JP2017072144A - 軌道式の非往復動内燃機関 - Google Patents
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Abstract
【課題】軌道式の非往復動内燃機関を提供すること【解決手段】各自の平行な回転軸を持つ数組の協働するシリンダ部材およびピストン部材を有する可燃性流体作動式軌道機関。ピストン/シリンダを環状かつ軌道状におよび交差する逆の経路に沿った共通の長手方向軸上で常時対抗の関係で担持するピストン/シリンダ回転軸に平行な各自の軸を持つ各自のシリンダキャリアホイールおよびピストンキャリアホイール。シリンダキャリアホイールおよびピストンキャリアホイールによって支持された各自の歯車構造体またはベルト/スプロケットは、それらの各自の経路が交差するときにそれらの周期的な嵌合に対してそれらの対抗する関係を維持するために、それらの円運動とは逆に前記ピストン/前記シリンダを回転させる。可燃性流体供給は機関作動の関係で周期的な嵌合と同時に起こる燃焼用のシリンダ部材に提供される。ピストン/シリンダはセラミック材を含む場合がある。【選択図】図1
Description
本発明の実施形態は、概して内燃機関、さらに具体的には、軌道式の非往復動内燃機関に関する。
オットーサイクル機関は、往復動内燃機関である。オットーサイクル機関の主たる仕事‐生産の構成要素の多くが往復運動、すなわち、第1の方向に移動し、停止し、その後サイクルを完了させるために第2の反対方向に移動する。オットーサイクル機関では、1回の動力行程を生み出す上で、ピストン組立体の方向に4つの変化がある。ピストン組立体(例えば、ピストン、リング、リストピンおよび連結棒)が、上死点まで(すなわち、行程の終わりまで)速さの割合が変化してそれぞれのシリンダの中に向かって上昇し、そこで停止して、その後行程の底部までシリンダを下に戻す。ピストンとともに運動し、リストピンでつなぎ、クランクシャフトで旋回する連結棒が、変化する角度力を生じさせ、シリンダ壁に対するピストンの側壁荷重の結果を生む。これが摩擦損失の原因である。それらの運動中のピストン構成要素の加速および減速の理由により、内燃往復動機関は、これらのエネルギーの急増を緩和するためのフライホイールを必要とするが、これは不完全な解決策であり、エネルギー多消費の影響が残る。
オットーサイクル機関は、燃焼を補助するために(往復バルブを介して)シリンダに空気を吸入し、その後往復バルブを介してシリンダから排気ガスを吸出するために、ピストン/シリンダ関係をさらに利用している。機関動力のかなりの量がポンプ作業を達成するために使用され、クランクシャフトの2回転が、1回の動力行程を生み出すために必要とされる。
CIRCLE CYCLE(商標)機関(これ以降「CC機関」)と名付けられた本発明の機関設計は、オットーサイクル機関の基本的な機械的な原則のいくつかを変更している。往復運動の代わりに、CC機関設計は、ピストンおよびシリンダの非往復軌道運動を利用している。このように、CC機関は、エンジンブロック、クランクシャフトまたは関連する連結棒、別箇のフライホイール、吸気または排気バルブまたはウォータポンプ、それらの補助機器を一切有していない。
その代わりに、CC機関のピストンおよびシリンダは、それら独自の各自のキャリアホイールあるいは駆動ホイールにそれぞれ取り付けられる。シリンダ駆動ホイールの位置に対するピストン駆動ホイールの関係および位置を配置及び維持することによって、ピストン/シリンダ経路の重複が達成され得る。ピストン経路およびシリンダ経路の合体が、CC機関の「行程」に相当する。ピストンホイールおよびシリンダホイールは、各自の(および平行な)軸上で対抗する方向に回転し、それによって担持される個別のピストンおよびシリンダが、軌道運動でホイール軸の周りを旋回するが、同時に、嵌合のための位置を常に保つためにそれら独自の各自の軸を中心にして逆回転をしている。すなわち、各自の数組のピストンおよび協働シリンダは、それらの各自のホイール上のそれらの相対的な位置に関係なく、共通の長手方向軸を共有する。
作業ユニット、ピストンおよび係合するシリンダを備える1組が、ピストンホイールおよびシリンダホイールの360度の回転全体を通じて、常に心合わせされた状態になる。要するに、1つのピストンが、組またはユニットの内でその関連するシリンダの方向に常に向いており、1つのシリンダが、その関連するピストンの方向に開口して向き合わされている。したがって、ピストンをシリンダ壁に押し付けて、摩擦を発生させる角度力が全くない。これが、軸の心合わせが一時的でかつ局所的となる放射状のピストン/シリンダ配置システムとは対照的である。CC機関では、前述の長手方向の心合わせによって、シリンダ/ピストン角度が約0度を越えない場合、下段でさらに説明されているように、圧縮力よび燃焼力の両方を、ピストン/シリンダの中心線に直接的に一致させることが可能となる。
本発明のピストンおよびシリンダは、側壁荷重を避けつつ、共通の長手方向軸に沿った嵌合のために、常に同じように方向付けされる。いくつかの実施形態では、CC機関のピストンおよびシリンダは、所望の相対位置にそれらを保持するために、歯車によって方向付けが維持される。その他の実施形態では、スプロケットおよび歯付きベルトが使用されることがある。
ピストンが動力行程の途中で最大の応力中心距離またはトルクが達成されるオットーサイクル機関とは違って、CC機関は、動力行程の全距離を通じてその応力中心距離を増加させる。CC機関の応力中心距離は、オットー機関の応力中心距離の250%であり、;行程は166%より長く(典型的なシリンダ内径の要素として)、各シリンダは、1つ置きではなく、機関の各回転の度に動力行程を完結し、CC機関が、低いRPMで高い馬力を達成することを可能にすることは、より中程度の機関の速さになれば、より働き、機関作動中の摩擦摩耗がより少なくなることを意味する。これらの機械的な利点が、燃料効率に著しく加わる。
シリンダキャリア組立体とピストンキャリア組立体の両方が、連結されたフライホイールとして機能する。質量を有するすべての機関構成要素が、ホイールの回転軸を中心にして回転/軌道運動をして、つねに釣り合いが取れている。ピストンおよびシリンダが軌道運動をして、かように、それらの回転方向またはそれらの速度(機関の速さに関しては除く)を変化させず、オットーサイクルの往復動機関で失われるエネルギーが、CC機関では保存される。
CC機関は、いくつかの実施形態では、ガソリン、ディーゼル、バイオディーゼル、その他のような、液体可燃性燃料で作動可能である。他の実施形態では、CC機関は、天然ガス、プロパン等のようなガス状可燃性流体で作動可能である。下段に記述されているように、いくつかの実施形態は、吸入バルブまたは排気バルブを必要としないことから、機関の効率と単純性の増大を提供している。
図面を参照して後述されるように、CC機関は、軽量、低コスト、および構造上の単純性を特徴にしており、発電機または電力伝送装置としての利用が理想的となる。いくつかの実施形態では、高強度の永久磁石が、ピストン/シリンダキャリアホイールの上またはと共同で、それらの間に直接の電気的な接続なしで、位置決めされ、発電機用の磁心を提供している。その後、CC機関の骨組またはハウジングに取り付けられた据え付けの固定子コイルを介して、電力が得られ、ソリッドステート電力管理電子装置によって制御される。したがって、単動のCC機関/発電機は、住宅、車両、井戸ポンプ、ボートまたはその他あらゆる電動装置の電気的なニーズに提供することができる。
CC機関に関しては、摩擦損失、ポンピング損失、冷却損失、および振動でさえその損失が、現在の設計と比較して、おそらく50%程度、実質的に低減する。現在のオットーサイクル機関に対する単純性および安価な材料に起因する、燃焼効率、より少ない重量、および低減した製造コストを算入すれば、CC機関が、全世界の機関近代化のニーズに応える上での大きな前向きな一歩となることが明らかである。
本発明は、例えば、以下を提供する。
(項目1)
可燃性流体作動式軌道機関(orbital engine)であって、
1つ以上のシリンダであって、各シリンダが、長手方向軸を有し、軌道運動のために回転するシリンダホイール上で担持され、前記可燃性流体を受け入れるように適合され、前記シリンダホイールが、第1の回転軸に沿った車軸を中心にして回転可能であり、前記1つ以上のシリンダの少なくとも一部が、その軌道運動時に前記第1の軸と交差する、シリンダと、
対抗する軌道運動のために逆回転するピストンホイール上で担持される1つ以上の対応するピストンであって、前記ピストンホイールが、前記第1の軸に平行な第2の回転軸に沿った車軸を中心にして回転可能であり、前記1つ以上のピストンの少なくとも一部が、その軌道運動時に前記第2の軸と交差し、前記ピストンの各々が、協働シリンダを有し、その運動全体を通じて、同じ長手方向軸上のその協働シリンダに対抗および順次進入し、かつ、そこから完全に離脱するその協働シリンダと同じ長手方向軸を有する、可燃性流体作動式軌道機関。
(項目2)
前記1つ以上のシリンダおよび前記1つ以上のピストンのうち少なくとも1つがセラミック材を含んでいる、項目1に記載の可燃性流体作動式軌道機関。
(項目3)
前記1つ以上のピストンが各々、ピストン車軸に結合されているピストンヘッドを備え、前記ピストン車軸が前記ピストンホイールに結合され、前記1つ以上のシリンダが各々、シリンダ車軸に結合されるシリンダヘッドを備え、前記シリンダ車軸が前記シリンダホイールに結合される、項目1に記載の可燃性流体作動式軌道機関。
(項目4)
前記シリンダホイールおよび前記ピストンホイールが、上に位置決めされた複数の永久磁石を有する各自のハブ上で回転し、前記機関が、前記ハブの回転に応じて動力を提供するように作動するハブの周りに配置された複数の固定子組立体をさらに備える、項目1に記載の可燃性流体作動式軌道機関。
(項目5)
前記シリンダホイールおよび前記ピストンホイールによって支持された各自の歯車構造体であって、それらの各自の経路が交差するときに、周期的な嵌合に対して対抗するそれらの関係を維持するために、それらの円運動方向とは逆に前記シリンダおよび前記ピストンを回転させるように作動する、各自の歯車構造体をさらに備える、項目1に記載の可燃性流体作動式軌道機関。
(項目6)
前記シリンダホイールおよび前記ピストンホイールによって支持された各自のスプロケット組立体およびベルト組立体であって、それらの各自の経路が交差するときに、周期的な嵌合に対してそれらの対抗する関係を維持するために、それらの円運動方向とは逆に前記シリンダおよび前記ピストンを回転させるように作動する、各自のスプロケット組立体およびベルト組立体をさらに備える、項目1に記載の可燃性流体作動式軌道機関。
(項目7)
圧縮、爆発、及び排気のためにシリンダに進入するピストンとの時限関係でシリンダに対しての可燃性流体の供給をさらに含む、項目1に記載の可燃性流体作動式軌道機関。
(項目8)
前記1つ以上のシリンダが各々、シリンダ車軸に結合されたシリンダヘッドを備え、前記シリンダ車軸が、前記シリンダに作動的に結合された燃料噴射ノズルに燃料を供給するための燃料チューブを含む、項目7に記載の可燃性流体作動式軌道機関。
(項目9)
前記燃料チューブに結合された燃料噴射ソレノイドをさらに備え、前記ソレノイドが、電子燃料制御交換子から動力を受け取るように構成される、項目8に記載の可燃性流体作動式軌道機関。
(項目10)
各々のピストンと作動的に関連している可燃性流体爆発装置をさらに備える、項目1に記載の可燃性流体作動式軌道機関。
(項目11)
前記可燃性流体爆発装置が点火プラグを備える、項目10に記載の可燃性流体作動式軌道機関。
(項目12)
前記1つ以上のピストンが各々、ピストン車軸に結合されたピストンヘッドを備え、前記ピストン車軸が、前記ピストンホイールに結合され、かつ前記可燃性流体爆発装置との電気的な接続を含み、前記可燃性流体爆発装置が点火交換子を介して点火時期信号を受け取る、項目10に記載の可燃性流体作動式軌道機関。
(項目13)
前記機関の作動時に前記ピストンおよび前記シリンダの前記圧縮、空気質、および冷却を制御するように構成された送風組立体および排気システムをさらに備える、項目1に記載の可燃性流体作動式軌道機関。
(項目14)
前記1つ以上のシリンダの各々が前記シリンダの入口に設置される圧縮シールシステムを備え、前記圧縮シールシステムが複数のスプリット圧縮シールリングを保持するためのカートリッジを備える、項目1に記載の可燃性流体作動式軌道機関。
(項目15)
前記カートリッジに連通可能に結合され、かつ前記複数のスプリット圧縮シールリングに潤滑油の注油を提供するように構成された潤滑油の注油チューブをさらに備える、項目14に記載の可燃性流体作動式軌道機関。
(項目16)
前記カートリッジが、前記シリンダおよびその対応するピストンの起こりうる位置ずれを許すために、前記シリンダの長手方向軸に対して横断する方向で前記シリンダに対して移動可能となる、項目15に記載の可燃性流体作動式軌道機関。
(項目17)
前記1つ以上のシリンダが複数のシリンダを備え、前記1つ以上のピストンが複数のピストンを備え、各ピストン−シリンダ対の長手方向軸が、各々の他の協働するシリンダおよび協働ピストン対の各自の長手方向軸に対して、常時平行である、項目1に記載の可燃性流体作動式軌道機関。
(項目18)
各自の平行な回転軸を有する1組の協働するシリンダ部材およびピストン部材であって、前記シリンダ部材および前記ピストン部材の少なくとも1つがセラミック材を含む、シリンダ部材およびピストン部材と、
環状かつ軌道状に、および交差する逆の経路に沿った共通の長手方向軸上で常時対抗の関係で、前記部材を担持する、前記部材の回転軸に平行な各自の回転軸を有する各自のシリンダキャリアホイールおよびピストンキャリアホイールと、
各自の歯車構造体であって、前記シリンダキャリアホイールおよび前記ピストンキャリアホイールによって支持され、それらの各自の経路が交差するときにそれらの周期的な嵌合に対するそれらの対抗の関係を維持するためにそれらの円運動方向とは逆に前記部材を回転させるように作動する、各自の歯車構造体と、
機関の作動の関係で周期的な嵌合と同時に起こる燃焼のための前記シリンダ部材に対する可燃性流体供給と、を備え、前記数組の共通の長手方向軸が互いに常時平行である、可燃性流体作動式軌道機関。
(項目19)
交差する対向経路に沿った環状運動および軌道状運動のための共通な長手方向軸上で常時対抗の関係で配置された複数の組の協働するシリンダ部材およびピストン部材であって、シリンダの各々が、前記シリンダの前記入口に設置される圧縮シールシステムを含み、前記圧縮シールシステムが、複数のスプリット圧縮シールリングを保持するためのカートリッジを含む、シリンダ部材およびピストン部材と、
歯車構造体であって、それらの各自の経路が交差する場合にそれらの周期的な嵌合に対してそれらの対抗の関係を維持するためにそれらの前記軌道運動とは逆に前記部材を回転させるように作動する、歯車構造体と、
機関の作動の関係でそれらの周期的な嵌合と同時に起こる燃焼のための前記シリンダ部材に対する可燃性流体供給と、を備え、前記数組の共通の長手方向軸が互いに常時平行である、可燃性流体作動式軌道機関。
(項目20)
共通の長手方向軸上に常時対抗の関係に複数の組の協働するシリンダ部材およびピストン部材を配置することであって、前記シリンダ部材及び前記ピストン部材が各々セラミック材を含む、配置することと、
前記共通の長手方向軸上でそれらの配置を十分に維持するための軌道関係で、それらの円運動とは逆に前記部材を同時に回転させる間に、交差する逆の経路に沿って前記部材の組を環状に動作させることと、
それらの各自の経路が交差する場合に前記部材を周期的に嵌合させることと、
機関の作動の関係で部材同士の嵌合に対する爆発反応のために前記シリンダ部材内に可燃性流体を供給することと、を含む、可燃性流体作動式軌道機関を作動する方法。
(項目21)
共通の長手方向軸上に常時対抗の関係の各自の平行な回転軸を有する複数の組の協働するシリンダ部材およびピストン部材を配置することと、
前記共通の長手方向軸上のそれらの配置を十分に維持するために、軌道関係にあるそれらの環状の動作と逆に前記部材を同時に回転させる一方で、前記部材の回転軸に対して平行な回転軸を有する各自のシリンダキャリアホイールとピストンキャリアホイール上で交差する逆の経路に沿って前記部材を担持することであって、前記部材が、回転時に前記シリンダキャリアホイールおよび前記ピストンキャリアホイールの各自の回転軸を交差させる、担持することと、
前記部材の各自の経路が交差する場合に前記部材を周期的に嵌合させることと、
ならびに、機関の作動の関係で部材同士の嵌合に対する爆発反応のために前記シリンダ部材内に可燃性流体を供給することと、を含む、可燃性流体作動式軌道機関を作動する方法。
(項目22)
各自の部材であって、その各自のキャリアホイールによって担持される各自の遊星歯車を持つ各自の部材の回転を駆動させることと、
前記部材の共通の長手方向軸の方位を維持するために各自のキャリアホイールとともに回転する中央歯車を持つ前記遊星歯車を駆動させることと、
ならびに、相等しくかつ対抗の関係の回転のために、前記キャリアホイールを互いに周期的に係合させることと、をさらに含む、項目21に記載の方法。
本発明は、例えば、以下を提供する。
(項目1)
可燃性流体作動式軌道機関(orbital engine)であって、
1つ以上のシリンダであって、各シリンダが、長手方向軸を有し、軌道運動のために回転するシリンダホイール上で担持され、前記可燃性流体を受け入れるように適合され、前記シリンダホイールが、第1の回転軸に沿った車軸を中心にして回転可能であり、前記1つ以上のシリンダの少なくとも一部が、その軌道運動時に前記第1の軸と交差する、シリンダと、
対抗する軌道運動のために逆回転するピストンホイール上で担持される1つ以上の対応するピストンであって、前記ピストンホイールが、前記第1の軸に平行な第2の回転軸に沿った車軸を中心にして回転可能であり、前記1つ以上のピストンの少なくとも一部が、その軌道運動時に前記第2の軸と交差し、前記ピストンの各々が、協働シリンダを有し、その運動全体を通じて、同じ長手方向軸上のその協働シリンダに対抗および順次進入し、かつ、そこから完全に離脱するその協働シリンダと同じ長手方向軸を有する、可燃性流体作動式軌道機関。
(項目2)
前記1つ以上のシリンダおよび前記1つ以上のピストンのうち少なくとも1つがセラミック材を含んでいる、項目1に記載の可燃性流体作動式軌道機関。
(項目3)
前記1つ以上のピストンが各々、ピストン車軸に結合されているピストンヘッドを備え、前記ピストン車軸が前記ピストンホイールに結合され、前記1つ以上のシリンダが各々、シリンダ車軸に結合されるシリンダヘッドを備え、前記シリンダ車軸が前記シリンダホイールに結合される、項目1に記載の可燃性流体作動式軌道機関。
(項目4)
前記シリンダホイールおよび前記ピストンホイールが、上に位置決めされた複数の永久磁石を有する各自のハブ上で回転し、前記機関が、前記ハブの回転に応じて動力を提供するように作動するハブの周りに配置された複数の固定子組立体をさらに備える、項目1に記載の可燃性流体作動式軌道機関。
(項目5)
前記シリンダホイールおよび前記ピストンホイールによって支持された各自の歯車構造体であって、それらの各自の経路が交差するときに、周期的な嵌合に対して対抗するそれらの関係を維持するために、それらの円運動方向とは逆に前記シリンダおよび前記ピストンを回転させるように作動する、各自の歯車構造体をさらに備える、項目1に記載の可燃性流体作動式軌道機関。
(項目6)
前記シリンダホイールおよび前記ピストンホイールによって支持された各自のスプロケット組立体およびベルト組立体であって、それらの各自の経路が交差するときに、周期的な嵌合に対してそれらの対抗する関係を維持するために、それらの円運動方向とは逆に前記シリンダおよび前記ピストンを回転させるように作動する、各自のスプロケット組立体およびベルト組立体をさらに備える、項目1に記載の可燃性流体作動式軌道機関。
(項目7)
圧縮、爆発、及び排気のためにシリンダに進入するピストンとの時限関係でシリンダに対しての可燃性流体の供給をさらに含む、項目1に記載の可燃性流体作動式軌道機関。
(項目8)
前記1つ以上のシリンダが各々、シリンダ車軸に結合されたシリンダヘッドを備え、前記シリンダ車軸が、前記シリンダに作動的に結合された燃料噴射ノズルに燃料を供給するための燃料チューブを含む、項目7に記載の可燃性流体作動式軌道機関。
(項目9)
前記燃料チューブに結合された燃料噴射ソレノイドをさらに備え、前記ソレノイドが、電子燃料制御交換子から動力を受け取るように構成される、項目8に記載の可燃性流体作動式軌道機関。
(項目10)
各々のピストンと作動的に関連している可燃性流体爆発装置をさらに備える、項目1に記載の可燃性流体作動式軌道機関。
(項目11)
前記可燃性流体爆発装置が点火プラグを備える、項目10に記載の可燃性流体作動式軌道機関。
(項目12)
前記1つ以上のピストンが各々、ピストン車軸に結合されたピストンヘッドを備え、前記ピストン車軸が、前記ピストンホイールに結合され、かつ前記可燃性流体爆発装置との電気的な接続を含み、前記可燃性流体爆発装置が点火交換子を介して点火時期信号を受け取る、項目10に記載の可燃性流体作動式軌道機関。
(項目13)
前記機関の作動時に前記ピストンおよび前記シリンダの前記圧縮、空気質、および冷却を制御するように構成された送風組立体および排気システムをさらに備える、項目1に記載の可燃性流体作動式軌道機関。
(項目14)
前記1つ以上のシリンダの各々が前記シリンダの入口に設置される圧縮シールシステムを備え、前記圧縮シールシステムが複数のスプリット圧縮シールリングを保持するためのカートリッジを備える、項目1に記載の可燃性流体作動式軌道機関。
(項目15)
前記カートリッジに連通可能に結合され、かつ前記複数のスプリット圧縮シールリングに潤滑油の注油を提供するように構成された潤滑油の注油チューブをさらに備える、項目14に記載の可燃性流体作動式軌道機関。
(項目16)
前記カートリッジが、前記シリンダおよびその対応するピストンの起こりうる位置ずれを許すために、前記シリンダの長手方向軸に対して横断する方向で前記シリンダに対して移動可能となる、項目15に記載の可燃性流体作動式軌道機関。
(項目17)
前記1つ以上のシリンダが複数のシリンダを備え、前記1つ以上のピストンが複数のピストンを備え、各ピストン−シリンダ対の長手方向軸が、各々の他の協働するシリンダおよび協働ピストン対の各自の長手方向軸に対して、常時平行である、項目1に記載の可燃性流体作動式軌道機関。
(項目18)
各自の平行な回転軸を有する1組の協働するシリンダ部材およびピストン部材であって、前記シリンダ部材および前記ピストン部材の少なくとも1つがセラミック材を含む、シリンダ部材およびピストン部材と、
環状かつ軌道状に、および交差する逆の経路に沿った共通の長手方向軸上で常時対抗の関係で、前記部材を担持する、前記部材の回転軸に平行な各自の回転軸を有する各自のシリンダキャリアホイールおよびピストンキャリアホイールと、
各自の歯車構造体であって、前記シリンダキャリアホイールおよび前記ピストンキャリアホイールによって支持され、それらの各自の経路が交差するときにそれらの周期的な嵌合に対するそれらの対抗の関係を維持するためにそれらの円運動方向とは逆に前記部材を回転させるように作動する、各自の歯車構造体と、
機関の作動の関係で周期的な嵌合と同時に起こる燃焼のための前記シリンダ部材に対する可燃性流体供給と、を備え、前記数組の共通の長手方向軸が互いに常時平行である、可燃性流体作動式軌道機関。
(項目19)
交差する対向経路に沿った環状運動および軌道状運動のための共通な長手方向軸上で常時対抗の関係で配置された複数の組の協働するシリンダ部材およびピストン部材であって、シリンダの各々が、前記シリンダの前記入口に設置される圧縮シールシステムを含み、前記圧縮シールシステムが、複数のスプリット圧縮シールリングを保持するためのカートリッジを含む、シリンダ部材およびピストン部材と、
歯車構造体であって、それらの各自の経路が交差する場合にそれらの周期的な嵌合に対してそれらの対抗の関係を維持するためにそれらの前記軌道運動とは逆に前記部材を回転させるように作動する、歯車構造体と、
機関の作動の関係でそれらの周期的な嵌合と同時に起こる燃焼のための前記シリンダ部材に対する可燃性流体供給と、を備え、前記数組の共通の長手方向軸が互いに常時平行である、可燃性流体作動式軌道機関。
(項目20)
共通の長手方向軸上に常時対抗の関係に複数の組の協働するシリンダ部材およびピストン部材を配置することであって、前記シリンダ部材及び前記ピストン部材が各々セラミック材を含む、配置することと、
前記共通の長手方向軸上でそれらの配置を十分に維持するための軌道関係で、それらの円運動とは逆に前記部材を同時に回転させる間に、交差する逆の経路に沿って前記部材の組を環状に動作させることと、
それらの各自の経路が交差する場合に前記部材を周期的に嵌合させることと、
機関の作動の関係で部材同士の嵌合に対する爆発反応のために前記シリンダ部材内に可燃性流体を供給することと、を含む、可燃性流体作動式軌道機関を作動する方法。
(項目21)
共通の長手方向軸上に常時対抗の関係の各自の平行な回転軸を有する複数の組の協働するシリンダ部材およびピストン部材を配置することと、
前記共通の長手方向軸上のそれらの配置を十分に維持するために、軌道関係にあるそれらの環状の動作と逆に前記部材を同時に回転させる一方で、前記部材の回転軸に対して平行な回転軸を有する各自のシリンダキャリアホイールとピストンキャリアホイール上で交差する逆の経路に沿って前記部材を担持することであって、前記部材が、回転時に前記シリンダキャリアホイールおよび前記ピストンキャリアホイールの各自の回転軸を交差させる、担持することと、
前記部材の各自の経路が交差する場合に前記部材を周期的に嵌合させることと、
ならびに、機関の作動の関係で部材同士の嵌合に対する爆発反応のために前記シリンダ部材内に可燃性流体を供給することと、を含む、可燃性流体作動式軌道機関を作動する方法。
(項目22)
各自の部材であって、その各自のキャリアホイールによって担持される各自の遊星歯車を持つ各自の部材の回転を駆動させることと、
前記部材の共通の長手方向軸の方位を維持するために各自のキャリアホイールとともに回転する中央歯車を持つ前記遊星歯車を駆動させることと、
ならびに、相等しくかつ対抗の関係の回転のために、前記キャリアホイールを互いに周期的に係合させることと、をさらに含む、項目21に記載の方法。
次に、図面、特に図1を詳細に参照して、可燃性流体作動式軌道機関10用のピストン駆動ホイール組立体18およびシリンダ駆動ホイール組立体14が示されている。機関10の完全に組み立てられた図面が図13に示されている。シリンダ駆動ホイール組立体14は実質的に対称な2組の2基のシリンダ28を備え、ピストン駆動ホイール組立体18は実質的に同じ2組の2基のピストン36を備えている。ピストン36は、ピストン軸またはシャフト114に結合されるピストンヘッド40をそれぞれ備えている。シリンダ28は、シリンダ軸またはシャフト74、およびピストン36を受け入れるために構成されたシリンダスリーブ32に結合されるシリンダヘッド30を備えている。ピストン36の各々は、それらが対応するシリンダ28と共通する長手方向軸上で常時対抗する関係にあるように配置される。図2A〜2Dに示されているように、シリンダ28およびピストン36は、各自のシリンダキャリアおよびピストンキャリアまたは駆動歯車ホイール24および20(図1を参照)により規定される、交差する逆の経路52および54それぞれに沿った軌道運動のために、構成されている。キャリアホイール24および20は、図1に最適に示されており、図2A〜2Dに示されている経路52および54に沿った環状運動で各自のシリンダ28およびピストン36を回転させるための作動が可能となっている。キャリアホイール20および24は、互いに噛み合され、反対方向に回転する。図5および6に示されているように、シリンダ駆動ホイール組立体14の2つのキャリアホイール24は、シリンダキャリアホイール駆動リンクまたは軸62を介して互いに結合している。ボールベアリング164(図5参照)が、キャリアホイール24がドライブリンク62を中心にして回転することができるように、提供されている。同様に、図7に示されているように、ピストン駆動ホイール組立体18の2つのキャリアホイール20が、ピストンキャリアホイール駆動リンクまたは軸98を介して互いに結合されている。
シリンダ28およびピストン36が、図2A〜2Dに示されているように共通の長手方向軸A−A上に留まることになるため、それらの横断軸上で方向変換される必要がある(すなわち、それらがホイール20、24によって環状に運ばれるとき、360度の移動を通じて、それらの対応するピストン/シリンダ内で心合わせの状態を維持するために、動作の回転方向とは逆に回転させる)。それらの各自のキャリアホイール24および20の環状回転に対するシリンダ28とピストン36の逆回転の比率は、何であっても、共通の長手方向軸A−A上で軸の心合わせを維持することが必要とされる。典型的には、これは多くの実施形態で1:1となるであろう。
機関10のピストン36およびシリンダ28の各々の基本的な運動は、図2A〜2Dに概略的に説明されている。示されているように、ピストンキャリアホイール20は、車軸98を中心にして回転経路54上を時計回りに回転(CW)するピストン36を担持している。シリンダ28を担持しているシリンダキャリアホイール24は、車軸98と平行な車軸62を中心とする回転経路52上を反時計回り(CCW)に回転していることが示されている。示されているように、経路52は経路54と交差する。説明されているように、ピストン36とシリンダ28は、それらが互いに接近する、および互いに離れる時に、芯合わせされている。
図1に示されているように、歯車構造体が、経路52および54に沿ったそれらの環状の運動とは逆に、シリンダ28およびピストン36を回転させるために提供され、それによりそれらの共通の長手方向軸A−A関係が、ホイール20および24の環状経路にもかかわらず、維持される。すなわち、シリンダ28およびピストン36は、それぞれ車軸62および98を中心にしてそれらの各自のキャリアホイール24および20上で環状に運ばれることになるが、歯車構造体は、それらが環状に担持されるときに、それらの個別の車軸74および114によって規定されるそれらの個別の軸を中心にしてシリンダ部材およびピストン部材を回転させるように機能する。シリンダ28およびピストン36の運動は、それぞれ、ホイール24および20を伴った両方ともが環状であり、同時に、車軸74および114上のそれら独自の各自の軸を中心に回転式であり、したがって軌道状である。
前述の回転的かつ軌道的な運動を達成するために、シリンダ28およびピストン36の各々のシャフト74および114が、中間歯車116および117を介して各自の固定された中央または共通歯車70および106に順番に結合された、キャリアホイール24および20によって担持される各自の遊星歯車96および58と、結合される。この歯車構造体は、シリンダ28およびピストン36を、それらの各自のキャリアホイール24および20の回転に対して、1:1の比で、逆回転させるために作動する。
さらに詳しく後述されるように、シリンダおよびピストン36の周期的な嵌合と同時に生じる燃焼のためにシリンダ28の各々に対する可燃性流体供給がある。スパークプラグ128を備える可燃性流体起爆装置が、ピストン36の各々に作動的に関連している。作動中、キャリアホイール20および24が、1対のシリンダ/ピストン間の爆発的なはずみの下で回転し、その他の対のシリンダ/ピストンを一緒にさせ、それが続き、「環状サイクル」となる。機関10は、蒸気、圧縮ガス、またはその他の流体エネルギー源による作動に対すると同様に、増加する圧縮および噴射圧力によるディーゼル作動に適している。
図3は、機関10の部分的分解斜視図を表している。示されているように、機関10は、1組のピストン/シリンダ対をカバーするためにそれぞれが作動する2つの対称形の側面カバーを含んでいる。機関10は、また基部244、側板232(図4参照)、およびカバー240を備えるキャリアホイール20および24の周りに形成されるオイルケースを含んでいる。図4および5で最も良く見ることができるように、機関10は、オイルケース側板232およびサイドケース166と一緒に、ピストン/シリンダ対の各組用の雰囲気制御チャンバー162を形成する、1対のサイドケースバフル168をさらに備えている。
とりわけ、中央車軸62および98は、雰囲気制御チャンバー162を貫通するまでは延在せず、シリンダピボットシャフト74はシリンダ28の外側に位置決めされ、ピストンピボットシャフト114はピストン36の外周側に位置決めされる。シリンダ28およびピストン36は、それらからの妨害なしで、中央車軸62および98と同じ軸に沿って延在する空間に移動され得ることから、シリンダ28およびピストン36の外側に延ばされる中央車軸を含む機関に比べ、おなじ容量またはエンベロープで、より高い馬力が達成され得る。すなわち、この実施形態で、ピストン36およびシリンダ28は、中央車軸をそれらの各自の回転軸を貫通させるために間隔をあけられる必要がない。
次に図3、5、および6を参照すると、燃料が、一番外側の部分205における外側のドライブプレート82の主シリンダの外側の車軸83に結合されている燃料注入ポート204を通じて、機関に入る。燃料がシリンダ車軸74に分配され、燃料噴射ノズル208を介して、燃焼のために理想的な特性を提供する燃料噴射ソレノイド202によって、シリンダヘッド30の中に噴射される。燃料噴射ソレノイド202は、サイドケース166上に位置決めされる電子燃料制御交換子140を通じてコンピュータ制御ユニット(CCU)によって、作動される。る電子燃料制御交換子140は、サイドケース166の内部表面に取り付けられた交換子の基部171およびストリップ172を通じたソレノイドパワーインポート210でソレノイド202と電気的に結合されている(図3参照)。
次に図3および7を参照すると、機関10用の点火装置もまた、点火装置転換子92までのピストン車軸114(外側の駆動プレート120の外側に延在する)を通じて延在する点火プラグワイヤ130の一端部216を介して点火プラグ128にエネルギーを運ばせるCCUで制御される。前述の燃料噴射ソレノイド202と同様に、点火プラグワイヤ130が、サイドケース166の内部表面に取り付けられた交換子基部171およびストリップ172を通じて点火装置交換子92に結合されている。理解され得ることとして、機関10のディーゼル版においては、燃料を燃やすための点火装置を始動するために圧縮熱が使われることから、点火システムは必要とされない。
機関10はまた、機関の歯車に潤滑油を注油するために構成されたオイルポンプ220およびオイルフィルター224を含んでいる。図4に示されているように、オイルは、オイル分配チューブ230およびオイルスプレーチューブ228を介してオイルフィルター224からオイルケースに吸入される。
前述のように、本設計の物理的性質が、動力変換におけるより一層の柔軟性ゆえに、組込み式の発電機(および始動モータ)の支えとなる。発電機の核心部として機関構造を使用することによって、重量に大きな節減がある。図1に示されているように、キャリアホイール20および24が各々、磁極を造りだすためにその外周を囲んで配分された複数の永久磁石48を有する永久磁石ハブ44を含んでいる。いくつかの実施形態では、磁石48がネオジウム磁石であるが、その他のタイプもまた使用されてもよい。図3および12に示されているように、永久磁石ハブ44が各々、オイルケースカバー240および基部244に結合された6つの固定子組立体174に、囲まれている。当技術分野で周知のように、各固定子組立体174は、固定子鉄心178、固定子コイル176、絶縁体、その他を備えている。作動時、磁石ハブ44の回転が、固定子と対抗する極(すなわち、固定子コイル176をさえぎる)を持つ磁束密度を発生させ、固定子コイル176に有効電流が発生され、電療を必要とする多様な用途に電力を提供するために使用される。
機関10はまた、送風組立体300および排気システム320を含む呼吸システムを備えている。図4で最も良く見ることができるように、送風組立体300は、送風モータ310および送風羽根車308を含んでいる。送風組立体300は2つの渦巻室306も含み、各々が雰囲気制御チャンバー162のうちの1つに向けられている。図11に示されているように、送風組立体300はまた、浄化フラップアクチュエータ304(図4参照)によって選択的に位置決め可能なシリンダ浄化フラップまたはバフル312を含んでいる。送風組立体300はまた、サーモスタッド制御バルブ182によって制御される固定子ベントまたは冷却チューブ184を含んでいる。図12に示されているように、固定子組立体174は固定子冷却シュラウド180によって被覆されている。
排気システム320は、2つの排気ヘッダー322を備え、各々が、共通のヘッダー324で集まる雰囲気制御チャンバー162の1つから下方に延在する。排気制御バルブアクチュエータ326が提供され、レバーアーム322およびバタフライバルブシャフト334を介して、共通のヘッダー324内のバタフライバルブ330(点線で示されている)に作動的に結合されている。
作動時に、コンピュータ制御ニット(CCU)が、送風組立体300、排気制御バルブアクチュエータ326、およびシリンダ浄化フラップ312を制御する。排気システム320および送風組立体300のスピードを調整することにより、正圧が雰囲気制御チャンバー162内に維持される。低い機関スピードで、排気ガスの幾分かは、シリンダ28の燃焼チャンバー内で利用できる酸素を制限するために再循環される。機関10のスピードが増すにつれて、図11に示されているように、排気制御バルブ330が徐々に開放され、シリンダ浄化フラップ312がシリンダ28の開口部に向かって移動され得る。必要に応じて、機関の冷却が、送風組立体300の出力を増すことによって制御される。
次に図8A〜C、9、および10を参照すると、その他のピストン/シリンダ作動システムとは違って、機関10は、ピストン36に結合されるのではなく、各シリンダ28の入口に配置される圧縮密閉システムを有している。ピストン36がシリンダ28と接触しないために、シリンダ28の壁部の潤滑油の注油は必要とされない。理解され得るように、この設計は摩擦および摩耗を低減する。ピストン36はスプリット圧縮密閉リング148A、148B、および148Cを介して潤滑油の注油をされる。起こりうるピストン36およびシリンダ28の心のずれを許すために、スプリット圧縮密閉リング148A〜Cがリングホルダまたはカートリッジ152に組み込まれている。カートリッジ152は4つの主な機能を有している:(1)ピストン36の入口用の心合せ位置にリング148A〜Cを保持すること(すなわち、カートリッジ152は摩擦荷重の下で浮上することが許される);(2)リング148A〜Cのスプリット150A〜Cを、それぞれ、互いから120度分離して維持すること;(3)リング148A〜Cがピストン36上でシールを拡大維持することを許すこと;(4)リング/ピストンインターフェースに潤滑油の注油を提供すること。
図9に示されているように、リングカートリッジ潤滑油が、遠心力を介して、ギアボックスからシリンダ車軸74およびカップリングチューブ256を通じて通される。シリンダ28からのガスが、この非常に少量の流量を逆流させることを防止するためのチェックバルブ258がある。オイルが、カートリッジ152の外周を取り囲むフローテイングギャップ154から、カートリッジ152内の4つの小孔158およびエラストマリングカートリッジ緩衝材164内の4つの小孔168を通じて、中間リング148Bの両側まで分配される。この特徴が、2サイクル機関で典型的に必要とされている燃料に潤滑油を追加する必要性を排除する。理解され得るように、このことは、より断然にきれいな排気という結果となる。
カートリッジ152および圧縮リング148A〜Cは、コンテインメントリング142のそばのシリンダスリーブ32のリム部145内の凹部146内に含まれている。コンテインメントリング142およびリム部145は、複数のネジ付きボルト160およびネジ付き植込みボルト170を受け入れるように構成された穴部を含んでおり、コンテインメントリング142は、複数のナット162を使用してシリンダスリーブ32に固定される。
いくつかの実施形態で、セラミック材から製造されたシリンダスリーブ32およびピストンライナまたは絶縁体90が提供されている。ピストン36がシリンダ28と接触しないことから、かつ、シリンダおよびピストンの両方が、各動力行程後に独立して「呼吸」することが許されているため、それら間の熱交換が必要とされない。これによって、低熱伝導セラミックの使用が、燃焼熱エネルギーをいっそう機械エネルギーに変換することを可能にし、機関の熱効率を大きく増大させている。
図14および15は、本発明に従ったもう1つ別の機関400の実施形態を表している。機関400は、多くの面で前述の機関10と似通っており、本実施形態の考察は、特定の側面にのみ限定される。本実施形態で、ピストン470およびシリンダ472の回転および軌道運動は、機械的歯車ではなく、ベルトおよびスプロケットによって提供される。理解され得るように、この特徴は潤滑油を注油されるギアボックスの必要を排除する。
機関400は、4基のシリンダ472のバンクを備えるシリンダ駆動ホイール組立体404、および4基の対応するピストン470のバンクを備えるピストン駆動ホイール組立体408を含んでいる。シリンダ472は主シリンダシャフト406を中心にして回転し、ピストン470は主ピストンシャフト432を中心にして回転する。始動歯車436が、アイドラシャフト438上のスタータ(表示されていない)およびスプロケット442に結合される。スプロケット442が、始動ベルト450およびスプロケット414および422、それぞれを介して、主シリンダシャフト406および主ピストンシャフト432に結合される。かように、ベルト450は、シリンダ駆動ホイール組立体404をピストン駆動ホイール組立体408に連結させる。
図15に示されているように、ピストン470の軌道運動は、駆動シャフト428、固定された中央スプロケット426、およびアイドラスプロケット427に結合されたピストンスプロケット480の周囲に位置決めされたベルトによって制御される。同様に、シリンダ472の軌道運動は、駆動シャフト412、固定された中央スプロケット416、およびアイドラスプロケット417に結合されたシリンダスプロケット476の周囲に位置決めされたベルト454によって制御される。かように、シリンダキャリアホイール組立体404およびピストンキャリアホイール組立体408が、回転的にかつ軌道的に、および交差する逆の経路に沿った共通の長手方向軸とは常時対抗する関係で、ピストン/シリンダを担持するように、シリンダ472およびピストン470の回転的および軌道的な運動が、これらのスプロケットおよびベルトを使用することで発生される。
前述の記述された実施形態は、異なったその他の構成要素の中に含まれる、またはそれと連結される異なった構成要素を叙述している。そのような叙述された構成は単なる例示に過ぎず、実際に、同様の機能性を達成する多くのその他の構成が実施され得る。概念的な意味で、同様の機能性を達成するための構成要素のあらゆる配置が、所望の機能性が達成されるように、効率的に「関連」している。同様に、そのように関連しているあらゆる2つの構成要素は、所望の機能性を達成するために互いに「作動的に連結されて」、または「作動的に結合されて」いるとみなされ得る。
本発明の特定の実施形態がこれまで示されおよび記述されてきたが、ここでの教示に基づき、本発明およびそのより広範囲な側面から離れることなく変更および修正がなされることが可能であり、したがって、追記される請求項が、そのような変更および修正のすべてを、それらが本発明の真なる精神および範囲内にあるとして、その範囲内に含むことになることは、当業者にとっては明白となるであろう。さらにまた、本発明は、追記される請求項によってのみ定義されることが理解されるべきである。一般的に、ここで、および特に追記される請求項(たとえば、追記される請求項の本文)で使用されている用語は、概して「広い」用語として意図されている(たとえば、「含んでいる」という用語は、「含んでいるがこれに限定されない」と解釈されるべきであり、「有する」という用語は、「少なくとも有する」と解釈されるべきであり、「含む」という用語は、「含むがそれに限定されない」と解釈されるべき、等)ことが、当業者により理解されるべきである。
導入された請求表現について特定の数字が意図される場合、そのような意図は請求項に明示的に表現されることになり、そのような表現がない場合には、そのような意図は存在しないことが、当業者により理解されるべきである。例えば、理解の手助けとして、以下の追記される請求項が「少なくとも1つの」および「1つ以上の」という導入節を含むことがある。しかしながら、「a」または「an」という不明瞭な冠詞による請求表現の導入が、たとえ、同じ請求が、「1つ以上の」または「少なくとも1つの」という導入節および「a」または「an」という不明瞭な冠詞(例えば、「a」および/または「an」は典型的に、「少なくとも1つの」または「1つ以上の」を意味すると解釈されるべきである)を含むときでも、そのような導入された請求表現を含む特定の請求をそのような表現を1つのみ含む発明に限定しているということを暗示しているとして、そのような節の使用が解釈されるべきではなく;請求を導入するために使用されている定冠詞についても同様である。さらに、たとえもし、導入される請求表現について特定の数字が明示的に表現される場合でも、当業者は、そのような表現は典型的に、少なくとも表現された数字(たとえば、その他の修正なしで「2つの表現」のただの表現は、少なくとも2つの表現、または2つ以上の表現を意味する)を意味すると解釈されることについて、認識するであろう。
したがって、本発明は、追記される請求項によって以外に、限定されない。
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