、オレンジ片に似た形をしており、ハウジングの球形の内部表面と一致する球形の外部表面を有し、ハウジングの球形の内部表面は球形突起部の外表面と一致する。また、その2つの側面は、凹角で互いに交差しハウジングの中心点と交差する平面によって規定される。本発明の実施可能性を確実にするその幾何学的な構成によって、ハウジングの球形の内部表面、中央ディスクおよび球形突起部はすべて同じ中心点を共有する。本発明の記述において、平面、翼部の端面は完全に平面である必要はなく、わずかに弓なりの凹面または凸面でもよい。本発明により、ディスクと翼部の表面は互いに一致する必要がある。
翼部は、直交する軸上で中央ディスクに接続し、それによって回転運動ができるようになっている。回転変位部材の回転中に、中央ディスクの面と翼部の端面とが終端状態で接触し、その間にコドラントの容量は実際にゼロと最大値の間で変化する。明らかに、コドラントの完全閉鎖状態、すなわちゼロ容量の形成は避ける必要がある。したがって、最小容量を維持するために、前記平面の間で最低限の隙間を確保しなければならない。本発明の有利な実施例では、中央ディスクの面および/または翼部の面にくぼみおよび/または隆起が形成される。
回転変位部材の材質としては、ピストンに一般に使われる材質を用いることができ、たとえば、アルミニウム合金または合金鋼を使用できる。等しい熱膨張の値を確保するために、ハウジングと回転変位部材は同じ材質で製造されることが望ましい。
ハウジングの球形の内部表面と回転変位部材との間の適切な密封性は、経済的および効果的動作のための基本的な基準要件である。有利な実施例により、回転変位部材の表面とハウジングの球形の内部表面との間の密封性は、これらの表面の仕上げ処理だけによって得られる。すなわち、一致する表面が精密に処理され、材質の適正な選択によって等しい熱膨張が保証されれば、密封材を別途用いることなく十分な密封性が得られる。本発明の別の有用なバージョンでは、ハウジングの球形の内部表面と回転変位部材の球形表面との間の密封性を維持するために、翼部の球形表面とディスク上に密封部材を採用する。
回転変位部材の中央ディスクと翼部を冷却するために、周知の方法によって、冷却液を含んだ狭い空洞が備えられる。
本発明によって指定される装置は、内燃エンジンとポンプとして使用される。エンジンとして使用される場合、2ストローク機構の可変容量型エンジン噴射式ガソリンエンジンとして有益である。本バージョンにおいて、点火部品を含む開口部が、中央ディスクの大きい球形突起部によって規定されるチャンバーに組み込まれる。本発明はディーゼルエンジン機構も実現可能にする。本発明の有利な実施例では、中央ディスクの大きい球形突起部によって規定されるチャンバーに開いた燃料入口部が採用される。
実施例の図面が、発明のより詳細な記述に役立つ。
図1は、ハウジングの一部分を切り欠いた、可変容量型回転装置不等角投影図である。 図2は、図1に示した可変容量型回転装置回転不等角投影図である。 図3は、回転分解投影図である。 図4a、4b、4cは、それぞれ底面、上面、正面から見たハウジング配置図である。 図5a、5b〜12a、12bは、図1に示した可変容量型回転装置説明するのに使われる。
図1は、2ストローク内燃エンジンの実施例における可変容量型回転装置ハウジング1は、解除可能な結合で互いに密封され固定された4つの部品を使って分割方法で作られる。ハウジング1は、合金鋼で製造され、その外表面はヒートシンクを特徴とする。ハウジング1は、吸気口3、排気口4、バイパス流路5を有する。ハウジング1の内部空洞は、球形に形成され、そこに回転変位部材2がベアリングで取り付けられる。多部品回転変位部材2の球形の外部表面の中心点は、ハウジング1の球形の内部表面の中心点と同じである。回転変位部材2の球形表面は、ハウジング1の球形表面と一致する。ハウジング1と回転変位部材2におけるそのような配置構造とタイトフィット(H7/H6)によって、回転変位部材の密封回転が可能になる。
図2と図3に示すように、回転変位部材2は、互いに直交する平面内に伸びる2つの回転可能な翼部7、8がディスクの径に沿って取り付けられた中央ディスク6を備え、それによって回転運動が可能になる。中央ディスク6は、ハウジング1の内部空洞を2つのチャンバーに分割し、それらはさらに翼部7、8によってコドラント12、13、14、15に分割される。PTOシャフト16、17が回転すると、それらのコドラントは軸を中心に回転し、コドラントの容量が常に交互に変化する。
中央ディスク6は、球形表面11と平面によって規定される面18、19を特徴とする。球形突起部20、21がそれぞれ面18、19に取り付けられる。球形突起部20、21は、回転変位部材2の球形の外部表面と同心円状になっている。球形突起部20の半径は球形突起部21の半径の1.5倍である。コドラント12、13、14、15は突起部20、21によって球形形状となり、コドラント12、13の容量はコドラント14、15の容量よりも小さい。
翼部7、8は、ディスクの互いに直交する2つの径に沿って中央ディスク6に取り付けられる。翼部7、8は、オレンジ片に似た形をしており、その外部球形表面22、23はハウジング1の球形の内部表面と一致し、その球形の内部表面24、25は突起部20、21の球形の外部表面と一致する。また、翼部7、8の側面26、27は、鋭角で互いに交差する平面によって規定される。その2面の交差点は、組み立てた状態で、球形突起部20、21の中心点となる。構築された状態で、その交差点は、ハウジング1の球形の内部表面の中心点である。翼部7、8のテーパー端部は、中央ディスク6の溝9に嵌合する円筒形翼部7、8は、中央ディスク6とカスタム開口部に留められたピンによってその動作位置に保持される。ピン10は、翼部7、8の回転軸として機能する。回転は、中央ディスク6の表面18、19と翼部7、8の表面26、27との接触によって限定される。翼部7、8の2つの回転終端位置の間で、コドラント12、13、14、15の容量は0から最大値まで変化する。翼部7、8の側面26、27はくぼみ29を備えている。くぼみ29の役割は、0容量の形成を避けること、すなわち、側面26、27と表面18、19との間で最小の隙間を維持し、コドラント14、15内に圧縮された媒体のための空間を提供することである。
翼部7、8の対称平面において、PTOシャフト16、17は球形表面22、23に接続している。シャフト16、17のベアリングは、それらが135°の角度を作るようにハウジング1内に固定されている。シャフト16、17の回転によって、回転変位部材2およびその中央ディスク6と翼部7、8は同様に回転を始め、それと同時に、コドラント12、13、14、15の容量は連続的に変化する。
図4a〜4cは、3つの異なる方向から見たハウジング1配置図であり、吸気口3、排気口4、およびバイパス流路5の相対的な配置位置を示している。本発明の核となる概念は、部材2の回転中に、吸気空気バイパス流、噴射、燃焼、および排気が別々のコドラントで行われるように、コドラント12、13、14、15が吸気口3、排気口4、およびバイパス流路5と一致することである。翼部7、8は、コドラント12、13、14、15の容量に加えて、吸気口3、排気口4、およびバイパス流路5の開閉をも制御する。吸気口3を通って吸い込まれる空気は、従来のピストンエンジンのクランク室として機能するコドラント12、13に送られる。コドラント12、13に引き込まれた空気は、バイパス流路5を通ってコドラント14、15に送られる。コドラント14、15内の球形突起部21の半径は、コドラント12、13内の突起部20の半径よりも大きいので、流路5を通る空気は、より小さい半径の球形区域に送られて予め圧縮される。バイパス流路5の出口近傍には、ハウジング1噴射ノズル30がある。噴射ノズル30を通って燃料が噴射され、燃料と空気の混合を形成する。点火プラグ31はハウジング1に螺入され、コドラント14、15がほぼゼロ容量状態になっているときに火花点火が起こるようにする。
図5a、5b〜12a、12bを参照して、エンジンの動作原理を説明する。これらの図では、ハウジング1と回転変位部材2の上面図と正面図を点線で表し、エンジンの動作を理解するために欠くことのできない詳細項目のみを示す。図5a、5bは、回転変位部材2の最初の配置を示す。最小容量のコドラントは14、最大容量のコドラントは15であり、コドラント12、13はほぼ等しい適当なサイズになっている。図6a、6bは、エンジンと45度の角度で時計方向に回転するPTOシャフト17を示す。このとき、コドラント13、14の容量は増加しており、コドラント15、12の容量は減少している。図7a、7bでは、シャフト17がさらに45度回転した状態の装置を示す。この位置では、コドラント14は増加を続け、コドラント15は減少し、両者は等しくなる。コドラント12の容量は最小になり、コドラント15は最大容量となる。図8a、8bは、シャフト17がさらに45度回転した後の状態を示す。この位置では、コドラント14はさらに増加を続け、コドラント15は縮小を始める。コドラント12は、その前の状態のほぼゼロ容量から大きくなり始め、コドラント13は縮小を開始する。図9a、9bは、シャフト17がさらに45度回転した後の状況を表す。コドラント15とコドラント14はそれぞれ最小容量および最大容量に達する。コドラント13、12は共に中間サイズになる。シャフト17がさらに45度回転することにより、図10a、10bにおいて、コドラント15が増大し、コドラント13、14が縮小する様子を示す。コドラント12は、まだ拡大する側にある。シャフト17をさらに45度回転することにより、コドラント15は拡大を続け、コドラント14は縮小し、両者は等しい容量となる。ここで、図11a、11bに示すように、コドラント13は最小容量となり、コドラント12は最大容量となる。最終的に、シャフト17がさらに45度回転すると、図12a、12bに示すように、コドラント15は増大を続け、コドラント14は縮小する。コドラント13は、そのほぼゼロ容量状態から抜け出して拡大を始め、コドラント12はその逆であり、容量が縮小し始める。この段階からさらにシャフト17を回転すると、図5a、5bに示した状況になる。
本発明の効果は、本発明が数多くの応用例で幅広く使用できること、および好ましい性能/重量比の小型エンジンを作るのに役立つことである。
1 ハウジング
2 回転変位部材
3 吸気口
4 排気口
5 バイパス流路
6 中央ディスク
7 翼部
8 翼部
9 溝
10 ピン
11 球形ディスク表面
12 コドラント
13 コドラント
14 コドラント
15 コドラント
16 PTOシャフト
17 PTOシャフト
18 ディスク面
19 ディスク面
20 大きい球形突起部
21 小さい球形突起部
22 翼部の球形の外部表面
23 翼部の球形の外部表面
24 翼部の球形の内部表面
25 翼部の球形の内部表面
26 翼部の側面
27 翼部の側面
28 円筒形
29 くぼみ
30 噴射ノズル
31 点火プラグ

Claims (8)

  1. 球形の内部空洞を有し、吸気口と排気口およびバイパス流路とを備え、ハウジング内には、ハウジングの球形の内部表面の中心点回りを回転可能な球形の外部形状の回転変位部材が設置され、その変位部材のケーシングは、ハウジングの球形の内部表面に一致するとともに、吸気口と排気口およびバイパス流路の開閉を制御し、前記回転変位部材は、ハウジングの空洞内を互いに独立した区域に区画するように中心に配置されたディスク状の仕切りを備え、ハウジングの空洞をさらに4つの独立したコドラントに分割する2つのピボット翼部を有し、コドラントの容量は回転運動中に変化し、ハウジング内にはベアリングPTOシャフトが前記翼部に鈍角をなして取り付けられ、そのシャフトの軸がハウジングの球形の内部表面の中心点と交差する、可変容量型回転装置、高性能2ストローク球形エンジンであって、
    ハウジング(1)の球形の内部表面と一致する球形(11)によって一方の側面が規定され、2つの平面(18、19)によって他方の側面が規定され、これら他方の側面のそれぞれにハウジング(1)の球形の内部表面と同心円状であり異なる直径の球形突起部(20、21)が取り付けられた中央回転ディスク(6)を備え、翼部(7、8)は、ハウジング(1)の球形の内部表面に対応する外表面(22、23)を有するオレンジ片に似た形状であり、その球形の内部表面(24、25)は球形突起部(20、21)の外表面に一致し、また、その2つの側面(26、27)は、互いに鋭角で交差しハウジング(1)の中心点と交差する平面によって規定され、翼部(7、8)は、中央ディスク(6)の対向面(18、19)上に、その互いに直交する径に沿って接続し、それによって回転運動が可能となっており、吸気口と排気口が配置され、回転変位部材(2)の回転中に、吸気口は、中央ディスク(6)の小さい球形突起部(21)によって規定されるハウジング(1)の球形の内部空洞内のコドラント(12または13)だけに接続し、一方、排気口は、中央ディスク(6)の大きい球形突起部(20)によって規定されるハウジング(1)の球形の内部空洞内のコドラント(14または15)だけに接続し、バイパス流路(5)が、中央ディスク(6)の小さい半径の球形突起部(21)によって規定されるハウジング(1)の球形の内部空洞の区画と、中央ディスク(6)の大きい半径の球形突起部(20)によって規定されるハウジング(1)の球形の内部空洞の区画とを接続することを特徴とする可変容量型回転装置、高性能2ストローク球形エンジン。
  2. 回転変位部材(2)の翼部(7、8)の面(26、27)に接続する前記PTOシャフト(16、17)が135°の角度を形成することを特徴とする請求項1に記載の可変容量型回転装置。
  3. 球形突起部(20、21)の半径比が1:1.5であることを特徴とする請求項1に記載の可変容量型回転装置。
  4. 中央ディスクの面(18、19)および/または翼部(7、8)の面に、くぼみ(29)および/または隆起が形成され、前記面の隙間のない接触を防止することを特徴とする請求項1に記載の可変容量型回転装置。
  5. 回転変位部材(2)の面とハウジング(1)の球形の内部表面との間の密封性が、前記表面の正確な仕上げ処理だけで得られることを特徴とする請求項1に記載の可変容量型回転装置。
  6. ハウジング(1)の球形の内部表面と回転変位部材(2)の球形表面との間の密封性を維持するために、翼部(7、8)の球形表面と中央ディスク(6)上に密封部材を設けたことを特徴とする請求項1に記載の可変容量型回転装置。
  7. 中央ディスク(6)の大きい球形突起部(20)によって規定されるハウジング(1)の区画内に点火プラグ(31)を設けたことを特徴とする請求項1に記載の可変容量型回転装置。
  8. 中央ディスク(6)の大きい球形突起部(20)によって規定されるハウジング(1)の区画内に噴射ノズル(30)を設けたことを特徴とする請求項1に記載の可変容量型回転装置。
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