JP2015504999A

JP2015504999A - ロータリーピストン機関

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Publication number: JP2015504999A
Application number: JP2014546355A
Authority: JP
Inventors: アレクサンダー・マホルト; アンドレアス・エンネモザー; ヨーゼフ・ルエツ
Original assignee: アーファオエル・リスト・ゲーエムベーハー
Priority date: 2011-12-19
Filing date: 2012-12-12
Publication date: 2015-02-16
Also published as: AT512152A4; US20140202419A1; WO2013091797A1; AT512152B1; DE112012005349A5

Abstract

本発明は、軸方向のあらゆる箇所でほぼ同一の断面を有し、かつその周壁部に少なくとも２つの頂角部を備え、ハウジング内で、中心にあるいは偏心に軸受された軸（４）の周りを回転する、一部品あるいは複数部品から成る少なくとも１つのロータ（３）であって、少なくとも、ロータ周壁部で隣り合う２つの頂角部の間でロータ側壁部が延伸するロータ（３）と、内側ハウジング周壁部内に設けられた少なくとも１つの点火プラグ（９、１０）とを有するロータリーピストン機関（１）であって、ロータ側壁部と、内側ハウジング周壁部と、内側ハウジング側面壁部との間に燃焼チャンバ（１３、１４、１５、１６）が形成され、点火プラグ（９、１０）は、少なくとも１つの点火プラグ通路（２０）によって燃焼チャンバ（１３、１４、１５、１６）と繋がっており、少なくとも１つの点火プラグ通路（２０）が、ほぼ円形あるいは楕円形あるいはスリット状の断面を有し、点火プラグ（９、１０）は、少なくとも１つの点火プラグ通路（２０）よりも直径が大きい点火プラグホール（２１）内に設けられているロータリーピストン機関（１）に関する。機能と効率とを改善させるために、点火プラグホール（２１）の容積は、少なくとも１つの点火プラグ通路（２０）に対して相対的に、回転方向で見て主に後部に設けられていることが、意図されている。

Description

本発明は、ロータリーピストン機関に関し、このロータリーピストン機関は、一部品あるいは複数部品から成る少なくとも１つのロータであって、ハウジング内で、中心にあるいは偏心に軸受された軸の周りを回転し、軸方向のあらゆる箇所でほぼ同一の断面を有し、その周壁部に少なくとも２つの頂角部を有し、少なくとも、ロータ周壁部で隣り合う２つの頂角部の間でロータ側壁部が延伸する、ロータと、内側ハウジング周壁部内に設けられた少なくとも１つの点火プラグと、内側ハウジング周壁部内に設けられた吸気路と、を有し、燃焼チャンバは、ハウジングのロータ側壁部と内側ハウジング周壁部と内側側面壁部との間に形成され、点火プラグは、少なくとも１つの点火プラグ通路によって燃焼チャンバと繋がっている。

ハウジングとはこの場合、一般的に車両に固定されて取り付けられた、あるいは車両内部に揺れを緩和してたとえば弾性的に懸架された、ロータを受容するための中空空間を形成する要素と理解される。ロータとは、中心的あるいは偏心的に回転する要素と理解され、たとえば回転要素がその動きによってガスに圧力をかけ、それによってガスを圧縮するか、あるいは逆に、ガスが回転要素に圧力をかけ、それによって回転要素を動かすことで、当該回転要素はその表面で、その周囲にあるガスと機械的に相互作用し得る。

考察される種類のロータリーピストン機関は、好適には自動車での単独駆動装置として用いられるが、たとえば付加的に、ハイブリッド駆動装置での電気モータに意図されていてもよい。後者の場合には、ロータリーピストン機関の駆動シャフトが、機械的な駆動トレインと直接的に繋がっていてよく、あるいは駆動シャフトが、電気モータを駆動するためのおよび／あるいはバッテリーを充電するための電気エネルギーを生み出す電気ジェネレータに繋がっている。

ハイブリッド駆動装置の一部としてロータリーピストン機関は、電気モータと比べても比較的小さく設計され得、かつ、バッテリーが空になった場合でも、自動車のさらなる駆動を可能にするためと、それによって車両の走行距離とひいては駆動安全性と利用可能性とを向上させるために、単に付加的な電源としてジェネレータと一緒に使われてよい。この場合、「レンジエクステンダー」としての使用も語られる。

ロータはこの場合、軸方向のあらゆる箇所でほぼ同一の断面を有し、かつその周壁部に少なくとも２つの頂角部を備えており、少なくとも、ロータ周壁部で隣り合う２つの頂角部の間でロータ側壁部が延伸する。好適にはロータは、３つの頂辺部を備え、この場合は三角ロータと呼ばれる。さらにロータは、その回転平面に対して平行に延在する２つの側面を備える。

さらにロータのロータ側壁部は、いわゆるロータ凹部、すなわちロータ側壁部の表面にある窪み状の凹みを備える。

考察される種類のロータリーピストン機関は、内燃機関として、燃焼室に吸引されてそこで圧縮される燃料空気混合気で駆動されるか、あるいは燃料が直接燃焼室に噴射される。その際燃焼室は、ロータ周壁部とハウジングの内壁との間に形成され、内壁は典型的には、トロコイドの形状をしている。

ロータの頂角部によって、燃焼室はロータが偏心回転する間、回転で移動しかつ大きさが変化する複数の燃焼チャンバに分割される。この目的のために、頂角部に沿って、頂角部の両側に形成される燃焼チャンバを互いに密閉するためのアペックスシールが設けられていてよい。

燃料を圧縮する機械の場合、燃焼チャンバの１つに、燃料空気混合気が吸引され、そこで圧縮されて、少なくとも１つの点火プラグで点火されて、かつ発生する燃焼ガスが、再び燃焼室から排出される。点火プラグとはこの場合、可燃ガス特に燃料空気混合気に点火するのに適した火花を所定の時点で出すことのできる装置と理解される。

好適にはロータリーピストン機関は、２つの点火プラグを備える。なぜならこれによって特に好都合な駆動点がもたらされるからである。ロータリーピストン機関の駆動特性曲線を合わせるために、駆動点に応じて、１つあるいは別の点火プラグがまず点火される。

点火プラグは、考察されるロータリーピストン機関においては、内側ハウジング周壁部内に設けられており、好適にはロータと燃焼室との軸方向の延長に対して中心に設けられている。軸方向で見てハウジングの内側側面壁部の前部あるいは後部に点火プラグを設けることも考えられ得るが、それほど容易に実現され得ない。なぜなら、これらの壁部には通常、ロータリーピストン機関の水冷器の一部が設けられているからであり、それゆえ点火プラグとその接続部には、充分な空間がないからである。

各点火プラグは、内側ハウジング周壁部の中のあるいは隣り合った点火プラグホール内に設けられており、少なくとも１つの点火プラグ通路によって燃焼室と繋がっているが、点火プラグ通路とは、点火されていないあるいは点火された燃料空気混合気を、点火プラグへあるいは点火プラグから通すのに適した、好適には長く伸びた中空空間と理解される。

同様に内側ハウジング周壁部内に、燃料空気混合気用の吸気路が設けられているが、吸気路とは、点火されていない燃料空気混合気を燃焼室に送り込むのに適した、好適には長く伸びた中空空間と理解される。吸気路は、点火プラグ路と形と直径とが著しく異なっていてよい。吸気路は好適には、内側ハウジング周壁部のうち点火プラグに向き合う側に設けられている。

それに対応して、内側ハウジング周壁部、好適には同様に内側ハウジング周壁部のうち点火プラグに向かい合う側には、燃焼室内で発生した排ガス用の排気路が設けられている。

ロータリーピストン機関の上述の要素の互いの位置と形状とは、燃焼室内部での燃焼プロセスの経過に、ひいてはロータリーピストン機関の効率に著しく寄与する。

ロータリーピストン機関の要素の間での個々の位置関係は、燃焼プロセスの機能性と機能安全性とへの要求からももたらされる。そうして、たとえば保証されていなくてはならないのは、ロータのいずれの回転位置においても、完全にあるいは部分的に内側ハウジング周壁部内の吸気路の開口部も、完全にあるいは部分的に内側ハウジング周壁部内の少なくとも１つの点火プラグ通路の開口部も、同時に同一の燃焼チャンバと繋がっていないということである。

他の場合には、たとえば点火失敗の場合には、この燃焼チャンバ内の点火された燃料空気混合気の圧力は、吸気路に戻って広がりかねず、それによってそこに圧力波と爆燃とが生じかねず、そのような圧力波や爆燃は、ロータリーピストン機関の静音作動を著しく損ない、あるいは当該ロータリーピストン機関を破損すらさせかねない。

特許文献１から、少なくとも１つのロータを有するロータリーピストンエンジンが知られている。その際提案されるのは、点火プラグを受容するための開口部をスリットとして形成することであり、当該スリットの長手方向延伸部は、縁部シールの長手方向に対して平行に延在する。その際点火プラグホールは、その容積に関して対称的に、ロータの回転方向に形成されている。

特許文献２から、発射路の直径が異なる２つの点火装置を有するロータリーピストン機関が知られている。これらの発射路の容積は、特にロータの回転方向において、それぞれ対称的に分散されている。

特許文献３も、ヴァンケル型のロータリーピストン機関の軌道における発射路の開口部の形に関するものである。開口部はその際、ロータの走行方向で、直立した８の字の形状をしている。点火装置は、発射路も形成するホール内の中心に設けられている。

特許文献４の印刷物からさらに、２つの点火装置を有するロータリーピストンエンジンが知られており、第２発射路の開口部は第１発射路の開口部よりも大きい。点火装置下方の点火プラグホールは、対称的に形成されている。

点火プラグホールの対称的な形態は、特許文献５から知られるロータリーピストンエンジンでも確認され得る。

独国特許出願公開第２３４４６９０号明細書実開昭５６−５９９３４号公報実開昭６１−１７８０３５号公報米国特許第４７５５１１６号明細書実開昭５２−４９２０４号公報

本願発明の課題は、ロータリーピストン機関の要素、特に点火プラグ通路の互いの位置と形状とを、ロータリーピストン機関の機能、特に効率に関して改善することである。

この課題は、独立請求項１によって解決される。本発明の有利な様態は、従属請求項に含まれている。

本発明に係るロータリーピストン機関において意図されているのは、上ですでに言及したように、ロータのいずれの回転位置においても、完全にあるいは部分的に内側ハウジング周壁部内の吸気路の開口部も、完全にあるいは部分的に内側ハウジング周壁部内の少なくとも１つの点火プラグ通路の開口部も、同時に同一の燃焼チャンバと繋がっていないということであり、本発明に従えば、この条件で、吸気路の開口部と当該吸気路の開口部の最も近くにある点火プラグ通路の開口部との間の距離は、内側ハウジング周壁部に沿って測って、最小あるいはほとんど最小である。

内側ハウジング周壁部がトロコイド形状で、考察される点火プラグが、トロコイドの短い対称軸の吸気路と同じ側に設けられている場合、本発明に係る構造は、この対称軸から考察される点火プラグ開口部の距離は、最大あるいはほとんど最大であることを意味する。

ロータリーピストン機関の機能経過において、本発明に係る構造は、ロータの頂角部が、回転方向で見てこの頂角部を追いかける頂角部が吸気路を完全に通過する瞬間にあるいはその瞬間の直後に、考察される点火プラグ通路開口部を通過することを意味し、考察される２つの頂角部は、燃焼チャンバの両端部を決定する。

本発明に係る構造によって、燃料空気混合気の点火は、可及的速やかに行われ得、それによってロータリーピストン機関の効率が上がる。

さらに、本発明に係るロータリーピストン機関において意図され得るのは、少なくとも１つの点火プラグ通路が、ほぼ円形あるいは楕円形あるいはスリット状の断面を有することである。点火プラグ通路の断面のそのようなヴァリエーションによっても、燃料空気混合気を燃焼させるための都合の良い効果が達成され得ることが、明らかとなった。

本発明の好ましい一実施形態において、点火プラグは、少なくとも１つの点火プラグ通路よりも直径が大きい点火プラグホール内に設けられている。

この実施形態の特に好ましい一変形態において、点火プラグホールの容積は、少なくとも１つの点火プラグ通路に対して相対的に、回転方向で見て主に後部に設けられている。それによって、燃焼室内の流動は、点火プラグ通路内の火種が、移動方向で燃焼室に入るのを促進し、それによって、点火プラグ通路から燃焼室へ炎が阻害なく燃焼するのを促進する。この変形態のさらなるポジティブな効果は、燃料空気混合気を点火プラグホール内の点火プラグに均質に供給することである。

この実施形態のさらなる好ましい一変形態において、点火プラグホールは、先細りの特に楔形に先が尖った側面を備え、少なくとも１つの点火プラグ通路の一端部は、完全にあるいは部分的に、この側面の内部にある。

この実施形態のさらなる好ましい一変形態において、点火プラグホールは、少なくとも１つの点火プラグ通路に対してほぼ平行に延在する。

最後に挙げられたこれらの変形態も、明らかになったように、燃料空気混合気の点火と燃焼との好都合かつ効果的な経過をもたらす。

本発明のさらなる好ましい一実施形態において意図されているのは、ロータ周壁部の少なくとも１つの頂角部に沿って、頂角部の両側に形成される燃焼チャンバを互いに密閉するための少なくとも１つのアペックスシールが設けられていることであり、かつアペックスシールは、燃焼室への点火プラグ通路の流出口あるいは点火プラグに属するすべての点火プラグ通路の流出口を、流出口を通過する際に完全にあるいはほとんど完全に覆うことである。

両燃焼チャンバが、１つあるいは複数の点火プラグ通路および／あるいは点火プラグホールを介して、アペックスシールがこれらの点火プラグ通路を通過する間に、間接的に互いに繋がることが防止されるので、これによって、ロータがどのような回転位置にあっても、アペックスシールによって、考察される両燃焼チャンバを完全に分離する。それによって、両燃焼チャンバ内の圧力差に促進されて、すでに燃焼している燃料空気混合気が、１つの燃焼チャンバから別の燃焼チャンバに意図せず達して、そこでまだ燃焼していない燃料空気混合気と混ざって、これを同様に引火させかねず、それによって燃焼経過が阻害され、ひいてはロータリーピストン機関の効率が低下するかもしれない。

本発明のさらなる利点は、以下において、本発明に係るロータリーピストン機関の部分的に概略化された図に基づいて、付属の記述とともに説明される。図に示されるのは以下である。

本発明に係るロータリーピストン機関の断面図である。ロータリーピストン機関の運動学にとって基本的な要素を点と線で抽象化した断面図である。本発明に係る点火プラグ通路と本発明に係る点火プラグホールとの図である。点火プラグ通路内と点火プラグホール内との流れ関係の概略図であって、一方は従来技術に従った構造におけるもので、他方は本発明に係る構造におけるものである。

本発明が使われ得る、混合気を圧縮するロータリーピストン機関１の、図１における断面図には、基本的な構成部材として、多数の冷却路と、燃料空気混合気用の吸気口７及び燃焼ガス用の排気口８を有するハウジング２と、３つの頂角部とそれに応じてそれぞれ１つのロータ凹部１２を有する３つのロータ側壁部１１とを備えるロータ３と、が描写されている。ロータの頂角部には、半径方向外側に突出するアペックスシール１７、１８、１９が取り付けられている。ロータ３は、外歯車５を有する固定軸４の周りを偏心的に回転し、内歯車６で外歯車５を転がる。この場合ロータ３は、時計回りに回転する。

吸気口７と排気口８とに対してほぼ径方向反対側のハウジング壁内には、符号９及び符号１０の付いた位置において、２つの点火プラグが設けられている。ハウジング２内部のロータ３の回転位置によって、（同様に時計回りに）４つの燃焼チャンバ１３、１４、１５、１６が定義され、これらは、その順番に、吸引ストローク、圧縮ストローク、点火ストローク、放出ストロークに割り当てられている。

図２は、ロータリーピストン機関の様々な要素を、点あるいは線で抽象化した断面図を示しており、当該点あるいは線は、ロータリーピストン機関の運動学すなわち、トロコイド２ａの形状の内側ハウジング周壁部と、ロータの外側周壁部３ａと、ロータの内側縁辺部６ａがそこで転がる固定歯車の外側縁辺部５ａと、を決定する。さらに見られるのは、トロコイド上にある、回転方向で見て前部の、吸気口の縁辺点７ａもしくは後部の縁辺点７ａ’と、トロコイド上にある、排気口の対応する縁辺点８ａと８ａ’と、後部点火プラグもしくは前部点火プラグの点火プラグ通路の位置９ａ及び１０ａと、である。最後に、トロコイドの短い（図２において水平に延在する）軸と長い（図２において垂直に延在する）軸とには、符号Ａ１もしくはＡ２が付けられている。

ロータは、図２において、以下の位置にある。吸気路は、ちょうど閉じられている、すなわち圧縮燃焼チャンバ１４は、吸気路とはもはや繋がっていない（アペックスシール１７が、吸気口の前部縁辺点７ａを通過している）。しかし同時に圧縮燃焼チャンバ１４は、後部点火プラグ通路９ａとはまだ繋がっていない（アペックスシール１８は、点火プラグ通路９ａを通過する直前である）。後部点火プラグ通路９ａは、図２に記載のロータリーピストン機関の本発明に係る実施例において、トロコイドの短軸Ａ１からの距離は１２ｍｍでほぼ最大であるように、設けられている。従来の構造では、この距離は、８．３ｍｍしかなかった。このようにして、後部点火プラグの点火を可及的速やかに行うことができる。

図３は、この実施例においては後部点火プラグ９が収納されている、ロータ３の内側ハウジング周壁部内の空間の形状を示している。点火プラグ９は、ほとんど楕円の断面を有する点火プラグホール２１内に設けられており、当該点火プラグホール２１は楔形の側面２２を備える。楔形の側面２２には、点火プラグ通路２０の一端部が突き通されており、点火プラグ通路２０は同様に、楕円の断面を有し、かつ点火プラグホール２１の長手方向に平行に延在する。点火プラグ通路２０は、点火プラグホール２１に対して偏心的に設けられており、より厳密に言えば、点火プラグホール２１の外側縁辺部と点火プラグ通路２０とは、一直線になっている。

図３で分かるように、点火プラグホール２１の容積は、点火プラグ通路２０に対して相対的に、回転方向で見て主に後部に設けられている。これによって、これらの両空間内部の流れ関係は、決定的に改善される。このことは、以下において、図４に基づいてより詳細に説明される。

図４ａは、点火プラグホール２１が点火プラグ通路２０に対して相対的に、回転方向で見て主に前部に設けられている、従来技術の構造を示している。同様に、図４ａには、点火プラグ９の点火点の位置が記入されている。さらに、直線の矢印で明示されているのは、ロータの移動方向であり、これは同時に、燃焼室内での燃料空気混合気の流れ方向に相当する。

流動は、従来技術から知られているこの実施形態において、望ましい拡大方向に逆らって、火種を再び点火プラグ通路２０内に押し込める。図中では、周回する矢印の２つの輪で示された互いに独立した２つの循環流が、点火プラグホール２１と点火プラグ通路２０の中で生じる。これによって、点火プラグ通路２０から燃焼室へ炎が阻害なく燃焼するのを妨げる。

それに対して、点火プラグホール２１が、点火プラグ通路２０に対して相対的に、回転方向で見て充分後部にある、図４ｂに記載の本発明に係る構造においては、火種は流動によって、燃焼室への方向に移動するのを促進される。それによって、点火プラグ通路から燃焼室へ炎が阻害なく燃焼するのを促進する。図中では、再度周回する矢印の１つの輪で示されたたった１つの循環流しか、点火プラグホール２１と点火プラグ通路２０の中で生じないので、さらなる利点として、点火プラグ９への均質な混合気供給が生じる。

楕円形の点火プラグ通路２０の長径は、この実施例においてはおよそ４ｍｍであり、楕円形の点火プラグホール２１の長径の半分よりも短い。この直径差には、比較的狭い点火プラグ通路２０からの流れが、点火プラグホール２１内で回転する燃料空気混合気の渦を作るという効果がある。ロータリーピストン機関１の選択された駆動点に依存して、特定の好適には円形のさらに好適には楕円形のあるいはスリット状の断面を有する点火プラグ通路２０が選択されてよい。

さらに、点火プラグ９を有する点火プラグホール２１を、２つの点火プラグ通路によって燃焼室と繋げることが可能である。ただしこの場合注意すべきは、燃焼室への両点火プラグ通路の開口部が異なる燃焼チャンバにあるような、ロータ３の位置において、両燃焼チャンバの間で一種の「ショート」が生じるかもしれないことである。同時に、両燃焼チャンバ間で、大きな圧力差があるかもしれない。これによって、１つの燃焼チャンバから別の燃焼チャンバへの望ましくない「バックファイア」に至りかねない。

各アペックスシール１７、１８、１９が、点火プラグ通路の出口開口部を、それを通過する際に完全にあるいはほとんど完全に覆うのに充分幅広で、その結果異なる燃焼チャンバにある、これらの出口開口部の一部が同時に「開放」されていなければ、この「ショート効果」は、点火プラグ通路が１つの場合でも２つの場合でも回避され得る。

１ロータリーピストン機関
２ハウジング
３ロータ
４固定軸
５外歯車
６内歯車
７吸気口
８排気口
９後部点火プラグ
１０前部点火プラグ
１１ロータ側壁部
１２ロータ凹部
１３吸引燃焼チャンバ
１４圧縮燃焼チャンバ
１５点火燃焼チャンバ
１６排気燃焼チャンバ
１７、１８、１９アペックスシール
２ａトロコイド
３ａロータの外側周壁部
５ａ固定歯車の外側縁辺部
６ａロータの内側縁辺部
７ａトロコイド上にある吸気口の前部縁辺点
７ａ’ トロコイド上にある吸気口の後部縁辺点
８ａトロコイド上にある排気口の前部縁辺点
８ａ’ トロコイド上にある排気口の後部縁辺点
９ａ後部点火プラグ通路の位置
１０ａ前部点火プラグ通路の位置
１７ａ、１８ａ、１９ａアペックスシールの位置
Ａ１トロコイドの短軸
Ａ２トロコイドの長軸
２０点火プラグ通路
２１点火プラグホール
２２点火プラグホールの楔形の側面

Claims

一部品あるいは複数部品から成る少なくとも１つのロータ（３）であって、前記ロータが、ハウジング内で、中心にあるいは偏心に軸受された軸（４）の周りを回転し、軸方向のあらゆる箇所でほぼ同一の断面を有し、その周壁部に少なくとも２つの頂角部を有し、少なくとも、ロータ周壁部で隣り合う２つの頂角部の間で、ロータ側壁部が延伸する、ロータ（３）と、
内側ハウジング周壁部内に設けられた少なくとも１つの点火プラグ（９、１０）と、
を有するロータリーピストン機関（１）であって、
ロータ側壁部と内側ハウジング周壁部と内側ハウジング側面壁部との間には、燃焼チャンバ（１３、１４、１５、１６）が形成され、前記点火プラグ（９、１０）は、少なくとも１つの点火プラグ通路（２０）によって前記燃焼チャンバ（１３、１４、１５、１６）と繋がっており、
少なくとも１つの点火プラグ通路（２０）は、ほぼ円形あるいは楕円形あるいはスリット状の断面を有し、前記点火プラグ（９、１０）は、少なくとも１つの点火プラグ通路（２０）よりも直径が大きい点火プラグホール（２１）内に設けられており、
前記点火プラグホール（２１）の容積は、少なくとも１つの点火プラグ通路（２０）に対して相対的に、回転方向で見て主に後部に設けられていることを特徴とするロータリーピストン機関（１）。
前記点火プラグホール（２１）は、先細りの特に楔形に先が尖った側面（２２）を備え、
少なくとも１つの点火プラグ通路（２０）の一端部は、完全にあるいは部分的に、この側面（２２）の内部にあることを特徴とする請求項１に記載のロータリーピストン機関（１）。
前記点火プラグホール（２１）は、少なくとも１つの点火プラグ通路（２０）に対してほぼ平行に延在することを特徴とする請求項１あるいは２に記載のロータリーピストン機関（１）。
前記ロータ（３）の少なくとも１つの頂角部に沿って、該頂角部の両側に形成される前記燃焼チャンバ（１３、１４、１５、１６）を互いに密閉するための少なくとも１つのアペックスシール（１７、１８、１９）が設けられており、
該アペックスシール（１７、１８、１９）は、燃焼室への前記点火プラグ通路（２０）の流出口あるいは前記点火プラグ（９、１０）に属するすべての点火プラグ通路（２０）の流出口を、該流出口を通過する際に完全にあるいはほとんど完全に覆うことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のロータリーピストン機関（１）。